ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1995 года по МПК H02N1/08 

Изобретение относится к электротехнике и может быть реализовано в ускорительной технике.

Известен ленточный транспортер электрических зарядов [1], содержащий ведущий вал, сочлененный с электродвигателем, ленту из изоляционного материала, ведомый вал, установленный на плите изолирующей колонны под высоким напряжением, к которой прикреплен высоковольтный электрод (кондуктор), коронирующее устройство для нанесения электрических зарядов на движущуюся ленту, устройство для съема зарядов с ленты в кондукторе. Транспортер зарядов размещен в объеме изолирующей колонны.

Недостатки этого устройства: невысокий электрический заряд, переносимый лентой; неполный съем зарядов с ленты в кондукторе; быстрый износ ленты из-за большой скорости ее движения и натяга; затруднение, возникающее при использовании элегаза SF₆ в качестве электроизолирующей среды, обусловленное разложением SF₆ на агрессивные компоненты в коронном разряде; нестабильность работы ускорителя из-за неустойчивости короны в газовой среде при нанесении зарядов на ленту и при их съеме в кондукторе.

Также известно пелетронное зарядное устройство [2], которое содержит ведущий диск (вал) с электроприводом; транспортер электрических зарядов, состоящий из изолирующего замкнутого каната, по длине которого на одинаковом расстоянии закреплены изолированно друг от друга цилиндрические электроды; ведомый диск, находящийся в контудукторе под высоким напряжением; емкостное устройство, индуктивно заряжающее движущиеся цилиндрические электроды и переносящие заряд в кондуктор. Ведомый диск, устройство для съема зарядов и кондуктор установлены на высоковольтной плите изолирующей колонны, в объеме которой размещен транспотер зарядов.

Недостатки этого устройства: малый ток зарядов, переносимый одной цепью подвижных цилиндров, что обусловлено малой электроемкостью цилиндр-индуктор; требуется несколько подвижных цепей, чтобы обеспечить нужный зарядный ток; транспортер зарядов является сложным. тяжеловесным и дорогостоящим инженерным устройством.

В качестве прототипа выбран ладертрон [3], который содержит ведущий барабан (вал) с электроприводом, установленный на заземленной плите, и ведомый барабан в кондукторе под высоким напряжением; транспортер зарядов, включающий в себя два диэлектрических каната, надетых на ведущий и ведомый барабаны, канаты соединены между собой поперечными пластинчатыми электродами, концы которых закреплены на канатах, электроды равномерно размещены по длине канатов изолированно друг от друга; емкостное устройство для зарядки движущихся электродов; устройство для съема зарядов в кондукторе под высоким напряжением.

Принцип работы ладертрона и пелетрона одинаков, отличие в том, что заряжается емкость ладертрона значительно больше, чем у пелетрона, за счет геометрических размеров электродорв. Ток зарядки таких устройств описывается формулой
I = C_л˙U˙n˙ v (1) где С_л - заряжаемая электроемкость в ладертроне;
U - напряжение зарядки;
n - число электродов на длине 1 м транспортера;
v - скорость транспортера.

Недостатки прототипа: малый ток зарядки кондуктора при достаточно высокой скорости движения транспортера из-за малой электроемкости движущихся электродов во время из зарядки; транспортер зарядов - сложное, трудоемкое и дорогостоящее устройство.

В тексте приняты следующие обозначения:
I, А - ток зарядки транспортера; U,В - напряжение зарядки; С_л, Ф - заряжаемая электроемкость в ладертроне; n - число электродов на длине 1 м транспортера; v, м/с - скорость транспортера; l,м - длина диэлектрического слоя; К, м - длина металлического слоя на диэлектрике; E_ε^п, В/м - поверхностная электрическая прочность диэлектрического слоя; E_ε ,В/м - объемная электрическая прочность диэлектрического слоя; R, м - внешний радиус диэлектрического слоя; r, м - внутренний радиус диэлектрического слоя; d, м - шаг электродов по длине транспортера; a,м - расстояние между смежными электродами; b,м - ширина электрода; m - число электродов в пакете; f,м - длина электрода, ширина ленты; ε_о, Ф/м - 8,85˙10^-12 - электрическая постоянная в системе СИ; ε- относительная диэлектрическая проницаемость; σ, К/м² - поверхностная плотность электрических зарядов; Е_л^m, В/м - пробивная напряженность электрического поля вдоль ленты; Е_л,B/м - максимальная напряженность эектрического поля вдоль ленты.

Целью изобретения является увеличение тока зарядки кондуктора, повышение качества и надежности работы ускорителя, упрощение конструкции транспортера зарядов.

Цель достигается благодаря тому, что в ладертроне, содержащем транспортер зарядов с электродами, ведущий и ведомый барабаны (валы), устройства зарядки электродов транспортера и съема электрических зарядов, в кондукторе предусмотрены следующие отличия: цилиндрическая металлическая поверхность ведущего вала покрыта слоем диэлектрика с высоким показателем диэлектрической проницаемости и достаточной элекрической прочностью, как по поверхности, так и через толщину диэлектрического материала,диэлектрический слой покрыт металлическим слоем и таким образом изолирован от вала, при этом протяженность металлического слоя на диэлектрике меньше протяженности слоя диэлектрика на цилиндрической поверхности вала, а на внешней поверхности ленты транспортера поперек ее длины изолированно друг от друга закреплены пакеты тонких плоских электродов, каждый электрод в пакете изолирован по плоскости друг от друга и все электроды пакета электрически соединены между собой, при этом один крайний электрод пакета закреплен на внутренней поверхности ленты, соприкасающейся с металлическим слоем ведущего и ведомого валов, а к наружнному металлическому слою и металлической поверхности ведущего вала, находщейся под диэлектрическим слоем, подведены электрические контакты, на которые подается зарядное напряжение.

Расстояние между смежными электродами, закрепленными на ленте, значительно больше ширины этих электродов, что способствует повышению электрической прочности ленты в продольном направлении.

Пакет электродов на ленте может состоять из одного электрода, который закреплен на внутренней поверхности ленты.

На чертеже схематично изображен электростатический генератор.

Генератор включает в себя ведущий вал 1, содержащий металлическую цилиндрическую поверхность 2, диэлектрический слой 3, металлический слой 4, монтажную плиту 5, заземляющий контакт 6, токоподводящий контакт 7, транспортер ленточный 8, пакеты электрдов 9, ведомый вал 10, токосъемный контакт 11, изолирующую высоковольтную колонну 12, высоковольтный электрод (кондуктор) 13, высоковольтную монтажную плиту 14.

Ведущий вал 1, ось которого установлена в подшипниках на плите 5 под потенциалом "земли" и связана с электроприводом (на чертеже не показан), представляет собой металический цилиндр 2, поверхность которого по всей длине покрыта тонким слоем диэлекрика 3 с большим значением диэлектрической проницаемости по известной технологии и обработана после покрытия на токарном станке. Цилиндр 2 надежно заземлен с помощью скользящего контакта 6 в торцовой части (на чартеже показан условно). На диэлектрический слой 3 наносится известным способом, например плазменное, электролитическое покрытие, наклеивание и др., металлический слой 4 не по всей длине диэлектрического слоя 3, концы цилиндра 2, покрыты слоем диэлектрика 3, остаются без металлического слоя 4 с целью обеспечения надежной изоляции цилинда 2 от слоя 4, так как к этим эементам 2 и 4 прикладывается напряжение зарядки с помощью электродов 6 и 7. Ведущий вал такой конструкции представляет собой цилиндрический конденсатор. где обкладками являются цилиндр 2 и слой 4, между которыми находится диэлектрик 3, а напряжение от выпрямителя прикладывается к обкладкам 2 и 4 через электрод 7, который может быть исполнен по известным техничечким решениям, и заземляющий электрод 6. Для обеспечения электрической прочности такого конденсатора должно выполняться следующее условие:
Eпε

= E_ε(R-r) . (2)
Ведомый вал 10 установлен в подшипниках на плите 14, его цилиндрическая поверхность выполнена из металла и с помощью токосъемного контакта 11 электрически соединена с плитой 14, на которой закреплен кондуктор 13, представляющий собой тонкостеный металлический цилиндр, сопряженный со сферической металлической оболочкой. Ленточный транспортер 3 представляет собой замкнутую бесшовную или клеенную по известной технологии ленту из диэлектрика, например перкалия (слоеная прорезиненная материя); поперек ленты с определенным шагом вдоль ленты d = a + b (3) на всю ее ширину закреплены, например с помощью клея, пакеты электродов. При этом только один из электродов пакета крепится на внутренней поверхности ленты, соприкасающейся с ведущим 1 и ведомым 10 валами, остальные электроды пакета изолированы по плоскости друг от друга и крепятся соответственно на внешней поверхности ленты; все электроды в каждом пакете электрически соединены друг с другом, так что общая площадь всех электродов в пакете будет равна S = m˙ f˙b (4). Минимальное число электродов в пакете 1, который закреплен на внутренней стороне ленты. Электроды могут быть выполнены по-разному, например из листовой фольги или путем металлизации диэлектрика. Малая масса пакетов электродов положительно влияет на работу транспортера, так как уменьшаются центробежные силы на ведущем и ведомом валах и поперечные биения ленты.

Диэлектрический слой 3 по известной технологии приготавливается путем смешивания порошкообразной сегнетокерамики с высокой проницаемостью ( ε= 3000-4000) с расплавленными диэлектриками, которые при отвердевании не образуют летучих веществ;смола ЭД-6, отвердеваемая фталиевым ангидридом и парафином. Такой составной диэлектрик обладает высокой адгезией, хорошо обрабатывается на станке и обладает достаточной механической и электрической прочностью. При конструировании вала-конденсатора для обеспечения его электрической прочности должно выполняться условие:
Eпε

= E_ε(R-r) (5) = (2)
Работа вышеописанного электростатического генератора. Подготовка к работе. Лента транспортера 8 с закрепленными на ней электродами 9 устанавливается в изолирующей колонне 12. Затем между внутренними поверхностями ленты 8 поочередно вставляются и закрепляются ведущий 1 на плите 5 и ведомый 10 на плите 14 валы. Подсоединяется вал 1 к электродвигателю. Осуществляется натяг ленты и проверяется ее работа от двигателя. Устанавливаются и проверяются "заземления" контактов 6 (ведущий вал 1 и плита 5) и 11 (ведомый вал 10 и плита 14). Собирается электроизолированно от плиты 5 токоподводящий контакт 7 и с помощью мегера проверяется сопротивление между контактом 7 и плитой 5. Подключается источник зарядного напряжения к контакту 7 и плите 5 и проверяется его работа как в статическом состоянии, так при медленном протягивании ленты 8. После этого монтажная плита 14 через токовый прибор соединяется с "землей" для определения тока зарядки (ток короткого замыкаия).

При подаче напряжения зарядки к металлическим поверхностям 2 и 4 на поверхности 4 создается поверхностный электрический заряд, поверхностная плотность которого определяется по формуле
σ = (6)
При вращении вала 1 пакеты электродов 9, закрепленные на ленте 8, пооочередно набегают на металлический слой 4 и вместе с ним поворачиваются на угол 180^о, при этом пакет электродов 9 приобретает заряд, равный q = σ˙m˙b˙f (7) и соответствующий ток зарядки
I = σ˙m˙b˙ f˙ n˙ v . (8)
Съем зарядов с электродов 9 осуществляется через вал 10, который через токосъемный контакт 11 электрически соединен с плитой 14. Эффективность работы транспортера зарядов оценивается отношением тока зарядки (ток в зарядной цепи ведущего вала) к току "короткого замыкания" (ток в цепи, "заземляющей" монтажную плиту 14). Чем ближе это отношение к единице, тем лучше работает транспортер. Описанный транспортер зарядов проиллюстрирован результатами оценочных расчетов, которые выполнены при следующих параметрах:
U = 1˙10^-4 B; ε_o = 8,85 ˙10^-12, Ф/м; ε= 100; R=0,1 м; r=0,096 м; m=20; n= 50; V= 15 м/c; l=0,24,0,34,0,44,0,54,0,64 м; К=0,18; 0,28; 0,38; 0,48; 0,58 м; d= 0,02 м; b=0,005 м; E^m_л=3,5 МВ/м; Е_л=2 МВ/м; E_ε= 20 МВ/м; E_ε^п=2 МВ/м. Ток зарядки оценивался по формуле (8).

Работа транспортера зарядов. Включают электропривод и доводят число оборотов вала 1 до номинального значения. Затем включают источник зарядного напряжения и плавно подают напряжение на металлические поверхности 2 и 4 ведущего вала 1, при этом пакеты электродов 9, движущиеся от ведомого вала 10 к ведущему 1, набегают на заряженную поверхность 4 и вместе с ней поворачиваются на угол ≈180^о, за это время каждый пакет 9 заряжается до значения g = σ˙m˙f˙b и электрические заряды переносятся лентой 8 к валу 10, где и снимаются при взаимодействии электродов 9 с поверхностью вала 10, которая электричекски через контакт 11 соединена с плитой 14.

Результаты оценочных расчетов показаны в табл.1,
Предложеннный электростатический генератор обладает техническими преимуществами, показанаными в табл.2.

Ожидаемый экономический эффект от использования генератора заключается в возможности создания недорогих компактных транспортабельных с высокой надежностью ускорителей, необходимых для народного хозяйства.

По предложенному техническому решению выполнена эскизная проработка транспортабельного электростатического генератора с пучковой мощностью электронов 30 кВт и напряжением на кондукторе 2,5 МВ.

Использование: в электростатических ускорителях. Сущность изобретения: электростатический генератор, содержащий транспортер электрических зарядов, включающий в себя несущий диэлектрик (ленту) с закрепленными поперек его длины электродами, ведущий и ведомый валы, зарядное и токосъемное устройства. Для увеличения тока зарядки, упрощения конструкции и повышения надежности генератора цилиндрическая металлическая поверхность ведущего вала по всей его длине покрыта слоем диэлектрика, поверхность которого в свою очередь покрыта металлическим слоем, изолированным от ведущего вала. На внешней поверхности ленточного транспортера закреплены изолированно друг от друга пакеты электродов, которые электрически соединены между собой и изолированы друг от друга по поверхности ленты. Один электрод закреплен на внутренней поверхности ленты, которая соприкасается с металлической поверхностью ведущего вала, к которому подсоединено зарядное устройство, и ведомого вала, к которому подсоединено токосъемное устройство. 1 з.п.ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий зарядное и токосъемное устройства и транспортер электрических зарядов, выполненный в виде замкнутой ленты с закрепленными поперек ее длины электродами, охватывающей ведущий и ведомый валы с цилиндрическими металлическими поверхностями, отличающийся тем, что, с целью увеличения тока зарядки, упрощения конструкции и повышения надежности, цилиндрическая металлическая поверхность ведущего вала по всей длине покрыта слоем диэлектрика, который покрыт металлическим слоем меньшей длины, изолированным от ведущего вала, электроды закреплены на внешней и внутренней поверхностях ленты, при этом противолежащие электроды электрически соединены, зарядное устройство подключено к металлическому слою на поверхности диэлектрика и металлической поверхности ведущего вала, а токосъемное устройство - к металлической поверхности ведомого вала. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что электроды, закрепленные на внешней поверхности ленты, выполнены в виде пакета металлических слоев, изолированных друг от друга по поверхности и электрически соединенных между собой.