Инерционный накопитель энергии электромашинного типа Советский патент 1984 года по МПК H02K25/00 

Г) Изобретение относится к электротехнике, а именно к инерционным накопителям и источникам импульсной гнергии электромашинного типа, и может быть использовано в системах импульсного питания при электрофизических исследованиях и на автономных объектах. Известен электромашинный накопитель энергии, содержащий на статоре рабочую (якорную) обмотку, подключенную к нагрузке через коммутирующий аппарат, вспомогательную обмотку, смещенную относительно рабочей обмотки на 90 эл. град., с коммутирующим аппаратом в цепи, и демп ферную обмотку на роторе с коммутирующим аппаратом в цепи. Накопитель снабжен конденсатором и двумя дополнительными коммутирующими аппара тами, один из которых шунтирует раб чую обмотку, а другой подключает конденсатор параллельно рабочей обмотке 1 . Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является ударный генератор, внешний ротор которого выполнен полым в фор ме маховика равной прочности,охваты вающим якорную обмотку с экранами и электропроводного материала, уложенную на неподвижный сердечник из прочного электроизоляционного материала. При импульсном разряде известных электромашйнных накопителей энергии удельная мощность пропорциональна удельной энергоемкости, амплитуде и частоте ЭДС рабочей обмотки 2. В известных накопителях запас ки нематической энергии создается лишь одним вращающимся ротором, а удельная энергоемкость определяется с учетом массы и объема неподвижных частей, не участвующих в накоплении, энергии. Это приводит к снижению удельной энергоемкости накопи- теля в целом. Мшлитуда и частота ЭДС рабочей обмотки пропорциональны скорости вратдения магнитного потока возбулодения и в известных электромашинных накопителях определяютc J) скоростью вращения .лишь одного ротора. В результате удельная пульсная мощность прототипа относительно невелика. . Кроме того, при импульсном разряде существующих электромашинных накопителей возникают значительные крутящие моменты, воздействующие на опору, что в ряде случаев, в частности при использовании накопителей на автономных объектах, является существенным недостатком, ограничивающим импульсную мощность источника питания; Целью изобретения является повышение удельной импульсной мсндности инерционного накопителя энергии электромашинного типа. Поставленная цель достигается тем, что инерционный накопитель энергии электромашинного типа, содержащий внутренний сердечник с якорной обмоткой, имеющей клеммы для подключения к нагрузке через коммутирующий аппарат, внешний вращающийся магнитопровод с демпферной обмоткой и экран из электропроводного материала, снабжен неуправляемым вентилем, шунтирующим демпферную обмотку,, и конденсатором, подключенным к якорной обмотке через однофазный мостовой управляемый выпрямитель, якорная и демпферная обмотки выполнены сосредоточенными с одинаковыми фазными зонами, экраны установлены на внешнем магнитопроводе и внутреннем сердечнике в зонах размещения обмоток, а внутренний сердечник выполнен из ферромагнитного материала и установлен с возможностью вращения в направлении,противоположном направлению вращения внешнего магнитопровода. На фиг. 1 представлена принципиальная схема инерционного накопителя; на фиг. 2 - кривые токов и напряжения в функции времени, где - напряжение на конденсаторе. ij - ток якорной обмотки. ig - ток нагрузки, - ток конденсатора. Устройство содержит внешний магнитопровод 1, экран 2 обмотки внешнего магнитопровода (демпферной) i3, внутренний сердечник (ротор) 4 с якорной обмоткой 5, экран б якорной обмотки 5, коммутирующий аппарат 7, подключающий нагрузку 8 к якорной обмотке, неуправляемый вентиль. 9 и конденсатор 10, подключенный к якорной обмотке 5 через однофазный мостовой управляемый выпрямитель, содержащий неуправляемые вентили 11 и 12 и управляемые вентили 13 и 14. Следует отметить, что вращение внешнего магнитопровода и внутреннего сердечника в противоположных направлениях может быть обеспечено различными техническими решениями, в том числе с использованием подшипников, магнитного подвеса и т.д. При этом ось вращения роторов может быть как горизонтальная, так и вертикальная. Коммутация тока якорной обмотки 5, вра1дающейся вместе с внутренним ротором 4, может осуществляться либо с использованием коллекторно-щеточного узла, либо с помощью жидкостного токосъема. Вентиль 9 в цепи демпферной обмотки 3 целесообразно выполнять вращающимся вместе с внешним магнитопроводом 1. Работа устройства заключается в следующем.

В исходном состоянии внутренний сердечник 4 и внешний магнитопро- , вод 1 инерционного накопителя вращаются в противоположных направлениях с угловыми скоростями CJ, и uSo / коммутирующий аппарат 7 разомкнут, вентили 13 и 14, конденсатор 10 заря- жен до некоторого начального напряЗапас кинетической энержения и

«о

гии накопителя определяется суммарным запасом кинетической энергии двух вращающихся роторов. В момент времени на вентиль 14 подается управляющий сигнал, вентиль открывается и конденсатор 10 разряжается на обмотку 5 по цепи: вентиль 14 обмотка 5 - вентиль 11, Ток через нагрузку 8 йе протекает, так как коммутирующий аппарат 7 разомкнут. С увеличением тока возрастает магнитный поток обмотки 5 и его потокосцепление с демпферной обмоткой 3. Согласно закону электромагнитной ин.дукции, в обмотке 3 наводится ЭДС взаимоиндукции. Вентиль 9 включен таким образом, что на интервале ,, -tj ЭДС обмотки 3 направлена противоположно полярности вентиля 9. Вентиль 9 закрыт, ток в обмотке 3 не протекает. В момент времени , ток ,p достигает максимального значения, а напряжение на конденсаторе 10 уменьшается до нуля. Следует отметить , что параметры обмоток накопителя и конденсатора, а также момент времени (начало раразряда конденсатора на якорную обмотку), выбираются так, чтобы момент максимума тока i,,p соответствовгш совпадению магнитных осей якорной и демпферной обмоток. Этим обеспечивается максимум потокосцеплений обмоток 3 и 5 при . в момент времени коммутирующий аппарат 7 замыкается и подключает якорную обмотку 5 к нагрузке 8. Конденсатор 10 перезаряжается до напряжения обратной полярности, и в момент времени вентиль 14 закрывается.При дальнейшем вращении роторов 1 и 4 противоположных направлениях в обмотках 3 и 5 возникают ЭДС под действием которых протекают токи. Преобразование кинетической энергии в электромагнитну осуществляется в результате возникновения тормозящих моментов, действующих на оба ротора накопителя,

Максимум тока в нагрузке определяется величиной ЭДС якорной обмотки и параметрами обмоток накопителя и нагрузки. Он достигается

при относительном повороте роторов на угол, близкий к 180 эл.град. При этом индуктивное сопротивление об-,мотки 5 минимально, вследствие эффективного демпфирование основного магнитного потока обмоткой 3 и вытеснения его на пути потоков рассеяния. Максимальный эффект демпфирования основного магнитного потока достигается за счет выполнения обмоток 3 и 5 .с одинаковыми фазными зонами. В результате экранирования обмоток проводимость путей потоков рассеяния существенно снижается, что обеспечивает минимум индуктивности и индуктивного сопротивления обмоток 3 и 5,

В момент времени , ток уменьшается до нулевого значения, и коммутирующий аппарат 7 размыкается , Для получения следующего импульса тока в нагрузке на вентиль 13 подается управляющий сигнал, вентиль 13 открывается, и конденсатор 10 разряжается на обмотку 5 по цепи: вентиль 13 - обмотки 5 - вентиль 12 В результате в обмотке 5 на интервал протекает ток i того же направления, что и на интервале ,-tj,.

В момент максимума потокосцеплений обмоток 3 и 5 при Koi iMyтирующий аппарат 7 замыкается и подключает якорную обмотку 5 к нагрузке 8. Далее процессы в схеме повторяются: конденсатор 10 перезаржается , в обмотках накопителя и нагрузке формируются импульсы тока, .кинетиче.ская энергия преобразуется в электромагнитную.

Предлагаемый инерционный иакопитель энергии электромашинного типа мохсет осуществлять преобразойание и передачу энергии в нагрузку одиночным или повторяющимися однополярными импульсами тока. В последнем случае необходимо осуществлять подзаряд конденсатора для компенсации потерь в разрядном контуре. Следует отметить, что при выполнении внешнего магнитопровода и внутреннего сердечника накопителяс одинаковым запсом кинетической энергии исключаетс воздействие крутящего момента на опру в рабочем режиме. Это является весьма существенным преимуществом, позволяющим широком использовать предлагаемый инерционный накопитель в системах импульсного питания на автономных объектах.

Л. I

ИНЕРЦИОННЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОМАШИННОГО ТИПА, содержарций внутренний сердечник с якорной обмоткой, имеющей клеммы для подключения к нагрузке через коммутируняций аппарат, внешний вращающийся магнитопровод с демпферной обмоткой и экраны из электропроводного материала, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повьвления удельной импульсной мощности, накопитель снаб жен неуправляемым вентилем, шунтирующим демпферную обмотку, и -конденсатором, подключенным к якорной обмотке через однофазный мостовой управляе « й выпрямитель, якорная и демпферная обмотки выполнены сосредоточенными с одинаковыми фазными зонами, экраны установлены на внешнем магнитопроводе и внутреннем сердечнике в зонах размещения обмоток, а внутренний сердечник выполнен (| из ферромагнитного материала и установлен с возможностью вращения в направлении, противополож ном направлению вращения внаинего магнитопровода.