ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Советский патент 1934 года по МПК H02K19/28 

В одной из заявок авторов был изложен способ трансформации механических или электрических периодических процессов в процессы одно редкие или неоднородные. В частности, были указаны основанные на этом способе возможности получения электрических колебании в колебательной системе при механическом периодическом изменении ее емкости или самоиндукции, т.е. возможность непосредственного превращения механической энергии в электрическую и, следовательно, новый способ генерации переменного тока.

Настоящее изобретение позволяет в практически удобной форме получить необходимое изменение параметров электрической системы для осуществления генератора переменного тока. Сущность изобретения заключается в следующем. Если часть пространства в поле катушки заполнена веществом, обладающим некоторой электропроводностью, то, как известно, эффективная самоиндукция катушки зависит как от геометрических величин, характеризующих взаимное расположение этой части пространства и, катушки, так и от электропроводимости этого вещества.

При изменении положения проводящей части пространства по отношению к катушке тем самым изменяется величина ее эффективной самоиндукции. Для того, чтобы осуществить периодическое во времени изменение величины эффективной самоиндукции путем равномерного во времени перемещения (например, вращения) проводящей части пространства, очевидно, необходимо иметь некоторое правильное чередование в пространстве проводящих и непроводящих частей. Таким образом, подвижная часть генератора (ротор) должна, по мнению изобретателей, обладать некоторой пространственно периодической структурой такого рода, чтобы при ее равномерном движении проводящие и непроводящие части чередовались периодически во времени.

На чертеже фиг. 1-4 изображают схематически различные формы выполнения ротора генератора и фиг. 5 - схему включения генератора.

Как видно из фиг. 1 статор генератора, согласно изобретению, образован рядом плоских катушек, расположенных по периферии двух параллельных кругов на равномерном расстоянии друг от друга. Эти катушки вместе с некоторой емкостью соответствующей величины образуют колебательную систему. Для осуществления необходимого периодического изменения самоиндукции, в поле этих катушек (в щели между ними) вращается на оси, проходящей через центр обеих окружностей, металлический диск с вырезами на периферии, число которых соответствует числу катушек (фиг. 2). При вращении диска зубцы его, образуемые вырезами, попеременно то находятся непосредственно в поле катушек, то попадают в промежуток между ними. В первом положении зубцов эффективная самоиндукция системы имеет, очевидно, минимум, во втором - максимум. Таким образом, вращая диск, можно периодически изменять самоиндукцию системы. Если выбор и расположение катушек сделаны правильно, так что получается необходимая величина изменения эффективной самоиндукции, и если собственная частота колебательной системы приблизительно в два раза меньше числа совпадений зубцов ротора с катушками, то тогда машина самовозбуждается и в ней можно получать желаемый переменный ток.

Для уменьшения механических потерь при вращении диска (трение о воздух, воздушные вихри и т.д.) целесообразно изменить сплошные вырезы рядом тонких радиальных прорезов, как это изображено на фиг. 3

Той же цели осуществления ротора с пространственно-периодической распределенной проводимостью и возможно малыми потерями можно достичь, делая диск из изолирующего материала (например, из эбонита или пертинакса) с вкрапленными в окружности на равномерном расстоянии друг от друга металлическими хорошо проводящими (например, медными) пластинками (фиг. 4)

На ряду с описанными выше способами изменения эффективной самоиндукции колебательной системы путем периодического изменения проводимости части пространства поля катушки можно осуществить необходимое изменение самоиндукции, периодически изменяя магнитную проницаемость части поля катушки. Для этой цели можно, например, в описанном выше роторе из изолирующего вещества сделать вкладыши из соответствующим образом подразделенного железа. Разумеется, целесообразно при этом соответствующим образом видоизменить конструкцию статора, снабдив его катушки почти замкнутыми железными сердечниками так, чтобы вращающиеся железные части ротора по возможности полностью периодически замыкали магнитные цепи.

Как уже указывалось выше, предлагаемый способ осуществления генерации переменного тока основывается на том, что при определенном соотношении между периодом изменения параметра и периодом собственных колебаний электрической колебательной системы, с одной стороны, и между относительной величиной m изменения параметра и величиной эффективного декремента затухания собственных колебаний δ, с другой стороны, - в системе возникают и при определенных условиях устанавливаются стационарные электрические колебания с периодом, строго равным либо периоду изменения параметра, либо двойной его величине, причем энергия этих колебаний получается за счет работы, совершаемой внешней силой (механической или электрической), изменяющей параметр

В простейшем случае колебательной системы, состоящей из емкости и самоиндукции, это последнее условие может быть написано в виде:

При выполнении этого условия в системе возникают электрические колебания и при отсутствии каких-либо специально вводимых в систему электродвижущих сил или протекающих в ней токов. Если же это условие не выполнено, то внешнняя сила, изменяющая параметр, никакой энергии в систему не вносит и колебания не возбуждаются.

На фиг. 5 чертежа изображен генератор переменного тока, в котором используется работа внешней силы, изменяющей параметр и тогда, когда условие (1) не выполнено, т.е. когда генератор не довозбужден. Для пояснения сущности этого случая может быть рассмотрен следующий пример. Пусть дана колебательная электрическая система, образованная некоторой емкостью С, сопротивлением K и переменной самоиндукцией L, изменяемой механическим путем, например, одним из способов, описанных выше. Предположим, что изменение параметра, производимое периодически, например, по закону

где ω равно или приблизительно равно собственной частоте ω₀ системы, недостаточно для того, чтобы возбудить колебания в системе Пусть, далее, на систему действует обычным образом (например, индуктивно) некоторая электродвижущая сила Е=E₀sin(ωt-φ) так, что диференциальное уравнение, управляющее процессом в системе, может быть написано в виде

откуда имеем, как известно, следующее уравнение для энергии:

где

Так как при малых ω можно положить i приближенно равным:

то уравнение (4) приводит к следующему соотношению:

В частном случае, при имеем:

Содержание уравнения (7) можно выразить следующим образом. При наличии синхронного периодического изменения параметра системы с надлежащей фазой мощность, выделяемая в колебательной системе получается не только за, счет работы электродвижущей силы , но и за счет работы внешней силы, изменяющей параметр и равной

Как видно далее из (7) отношение мощности Р_с, доставляемой в систему внешней электродвижущей силой, к мощности Р_р, поступающей в нее через изменение параметра, равно

т.е. есть маленькая величина, если m лишь немного превышает единицу. В этом случае мощность, доставляемая в систему, т.е. мощность возбуждаемых колебаний, практически определяется работой, потраченной на изменение параметра.

Из общей формулы (6) можно сделать еще следующий вывод. Так как фаза φ₀ тока i зависит как от величин, определяющих систему, так и от фазы φ действующей электродвижущей силы, то, следовательно, амплитуда возбужденных колебаний существенно зависит от φ.

Согласно вышесказанному генератор переменного тока состоит из колебательной системы с периодически изменяемыми внешним воздействием параметрами (емкостью, самоиндукцией или обеими одновременно), причем величина периодического изменения этих параметров недостаточна для возбуждения в ней колебаний в отсутствии каких-либо внешних электродвижущих сил. На систему действует обычным образом периодическая электродвижущая сила, частота которой находится в строго кратном отношении к частоте изменения параметра. Наиболее эффективное соотношение частот получается, если частота ω_p изменения параметра в два раза больше частоты ω действующей электродвижущей силы, которая в свою очередь близка к средней собственной частоте колебательной системы, т.е. когда выполнены равенства:

ω_p=2ω

ω=ω₀.

Из всего вышесказанного следует, что предлагаемый генератор можно рассматривать как не довозбужденный параметрический генератор с посторонним возбуждением.

В качестве одного из примеров возможного осуществления такого генератора с посторонним возбуждением может быть приведен генератор, изображенный на фиг. 5 Ротор 1 этого генератора приводится в движение двигателем 2. От вала этого двигателя через передачу 4′, 4′′, кроме того, приводится во вращение небольшой вспомогательный генератор 3 переменного тока обычного типа, дающий частоту, строго равную половине частоты изменения параметра. Таким образом, эта последняя жестко определяется числом оборотов двигателя 2 и легко может быть сделана строго кратной частоте этого двигателя. Создаваемое вспомогательным генератором 3 напряжение подводится к цепи статора 7 генератора посредством индуктивно связанных между собой катушек 5 и 6 трансформатора. Через зажимы 9′ 9′′ и 10 к генератору подключается нагрузка, причем в случае включения нагрузки параллельно конденсатору 10 колебательной цепи, статора зажимы 9′ и 9′′ замыкаются накоротко или через соответствующий дроссель.

С помощью соответствующих известных способов можно установить и желаемую разность фаз между периодическим изменением параметра и действующей электродвижущей силой.

1. Электрический генератор переменного тока, основанный на периодическом изменении самоиндукции колебательной системы, отличающийся тем, что ротор генератора выполнен из немагнитного материала и снабжен по своей активной поверхности чередующимися участками с большей или меньшей электрической - проводимостью, расположенными против обмоток статора, наложенных на остов из немагнитного материала и являющихся частью колебательной системы генератора, частота собственных колебаний которой, примерно, в два раза меньше частоты изменения параметров указанных обмоток при вращении двигателя.
2 Форма выполнения генератора по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве ротора применен диск из электропроводного материала, снабженный равномерно распределенными по его периферии вырезами (фиг. 2).

3. Форма выполнения генератора по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве ротора применен диск из электропроводного материала, снабженный рядом расположенных на равных расстояниях друг от друга тонких радиальных прорезов, образующих места с сильно пониженной тангенциальной проводимостью.

4. Форма выполнения генератора по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве ротора применен сплошной диск из изолирующего материала, снабженный расположенными на равных расстояниях друг от друга вкладышами из электропроводного материала (фиг. 4).

5. Форма выполнения генератора по п. 4, отличающаяся тем, что в качестве ротора применен сплошной диск из изолирующего вещества, на периферии которого на равных расстояниях друг от друга расположены вкладыши из расслоенного железа (фиг. 4).

6. Форма выполнения генератора по пп. 1-5 отличающаяся тем, что, с целью независимого возбуждения генератора, в цепь колебательной системы последнего включен элемент связи, например, трансформатор 5, 6, питаемый от генератора 3, причем период вводимой в цепь генератора при помощи указанного элемента связи электродвижущей силы строго кратен периоду изменения самоиндукции и равен или приблизительно равен средней величине собственного периода системы.

7. Применение при генераторе по п. 6, в колебательной системе для стабилизации амплитуды переменного тока реактивной катушки с намагничивающимся сердечником и устройством, позволяющим нужным образом установить рабочую точку на кривой намагничивания.

8. Форма выполнения генератора по п. 6, отличающаяся тем, что, с целью получения строго краткого соотношения между периодом изменения самоиндукции и периодом внешней электродвижущей силы, применено жесткое соединение (посредством зубчатой или червячной передачи) между валом первичного двигателя 2 генератора и валом вспомогательного электрического генератора, служащего для создания указанной внешней электродвижущей силы.