Ударный униполярный генератор Советский патент 1981 года по МПК H02K31/00 

(54) УДАРНЫЙ УНИПОЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Изобретение относится к униполярным машинам и может быть использовано в униполярных генераторах постоянного тока. Известны ударные униполярные генераторы (УУГ), используемые для получения одиночных импульсов сильного Тока в режиме внезапного замыкания якорной цепи на нагрузку или накоротко и динамического торможения ротора l1. Известны также УУГ цилиндрического типа, совмещенные с тороидальным трансформатором, используемам для согласования параметров УУГ и нагрузки. Трансформатор представляет собой тороидальный сердечник, являющийся также ярмом УУГ, с одновитковой первичной обмоткой в виде дисковых и цилиндрических шин, образукхцих тор прямоугольного сечения, и многовитковой вторичной, намотанной из медной шины 12. Совмещение трансформатора и УУГ в едином конструктивном узле обес.лечивает снижение габаритов и массы системы питания в целом, сокращает длину токопроводов, уменьшая потери энергии в первичном контуре. В известном УУГ трансформатор является повышающим, причем коэффициент трансформации равен числу витков вторичной обмотки. Такой трансформатор позволяет получать в нагрузке токи, превышающие значения, получаемые при прямом включении генератора на нагрузку, либо те же токи при большом, чем при прямом включении, сопротивлении нагрузки. Для этого, однако, необходимо обеспечить вполне определенный оптимальный коэффициент трансформации. Применение трансформатора расширяет приемлемый диапазон параметров нагрузки. Указанная конструкция УУГ с трансформатором имеет следукяцие основные недостатки: 1. Электродинсшическая неустойчивость жидкого металла токосъемов снижающая надежность УУГ и ограничивающая значение тока в первичной обмотке трансформатора. При необходимости получения достаточно большего тока в нагрузке это ограничение тока Первичного контура осущественно снижает эффективность рассматриваемой конструкции. 2.Большое число коммутаторов в первичной цепи, обусловленное необходимостью обеспечения осевой симметрии электромагнитного поля ротора генератора и первичной цепи трансформатора . Отсутствие осевой симмет рии растекания тока в первичной цепи рассматриваемого УУГ,вызванное применением малого числа коммутатор привело бы к ухудшению электроэнерт гетических характеристик из-за появ ления дополнительных паразитных полей и потерь энергии, а также к сниж нию использования активных материалов и кольцевого скользящего контак ротора. 3.Ограничение области применени рассматриваемой конструктивной схем поскольку трансформатор выполнен по шакядим и не может быть эффективно использован как понижшощий без суще ственных изменений конструкции. При мененис же понижающего трансформато весьма перспективно в.случае исполь зования его в качестве индуктивного накопителя с умножением тока во вто ричной цепи. Цель изобретения - упрощение кон струкции и повышение эффективности нератора на основе устранения перечисленных недостатков. Указанная цель достигается тем, что трансформатор выполнен в виде двух симметрично расположенных относительно периферийного токосъема частей, первичные обмотки которых состоят из равномерно распределенны по окружности тора секций, одни выводные концы которых соединены с аналогичными концами секций соседнего .тора и с периферийным токосъемом, а другие концы подведены к центральному токосъему. Концы секций первичной обмотки могут быть подключены к центральному токосъему через коммутатор. На фиг. 1 представлена конструктивная схема УГГ; на фиг. 2 - электрическая схема при использовании трансформатора в качестве индуктивного накопителя. Генератор содкржйт обмотку 1 воз буждения, выполненную в виде цилиндрической катушки, цилиндрический ротор 2 с кольцевыми жидкометаллическими токосъемами: периферийным 3 и центральными 4. Ротор охватывают два тора 5, выполненные в виде полса|ро каркаса или сплошного сердеч ника. Вокруг торов намотаны вторичная 6 и первичная 7 обмотки. Вторич ная обмотка б содержит определеиное число витков, намотанных из плоской шины. Первичная обмотка 7 намотана из дискретной шины и разделена на ряд секций, содержащих последовательно соединенные витки, число кот рых при необходимости можно снизить до одного. Секции равномерно распределены по окружности тока. Концы 8секций первичных обмоток соединены и присоединены к контактному кольцу 9периферийного токосъема, а концы 10при помощи кольцевых шин 11, токопроводов 12, коммутаторов 13 выведены к центральным токосъемам. Концы 8 так же, как и сами секции, равномерно распределены по окружности, что обеспечивает равномерное распределение тока по окружности ротора. Коммутаторы 13 выполняют раз.нообразные функции замыкания или размыкания первичной цепи. Разгон ротора производится в двигательном режиме работы УУГ. При вращении ротора в поле обмотки возбуждения между центральными и периф5рийным токосъемами наводится ЭДС. После замыкания якорной цепи коммутаторами 13 ток разряда протекает по двум параллельным цепям: периферийный токосъем 3 - ротор - центральный токосъем 4 - токонроводы 12, 11 и 10 - первичная обмотка 7 трансформатора - периферийный токосъем 3. Цепи идентичны, поэтому протекающие по ним токи одинаковы. Благодаря этому электромагнитные силы, действующие на периферийный токосъем 3, взаимно уравновешиваются, что устраняет опасность выброса металла из контактной зоны периферийного токосъема 3 при разряде генератора. Металл центральных токосъемов 4 также не вытесняется из контактной зоны под действием электромагнитных сил, поскольку эти силы сжимают его к центру в зозоре между торцом неподвижного грибовидного элемента и дном углубления в вале. УУГ предлагаемой конструкции может работать .с использованием тороидальных обмоток в различных режимах. При этом трансформатор может использоваться и как согласующий, и как индуктивный накопитель. В первом случае нагрузка присоединяется непосредственно к вторичной обмотке, импульс тока в которой получается при разряде УУГ в первичной цепи, осуществляемом замыканием ее коммутаторами 13. Вторичные обмотки б при этом могут быть соединены последовательно или параллельно. . , Работа УУГ осуществляется следукндим образом. Якорные цепи (фиг.2) возбужденного УУГ замыкаются инжекцией жидкого металла в периферийный токосъем 3. Центральные токосъёмы 4 заполняются металлом заранее. При максимальном токе разряда коммутатор 14 замыкается, а коммутаторы 15 и 16 размыкаются, вводя в якорные цепи сопротивления 17 и 18. Последующее затухание якорного тока сопровождается всплеском тока во вторичной цепи. Число витков первичной обмотки 7

трансформатора, равное числу витков секции, в данном случае существенно больше, чем число витков вторичной обмотки 6, что позволяет значительно увеличить ток во вторичной цепи.. Принимая во внимание, что значение его в первичной обмотке 7 равно полному току якоря и может быть весьма велико, благодаря равномерному распределению его по окружности и высокой электродинамической устойчивости токосъемов, можно рекомендовать предлагаемую конструкцию для получения колоссальных токов порядkca 10 -10®А во вторичной цепи. Применение здесь трансформатора обеспечивает такие известные преимущества, как коммутация цепей с более низким током и электрическая развязка нагрузки от якорной цепи, позволяющая устранить опасные перенапряжения в последней в случае последующей коммутации тока нагрузки.

Основные преимущества предлагаемого технического решения заключаются в следующем.

а) электродинамическая устойчивость токосъемов, облегчающая удержание металла в контактной зоне и упрощаю1цая конструкцию токосъемного аппарата ;

б) сокргицение до одного в каждой тороидальной части числа коммутаторов в первичной цепи ипростота конструкции многовитковой первичной обмотки при сохранении равномерного распределения тока по окружности ротора, которое улучшает электроэнергетические характеристики генератора.

а)повышение разрядной мощности УУГ за счет увеличения тока якоря, не ограничиваемого электродинамической неустойчивостью токосъемов;

б)упрощение согласования УУГ с нагрузкой и расширение функции трансформатора, благодаря возможности более широкого варьирования коэффициента трансформации как в сторону повышения, так и понижения;

в)повышение надежности энергосистемы, благодаря электрод1«1амической устойчивости токосъембв, сокращению числа одновременно срабатывающих коммутаторов, электрическрй развязке цепей якоря и нагрузки.

возможности получения в нагрузке сильного тока на основе коммутации тока значительно меньшей величины; v г)повышение технико-экономических показателей энергосистемы - сокращение габаритов, уменьшение массы повышение плотности энергии и удельной энергоемкости (Дж/м и Дж/кг), благодаря повышению разрядной мощности УУГ, возможности увеличения

« Намагничивающей силы первичной обмотки трансформатора и устранения ферромагнитопровода.

Изобретение имеет широкую область применения в импульсной электроэнергетике и особенно перспективно в случае получения предельных значений мощностей, энергий, токов и удельных показателей в крупных установках, когда преимущества предлагаемого технического решения становятся особенно ощутимыми.

Формула изобретения

5 1. Ударный униполярный генератор, содержащий обмотку возбуждения, ротор с кольцевыми периферийным и центральными токосъемами и тороидальный импульсный трансформатор с

Q первичными и вторичными обмотками, имеющими выводные концы, о т л ич- а ю щ и и с я тем, что, с целью упрощения конструкции и пов1:лиения эффективности генератора, трансформатор выполнен в виде двух симмет5рично расположенных относительно периферийного токосъема частей, первичные обмотки которых выполнены в виде равномерно распределенных по окружности, тора секций, одни выводные

0 концы которых соединены с анало.гичными концами секций соседнего тора и периферийным токосъемом, а другие концы подключены к центральному токосъему.

5 2. Генератор по п.1, о т л ичающийся тем, что концы секций первичной обмотки трансформатора подключены к центральному токосъему при помосци коммутатора.

л Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

CfiJLaJ