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

Изобретение относится к униполярным машинам и может быть использовано в униполярных генераторах пос тоянного тока. Известны ударные униполярные генераторы (УУГ) без ферромагнитопрово да, используемые для получения одиночных импульсов сильного тока в реж ме внезапного замыкания якорной цепи на нагрузку ij. Одним из вариантов разряда УУГ является разряд при замкнутой накоротко якорной цепи с последующим переводом тока из этого зам кнутого контура в нагрузку путем быстрого разрыва шунтир тощей ее цепи 2 J. Такой режим применяется для усиления разрядной мощности. Токонесущие элементы УУГ выполняют в этом случае роль индуктивного накопителя энергии, совмещенного с зарядным уст ройством, что существенно улучшает технико-экономические показатели системы питания в целом. Такими элементами являются прямой и обратной токо проводы УУГ или последовательная обмотка возбуждения. Наиболее близкой -к изобретению, по технической сушности и достигаемому результату является конструктивная схема УУГ дискового типа без ферромагнитопровода с жидкометаллическими кольцевыми токосъемами, применение которой в указанном режиме работы позволяет накапливать и вьщелять в нагрузку значительную энергию азимутального магнитного поля, сосредоточенного в объеме, ограниченион токонесу115ими элементами якорной цепи. Преимущество такой состоит в том, что в ней обратный токопровод генератора разделен на две параллельные ветви, симметрично расположенные цо обе стороны якоря. За счет этого электродинамические силы, приложенные к якорю, взаимно компенсируются, что позволяет получить большие токи разряда, повьпаая тем- самым энергию азимутального магнитного поля н пиковую электромагнитную мощ ность короткого замыкания генератора З . Недостат1сами данного устройства являются электродинамическая неустойчивость центральньк токосъемов, к-).дкий металл которых под действием злектромгчгнитной силы взаимодействия тока в контакте и поля якоря вытесняется иэ контактной зоны. Это нарушает нормальную работу скользящего контакта и ухудшает работу оГОр скольж,ения5 жидкий металл в конечном счете попадает. А также плохое использование объема, ограничиваемого обратным токопроводом. Значительная часть этого объема занята массивным проводящим якорем. Энергия азимутального поля разрядного тока, заключенная в объеме,, за маемом якорем, в нагрузку быстро вы ведена быть не может из-за демпфиру ш.его действия вихревых токов, возни кающих в якоре при выводе энергии. Указанные недостатки существенно сн эс1к1)ективность и надежность УУГ к;-л:.; накопителя и преобразователя эн гии , Цель изобретения - повышение эффективности накопления и выделения нагрузке азимутального магнитного поля, надежность и упрощение конструкции генератора. Указанная цель достигается тем, что якорь снаблчен размещенными с дв сторон от диска маховиками, скрепле ных между собой J с диском, а цент ралькые /ю дкометаллические токосъемы содержат диски, установленные на концах вала в кожухах, соединенных с токоподводящими шинами одной полярности. Расположенные на концах вала ток Сьемные диски снабжены встречно вкл ченными по потоку электромагнитами при использовании этих дисков для раскручивания якоря. Кроме того, .для повышения удельн энергоемкости якоря, прилегающие к плоскому диску якоря маховики выполнены из набираемых вдоль оси вра щения тонких металлических листов с электроизоляционным покрытием, При этом для уменьшения магнитно го сопротивления якоря, как элемент магнитной цепи генератора, листы, из KOTopbix набраны маховики, целесообразно изготовить из ферромагнит ного матеоиала. На фиг, 1 изображена конструктивная схема УУГ; на фиг. 2 - один из вариантов выполнения приннипиальной электрической схемы разрядного контура генератор - нагрузка. Генератор содержит обмотку возбуждения, состоя11,ую из катуигек 1-, токонесущий диск 2 на валу 3. закрепленном в опорах , токосъемные диски 5 на концах вала, заключенные в кожухи 6, соединенные с токоподводяЩИ.МК шинами 7 одной полярности, заполняемые жидким металлом 8 и размещенные между полюсами 9 электромагнитов 10 с обмотками И возбуждения. Обратный токопровод выполнен в виде полого цилиндра 12, соединенного в плоскости симметрии с периферийным кольцевым жидкометаллическим токосъемом 13, а в центральной части его оснований 14 - с токоподводящими шинами 15 одной пол:ярности. Основания 14 электрически изолированы от вала при помощи прокладок 16. МежДУ основаниями обратного токопровода и якорным диском на валу размещены маховики 17, соедишиные с диско--; и стянутые между собой. Цилиндры когут быть выполнены из стеклопластика или из шихтова11НЬ х металлических листов. Соотношения между основнььми геометрическими размерами токонесуш,их диска 2, вала 3 и обратного токопровода соответствуют оптимальной по КПД вывода энергии геометрии коаксиальных индуктивных накопителей, отношение внутреннего радиуса обратного токопровода к радиусу вала составляет примерно 4, 5, а отноше ие расстояния между диском 2 и основанием 4 к радиусу вала - около 5. Разряд генератора осуществляется следующим.образом. К центральным токссъемам. заполненным жидким метаалом 8, при помощи коммутатора 18 подключается источник 19. К моменту за ыкания комм .татора 18 коммутаторы 20 разомкнуты, коммутаторы 21 - замкнуты, а в периферийном токосъеме 13 жидкий металл отсутствует. Ток источника 9 протекает через центральньв токосъемы и вал. Магнитные потоки электромагнитов пронизывают диски 5 в противоположных направлениях, за счет чего эти диски включены электрически последовательно и создают действуюЩие в одну сторону электромагнитные моменты, приводящие якорь УУГ во вра5:щение. При замыкании коммутатора 18 в обеих катушках 1 обмотки возбуждения также протекает ток, однако поскольку их сопротивление значительно больше, чем сопротивление на па с центральными токосъемами, кату |ки остаются за;короченными. При необходимости в процессе разгона якоря катушки можно обесточить еще одним размыкателем. Постте разгона якоря до необходимой скорости источник 19 отключаетс от центральных токосъемов, после че го в контактную зону периферийного токосъема инжектируется жидкий металл и генератор самовозбуждения. Протекающий по диску 2 ток разряда распределяется в две одинаковые параллельные ветви 2-13-1-5-3, В элек тромагнитную энергию, потребляемую обмоткой возбуждения, преобразуется часть кинетической энергии якоря, основная часть которой запасается в цилиндрах 17 (фиг. t). После самовозбуждения генератора замыкаются коммутаторы 20 и происходит .разряд генератора на две цепи 2-13-20-21-5 в процессе которого и,осуществляетс накопление энергии азимутального магнитного поля, локализованного в пространстве мелду диском 2 и обратным токопроводом.При максимальном токе разряДч1 и короткозаккнутой якорной цепи размыкаются ком гутаторы 21 и ток переводится в секции 22 нагрузки, затухая там до нуля. Сопр тивление нагрузки значительно выше сопротивления короткозамкнутой якорной цепи, что обеспечивает увеличение разрядной мощности и малое время выделения энергии в нагрузке. Затем цикл повторяется. Преимуществами предлагаемого устройства являются высокая эффективность накопления и вьщеления в нагрузке энергии азимутального магнитного поля в результате совмещения УУГ с коаксиальным накопителем оптимальной Геометрии, полость которо заполнена маховыми массами, повышающими энергоемкость УУГ, но не влия Ю1щми на вывод энергии накопителя в нагрузку; сокращение габаритов, сни жение массы и повышение удельных показателей энергосистемы в целом (отношение выделяемой энергии к массе и объему); снижение потребляемой извне мощности за счет примене ния самовозбуждения генератора; повышание пиковой разрядной мощности накопителя за счет увеличения максимально допустимого зарядного тока, не ограничиваемого электродинамической неустойчивостью центральных токосъемог ; повышение надежности генератора, обусловленное электродинамической устойчивостью центральных токосъемов , металл которых под действием электромагнитной силы сжимается к оси вращения в зазоре между диском и кожухок, не покидая контактной зоны и не попадая в подшипники или другие узль;; упрощение приводного устройства, в качестве которого использованы диски центральных токосъемов; упрощение конструкции высокоскоростного периферийного токосъема, поскольку он при разгоне якоря не испо- льзуется и работает под нагрузкой лишь в течение короткого времени самовозбуждения УУГ и вывода энергии в нагрузку, что упрощает его разработку . Применение предлагаемого изобретения особенно перспективно при созданы импульс1г ых источников предельных мощностей Б термоядерных исследованиях и электрофизике, существенно превосходя1дих по своим технико-экономическим показателям другие возможные системы аналогичного назначения. Например, на уровне зь деляемой энергии iO Дж УУГ лредоагаемой конструкции имеет .относительную стоимость 1 коп/Дж, плотность энергии 1,6 мДж/м и удельную эыерхоемкость ,5 кДж/кг. Это выше соответствующих показателей лучших образцов конденсаторных батарей по стоимости в 50 раз, по удельным показателям - в 20 раз и более. изобретения i. Ударный униполярный генератор без ферромагкитопровода, содержащий обмотку возбуждения, дисковый электропроводный якорь на валу, пернферийный токосъем, расположенный в центральной части якоря, ж1-:дкометаии1ические центральные токосъемы,обратный токопровод в виде сш-метричко распооженных относительно периферийного токосъема частей, токоподводящие и кoм -iyтиpyющyю аппаратуру, отичающийся тек, что, с цеью повьш ения эффективности накопле