Электромашинный импульсный генератор Советский патент 1981 года по МПК H02K19/00 H02K25/00 

(54) ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР

I

Изобретение относится к электрическим машинам, касается усовершенствования импусльного генератора и может быть использовано для создания сильных магнитных полей, запитки ламп и других импульсных систем.

Известен электромашинный импульсный генератор, содержаш,ий однофазную обмотку на статоре, подключенную через управляемый вентиль к нагрузке, и две обмотки ротора, расположенные по взаимно перпендикулярным осям, в цепь которых включены вентили. Генератор снабжен конденсатором, подключенным параллельно одной из обмоток ротора, которая соединена параллельно с другой обмоткой ротора 1 .

Наиболее близким по технической сущности является электромашинный импульсный генератор, содержащий статор с расположенными на нем однофазными магнитйсвязанными обмотками возбуждения и якорной, подключенной к нагрузке, ротор с обмоткой типа «беличьей клетки, разомкнутой с одной из торцовых поверхностей, и средством коммутации обмотки типа «беличьей клетки накоротко. Генерирование импульса

тока в нагрузке возможно при любом положении ротора относительно статора 2. Недостатком известного генератора является низкая эффективность преобразования энергии и невозможность работы на индуктивную нагрузку, при которой постоянная времени разрядного контура больше времени поворота ротора генератора на четверть оборота.

Цель изобретения - повышение эффективности преобразования энергии и расширение (|)ункциональных возможностей генератора.

Поставленная цель достигается тем, что электромашинный импульсный генератор, содержащий статор с расположенными на нем однофазными магнитосвязанными обмотками возбуждения и якорной обмоткой, подключенной к нагрузке, ротор с обмоткой типа «беличьей клетки, разомкнутой с одной из торцовых поверхностей, и средством коммутации роторной обмотки накоротко, снабжен коммутируемой накоротко экрани™ рующей обмоткой, расположенной на статоре и магнитосвязанной с якорной обмоткой а параллельно нагрузке включена цепь с коммутатором.

При этом в качестве коммутатора экранирующей обмотки использован диод.,

На фиг. 1 показан генератор, поперечный разрез; на фиг. 2 - то же, продольный разрез; на фиг. 3 - принципиальная электрическая схема генератора; на фиг. 4 - временная диаграмма токов в обмотках и нагрузки за период 2л., где 1ро - ток в роторной обмотке, 1эо - ток в экранирующей обмотке, 1)10 -ток в якорной обмотке, IH ток в нагрузке.

Ярмо 1 и полюсы 2 статора генератора выполнены из листовой электротехнической стали. У основания полюсов расположена обмотка возбуждения 3 катушечного типа, а на полюсных наконечниках - якорная обмотка 4. Сердечник ротора 5, набранный из листовой электротехнической стали, закреплен на валу 6. В пазах сердечника 5 размещена роторная обмотка 7 типа «беличьей клетки, разомкнутая с одного из торцов (на фиг. 2 с правой сторфны). В приведенном примере средство коммутации роторной обмотки накоротко электромеханическое, хотя может быть любым, например полупроводниковым, электронным и др. Это средство коммутации содержит обмотку управления 8 и ярмо 9, расположенные на статоре, и якорь 10, размещенный на втулке 11, закрепленной на валу 6 с возможностью осевого перемещения йод действием электромагнитного усилия, создаваемого обмоткой управления 8, и пружины 12. Втулка 11 удерживается на валу стопорным кольцом 13. На втулке 11 закреплен диск 14 из электропроводного материала, который при осевом перемещении втулки 11 влево входит в контакт и замыкает накоротко стержни разомкнутой «беличьей клетки роторной обмотки 7. Экранирующая обмот15 размещена на статоре генератора и выполнена рассредоточенной в пазах полюсного наконечника 2. В цепь обмотки 3 включен ключ 16, в цепь обмотки 7 - ключ 17, в цепь обмотки 15 - ключ 18. Между клеммами якорной обмотки 4 подключен ключ 19. С помощью коммутатора 18 экранирующая обмотка 15 может быть замкнута накоротко. G 11;елью упрощения синхронизации коммутации экранирующей обмотки 15 с поворотом ротора в качестве ключа 18 может быть использован диод, включенный в цепь экранирующей обмотки таким образом, чтобы ЭДС, возникающая при деформации магнитного поля за первую половину оборота, ;Не смогла вызвать ток в экранирующей обмотке, а ЭДС, возникающая при расширении магнитного поля в связи с переходом ротора через нейтраль во вторую половину оборота, вызвала бы короткозамкнутый ток. В этом случае экранирующая обмотка 15 и диод включены последовательно.

Генератор работает следующим образом.

В исходном положении все ключи разомкнуты. Ротор генератора раскручивают

до номинальных оборотов, после чего замыкают ключ 16 и подключают обмотку возбуждения 3 к источнику постоянного напряжения. Магнитный поток в машине замыкается по ярму 1, полюсным наконечникам 2 и сердечнику ротора 5, сцепляясь с якорной обмоткой 4, экранирующей обмоткой 15 и роторной обмоткой 7. После окончаний переходного процесса возбуждения машины замыкают ключ 19 (см. фиг. 3) и закорачивают нагрузку 20 генератора и якорную обмотку 4 накоротко. Генератор готов к работе. С помощью средства коммутации роторной обмотки закорачивают накоротко роторную обмотку 7. На фиг. 3 это эквивалентно замыканию ключа 17. Параметры электромагнитной системы генератора таковы, что постоянные времени контуров роторной обмотки и экранирующей обмотки значительно превышают время поворота ротора на угол полюсного деления статора. Так, для 12000 об/мин время поворота ротора на 180° для двухполюсной машины 2,5-10 с, что по меньшей мере, на два порядка меньше постоянной времени для указанных короткозамкнутых обмоток. Поэтому после замыкания ключа 17 в начальный момент, который для роторной обмотки 7 может протекать в течение нескольких полных оборотов ротора, роторная короткозамкнутая обмотка обладает свойством идеального контура, сохраняющего без изменения, потокосцепление, т. е. 0. Та° КИМ образом, в момент коммутации роторной обмотки Магнитный поток как бы «вмораживается в ротор и образует в нем магнитные полюсы, противоположные по знаку полюсам системы возбуждения. Эти «вмо5 роженные полюсы в начальный момент неподвижны относительно ротора и враш,аются вместе с ним относительно статора. При повороте ротора на 180° для двухполюсной машины (в общем случае на 180 эл. град.) «вмороженные полюсы роторной

0 обмотки оказываются против одноименных полюсов статора. Так как якорная обмотка 4 замкнута накоротко, для нее также в начальный момент потокосцепление сохраняется без изменения. За счет этого, как в роторной обмотке 7, так и в якорной обмотке 4 возникают токи, направленные встречно, обеспечивающие условие взаимодействия, при котором 0. Весь магнитный поток как роторных полюсов, так и статорных полюсов, вытесняется в зазоры между ротором

0 и статором. Ток в якорной обмотке 4 достигает максимальной величины при повороте на 180° с момента закоротки роторной обмотки и определяется коэффициентом связи между этими обмотками. Процесс преобразования механической энергии в

5 электромагнитную осуществляется за половину оборота ротора для двухполюсной машины. В момент максимума тока в якорной обмотке 4 замыкают накоротко экранирующую обмотку 15, после чего размыкают ключ 19. Деформированное короткозамкнутой роторной обмоткой 7 магнитное поле удерживается в этом состоянии замкнутой экранирующей обмоткой 15 в течение некоторого времени, которое значительно превышает постоянную времени контура, образованного якорной обмоткой 4 и нагрузкой 20. Ротор после прохождения половины оборота с начала преобразования энергии не ускоряется деформированным магнитным полем, так как оно остается в сжатом состоянии из-за появления в экранирующей обмотке 15 токов. Ампервитки роторной обмотки 7 с некоторыми потерями, обуславливаемыми отличным от единицы коэффициентом связи, останутся в обмотке 15.

Накопленная за половину оборота ротора энергия в якорной обмотке 4, равная где L - индуктивность обмотки 4, 1 - максимальный ток, выделяется в нагрузке. Время выделения зависит от характера нагрузки и тем меньше, чем меньше индуктивность нагрузки.

Эффективность преобразования энергии в предлагаемом устройстве повышается по сравнению с известным за счет двух основных факторов. Первый из них состоит в том, что деформация магнитного поля и, следовательно, преобразование механической энергии врашаюшегося рото|за в электромагнитную происходит при максимальном тормозном усилии. Сила Лоренца, равная векторному произведению плотности тока на плотность магнитного потока, в этом случае наивысшая, так как в якорной ,и роторной короткозамкнутых обмотках протекают наибольшие для данной машины токи, взаимодействующие с наибольшей плотностью, деформированного магнитного потока. Второй фактор состоит в экранировании ротора от передачи ему за вторую половину оборота электромагнитной энергии, запасенной в машине за первую половину оборота ротора после замыкания роторной обмотки. Ротор после замыкания экранирующей обмотки 15 не испытывает воздействия со стороны якорной обмотки 4 и не ускоряется, за счет чего механическая энергия, сработанная за первую половину оборота ротора, остается в виде электромагнитной энергии в статорных обмотках 4 и 15.

Неожиданный эффект, проявляющийся благодаря экр.анирующей обмотке 15, состоит в том, что запасенная в статорных обмотках Энергия может удерживаться в них относительно долго по сравнению с постоянной времени разрядного контура обмотки якоря 4 с нагрузкой 20, обеспечивая выделение запасенной энергии в нагрузке с высоким КПД. Экранирующая обмотка является

как бы трансформатором времени, обеспечивая эффективное выделение энергии в нагрузке с большей допустимой по сравнению с известными устройствами индуктивностью. Ра1сширяются функциональные возможности генератора.

Потери энергии в предлагаемом генераторе имеют место за счет того, что коэффициент связи роторной и экранирующей обмоток отличен от единицы, поэтому часть электромагнитной энергии, запасенной в

статорных обмотках, превращается в механическую энергию ротора. Кроме того, при размыкании ключа 19 часть энергии выделяется в возникающей при этом дуге, однако существующие прерыватели, скорость перемещения клемм которых составляет несколько десятков метров в секунду, обеспечивают высокий КПД этого процесса.

Формула изобретения25

энергии и расширения функциональных возможностей, генератор снабжен коммутируемой накоротко экранирующей обмоткой, расположенной на статоре и магнитосвязанной с якорной обмоткой, а м€жду клеммами якорной обмотки включена цепь с коммутатором.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

№ 352382, кл. Н 03 К 3/84, 4969 (прототип).