Ударный униполярный генератор без ферромагнитопровода Советский патент 1982 года по МПК H02K31/00 

Изобретение относится к униполярным машинам и может быть использовано в униполярных генераторах постоян ного тока. И.-гаестны ударные униполярные гене раторы (УУГ) без ферромагнитопровода, используемые для получения одиночных импульсов сильного тока в режиме внезапного замыкания якорной цепи на нагрузку 1. Известен также УУГ, у которого в нагрузку выводится энергия магнитного поля обмотки возбуждения. Генератор предварительно самовозбуждается при зашунтированной нагрузке, а затем энергия магнитного поля обмотки возбуждения выводится а нагрузку путем быстрого разрыва шунтирующей ее цепи. Обмотка возбуждения,таким образом, используется как индуктивный накопитель энергии, совмещенный с ге нератором с целью улучшения техникоэкономических показателей энергосистемы в целом. Указанный генератор имеет два дисковых якоря, вращаемых приводными двигателями в противоположных направлениях. Электрические диски соединены последовательно при помощи соответствующих проводников, соединяющих щеточные токосъемные устройства. Диски расположены во внутрек ;нем объеме обмотки возбуждения, выполненной в виде однослойного соленоида. Наружный диаметр дисков составляет лишь половину внутреннего диаметра соленоида. Такое отдаление периферии дисков от проводников обмоткивозбуждения,объясняется необходимостью уменьшения потерь электромагнитной энергии в якорях при выводе ее в нагрузку. Поглощение энергии якорем при выводе ее в нагрузку происходит из-за возникновения в нем вихревых токов, наводимых ;при изменении магнитного потока обмотки возбуждения 21 . Однако известный УУГ затрудняет доступ к щеткам как центральных, так и периферийных токосъемов, ревизия которых может быть проведена только после разборки машины. Поскольку УУГ-машина сильноточная и высокоскоростная, а современные щетки несовершенны, замена щеток в них производится достаточно часто. Токоподводы от обмотки возбуждения и нагрузки к дискам подведены к периферийным токосъемам, состоящим из большого числа щеток. Ввиду ограниченности пространства в зоне токосъемов указанное обстоятельство существенно усложняет задачу равномерного распре деления тока по окружности ротора. Неравномерное распределение тока по окружности ротора обуславливает пере грузку отдельных щеток и более быстрый выход их из строя; дополнительны потери в якоре из-за возникновения продольного индуктированного поля, создающего в якоре зоны подмагничива ния и.размагничивания основного поля обмотки возбуждения; паразитные взаимодиндуктивные связи обмотки с якорем. Размеры дисков существенно ограничены внутренним диаметром обмотки и условием уменьшения потерь энергии в якоре при выводе ее в нагрузку, что снижает возможности маши ны в отношении повышения энергоемкое ти роторов. Действительно, при задан ных габаритах обмотки-накопителя зап сенную кинетическую энергию якоря можно увеличить за счет повышения ег линейной скорости вращения, что имеет известные огра1 ичения по механической прочности и затрудняет работу периферийных токосъемных устройств. Другой путь-увеличить массу якоря, однако он для рассматриваемого УУГ малоэффективен, так как массу якоря можно увеличить лишь за счет увеличе ния толщины дисков. Лоследнее приводит к увеличению потерь электромагнитной энергии в якоре при ее выводе и к усложнению конструкции УУГ. Ограничение диаметров дисков приводи также к необходимости повышения частоты их вращения с целью получения приемлемых условий самовозбуждения и удельных показателей. Повышение же частоты вращения сопряжено с трудностями подбора высокоскоростного привода, особенно в случае достаточно большой его мощности. Ограничение диаметра якоря сопряжено с уменьшением площади периферийного скользящего контакта либо с расширением контактной зоны диска. В обоих случаях уменьшается надежность токосъемов. В первом случае - из-за увеличения плотности тока в скользящем контакте, во втором - из-за усложнения конструкции и усиления паразитных токов кондукционнного характера, циркулирующих в зоне щетка-диск вследствие пересечения ее магнитным полем обмотки возбуждения. Цель изобретения - упрощение конструкции и повышение эффективности генератора. Указанная цель достигается тем, что якоря симметрично установлены с торцов обмотки возбуждения и их центральные токосъемы соединены с токоподводами, расположенными с внешней стороны каждого якоря, а периферийные токосъемы соединены между собой проводниками, равномерно распределенными по окружности якорей и размещенными в центральном отверстии обмотки. На чертеже изображен предлагаемый генератор. Генератор содержит два дисковых якоря 1, валы которых закреплены в опорах 2. Съем тока пройзводи,тся периферийными 3 и центральными k токосъемами. Обмотка 5 возбуждения размещена между дисками 1 на одинаковых расстояниях от каждого диска. Обмотка может иметь оптимальную конфигурацию: радиальный размер сечения составляет 0,15 D, осевой - 0,2 D, где D - средний диаметр катушки. Обмотка возбуждения включена последовательно якорю. В якорной цепи имеется также нагрузка 6, зашунтированная коммутатором 7. Токосъемные устройства 3 каждого диска состоят из щеток, равномерно расположенных по окружности якоря и занимающих большую часть его контактной поверхности. Элементарные периферийные щетки дисков соединены проводниками 8. Центральные токосъемные устройства расположены на валу и соединены с обмоткой и нагрузкой шинами, по одной на каждый токосъем. Расстояние между торцовой плоскостью катушки и каждым диском выбирается исходя из условий 5 самовозбуждения генератора и приемлемого уровня потерь энергии в якоре при выводе энергии магнитного поля обмотки в нагрузку. Разряд генератора осуществляется в следующей последовательности. Якоря разгоняются приводными дви гателями до необходимой скорости. Затем при замкнутом коммутаторе 7 и отключенном приводе УУГ самовозбуждается. Самовозбуждение обеспечивается созданием начального поля во буждения либо при помощи небольшой дополнительной обмотки, либо подпит кой якоря от постороннего источника (в данном случае способ создания начального поля несущественен), Затем при максимальном токе самовозбуждения коммутатор 7 размыкается и ток переводится в нагрузку 6, зат хая до нуля. Затем операции повторя ются. Упрощение конструкции генератора заключается в следующем. . . Имеется свободный доступ к щеточ ному аппарату. Это позволяет просто производить его ревизию, упрощает разработку токосъемов, размещенных ранее в сильно ограниченном объеме. Токоподводы от обмотки возбуждения и нагрузки в виде одной общей шины подведены к центральным токосъемам, расположенным на валу, а периферийные токосъемы соединены друг с другом по кратчайшему пути и по всей окружности. Такая схема позволяет обеспечить наиболее простым путем равномерное распределение тока по окружности дисков и щеткам. При выбранны с размерах накопителя имеется возможность более широкого варьирования наружного диаметра якорей. В частности, увеличение их диаметра позволяет снизить частоту вращения дисков, упрощает выбор привода и (эаз мещения щеток периферийного токосъема по окружности ротора. Повышение эффективности генератора определяется более оптимальной геометрией машины и заключается в следующем. Диаметр Дисков не ограничен внутренним диаметром обмотки возбуждения и условием снижения потерь энергии в самих дисках при выводе энергии. Действительно, диски расположены вне катушки, их диаметр может теперь быть равным или превосходить 76 внутренний диаметр обмотки возбуждения. Приемлемый уровень потерь энергии при ее выводе обеспечивается теперь не уменьшением их диаметра, а варьированием расстояния между боковыми плоскостями диска и катушки. При этом в контурах, образованных соседними соединительными проводниками 8, периферийными щетками и телом дисков, вихревые токи при выводе энергии не наводятся, поскольку интеграл напряженности индуктированного электрического поля вдоль каждого контура равен нулю, так как благодаря симметричному располоожению дисков относительно обмотки возбуждения равно нулю потокосцепление каждого контура, возможность существенного увеличения диаметра якоря позволяет более эффективно увеличить энергоемкость якоря, повысить разрядную мощность УУГ и его надежность за счет снижения необходимой линейной скорости вращения якоря, повысить надежность периферийных токосъемов путем снижения .плотности тока в скользящем контакте (увеличением площади контакта) или путем уменьшения паразитных токов в контакте за счет сокращения соответствуютдего линейного размера контактной зоны ротора. Обмотка возбуждения имеет оптимальную геометрию, обеспечивающую при заданном весе ее проводников максимум выведенной энергии« Это приводит к повышению КПД генератора и улучшению его технико-экономических показателей. Влияние геометрии обмотки на КПД вывода энергии весьма существенно. Например, если в известном УУГ обмотку возбуждения выполнить в виде катушки оптимального сечения той же массы, то из нее можно было бы вывести в нагрузку на 30% больше энергии. Применение изобретения особенно перспективно в УУГ с большим уровнем преобразуемых энергий и большими токами разряда. Формула изобретения Ударный униполярный генератор без ферромагнитопровода, содержащий обмотку возбуждения - индуктивный накопитель энергии с коммутирующей аппаратурой ее вывода, вращающиеся в противоположных направлениях дисновые якоря с периферийными и центральными щеточными токосъемами, токоаодводы к якорям от обмотки и нагрузки, отличающийся те что, с целью упрощения конструкции и повышения эффективности генератора, якоря симметрично установлены с торцов обмотки возбуждения и их центральные токосъемы соединены с токоподводами, расположенными с вне ней стороны каждого якоря, а периферийные токосъемы соединены между 78 собой проводниками, равномерно распределенными по окружности якорей и размещенными в центральном отверстии обмотки. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе К Бертинов А,И„ и др. Униполярные электрические машины. М,-Л„, Энергия, 1966, с, 223, 228. 2. Экспресс информация. Серия Электрические машины и аппараты, 1977, № 7, Со 13