Электромашинный генератор импульсов Советский патент 1982 года по МПК H02K19/36 

(5) ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ

Изобретение относится к электромашинным импульсным генераторам, применяемым в устройствах для созда ния сильных магнитных полей и других системах импульсного питания при электрофизических исследованиях Существуют источники импульсов микросекундной длительности на основе емкостных накопителей, использование которых является наиболее целесообразным при энергиях 1-5-10 Однако развитие современных электро физических исследований требует эне гий свыше 10 Дж, получение которых может быть обеспечено лишь создание новых импульсных источников электромашинного типа, позволяющих накапливать до 10°Дж кинетической эне гии. Известен электромааинный генератор, содержащий две взаимноперпендикулярные обмотки на статоре с ком мутирующими аппаратами фазосдвигающее устройство в цепи дополнительной обмотки и обмотку возбуждения на роторе D Известен также электромашинный источник импульсов, содержащий две взаимно перпендикулярные обмотки на статоре и две взаимно перпендикулярные обмотки на роторе, причем дополнительная обмотка статора и дополнительная обмотк-а ротора соединены через коммутирующий аппарат и предназначены для питания нагрузки одиночными и повторяющимися импульсами Г23.: Наиболее близким к изобретению по технической сущности является электромашинный источник импульсов, содержащий статор сосновной об.лоткой, соединенной с,нагрузкой через коммутирующий аппарат, и перпендикулярной к ней дополнительной обмоткой с коммутирующим аппаратом, снабженный обмоткой возбуждения на роторе. Длительность иМпульсоа этого 3 генератора определяется частотой ЭД и находится в-пределах 2-20 мс ГЗЗ. Однако дальнейшее увеличение чис ла полюсов и частоты вращения ротор приводящее к увеличению частоты ЭДС генератора, в сильной степени умень шает импульсную мрщность источника. Таким образом, с помощью указанного электромашиннога генератора получить мощные импульсы тока микросекундной длительности практически невозможно. Цель изобретения - повышение уда ной мощности генератора путем получения импульсов микросекундного диапазона длительности. Поставленная цель достигается тем, что дополните41ьная обмотка ста тора и обмотка возбуждения выполнены сосредоточенными с диаметральным шагом t, а основная обмотка выполнена с укороченным шагом у fif в виде двух последовательно соединенных катушечных групп, охватывающих активные зоны витков дополнительной обмотки, при относительном шаге (J ty.p.n-IO где t.1 - требуемая длительность переднего фронта импульса то В основной обмотке, кс; р - числопар полюсов генератора;п - частота вращения ротора, Дополнительная обмотка может быт снабжена экраном в активных зонах а каждая катушечная группа основной обмйтки статора может быть выполнена в виде двух сосредоточенных, последовательно соединенных катушек противоположной намотки, охватывающих активные зоны витков дополнительной обмотки., причем катушки каждой катушечной группы размещены по разные стороны относительно активной зоны дополнительной обмотки. Кроме того, обмотка возбуждения может быть снабжена экраном в актив ных зонах, и ротор генератора может быть снабжен демпферной обмоткой, каждая катушечная группа которой выполнена в виде двух сосредоточенных последовательно соединенных катушек противоположной намотки с уко роченным шагом y-fblf, охватывающих активные зоны витков обмотки возбуж дения, причем катушки каждой катушечной группы размещены по разные l стороны относительно активных зон обмотки возбуждения. На фиг. 1 представлена принципиальная схема генератора с одной роторной обмоткой; на фиг. 2 - диа1- раммы р 1спределения магнитной индукции В в воздушном зазоре генератора в зависимости от угла поворота ротора ; на фиг. 3 - кривые изменения тока в обмотках статора, где в дополнительной обмотке статора; ток в основной обмотке статора; на фиг. k f принципиальная схема генератора с двумя Обмотками на роторе; на фиг. 5 - диаграммы распределения магнитной индукции в воздушном зазоре генератора зависимости от угла поворота ротора г ; на фиг, 6 - кривые изменения токов и потокосцеплений обмоток генератора, где 2 14 О в основной обмотке генератора и нагрузке, ток дополнительной обмотки, ток обмотки возбуждения, 1g - ток демпферной обмотки, потокосцепление дополнительной обмотки, Mtj -noтокосцепление основной обмотки, Ц потокосцепление обмотки возбуждения. Уд-потокосцепление демпферной обмотки. . Генератор содержит дополнительную обмотку 1 статора, основную обмотку 2 статора, обмотку 3 возбуждения, нагрузку 4, коммутирующие аппараты 5, 6 и 7, экран 8, демпферную обмотку 9, причем коммутирующий аппарат 5 закорачивает дополнительную обмотку, а коммутирующий аппарат 6 подключает основную обмотку к нагрузке. В исходном состоянии ротор генератора (фиг.1) вращается с номинальной скоростью, обмотка 3 возбуждения запитана постоянным током, коммутаторы 5 и 6 разомкнуты. В момент времени t t, когда лотокосцепление дополнительной обмотки 1 достигает максимального значения с потоком возбуждения (фиг.2а), коммутатор 5 замыкается, и генератор попадает в режим внезапного короткого замыкания. По дополнительной обмотке протекает ток Ц (фиг.З) при этом кинетическая энергия ротора преобразуется в электромагнитную энергию полей, связанных с обмотками статора и ротора. Согласно принципу постоянства потокосцепления и в связи с тем, что дополнительная обмотка статора и обмотка возбуждения выполнены сосредоточенными, при дальнейшем повороте ротора результирующий поток генератора (величина этого потока на еди ницу длины определяется площадь под кривой индукции BWV) :сжимается(фиг.26 и величина индукции в зазоре Влдостигает максимального значения при yj-ле поворота ротора близком к 180 электрическим градусам (фиг.2вК Важ ным условием более эффективной работь данной импульсной системы является обеспечение минимального коэф фициента рассеяния обмоток. В момент времени t t, когда поток;осцепление основной обмотки статора достигает максимума с результ тирующим потоком, комммутирующий аппарат 6 подключает ее к нагрузке. По основной обмотке и нагрузке протекает мощный импульс тока irj малой длительности, обусловленной быстрым изменением потокосцепления контура основной обмотки при прохождении положительнои оси намагничивающей силы обмотки возбуждения .элек трических градусов. Достигнув максимума, ток i (j начинает уменьшаться и при t ti, когда потокосцепление ос новной обмотки, создаваемое взаимодействием токов всех трех контуров, становится равным потокосцеплению до коммутации данной обмотки, ток достигает нуля и коммутатор 6 отключает нагрузку от генератора. При угле поворота ротора большем l80 электрических градусов ток дополнительной обмотки уменьшается и коммутирующий аппарат 5 при достижении то ка нулевого знамения (t t) вновь переводит генератор в режим холобтого хода, размыкая данную обмотку. В момент времени t t когда потокосцепление дополнительной обмотки опять достигает максимального значения (,J 360 электрических градусов ) коммутатор 5 замыкается и все процес сы в обмотках генератора повторяются При наличии на роторе демпферной обмотки (фиг.4) работа генератора осуществляется следующим образом. . В исходном состоянии ротор генератора вращается с номинальной скоростью U. Коммутирующие аппараты 5-7 разомкнуты. Обмотка 3 возбуждения запитана постояннным током и создает в воздушном зазоре начальный магнитный поток, распределенный на полюсном делении t. Величина . потока на единицу длины машины определяется плснцадью под линией распределения индукции В , которая в данном случае имеет вид прямоугольника, так как обмотки генератора выполнены сосредоточенными, При угле поворота рбтора JT 0 когда обмотка 1 на статоре имеет максимальное потокосцепление % с потоком возбуждения (фиг.5 и 6), коммутирующий аппарат 7 замыкается, закорачивая обмотку 1. При дальнейшем вращении ротора в обмотках 1 и 3 протекают токи Ци fa, стремящиеся сохранить неизменными начальные потокосцепления обмоток (M const, Vjsconst) в момент замыкания коммутирующего аппарата 7. Согласно принципу постоянства потокосцеплений обмоток и в связи с тем, что дополнительная обмотка 1 на статоре и обмотка 3 возбуждения на.роторе выполнены сосредоточенными, при вращении ротора результирующий магнитный поток в воздушном зазор е генератора сжимается. При этом, в результате экранирования обмоток 1 и 3 в активных зонах, коэффициент рассеяния магнитного потока минимален, что обеспечивает максимальное возрастание индукции в воздушном зазоре . Вследствие сжатия магнитного потока и возрастания индукции потокосцепления разомкнутых обмоток 2 и 9, имеющих укороченный шаг , увеличиваются При угле поворота ро - t тора ysif.s::л результирующий ма|- ; -1, . нитный поток распределяется на отрезке, равном у. Основная обмотка 2 на статоре и демпферная обмотка 9 на ipoTOpe имеют максимальное потокосцепление с результирующим магнитным потоком, и коммутирующие аппараты 5 и 6 замыкаются. В результате основная обмотка 2 подключается к нагрузке k, а демпферная обмотка 9 закорачивается. При дальнейшем вращении ротора в обмотках генератора и нагрузке протекают токи, стремящиеся сохранить неизменными начальные потокосцепления в моменты их замыкания (Ч, t. Ц., fg const). При этом кинетическая энергия ротора преобразуется в электромагнитную энергию нагрузки и энергию магнитного поля, связанного с обмотками генератора, 8 момент времен соответствующий повороту ротора на угол -Sti Ji , магнитный поток генератора вытесняется на пути потоко рассеяния, имеющих низкую проводимость,и токи в обмотках генератора и нагрузке достигают максимального .значения (фиг., 5 и 6), В дальнейшем токи в обмотках генератора и то нагрузки уменьшаются. Вследствие того, что обмотки 2 и выполнены в виде последовательно соединенных катушечных групп, каждая из которых состоит из двух сосредото ченных катушек противоположной намотки, при угле поворота ротора t+i езультирукзщий магнитны Т Л поток в воздушном зазоре генератора создает в основной обмотке 2 и демпферной обмотке 9 потокосцепления, , равные по величине потокосцеплениям в момент времени, соответствующий . повороту ротора на угол «31 Т при отсутствии токов i (2 и ig .зультате, при токи в обмотках 2 и 9 достигают нулевого значения , и коммутирующие аппараты 5 и 6 размыкаются. При дальнейшем -вращении ротора т ки.в обмотках 1 и 3 генератора умен шаются до начального значения в момент - коммутирующий аппарат 7 размыкается. Таким образом, из приведенного описания работы предлагаемого устройства импульсного генератора следует, что увеличение ударной мощнос ти генератора при получении в наг рузке импульсов микросекундной длительности обусловлено сжатием при минимальном рассеянии основного маг нитного потока в воздушном зазоре двумя сосредоточенными обмотками с -диаметральным шагом на статоре и ро торе с последующим захватом его уко роченной основной обмоткой и демпферной обмоткой на роторе. Получение мощных коротких импульсов тока в основной обмотке и нагрузке дости гается за счет возникающих пиков ЭДС при резком изменении направлени захваченного магнитного потока на интервале, равном jj. СлеДует t-3 отметить, что действующее значение ЭДС в основной обмотке по сравнению с известным импульсным генератором практически неизменно. При этом величина энергии, передаваемой, в нагрузку, одинакова, а увеличение ударной мощности в данном случае определяется сокращением длительности передачи энергии пропорционально укорочению шага основной обмотки. Технический эффект от использования данного изобретения заключается в том, что за счет увеличения ударной мощности электромашинного генератора при получении в нагрузке импульсов микросекундной длительности повышаются энергетические и удельные характеристики системы импульсного питания потребителей. Предлагаемый генератор позволяет получать в нагрузке одиночные и повторяющиеся им-;, пульсы, количество которых определяется запасом кинетической энергии вращающихся масс ротора. Формула изобретения 1. Электромашинный генератор импульсов, содержащий статор с основной обмоткой, подключенной к на1- рузке через коммутирующий аппарат перпендикулярной к Ней дополнительной обмоткой с коммутирующим аппаратом в цепи, и ротор с обмоткой возбуждения , отличающийся тем, что, с целью повышения ударной мощности генератора путем получения импульсов микросекундногр диапазона длительности, дополнительная обмотка статора и обмотка возбуждения выполнены сосредоточенными с диаметральным шагом tf , а основная обмотка выполнена с укороченным шагом у (it в виде двух последовательно соединенных катушечных групп, охватывающий активные зоны витков дополнительной обмотки, при относительном шаге |J t.p. п 10 где ty, - требуемая длительность переднего фронта импульса тока в основной обмотке, мкс; р - число пар полюсов генератора;п - частота вращения ротора, об/с 2. Тенератор по п.1, о т л и чающийся тем, что дополнительная обмотка снабжена экранов в активных зонах, а каждая катушечная группа основной обмотки статора выполнена в виде двух сосредоточенных, последовательно соединенных катушек пpoтивoпoлoжнo 1 намотки, охватывающих активные зоны витков дополнительной обмотки, причем катушки каждой катушечной группы размещены . по разные стороны относительно актив ной зоны дополнительной обмотки.

Приоритет по пунктам: /

30,07.80 по ПП.2 и 3

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

a

f /-f

f lf-r-i efff&i

Y-8f-jw con

I r-f

Y ss- vfeain$t

fi.I) 25 /

io

ij i Риг.} )П П If cr t J 1 I 1 MI П rw i П