Импульсный генератор для намагничивающей установки (варианты)
PULSE GENERATOR FOR MAGNETIC INSTALLATION (OPTIONS)

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в сильноточной импульсной технике в качестве источника импульсного питания для намагничивающих установок.
Известен генератор импульсов тока с секционированным индуктивным накопителем энергии (Чернявский Н.И., Чибисова Н.Н. Энергетические характеристики генераторов импульсов тока с индуктивными накопителями энергии для аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов неплавящимся электродом. Вектор науки ТГУ. №2 (16), 2011), состоящий из двухсекционного индуктивного накопителя энергии с отпайками, двух полностью управляемыми ключей K1 и K2 и нагрузки. Генератор обеспечивает в нагрузке биполярные импульсы тока, причем процесс накопления энергии и частичной рекуперации происходит при протекании тока через нагрузку.
Недостатком такого устройства является невозможность управления длительностью импульса и сравнительно невысокий КПД процесса. Кроме этого устройство требует изготовления секционированного двухобмоточного дросселя с отпайками, что существенно усложняет конструкцию.
Известен импульсный генератор [патент RU 141250U1, кл. H03K 3/00, 2014 г.], содержащий источник ЭДС, к положительному зажиму которого подключен первый зажим полностью управляемого ключа цепи заряда и первый зажим ключа цепи рекуперации, при этом вторые зажимы ключей соединены с входным зажимом индуктивного накопителя и выходным зажимом индуктивного накопителя соответственно. Нагрузка, подключена одним выводом к общей шине, к которой подключен минусовой зажим источника ЭДС. Дополнительно введены нулевой диод, анод которого подключен к общей шине, а катод к входному зажиму индуктивного накопителя, второй ключ цепи заряда, один зажим которого подключен к общей шине, а второй зажим к выходному зажиму индуктивного накопителя, к которому подключен первый зажим дополнительно введенного ключа цепи разряда, второй зажим которого подключен к нагрузке.
Недостатком такого устройства является невысокий КПД процесса. Кроме этого, устройство требует отдельного источника напряжения и обладает сложной конструкции из-за большого количества электронных компонентов.
Известен генератор импульсного напряжения [патент RU 2063103, кл. H03K 3/53 от 27.06.1996 г.], содержащий корпус с диэлектрической средой, в котором расположены конденсаторы, разрядники и резисторы, соединенные по каскадной схеме умножения напряжения Аркадьева-Маркса, при этом элементы генератора расположены в трех параллельных друг другу осях, конденсаторы собраны в два пакета, а разрядники собраны в другой пакет, расположенный над пакетами конденсаторов, при этом каждый предыдущий конденсатор в пакете расположен через зазор с каждым последующим, первый пакет конденсаторов установлен со смещением по отношению ко второму пакету конденсаторов, а каждые соседние разрядники соединены с конденсаторами из разных пакетов.
Недостатком такого устройства является сложная конструкция и высокие массогабаритные параметры за счет наличия конденсаторных батарей. Кроме того, для генератора необходимо зарядное устройство, обеспечивающее зарядку конденсаторных батарей.
Известен электромашинный импульсный генератор [патент RU 2128871 С1, кл. H02K 3/46, от 10.04.1999 г.], содержащий ротор и статор, в пазах которых размещены катушки, скрепленные бандажами с образованием явных полюсов, выполненные послойно из электрического проводника, разделенного электроизоляцией между витками и слоями, при этом витки катушек ротора и статора выполнены из проводника ромбического сечения и расположены в слое с шагом между центрами проводника витков, превышающим большую диагональ ромба, витки в каждом слое смещены относительно витков близлежащего слоя на половину шага, в первом слое катушек между стенкой паза и витками и в последнем слое между витками и наружным бандажом установлены вкладыши, повторяющие форму промежутка между витками и отстающие от витков на величину изолирующего слоя, выполненного из волокна, уложенного в образованные криволинейные промежутки между слоями.
Недостатком данного устройства является сложная конструкция электромашинного генератора, кроме того, из-за наличия обмоток возбуждения, данному генератору необходим сторонний источник мощности и система охлаждения. Невысокая надежность генератора обусловлена особенностью генераторов электромагнитного возбуждения.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является генератор [Mohammad S. Widyan: Design, Optimization, Construction and Test of Rare-Earth Permanent-Magnet Electrical Machines with New Topology for Wind Energy Applications 2006], состоящий из ротора с постоянными магнитами, статора, на поверхности которого выполнены канавки, обмоток, проходящих через паз и поверхность статора таким образом, чтобы основание паза статора и внешняя поверхность канавки статора соприкасались с обмоткой.
Недостатками ближайшего аналога является то, что в импульсном режиме работы возникает высокая вероятность механического повреждения обмотки статора за счет электродинамического усилия, а также недостаточный теплоотвод от обмотки статора, что приводит к уменьшению величины допустимого значения импульсного тока и длительности рабочего режима.
Задача изобретения - увеличение надежности импульсного генератора, а также увеличение длительности и величины импульсного тока в рабочем режиме за счет полного заполнения паза статора обмоткой и увеличения теплоотвода от обмоток статора, благодаря увеличению площади соприкосновения обмотки с внутренними поверхностями паза и уменьшению высоты спинки статора.
Технический результат - обеспечение стабильной работы импульсного генератора и минимального нагрева его активных элементов, а также увеличение максимально допустимого значения импульсного тока в обмотках статора и длительности рабочего режима.
Поставленная задача решается, а технический результат по первому варианту достигается тем, что в импульсный генераторе, содержащем ротор с постоянными магнитами, статор, на поверхности которого выполнены канавки, обмотки, проходящие через паз и поверхность статора таким образом, чтобы основание паза статора и внешняя поверхность канавки статора соприкасались с обмоткой, согласно изобретению пазы статора выполнены открытыми, при этом коэффициент заполнения паза медью стремится к 1, обмотка выполнена монолитной с толщиной ,
γ
где  - удельная электрическая проводимость;
μ
- магнитная проницаемость вещества проводника;
ω
- круговая частота переменного тока,
а в воздушном зазоре расположена сквозная полость с возможностью прохождения потока воздуха или жидкости для охлаждения обмоток, причем спинка статора выполнена минимальной высоты h.
Спинка статора выполнена минимальной высоты h, являющейся достаточной для обеспечения механической прочности импульсного генератора.
Поставленная задача решается, а технический результат по второму варианту достигается тем, что в импульсном генераторе, содержащем ротор с постоянными магнитами, статор, на поверхности которого выполнены канавки, обмотки, проходящие через паз и поверхность статора таким образом, чтобы основание паза статора и внешняя поверхность канавки статора соприкасались с обмоткой, согласно изобретению пазы статора выполнены открытыми, при этом коэффициент заполнения паза медью стремится к 1, обмотка выполнена монолитной с толщиной ,
γ
где  - удельная электрическая проводимость;
μ
- магнитная проницаемость вещества проводника;
ω
- круговая частота переменного тока,
а внутри паза сквозь обмотки расположен охлаждающий канал, причем спинка статора выполнена минимальной высоты h.
Спинка статора выполнена минимальной высоты h, для возможности обеспечения теплообмена и прочности статора.
Существо изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен поперечный разрез импульсного генератора по первому варианту.
На фиг. 2 изображен поперечный разрез импульсного генератора по второму варианту.
Предложенное устройство по первому варианту (фиг. 1) содержит ротор с постоянными магнитами 1, статор 2, на поверхности которого выполнены канавки 3, обмотки 4, проходящие через паз 5 и канавки 3 на поверхности статора таким образом, чтобы основание паза статора и внешняя поверхность канавки 3 статора 2 соприкасались с обмоткой 4, в воздушном зазоре расположена сквозная полость 6 с возможностью прохождения потока воздуха или жидкости для охлаждения обмоток.
Предложенное устройство по второму варианту (фиг. 2) содержит ротор с постоянными магнитами 1, статор 2, на поверхности которого выполнены канавки 3, обмотки 4, проходящие через паз 5 и поверхность статора таким образом, чтобы основание паза статора и внешняя поверхность канавки 3 статора 2 соприкасались с обмоткой 4, при этом внутри паза сквозь обмотку расположен охлаждающий канал 6 с возможностью прохождения потока воздуха или жидкости для охлаждения обмоток 4.
Предложенное устройство по первому варианту работает следующим образом: импульсный генератор, вращаемый электродвигателем марки АД-60000 со скоростью 60000 об/мин, подключают на 30 мс к намагничивающей установке с сопротивлением 0,1 Ом, в результате чего в обмотке 4 проходит ток в 1400 А. При этом в обмотке 4 выделяются потери величиной 60 кВт и нагревают обмотку 4. За счет большой площади соприкосновения обмоток 4 со статором 2 и минимальной высоты h спинки статора 2 тепло кондуктивным теплообменом отводится на статор 2 и от него рассеивается в окружающую среду. Также для обеспечения дополнительного охлаждения прогоняют по замкнутой полости внутри зазора 6 жидкость с расходом 0,05 л/с, при этом происходит охлаждение обмоток 2 и защита постоянных магнитов 1 от нагрева.
Предложенное устройство по второму варианту работает следующим образом: импульсный генератор, вращаемый электродвигателем марки АД-60000 со скоростью 60000 об/мин, подключают на 30 мс к намагничивающей установке с сопротивлением 0,1 Ом, в результате чего в обмотке 4 проходит ток в 1400 А. При этом в обмотке 4 выделяются потери величиной 60 кВт и нагревают обмотку 4. За счет большой площади соприкосновения обмоток со статором 2 и минимальной высоты h спинки статора 2 тепло кондуктивным теплообменом отводится на статор 2 и от него рассеивается в окружающую среду, также для обеспечения дополнительного охлаждения прогоняют по охлаждающему каналу 7 внутри обмотки 4 жидкость с расходом 0,05 л/с, которая охлаждает обмотку 4.
Итак, заявляемое изобретение обеспечивает надежность импульсного генератора, а также позволяет увеличить длительность и величину импульсного тока в рабочем режиме за счет предложенных конструктивных решений и системы охлаждения.
В результате обеспечивается стабильная работа импульсного генератора и минимальный нагрев его активных элементов, что позволяет увеличить максимально допустимое значение импульсного тока в обмотках статора и длительность рабочего режима.