ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР ЭДС САМОИНДУКЦИИ
SELF-INDUCED EMF PULSE GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкциям импульсных индукционных генераторов тока.
Назначением данного изобретения является использование импульсного генератора ЭДС самоиндукции для обеспечения импульсного энергопитания различных электромагнитных установок и электрических машин, что позволяет существенно расширить арсенал импульсных источников энергии. Из уровня техники известен «Индукционный синхронный генератор», Заявка RU 98119347, опубл. 10.09.2000, МПК H02K 21/14, использующий токи обмотки статора, на якоре которого токи пульсируют, и индуктор (ротор), выполненный защищенным от магнитного поля токов обмотки якоря статора. Позволяет расширить режимы работы генератора. Однако в генераторе присутствуют вращающиеся части, а следовательно, он обладает всеми недостатками таких генераторов, т.е. не решены проблемы, связанные с коммутацией электроэнергии. В предложенной конструкции невозможно получение требуемого высокого напряжения.
Известен «Генератор электрической энергии», заявка RU 94025335, опубл. 10.06.1996, МПК H02K 19/16, содержащий составные кольцевые обмотки с сердечником, индукционную катушку и обмотку возбуждения. Позволяет увеличить производительность генератора электрической энергии, уменьшить индуктивное сопротивление статорной обмотки, уменьшить затраты на механическую работу при преобразовании механической энергии в электрическую и повысить КПД. Однако генератор в силу особенностей конструкции не позволяет использовать ЭДС самоиндукции. В генераторе присутствуют вращающиеся части, а, следовательно, он обладает всеми недостатками таких генераторов, т.е. не решены проблемы, связанные с коммутацией электроэнергии.
Известна полезная модель «Комбинированная электромагнитная обмотка», патент RU 96443, опубл. 27.07.2010, МПК H01F 5/00, в которой имеется два или более проводника с выводами, и проводники разделены диэлектриком. Позволяет расширить режимы работы. Однако оба проводника применяются в качестве первичной обмотки, отсутствует вторичная обмотка высокого напряжения, что не позволяет обмотку использовать в трансформаторах высокого напряжения, а также не обеспечивает съем и использование ЭДС индукции от вторичной обмотки.
Наиболее близкой заявкой на изобретение является «Индуктивно-статический способ генерации электрической энергии и устройство для его осуществления», RU 2004124018, опубл. 27.01.2006, МПК H01F 1/00, в соответствии с которым имеется первичная и вторичная обмотки, образующие катушку индуктивности с переходом свободной магнитной энергии в индуктивно-зависимое состояние, и происходит наведение ЭДС индукции и получение уплотнения магнитных потоков, пропорциональное увеличению электрической мощности. Позволяет использовать вторичную обмотку с меньшей на величину уплотнения магнитных потоков индуктивностью, чем достигается пропорциональное уплотнение и увеличение электрической мощности генератора. В способе используют индукционный и, одновременно, статический способы генерации. Однако не предложена конструкция вторичной обмотки генератора, которая позволяет производить непосредственный съем с генератора возникающее импульсное напряжение и ток ЭДС самоиндукции.
Также наиболее близким решением является классическая электрическая схема для проведения опытов по демонстрации электромагнитной индукции при размыкании цепи. Эта схема (устройство) функционально является импульсным генератором ЭДС самоиндукции. В связи с вышесказанным, в качестве прототипа принимаем установку, показанную на чертеже - рис.424 стр.231, учебник: Курс физики, часть вторая, изд. «Наука», Москва 1970 г. Авторы: Л.С. Жданов, В.А. Маранджан.
Однако в классической схеме сердечник из электротехнической стали конструктивно не способен выполнять в устройстве одновременно две функции: электропроводящей обмотки и классического, как на рис.424 прототипа, магнитопровода, т.е сердечника (М) индукционной катушки. Прототип не позволяет производить непосредственный съем и использование ЭДС самоиндукции, возникающей в сердечнике классической индукционной катушки.
Задачей предложенного изобретения является использование импульсных напряжений и осуществление конструкции вторичной обмотки генератора, которая бы позволяла производить непосредственный съем с генератора возникающего импульсного напряжения.
Техническим результатом, который обеспечивает предложенное техническое решение, является существенное расширение арсенала средств для импульсного генерирования и преобразования электроэнергии. Заявленный технический результат обеспечен за счет того, что импульсный генератор ЭДС самоиндукции конструктивно исполнен в виде первичной и вторичной обмоток однофазного повышающего трансформатора в стандартном техническом исполнении (с учетом того, что вторичная обмотка является одновременно функционально электропроводником и магнитопроводом, то предлагается рассматривать представленную конструкцию как простейшую индукционную катушку с сердечником, конструктивно исполненным в виде спиральной катушки с возможностью съема с него ЭДС самоиндукции) и они снабжены двумя или более проводниками, которые разделены диэлектриком и каждый проводник имеет выводы. Генератор отличается тем, что первичная обмотка (проводник) низкого напряжения выполнена спирально-ленточной и имеет по меньшей мере 2 витка, намотанных плотно или с небольшим зазором, виток к витку, лента обмотки выполнена шириной от 120 до 200 мм и толщиной от 1 до 2 мм; вторичная обмотка (проводник) высокого напряжения также выполнена спирально-ленточной, лента обмотки выполнена из электротехнической стали, покрытой электроизоляцией, и имеет по меньшей мере 100 витков, намотанных плотно или с небольшим зазором, виток к витку, лента выполнена шириной от 120 до 200 мм и толщиной не более 0,1 мм. Первичная обмотка электрически соединена с аккумуляторной батареей низкого напряжения через ключ-прерыватель с образованием замкнутой электрической цепи, где вторичная обмотка является одновременно электропроводящей обмоткой и магнитопроводом. При этом витки первичной обмотки расположены снаружи витков вторичной обмотки таким образом, что обе обмотки образуют повышающий трансформатор, в котором вторичная обмотка является индукционной катушкой трансформатора высокого напряжения, обеспечивая электропроводность за счет ленты из электротехнической стали, изолированной внешним слоем изоляции и, одновременно, выполняет функцию сердечника для первичной обмотки, ЭДС снимают посредством проводников, электрически подсоединенных к концам ленты вторичной обмотки, и получают за счет периодического срабатывания ключа-прерывателя, причем обеспечивают за счет частоты срабатывания ключа-прерывателя расчетные импульсное напряжение и ток, возникающие во вторичной обмотке, по формуле
где - где L - индуктивность цепи или коэффициент пропорциональности между скоростью изменения силы тока в контуре и возникающей вследствие этого ЭДС самоиндукции,
- скорость изменения силы тока в электрической цепи
В частных случаях первичная обмотка может быть выполнена из медного или алюминиевого проводника, может иметь 3 витка и более, количество витков ограничено трансформаторным отношением: отношение количества витков вторичной обмотки к количеству витков первичной обмотки, что определяет коэффициент трансформации, т.е. насколько напряжение во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Например, аккумуляторная батарея низкого напряжения может быть рассчитана на 12-24 вольт и она является источником постоянного тока. В частности, периодическое срабатывание ключа-прерывателя осуществляют с промышленной частотой переменного тока 50 Гц. При этом частоты могут быть любые технически возможные для осуществления, но лучше 50 Гц, так как ее проще преобразовать либо потреблять с помощью имеющихся стандартных преобразователей или электроприборов. Расчетная ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке обеспечивается, в частности, геометрией контура и магнитными свойствами сердечника для первичной обмотки. Так она может быть выполнена с формой контура, который выполнен круглым с диаметром 150 мм и более, что зависит от коэффициента трансформации, который и определит диаметр вторичной обмотки в зависимости от применяемой толщины электротехнической стали, или круглой спиральной формой. Поскольку вторичная обмотка является обмоткой высокого напряжения и выполнена из электротехнической стали, то это значит, что ее магнитные свойства определены самим материалом (т.е собственно магнитными свойствами электротехнической стали).
Изобретение в наиболее обобщенном виде иллюстрируется чертежами. Конкретное конструктивное исполнение не ограничивается показанными на чертежах вариантами исполнения.
На Фиг.1 показана схема расположения первичной и вторичной обмоток и аккумуляторная батарея с ключом-прерывателем.
На Фиг.2 - показано сечение А-А по соединенным вторичной и первичной обмоткам.
Данное техническое решение иллюстрируется чертежом, который не охватывает всех возможных конструктивных вариантов исполнения представленной схемы подключения.
Устройство Импульсного генератора ЭДС самоиндукции показано на фиг.1 и фиг.2 (в разрезе), и это устройство конструктивно исполнено в виде однофазного повышающего трансформатора (а также конструктивно является простейшей индукционной катушкой), который состоит из первичной (1) спирально-ленточной обмотки (медный или алюминиевый проводник), 2-3 витка толщиной 1-2 мм, шириной 120 мм, подключенной к аккумуляторной батарее (2) низкого напряжения 12-24 в - источник постоянного тока через ключ-прерыватель (3), образующих замкнутую электрическую цепь.
Вторичная спирально-ленточная обмотка высокого напряжения (4) из электротехнической стали, покрытой электроизоляцией, имеет количество витков от 100 и более, толщина ленты 0,1 мм, ширина 120 мм.
Вторичная обмотка (4) из электротехнической стали выполняет в конструкции две функции одновременно: электропроводящей обмотки и магнитопровода.
В качестве электропроводника вторичная обмотка (4) является индукционной катушкой высокого напряжения повышающего трансформатора.
В качестве магнитопровода вторичная обмотка (4) является сердечником для первичной обмотки (2) классической индукционной катушки.
Первичная (1) и вторичной (4) обмотки однофазного повышающего трансформатора и снабжены двумя или более проводниками (5), проводники вторичной обмотки имеют вывод (6) - т.е. ЭДС снимают посредством проводников (5, 6), электрически подсоединенных к концам ленты вторичной обмотки, и получают за счет периодического срабатывания ключа-прерывателя (3). Причем токи, возникающие во вторичной обмотке, рассчитывают по формуле
где L - индуктивность цепи или коэффициент пропорциональности между скоростью изменения силы тока в контуре первичной обмотки (1) и возникающей вследствие этого ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке (2),
- скорость изменения силы тока в электрической цепи первичной обмотки (1) за счет ключа-прерывателя (3).
Периодическое срабатывание ключа-прерывателя (3) осуществляют с промышленной частотой переменного тока 50 Гц. Расчетную ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке (4) обеспечивают геометрией контура вторичной обмотки (4) и магнитными свойствами сердечника (4) для первичной обмотки (1).
Форма контура, полученного первичной (1) и вторичной (4) обмотками, в представленном варианте выполнена круглой диаметром 150 мм и более.
Устройство работает следующим образом.
При замыкании ключом (3) электрической цепи первичной обмотки (1) возникает магнитное поле, энергия которого запасается в магнитном поле вторичной обмотки (4).
Размыкание ключа (3) цепи первичной обмотки (1) образует убывающий ток, который по правилу Ленца стремится поддержать ЭДС наведенной индукции вторичной обмотки (4).
В результате запасенная в магнитном поле вторичной обмотки (4) энергия преобразуется в дополнительную энергию тока самоиндукции первичной обмотки (1), запитавшей электрическую цепь вторичной обмотки (4).
В зависимости от количества запасенной в цепи вторичной обмотки (4) магнитной энергии мощность тока самоиндукции может быть различной и определяется по известной формуле:
Таким образом, данным изобретением достигается технический результат, состоящий в том, что конструкция, материал и двойное функциональное назначение вторичной обмотки устройства позволяет снимать и эффективно использовать возникающую ЭДС самоиндукции.
Промышленная применимость предложенного технического решения подтверждается общими правилами физики. Так, эффект самоиндукции описан в учебнике (Л.С. Жданов, В.А. Маранджян, курс физики для средних специальных заведений, ч. 2 электричество, изд. Третье, стереотипное, главная редакция физико-математической литературы, М., 1970 г., стр.231,232,233). Самоиндукция возникает при размыкании цепи, она прямо пропорциональна скорости изменения силы тока в электрической цепи. В традиционных схемах явление самоиндукции всегда сопровождается возникновением искры, возникающей в месте разрыва цепи. Поскольку в предложенной конструкции нет разрыва электрической цепи во вторичной обмотке (4) благодаря ее конструкции, в зависимости от количества запасенной в этой цепи магнитной энергии, ток размыкания не осуществляет искрение, а переходит в генерированную мощность. Таким образом, в конструкции вторичной обмотки (4) при размыкании цепи постоянного тока в первичной обмотке (1) запасенная в магнитном поле этой цепи энергия превращается в энергию тока самоиндукции в цепи вторичной обмотки (4).
Поскольку электродвижущей силой (ЭДС) называют величину, равную работе сторонних сил, в нашем случае - это изменяющееся магнитное поле первичной катушки (1), отнесенной к единице положительного заряда, это и есть ЭДС, действующая в цепи или на ее участке, в нашем случае - это вторичная обмотка (4). Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по цепи зарядами, и размерность ЭДС совпадает с размерностью потенциала и измеряется в тех же единицах. Поэтому векторную величину Е еще называют напряженностью поля сторонних сил. Поле сторонних сил в нашем случае возникает за счет переменного магнитного поля в первичной обмотке (1). Таким образом, ЭДС, действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил, т.е. сторонних сил, возникающих в первичной обмотке (1) за счет прерывания электрического поля ключом-прерывателем (3). Данное правило обеспечивает возникновение ЭДС индукции во вторичной обмотке (4). Это физическое явление описано в в учебнике (И.В. Савельев, Курс физики, том 2, электричество, стр.84,85, изд. Второе стереотипное, изд. Наука, главная редакция физико-математической литературы, М., 1966 г.).
Кроме сторонних сил, на заряд действуют силы электростатического поля, которые возникают непосредственно во вторичной катушке (4).
Устройство также использует явление электромагнитной индукции, описанной в (Р.А. Мустафаев, В.Г. Кривцов, учебник, физика, в помощь поступающим в ВУЗы, изд. М., Высшая школа, 1989 г.).
Таким образом, используемая в предложенном изобретении конструкция генератора как устройство позволяет эффективно генерировать, снимать и использовать ЭДС самоиндукции. Таким образом, устройство может быть изготовлено промышленным способом и внедряться в качестве перспективного эффективного импульсного генератора ЭДС самоиндукции, который позволяет расширить арсенал технических средств для импульсного генерирования и преобразования электроэнергии.