ТРЕХОБМОТОЧНЫЙ КОМПРЕССИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области электромашинных генераторов параметрического типа с периодически изменяющейся при вращении ротора индуктивностью обмотки статора и может быть использована для питания электрофизических установок мощными импульсами тока.
Известна конструкция компрессионного генератора [SU 934888 А1, МПК 5 H03K 3/00, опубл. 15.08.1983, БИ №30], содержащая шихтованные ротор и статор с однофазными обмотками, два щеточно-коллекторных узла, соединенных один с началом, а второй с концом роторной обмотки, импульсный источник питания для создания начального магнитного потока в зазоре генератора и нагрузку, соединенную последовательно со статорной обмоткой, один из выводов которой соединен с одним из щеточно-коллекторных узлов. Один вывод импульсного источника питания соединен через коммутатор с нагрузкой, а другой - со вторым щеточно-коллекторным узлом и через замыкатель - с нагрузкой.
Недостатком этой конструкции является наличие скользящих контактов, через которые необходимо пропустить весь импульс тока и всю генерируемую энергию, а также недостаточная максимальная частота следования импульсов тока при минимальном числе пар полюсов обмоток.
Известна конструкция бесконтактного компрессионного генератора [Invited the compensated pulsed alternator program - a review / W.L.Bird, W.F.Weldon, B.M.Carder, R.J.Foley - Proceedings of 3 rd IEEE International Pulsed Power Conference, Albuquerque, June 1981, p.134-141], содержащая явнополюсный ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой, размещенной между полюсами и подключенной к параллельно соединенным импульсному источнику питания с коммутатором и нагрузке с коммутатором, и монолитный явнополюсный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, число которых равно числу пар полюсов обмотки статора.
Недостатками этого генератора являются большая величина тока возбуждения и значительная начальная энергия магнитного поля генератора, которые необходимо получить от импульсного источника питания, например, от заряженной конденсаторной батареи.
Известна также конструкция бесконтактного компрессионного генератора [R.U 60807 U1, МПК Н02К 57/00 (2006.01), опубл. 27.01.2007, БИ №3], содержащая явнополюсный ферромагнитный статор с обмоткой между полюсами и монолитный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, число которых равно числу пар полюсов обмотки, отличающийся тем, что, ротор выполнен с закрепленными между зубцами магнитопроводами.
Недостатком этого генератора является сложность конструкции, обусловленная монолитным явнополюсным ротором сложной формы для надежного крепления шихтованных магнитопроводов, причем такая конструкция ограничивает число оборотов ротора и частоту импульсов следования импульсов тока.
Наиболее близким техническим решением является бесконтактный импульсный компрессионный генератор, выбранный в качестве прототипа [RU 103251 U1, МПК Н02К 57/00 (2006.01), опубл. 27.03.2011, БИ №9], содержащий явнополюсный ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой между полюсами и расположенный на валу ферромагнитный шихтованный явнополюсный ротор с размещенными в пазах короткозамкнутыми обмотками, охватывающими ротор, число которых равно числу пар полюсов обмотки статора.
Недостатком прототипа является недостаточная максимальная частота следования импульсов тока статорной обмотки, определяемая числом пар ее полюсов и числом оборотов ротора.
Задачей полезной модели является повышение максимальной частоты следования импульсов тока статорной обмотки без увеличения числа пар ее полюсов и числа оборотов ротора.
Поставленная задача достигается тем, что так же как в прототипе трехобмоточный компрессионный генератор содержит явнополюсный ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой между полюсами и расположенный на валу ферромагнитный шихтованный явнополюсный ротор с размещенными в пазах короткозамкнутыми обмотками, охватывающими ротор, число которых равно числу пар полюсов обмотки статора.
Согласно полезной модели, ротор выполнен с дополнительной обмоткой возбуждения, число пар полюсов которой p равно числу пар полюсов обмотки статора, причем дополнительная обмотка возбуждения расположена в пазах между полюсами со сдвигом на угол 180°/p относительно короткозамкнутых обмоток ротора.
Достигаемый результат поясним режимом короткого замыкания обмоток трехобмоточного компрессионного генератора без учета их активных сопротивлений.
C
max
C0
1. У прототипа при угле положения ротора α=0, когда индуктивность обмотки статора с числом витков w максимальна L, начальный ток этой обмотки i и начальный магнитный поток
0
min
создаются импульсным источником питания (возбуждения), например, заряженной конденсаторной батареей. При повороте ротора на угол α=180°/p короткозамкнутые обмотки ротора вытесняют магнитный поток Ф в пазы обмотки статора, индуктивность этой обмотки уменьшается до минимального значения L, обеспечивая кратность изменения индуктивности
В результате у прототипа ток обмотки статора при угле α=180°/p достигает максимального значения:
C0
причем при дальнейшем повороте ротора до угла α=360°/p ток обмотки статора уменьшается и становится равен начальному току i. При этом максимальная частота следования импульсов тока обмотки статора составляет:
где n - число оборотов ротора в минуту.
B0
2. В предложенной полезной модели при угле положения ротора α=0, когда индуктивность обмотки статора максимальна, начальный ток дополнительной обмотки возбуждения ротора i е начальный магнитный поток
B
B
создаются также импульсным источником питания (возбуждения), например, заряженной конденсаторной батареей, причем дополнительная обмотка возбуждения ротора имеет индуктивность L число витков w.
Из решения уравнений для потокосцеплений дополнительной обмотки возбуждения ротора
и обмотки статора
C
находим максимальные значения тока обмотки статора i(α) при углах поворота ротора α=180°/p
и α=360°/p
где в функции угла положения ротора α индуктивность обмотки статора:
в функции угла положения ротора α взаимная индуктивность между статорной и дополнительной роторной обмотками:
B
C
B
B0
C
i(α) и i(α) - токи дополнительной обмотки возбуждения ротора и обмотки статора в функции угла положения ротора α, причем при α=0 имеем i(0)=i и i(0)=0;
и k<1 - коэффициенты модуляции и связи обмоток генератора соответственно;
max
0
min
0
0
L=L(1+m); L=L(1-m) - максимальная и минимальная индуктивности статорной обмотки при ее средней индуктивности L.
Сравнение максимальных значений токов обмотки статора прототипа (2) и полезной модели (5, 6) при одинаковых начальных магнитных потоках (1) и (4) дает соотношения
где параметр взаимной индуктивности:
m1
m2
m3
m2
m1
2
1
Из формулы (7) следует, что при угле α=180°/p амплитуды токов короткого замыкания прототипа i и полезной модели i практически одинаковы. Однако при угле α=360°/p, когда у прототипа импульс тока статорной обмотки отсутствует, у полезной модели наблюдается импульс с амплитудой i≈i≈i при N≈2N.
В результате у предложенной полезной модели максимальная частота следования импульсов тока обмотки статора будет равна
т.е. из формул (3) и (8) следует, что, по сравнению с прототипом, у полезной модели за счет размещения на роторе дополнительной обмотки возбуждения максимальная частота следования импульсов тока обмотки статора увеличивается в 1,5 раза.
На фиг.1 схематически изображен трехобмоточный компрессионный генератор с числом пар полюсов обмотки статора р=4 при положении ротора, когда угол относительно вертикальной оси α=0, а индуктивность обмотки статора максимальна, причем на фиг.2 приведены расчетные кривые токов при коротком замыкании обмоток этого генератора.
Трехобмоточный компрессионный генератор содержит явнополюсный ферромагнитный шихтованный статор 1 с обмоткой 2 между полюсами и расположенный на валу 3 ферромагнитный шихтованный явнополюсный ротор 4 с размещенными в пазах короткозамкнутыми обмотками 5, охватывающими ротор 4, число которых равно числу пар полюсов (р=4) обмотки статора 2. На роторе 4 размещена дополнительная обмотка возбуждения 6, число пар полюсов которой (р=4) равно числу пар полюсов обмотки статора 2, причем дополнительная обмотка возбуждения 6 расположена в пазах между полюсами со сдвигом на угол 180°/р=45° относительно короткозамкнутых обмоток 5 ротора 4. Пазы статора 1 и ротора 4, в которых расположены обмотки 2, 5 и 6, на фиг.1 не детализированы.
B
max
B
B0
0
min
C
m2
1
C
m2
C
m3
2
Трехобмоточный компрессионный генератор работает следующим образом. Внешним приводным двигателем вал 3 и ротор 4 раскручивается до определенного числа оборотов n в минуту. Далее на дополнительную обмотку возбуждения 6 ротора 4 от импульсного источника питания подается ток i(α), который при угле α=0 в момент максимума индуктивности L обмотки 2 статора 1 составляет величину i(0)=i и создает начальный магнитный поток Ф. По мере поворота ротора 4 его короткозамкнутые обмотки 5 вытесняют магнитный поток в пазы статора 1 обмотки 2 и индуктивность обмотки 2 уменьшается, достигая минимального значения L при угле α=180°/p=45°. В результате происходит преобразование механической энергии вращающегося ротора 4 в электромагнитную энергию импульса тока i(α) обмотки статора 2 с амплитудой i, которая тем больше, чем больше кратность изменения N индуктивности обмотки 2. Электромагнитная энергия W импульса тока i(α) с амплитудой i передается в нагрузку, которая подключается последовательно обмотке 2. При дальнейшем повороте ротора на угол α=360°/р=90° проводники дополнительной обмотки возбуждения 6 ротора 4 располагаются напротив проводников обмотки 2 статора 1. Обмотки 2 и 6 оказываются включенными встречно, в статорной обмотке 2 генерируется следующий импульс тока i(α) с амплитудой i, который тем больше, чем больше коэффициент связи k<1 и больше соответствующий параметр N>1.
m2
2
1
B0
0
0
m2
m3
m2
По сравнению с прототипом полезная модель имеет в 1,5 большую максимальную частоту следования импульсов тока f статорной обмотки за счет размещения на роторе дополнительной обмотки возбуждения. Согласно расчетам данная полезная модель массой 50000 кг с четырьмя парами полюсов (р=4) и n=3000 об/мин при питании активно-индуктивной нагрузки может иметь: N=2N=200; i=35,5 кА; Ф=4,23 Вб; W=152 кДж; i=i=2,75 МА; W≈5,4 МДж; f=300 Гц.