электромашинный импульсный генератор

Формула изобретения

1. Электромашинный импульсный генератор, 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, отличающийся тем, что 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.

2. Электромашинный импульсный генератор по п.1, отличающийся тем, что в зоне полюсов ротора и статора концентрически установлены прокладки, прикрепленные в этой зоне соответственно к ротору и статору с суммарной толщиной, равной разности суммарной толщины витков с электроизоляцией и толщины изолирующих слоев из волокна.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электромашинным преобразователям механической энергии в электрическую для создания мощных импульсных источников энергии, предназначенных для использования в системах питания крупных термоядерных установок, лазерных установок высокой мощности и в других областях техники.

Известен электромашинный генератор импульсов, содержащий шихтованные ротор и статор с однофазными обмотками, соединенными последовательно через два щеточно-коллекторных узла, импульсный источник питания для создания начального магнитного потока в зазоре генератора и нагрузку, соединенную последовательно со статорной обмоткой, присоединенную другим концом через коммутатор к источнику питания [1]. Принцип действия генератора состоит в том, что в момент, когда катушки обмотки ротора, приведенного во вращение от стороннего двигателя, проходят над согласно включенными катушками обмотки статора, импульсный источник питания через коммутатор разряжается на последовательно включенные обмотки статора и ротора и нагрузку, создавая в зазоре генератора начальный магнитный поток. Момент включения коммутатора выбирается так, чтобы требуемая величина индукции магнитного поля в зазоре была достигнута к моменту нахождения центра полюса ротора под центром полюса статора. При дальнейшем повороте ротора его полюса оказываются под одноименными полюсами статора, т.е. катушки обмотки ротора оказываются включенными встречно с расположенными над ними катушками обмотки статора, что приводит к резкому уменьшению индуктивности последовательно соединенных обмоток. При повороте ротора, для достижения положения встречно включенных обмоток, происходит сжатие (компрессия) магнитного потока (магнитного поля) до 5 - 15 Тл. В воздушном зазоре и возникает мощный тормозной момент, действующий на обмотки. Изменение индуктивности приводит к пропорциональному изменению тока в контуре, состоящем из последовательно соединенных обмоток ротора, статор и нагрузки, и выделению большой ударной мощности на нагрузке. В результате этого генератор позволяет за короткое время, сравнимое со временем поворота ротора на одно полюсное деление, развить большую ударную мощность на нагрузке и передать ей часть кинетической энергии ротора.

При резком уменьшении собственной индуктивности генератора в зазоре между катушками статора и ротора значения магнитных полей достигают максимума и на катушки действуют максимальные силы. В генераторе на обмотки действуют две основные силы: радиальные в виде магнитного давления на обмотки и тангенциальные от тормозного момента. Эти силы вызывают напряжения сжатия в обмотках и могут достигать в зависимости от мощности генератора 400 - 2000 кг/см² в результате действия магнитного давления и 10⁴ - 310⁴ кг/см² от действия тормозного момента. Поэтому механическая прочность материала обмоток и изоляции накладывает ограничение на величину импульсной мощности генератора.

Известен электромашинный импульсный генератор, выполненный по вышеизложенному принципу, в пазах ротора и статора которого размещены катушки, скрепленные бандажами с образованием явных полюсов, выполненные послойно из электрического проводника, разделенного электроизоляцией между витками и слоями [2].

Ротор и статор генератора набраны из круглых пластин с четырьмя пазами, находящимися на перпендикулярных диаметрах. Соответственно выступы пластин образуют полюса. Каждый полюс ротора и статора окружен катушками, которые уложены в пазы. Глубина паза определяется совокупной толщиной изоляции катушки, которая определяется глубиной проникновения магнитного поля в проводник катушки при компрессии поля в момент генерации импульса. В процессе сжатия магнитного поля между обмотками ротора и статора возникает мощный тормозной момент, который прижимает обмотку ротора и статора в тангенциальном направлении к боковым граням паза ротора и статора, вызывая тем самым сжатие электрической изоляции катушек и их проводника. Величина допускаемого механического давления на электрическую изоляцию, материал проводника и материал, из которого изготовлены полюса, определяется их механической прочностью и находится в пределах (3 - 8) 10³ кг/см³ [3]. В традиционной конструкции электромашинного импульсного генератора при импульсных мощностях, находящихся на уровне (1 - 10) ГВт, давление на боковую стенку каждого паза ротора и статора от тормозного момента и соответственно на проводник и изоляцию достигает (15 - 30) 10³ кг/см². Крепление же обмоток ротора и статора вызывает известные трудности, связанные с необходимостью сокращения зазора между обмотками ротора и статора и обеспечения максимально возможной кратности изменения индуктивности, что ограничивает свободное пространство для расположения элементов крепления обмоток.

Использование принципа разделения обмотки на части с опиранием на зубцы каждой части катушки, например, как у турбогенераторов позволяет снизить удельные давления на катушку, т.к. каждая часть катушки воспринимает уже только часть тормозного момента. Но также решение снижает ударную импульсную мощность из-за снижения кратности изменения индуктивности ввиду ухудшенной компрессии магнитного поля такими секционированными катушками, так как магнитное поле проваливается между частями катушки и не сжимается. Таким образом, механическая прочность материалов ограничивает ударную мощность импульсных генераторов такого типа.

Аналогичные недостатки присущи импульсным генераторам, изготовленным из пластика (т. е. не имеющим железного магнитопровода) для существенного снижения массы генератора (2,5 - 3 раза), что очень актуально при их применении в мощных системах питания, располагаемых на подвижных объектах.

Изобретение решает задачу повышения удельной импульсной мощности электромашинных импульсных генераторов.

Сущность изобретения заключается в электромашинном импульсном генераторе, содержащем 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, в котором 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.

В частном случае исполнения генератора из пластика в зоне полюсов ротора и статора концентрически установлены прокладки, прикрепленные соответственно к ротору и статору, с суммарной толщиной, равной разности суммарной толщины витков с электроизоляцией и толщины изолирующих слоев из волокна.

Достигаемый технический результат заключается в повышении удельной импульсной мощности генератора в 3 - 5 раз.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 схематически изображен общий вид предлагаемого генератора (поперечное сечение), на фиг. 2 приведен в разрезе участок Б обмотки ротора, а на фиг. 3 приведен участок А в месте установки концентрических прокладок.

Ротор 1 и статор 2 (фиг. 1), выполненные, в частности, из пластического материала, имеют по четыре паза 3, находящиеся на перпендикулярных диаметрах. В пазах установлены катушки 4 обмотки ротора и катушки 5 обмотки статора, так что в секторах между катушками на роторе и статоре образуются явные полюса 6. Витки 7 катушек ротора и статора, выполненные из электрического проводника ромбического сечения, окруженного изоляцией (фиг. 2), расположены в слое с шагом между центрами проводника витков, который превышает большую диагональ ромба сечения проводника. Витки 7 в каждом слое катушек смещены относительно витков близлежащего слоя на половину шага. В первом слое катушек, между стенкой 8 паза и витками 7, и в последнем слое, между витками 7 и наружным бандажом 9, установлены вкладыши 10, повторяющие форму промежутка между витками (в частном случае это форма близка к треугольной) и отстающие от витков на величину изолирующего слоя, выполненного из высокопрочного волокна 11, уложенного в криволинейные промежутки между слоями катушек. В зоне полюсов 6 ротора 1 (фиг. 3) концентрически установлены прокладки 12, прикрепленные к ротору в этой зоне штифтами 13. Такие же прокладки установлены и в зоне полюсов статора. Выводы обмоток ротора и статора соединены последовательно через два щеточно-коллекторных узла (на чертеже не показано) и подключены к импульсному источнику питания. Вкладыши 10 и прокладки 12 выполнены из пластического материала.

К описанию работы электромашинного генератора следует добавить, что при такой равномерно распределенной обмотке по пазу 3 ротора 1 и статора 2, магнитное поле эффективно компрессируется при резком уменьшении индуктивности встречно включенных обмоток ротора и статора и не проваливается за обмотку (фиг. 1), так как часть магнитного поля, прошедшего через воздушные зазоры между виткам первого слоя витков 7, удерживается вторым слоем витков, которые смещены по отношению к первому слою (фиг. 2). Таким образом, структура катушек 4 и 5 ротора и статора соответственно полностью удерживает магнитное поле в пределах своего сечения и обеспечивает требуемый коэффициент изменения индуктивности.

Сила тормозного момента при этом дробится по величине на число, равное числу проводников в пазу, которых можно расположить в пазу от 50 до 500 шт. и более, если необходимо. Соответственно удельное давление каждого проводника 7 на механическую структуру 11 и изоляцию проводника уменьшается пропорционально и уже может составлять от 600 до 60 кг/см². Такие уровни напряжений выдерживают существующие материалы и изоляция. Предлагаемая форма сечения проводника и взаимное смещение витков образуют при формовке и запечке механическую структуру пластика с криволинейными армирующими волокнами 11. Поэтому такой пластик держит внутри себя каждый проводник независимо за счет криволинейной армировки волокном 11. Для обеспечения требуемой прочности с учетом циклического действия нагрузок для армирующего изолирующего волокна 11 целесообразно использовать высокомодульные и высокопрочные стеклянные (СМ) или органические (СВМ) волокна (фиг. 2). Концентрические прокладки 12, установленные в зоне полюсов ротора 1 и статора (фиг. 3), компенсируют толщину отсутствующих витков в зоне полюсов и обеспечивают сохранение механической прочности ротора, статора и волокнистой структуры пазовой части в случае изготовления генератора из пластического материала.

Уровень механических напряжений в пластике оказывается низким за счет распределения нагрузки по сечению паза и отсутствия ее суммирования по всему сечению катушки при ее традиционном исполнении в виде плотно уложенных витков, передающих нагрузку друг на друга. Данный принцип конструкции катушки был механически испытан на макете и подтвердил справедливость такого предложения. Таким образом, достигается требуемая механическая прочность ротора и статора и существенно повышается ударная импульсная мощность генератора.

Источники информации.

1. Патент РФ N 934888, H 03 K 3/00, заявл. 17.03.80, опубл. БИ N 30, 1983 г.

2. М. Н. Быстров и др., Электромашинный компрессионный генератор - Доклады второй всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов. Ленинград, ГКАЭ СССР, НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, 1982, том III, с. 39-46 (прототип).

3. Конструкционные материалы. Справочник. Под общей редакцией Б.Н. Арзамасова. Издательство Машиностроение. М. 1990 г.