CC BY
115
УДК 621.313.12
БЕСКОНТАКТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ КОМПРЕССИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР. Ч. 1. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ. РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ И МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГЕНЕРАТОРА
Г.В. Носов
Томский политехнический университет E-mail: nosov@elti.tpu.ru
Рассмотрена конструкция и принцип действия бесконтактного импульсного компрессионного генератора, состоящего из конденсаторной батареи возбуждения, электромашинного бесконтактного генератора с периодически изменяющейся индуктивностью обмотки статора идвух коммутаторов. Получены формулы для расчета размеров и параметров генератора: масса, запасаемая кинетическая энергия, механические напряжения в шихтованном вращающемся роторе. Приведены результаты расчета размеров и параметров генераторов при изменении ширины пазов, оборотов ротора и одинакового числа пар полюсов обмоток статора и ротора.
Ключевые слова:
Бесконтактный, импульсный, компрессионный, электромашинный генератор, импульс тока, электрофизическая установка, конденсаторная батарея возбуждения, паз, ротор, статор, вал, периодически изменяющаяся индуктивность обмотки статора.
Key words:
Noncontact, impulsive, compression, dynamo-electric generator, current impulse, electrophysics setting, capacitor battery of excitation, slot, rotor, stator, billow, regularly changing inductance of stator winding.
Современная импульсная техника требует использования мощных и надежных источников питания, способных работать в частотном режиме, особенно в автономных устройствах. В качестве таких источников как альтернативу ударным синхронным генераторам (генерирующим одиночные импульсы длительностью до 20 мс) можно рассматривать элек-тромашинные генераторы с периодически изменяющейся индуктивностью рабочих обмоток. Эти генераторы получили названия compulsator (компульса-тор) и ARFC (Active rotary flux compressor) в США и компрессионный генератор в СССР. В настоящее время для питания рельсотронов, лазеров, плазмотронов, ускорителей заряженных частиц и других мощных электрофизических установок особенно привлекательны электромашинные генераторы с периодически изменяющейся индуктивностью рабочих обмоток [1-5]. Поэтому разработка и расчет этих генераторов является актуальной задачей.
Известна конструкция компрессионного генератора [4, 5], имеющего явнополюсные ферромагнитные шихтованные ротор и статор с двумя одинаковыми обмотками, которые соединены между собой посредством скользящих контактов (контактные кольца и щетки). При вращении ротора суммарная индуктивность этих обмоток периодически пульсирует за счет того, что в одном положении ротора обмотки оказываются включенными согласно и имеют максимальную суммарную индуктивность Lmx, а в другом - встречно и имеют минимальную суммарную индуктивность Lmin. Кратность изменения индуктивности такого генератора N=Lmax/Lmin достигает сотен единиц и при начальном токе (возбуждения) i0 и начальной энергии магнитного поля генератора W0, когда суммарная индуктивность обмоток максимальна Lm¡x, эта кратность N определяет значительную амплитуду импульса тока im~i0N и существенную генерируемую энергию этого импульса W~ W0N.
Недостатком этой конструкции является наличие скользящих контактов, через которые необходимо пропустить весь импульс тока амплитудой ¡т и всю генерируемую энергию Ж
Известен бесконтактный компрессионный генератор [5], имеющий явнополюсный ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой, размещенной между полюсами, и монолитный явнополюсный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, число которых равно числу пар полюсов обмотки статора. При вращении ротора индуктивность обмотки статора за счет ее экранирования зубцами ротора периодически изменяется, причем в момент минимума индуктивности магнитный поток вытесняется в область обмотки, а в момент максимума индуктивности магнитный поток Ф0 проходит значительный путь по воздуху между полюсами статора и для его создания требуется большой ток возбуждения /0, что обуславливает большую начальную энергию магнитного поля генератора Ж0. За счет малой величины максимальной индуктивности получается незначительная кратность изменения индуктивности обмотки (Ж10). Однако благодаря большому току возбуждения ¡0 и большой величине начальной энергии Ж0 получается значительная амплитуда импульса тока ¡т и существенная генерируемая энергия импульса Ж
Недостатками этого генератора являются большая величина тока возбуждения /0 и значительная начальная энергия магнитного поля генератора Ж0, которые необходимо получить от внешнего источника возбуждения, например, от заряженной конденсаторной батареи.
Известен также бесконтактный компрессионный генератор [3], содержащий явнополюсный ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой, размещенной в открытых пазах между полюсами, и расположенный на валу монолитный явнополю-
сный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены шихтованные магнитопроводы, число которых равно числу пар полюсов обмотки статора. Благодаря наличию магнитопроводов значительно уменьшается путь магнитного потока по воздуху в момент максимума индуктивности обмотки статора ¿тах, что приводит к увеличению максимальной индуктивности обмотки статора !тах, к повышению кратности изменения индуктивности N к уменьшению тока возбуждения /0 и к снижению начальной энергии магнитного поля генератора Ж0. В результате этот генератор имеет уменьшенный по энергии и мощности источник возбуждения при той же амплитуде импульса тока іт и той же генерируемой энергии Ж.
Недостатком генератора [3] является сложность конструкции, обусловленная монолитным явнополюсным ротором сложной формы, который необходим для надежного крепления шихтованных магнитопроводов.
Задачей является упрощение конструкции бесконтактного компрессионного генератора [2].
Поставленная задача достигается тем, что так же как в генераторе [3] бесконтактный импульсный компрессионный генератор [2] содержит явнополюсный ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой между полюсами и расположенный на валу явнополюсный ротор.
При этом ротор генератора [2] выполнен ферромагнитным шихтованным с расположенными в пазах короткозамкнутыми обмотками, охватывающими ротор вдоль его оси, причем число этих обмоток равно числу пар полюсов обмотки статора.
За счет использования более технологичного в изготовлении ротора упрощается конструкция бесконтактного импульсного компрессионного генератора [2].
Ротор изготовляется ферромагнитным и шихтованным путем штамповки из листов электротехнической стали. Короткозамкнутые обмотки ротора располагаются и закрепляются в специальных пазах, и изготовляются монолитными из алюминиевого сплава, бронзы или меди.
На рис. 1, а, схематически изображен бесконтактный импульсный компрессионный генератор [2] при положении ротора, когда индуктивность обмотки статора максимальна, причем число короткозамкнутых обмоток ротора 5 и число пар полюсов обмотки статора 1 равно четырем (р=4). Нарис. 1, б, указан увеличенный чертеж паза с обмоткой статора, а на рис. 2 приведена возможная схема возбуждения и питания нагрузки рассматриваемого генератора.
Бесконтактный импульсный компрессионный генератор работает следующим образом (рис. 1, 2). Внешним приводным двигателем вал - 6 и ротор -4 раскручивается до определенного числа оборотов / в секунду. После замыкания коммутатора К1 на обмотку статора генератора - 1 в момент максимума её индуктивности £тах от источника возбуждения (заряженная до напряжения - и0 конденсаторная батарея емкостью С) подается ток возбуж-
дения /Б, достигающий величины /0 и создающий у каждой пары полюсов магнитный поток Ф0. Затем замыкается коммутатор К2 и по мере поворота ротора - 4 его короткозамкнутые обмотки - 5 вытесняют магнитный поток в пазы статора - 2 и индуктивность обмотки - 1 уменьшается, ток в нагрузке /н увеличивается до максимального значения. В результате происходит преобразование механической энергии вращающегося ротора -4 в электромагнитную энергию импульса тока амплитудой /ш который возрастает тем больше, чем больше кратность изменения N индуктивности обмотки - 1. При этом электромагнитная энергия Ж импульса тока передается в нагрузку Н.
Рис. 1. Бесконтактный импульсный компрессионный генератор: 1) обмотка статора; 2) ферромагнитный шихтованный статор; 3) корпус статора; 4) ферромагнитный шихтованный ротор; 5) короткозамкнутые обмотки ротора; 6) вал; а - ширина пазов обмоток статора и ротора; ї - глубина паза обмотки статора; 8 -воздушный зазор между ротором и статором; Dr/ Db -диаметры ротора и вала соответственно; р - число пар полюсов; п - число оборотов ротора в минуту; /0 - ток в обмотке статора в момент максимума индуктивности; ц - число последовательных проводников с током /0 в пазу обмотки статора; Ф0 - магнитный поток пары полюсов обмотки статора в момент максимума индуктивности; їи - толщина изоляции обмотки статора; F0 - сила, действующая на обмотку статора в момент максимума индуктивности
Рис. 2. Схема возбуждения и питания нагрузки бесконтактного импульсного компрессионного генератора: С -предварительно заряженная до напряжения -и0 конденсаторная батарея возбуждения; L(t) - периодически изменяющая индуктивность обмотки статора генератора; R - сопротивление обмотки статора; К, К2 - коммутаторы (тиристоры или механические ключи); Н - нагрузка генератора; В, // Н - токи возбуждения/ генератора и нагрузки соответственно; и, иН -напряжения на зажимах конденсаторной батареи и нагрузки соответственно
Для определения размеров и параметров генератора (рис. 1, а, б) используем известные методики и примем следующие исходные данные и материалы [6, 7]:
• окружная скорость поверхности ротора Г=100 (м/с);
• длина ротора (и статора) ¡=2БГ;
• коэффициент заполнения изолированными проволоками обмотки статора Кг=0,7;
• шихтованная электротехническая сталь 2411 ротора и статора с В0=2 (Тл), ^=27, стС1дОП=100 (МПа);
• медь обмоток ротора и статора с р0=8900 (кг/м3); 0=385,5 (Дж/кг-°С); Л „=191,5 (МПа) при 150 °С; 70=50-106 (1/Ом); «*=0,0043 (1/°С);
• изоляция обмотки статора из стеклотекстолита СТЭФ-1 с <гИдоп=294 (МПа); £„=20 (МВ/м). Диаметр ротора Бг определится заданным значением окружной скорости поверхности ротора V и известным числом оборотов ротора п (об/мин):
Д = ^. (1)
пп
Примем размер а (ширина пазов обмоток статора и ротора) в качестве переменной величины, тогда при ширине полюса
п Д
Ь(а) =----г— а (2)
2 р
можно записать среднюю длину пути магнитного потока Ф0(а) пары полюсов в стали статора и ротора
¡й (а) «2а + 4Ь(а) + 2к(а), (3)
(4)
(5)
внешний диаметр генератора
Д, (а) * 1,1Д + 2[5 + Н(а) + Ь(а)],
диаметр вала
Д (а) = Д - 2Ь(а),
а также массу генератора
М (а) * 7800п1
Далее найдем момент инерции вала и ротора [8] 3 = 765 • I • Д4
(6)
[8]
(7)
и их кинетическую энергию
Ж =п2п2 3
1800
(8)
а =-
30
(10)
и период изменения индуктивности обмотки статора
Т = 2п/ю = 60/рп, (11)
а также эквивалентную глубину проникновения электромагнитного поля в монолитную обмотку ротора [10]
А0 *42/^0Ї0т- (12)
Далее получим формулу для расчета радиального центробежного механического напряжения в зубце от монолитной обмотки ротора толщиной 3А0, закрепленной в пазах глубиной 2А0 и шириной равной ширине зубца [9]:
2
= п
225
р0А0(Дг - 4А0)
ст|доп *
(13)
При помощи стандартных систем компьютерной математики, например, МаШсагї [11], изменяя ширину пазов статора и ротора а, а также число оборотов ротора п и число пар полюсов р, проведем расчет генератора по формулам (1-13) и результаты внесем в таблицы 1-4.
Таблица 1. Размеры и параметры бесконтактного импульсного компрессионного генератора в зависимости от ширины пазов статора и ротора а
Прочность вращающегося ротора оценим по формуле для касательного механического напряжения в шихтованном роторе на его внутренней поверхности, где расположен вал [9]
аст(а) -17,64п2[Д2 + 0,212 Д(а)2] <аСТ|ДОп. (9)
Определим угловую частоту п рп
Величины Размер- ность п=3000 (об/мин); р=4; Dr=637 (м); 5=1,2 (мм)
м м о 1-Л = а м м о о =1 а 5 м и") =1 а м м о 1-Л =1 а м м о о 2 = а
Ь(а)=0,1а мм 5 10 12,5 15 20
Ь(а) мм 200 150 125 100 50
Db(a) мм 237 337 387 437 537
Dg(a) мм 1113 1023 978 933 843
1-А а) мм 910 820 775 730 640
оа(а) МПа 66,2 68,1 69,4 70,8 74
Мд(а) кг 9657 8158 7456 6785 5539
Ь(а)=0,2а мм 10 20 25 30 40
Ь(а) мм 200 150 125 100 50
Dь(a) мм 237 337 387 437 537
Dg(a) мм 1123 1043 1003 963 883
-(а) мм 920 840 800 760 680
оа(а) МПа 66,2 68,1 69,4 70,8 74
Мд(а) кг 9831 8480 7842 7229 6077
Ь(а)=0,3а мм 15 30 37,5 45 60
Ь(а) мм 200 150 125 100 50
Dь(a) мм 237 337 387 437 537
Dg(a) мм 1133 1063 1028 993 923
-(а) мм 930 860 825 790 720
оа(а) МПа 66,2 68,1 69,4 70,8 74
Мд(а) кг 10010 8808 8238 7686 6640
Увеличение ширины пазов обмоток ротора и статора а приводит к уменьшению массы генератора Ие и дает возрастание касательного механического напряжения в шихтованном роторе стс1, не превышая допустимого значения стс1|доп. Возра-
Таблица 2. Размеры и параметры бесконтактного импульсного компрессионного генератора в зависимости от числа оборотов ротора п
Величины Размерность Р=4
п об/мин 12000 6000 3000 1500
D, мм 159 318 637 1273
5 мм 0,35 0,7 1,2 3
l=2Dr мм 318 637 1273 2546
a=Ь=пDr/4p мм 31 63 125 250
Ь(а)=0,2а мм 6,25 13 25 50
Dь(a) мм 97 193 387 773
Dg(a) мм 251 502 1003 2007
-(а) мм 200 400 800 1600
^кин МДж 0,1234 0,987 7,895 63,16
Мд(а) кг 122,63 981 7842 62810
Щж/Мд(а) Дж/кг 1006 1006 1007 1006
Таблица 3. Размеры и параметры бесконтактного импульсного компрессионного генератора в зависимости от числа пар полюсов р
Величины Размер- ность п=3000 (об/мин); Dr=637 (мм); 5=1,2 (мм)
Р - 2 4 6 8
a=Ь=пD/4p мм 250 125 83 63
Ь(а)=0,2а мм 50 25 17 13
Dь(a) мм 137 387 470 512
Dg(a) мм 1303 1003 903 853
-(а) мм 1600 800 533 400
Щ.Ш МДж 7,895 7,895 7,895 7,895
Мд(а) кг 13240 7842 6356 5671
Щш/Мд(а) Дж/кг 596,5 1007 1242 1392
стание глубины паза обмотки статора Н дает увеличение массы генератора Ме С уменьшением числа оборотов ротора п возрастают масса генератора М!, и запасаемая кинетическая энергия ротора Жкин, а удельная запасаемая энергия Жкин/Мг(а) остается
неизменной. С увеличением числа пар полюсов р снижается масса генератора М, увеличивается удельная запасаемая энергия W1ИJMg) уменьшаются ширина пазов а, их глубина Н, диаметры вала Бь и генератора Бр а кинетическая энергия Жкин не меняется. С возрастанием числа оборотов п и уменьшением числа пар полюсов р увеличивается механическое напряжение в зубцах обмотки ротора, не превышая допустимого значения стс1|доп.
Таким образом, по полученным формулам (1-13) можно рассчитывать размеры и параметры бесконтактных импульсных компрессионных генераторов [2].
Выводы
1. Предложен бесконтактный импульсный компрессионный генератор мощных импульсов тока для питания электрофизических установок (нагрузки) в импульсном режиме, состоящий из конденсаторной батареи возбуждения, элек-тромашинного бесконтактного генератора с периодически изменяющейся индуктивностью обмотки статора и двух коммутаторов.
2. Получены формулы для расчета генератора, позволяющие определить размеры электрома-шинного генератора, массу и запасаемую кинетическую энергию, а также оценить механическую прочность вращающего ротора от действия центробежных сил.
3. На размеры и параметры генератора влияют число оборотов ротора, количество пар полюсов обмоток, ширина и глубина пазов статора, причем из них выбираются те величины, которые будут обеспечивать в нагрузке импульс тока требуемой длительности с максимальной амплитудой и наибольшей энергией при допустимом нагреве и достаточной механической прочности.
Таблица 4. Параметры бесконтактного импульсного компрессионного генератора в зависимости от оборотов ротора п и числа пар полюсов р при a=пDr/4p и Ь(а)=0,2а
п об/мин 12000 6000 3000 1500
Dr мм 159 318 637 1273
5 мм 0,35 0,7 1,2 3
МДж 0,12 1 7,9 63,2
р - 2 4 6 2 4 6 2 4 6 2 4 6
Т мс 2,5 1,25 0,83 5 2,5 1,7 10 5 3,33 20 10 6,7
А0 мм 3,6 2,5 2 5 3,6 2,9 7,1 5 4,1 10 7,1 5,8
°1, МПа 29 21,1 17,4 21,1 15,2 12,5 15,2 10,9 8,9 10,9 7,8 6,4
Мд(а) Т 0,2 0,12 0,1 1,7 1 0,8 13,2 7,8 6,4 106 62,8 50,9
М» кДж/кг 0,6 1 1,2 0,6 1 1,2 0,6 1 1,2 0,6 1 1,2
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Носов Г.В. Генерирование мощных импульсов тока электрома-шинными источниками с изменяющейся индуктивностью // Известия Томского политехнического университета. - 2005. -Т 308. - № 7. - С. 68-70.
2. Бесконтактный импульсный компрессионный генератор: пат. на ПМ 103251. Рос. Федерация. № 2010140371/07, заявл. 01.10.10: опубл. 27.03.11, Бюл. № 9. - 4 с.: ил.
3. Бесконтактный компрессионный генератор: пат. ПМ 60807. Рос. Федерация. № 2006115046/22; заявл. 02.05.06; опубл. 27.01.07, Бюл. № 3. - 3 с.: ил.
4. Асиновский Э.И., Лебедев Е.Ф., Леонтьев А.А. и др. Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока / под ред. В.Е. Фортова. - М.: Наука, 2002. - 398 с.
5. Глебов И.А., Кашарский Э.Г., Рутберг Ф.Г. Синхронные генераторы кратковременного и ударного действия. - Л.: Наука, 1985. - 224 с.
6. Электротехнический справочник: в 3 т. Т. 1. Общие вопросы. Электротехнические материалы / под общ. ред. проф. МЭИ В.Г Герасимова и др. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 488 с.
7. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин. - М.: Высшая школа, 1984. - 431 с.
8. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. - М.: Наука, 1972. - 478 с.
9. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1972. - 544 с.
10. Татур ТА. Основы теории электромагнитного поля. - М.: Высшая школа, 1989. - 271 с.
11. Дьяконов В.П. Mathcad 8/2000: Специальный справочник. -СПб.: Питер, 2000. - 592 с.
Поступила 03.09.2012 г.
УДК 621.313.12
БЕСКОНТАКТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ КОМПРЕССИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР. Ч. 2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ХОЛОСТОГО ХОДА И КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ГЕНЕРАТОРА
Г.В. Носов
Томский политехнический университет E-mail: nosov@elti.tpu.ru
Получены формулы для расчета параметров холостого хода и короткого замыкания, позволяющие выбрать такие бесконтактные импульсные компрессионные генераторы, которые имеют наибольшие удельные энергетические величины при допустимом нагреве идостаточной механической прочности обмотки статора и её изоляции. Разработана методика расчета импульсного возбуждения генераторов, дающая возможность определить емкость и начальное напряжение конденсаторной батареи. Толщина изоляции обмотки статора определяется предварительным значением начального напряжения конденсаторной батареи, которое зависит от числа оборотов ротора и от числа пар полюсов обмоток статора и ротора. Приведены результаты расчета параметров генераторов при изменении ширины и глубины пазов обмотки статора, оборотов ротора и числа пар полюсов. Предложенный бесконтактный импульсный компрессионный генератор мощных импульсов тока с амплитудой более 1МА имеет достаточно высокие энергетические параметры и может использоваться для питания сильноточных электрофизических установок.
Ключевые слова:
Бесконтактный, импульсный, компрессионный, электромашинный генератор, импульс тока, конденсаторная батарея возбуждения, паз, ротор, статор, периодически изменяющаяся индуктивность обмотки статора, холостой ход, короткое замыкание. Key words:
Noncontact, pulse, compression, electrical generator, pulse of current, excitation capacitor bank, slot, rotor, stator, regularly changing inductance of stator winding, idling, short-circuiting.
Считая по прежнему ширину пазов обмоток статора и ротора а переменной величиной, для бесконтактного импульсного компрессионного генератора [1] определим по закону полного тока [2] при максимуме индуктивности обмотки статора максимальный ток возбуждения
г0(я) =
_ Bo[2S+ lst (a)/ ß
(1)
Далее находим магнитный поток
ф(а) = рф0(а) = рЩа) В0 (2)
и из расчета магнитной цепи [2] генератора находим формулы для индуктивностей обмотки статора [1]:
• минимальная индуктивность, когда пазы ротора и статора расположены напротив друг друга
і,,(а)«------------РШ (а)---------------------, (3)
а + Ъ(а) + 0,5/й (а)й (а)/ргЪ(а) (
где расчетный размер в области пазов ротора и статора
й(а) = Ни(а) + 0,333[й(а) -2йи(а)] + 5+ 0,5А0; (4)
• промежуточная индуктивность, когда край паза ротора по направлению вращения от положения максимальной индуктивности за время ¡п(а) доходит до края паза статора
