Імпульсний електромеханічний прискорювач індукційного типу

1. Імпульсний електромеханічний прискорювач індукційного типу, який включає статорну обмотку збудження, що має циліндричну форму і підключається за допомогою ключа до зарядженої конденсаторної батареї, і виконаний із електропровідного матеріалу та коаксіально розташований всередині обмотки із зсувом у бік прискорення порожнистий циліндричний рухомий якір, всередині якого розташований допоміжний елемент, який відрізняє ться тим, що допоміжний елемент, який з'єднує протилежні кінці ізольованих провідників обмотки якоря, закріплений відносно якоря і виконаний у вигляді провідника, розташованого паралельно осі прискорювача, із полярним елементом, що має односторонню електричну провідність, причому полярність цього елемента така, що електрорушійна сила у обмотці якоря, яка наведе A (54) ІМПУЛЬСНИЙ ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИЙ ПРИСКОРЮВАЧ ІНДУКЦ ІЙНОГО ТИПУ 38934 електроенергії в обмотках протікає первинний струм, а у контурах індукується вторинний струм. Між суміжними обмотками та короткозамкненими контурами виникає електродинамічна сила відштовхування, відбувається їх взаємне переміщення і бойок відносно упора одержує сумарну швидкість. Однак наявність рухомих обмоток вимагає спеціальних гнучких або стр умопідводних елементів, і в цілому знижує надійність цього електродвигуна. Найбільш близьким до технічного рішення, що пропонується, є імпульсний електромеханічний перетворювач, який включає обмотку, що підключається до джерела імпульсного струму, та р ухомий якір, який виконаний у вигляді порожнистого контейнера із електропровідного матеріалу та забезпечений дисками, що коаксіально розташовані всередині нього і відокремлені пружними проставками друг від др уга та від торців якоря [З]. У даному перетворювачі при підключенні обмотки до джерела імпульсного струму виникає електродинамічна сила, що діє на якір та прискорює його незалежно від елементів, які його заповнюють, в силу того, що диски можуть сковзати всередині якоря. По мірі розгону контейнера якоря стискується пружна проставка, що відділяє задній торець якоря від найближчого до нього диска в його порожнині. Диск втягується у р ух и загальна маса рухомої частини зростає. По мірі того, як диски почергово стають приєднаною масою по відношенню до контейнера, відбувається багаторазовий процес зниження та послідовного набору швидкості при черговому втягуванні інших дисків у рух. Внаслідок цього процес розгону якоря характеризується більш високим середнім рівнем швидкості у порівнянні з рухом монолітного якоря. За рахунок того, що маса рухомої частини зростає ступенево, може бути досягнута тривалість силової дії на механічне навантаження, що задана технологічними вимогами. Однак відомий електромеханічний перетворювач має недостатню ефективність, що пояснюється таким чином. Сила електродинамічної взаємодії між первинною обмоткою та вторинним електропровідним якорем, який переміщується уздовж осі z, залежить від величин їх струмів dM f (t, z ) = i1(t ) × i 2 (t ) (z) , (1) dz де i1(t) - струм у статорній обмотці; i2(t) - струм у якорі; M(z) - коефіцієнт взаємоіндуктивності між обмоткою та якорем, який залежить від відстані між ними. Причому для даного пристрою корисною є сила відштовхування, яка виникає при протилежних напрямах струмів у обмотках статора та якоря і яка переміщує якір відносно обмотки статора. Оскільки величина градієнту взаємної індуктиdM вності ( z) при переміщенні якоря під дією даdz ної сили зберігає знак, то характер сили (1) залежить від знаків струмів у обмотці статора і якоря. Якщо струми обмотки статора і якоря мають протилежний напрям, то виникає сила відштовхування, якщо ж напрям струмів співпадає, то виникає сила притягнення. Сила притягнення гальмує якір, тим самим знижуючи ефективність прискорювача. Однак, як показують розрахунки та експериментальні дослідження, струми обмотки і якоря мають протилежний напрям тільки у випадку відсутності переміщення якоря, що відбувається, наприклад, при великому протидіючому навантаженні. У такому випадку говорять, що струми співпадають за фазою. При прискоренні якоря під дією електродинамічної сили (1) через переміщення між струмами статорної обмотки і якоря виникає фазовий зсув. Причому струм у якорі, що віддаляється від обмотки статора, ослаблює з ним магнітний зв'язок і раніше переходить через нульове значення при коливально-згасаючому характері збудження обмотки статора. Наслідком цього є ситуація, коли струм у якорі на певному інтервалі часу співпадає з напрямком струму обмотки статора. При цьому виникає сила притягнення, яка гальмує якір, і ефективність перетворювача зменшується. Струм якоря, який протікає на цьому інтервалі, нагріває якір, тобто частина енергії переходить у небажаний нагрів, що також зменшує е фективність електромеханічного перетворювача. Крім того, при використанні конденсаторної батареї при коливально-згасаючому характері протікання струмів у статорній обмотці цей струм має декілька напівперіодів коливань, амплітуда яких поступово зменшується. Найбільший струм, а значить і найбільша електродинамічна сила (1), виникає у перший напівперіод коливань, коли магнітний зв'язок між обмоткою статора і якоря найбільший. Усі наступні напівперіоди коливань струмів є малоефективними через віддалення якоря від обмотки, тобто вони істотно силу (1) не підвищують, а тільки перетворюють енергію джерела у теплову енергію втрат у обмотці. Внаслідок цього конденсаторна батарея повністю розряджається, а обмотка нагрівається, що також є небажаною обставиною. Крім того, в пристрої-прототипі якір має понижену надійність через постійні динамічні навантаження ударного типу, які викликані масивними дисками, через співударяння дисків якір створює значний шум при роботі, частина енергії у перетворювачі недоцільно витрачається на тертя дисків об стінки контейнеру, стискання та розтискання пружних проставок. Завданням винаходу є підвищення ефективності електромеханічного імпульсного перетворювача за рахунок підвищення сили електродинамічної взаємодії між статорною обмоткою збудження та рухомим електропровідним якорем. Поставлене завдання вирішується за рахунок того, що у імпульсному електромеханічному прискорювачі індукційного типу, який включає статорну обмотку збудження, що має циліндричну форму і підключається за допомогою ключа до зарядженої конденсаторної батареї, і виконаний із електропровідного матеріалу та коаксіально розташований всередині обмотки із зсувом у бік прискорення порожнистий циліндричний рухомий якір, всередині якого розташований допоміжний елемент, - допоміжний елемент, який з'єднує протилежні кінці ізольованих провідників обмотки якоря, закріплений відносно якоря і виконаний у вигляді провідника, розташованого паралельно осі при 2 38934 скорювача, із полярним елементом, що має односторонню електричну провідність, причому полярність цього елемента така, що електрорушійна сила у обмотці якоря, яка наведена першим імпульсом струму статорної обмотки, співпадає з його напрямком провідності. Крім того, полярний елемент, який має односторонню електричну провідність, виконаний у вигляді напівпровідникового діода. Ключ виконаний у вигляді керованого тиристорного комутатора, що пропускає імпульс струму однієї полярності. Витки провідників обмотки щільно намотані один до одного і просочені термореактивним компаундом. Внутрішній провідник якоря, який з'єднує протилежні кінці ізольованих провідників обмотки якоря, та напівпровідниковий діод розташовані на осі прискорювача. При виконанні якоря у вигляді обмотки, яка намотана із ізольованого провідника, по усьому її перетину протікає один і той же струм, тобто запобігається нерівномірний розподіл струму через скін-ефект, що має місце у суцільному циліндрі якоря. Обмотка якоря є короткозамкненою, тому що протилежні її кінці з'єднані внутрішнім провідником із полярним елементом, який має односторонню електричну провідність. За рахунок цього в ній протікає струм під дією електрорушійної сили, що наведена першим імпульсом струму статорної обмотки. Це виникає тому, що напрям даної електрорушійної сили співпадає з напрямом провідності полярного елемента. В напрямку провідності електричний опір полярного елемента малий, а в протилежному напрямі - великий. При зміні полярності індукованого струму в обмотці якоря струм через полярний елемент не протікає, тому що він не співпадає з напрямом його провідності. За рахунок цього виключається поява струму якоря, який співпадає з напрямком струму обмотки статора, а значить виключається поява сили притягнення між обмоткою статора і якоря, що сприяє підвищенню ефективності імпульсного електромеханічного прискорювача. Конструктивно полярний елемент виконується у ви гляді напівпровідникового діоду, який забезпечує протікання струму в одному напрямку. За рахунок того, що вн утрішній провідник із діодом закріплені відносно якоря, забезпечується їх висока механічна надійність, а за рахунок їх розташування паралельно на осі прискорювача, де магнітні поля дорівнюють нулю, виключається наведення в них додаткової електрорушійної сили, яка зменшує основну. Оскільки ключ виконаний у вигляді керованого тиристорного комутатора, тим самим забезпечується тільки один полярний імпульс у обмотці статора, а інші імпульси струму не пропускаються. За рахунок цього зберігається значна енергія в конденсаторній батареї після першого імпульсу струму і також запобігається небажаний нагрів обмотки збудження. На фіг. 1 зображена конструктивна схема імпульсного електромеханічного прискорювача індукційного типу; напрями струмів у обмотках показа ні за допомогою кружків (напрям до нас) та хрестиків (напрям від нас); На фіг. 2 - електрична схема імпульсного електромеханічного прискорювача індукційного типу, де показані L1, R1 - індуктивність та активний опір статорної обмотки збудження; L2, R2 - індуктивність та активний опір обмотки якоря, яка переміщається із швидкістю V вздовж осі z; M(z) - коефіцієнт взаємної індуктивності між обмоткою збудження та обмоткою якоря; VS - тиристорний комутатор; VD - напівпровідниковий діод; і1 - стр ум статорної обмотки збудження; і2 - струм обмотки якоря; е2 - електрорушійна сила в обмотці якоря, яка наведена першим імпульсом струму і1 статорної обмотки; С, U0 - ємність та початкова напруга зарядженої конденсаторної батареї; На фіг. З - залежність струму обмотки збудження і1, стр уму короткозамкненої обмотки якоря і2, електродинамічної сили, яка діє між обмотками f, напруги конденсаторної батареї uc від часу t при відсутності напівпровідникового діоду VD (суцільні лінії) та при його наявності (штрихова горизонтальна лінія) та при наявності тиристорного комутатора VS в колі обмотки збудження; t1 - момент часу, коли струм в обмотці якоря i2 та сила f дорівнюють нулю; t2 - момент часу, коли струм в обмотці збудження дорівнює нулю; На фіг. 4 - залежність швидкості V та переміщення DZ обмотки якоря при відсутності (суцільні лінії) та при наявності (штрихові лінії) напівпровідникового діода у колі обмотки якоря. Імпульсний електромеханічний прискорювач індукційного типу складається із статорної обмотки збудження 1, яка має циліндричну форму, та циліндричного рухомого якоря 2, який виконаний у вигляді обмотки, намотаної із ізольованих провідників, що щільно укладені один до одного і просочені термореактивним компаундом на основі епоксидної смоли. Обмотка якоря 2 коаксіально розташована всередині обмотки збудження 1 із зсувом у бік прискорення вздовж осі z. Всередині обмотки якоря розміщений допоміжний елемент, який складається із внутрішнього провідника 3, розташованого на осі z прискорювача, та полярного елемента напівпровідникового діода 4, який має односторонню електричну провідність. Полярність напівпровідникового діода 4 така, що електрорушійна сила в обмотці якоря е2, що наведена першим імпульсом струму і1 статорної обмотки 1 співпадає з напрямом його провідності. Внутрішній провідник 3 закріплений відносно якоря і з'єднує протилежні кінці 5 і 6 ізольованих провідників обмотки якоря. З обмоткою якоря з'єднаний виконавчий елемент 6. Статорна обмотка збудження 1 з'єднана із масивним упором 7 і підключається за допомогою ключа 8, який виконаний у вигляді керованого тиристорного комутатора VS, який пропускає імпульси струму однієї полярності, до зарядженої конденсаторної батареї 9 із ємністю С. Керований електрод 10 тиристорного комутатора 8 з'єднаний із блоком керування 11. Імпульсний електромеханічний прискорювач індукційного типу працює таким чином. При подачі імпульсу від блока керування 11 на керуючий електрод 10 тиристорного комутатора 8, 3 38934 відбувається його відкриття і заряджена напругою U0 конденсаторна батарея 9 починає розряджатись на статорну обмотку збудження 1, що забезпечує протікання струму і1. Оскільки тиристорний комутатор має односторонню провідність, то цей струм протікає лише до нульового значення до моменту часу t 2 (фіг. З), тому що в протилежний бік опір тиристорного комутатора стає великим. Після того, як струм у обмотці збудження i1 прийняв нульове значення, напруга uc на конденсаторній батареї 9 не змінюється, що дозволяє збереження електричної енергії у батареї. Струм обмотки збудження i1 за законом електромагнітної індукції наводить електрорушійну силу (ЕРС) е2 у обмотці якоря 2. Оскільки полярність напівпровідникового діода 4 така, що ЕРС у обмотці якоря е2, яка наведена першим імпульсом струму і1 статорної обмотки, співпадає з його напрямком провідності, то в обмотці якоря протікає струм і2. Цей стр ум протікає в обмотці якоря до моменту часу t2 , коли він стає рівним нулю. В наступному цей струм, який зображений на фіг. З горизонтальною штриховою лінією, що співпадає із віссю, дорівнює нулю, тому що опір діоду 4 при цьому має велике значення. Взаємодія струмів обмоток збудження і якоря призводить до появи електродинамічної сили f, під дією якої обмотка якоря 2 разом із виконавчим елементом 6 переміщується на відстань DZ зі швидкістю V. Після моменту часу t 1 стр ум у обмотці якоря та електродинамічна сила f дорівнюють нулю, швидкість V зберігає своє значення, що забезпечує більш високе значення переміщення DZ у порівнянні із відсутністю напівпровідникового діоду 4 в колі обмотки якоря. Збереження частини електричної енергії у конденсаторній батареї, запобігання небажаного розігріву обмотки якоря після моменту часу t1 і обмотки збудження після моменту часу t 2, усунення електродинамічної сили притягнення між обмотками, підвищення швидкості й переміщення виконавчого елемента забезпечують підвищення ефективності електромеханічного імпульсного перетворювача. Джерела інформації: 1. Пат. Украины № 23537, МПК Н02К41/025. Линейный электродвигатель ударного действия. Заявка № 97062960 от 23.06.97 г. Опубл. 31.08.98 г., Бюл. №4. 2. Пат. РФ № 2091971, МКИ Н02К41/025. Линейный индукционный электродвигатель ударного действия. - Заявка № 95116191 от 19.09.94 г. Опубл. 27.09.97 г., Бюл. №27. 3. А.с. СССР № 1677808, МКИ Н02К33/00, Н01Н3/28. Импульсный электромеханический преобразователь. - Заявка № 4730542 от 14.08.89 г. Опубл. 15.09.91 г., Бюл.№ 34 (прототип). Фіг. 1 4 38934 Фіг. 2 Фіг. 3 Фіг. 4 5 38934 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 6