Трансформатор-генератор

 

Изобретение относится к сильноточной технике, а именно к каскадным взрывомагнитным генераторам, и может быть использовано в физике твердого тела и физике плазмы. Технический результат изобретения заключается в снижении потерь магнитного потока и увеличении выходного напряжения и электромагнитной энергии трансформатора. Трансформатор-генератор содержит высоковольтную обмотку и низковольтные одновитковые обмотки. Высоковольтная обмотка охватывает витки низковольтных обмоток, соединенных параллельно и выполненных из ленточного проводника в виде секторов, образующие поверхностей которых параллельны образующей поверхности высоковольтной обмотки. Внутри секторов низковольтных обмоток размещены заряды взрывчатого вещества с системами их инициирования. При подключении низковольтных одновитковых обмоток к источнику начальной энергии, например к спиральному взрывомагнитному генератору, и после подрыва зарядов взрывчатого вещества боковые поверхности секторов одновитковых обмоток начинают двигаться навстречу друг другу и вытеснять магнитный поток из радиальных щелей между секторами одновитковых низковольтных обмоток. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к сильноточной технике, в частности к взрывомагнитным генераторам тока, и может быть использовано в физике твердого тела и физике плазмы.

Известные взрывомагнитные генераторы (ВМГ) типа "кузнечные меха", в которых магнитный поток выдавливается в конечную нагрузку плоским проводящим элементом (см. книгу Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М.: Мир, 1975, с. 217-230), весьма перспективны в качестве мощных импульсных источников электрической энергии.

Однако при непосредственном включении нагрузки в цепь ВМГ его эффективная работа возможна только при наложении жестких ограничений на параметры нагрузки - она должна иметь малый импеданс. Во многих же областях применений индуктивность и активное сопротивление нагрузки значительно превышают конечную индуктивность и сопротивление ВМГ.

Одним из способов согласования параметров взрывомагнитного или магнитокумулятивного генератора и нагрузки является применение повышающего трансформатора, при этом нагрузка подключается ко вторичной многовитковой обмотке трансформатора, а ВМГ - к первичной одновитковой обмотке трансформатора. Наиболее удобная форма трансформатора для присоединения к ВМГ типа "кузнечные меха" - цилиндрическая или кабельная (см. статью В.Ф. Бухаров, В.А. Васюков, В. Е. Гурин и др. Магнитокумулятивные генераторы с трансформаторным выходом. - ПМТФ, 1982, 1, с.4-10, фиг.1).

Хотя известные взрывомагнитные генераторы и повышающие трансформаторы и применяются в паре друг с другом, однако они представляют собой раздельные системы с несовпадающими схемно-конструктивными и функциональными признаками. Отсюда большой расход дорогостоящих взрывчатых и проводящих материалов. Кроме того, на практике употребление трансформатора всегда приводит к потерям энергии, особенно когда необходимо получить высокую плотность тока, причем эти потери могут достигать 35-60%.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является импульсный трансформатор (см. авт. св. СССР 877629, МПК Н 01 F 19/08, авторы Л.И. Рудаков, В.П. Смирнов, И.Р. Ямпольский, заявлено 20.07.79, опубликовано 30.10.81, бюл. 40), содержащий высоковольтную и низковольтные одновитковые обмотки из ленточного проводника, при этом низковольтные обмотки соединены в параллель на двух выходных токоподводах, высоковольтная обмотка выполнена в виде одного витка, охватывающего витки низковольтных обмоток, низковольтные обмотки выполнены в виде секторов, образующие поверхностей которых параллельны образующей поверхности высоковольтной обмотки, радиальные участки витков низковольтных обмоток имеют клиновидную форму, а выходные токоподводы размещены вдоль центральной оси трансформатора.

При работе трансформатора магнитныйпоток, сцепленный с высоковольтным первичным витком, расщепляется вторичными низковольтными обмотками на число частей, равное числу секторов. Следовательно, напряжение на каждом вторичном витке, приложенное к нагрузке через токоподводящие конусы, меньше напряжения на первичном витке в число, равное числу секторов.

Недостатком указанного импульсного трансформатора являются большие потери магнитного потока и магнитной энергии в индуктивности рассеяния трансформатора, которые сравнимы иногда с аналогичными параметрами в нагрузке.

Решаемая задача - совмещение функций и деталей трансформатора и взрывомагнитного генератора и вовлечение в процесс магнитной кумуляции ранее теряемых в индуктивности рассеяния трансформатора магнитного потока и магнитной энергии.

Технический результат изобретения - снижение потерь магнитного потока и увеличение выходного напряжения и электромагнитной энергии трансформатора-генератора.

Технический результат достигается тем, что в известном импульсном трансформаторе, содержащем высоковольтную обмотку и низковольтные одновитковые обмотки, при этом высоковольтная обмотка охватывает витки низковольтных обмоток, низковольтные обмотки соединены в параллель на двух токоподводах и выполнены из ленточного проводника в виде секторов, образующие поверхностей которых параллельны образующей поверхности высоковольтной обмотки, новым является то, что внутри секторов низковольтных обмоток размещены заряды взрывчатого вещества с системами их инициирования.

Кроме того, высоковольтная обмотка выполнена многовитковой; радиальные участки витков низковольтных одновитковых обмоток изолированы друг от друга пленочным диэлектриком; токоподводы выполнены коаксиальными; токоподводы выполнены, каждый, двухсторонними.

Размещение внутри секторов низковольтных обмоток зарядов ВВ и системы их инициирования обеспечивают: - получение расходящейся цилиндрической детонационной волны и динамическое взрывное перезамыкание смежных противофазных проводников секторов низковольтных обмоток, приводящее вначале к отсечке трансформатора от источника питания, а затем и к вытеснению магнитного потока из зазоров между секторами низковольтных обмоток и из межобмоточного пространства трансформатора в нагрузку, в результате чего происходит генерация электромагнитной энергии; - вследствие превышения индуктивности рассеяния трансформатора над индуктивностью нагрузки увеличение выходного напряжения трансформатора над его входным напряжением сверх отношения числа витков обмоток, а выходной электромагнитной энергии над входной энергией - сверх единицы.

Другими словами, импульсный трансформатор становится не только передатчиком (или преобразователем) напряжения и электромагнитной энергии, но и генератором электромагнитной энергии, причем без каких-либо особых конструктивных и материальных изменений в первичном и вторичном контурах трансформатора.

Выполнение входных токоподводов коаксиальными упрощает соединение трансформатора-генератора с источником запитки - спиральным взрывомагнитным генератором (один токоподвод трансформатора-генератора соединяется с центральной трубой спирального ВМГ, другой - с наружной спиралью ВМГ).

Выполнение входных токоподводов двухсторонними позволяет присоединить к трансформатору-генератору одновременно два источника запитки - два спиральных взрывомагнитных генератора и тем самым увеличить выходную электромагнитную энергию трансформатора-генератора.

Выполнение наружной высоковольтной обмотки многовитковой обеспечивает не только увеличение выходного напряжения трансформатора-генератора, но и генерацию магнитного потока за счет увеличения потокосцепления наружной высоковольтной обмотки с внутренними одновитковыми обмотками.

Изолирование радиальных участков низковольтных обмоток друг от друга пленочным диэлектриком обеспечивает расщепление вводимого в трансформатор магнитного потока на несколько частей и кумуляцию этих частей магнитного потока при подрыве зарядов ВВ без отсекании (без шунтирующих электрических пробоев между соседними противофазными участками витков низковольтных обмоток).

На фиг. 1-2 изображены соответственно общий вид и поперечный разрез предлагаемого трансформатора-генератора.

Предлагаемый трансформатор-генератор содержит наружную высоковольтную обмотку 1 и низковольтные одновитковые обмотки 2. Низковольтные обмотки 2 соединены в параллель на двух входных токоподводах 3 и 4. Низковольтные обмотки выполнены из ленточного проводника в виде секторов, образующие поверхностей которых параллельны образующей поверхности высоковольтной обмотки. Радиальные участки витков низковольтных обмоток имеют прямоугольную форму. Радиальные участки витков низковольтных обмоток 2 изолированы друг от друга пленочным диэлектриком 5. Входные токоподводы 3 и 4 выполнены коаксиальными. Внутри секторов низковольтных обмоток 2 размещены заряды взрывчатого вещества. 6. Под зарядами ВВ 6 (в отверстиях центрального токоподвода 3) расположены электродетонаторы 7 системы инициирования.

В примере реализации наружная высоковольтная многовитковая обмотка 1 выполнена из изолированной жилы коаксиального кабеля РК-50-11-13 или высоковольтного провода марки КВИС-100. Намотана многовитковая обмотка на специальной извлекаемой оправке и сверху закреплена эпоксидной смолой. Выводы многовитковой обмотки подключены к индуктивной нагрузке 8 - большой незаземленной петле.

Внутренние низковольтные секториальные обмотки 2 выполнены из ленточного проводника - листовой меди толщиной 1-2 мм. Начала и концы секториальных обмоток 2 приварены к входным токоподводам 3 и 4 соответственно и подключены к источнику начального тока - спиральному взрывомагнитному генератору.

Наружная многовитковая и внутренние одновитковые секториальные обмотки установлены концентрически друг другу. Зазор между обмотками равен 3-10 мм.

Заряды 6 взрывчатого вещества представляют собой секториальные призмы, отлитые из тротила, тротил-гексогена или другого типа ВВ с достаточно высоким давлением на фронте детонационной волны (см. книгу Дерибас А.А. "Физика упрочнения и сварки взрывом", Новосибирск, Наука, 1972) в специальных формах.

Работает предлагаемый трансформатор-генератор следующим образом.

При подключении внутренних низковольтных секториальных обмоток 2 к источнику начальной энергии, например спиральному взрывомагнитному генератору, по виткам внутренних секториальных обмоток будет течь ток I₁, по виткам наружной многовитковой обмотки 1 ток I₂=-I₁/n, где n - число витков многовитковой обмотки.

Соответственно начальный магнитный поток вначале расщепляется на число частей, равных числу секториальных обмоток, а затем собирается наружной многовитковой обмоткой 1 и передается в нагрузку 8. При этом в нагрузку передается только часть магнитного потока Фн=I₂Lн, большая же часть начального магнитного потока Фтp= I₁Lтp=I₁L₁(1-K²св) концентрируется в радиальных щелях между секториальными обмотками и в кольцевом зазоре между наружной многовитковой обмоткой и внутренними секториальными обмотками, где L₁ и Lн - индуктивности внутренних низковольтных секториальных обмоток трансформатора и нагрузки; Ксв - коэффициент магнитной связи между внутренними низковольтными и наружной высоковольтной обмотками трансформатора.

После срабатывания в момент максимума тока I₁ системы инициирования - электродетонаторов 7 и подрыва зарядов ВВ 6 боковые металлические поверхности внутренних секториальных обмоток 2 начинают двигаться навстречу друг другу и вытеснять магнитный поток вначале из радиальных щелей между секториальными обмотками 2, а затем из кольцевого зазора между внутренними секториальными обмотками 2 и наружной многовитковой обмоткой 1. А так как индуктивность рассеяния трансформатора всегда превышает индуктивность нагрузки 8, то в нагрузке наблюдается дополнительный прирост тока, напряжения и электромагнитной энергии. Этот прирост может составлять по напряжению 5-10 раз, по электромагнитной энергии 25-100 раз.

Таким образом, в предлагаемом трансформаторе-генераторе осуществляется не только согласование низкоимпедансной и сильноточной цепи с высокоимпедансной и высоковольтной цепью, но и происходит одновременно кумуляция магнитного потока трансформатора и передача его с усилением в нагрузку - к потребителю.

Формула изобретения

1. Трансформатор-генератор, содержащий высоковольтную обмотку и низковольтные одновитковые обмотки, при этом высоковольтная обмотка охватывает витки низковольтных одновитковых обмоток, соединенных параллельно и выполненных из ленточного проводника в виде секторов, образующие поверхностей которых параллельны образующей поверхности высоковольтной обмотки, причем начала и концы секторов низковольтных одновитковых обмоток присоединены к токоподводам, отличающийся тем, что внутри секторов низковольтных одновитковых обмоток размещены заряды взрывчатого вещества с системами их инициирования.

2. Трансформатор-генератор по п.1, отличающийся тем, что высоковольтная обмотка выполнена многовитковой.

3. Трансформатор-генератор по п.1, отличающийся тем, что радиальные участки секторов низковольтных одновитковых обмоток изолированы друг от друга пленочным диэлектриком.

4. Трансформатор-генератор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что указанные токоподводы выполнены коаксиальными.

5. Трансформатор-генератор по п.4, отличающийся тем, что токоподводы выполнены каждый двухсторонним.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2