Импульсный электрогенератор (варианты)
Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам для получения (генерации) мощных электрических импульсов высокого напряжения, и может быть использовано в различных плазменных импульсных установках и устройствах получения сильных магнитных полей. Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, состоит в создании многоразового импульсного источника тока и улучшении характеристик вырабатываемого им электрического импульса, увеличении КПД (коэффициента полезного действия) преобразования химической (и других видов) энергии в электрическую. Указанный технический результат достигается за счет того, что в импульсном электрогенераторе по первому варианту, содержащем корпус в виде трубы, выполненный из прочного малопроводящего магнитомягкого материала, магнитную систему, выполненную в виде ряда кольцевых магнитов, размещенных вдоль внутренней поверхности трубы соосно с ней с образованием внутреннего цилиндрического канала, соседние магниты магнитной системы намагничены в противоположных направлениях, в канале размещен цилиндрический поршень с возможностью свободного перемещения вдоль канала в результате силового воздействия, поршень выполнен из магнитомягкого материала с высоким удельным электрическим сопротивлением, на наружной поверхности поршня вдоль нее расположена электрическая обмотка, обмотка состоит из рабочей и нерабочей части, рабочая часть обмотки навита вокруг поршня и предназначена для взаимодействия с магнитным полем, создаваемым магнитами, витки рабочей части обмотки разделены на секции, нерабочая часть обмотки предназначена для соединения витков соседних секций и расположена вдоль продольной оси трубы, выводы электрической обмотки выполнены с возможностью образования электрического соединения с контактной системой, размещенной вдоль внутренней поверхности трубы, каждый из магнитов предназначен для создания радиального магнитного поля, пересекающего витки рабочей части обмотки при движении поршня по каналу. В импульсном электрогенераторе по второму варианту, содержащем корпус в виде трубы, выполненный из прочного малопроводящего магнитомягкого материала, электрическую обмотку, расположенную вдоль внутренней поверхности трубы, обмотка состоит из рабочей и нерабочей части, рабочая часть обмотки навита по внутренней поверхности трубы концентрично с ней и предназначена для взаимодействия с магнитным полем, создаваемым магнитами, витки рабочей части обмотки разделены на секции, нерабочая часть обмотки предназначена для соединения витков соседних секций и расположена вдоль продольной оси трубы, выводы электрической обмотки электрически связаны с токосъемником, цилиндрический поршень, размещенный во внутренней полости трубы с возможностью свободного перемещения вдоль ее внутренней поверхности в результате силового воздействия, на наружной поверхности поршня размещена магнитная система, выполненная в виде ряда кольцевых магнитов, соседние магниты магнитной системы намагничены в противоположных направлениях, каждый из магнитов предназначен для создания радиального магнитного поля, пересекающего витки рабочей части обмотки. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к электротехнике для получения (генерации) мощных электрических импульсов высокого напряжения, областью применения данных устройств может быть, например, различные импульсные плазменные установки и устройства для получения сильных магнитных полей.
Как источники сильных магнитных полей и токов известны взрывомагнитные магнитокумулятивные генераторы (МКГ) - импульсные источники электромагнитной энергии одноразового действия (Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Энциклопедический словарь. Т. I стр.262-263. - М. 2004 г.; Г. Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля, стр.256-262. - М., 1972 г.; А.Д. Сахаров. Взрывомагнитные генераторы. УФН, 1966 г., - Апрель, том 88, вып.4, с.725-734). Действие МКГ основано на импульсном сжатии магнитного потока.
Начальное магнитное поле в МКГ создается внешним импульсным источником магнитного поля (соленоидом, через который проводится ток от разряда высоковольтной конденсаторной батареи), который окружает проводник с высокой электропроводностью, проводник подвергается действию деформации в результате воздействия подрыва заряда взрывчатого вещества. Обычно цилиндрический заряд взрывчатого вещества окружает проводящий металлический цилиндр с щелью (щель в проводнике создается для того, чтобы начальное импульсное магнитное поле могло попасть внутрь проводящего цилиндра). Перед подрывом взрывчатого вещества во внутреннем объеме цилиндра создается максимальное поле. После подрыва взрывчатого вещества происходит радиальное сжатие металлического цилиндра сходящейся цилиндрической ударной волной, в виду малого электрического сопротивления металлического цилиндра магнитное поле в нем сжимается, и в идеальном случае величина магнитного поля возрастает пропорционально 1/R2. Таким способом возможно получение импульсного магнитного поля напряженностью ~10 МЭ и тока ~108 А.
Известен взрывомагнитный генератор по А.С. СССР №1591711 (принят за прототип), содержащий многосекционную цилиндрическую спираль, внутреннюю металлическую трубу с зарядом взрывчатого вещества и системой его инициирования и нагрузку, подключенную одним выводом к концу металлической трубы, содержащую дополнительную спираль, витки которой размещены между витками основной спирали и изолированы от них, конец дополнительной спирали соединен с другим выводом нагрузки, а конец основной спирали соединен с концом металлической трубы.
Недостатком указанного взрывомагнитного генератора кратковременных мощных импульсов тока является одноразовость работающих по этому способу устройств.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является создание многоразового импульсного источника тока и улучшение характеристик вырабатываемого им электрического импульса, увеличение КПД преобразования химической (и д.р. видов) энергии в электрическую.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в импульсном электрогенераторе по первому варианту, содержащем корпус в виде трубы, выполненный из прочного малопроводящего магнитомягкого материала, магнитную систему, выполненную в виде ряда кольцевых магнитов, размещенных вдоль внутренней поверхности трубы соосно с ней с образованием внутреннего цилиндрического канала, соседние магниты магнитной системы намагничены в противоположных направлениях, в канале размещен цилиндрический поршень с возможностью свободного перемещения вдоль канала в результате силового воздействия, поршень выполнен из магнитомягкого материала с высоким удельным электрическим сопротивлением, на наружной поверхности поршня вдоль нее расположена электрическая обмотка, обмотка состоит из рабочей и нерабочей части, рабочая часть обмотки навита вокруг поршня и предназначена для взаимодействия с магнитным полем, создаваемым магнитами, витки рабочей части обмотки разделены на секции, нерабочая часть обмотки предназначена для соединения витков соседних секций и расположена вдоль продольной оси трубы, выводы электрической обмотки выполнены с возможностью образования электрического соединения с контактной системой, размещенной вдоль внутренней поверхности трубы, каждый из магнитов предназначен для создания радиального магнитного поля, пересекающего витки рабочей части обмотки при движении поршня по каналу.
Секции рабочей части обмотки целесообразно размещать в пазах, выполненных на наружной поверхности поршня.
Каждую нерабочую часть обмотки целесообразно размещать в пазу, выполненном на наружной поверхности поршня и направленном вдоль продольной оси поршня.
Каждый магнит может быть намагничен перпендикулярно продольной оси трубы, соседние магниты разделены немагнитной прокладкой.
Каждый магнит может быть намагничен параллельно продольной оси трубы, для образования радиального магнитного поля соседние магниты разделены магнитомягкой прокладкой.
Каждый магнит магнитной системы может представлять собой электромагнит.
Расстояние между соседними секциями не должно превышать расстояние между плоскостями симметрии, параллельными боковым поверхностям соседних магнитов.
Направление намотки витков соседних секций может быть противоположным.
В импульсном электрогенераторе по второму варианту, содержащем корпус в виде трубы, выполненный из прочного малопроводящего магнитомягкого материала, электрическую обмотку, расположенную вдоль внутренней поверхности трубы, обмотка состоит из рабочей и нерабочей части, рабочая часть обмотки навита по внутренней поверхности трубы концентрично с ней и предназначена для взаимодействия с магнитным полем, создаваемым магнитами, витки рабочей части обмотки разделены на секции, нерабочая часть обмотки предназначена для соединения витков соседних секций и расположена вдоль продольной оси трубы, выводы электрической обмотки электрически связаны с токосъемником, цилиндрический поршень, размещенный во внутренней полости трубы с возможностью свободного перемещения вдоль ее внутренней поверхности в результате силового воздействия, на наружной поверхности поршня размещена магнитная система, выполненная в виде ряда кольцевых магнитов, соседние магниты магнитной системы намагничены в противоположных направлениях, каждый из магнитов предназначен для создания радиального магнитного поля, пересекающего витки рабочей части обмотки.
Секции рабочей части обмотки целесообразно размещать в пазах, выполненных на внутренней поверхности трубы.
Каждую нерабочую часть обмотки целесообразно размещать в пазу, выполненном на внутренней поверхности трубы и направленном вдоль продольной оси трубы.
Каждый магнит может быть намагничен перпендикулярно продольной оси трубы, соседние магниты разделены немагнитной прокладкой.
Каждый магнит может быть намагничен параллельно продольной оси трубы, для образования радиального магнитного поля соседние магниты разделены магнитомягкой прокладкой.
Каждый магнит магнитной системы может представлять собой электромагнит.
Расстояние между соседними секциями не должно превышать расстояние между плоскостями симметрии, параллельными боковым поверхностям каждого магнита, соседних магнитов.
Направление намотки витков соседних секций может быть противоположным.
Сущность заявляемого изобретения по обоим вариантам заключается в том, что разогнанный в результате импульсного силового воздействия поршень с большой скоростью двигается по каналу внутри корпуса генератора. При движении поршня происходит пересечение проводником (электрической обмоткой) линий магнитного поля, создаваемого магнитной системой, в результате такого взаимодействия в электрической обмотке генерируется электродвижущая сила (ЭДС) и начинает протекать ток на внешнюю нагрузку.
Разгон поршня может быть осуществлен посредством воздействия на поршень высокого давления, образующегося в результате подрыва взрывчатого вещества, или, например, в результате воздействия газовой пушки или иным образом. Поскольку скорость поршня в результате такого воздействия может быть значительной (около 1000 м/сек), генерируемая электродвижущая сила (ЭДС) и ток, создаваемый в электрической обмотке, имеет большую мощность и носит импульсный характер.
Изобретения по обоим вариантам содержат: длинный полый корпус в виде трубы, внутренняя полость которой представляет собой канал для движения поршня; магнитную систему, обеспечивающую создание магнитного потока, магнитные линии которого направлены перпендикулярно направлению движения поршня; электрическую обмотку (проводник), в которой генерируется ЭДС при движении поршня.
Отличием вариантов изобретения является то, что по первому варианту движущийся в канале трубы генератора поршень представляет собой движущийся относительно неподвижной магнитной системы проводник (т.к. он снабжен электрической обмоткой), а по второму варианту поршень представляет собой магнитную систему (состоящую из нескольких расположенных в ряд кольцевых магнитов), движущуюся относительно неподвижной электрической обмотки, расположенной по внутренней поверхности корпуса генератора.
В обоих вариантах изобретения в электрической обмотке при движении поршня генерируется ЭДС в результате пересечения проводником (электрической обмоткой) линий магнитного поля, создаваемого магнитной системой.
Принцип работы генераторов по обоим вариантам одинаковый.
Возможность использования заявляемого генератора многократно обусловлена тем, что движение поршня обусловлено импульсным силовым воздействием большой энергии, осуществляемым вне корпуса генератора, не разрушающем ни поршень, ни корпус генератора. Такое силовое воздействие на поршень может быть осуществлено, например, в результате воздействия высокого давления, возникающего при подрыве взрывчатого вещества в специальном отдельном канале (стволе), или, например, в результате разгона поршня в газовой пушке. Характер силового импульсного воздействия не имеет значения для изобретения, главное - осуществить необходимый начальный разгон поршня, обеспечивающий генерирование необходимого электрического импульса.
После торможения поршня в процессе генерирования электрического импульса и окончательного гашения скорости поршня в легкодеформируемой преграде (например, в мешке с песком), возможно повторное использование генератора при замене взрывчатого вещества (в случае, если разгон поршня осуществляется в результате подрыва взрывчатого вещества).
В заявляемом изобретении по обоим вариантам имеет место разделение процесса генерации электромагнитного импульса на два этапа (разгон поршня и генерирование электромагнитного импульса).
По обоим вариантам в канале магнитами создается разнонаправленное магнитное поле (магнитное поле соседних магнитов имеет противоположное направление), линии которого перпендикулярны направлению движения поршня и перпендикулярны рабочей части электрической обмотки.
По первому варианту: первый этап - разгон поршня, содержащего электропроводную обмотку (в которой наводится ЭДС) в изоляции, расположенную в пазах на наружной поверхности поршня (возможно полого), выполненного из магнитомягкого материала с высоким удельным сопротивлением, и электрический связанную с токосъемными элементами (щетками или разрядниками), на которых происходит съем сгенерированного электромагнитного импульса.
Второй этап - генерирование в электрической обмотке ЭДС при прохождении поршня по каналу, в котором посредством магнитов магнитной системы создано разнонаправленное магнитное поле, съем тока через выводы электрической обмотки на токосъемные элементы.
При движении поршня по каналу с магнитным полем происходит его торможение благодаря преобразованию его кинетической энергии в энергию электрического импульса. Торможение поршня происходит в процессе съема генерируемой в обмотке поршня ЭДС. напряжение которой через щетки (или разрядники) подается на токосъемные электроды, расположенные в канале и которые соединены с внешней нагрузкой.
По второму варианту: первый этап - разгон поршня, содержащего магнитную систему, создающую чередующееся разнонаправленное магнитное поле,
Второй этап - генерирование ЭДС в электрической обмотке, расположенной в пазах корпуса при прохождении разогнанного поршня по каналу генератора. При движении поршня, содержащего систему магнитов, по каналу генератора происходит генерация ЭДС на витках электрической обмотки, когда создаваемое поршнем магнитное поле пересекает ее витки при движении поршня по каналу.
Согласно заявляемому изобретению по обоим вариантам возможно генерирование импульса постоянного (пульсирующего) тока (сглаживание его пульсаций при этом может быть обеспечено стандартными способами) или генерирование импульса переменного тока.
Сущность заявляемого изобретения по первому варианту поясняется следующим.
На фиг.1 изображена схема (продольное сечение) заявляемого генератора по первому варианту, в котором каждый магнит намагничен радиально (перпендикулярно продольной оси трубы). Изображенная на чертеже схема устройства соответствует генератору постоянного тока. Большими стрелками на фиг.1 показано направление тока в приведенном мгновенном положении движущегося по оси канала со скоростью V поршня, маленькими стрелками схематически показано направление магнитного поля, создаваемого магнитами магнитной системы. Магниты магнитной системы размещены в ряд вдоль внутренней поверхности корпуса генератора, выполненного в виде трубы, и разделены немагнитной прокладкой. Создаваемое магнитами магнитное поле будет перпендикулярно каждому витку рабочей части обмотки. Расстояние между соседними секциями не должно превышать расстояние между плоскостями симметрии (которые параллельны боковым поверхностям соседних магнитов), соседних магнитов. Это необходимо для того, чтобы обеспечивать сложение ЭДС от всех секций обмотки.
Чередование направленности намотки витков соседних секций необходимо также для обеспечения сложения ЭДС.
Возможно, чтобы намотка всех секций обмотки имела одно направление. Однако в этом случае необходимо осуществлять токосъем между секциями, иначе ЭДС, генерируемая на витках соседних секций, будет накладываться друг на друга, и суммарная ЭДС будет равна нулю (при четном количестве секций) или будет соответствовать ЭДС, генерируемой только одной секцией (при нечетном количестве секций).
Разнонаправленность намагниченности соседних магнитов обеспечивает эффективное замыкание магнитного потока через магнитомягкий корпус поршня и трубы.
Вместо постоянных магнитов с таким же эффектом можно использовать электромагниты.
Предварительно разогнанный до скорости ~1000 м/с поршень попадает в канал генератора (разгон поршня можно осуществить, например, пороховым зарядом в устройстве, подобном стандартной пушке, или специальной газовой пушкой или же другим способом).
Между соседними магнитами размещена прокладка из немагнитного малопроводящего материала, чтобы магнитный поток, создаваемый магнитом, большей частью был направлен во внутреннюю полость канала, замыкаясь на соседний магнит через торцевые поверхности магнитов, а не замыкался через боковые поверхности соседних магнитов, уменьшая магнитный поток в радиальном направлении.
Корпус электрогенератора выполнен из магнитомягкого малопроводящего материала для обеспечения замыкания через корпус магнитного потока на соседние магниты.
Вдоль внутренних торцевых поверхностей магнитов расположены токосъемные элементы (контакты), электроизолированные (при необходимости) от магнита, подсоединенные к токопроводящим шинам (которые расположены с внешней стороны корпуса электрогенератора).
Электрическая обмотка расположена в концентрических пазах, выполненных на наружной поверхности корпуса поршня. Электрическая обмотка может быть однослой ной (состоящей из одного слоя) и многослойной (состоящей из двух и более слоев). Рабочая часть обмотки навита вокруг поршня.
Корпус поршня выполнен из малопроводящего магнитомягкого материала (для замыкания через корпус поршня магнитного потока от магнитов магнитной системы).
При движении поршня по каналу, в котором магнитами создано радиальное магнитное поле, в электрической обмотке генерируется электродвижущая сила - ЭДС по закону электромагнитной индукции ε=L*v*B, где L - длина активной части проводника, v -скорость проводника (равная скорости поршня), В - магнитная индукция.
В одном пазу может находиться несколько витков обмотки. Все последовательно соединенные секции витков обмотки, расположенные в разных пазах, образуют одну обмотку, генерирующую общую ЭДС. На поршне может находиться несколько расположенных последовательно генерирующих обмоток.
Другая обмотка также состоит из рабочей и нерабочей частей, которые расположены в других пазах. Все секции другой обмотки также последовательно соединены друг с другом посредством нерабочей части обмотки.
Съем сгенерированной ЭДС происходит, например через скользящие (упругие) контакты, расположенные на поршне (или в канале) или через разрядники. Обмотка может располагаться и не в пазах, а может быть просто навита на корпус поршня. В этом случае необходимо предусматривать дополнительные меры по ее закреплению на корпусе поршня (например, размещение обмотки в керамической или органической оболочке на наружной поверхности поршня). Расположение обмотки в пазах - традиционно применяемый способ.
Импульсный генератор может генерировать как постоянный ток, так и переменный. Схема генератора постоянного (пульсирующего) тока показана на Фиг.1, а общий вид (форма) кривой генерируемой ЭДС на одной генерирующей обмотке изображена на Фиг.2. Для генерирования напряжения с меньшей амплитудой пульсации необходимо применить электрическую схему генератора (схему обмотки поршня) с двумя (Фиг.3) или более генерирующими обмотками. Применение, например, четырех генерирующих обмоток позволяет сгладить пульсацию до≈1% Фиг.4. Для этого необходимо также осуществить изменение момента времени коммутации каждой обмотки (соединения ее) с внешней нагрузкой. Для этого необходимо изменять (уменьшать) ширину каждого контактного элемента, чтобы время включения и отключения каждой генерирующей обмотки на внешнюю нагрузку, совпадало соответственно с временем отключения предыдущей обмотки и включением следующей обмотки. Ясно, что в результате торможения поршня генерируемая ЭДС будет падать, т.к. ε=L*v*B, т.е. ε~v. Если съем тока осуществляется посредством разрядников, в этом случае следует изменять расстояние от разрядника до контактной токосъемной поверхности.
Схема генератора переменного тока показана на Фиг.5. В данном случае внутри канала проходит два электрода (токосъемные шины) между внутренней поверхностью магнитов и наружной поверхностью поршня, на которых снимается сгенерированная ЭДС переменного напряжения с уменьшающейся в результате торможения поршня амплитудой и частотой.
На проводник, в котором течет ток, со стороны магнитного поля действует тормозящая электромагнитная (пондеромоторная) сила F=I*L*B, где I - сила тока в проводнике, которая совершает работу, отбор электрической энергии сопровождается торможением поршня.
Радиальное магнитное поле может создаваться также магнитами, имеющими намагниченность, параллельную продольной оси трубы (противоположные полюса в этом случае будут на боковых поверхностях каждого магнита) (Фиг.6). В этом случае магнитное поле замыкается радиально через кольцевые прокладки, выполненные из магнитомягкого материала и состыкованные с боковыми поверхностями магнитов.
В описанных системах в качестве магнитомягких материалов могут быть использованы, например чистое железо, трансформаторные сплавы, сплав альсифер, (желательно выполненные как магнитные диэлектрики, т.е. в виде тонкодисперсного композиционного материала из магнитомягкого вещества и диэлектрика), магнитомягкие ферриты и т.п., магниты могут быть выполнены из сплавов на основе Nd-Fe-B, Sm-Co или других магнитных сплавов, а также магнитожестких ферритов ВаО·Fе2O3 и пр.
Величина (форма) генерированной в секции ЭДС ε=L*v*B зависит от величины (формы) В в канале, т.к. ε~В, поэтому в случае необходимости генерации ЭДС с близкой к синусоиде формой необходимо придавать магнитам специальную геометрическую форму. Так, магниты с радиально направленным магнитным полем могут иметь у внутренней части, направленной в канал, слегка конусообразное скошенное сечение (или иметь наконечники специальной формы из магнитомягких материалов) для плавного изменения распределения магнитного потока от полюса магнита. Для магнитов с полем вдоль продольной оси трубы сглаживание магнитного потока осуществляется приданием конусообразного скошенного сечения или наоборот расширением у той части замыкателей магнитного потока, которая направлена внутрь канала.
В случае генератора с несколькими генерирующими обмотками, полученную на каждой из них ЭДС, можно распределить на несколько нагрузок при необходимости.
При генерации переменного тока, использовав трехсекционную конструкцию, можно получить ток, близкий (квази) к трехфазному.
Энергия генерируемого импульса регулируется величиной, накопленной поршнем при начальном разгоне кинетической энергии, зависящей от массы поршня и его скорости в соответствии с формулой Екин.=mv2/2, и которая задается, например, величиной массы пороха в пороховом заряде разгонного устройства.
Мощность генерируемого импульса зависит от величины кинетической энергии поршня и электрического сопротивления внешней нагрузки.
Сущность предложенного технического решения по второму варианту поясняется Фиг.7, где изображено продольное сечение части корпуса генератора со свободно движущимся вдоль его внутренней поверхности поршнем. Поршень по второму варианту содержит цилиндрический корпус поршня, выполненный из малопроводящего, магнитомягкого материала. Магнитная система, создающая разнонаправленное радиальное магнитное поле, состоит из последовательности расположенных в ряд кольцевых магнитов, разделенных прокладками из немагнитного малопроводящего материала, магниты размещены на наружной поверхности корпуса поршня соосно с ним. Это позволяет эффективно создавать радиально направленное магнитное поле. Каждый из магнитов магнитной системы намагничен с образованием полюсов соответственно на внутренней и наружной торцевых поверхностях магнита. При этом соседние магниты имеют противоположную намагниченность (аналогично изобретению по первому варианту). Корпус генератора также выполнен из прочного малопроводящего, магнитомягкого материала, в пазах внутренней поверхности корпуса генератора размещена электропроводная обмотка, электрически соединенная с токопроводящими шинами, расположенными с наружи трубы.
Изображенная на Фиг.7 схема устройства соответствует генератору переменного тока. Маленькими стрелками схематически показано направление магнитного поля. Импульсный электрогенератор работает следующим образом. Предварительно разогнанный до скорости ~1000 м/с поршень попадает в канал генератора (во внутреннюю полость корпуса генератора). Поперечное сечение заявляемого генератора по второму варианту является симметричным относительно центральной оси генератора.
Электропроводная обмотка, расположенная в пазах корпуса генератора, может содержать одну или несколько генерирующих обмоток, расположенных последовательно. Каждая обмотка состоит из секций, содержащих группы витков, расположенных в разных пазах корпуса, при этом пазы расположены на расстоянии, примерно равном половине периода магнитной системы поршня. Соседние секции одной генерирующей обмотки соединены проводником, расположенном в пазу, выполненном в корпусе генератора, желательно - параллельном оси канала. При движении поршня, содержащего систему магнитов, создающих разнонаправленное радиальное магнитное поле, по каналу генератора (вдоль внутренней поверхности корпуса генератора) на кольцевой электрообмотке, расположенной в пазах корпуса генератора, происходит генерирование ЭДС по закону электромагнитной индукции ε=L*v*B, где L - длина активной части проводника, v - скорость поршня, В - магнитная индукция (создаваемая магнитами поршня). В одном пазу может находиться несколько витков обмотки. Все последовательно соединенные витки, находящиеся в разных пазах, образуют одну обмотку, генерирующую общую ЭДС. В корпусе может находиться несколько генерирующих обмоток, расположенных последовательно по (всей) длине внутренней поверхности корпуса генератора. Они образованы витками, расположенными в других пазах и находящимися в канале дальше по направлению движения поршня, связанными также последовательно друг с другом и образующими другие генерирующие обмотки.
Импульсный генератор по второму варианту может генерировать как переменный ток, так и постоянный. При этом генерируемые импульсы могут быть как раздельными, т.е. идущими от каждой генерирующей обмотки поочередно на одну или разные внешние нагрузки, так и в виде одного непрерывного (целого) импульса, передаваемого на одну нагрузку. Для генерации гладкого (непрерывного) электрического импульса необходимо проводить коммутацию подключения каждой генерирующей обмотки к внешней нагрузке при прохождении поршня по каналу. При этом длина поршня должна быть примерно равна длине двух генерирующих обмоток (или больше), т.к. иначе мощность генерируемого электрического импульса у одной обмотки не будет совпадать с мощностью генерируемой следующей за ней обмотки и произойдет разрыв в их величине при прохождении поршнем границы между ними и переключении съема генерируемого импульса от одной обмотки к следующей за ней обмотке. При этом время включения и отключения каждой обмотки с нагрузкой совпадает соответственно с временем отключения и включения последующей обмотки.
Съем сгенерированной ЭДС происходит, например, через разрядники, при этом напряжение поданного на внешнюю нагрузку сгенерированного импульса регулируется напряжением пробоя, которое подбирается изменением расстоянием - h между разрядниками и может дополнительно управляться внешним управляющим импульсом.
Коммутация импульса может также производиться импульсными тиристорами большой мощности (или тиратронами). Генератор постоянного тока в своей схеме должен дополнительно иметь хотя бы один выпрямляющий диодный мост, построенный, например, на мощных импульсных диодах или ртутных игнитронах. В результате торможения поршня генерируемая ЭДС будет падать, т.к. ε~v.
В случае выполнения генератора переменного тока вдоль наружной поверхности корпуса генератора проходят токосъемные шины, на которые через коммутирующие блоки (разрядники, тиристоры, тиратроны) подается сгенерированная ЭДС переменного напряжения с уменьшающейся в результате торможения поршня амплитудой и частотой.
На магниты в поршне действует тормозящая электромагнитная сила со стороны магнитного поля проводника, в котором течет ток под действием сгенерированной в нем ЭДС (ε=v*L*B, где v - скорость поршня с магнитами), отбор электрической энергии сопровождается торможением поршня.
Радиальное магнитное поле в канале может создаваться также магнитами, имеющими не радиальную намагниченность (перпендикулярно продольной оси трубы), а магнитами, имеющими намагниченность вдоль продольной оси трубы. В этом случае соседние магниты разделены прокладками (замыкателями) из магнитомягкого материала (Фиг.8) для придания радиального направления магнитного потока.
В описанных схемах технического решения по второму варианту в качестве магнитомягких и магитотвердых материалов могут быть взяты те же материалы, что и по первому варианту, то же относится и к геометрическим формам их исполнения для получения импульса с близкой к синусоиде формой.
Для генерации квазитрехфазного импульса необходимо наличие трех генерирующих обмоток, смещенных относительно друг друга по фазе.
Энергия генерируемого импульса регулируется величиной накопленной поршнем при начальном разгоне кинетической энергии, которая зависит от массы поршня и его скорости в соответствии с формулой Екин.=mv2/2, и которая определяется, например, величиной массы пороха в пороховом заряде разгонного устройства.
Мощность генерируемого импульса зависит от начальной кинетической энергии поршня и электрического сопротивления внешней нагрузки.
Окончательное торможение поршня в обоих вариантах может осуществляться при попадании его в легко деформируемую преграду, например мешок с песком и т.п., такое торможение не приведет к повреждению поршня и он после извлечения будет использован повторно.
Целесообразно выполнять переднюю часть поршня по обоим вариантам конусообразной (или снабжать поршень конусообразной насадкой) для меньшей нагрузки на поршень при окончательном его торможении в легко деформируемой преграде (например, песке).
Заявляемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен импульсный электрогенератор по первому варианту (продольное сечение), в котором каждый магнит намагничен перпендикулярно продольной оси трубы.
На фиг.2 изображена форма тока (постоянного пульсирующего) в электрогенераторе при однослойной обмотке.
На фиг.3 изображен импульсный электрогенератор по первому варианту при многослойной обмотке.
На фиг.4 изображена форма тока (постоянного пульсирующего) при многослойной обмотке.
На фиг.5 изображен импульсный электрогенератор по первому варианту - переменного тока.
На фиг.6 изображен импульсный электрогенератор по первому варианту, в котором каждый магнит намагничен вдоль продольной оси трубы.
На фиг.7 изображен импульсный электрогенератор по второму вариант, в котором каждый магнит намагничен перпендикулярно продольной оси трубы.
На фиг.8 изображен импульсный электрогенератор по второму вариант, в котором каждый магнит намагничен вдоль продольной оси трубы.
Электрогенератор по первому варианту (фиг.1, 3, 5, 6) содержит корпус электрогенератора в виде трубы 1, выполненной из прочного магнитомягкого материала; поршня 2, выполненного из магнитомягкого материала; электрической обмотки 3; магнитов 4; прокладок 5. Магниты 4 выполнены в форме колец, установленных последовательно в ряд вдоль внутренней поверхности трубы 1 соосно с ней. Магниты 4 разделены прокладками 5, имеющими также кольцевую форму. В канале 6 (во внутренней полости трубы 1) расположен поршень 2, выполненный из магнитомягкого материала. На наружной поверхности поршня 2 выполнены пазы 7, в которых размещена рабочая часть 8 обмотки 3. Витки рабочей части 8 обмотки 3 соединены нерабочей частью 9. Нерабочая часть 8 обмотки может также располагаться в пазах (на чертеже не выделены), расположенных вдоль продольной оси трубы 1. Магниты 4 могут иметь радиальную намагниченность (намагниченность перпендикулярную продольной оси трубы 1) - фиг.1, фиг.3, фиг.5. и намагниченность вдоль продольной оси трубы - фиг.6. В случае, когда магниты 4 намагничены перпендикулярно продольной оси трубы 1 прокладки 5 выполнены из немагнитного материала. В случае, когда магниты 4 намагничены вдоль продольной оси трубы 1 прокладки 5 выполнены из магнитомягкого материала. Выводы 10 обмотки 3 выполнены с возможность электрического соединения с контактными элементами 11, расположенными между наружной поверхностью поршня 2 и магнитами 4. Контактные элементы 11 электрически соединены с токопроводящими шинами 12, соединенными с нагрузкой.
Электрогенератор по второму варианту (фиг.7, 8) содержит корпус электрогенератора в виде трубы 1, выполненной из прочного магнитомягкого материала; поршня 2, выполненного из магнитомягкого материала; электрической обмотки 3; магнитов 4; прокладок 5. Магниты 4 выполнены в форме колец, установленных последовательно в ряд на наружной поверхности поршня 2 соосно с ним. Магниты 4 разделены прокладками 5, имеющими также кольцевую форму. В канале 6 (во внутренней полости трубы 1) расположен поршень 2, выполненный из магнитомягкого материала. На внутренней поверхности трубы 1 выполнены пазы 13, в которых размещена рабочая часть 8 обмотки 3. Витки рабочей части 8 обмотки 3 соединены нерабочей частью 9. Нерабочая часть 8 обмотки может также располагаться в пазах (на чертеже не выделены), расположенных вдоль продольной оси трубы 1. Магниты 4 могут иметь радиальную намагниченность (намагниченность перпендикулярную продольной оси трубы 1) - фиг.7 и намагниченность вдоль продольной оси трубы - фиг.8. В случае, когда магниты 4 намагничены перпендикулярно продольной оси трубы 1, прокладки 5 выполнены из немагнитного материала. В случае, когда магниты 4 намагничены вдоль продольной оси трубы 1, прокладки 5 выполнены из магнитомягкого материала. Выводы 10 обмотки 3 соединены с нагрузкой.
Импульсный электрогенератор по обоим вариантам работает следующим образом. В результате силового воздействия на поршень 2 он разгоняется и начинает перемещаться по каналу 6. При движении поршня 2 происходит пересечение обмоткой 3 линий магнитного поля, создаваемого магнитами 4 в результате в обмотке 3 наводится ЭДС и начинает протекать ток. Движение поршня 2 гасится при его попадании в легкоразрушаемую преграду, например в песок.
1. Импульсный электрогенератор, содержащий корпус в виде трубы, выполненный из прочного малопроводящего магнитомягкого материала, магнитную систему, выполненную в виде ряда кольцевых магнитов, размещенных вдоль внутренней поверхности трубы соосно с ней с образованием внутреннего цилиндрического канала, соседние магниты магнитной системы намагничены в противоположных направлениях, в канале размещен цилиндрический поршень с возможностью свободного перемещения вдоль канала в результате силового воздействия, поршень выполнен из магнитомягкого материала с высоким удельным электрическим сопротивлением, на наружной поверхности поршня вдоль нее расположена электрическая обмотка, обмотка состоит из рабочей и нерабочей частей, рабочая часть обмотки навита вокруг поршня и предназначена для взаимодействия с магнитным полем, создаваемым магнитами, витки рабочей части обмотки разделены на секции, нерабочая часть обмотки предназначена для соединения витков соседних секций и расположена вдоль продольной оси трубы, выводы электрической обмотки выполнены с возможностью образования электрического соединения с контактной системой, размещенной вдоль внутренней поверхности трубы, каждый из магнитов предназначен для создания радиального магнитного поля, пересекающего витки рабочей части обмотки при движении поршня по каналу.
2. Импульсный электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что секции рабочей части обмотки размещены в пазах, выполненных на наружной поверхности поршня.
3. Импульсный электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что каждая нерабочая часть обмотки размещена в пазу, выполненном на наружной поверхности поршня и направленном вдоль продольной оси поршня.
4. Импульсный электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что каждый магнит намагничен перпендикулярно продольной оси трубы, соседние магниты разделены немагнитной прокладкой.
5. Импульсный электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что каждый магнит намагничен параллельно продольной оси трубы, для образования радиального магнитного поля соседние магниты разделены магнитомягкой прокладкой.
6. Импульсный электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что каждый магнит магнитной системы представляет собой электромагнит.
7. Импульсный электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что расстояние между соседними секциями не должно превышать расстояние между плоскостями симметрии, параллельными боковым поверхностям соседних магнитов.
8. Импульсный электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что направление намотки витков соседних секций является противоположным.
9. Импульсный электрогенератор, содержащий корпус в виде трубы, выполненный из прочного малопроводящего магнитомягкого материала, электрическую обмотку, расположенную вдоль внутренней поверхности трубы, обмотка состоит из рабочей и нерабочей частей, рабочая часть обмотки навита по внутренней поверхности трубы концентрично с ней и предназначена для взаимодействия с магнитным полем, создаваемым магнитами, витки рабочей части обмотки разделены на секции, нерабочая часть обмотки предназначена для соединения витков соседних секций и расположена вдоль продольной оси трубы, выводы электрической обмотки электрически связаны с токосъемником, цилиндрический поршень, размещенный во внутренней полости трубы с возможностью свободного перемещения вдоль ее внутренней поверхности в результате силового воздействия, на наружной поверхности поршня размещена магнитная система, выполненная в виде ряда кольцевых магнитов, соседние магниты магнитной системы намагничены в противоположных направлениях, каждый из магнитов предназначен для создания радиального магнитного поля, пересекающего витки рабочей части обмотки.
10. Импульсный электрогенератор по п.9, отличающийся тем, что секции рабочей части обмотки размещены в пазах, выполненных на внутренней поверхности трубы.
11. Импульсный электрогенератор по п.9, отличающийся тем, что каждая нерабочая часть обмотки размещена в пазу, выполненном на внутренней поверхности трубы и направленном вдоль продольной оси трубы.
12. Импульсный электрогенератор по п.9, отличающийся тем, что каждый магнит намагничен перпендикулярно продольной оси трубы, соседние магниты разделены немагнитной прокладкой.
13. Импульсный электрогенератор по п. 9, отличающийся тем, что каждый магнит намагничен параллельно продольной оси трубы, для образования радиального магнитного поля соседние магниты разделены магнитомягкой прокладкой.
14. Импульсный электрогенератор по п.9, отличающийся тем, что каждый магнит магнитной системы представляет собой электромагнит.
15. Импульсный электрогенератор по п.9, отличающийся тем, что расстояние между соседними секциями не должно превышать расстояние между плоскостями симметрии, параллельными боковым поверхностям каждого магнита, соседних магнитов.
16. Импульсный электрогенератор по п.9, отличающийся тем, что направление намотки витков соседних секций является противоположным.
