Многовитковый рельсотрон с тиристорными перемычками между витками
Владельцы патента RU 2602510:
Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" (АО "ГНЦ РФ ТРИНИТИ") (RU)
Изобретение относится к многовитковым рельсотронам. Технический результат - повышение КПД. Многовитковый рельсотрон с тиристорными перемычками между витками включает ускорительный канал, содержащий N пар токопроводных параллельных рельсов. Первые рельсы всех пар и вторые рельсы всех пар разделены изоляционными промежутками и образуют первую и вторую стопы. Якорь состоит из электрически изолированных друг от друга электропроводных перемычек по числу рельсов (N), установленных на общем изоляторе с возможностью скольжения по рельсам. Со стороны входа канала вторые рельсы i-й пары соединены с первыми рельсами i+1 пары (где i=1…N-1) посредством сериесных электропроводных перемычек, а первый рельс первой пары и второй рельс N-й пары выведены для подключения к источнику электропитания. Кроме того, содержится M групп тиристоров, по N-1 тиристору в каждой группе. Группы тиристоров установлены вдоль канала, причем тиристоры каждой группы находятся на одинаковых расстояниях относительно начала рельсов и тиристоров других групп, i-й тиристор каждой группы включен в прямом направлении относительно полярности источника питания между рельсом второй стопы i-й пары с рельсами первой стопы i+1 пары. 1 ил.
Область техники, к которой относится изобретение.
Данное изобретение относится к линейным электрическим двигателям и может быть применено для разгона твердого тела (якоря) относительно большой массы.
Уровень техники.
Известен рельсотрон с распределенным вдоль канала вводом энергии [Структура электрической части рельсотрона с распределенным вдоль канала вводом энергии. Коммутация токов индуктивных накопителей. / Лотоцкий А.П., Халимуллин Ю.А., Крылов М.К., Кузнецов В.В., Савичев В.В., Галанин М.П. // Препринт ГНЦ РФ ТРИНИТИ 0082-А, ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2001 г., с. 26.], содержащий канал, образованный парой электрически изолированных параллельных рельсов и ускоряемый якорь, содержащий токовую перемычку, скользящую по паре рельсов. Электропитание рельсотрона осуществляется от секционированного индуктивного накопителя энергии. Точки подвода электроэнергии к рельсам от гальванически развязанных секций индуктивного накопителя распределены равномерно вдоль рельсов. Рельсы соединены с секциями индуктивного накопителя через сильноточные коммутаторы. Кроме того, секции индуктивного накопителя соединены между собой и с зарядным устройством сильноточными размыкателями. Подключение секции индуктивного накопителя осуществляется в момент прохождения токовой перемычки якоря точек подключения данной секции. Благодаря переходу части энергии магнитного поля в пройденном участке рельсотрона в объем следующего участка достигается повышение коэффициента полезного действия [с. 19, рис. 12].
Недостатком такого технического решения является низкая эффективность использования его в многовитковых рельсотронах. Это связано с тем, что витки пар рельсов соединены последовательно в начале рельсотрона и магнитное поле тока рельсов, начиная со второго, не зависит от места подключения источников к первому рельсу.
Выбранным за прототип, как наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату, является рельсотронный ускоритель (многовитковый рельсотрон) [Рельсотронный ускоритель: пат. 2154890 Рос. Федерация: МПК7 H02N 11/00, Н02К 57/00, 33/00 / Полтанов А.Е., Кондратенко А.К., Павлов И.П.,Рындин В.Н.; заявитель и патентообладатель Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (РФ) - №98123735/06, заявл. 22.12.1998; опубл. 20.08.2000. Бюл. №23. - 10 с.: 9 ил.], содержащий ускорительный канал, образованный N одинаковыми парами электрически изолированных токопроводящих параллельных рельсов, установленных неподвижно в электроизоляционном корпусе так, что первые рельсы всех пар и вторые рельсы всех пар расположены с изоляционными промежутками соответственно друг над другом стопой, и якорь, содержащий N электрически изолированных друг от друга электропроводных перемычек, каждая из которых установлена на соответствующем изоляторе ускоряемого якоря с возможностью скольжения по соответствующей паре рельсов. Кроме того, содержатся N-1 сериесных электропроводных перемычек, соединяющих на входе вторых рельсов i-й пары с первыми рельсами (i+1)-й пары (где i=1…N-1), а первый рельс первой пары и второй рельс N-й пары выведены для подключения источника электрической энергии. Таким образом, N пар рельсов соединены последовательно (сериесно) неподвижными перемычками, образуя N-витковый рельсотрон.
Недостатком такого рельсотронного ускорителя является его относительно низкий коэффициент полезного действия. Это связано с тем, что в объеме участка канала, пройденном якорем при его движении, накапливается магнитное поле, энергия которого соизмерима с кинетической энергией якоря и практически не используется для разгона последнего. Это приводит к тому, что теоретический коэффициент полезного действия в такой конструкции, даже при отсутствии потерь в рельсах, не может превышать 50% при питании рельсотронного ускорителя от стабилизатора постоянного тока.
Раскрытие изобретения.
Техническая задача изобретения заключается в разработке системы подвода энергии к якорю многовиткового рельсотрона, которая давала бы возможность повысить коэффициент полезного действия многовиткового рельсотрона.
Для достижения указанного технического результата предложено усовершенствовать рельсотронный ускоритель (N-витковый рельсотрон), содержащий ускорительный канал, образованный N парами электрически изолированных токопроводящих параллельных рельсов, установленных неподвижно в электроизоляционном корпусе (неподвижном электроизоляторе) так, что первые рельсы всех пар и вторые рельсы всех пар расположены с изоляционными промежутками соответственно друг над другом и образуют первую и вторую стопы, якорь, содержащий N электрически изолированных друг от друга электропроводных перемычек, каждая из которых установлена на общем электроизоляторе ускоряемого якоря с возможностью скольжения по рельсам соответствующей пары, и N-1 сериесных электропроводных перемычек, соединяющих со стороны входа рельсы второй стопы i-й пары с рельсами первой стопы i+1 пары (где i=1…N-1).
Усовершенствование заключается в том, что содержится М групп управляемых вентилей, например тиристоров, по N-1 тиристору в каждой группе. Группы тиристоров установлены вдоль канала, причем, тиристоры каждой группы находятся на одинаковых расстояниях относительно начала рельсов и тиристоров других групп, i-й тиристор каждой группы включен в прямом направлении относительно полярности источника питания между рельсом второй стопы i-й пары с рельсами первой стопы i+1 пары.
Краткое описание чертежа.
Сущность предложенного изобретения поясняется прилагаемым чертежом (см. чертеж), на котором показана электрическая схема многовиткового рельсотрона с тиристорными перемычками между витками.
Осуществление изобретения.
Описание конструкции устройства.
Схема многовиткового рельсотрона (фиг.) содержит ускорительный канал, образованный N парами рельсов 1.i и 2.i (i=1, 2, …N), электропроводные перемычки 3.i ускоряемого якоря, установленные с возможностью скольжения по рельсам 1.i и 2.i соответствующей пары, сериесные перемычки 4.i соединяющие начальные концы пар рельсов 2.i и 1.i+1 последовательно. Первый рельс 1.1 первой пары и рельс 2.N последней пары подключены к источнику электропитания 5. Рельсы 1.i и 2.i собраны соответственно в первую и вторую стопы с изоляционными промежутками. Рельсы второй стопы i-й пары соединены через тиристоры 6.2.1…6.N.1…6.2.М…6.N.M, включенные в прямом направлении с (i+1)-ми рельсами первой стопы.
Электроизоляция рельсов, перемычек якоря и сериесных перемычек не показана. Стрелкой V указано направление движения ускоряемого якоря, стрелками I - путь протекания электрического тока.
Работа устройства.
Работа многовиткового ускорителя с тиристорными перемычками между витками, показанного на чертеже, осуществляется следующим образом. В исходном положении ускоряемый якорь установлен в начале рельсов 1.1…2.N после точек подключения сериесных перемычек 4.1…4.(N-1). При подаче электрической энергии от источника 5 на выводах рельсов 1.1 и 2.N появляется напряжение и по цепи, состоящей из начальных участков рельсов 1 и 2 перемычек 3.1…3.N ускоряемого якоря каждой пары рельсов, соединенных последовательно сериесными перемычками 4.1…4.N, протекает электрический ток. В результате взаимодействия магнитных полей, создаваемых токами, текущими в рельсах секции и перемычках якоря, возникает электромагнитная ускоряющая сила, действующая на перемычки якоря. Под воздействием этой силы ускоряемый якорь перемещается вдоль рельсов по стрелке V. После прохождения якорем места подключения тиристоров первой группы эти тиристоры включаются и замыкают цепь, содержащую источник электропитания 5, рельс 1.1, перемычки якоря 3.1…3.N, участки рельсов 2.1…2.(N-l), тиристоры 6.1.1…6.(N-1).1 и рельс 2.N. Кроме того, по рельсам и перемычкам якоря протекает ток, вызванный эдс самоиндукции накопленного магнитного поля первой секции, который замыкается по рельсам, сериесным перемычкам 4.1…4.(N-1) и замыкается через источник электропитания 5. Составляющая тока от эдс самоиндукции участвует в разгоне якоря. При этом магнитное поле на участке рельсотрона от сериесных перемычек до точек подключения тиристоров снижается до величины поля, создаваемого током рельсов 1.1 и 2.N. Таким образом, энергия магнитного поля участка рельсов от сериесных 4.1…4.(N-1) до тиристоров 6.1.1…6.(N-1).1 используется для увеличения кинетической энергии якоря во втором и последующих участках рельсов.
Коэффициент полезного действия ускорителя в общем случае определяется как
где Wвx - энергия, подведенная к каналу, которая без учета омических потерь может быть представлена как сумма полезной работы (кинетической энергии) и оставшейся в канале магнитной энергии Wвx=Wкин+Wост.
Если при питании постоянным током I в момент вылета якоря в канале обычного N-виткового рельсотрона остается энергия магнитного поля равная
то в канале рассматриваемого ускорителя в момент вылета якоря остается магнитная энергия
где 
- погонная индуктивность пары рельсов 1.1 и 2.N.
Степень увеличения коэффициента полезного действия
с учетом соотношений (1)-(3) (без учета тепловых, трения и других потерь) будет равна:
и лежит в области 1≤κ<2. Эффективность технического решения повышается с увеличением числа пар рельсов N и числа тиристоров М.
Данное техническое решение позволяет повысить коэффициент полезного действия η многовиткового рельсотрона с тиристорными перемычками между витками. Это достигается использованием для разгона якоря энергии магнитного поля предыдущих пройденных якорем участков рельсов. Снижение тока в пройденных участках рельсов, выделенных группами тиристоров, позволяет дополнительно снизить потери на активных сопротивлениях пройденных участков рельсов.
Многовитковый рельсотрон, содержащий ускорительный канал, образованный N парами электрически изолированных токопроводных параллельных рельсов, установленных неподвижно в электроизоляционном корпусе так, что первые рельсы всех пар и вторые рельсы всех пар расположены с изоляционными промежутками соответственно друг над другом и образуют первую и вторую стопы, якорь, содержащий N электрически изолированных друг от друга электропроводных перемычек, каждая из которых установлена на общем электроизоляторе ускоряемого якоря с возможностью скольжения по рельсам соответствующей пары и N-1 сериесных электропроводных перемычек, соединяющих со стороны входа рельсы второй стопы i-й пары с рельсами первой стопы i+1 пары (где i=1…N-1), отличающийся тем, что содержится М групп управляемых вентилей, например тиристоров, по N-1 тиристору в каждой группе, группы тиристоров установлены вдоль канала, причем тиристоры каждой группы находятся на одинаковых расстояниях относительно начала рельсов и тиристоров других групп, i-й тиристор каждой группы включен в прямом направлении относительно полярности источника питания между рельсом второй стопы i-й пары с рельсами первой стопы i+1 пары.
