Центробежное жидкометаллическое коммутационное устройство

 

;ОНЙЛ

1 (т! !1 546954

ОП ИСАН ИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 15.07.75 (21) 2156367/07 с присоединением заявки Хе (23) Приоритет

Опубликовано 15.02.77. Бюллетень И 6

Дата опубликования описания 14.03.77 (51) М. K. H 01H 29, 26

Госуда рстсоииый комитет

Совета Мииистрав СССР ло лелем изоб;;етеиий и открытий (53) УДК 621.316.546 3 (088.8) (72) Авторы изобретения

Д. А. Бут, В. Н. Калугин, Л. К. Ковалев и С. P. Троицкий (71) Заявитель

Московский ордена Ленина авиационный институт имени Серго Орджоникидзе (54) ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОЕ

КОММУТАЦИОН HOE УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к области сильноточной коммутационной аппаратуры и может быть использовано для коммутации больших токов в электросистеме, электрооборудование которой работает при высокой окружающей 5 температуре (до 500 С) и при любом положении в пространстве, а также при отсутствии силы тяжести. Преимущественная область использования центробехкного коммутационного устройства — коммутационная аппаратура 10 силовых электрических цепей мощных энергоустановок.

Известно использование жидкого металла в качестве контактного материала в электроаппаратуре с целью увеличения долговечности 15 при коммутации сильпых токов (ртутные выпрямители, ртутные выключатели) (1) . Эти устройства могут работать только в стационарном положении в условиях действия силы гравитации. Также известны жидкометалли- 20 ческие коммутационные устройства, в которых жидкий металл замыкает или размыкает электроды за счет своего перемещения под действием электромагнитных сил, в частности сил, возникающих в жидком металле под дей- 25 ствием бегущего или вращающегося магнитного поля (2) .

Устройство состоит из цилиндрического канала, образованного между двумя коаксиальными цилиндрическими изоляционными обо- 30 лочкями, на краях которых имеются два сильфона с жидким металлом, являющиеся одновременно электродами коммутатора. С наружной стороны к каналу примыкают два цилиндрических индуктора с трехфазными обмотками, создающими при замыкании контактора встречно бегущие магнитные поля и при размыкании контяктора — 1 !Ягнптные IIo Iz, 6eI ущие от центра кяняля к его краям. Это устройство работает при любом положении в пространстве п обсспечигает размыл!ание цепи з!ежду ж1!дк01!етяллическп1!и электродами.

Однако наличие двух цилиндрических линейных индукторов, постоянно работающих в режиме короткого за у!ыкяния в виду неподвижности металла в крайних положениях приводит к значительным потерям мощности пя управление.

Известно центробежное коммутационное устройство (ЦКУ) (3), содержащее пндуктор с трехфазной распределенной обмоткой, цилиндрическую изоляционную оболочку с двумя медными кольцевыми электродами на некотором расстоянии друг от друга в верхней части оболочки, помещенную в статор асинхронной машины. B вертикальном положении коммутатора, когда обмотка статора обесточена, жидкий металл находится на дне оболочки, и электроды разомкнуты. Прп включении оомотки в сеть жидкии металл приводится во

546954 вращение под действием вращающегося магнитного поля, поднимается по стенке оболочки, принимая форму параболоида, и замыкает электроды. Индуктор центробежного коvIмутатора работает в режиме, близком к холостому ходу, так как металл вращается с большой скоростью, а трение имеет место только на внутренней поверхности цилиндрической оболочки. Это позволяет упростить конструкцию устройства (2) и уменьшить потребляемую мощность управления. Уменьшению мощности управления способствует также и тот факт, что в центробежном устройстве удержанию металла в фиксированном положении содействуют центробежные силы.

Однако при коммутировании тока в таком коммутаторе процесс дугообразования имеет место между жидким и твердым электродом, что приводит к эрозии последнего. Кроме того, данный коммутатор может работать только в вертикальном положении в условиях действия силы тяжести.

Для обеспечения работоспособности предлагаемого устройства при любом положении в пространстве и невесомости при одновременном снижении мощности управления коммутационным устройством и коммутаций цепи между жидкими электродами цилиндрическая изоляционная оболочка имеет в середине по крайней мере один внутренний выступ с двумя электропроводными кольцами по бокам выступа, а электроды снабжены патрубками подБода жидкого ч1еталла и системой пнеВМОКОМпенсации объема жидкого металла. Для улучшения гидродинамики при вращении электропроводной жидкости в канале торцовые электроды выполнены в виде кольцевых коллекторов с внутренней полостью, соединенной с патрубками подвода жидкого металла.

Кроме того, система пневмокомпенсации объема жидкого металла может быть выполнена в виде резервуара переменного объема, например сильфона, сообщающегося с упомянутым кольцевым каналом при помощи осевого канала, выполненного в одном из электродов, и ряда радиальных отверстий, выполненных в том же электроде и внутреннем изоляционном цилиндре.

На чертеже изображено описываемое коммутационное устройство, состоящее из кольцевого шихтованного статора 1, в пазах которого уложена двухскоростная трехфазная обмотка 2, наружной керамической оболочки 3 с прямоугольным выступом в середине, двух торцовых кольцевых медных электродов 4 и

5, цилиндрического осевого токоотвода 6 с электроизоляционной втулкой 7. По торцам прямоугольного выступа керамической оболочки 3 расположены два медных кольца 8.

Электроды 4 и 5 соединены с оболочкой 3 при помощи тонких медных стенок 9 и 10. Стенки

9 и 10 припаяны к оболочке 3 и электродам 4 и 5. Между стенками 9, 10, электродами и оболочкой 3 образуются полости — кольцевые коллекторы, через которые по трубам 11, 12

29

2,1

49

3 3

65 происходит подвод (Отвод) жидкого мета,Iла во внутреннюю полость. Через трубку 13 и отверстия в осевом токоотводе 6 и втулке 7 oc) ществляется пневмокомпенсация внутреннего объема канала. Статор 1 запрессован в корпус 14, имеющий оребрение для улучшения охлаждения. Детали 15, 16 являются клеммами.

Работает устройство следующим образом.

Я(идкий металл, постоянно находящийся в кольцевой полости устройства, образованной втулкой 3 и электродами 4, 5, занимают различное положение в зависимости от скорости его Вращения. Когда устройство находится в положении «замкнуто», жидкий металл вращается с относительно небольшой скоростью, необходимой лишь для удержания металла на оболочке 3 под действием цензробежных сил.

Внутренний выстyli Вт jëêH 3 погружен В жидкий металл, и электроды 4 и 5 замкнуты жидким металлом. Для размыкания цепи необходимо увеличить скорость вращения металла, ; 1 î обеспечивается соответствующим переключением обмотки статора на другу1о синхронную скорость вращения поля (изменением числа 113р ИОЛIОсов), лиоо пу тем уВеличения напряжения IIII I BHHH ooмо 1 ки. Под действием возросшей центробежной силы металл будет вытеснен из кольцевой полости по трубам 11, 12 в соответствующие емкости, например сильфоны, внутренний выступ втулки 3 оголится, и произойдет разрыв электроцепи. Для ускорения процесса коммутации кольцевая полость ЦКУ соединена черсз кольцевую щель

1Io втулке 7, систему отверстий Б токоотводе 6 и трубку 13 с системой пневмокомпенсации, которая в простейшем случае может быть заменена сильфоном. Система пневмокомпенсации ЦКУ может быть использована и для управления коммутатором, 11рН неизменной синхронной скорости вращающегося магнитного поля поло>кение свободной поверхности вра1ца1ощегося металла может регулироваться давлением инертного газа, подаваемого по трубке 13 внутрь устройства. Большему давлению будет соответствовать разомкнутое положение коммутатора, меньшему давлению— замкнутое положение.

1ак как по осевому медному токоотводу 6 и жидкому металлу ток течет в противоположных направлениях, то тангенциальное магнитное поле в области за кера,;è÷åñêîé втулкой 3 отсутствует, и магпитопровод статора

1 не насыщается, В области вращающегося жидкого металла существует тангенциальное магнитное поле, которое создается током, протекающим по токоотводу 6. Взаимодействие этого поля с силовым током жидкого металла приводит к появлению радиальной электромагнитной силы, совпадающей по направлеHHIo с центробе1кпой силой. Максимальной величины эта сила будет достигать в поверхностном слое металла, и следовательно, она будет способствовать стабилизации свободной поверхности металла.

546954

Составитель А. Иванов

Тсхрсд Е. Хмелева Корректор Т. Добровольская

Редактор И. Шейкин

Заказ 338,/2 Изд. ¹ 219 Тираж 1019 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4, 5

Типография, пр. Сапунова, 2

Медные кольца 8 по торцам внутреннего выступа втул141! 3 служат для уменьшения влияния поперечного краевого эффекта, когда вращающийся жидкий металл разделяется изоляционным выступом на две части (в поло>кении ЦКУ «разомкнуто»).

Для обеспечения удовлетворительной гидродинамики при вращении жидкого металла в установившемся режиме работы ЦКУ и в процессе коммутации каждый электрод имеет на периферии внутреннюю кольцевую полость, сообщающуюся с одной стороны через кольцевой зазор с внутренней полостью устройства, а с другой стороны соединяемую осевыми отверстиями, равномерно расположенным по окружности, с емкостью для жидкого металла.

Формула изобретения

1. Центробежное жидкометаллическое коммутационное устройство, содержащее трехфазный индуктор, два твердометаллических электрода, направленных торцами друг к другу и два изоляционных коаксиально расположенных цилиндра, ооразующих совместно с торцами электродов кольцевой канал, заполленный жидким металлом, отличающийся тем, что, с целью снижения мощности управления и обеспечения работоспособности устройства при любом расположении в пространстве и невесомости, наружный изоляционный цилиндр выполнен, по крайней мере, с одним снабженным 110 оокам токопроводящими кольцами, а электроды вы5 полнены в виде кольцевых коллекторов с внутренней полостью и снабжены патрубками подвода жидкого металла и системой пневмокомпенсации 06 hcxIa >I II+I 010 металла.

2. Устройство по п. 1, отл и ч аю щееся

10 тем, что система пневмокомпенсацпи объема жидкого металла выполнена в виде резервуара переменного ооъема, например спльфона, сообщающегося с упомянутым кольцевым каналом при помощи осевого канала, выполнен15 ного в одном пз электродов, и ряда радиальных отверстий, выполненн в том же электроде и внутреннем изоляционном цилиндре.

Источники информации, принятые во внимание при экспсртп е:

20 1. «Металлические ртутные выпрямители».

Технический справочш1к, М.-Л, 1951, стр. 1—

9.

2, Сборник >Iатериа Ion I V Ta I;11111cK0 1 совещанию. Таллин, 1972, выпуск 6, стр. 10 — 16, 25 рис. 6.

3. Богуславский и др. «Опыт коммутации постоянного тока жидким металлом». «Магнитная гидродпнампка» № 1, Рига, 1972, (прототип).