HU186149B - Parametric electric machine - Google Patents

Description

A találmány tárgya paraméteres villamos gép, ami legalább egy, időben változtatható kapacitású kondenzátorból és ezzel sorbakapcsolva legalább egy indukciós tekercset tartalmazó induktivitásból és egy ohmos ellenállásból áll.

Korábban már javasolták, hogy a mechanika energiát egy rezgőkör villamos mennyiségeinek periodikus változtatása útján alakítsák át villamos energiává. Egy ilyen „paraméteres generátornál’ pl. egy kondenzátorból és egy indukciós tekercsből álló soros rezgőkör kapacitását időben periódiku san változtatják. A kondenzátor kapacitásának csökkentése végett munkát kell végezni, mivel a kondenzátor töltését kisebb térbe, vagyis kisebb kapacitásra kell összesűríteni. Az energiaforrás itt az a mechanizmus, ami a kapacitást csökkenti. A kapacitás növeléséhez nem kell energiát juttani a rendszerbe, mivel az egynemű töltések taszítják egymást és nagyobb kapacitáson maguktól foglalnak el nagyobb teret. Ezért a kapacitás periodikus csökkentésekor és növelésekor csak a hajtószerkezetből a rezgőkörbe irányuló energiaáramlás lép fel (a mechanikai energia átalakítása villamos energiává).

A paraméteres generátortól néhány előny várható a hagyományos, indukciós elven működő generátorokhoz képest. Az indukciós generátoroknál ugyanis — hacsak nem állandó mágnessel működnek, mint pl. a kerékpárdinamó —^: a szükséges mágneses mezőt gerjesztőtekercsek létesítik, amelyeknek tekercseléseiben természetszerűleg Jouleféle veszteségek lépnek fel. Ezek a veszteségek akkorák, hogy egy bizonyos generátorteljesítmény fölött közvetlen vízhűtésre van szükség. A forgórész tekercseléseiben is jelentős hőveszteségek léphetnek fel. Ezzel szemben a paraméteres generátorban alig lépnek fel hőveszteségek. Ezen kívül a paraméteres generátorral közvetlenül lehet viszonylag nagy — kilóvolt nagyságrendű — feszültséget előállítani. További előny a paraméteres generátor egyszerű szerkezete és kis súlya.

A paraméteres kialakítására irányuló eddigi kísérletek azonban nem voltak eredményesek. Egyrészt nem sikerük a fogyasztók által létesített, váltakozó terhelésektől független, stabil periodikus váltakozóáramot termelni, mivel vagy az áram exponenciálisan növekedett és ezért az indukciós tekercsek elégtek, vagy a váltakozóáramú rezgés gyorsan csillapodott. Másrészt nem sikerült a paraméteres generátorral szinuszalakú váltakozóáramú rezgéseket gerjeszteni. Ennek okát megtalálhatjuk a paraméteres rezgőkör differenciál-egyenletének elemzésével. Ez a differenciálegyenlet időben periódikus kapacitás esetén a következő:

(I) ahol L_o az (egyelőre) állandónak tekintett induktivitás, C„ az összkapacitás átlagértéke, azaz C„ = (C_max + C_mn)/2, aholis C_max a kapacitás legnagyobb, C_m,_n pedig legkisebb értékét jelenti. A kapacitás változása J C = (C_max — C_m„,)/2. R_o az induktivitás (egyenlőre) állandó ohmos ellenállása és Q(t) a kondenzátor töltése.

Az (I) differenciálegyenlet csillapított Mathieudifferenciálegyenlet, aminek általában instabil megoldásai vannak, vagyis a feszültség, a töltés és áram vagy exponenciálisan a végtelenhez, vagy nullához tart. Csak az R_o, L„, C_o és ZlC paraméterek meghatározott értékei esetén jön létre stabil periodikus rezgés, ami azonban időben nem szinuszfüggvény, hanem Mathieu-függvény szerint változik. Aligha van azonban olyan áramellátó hálózat, amelynek számára időben Mathieu-függvény szerint változó villamos feszültségre lenne szükség.

Ennek a hiányosságnak a kiküszöbölésére a 633 254 sz. NSZK-szabadalom azt javasolja, hogy egy változtatható kapacitású, paraméteres rezgőkört szinuszalakú váltakozó feszültség betáplálásával kényszerítsenek arra, hogy ezt a külső gerjesztést paraméteres effuktusokkal erősítse („power amplifier”, teljesítményerősítő).

Találmányunk célja ezzel szemben olyan paraméteres villamos gép kialakítása, ami külső gerjesztés nélkül is alkalmas stabil, szinuszalakú váltakozóáram terhelésére (generátor) és ezen kívül villamos energiát át tud alakítani mechanikai energiává (motor), mégpedig úgy, hogy szinuszalakú váltakozóáramot szolgáltató áramellátó hálózatra csatlakoztatjuk.

Ezt a feladatot a találmány értelmében úgy oldjuk meg, hogy a gép rezgőkörében teljesen a

feltétel, ahol C_o a kondenzátor (illetve kondenzátorok) (össz-/alapkapacitása, AC a kondenzátor (illetve kondenzátorok) (össz-/kapacitásának mechanikai változása, Lo az indukciós tekercs(ek) (össz-/induktivitása és Ro az indukciós tekercs(ek), valamint minden járulékos, tiszta ohmos ellenállás ohmos (össz-/ellenállása terheletlen állapotban. Emellett a rezgőkörnek legalább egy paramétertagja (L, R, C) a rezgőkörben folyó I áram függvénye.

C_o és AC a kondenzátor (kondenzátorok) (Ossz-) kapacitásának C_ma.x legnagyobb értékével és C_min legkisebb értékével — mint fentebb az (I) egyenletben — a következő összefüggésben áll:

A legegyszerűbb esetben a rezgő „kapacitása” egyetlen, változtatható kapacitású kondenzátorból, „induktivitása” egyetlen, ferromágneses anyagú vasmaggal ellátott indukciós tekercsből áll. A „kapacitás” állhat azonban több, párhuzamosan vagy sorba kapcsolt kondenzátorból, amelyek közül legalább egynek a kapacitása időben változtatható. Az „induktivitás” is állhat több, párhuzamosan vagy sorba kapcsolt indukciós tekercsből, amelyek közül legalább egynek ferromágneses anyagból készült, nyugvó vasmagja van.

A találmány azon alapszik, hogy az (I) differenciálegyenlet átalakítható olyan rezgési egyenletté, amelynek megoldási szinuszfüggvények. Ez akkor lehetséges, ha a rezgési egyenlet tartalmaz egy nemlineáris tagot. A találmány azon alapszik továbbá, hogy a rezgési egyenlet ily nem-lineáris tagja műszakilag úgy valósítható meg, hogy a rezgőkörben folyó áram —

-2186149

I = Q' = függvény. Ha például abból indulunk ki, hogy az induktivitás az

L = L„ (1 + g(Q') törvényt követi, akkor a paraméteres rezgőkörre a ⁵ következő homogén nem-lineáris differenciálegyenletet kapjuk:

d’Q dt²

Ro ^dQ , Q L„ dt L„C„ (1) cos ω t l+g(Q') + Q'g'(Q') = o, q'=^2 dt = I.

(II) g(Q’) alkalma és műszakilag megvalósítható megválasztása esetén a (II) differenciálegyenletnek van egy stabil, szinuszos megoldása (néhány periódi. kus, nem-szinuszalakú berezgési folyamat után), feltételezve, hogy fennáll a találmány szerinti

AC

Co

2Ro

küszöbfeltétel, valamint az egyik lehetséges rezonanciafelvétel.

Egy ilyen rezonanciafelvétel a következő _ω = 2 ¹ ± i/ ¹ F^cy /Üc7 k l_oc_o\2c_o/ l₀ ²

Bár a küszöbfeltétel a C_o, Ro, L_o értékeket, tehát a terheletlen rezgőkör paramétertagjainak értékeit tartalmazza, mégis egyenlőtlenségként terhelt állapotban is érvényes. 35

A küszöbfeltétel betartása generátornál azt jelenti, hogy a generátorba legalább annyi mechanikai energiát táplálunk be, amennyi veszteség az ohmos ellenállásokban fellép. Motornál a küszöbfeltétel betartása biztosítja azt, hogy a betáplált villa- 40 mos energia egyenlő legyen az ohmos ellenállásokban fellépő veszteségekkel.

A találmány szerinti jellemző, amelynek értelmében legalább egy paramétertag (L, R, C) a rezgőkörben folyó áram függvénye — és ezáltal a réz- 45 gési egyenlet nem-lineárissá válik és szinuszalakú megoldásokat kapunk — azt jelenti, hogy a gép rezgőkörében kell lennie egy indukciós tekercsnek és/vagy egy ellenállásnak és/vagy egy kondenzátornak, amelyek induktivitása, illetve ellenállása, 50 illetve kapacitása az áramtól függően változik. Ennek különböző műszaki kiviteli lehetőségei vannak.

Egy ilyen találmány szerinti lehetőség az, hogy a rezgőkör induktivitásának legalább egyik indukci- 55 ős tekercsében mágneses anyagból készült, nyugvó vasmag van. Az indukciós tekercs vasmagjaként célszerű kisveszteségű ferromágneses anyagot alkalmazni azért, hogy a ferromágneses anyagból készült vasmag vasveszteségei minél kisebbek le- 60 gyenek. Ez azt jelenti, hogy az anyag hiszterézishurokjának minél kisebb felületet kell bezárnia. Célszerű, ha a vasveszteség 1—3 W (kg nagyságrendű) V,o veszteségi szám 50 Hz-en és IT = 10 kg maximális redukció esetén). Emellett a hiszterézis- 65 hurok legyen minél meredekebb, hogy így a A L/A I függés igen nagy legyen.

A rezgési egyenlet nem-lineárizálásának egy másik műszaki lehetősége pl. az, hogy a rezgőkör induktivitásával sorbakapcsolunk egy termoellenállást, vagyis olyan ellenállást, ami az áramtól (és a hőfoktól) függően változik, vagy pedig olyan kondenzátort alkalmazunk, aminek kapacitása — pl. dielektrikumának speciális tulajdonságai következtében — a rajta átfolyó áramtól függ.

A találmány szerinti jellemzők révén olyan valódi paraméteres generátort alakíthatunk ki, ami a szokványos, frekvenciaérzékeny váltakozóáramú generátorokkal ellentétben még akkor is stabil frekvenciájú és amplitúdójú, szinuszalakú váltakozóáramot szolgáltat, ha a hozzá csatlakoztatott fogyasztók ohmos ellenállásának, induktivitásának és kapacitásának értékei sztochasztikusan erősen váltakozóak.

A találmány szerinti jellemzők révén továbbá kialakíthatjuk olyan paraméteres motort, amit normális váltakozóáramú hálózatról lehet táplálni, könnyű a szerkezete, továbbá — a paraméterek megválasztásától függően — nagy fordulatszámok előállítására képes és közvetlenül csatlakoztatható kilóvolt nagyságrendű nagyfeszültségre.

A találmány a továbbiakban annak egy kiviteli alakja kapcsán ismertetjük részletesebben ábráink segítségével, amelyek közül:

— az 1. ábra egy találmány szerinti paraméteres generátor kapcsolási rajza;

— a 2. ábra egy időben változtatható kapacitású kondenzátor és a vele sorbakapcsolt, vasmagos indukciós tekercs egyik kiviteli alakjának metszeti képe;

— a 3. ábra egy forgólemez nézeti képe;

— a 4. ábra a 2. ábra szerinti kondenzátor egyik állólemezének nézeti képe, és — az 5. és 6. ábra a találmány szerinti paraméteres generátor további kiviteli alakjainak kapcsolási rajzai.

Az 1. ábra szerint a paraméteres generátor egy időben periodikusan változtatható kapacitású 1 kondenzátorból és egy ferromágneses anyagból készüli 3 vasmagot tartalmazó 2 indukciós tekercsből áll. A 4 fogyasztó ebben az esetben a 2 indukciós tekerccsel párhuzamosan van kapcsolva.

Az 1 kondenzátor a 2. ábrán látható módon 5 állólemezekből és 6 forgólemezekből áll. A 6 forgólemezek villamosán vezető kötéssel vannak rögzítve a 7 tengelyen, amit a jelképesen ábrázolt mechanikus 8 hajtás, pl. egy motor vagy egy turbina hajt. Az 5 állólemezeket a villamosán vezető 9 pálcák tartják. Az 5 állólemezek és 6 forgólemezek felépítése lényegében megegyezik és — úgy mint a 3. ábrán tátható forgólemeznél és a 4. ábrán látható állólemeznél — váltakozva villamosán vezető, pl. vörösréz, 10 szektorokból és villamos szigetelő, pl. műanyag 11 szektorokból áll. A forgólemezek forgatásakor a kondenzátor C kapacitása az időben periódikusan változik.

Az 1 kondenzátorral sorbakapcsolt 2 indukciós tekercs a 12 tekercselésből és a 3 vasmagból áll. A 3 vasmag a jelen esetben 0,35 mm vastag, IV-es, V10 ~ 1,3 W/kg veszteségi számmal rendelkező műszak¹ dinamólemezből készült E—I-vasmag. A rajzon nem ábrázolt fogyasztót pl. a 2 indukciós tekercs 13 kapcsaira csatlakoztatjuk.

-3186149

Minthogy az 1 kondenzátor kapacitásának időbeli periodicitása a rezonanciafelvétel értelmében meg kell, hogy feleljen a rezgőkör frekvenciájának, ezért célszerű, hogy a paraméteres generátornak legyenek ehhez beállítási lehetőségei. Az 1 5 kondenzátor kapacitása időbeli változásának periódushossza a motor, illetve turbina fordulatszámától, valamint — az ábrázolt kiviteli alaknál — a 6 forgólemezek, illetve 5 állólemezek 10, 11 szektorainak számától függ. Ezért a rezonanciafeltételek 10 teljesítéséhez változtathatjuk pl. a 8 hajtás fordulatszámát, pl. fokozatmentesen állítható hajtóművel. Ehelyett a rezgőkör elektromágneses mennyiségei is kialakíthatók változtatható módon. így a 2 indukciós tekercs induktivitását változtathatjuk a 15 3’ járom (I-elem) és a 3 vasmag E-eleme közötti légrés beállításával, az összkapacitást változtathatjuk úgy, hogy egy kis járulékos változtatható kapacitást sorbakapcsolunk.

Egy találmány szerinti paraméteres generátorral, 20 amelynél U = 80 H; C_o = 2,13.10-9 F; JC = 0,22 C_o; Ro = 10 kohm és amelynek vasmagja 0,35 mm vastag, IV-es, V,_o= 1,3 W/kg vasveszteségű dinamólemezből készült, 300 Hz frekvencián 1050 V stabil váltakozó feszültséget értünk el. Kisebb frek- 25 venciák és nagyobb feszültségek eléréséhez a kondenzátor fordulatszámát és/vagy az L,,, C_o, AC paramétereket kell megfelelően változtatni.

Az 1. ábrán látható kapcsolási rajz szerint a 4 fogyasztót a 2 indukciós tekerccsel párhuzamosan 30 csatlakoztatjuk. Lehetőség van azonban arra is, — mint ez az 5. ábrán látható — hogy a 4’ fogyasztót az egy kondenzátorral és a 2 indukciós tekerccsel sorbakapcsoljuk. A gyakorlatban a legkedvezőbb azonban az, hogy a 4” fogyasztót a 6. ábra szerint 35 transzformátoron keresztül csatlakoztatjuk a paramétees generátor rezgőkörére úgy, hogy az induktivitás 12 tekercselése képezi a transzformátor primer tekercsét és a rezgőkör induktivitásának 3 vasmagját úgy képezzük ki, hogy a primer 12 tekercse- 49 lést és a szekunder 14 tekercselést mágnesesen csatolja. Nem feltétlenül szükséges, hogy a rezgőkör induktivitásának egész 12 tekercselése egyidejűleg a transzformátor primer tekercse legyen. Ha pl. a rezgőkör induktivitása több tekercsből áll, akkor 45 elegendő, ha ezek egy része képezi a transzformátor primer tekercsét.

Az időben periódikusan változtatható kapacitás a leírt kiviteli alaktól eltérően, műszakilag más módon is megvalósítható, pl. úgy, hogy a kondenzá- 50 tor dielektrikumát fogaskerékként alakítjuk ki, ezt motorral, vízturbinával vagy hasonlóval hajtjuk és így forog a kondenzátorlemezek között. Hengerkondenzátort is lehet alkalmazni, ami két, egymáshoz képest elforgatható, váltakozóan vezető és die- 55 lektromos anyagú szakaszokra tagolt, koaxiálisán egymásba tolt hengerekből áll.

A rajzokon ábrázolt generátort az általános termodinamikai elvek szerint motorként is alkalmazhatjuk, ha a 2. ábrán a 13 kapcsokra váltakozó fe- θθ szükséget kapcsolunk és az 1 kondenzátor 6 forgólemezeivel, illetve az 1 kondenzátor 7 tengelyével indító forgatónyomatékot közlünk, hogy a rezonanciafeltétel teljesüljön. Ennek következményeként a 10 szektorok pozitív és negatív töltést kapnak és elektrosztatikus taszítóerők, illetve forgatónyomatékok lépnek fel.

Claims (8)

1. Szabadalmi igénypontok

   1. Paraméteres villamos gép, ami legalább egy, időben változtatható kapacitású koncenzátorból és ezzel sorbakapcsolva legalább egy indukciós tekercset tartalmazó induktivitásból és egy ohmos ellenállásból áll, azzal jellemezve, hogy a gép rezgőkörében fennáll a feltétel, ahol Co a kondenzátor (1), (illetve kondenzátorok) (össz-) alapkapacitása, AC a kondenzátor (1) , (illetve kondenzátorok) (össz-) kapacitásának mechanikai változása, Lo az indukciós tekercs(ek) (2) (össz-) induktivitása és Ro az indukciós tekercs(ek) (2), valamint minden járulékos, tiszta ohmos (össz-) ellenállása terheletlen állapotban, továbbá, hogy a rezgőkörnek legalább egy paraméteres tagja a rezgőkörben folyó I áram függvénye. (Elsőbbsége: 1981. 10. 29.)
2. 2. Az 1. igénypont szerinti paraméteres villamos gép kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy az induktivitásnak legalább egyik indukciós tekercsében (2) ferromágneses anyagból készült nyugvó vasmag (3) van. (Elsőbbsége: 1982. 06. 07.)
3. 3. A 2. igénypont szerinti paraméteres villamos gép kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy az indukciós tekercs (2) vasmagja (3) kisveszteségű ferromágneses anyagból készül. (Elsőbbsége: 1981.

   10. 29.)
4. 4. A 3. igénypont szerinti paraméteres villamos gép kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy az indukciós tekercs (2) vasmagjának veszteségei száma (V10) körülbelül 1 és 3 W/kg között van. (Elsőbbsége: 1981. 10. 29.)
5. 5. A 2—4. igénypontok bármelyike szerinti paraméteres villamos gép kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy az indukciós tekercs (2) vasmagja (3) 0,35 mm vastag, IV-es dinamólemezkötegből áll. (Elsőbbsége: 1981. 10. 29.)
6. 6. Az 1. igénypont szerinti paraméteres villamos gép kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy az időben változtatható kapacitású kondenzátor (1) egymáshoz képest elforgatható, váltakozóan vezető és dielektromos anyagú szektorokra (10,11) tagolt, tengelyre (7) merőleges állólemezekből (5) és forgólemezekből (6) áll. (Elsőbbsége: 1982. 06. 07.)
7. 7. Az 1. igénypont szerinti villamos gép, azzal jellemezve, hogy az időben változtatható kapacitású kondenzátor (1) egymáshoz képest elforgatható, váltakozóan vezető és dielektromos anyagú szakaszokra tagolt, koaxiálisán egymásbatolt hengerekből áll. (Elsőbbsége: 1982. 06. 07.)
8. 8. Az 1—7. igénypontok bármelyike szerinti paraméteres villamos gép kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a fogyasztó (4”) transzformátoron át van a rezgőkörhöz csatlakoztatva, továbbá, hogy a transzformátor tekercse és az induktivitás (2) tekercselése legalább részben azonos. (Elsőbbsége: 1981. 10. 29.)