RU2201001C2

RU2201001C2 - Magnetic flux amplifier and power devices built around it

Info

Publication number: RU2201001C2
Application number: RU2000109693/09A
Authority: RU
Inventors: П.Г. Гусев; А.В. Богослов; В.Б. Крюковский
Original assignee: Гусев Петр Геннадьевич; Богослов Алексей Владимирович; Крюковский Виктор Борисович; Открытое акционерное общество "Полимерсинтез"
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2003-03-20

Abstract

FIELD: electrical engineering; electromagnetic devices, AC and DC drive systems, switching transistors. SUBSTANCE: magnetic flux amplifier incorporated in power device is made in the form of oscillatory power circuit resonance-tuned with respect to current, its home oscillation frequency being equal to that of its power supply; it has parallel-connected inductance coil with transformer core and capacitor so that common magnetic circuit of amplified magnetic flux receiver/converter circuit is formed. Parameters of inductance coil, core, and capacitor are chosen so as to set magnetic flux density in common magnetic circuit close to its full magnetic saturation limit at power device load ranging between no load and full load. EFFECT: enhanced amount of commercial current saved in the process. 12 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к конструкции усилителя магнитного потока и к электротехническим устройствам на основе этого усилителя, таким как электромагниты и электромагнитные устройства, электронагреватели, приводные системы переменного и постоянного тока, импульсные трансформаторы. Указанные силовые электротехнические устройства работают на принципе преобразования электрической энергии промышленного переменного частотой 50-60 Гц и постоянного тока через генерирование электромагнитного потока, образующегося в катушке индуктивности с сердечником этих устройств и преобразования его в механическую энергию (приводные системы), в тепловую энергию (индукционные электронагреватели), в энергию усилия-притяжения/отталкивания (электромагниты), либо изменяют напряжение переменного импульсного тока (импульсные трансформаторы). Эффективность работы этих силовых электротехнических устройств во многом зависит как от их генерирующих магнитный поток элементов конструкции, так и от конструкции приемников/преобразователей магнитного потока для обеспечения полезной нагрузки на указанные электротехнические устройства. В приводных системах такими приемниками/преобразователями являются роторы/якори электродвигателей, в электромагнитных устройствах это сердечник с якорем, в индукционных нагревателях - нагреваемый элемент, в импульсных трансформаторах - вторичная обмотка с нагрузкой. The invention relates to the design of a magnetic flux amplifier and to electrical devices based on this amplifier, such as electromagnets and electromagnetic devices, electric heaters, AC and DC drive systems, pulse transformers. These power electrical devices operate on the principle of converting electrical energy of an industrial variable frequency of 50-60 Hz and direct current through the generation of electromagnetic flux generated in the inductance coil with the core of these devices and converting it into mechanical energy (drive systems), into thermal energy (induction heaters ), into the energy of the force of attraction / repulsion (electromagnets), or change the voltage of an alternating pulse current (pulsed transformation tori). The efficiency of these power electrical devices largely depends both on their magnetic flux-generating structural elements and on the design of the magnetic flux receivers / converters to provide a payload on these electrical devices. In drive systems, such receivers / converters are rotors / anchors of electric motors, in electromagnetic devices it is a core with an armature, in induction heaters it is a heated element, in pulse transformers it is a secondary winding with a load.

Пределы эффективности элементов конструкций, генерирующих магнитный поток и его преобразователей/приемников далеко еще не достигнуты. Поэтому совершенствование конструкции генераторов и преобразователей магнитного потока в силовых электротехнических устройствах остается актуальной задачей для промышленности. Изобретатели активно работают над этой проблемой и добиваются определенных положительных результатов (см. например, журнал "Приводная техника", 3-4, 1999 г., с.21-22). The limits of efficiency of structural elements generating magnetic flux and its converters / receivers are far from being reached. Therefore, improving the design of generators and converters of magnetic flux in power electrical devices remains an urgent task for the industry. Inventors are actively working on this problem and achieve certain positive results (see, for example, the journal "Drive Technology", 3-4, 1999, pp.21-22).

Уровень техники
Широко известны генераторы/усилители магнитного потока в силовых электроагрегатах, таких как электроприводы переменного и постоянного тока, которые состоят из цепей питания от источника тока, соединенных с цепью питания обмоток возбуждения электродвигателей с сердечником и приемника/преобразователя магнитного потока- ротора или якоря. В индукционном электронагревателе таким приемником служит нагреваемый элемент с достаточной магнитной проницаемостью.State of the art
Magnetic flux generators / amplifiers are widely known in power generating sets, such as AC and DC electric drives, which consist of power supply circuits from a current source connected to the power supply circuit of the excitation windings of the core motors and the magnetic flux receiver / transformer or armature. In an induction electric heater, a heated element with sufficient magnetic permeability serves as such a receiver.

Общими недостатками известных конструкций генераторов/усилителей магнитного потока в электроагрегатах переменного тока являются:
- невысокий зависимый от нагрузки коэффициент мощности (Cos φ),
- относительно низкий КПД использования мощности источника питания,
- перегрузка источника питания реактивной ЭДС,
- свободная нереализованная мощность по магнитной индукции сердечника.Common disadvantages of the known designs of generators / amplifiers of magnetic flux in electrical units of alternating current are:
- low load-dependent power factor (Cos φ),
- a relatively low efficiency of using the power of the power source,
- overload power supply reactive EMF,
- free unrealized magnetic induction power of the core.

Общими недостатками известных конструкций генераторов/усилителей магнитного потока в электроагрегатах постоянного тока, которые также проявляются в их низкой экономичности, являются:
- отсутствие, либо низкая эффективность подзарядки источника постоянного тока, большой разброс по амплитуде подзарядного тока, пониженная работоспособность источника тока, искрение и подгорание контактов переключателей.Common disadvantages of the known designs of generators / amplifiers of the magnetic flux in electrical units of direct current, which also manifest themselves in their low efficiency, are:
- the absence or low efficiency of recharging a DC source, a large spread in the amplitude of the recharging current, reduced efficiency of the current source, sparking and burning of the contacts of the switches.

На повышение пускового момента, уменьшение пускового тока и повышение коэффициента мощности направлены изобретения по международной заявке WO 88/01803 от 10.03.88 г. и заявке на патент ФРГ 4125927. В конструкции электродвигателя по международной заявке WO 88/01803 к обмоткам статора одновременно (квази) параллельно и (квази)последовательно подключены конденсаторы с образованием колебательных контуров и (квази)параллельного и (квази)последовательного резонанса токов. Это позволяет, по мнению авторов изобретения, увеличить коэффициент мощности до 0,96-1,0 и при всех режимах нагрузок почти полностью разгрузить сеть переменного тока от реактивных токов, образующихся в обмотках статора электродвигателя. В соответствии с заявкой на патент ФРГ 4125927 предложена конструкция компенсированного электродвигателя, практически не потребляющего из сети реактивной мощности. В таком электродвигателе в пазы статора уложены две 3-х фазные обмотки - рабочая и компенсационная. При этом в цепь компенсационной обмотки последовательно с ее фазами включены конденсаторы. На статоре обмотки расположены со взаимным сдвигом, угол которого выбирают так, чтобы компенсационная обмотка загружалась в основном реактивным током, а рабочая - активным. The invention is directed to increasing the starting torque, decreasing the starting current and increasing the power factor according to the international application WO 88/01803 of 03/10/08 and the German patent application 4125927. In the design of the electric motor according to the international application WO 88/01803 to the stator windings simultaneously (quasi ) in parallel and (quasi) capacitors are connected in series with the formation of oscillatory circuits and (quasi) parallel and (quasi) series resonance of currents. This allows, according to the authors of the invention, to increase the power factor to 0.96-1.0 and under all load conditions almost completely relieve the AC network from reactive currents generated in the stator windings of the electric motor. In accordance with the patent application of Germany 4125927 proposed the design of a compensated electric motor, which practically does not consume reactive power from the network. In such an electric motor, two 3-phase windings are placed in the grooves of the stator - working and compensation. In this case, capacitors are connected in series with the phases of the compensation winding circuit. On the stator, the windings are arranged with a mutual shift, the angle of which is chosen so that the compensation winding is loaded mainly with reactive current, and the working one is active.

Недостатками вышеуказанных конструкций компенсированных электродвигателей являются увеличенный расход материалов (меди, электротехнической стали) на единицу полезной мощности и пониженные технико-экономические показатели. Этот недостаток обусловлен тем, что размещение на статоре дополнительных обмоток, занимающих более 20% общего объема электромагнитной машины, приводит к снижению токовой нагрузки на рабочую обмотку и соответственно к снижению активной мощности машины. Кроме того, основные и дополнительные обмотки имеют различное число витков в фазах и выполнены из проводников с разной площадью поперечного сечения, что, в свою очередь, усложняет технологический процесс изготовления машины и приводит к увеличению ее стоимости. The disadvantages of the above constructions of compensated electric motors are increased consumption of materials (copper, electrical steel) per unit of useful power and reduced technical and economic indicators. This disadvantage is due to the fact that the placement of additional windings on the stator, occupying more than 20% of the total volume of the electromagnetic machine, reduces the current load on the working winding and, accordingly, reduces the active power of the machine. In addition, the main and additional windings have a different number of turns in phases and are made of conductors with different cross-sectional areas, which, in turn, complicates the manufacturing process of the machine and leads to an increase in its cost.

Недостатком известных конструкций индукционных нагревателей, работающих на промышленной частоте переменного тока (они включают в себя катушку индуктивности и нагреваемый элемент, который служит здесь одновременно и сердечником катушки), является низкий КПД, высокое потребление реактивной мощности от источника питания (низкий коэффициент мощности), значительные потери на рассеяние магнитного потока, большой расход меди для изготовления катушки индуктивности, тяжелый тепловой режим ее работы. A disadvantage of the known designs of induction heaters operating at an industrial frequency of alternating current (they include an inductor and a heated element, which serves here also as the core of the coil), is the low efficiency, high consumption of reactive power from the power source (low power factor), significant losses due to scattering of the magnetic flux, a large consumption of copper for the manufacture of an inductor, heavy thermal operation.

Недостатками высокочастотных индукционных нагревателей, которые включают в себя высокочастотный преобразователь и колебательный контур радиотехнической частоты, являются чрезвычайно низкий КПД, сложность эксплуатации, электрическая и экологическая опасность. The disadvantages of high-frequency induction heaters, which include a high-frequency converter and an oscillating circuit of a radio frequency, are extremely low efficiency, operation complexity, electrical and environmental hazards.

Известен электропривод постоянного тока малой мощности изобретателя Гусева П.Г., который включает источник постоянного тока, электродвигатель постоянного тока, подключенный обмоткой возбуждения к одной из клемм источника тока, а также включенные в цепь между электродвигателем и другой клеммой источника параллельно диод и катушку индуктивности с сердечником (патент РФ 2017317 от 04.02.1993 г.). Недостатком этого электропривода является низкая эффективность подзарядки источника постоянного тока ввиду того, что импульсы тока, посылаемые через диод на подзарядку источника питания, имеют большой разброс по амплитуде. Это снижает работоспособность аккумулятора (источника тока). Малая продолжительность и низкая амплитуда подзарядных импульсов, обусловленная малой индуктивностью дросселя по отношению к индуктивности двигателя, также снижает эффективность подзарядки. Known electric low-voltage direct current drive of the inventor Gusev P.G., which includes a direct current source, a direct current motor connected to an excitation winding to one of the terminals of the current source, as well as a diode and an inductor connected to the circuit between the electric motor and the other source terminal in parallel with core (RF patent 2017317 from 04/04/1993). The disadvantage of this electric drive is the low efficiency of recharging a direct current source due to the fact that the current pulses sent through the diode to recharge the power source have a large spread in amplitude. This reduces the performance of the battery (current source). The short duration and low amplitude of the charging pulses, due to the low inductance of the inductor in relation to the inductance of the engine, also reduces the charging efficiency.

Известен электропривод постоянного тока изобретателя Гусева П.Г., включающий цепь питания от источника постоянного тока, электродвигатель постоянного тока, подключенный обмоткой возбуждения к одной из клемм цепи питания, и включенные в цепь питания между электродвигателем и другой клеммой цепи питания первичную и вторичную катушки индуктивности с общим сердечником (заявка на патент СССР 4867701 от 19.09.1990 г.). Недостаток этой конструкции - отсутствие подзарядки источника питания. A known direct current electric drive of the inventor Gusev P.G., including a power supply circuit from a direct current source, a direct current motor connected to an excitation winding to one of the terminals of the power supply circuit, and primary and secondary inductors included in the power supply circuit between the electric motor and the other power supply circuit terminal with a common core (application for a patent of the USSR 4867701 from 09/19/1990). The disadvantage of this design is the lack of recharging the power source.

Наиболее полно эффект резонансного усиления магнитного потока в колебательном контуре используется в несиловой радиотехнике, работающей на высоких частотах колебаний напряжения, тока и магнитного потока. В стандартном радиоприемнике магнитный усилитель состоит из цепи питания от источника переменного тока, генерируемого принимающей антенной, катушки индуктивности с сердечником и емкости, которые параллельно включены в цепь питания от источника переменного тока, а также - приемника/преобразователя усиленного магнитного потока в звуковой сигнал. The effect of resonant amplification of magnetic flux in the oscillatory circuit is most fully used in non-power radio engineering operating at high frequencies of voltage, current and magnetic flux oscillations. In a standard radio receiver, a magnetic amplifier consists of a power supply circuit from an alternating current source generated by a receiving antenna, a core inductor and capacitance, which are parallelly connected to an alternating current power supply circuit, and also a receiver / converter of the amplified magnetic flux into an audio signal.

Ограниченностью этого усилителя, наиболее близкого по технической сущности к заявляемому нами, является использование его только в пределах высоких частот тока и магнитного потока от 1кГц до 3•10⁴ МГц и неспособность работать в режиме промышленной силовой энергетики на переменном токе частотой в диапазоне 50-60 герц.The limitation of this amplifier, the closest in technical essence to the one claimed by us, is its use only within high frequencies of current and magnetic flux from 1 kHz to 3 • 10 ⁴ MHz and the inability to work in the industrial power industry using alternating current with a frequency in the range of 50-60 hertz.

Не случайно поэтому в силовой энергетике явления как параллельного, так и последовательного резонансов считаются негативными, т.к. ведут к резким скачкам тока и напряжения, не исключающие трагических случаев. Не случаен поэтому и тот факт, описанный выше, что изобретатели по WO 88/01803 остановили свое решение на КВАЗИ-резонансе и ограничились лишь увеличением коэффициента мощности, практически не затронув экономичности заявленного электродвигателя. It is no accident, therefore, that in the power industry phenomena of both parallel and sequential resonances are considered negative, because lead to sharp surges in current and voltage, not excluding tragic cases. Therefore, the fact described above is not accidental that the inventors according to WO 88/01803 decided on the quasi-resonance and limited themselves to an increase in power factor, almost without affecting the efficiency of the claimed electric motor.

Недостатками известных конструкций импульсных трансформаторов являются повышенный расход материалов на единицу мощности и зависимость коэффициента мощности от нагрузки. The disadvantages of the known designs of pulse transformers are the increased consumption of materials per unit of power and the dependence of the power factor on the load.

Сущность изобретения
В основу изобретения положена актуальная задача - создать усилитель магнитного потока, позволяющий достигнуть существенной экономии потребляемой энергии промышленного тока по сравнению с существующим уровнем электротехники.SUMMARY OF THE INVENTION
The basis of the invention is an urgent task - to create a magnetic flux amplifier, which allows to achieve significant savings in the consumed energy of industrial current in comparison with the existing level of electrical engineering.

Эта задача включает в себя частные задачи по созданию высокоэкономичных, технически более совершенных промышленных конструкций силовых электротехнических устройств, которые воплощали бы найденный нами усилитель магнитного потока, таких как электронагреватели переменного тока, электроприводы постоянного тока малой, средней и большой мощности, электромагнитные устройства переменного тока, такие как собственно электромагниты, электромагнитные пускатели, насосы, клапаны, муфты, вибрационные устройства, ударные инструменты, тормоза, электрокраны, электромагнитные столы, асинхронные электродвигатели, а также - импульсные трансформаторы. This task includes particular tasks of creating highly economical, technically more advanced industrial designs of power electrical devices that would embody the magnetic flux amplifier we found, such as AC electric heaters, low, medium and high power DC electric drives, AC electromagnetic devices, such as electromagnets proper, electromagnetic starters, pumps, valves, couplings, vibration devices, percussion instruments, brakes, electric electrocranes, electromagnetic tables, asynchronous electric motors, and also pulse transformers.

Под "переменным током" здесь понимается как переменный ток по значению напряжения и силы тока (пульсирующий, одного направления), так и переменный синусоидальный ток, который изменяется как по величине напряжения и силы тока, так и по их направлению на 180 или на "Пи радиан". By "alternating current" here is meant both alternating current in terms of voltage and current strength (pulsating, one direction), and alternating sinusoidal current, which varies both in magnitude of voltage and current strength, and in their direction by 180 or by "Pi radian".

Поставленные задачи решаются тем, что предлагаемая принципиальная конструкция усилителя магнитного потока силовых промышленных и бытовых электротехнических устройств выполнена в виде силового колебательного контура, состоящего из цепи питания от источника переменного тока, параллельно подключенных в цепь катушки индуктивности с сердечником и емкости, и с образованием общего магнитопровода - приемника/преобразователя усиленного магнитного потока для обеспечения полезной нагрузки на электротехническое устройство. При этом, согласно изобретению, катушка индуктивности имеет сердечник по типу трансформаторного и они вместе с емкостью выбраны из расчета установления в общем магнитопроводе величины магнитной индукции, близкой к пределу полного магнитного насыщения в диапазоне нагрузок от холостого хода до номинальной мощности электротехнического устройства. The tasks are solved by the fact that the proposed basic design of the magnetic flux amplifier of industrial and domestic electrical devices is made in the form of a power oscillating circuit, consisting of a power supply circuit from an alternating current source, connected in parallel to an inductor circuit with a core and capacitance, and with the formation of a common magnetic circuit - receiver / transducer of enhanced magnetic flux to provide a payload on the electrical device. Moreover, according to the invention, the inductor has a transformer type core and they, together with the capacitance, are selected to calculate the magnetic induction in the common magnetic circuit close to the full magnetic saturation limit in the load range from idle to the rated power of the electrical device.

Требуемая величина магнитной индукции в общем магнитопроводе может устанавливаться различными способами:
- выбором числа витков и сечения провода катушки индуктивности колебательного контура и катушки индуктивности приемника, если в последнем она имеется.The required value of magnetic induction in the common magnetic circuit can be set in various ways:
- the choice of the number of turns and the cross section of the wire of the inductance coil of the oscillatory circuit and the inductance coil of the receiver, if it is present in the latter.

- выбором материала, формы и размеров элементов общего магнитопровода, таких как сердечник катушки индуктивности, воздушные зазоры, толщина листов ферромагнетика и изоляционного материала между листами и зазора между листами. - the choice of material, shape and size of the elements of the common magnetic circuit, such as the core of the inductor, air gaps, the thickness of the sheets of the ferromagnet and insulation material between the sheets and the gap between the sheets.

Согласно изобретению катушка индуктивности усилителя магнитного потока содержит сердечник по типу трансформаторного. Трансформаторный сердечник отличается тем, что он выполняется из магнитомягкого материала и является сборным. В качестве магнитомягких материалов для изготовления сердечника усилителя можно использовать электротехнические стали и магнитные сплавы, а также современные ферриты, рассчитанные на частоту промышленного переменного тока. Основными требованиями при выборе материала для сердечника усилителя являются: высокая магнитная проницаемость, узкая петля гистерезиса и высокая магнитная индукция насыщения, а также экономическая целесообразность применения данного материала. Методы изготовления и формы сердечника усилителя - обычные для изготовления силовых трансформаторов. В качестве сердечника могут быть использованы сердечники современных промышленных и бытовых электротехнических устройств: магнитопроводы электродвигателя (статор и ротор), электромагнитов (ярмо и якорь), а также обычные трансформаторные сердечники, конструктивно приспособленные к заявленным электротехническим устройствам. According to the invention, the inductance coil of the magnetic flux amplifier comprises a transformer type core. The transformer core is characterized in that it is made of soft magnetic material and is prefabricated. As soft magnetic materials for the manufacture of the core of the amplifier, you can use electrical steel and magnetic alloys, as well as modern ferrites, designed for the frequency of industrial alternating current. The main requirements when choosing a material for the amplifier core are: high magnetic permeability, narrow hysteresis loop and high saturation magnetic induction, as well as the economic feasibility of using this material. The manufacturing methods and core shapes of the amplifier are common in the manufacture of power transformers. As a core, cores of modern industrial and household electrical devices can be used: magnetic circuits of an electric motor (stator and rotor), electromagnets (yoke and armature), as well as ordinary transformer cores, which are structurally adapted to the declared electrical devices.

Согласно изобретению принципиальным условием образования колебательного контура усилителя является выбор величины магнитной индукции магнитопровода, которая должна быть близкой к пределу его полного магнитного насыщения в диапазоне нагрузок от холостого хода до номинальной мощности электротехнического устройства. According to the invention, the fundamental condition for the formation of the oscillatory circuit of the amplifier is the choice of the magnetic induction of the magnetic circuit, which should be close to the limit of its full magnetic saturation in the load range from idle to the rated power of the electrical device.

Под "пределом магнитного насыщения магнитопровода" здесь понимается область перегиба кривой (так называемое "колено") намагничивания ферромагнитных частей магнитопровода. Выше "колена" - ферромагнетик насыщен и магнитная индукция при этом мало увеличивается при значительном увеличении напряженности магнитного поля или силы намагничивающего тока. Ниже "колена" - область пропорциональности, в которой магнитная индукция увеличивается пропорционально росту напряженности магнитного поля или силы намагничивающего тока. By "magnetic saturation limit of the magnetic circuit" here is meant the bend region of the curve (the so-called "knee") of the magnetization of the ferromagnetic parts of the magnetic circuit. Above the “knee”, the ferromagnet is saturated and magnetic induction does not increase much with a significant increase in the magnetic field strength or the strength of the magnetizing current. Below the “knee” is the region of proportionality, in which magnetic induction increases in proportion to the increase in the magnetic field strength or the strength of the magnetizing current.

Нами обнаружено, что создание силового колебательного контура согласно изобретению в условиях величины магнитной индукции, близкой к пределу полного магнитного насыщения магнитопровода, позволяет нам развить в колебательном контуре усиленный магнитный поток и реактивную мощность, которые участвуют здесь в обеспечении номинальной мощности электротехнического устройства при минимальном потреблении тока от источника питания. При этом обнаружено, что "выращивание" резонансного тока, магнитного потока и реактивной мощности согласно изобретению не вызывает пропорционального увеличения нагрева магнитопровода и катушки индуктивности выше допустимых пределов, что позволяет намного увеличить номинальную мощность. Существенным является также тот факт, что значение коэффициента мощности при этом достигает значений 0,98-1,0 и становится независимым от нагрузки, в несколько раз увеличивается магнитное сцепление составляющих частей магнитопровода, когда они образованы с воздушными зазорами. Существенно экономятся материалы на изготовление катушки индуктивности и магнитопровода, уменьшается стоимость электротехнических устройств на единицу мощности. Выдающимся является тот факт, что КПД заявляемых устройств вырастает на 10-300% и более в зависимости от электротехнического устройства, в котором применяется усилитель магнитного потока. We have found that the creation of a power oscillatory circuit according to the invention under conditions of magnetic induction close to the limit of full magnetic saturation of the magnetic circuit allows us to develop amplified magnetic flux and reactive power in the oscillatory circuit, which are involved here in ensuring the rated power of an electrical device with minimal current consumption from the power source. It was found that the "growth" of the resonant current, magnetic flux and reactive power according to the invention does not cause a proportional increase in the heating of the magnetic circuit and inductor above acceptable limits, which can significantly increase the rated power. It is also significant that the value of the power factor in this case reaches 0.98-1.0 and becomes independent of the load, the magnetic adhesion of the components of the magnetic circuit increases several times when they are formed with air gaps. Significantly saved materials for the manufacture of inductors and magnetic circuits, reduced the cost of electrical devices per unit of power. Outstanding is the fact that the efficiency of the claimed devices grows by 10-300% or more, depending on the electrical device in which the magnetic flux amplifier is used.

Верхний предел магнитного насыщения магнитопровода определяется необходимым запасом его магнитной проницаемости для пропускания магнитного потока, обеспечивающего максимально допустимую мощность (нагрузку) электротехнического устройства, и рабочей температурой магнитопровода. The upper limit of the magnetic saturation of the magnetic circuit is determined by the necessary margin of its magnetic permeability for transmitting magnetic flux, providing the maximum allowable power (load) of the electrical device, and the operating temperature of the magnetic circuit.

Нижний предел магнитного насыщения магнитопровода определяется экономической целесообразностью: чем меньше нижний предел - тем ниже экономическая эффективность силового колебательного контура согласно изобретению. Пределы магнитного насыщения сердечника для отдельных электротехнических устройств могут отличаться по абсолютному значению. The lower limit of the magnetic saturation of the magnetic circuit is determined by economic feasibility: the lower the lower limit, the lower the economic efficiency of the power oscillatory circuit according to the invention. The limits of magnetic saturation of the core for individual electrical devices may differ in absolute value.

Выбор емкости, которой снабжен заявляемый усилитель, определяется известными условиями образования колебательного контура, такими как:
- обеспечение требуемой мощности по резонансному току,
- равенство индуктивного и емкостного сопротивлений,
- условиями использования колебательного контура в конкретном электротехническом устройстве. В этой связи величина емкости может быть постоянной, переменной и переменно-дискретной.The choice of capacity, which is equipped with the inventive amplifier, is determined by the known conditions for the formation of the oscillatory circuit, such as:
- providing the required power for resonant current,
- equality of inductive and capacitive resistances,
- the conditions for the use of the oscillatory circuit in a particular electrical device. In this regard, the capacity can be constant, variable and variable-discrete.

Для использования усилителя магнитного потока в электронагревателе, который включает катушку индуктивности и нагреваемый элемент, имеющий магнитное сцепление с катушкой индуктивности, согласно изобретению, электронагреватель дополнительно содержит сердечник по типу трансформаторного и включенную в сеть параллельно катушке индуктивности емкость. При этом катушка индуктивности, сердечник и емкость выбраны из расчета образования ими колебательного контура в соответствии с вышеописанными условиями конструирования усилителя магнитного потока и дополнительного условия - магнитопровод имеет механический разрыв и в указанный разрыв вмонтирован, с образованием магнитной цепи, нагреваемый элемент из материала с высокой магнитной проницаемостью и высоким омическим сопротивлением, а также, преимущественно, с большой площадью петли магнитного гистерезиса. To use a magnetic flux amplifier in an electric heater, which includes an inductor and a heated element having magnetic coupling with an inductor, according to the invention, the electric heater further comprises a transformer core and a capacitance connected in parallel with the inductor. In this case, the inductance coil, core and capacitance are selected based on the formation of an oscillatory circuit in accordance with the above-described conditions for the design of the magnetic flux amplifier and an additional condition — the magnetic circuit has a mechanical break and a heated element made of a material with high magnetic permeability and high ohmic resistance, as well as, mainly, with a large area of the magnetic hysteresis loop.

В качестве магнитопровода для электронагревателя переменного тока, согласно изобретению, используют сердечник с механическим разрывом, который образуют известными способами сборки механически незамкнутых сердечников. Механический разрыв сердечника по размеру и форме определяется конструкцией нагреваемого элемента и назначением электронагревателя. Сердечник может быть П-образным, U-образным, Ш-образным или специальной формы в зависимости от конструкции электронагревателя и его назначения. Общее правило таково, что механический разрыв должен располагаться как можно дальше от катушки индуктивности при стремлении к минимальной длине магнитопровода. Для сокращения длины магнитопровода между катушкой индуктивности и нагреваемым элементом можно помещать различные теплоизоляционные материалы. Размер механического разрыва сердечника устанавливают в зависимости от размеров нагреваемого элемента и заданной мощности нагревателя. As a magnetic circuit for an alternating current electric heater, according to the invention, a core with a mechanical break is used, which is formed by known methods of assembling mechanically open cores. The mechanical rupture of the core in size and shape is determined by the design of the heated element and the purpose of the electric heater. The core can be U-shaped, U-shaped, W-shaped or a special shape depending on the design of the electric heater and its purpose. The general rule is that the mechanical gap should be located as far as possible from the inductor while striving for the minimum length of the magnetic circuit. To reduce the length of the magnetic circuit between the inductor and the heated element, various heat-insulating materials can be placed. The size of the mechanical fracture of the core is set depending on the size of the heated element and the specified power of the heater.

Размер и форма нагреваемого элемента определяется заданной мощностью нагревателя и областями его использования. Нагреваемый элемент должен быть преимущественно монолитный с тем, чтобы обеспечить прохождение через него усиленного магнитного потока и его частичное преобразование в кольцевые токи Фуко. Он может иметь развитую внешнюю поверхность, в частности ребристую. При этом целесообразно ориентировать ребра поверхности перпендикулярно линиям магнитного потока, что приводит к формированию непосредственно в них токов Фуко, как и в основной толще нагреваемого элемента, и, соответственно, к росту КПД. Такой элемент рекомендуется использовать для нагрева путем помещения его в нагреваемую среду. Нагреваемый элемент может быть также полым, тогда нагреваемая среда может пропускаться через внутреннюю полость/полости нагреваемого элемента с развитой внутренней поверхностью, или одновременно через внутренние полости и снаружи нагреваемого элемента. При этом одним из существенных отличий заявляемого нагревателя является возможность использования его для нагрева воды в бытовых или промышленных условиях с одновременным ее омагничиванием. Каких-либо ограничений по применению электронагревателя для различных сред не обнаружено, кроме тех, которые диктуются их химической агрессивностью по отношению к контактируемой со средой поверхностью материала. The size and shape of the heated element is determined by the specified power of the heater and the areas of its use. The heated element should be predominantly monolithic in order to ensure the passage through it of an enhanced magnetic flux and its partial conversion into Foucault ring currents. It can have a developed external surface, in particular, ribbed. In this case, it is advisable to orient the edges of the surface perpendicular to the lines of magnetic flux, which leads to the formation of Foucault currents directly in them, as in the main thickness of the heated element, and, accordingly, to an increase in efficiency. Such an element is recommended to be used for heating by placing it in a heated medium. The heated element can also be hollow, then the heated medium can be passed through the internal cavity / s of the heated element with a developed inner surface, or simultaneously through the internal cavity and the outside of the heated element. In this case, one of the significant differences of the inventive heater is the ability to use it for heating water in domestic or industrial conditions with its simultaneous magnetization. No restrictions on the use of an electric heater for various media were found, except for those dictated by their chemical aggressiveness in relation to the surface of the material in contact with the medium.

В качестве материала для изготовления нагреваемого элемента, согласно изобретению, используют ферромагнетики с высокой магнитной проницаемостью и высоким омическим сопротивлением и желательно с большой площадью петли магнитного гистерезиса. Среди таких материалов - электротехнические стали, углеродистые стали, чугуны, ферриты. При этом выбор конкретного материала определяется также экономическими соображениями. Ferromagnets with high magnetic permeability and high ohmic resistance, and preferably with a large area of the magnetic hysteresis loop, are used as a material for the manufacture of a heated element according to the invention. Among such materials are electrical steel, carbon steel, cast iron, ferrite. Moreover, the choice of a particular material is also determined by economic considerations.

Согласно изобретению в качестве нагреваемого элемента могут выступать промышленные конструкции или их отдельные части, когда они изготовлены из ферромагнитных материалов и когда необходим нагрев этих конструкций или их частей непосредственно на месте их расположения, в том числе без разборки и передвижения. К таким конструкциям можно отнести различные емкости, внешние покрытия различных сооружений, детали оборудования. According to the invention, industrial structures or their individual parts can act as a heated element when they are made of ferromagnetic materials and when it is necessary to heat these structures or their parts directly at their location, including without disassembling and moving. Such structures include various capacities, external coatings of various structures, equipment parts.

Для использования усилителя магнитного потока в электроприводе малой мощности постоянного тока, который включает источник постоянного тока, электродвигатель постоянного тока, подключенный обмоткой возбуждения к одной из клемм источника тока, включенные в цепь между электродвигателем и другой клеммой источника тока параллельно диод и катушку индуктивности с сердечником, в него введена дополнительно включенная в цепь параллельно диоду и катушке индуктивности емкость, и катушка индуктивности, сердечник и емкость выбраны из расчета образования ими колебательного контура в соответствии с вышеописанными условиями конструирования усилителя магнитного потока и дополнительного условия - индуктивность катушки индуктивности с сердечником выбрана в диапазоне от 0,1 до 2 индуктивности электродвигателя. To use the magnetic flux amplifier in a low-current direct current electric drive, which includes a direct current source, a direct current electric motor connected to an excitation winding to one of the current source terminals, a diode and an inductance coil with a core are connected in parallel between the electric motor and the other current source terminal, a capacitance is additionally included in the circuit parallel to the diode and inductor, and the inductor, core and capacitance are selected from the calculation of the sample They must create an oscillatory circuit in accordance with the above-described conditions for constructing a magnetic flux amplifier and an additional condition - the inductance of the core inductance coil is selected in the range from 0.1 to 2 of the motor inductance.

Отнесение заявляемого электропривода к "малой мощности" здесь чисто условное и определяется тем обстоятельством, что источник постоянного тока (как правило, это аккумулятор) и электродвигатель с усилителем магнитного потока находятся на одной платформе типа электрокар, электромобиль. При этом напряжение источника питания обычно составляет не более 110 вольт, в отличие от электроприводов средней и большой мощности, где источник постоянного тока и электродвигатель находятся на различных платформах, и напряжение источника тока обычно составляет 500-600 вольт и 1500-3000 вольт соответственно. The assignment of the claimed electric drive to "low power" is purely conditional and is determined by the fact that the direct current source (usually a battery) and an electric motor with a magnetic flux amplifier are on the same platform as an electric car or electric car. In this case, the voltage of the power source is usually not more than 110 volts, in contrast to electric drives of medium and high power, where the DC source and electric motor are on different platforms, and the voltage of the current source is usually 500-600 volts and 1500-3000 volts, respectively.

Согласно изобретению при использовании заявляемого усилителя магнитного потока в системе электропривода малой мощности в него введен дополнительно диод. According to the invention, when using the inventive magnetic flux amplifier in a low power electric drive system, an additional diode is introduced into it.

Выполнение усилителя магнитного потока, согласно изобретению, с параллельным подключением катушки индуктивности, емкости и диода а также подключение к катушке индуктивности образованного колебательного контура электрической нагрузки позволяет:
- выровнять импульсы подзарядки источника тока по напряжению и по силе тока,
- повысить емкость аккумулятора и, как следствие, увеличить длительность его эксплуатации не менее чем в 1,5-2 раза, увеличить пробег с одной зарядки батареи в 2-2,5 раза и более,
- увеличить мощность двигателя за счет ликвидации искрения на коллекторе и других потерь - на 15-20% и более, увеличить ресурс работы двигателя и контактных групп,
- увеличить эффективность подзарядки источника тока благодаря тому, что катушка индуктивности с сердечником выбрана в диапазоне 0,1-2,0 индуктивности двигателя, что дает увеличение подзарядных импульсов по амплитуде и продолжительности не менее чем в 1,5-2 раза.The implementation of the magnetic flux amplifier, according to the invention, with the parallel connection of the inductor, capacitance and diode as well as the connection to the inductor of the formed oscillatory circuit of the electrical load allows you to:
- align the charging pulses of the current source in voltage and current strength,
- increase the battery capacity and, as a result, increase the duration of its operation by at least 1.5-2 times, increase mileage from one battery charge by 2-2.5 times or more,
- increase engine power by eliminating sparking on the collector and other losses - by 15-20% or more, increase the life of the engine and contact groups,
- increase the efficiency of recharging the current source due to the fact that the inductor with the core is selected in the range of 0.1-2.0 inductance of the motor, which gives an increase in recharge pulses in amplitude and duration of not less than 1.5-2 times.

В качестве диода заявляемого усилителя могут быть использованы стандартные силовые диоды, рассчитанные на рабочий ток и напряжение, соответствующие резонансному току и напряжению, развиваемым в колебательном контуре усилителя. Диод также должен быть рассчитан на рабочую частоту не ниже собственной частоты колебаний контура усилителя. As the diode of the claimed amplifier can be used standard power diodes, designed for operating current and voltage corresponding to the resonant current and voltage developed in the oscillatory circuit of the amplifier. The diode must also be designed for an operating frequency not lower than the natural frequency of the oscillations of the amplifier circuit.

Согласно изобретению усилитель может содержать как постоянную, так и переменно-дискретную емкость. Постоянную емкость целесообразно устанавливать, когда двигатель работает преимущественно в постоянном рабочем режиме. According to the invention, the amplifier may contain both constant and variable-discrete capacitance. It is advisable to establish a constant capacity when the engine is operating primarily in a constant operating mode.

Переменно - дискретную емкость целесообразно устанавливать на электропривод, который имеет дискретный переключатель скоростей вращения электродвигателя. В этом случае дискретность емкости согласуется с дискретностью переключателя скоростей. Variable - it is advisable to install a discrete capacitance on an electric drive, which has a discrete switch of rotation speeds of the electric motor. In this case, the discreteness of the capacitance is consistent with the discreteness of the speed switch.

Другим условием выбора емкости является мощность электропривода, в котором будет установлен усилитель. Емкость должна быть рассчитана на напряжение не ниже номинального резонансного напряжения на катушке индуктивности усилителя. Емкость по частоте и сопротивлению выбирают исходя из частоты колебаний контура усилителя, сопротивления диода и индуктивного сопротивления. Собственную частоту колебательного контура усилителя устанавливают равной средней частоте импульсов тока соответствующей данному режиму работы электропривода. Для 4-х скоростного электропривода в усилителе могут быть установлены 4 постоянные емкости, соответствующие этим скоростям, либо может быть применена емкость с плавной регулировкой. Решение обусловливается областью применения электропривода и экономическими соображениями. Например, для использования электроприводов в детских игрушках целесообразно применять постоянную либо дискретную емкость, для промышленных приводов - дискретную или плавно регулируемую емкость. Another condition for choosing the capacity is the power of the electric drive in which the amplifier will be installed. The capacitance must be rated for a voltage not lower than the rated resonant voltage across the inductor. The frequency and resistance capacitance is selected based on the oscillation frequency of the amplifier circuit, diode resistance, and inductive resistance. The natural frequency of the oscillatory circuit of the amplifier is set equal to the average frequency of the current pulses corresponding to this mode of operation of the electric drive. For a 4-speed electric drive, 4 constant capacitances corresponding to these speeds can be installed in the amplifier, or a capacitance with smooth adjustment can be applied. The decision is determined by the scope of the electric drive and economic considerations. For example, for the use of electric drives in children's toys, it is advisable to use a constant or discrete capacity, for industrial drives - a discrete or continuously adjustable capacity.

Согласно изобретению соотношение индуктивности катушки колебательного контура и индуктивности двигателя выбирают исходя из нижеследующего:
- областью и условиями эксплуатации электропривода: чем меньше необходимы габариты электропривода, тем меньше соотношение индуктивностей;
- при соотношении индуктивностей меньше 0,1 резко уменьшается эффективность подзарядки, амплитуда и мощность подзарядного импульса;
- верхний предел - емкостью источника тока и экономическими соображениями - соотношением стоимости аккумулятора, электродвигателя и усилителя, а также габаритами усилителя.According to the invention, the ratio of the inductance of the coil of the oscillatory circuit and the inductance of the motor is selected based on the following:
- the scope and operating conditions of the electric drive: the smaller the dimensions of the electric drive are needed, the lower the ratio of inductances;
- when the ratio of inductances is less than 0.1, the charging efficiency, the amplitude and power of the charging pulse are sharply reduced;
- the upper limit - the capacity of the current source and economic considerations - the ratio of the cost of the battery, electric motor and amplifier, as well as the dimensions of the amplifier.

Для использования усилителя магнитного потока в электроприводе средней мощности, включающем цепь питания от источника постоянного тока, электродвигатель постоянного тока, подключенный обмоткой возбуждения к одной из клемм цепи питания, включенные в цепь между электродвигателем и другой клеммой цепи питания первичную и вторичную катушки индуктивности с общим сердечником, в нем, согласно изобретению, на базе первичной катушки индуктивности образован, с дополнительным параллельным подключением к ней емкости, колебательный контур в соответствии с вышеуказанными условиями конструирования усилителя магнитного потока и дополнительными условиями:
- вторичная катушка индуктивности соединена с цепью питания через диод, подключенный между вторичной катушкой индуктивности и клеммой питающей цепи или неразветвленным участком колебательного контура,
- отношение числа витков первичной катушки индуктивности к числу витков вторичной катушки индуктивности равно U_k/U_п, где:
U_k - напряжение в колебательном контуре, вольт,
U_п - напряжение источника тока, вольт,
- индуктивность первичной катушки индуктивности с сердечником выбрана в диапазоне от 0,1 до 2 индуктивности электродвигателя.To use a magnetic flux amplifier in a medium-power electric drive, including a DC power supply circuit, a DC motor connected to an excitation winding to one of the power supply terminals, connected to the primary and secondary inductors with a common core in the circuit between the electric motor and the other power terminal , in it, according to the invention, on the basis of the primary inductor is formed, with an additional parallel connection of capacitance to it, an oscillatory circuit in sponds to the above terms of designing the magnetic flux amplifier and additional conditions:
- the secondary inductor is connected to the supply circuit through a diode connected between the secondary inductor and the supply circuit terminal or unbranched portion of the oscillatory circuit,
- the ratio of the number of turns of the primary inductor to the number of turns of the secondary inductor is U _k / U _p , where:
U _k - voltage in the oscillatory circuit, volts,
U _p - voltage of the current source, volts,
- the inductance of the primary core inductance coil is selected in the range from 0.1 to 2 inductances of the electric motor.

В качестве диода в системе электропривода средней мощности могут быть использованы стандартные силовые диоды, рассчитанные на рабочий ток и напряжение в цепи вторичной катушки индуктивности, равное напряжению источника тока, с учетом коэффициента трансформации. As a diode in a medium-power electric drive system, standard power diodes can be used, designed for the working current and voltage in the circuit of the secondary inductor, equal to the voltage of the current source, taking into account the transformation coefficient.

Для использования усилителя магнитного потока в электроприводе большой мощности, включающем цепь питания от источника постоянного тока, электродвигатель постоянного тока, подключенный обмоткой возбуждения к одной из клемм цепи питания, включенные в цепь между электродвигателем и другой клеммой цепи питания первичную и вторичную катушки индуктивности с общим сердечником, в нем, согласно изобретению, на базе первичной и вторичной катушек индуктивности образованы, с дополнительным параллельным подключением к ним емкостей, колебательные контуры в соответствии с вышеуказанными условиями конструирования усилителя магнитного потока и дополнительными условиями:
- параллельно вторичной катушке индуктивности и емкости в цепь включен диод,
- отношение числа витков первичной катушки индуктивности к числу витков вторичной катушки индуктивности равно U_м/U_p, где
U_м - максимальное напряжение на первичной катушке индуктивности в момент разрыва цепи,
U_p - рабочее напряжение диода и конденсатора, вольт,
- индуктивность первичной катушки индуктивности с сердечником выбрана в диапазоне от 0,1 до 2 индуктивности электродвигателя.To use a magnetic flux amplifier in a high-power drive, including a DC power supply circuit, a DC motor connected to an excitation winding to one of the power supply terminals, connected to the primary and secondary inductors with a common core in the circuit between the electric motor and the other power terminal , in it, according to the invention, on the basis of the primary and secondary inductors are formed, with additional parallel connection of capacitors to them, oscillatory e circuits in accordance with the above conditions for the design of the magnetic flux amplifier and additional conditions:
- parallel to the secondary inductor and capacitance, a diode is included in the circuit,
- the ratio of the number of turns of the primary inductor to the number of turns of the secondary inductor is U _m / U _p , where
U _m - the maximum voltage on the primary inductor at the time of open circuit,
U _p - operating voltage of the diode and capacitor, volts,
- the inductance of the primary core inductance coil is selected in the range from 0.1 to 2 inductances of the electric motor.

Согласно изобретению при использовании заявляемого усилителя в системе электропривода большой мощности в него параллельно вторичной катушке подключен диод. В качестве диода могут быть использованы стандартные силовые диоды, рассчитанные на рабочий ток и напряжение, соответствующие резонансному току и напряжению, развиваемым в колебательном контуре усилителя, к которому подключен диод. According to the invention, when using the inventive amplifier in a high power electric drive system, a diode is connected to it in parallel with the secondary coil. As the diode, standard power diodes can be used, designed for the operating current and voltage corresponding to the resonant current and voltage developed in the oscillatory circuit of the amplifier to which the diode is connected.

Согласно изобретению при использовании усилителя в системе электропривода средней и большой мощности его колебательный контур может содержать, как и электропривод малой мощности и в тех же условиях, постоянную или переменную емкость. According to the invention, when using an amplifier in a medium and high power electric drive system, its oscillating circuit can contain, like a low-power electric drive and under the same conditions, a constant or variable capacitance.

При выборе граничных значений индуктивности катушки колебательного контура для электропривода средней мощности здесь исходят из тех же условий, которые были описаны выше для электропривода малой мощности за исключением того, что стоимость источника постоянного тока здесь не рассматривается. When choosing the boundary values of the inductance of the coil of the oscillatory circuit for an electric medium power drive, here proceed from the same conditions that were described above for a low power electric drive, except that the cost of a direct current source is not considered here.

Для электропривода большой мощности указанные выше условия выбора граничных значений индуктивности относятся к первичной катушке индуктивности. For a high-power electric drive, the above conditions for choosing the boundary values of the inductance relate to the primary inductor.

Для использования усилителя магнитного потока в электромагнитном устройстве переменного тока, состоящего из катушки индуктивности с сердечником, в нем, согласно изобретению, на базе катушки индуктивности, с дополнительным параллельным подключением к ней емкости, образован колебательный контур в соответствии с вышеуказанными условиями конструирования усилителя магнитного потока. To use the magnetic flux amplifier in an alternating current electromagnetic device consisting of an inductor with a core, in it, according to the invention, on the basis of the inductor, with an additional parallel connection of capacitance to it, an oscillatory circuit is formed in accordance with the above construction conditions of the magnetic flux amplifier.

Выбор элементов усилителя производится здесь как это описано в общей части по конструированию усилителя магнитного потока. Каких-либо особенностей при использовании заявляемого усилителя в электромагнитах не имеется. The choice of elements of the amplifier is made here as described in the General part on the design of the amplifier magnetic flux. Any features when using the inventive amplifier in the electromagnets are not available.

Применение заявляемого усилителя в электромагнитных устройствах позволяет:
- увеличить мощность их исполнительных механизмов без увеличения потребления электроэнергии из питающей сети в 3-4 раза и более при увеличении материалоемкости всего на 5-10%, либо
- при сохранении заданной мощности действующих электромагнитных устройств снизить потребление электроэнергии в 3-4 раза и более в зависимости от качества изготовленного резонансного колебательного контура, то есть увеличить КПД в 3-4 раза и более,
- снизить материалоемкость в 2-3 раза и более на единицу мощности,
- увеличить их коэффициент мощности до 1,0 на любых нагрузках.The use of the claimed amplifier in electromagnetic devices allows you to:
- increase the power of their actuators without increasing the consumption of electricity from the supply network by 3-4 times or more with an increase in material consumption of only 5-10%, or
- while maintaining the given power of the operating electromagnetic devices, reduce power consumption by 3-4 times or more, depending on the quality of the manufactured resonant oscillatory circuit, that is, increase the efficiency by 3-4 times or more,
- reduce material consumption by 2-3 times or more per unit of power,
- increase their power factor to 1.0 at any load.

Для использования усилителя магнитного потока в импульсных трансформаторах, состоящих из цепи питания от источника импульсного тока, первичной и вторичной обмоток с общим сердечником, в нем дополнительно, согласно изобретению, на базе первичной катушки, с дополнительным параллельным подключением к ней емкости, образован колебательный контур в соответствии с вышеуказанными условиями конструирования усилителя магнитного потока и дополнительным условием: в выходную цепь вторичной катушки последовательно подключен диод. To use the magnetic flux amplifier in pulse transformers, consisting of a power circuit from a pulse current source, primary and secondary windings with a common core, it additionally, according to the invention, on the basis of the primary coil, with an additional parallel connection of capacitance to it, an oscillating circuit is formed in in accordance with the above conditions for the design of a magnetic flux amplifier and an additional condition: a diode is connected in series to the output circuit of the secondary coil.

Для использования усилителя магнитного потока в системе асинхронного электродвигателя, состоящего из цепи питания от источника переменного тока, статора с рабочими обмотками, образующими параллельные колебательные контуры, и ротора, имеющего магнитное сцепление со статором, в нем, согласно изобретению, на базе его статорных обмоток образованы колебательные контуры в соответствии с вышеуказанными условиями конструирования усилителя магнитного потока. Принципиальные схемы образования колебательных контуров в системе многофазного индукционного электродвигателя приведены на фиг.6-9. Все элементы усилителя выбираются исходя из вышеописанных общих условий образования колебательного контура усилителя. Каких-либо особенностей в выборе этих элементов не требуется, кроме тех, которые диктуются особенностями общей конструкции электродвигателя. To use a magnetic flux amplifier in an asynchronous electric motor system consisting of an AC power supply circuit, a stator with working windings forming parallel oscillatory circuits, and a rotor having magnetic coupling with the stator, in it, according to the invention, are formed on the basis of its stator windings oscillatory circuits in accordance with the above design conditions of the magnetic flux amplifier. Schematic diagrams of the formation of oscillatory circuits in a multiphase induction motor system are shown in Fig.6-9. All elements of the amplifier are selected based on the above general conditions for the formation of the oscillatory circuit of the amplifier. Any features in the selection of these elements are not required, except those that are dictated by the features of the general design of the electric motor.

Для получения дополнительного прироста КПД силовых электромеханических устройств можно использовать дополнительно к усилителю фазосдвигающий прерыватель (преобразователь). Для этого, например, в системе электродвигателя, каждую фазу источника питания синусоидального тока промышленной частоты подключают к колебательным контурам электродвигателя, образованным согласно с вышеописанными условиями конструирования усилителя, через коллекторно-щеточный контакт прерывателя или прерыватель иной конструкции, рассчитанный на частоту прерываний, кратную числу полупериодов источника питания. Выбор кратности частоты прерывателя по отношению к частоте источника питания определяется исходя из величины желаемого прироста напряжения и мощности. Наиболее оптимальное время разрыва равно времени длительности пика напряжения при разрыве цепи. Каждый разрыв прерывателя обеспечивает увеличение напряжения источника питания, причем момент разрыва для каждой фазы подбирается так, чтобы пик усиленного напряжения разрыва совпадал с пиком реактивного тока в колебательном контуре, либо начало разрыва совпадало с пиком напряжения источника питания. To obtain an additional increase in the efficiency of power electromechanical devices, a phase-shifting chopper (converter) can be used in addition to the amplifier. For this, for example, in an electric motor system, each phase of a power source of a sinusoidal current of industrial frequency is connected to the oscillatory circuits of the electric motor, formed in accordance with the above-described design conditions for the amplifier, through a collector-brush contact of a chopper or a chopper of a different design, designed for an interrupt frequency that is a multiple of the number of half-cycles power source. The choice of the frequency multiplier of the chopper with respect to the frequency of the power source is determined based on the magnitude of the desired increase in voltage and power. The most optimal break time is equal to the time duration of the voltage peak when the circuit breaks. Each break of the interrupter provides an increase in the voltage of the power source, and the time of the gap for each phase is selected so that the peak of the amplified voltage of the gap coincides with the peak of the reactive current in the oscillatory circuit, or the beginning of the gap coincides with the peak of the voltage of the power source.

Для расчета параметров усилителя магнитного потока, для которого первичным источником энергии является источник питания с прерывателем-преобразователем, применяются вышеуказанные условия конструирования усилителя магнитного потока с учетом напряжения, полученного силовым колебательным контуром от прерывателя. To calculate the parameters of the magnetic flux amplifier, for which the primary source of energy is a power source with a chopper-converter, the above conditions for the design of a magnetic flux amplifier are applied taking into account the voltage received by the power oscillatory circuit from the chopper.

Перечень фигур чертежей
На фиг. 1 приведена принципиальная схема электромагнитного пускателя с Ш-образным сердечником и снабженного заявленным усилителем магнитного потока.List of drawings
In FIG. 1 shows a schematic diagram of an electromagnetic starter with a W-shaped core and equipped with the claimed magnetic flux amplifier.

Обозначения на фиг.1. Designations in figure 1.

1 - источник переменного тока,
2 - катушка индуктивности,
3 - сердечник Ш-образный,
4 - емкость,
5 - якорь.1 - AC source,
2 - inductor,
3 - core Sh-shaped,
4 - capacity
5 - anchor.

На фиг.2 приведена принципиальная схема электронагревателя с П-образным сердечником и снабженного заявленным усилителем магнитного потока с монолитным нагреваемым элементом. Figure 2 shows a schematic diagram of an electric heater with a U-shaped core and equipped with the claimed magnetic flux amplifier with a monolithic heated element.

На фиг.2а приведена принципиальная схема электронагревателя с П-образным сердечником и снабженного заявленным усилителем магнитного потока с полым нагреваемым элементом. On figa shows a schematic diagram of an electric heater with a U-shaped core and equipped with the claimed magnetic flux amplifier with a hollow heated element.

Обозначения на фиг.2 и фиг.2а. Designations in figure 2 and figa.

1 - источник переменного тока,2 - катушка индуктивности,
3 - трансформаторный П-образный сердечник,
4 - емкость,
5 - монолитный (фиг.2) или полый (фиг.2а) нагреваемый элемент, в том числе промышленная конструкция (деталь) на месте ее расположения,
6 - штуцер для подвода холодной воды,
7 - штуцер для отвода горячей воды,
8 - теплоизоляция.1 - AC source, 2 - inductor,
3 - transformer U-shaped core,
4 - capacity
5 - monolithic (Fig.2) or hollow (Fig.2A) heated element, including the industrial structure (part) at its location,
6 - fitting for supplying cold water,
7 - fitting for draining hot water,
8 - thermal insulation.

На фиг.3 приведена принципиальная электрическая схема электропривода постоянного тока малой мощности (напряжение питания до 100-120 вольт) - электрокары, электромобили, с заявленным усилителем магнитного потока. Figure 3 shows a circuit diagram of a low-power direct current electric drive (supply voltage up to 100-120 volts) - electric cars, electric cars, with the declared magnetic flux amplifier.

Обозначения на фиг.3. Designations in figure 3.

1 - источник постоянного тока,
2 - катушка индуктивности колебательного контура,
3 - сердечник (магнитопровод контура),
4 - емкость,
5 - обмотка возбуждения электродвигателя,
6 - ротор электродвигателя,
7 - выключатель (контактор),
8 - диод,
10 - щеточный контакт электродвигателя.1 - DC source,
2 - inductor of the oscillatory circuit,
3 - core (magnetic circuit),
4 - capacity
5 - field winding of an electric motor,
6 - rotor of an electric motor,
7 - switch (contactor),
8 - diode,
10 - brush contact of the electric motor.

11 - сопротивление (переключатель скоростей). 11 - resistance (speed switch).

На фиг. 4 и 4а приведены принципиальные электрические схемы (варианты) электропривода постоянного тока средней мощности (для напряжения 400-600 вольт, например, для трамваев, троллейбусов) с заявленным усилителем магнитного потока. In FIG. 4 and 4a are schematic electrical diagrams (options) of a medium power direct current drive (for a voltage of 400-600 volts, for example, for trams, trolleybuses) with the declared magnetic flux amplifier.

На фиг. 5 приведена принципиальная электрическая схема электропривода постоянного тока большой мощности (для напряжения 1500-3000 вольт, например, для электровозов) с заявленным усилителем магнитного потока. In FIG. 5 shows a circuit diagram of a high-power direct current electric drive (for a voltage of 1500-3000 volts, for example, for electric locomotives) with the claimed magnetic flux amplifier.

Обозначения на фиг.4, 4а и 5. Designations in figure 4, 4A and 5.

1 - источник постоянного тока,
2 - катушка индуктивности колебательного контура усилителя,
3 - сердечник (магнитопровод контура),
4 - емкость,
5 - обмотка возбуждения электродвигателя,
6 - ротор электродвигателя,
7 - выключатель (контактор),
8 - диод,
9 - вторичная (фиг.4 и 4а) или первичная (фиг.5) катушка индуктивности,
10 - щеточный контакт ротора электродвигателя (6),
11 - сопротивление (переключатель скоростей).1 - DC source,
2 - inductor of the oscillatory circuit of the amplifier,
3 - core (magnetic circuit),
4 - capacity
5 - field winding of an electric motor,
6 - rotor of an electric motor,
7 - switch (contactor),
8 - diode,
9 - secondary (Fig.4 and 4a) or primary (Fig.5) inductor,
10 - brush contact of the rotor of the electric motor (6),
11 - resistance (speed switch).

На фиг.6 и 7 приведены принципиальные схемы образования заявленного усилителя магнитного потока в асинхронном 3-х фазном двигателе, обмотки возбуждения которого соединены по схеме ЗВЕЗДА для линейного номинального напряжения источника питания. 6 and 7 are schematic diagrams of the formation of the claimed magnetic flux amplifier in an asynchronous 3-phase motor, the field windings of which are connected according to the STAR circuit for the linear rated voltage of the power source.

На фиг.8 и 9 приведены принципиальные схемы образования заявленного усилителя магнитного потока в асинхронном 3-х фазном двигателе, обмотки возбуждения которого соединены по схеме ТРЕУГОЛЬНИК для линейного пониженного напряжения. On Fig and 9 shows a schematic diagram of the formation of the claimed magnetic flux amplifier in an asynchronous 3-phase motor, the field windings of which are connected according to the TRIANGLE diagram for a linear low voltage.

Обозначения на фиг.6, 7, 8 и 9. Designations in Fig.6, 7, 8 and 9.

1 - источник 3-х фазного переменного тока,
2 - обмотки возбуждения - катушки индуктивности контуров,
4 - емкость.1 - source of 3-phase alternating current,
2 - field windings - inductors of circuits,
4 - capacity.

На фиг. 10 приведена принципиальная схема образования заявленного усилителя магнитного потока в системе импульсного трансформатора. Обозначения на фиг.10. In FIG. 10 is a schematic diagram of the formation of the claimed magnetic flux amplifier in a pulse transformer system. Designations in Fig.10.

1 - импульсный источник питания,
2 - первичная катушка индуктивности,
3 - трансформаторный сердечник,
4 - емкость колебательного контура,
5 - вторичная катушка индуктивности,
6 - диод.1 - switching power supply,
2 - primary inductor,
3 - transformer core,
4 - the capacity of the oscillatory circuit,
5 - secondary inductor,
6 - diode.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
В соответствии с изобретением конструкция усилителя магнитного потока, предназначенного для использования в силовых электротехнических устройствах индукционного типа, состоит из цепи питания от источника (1) переменного или постоянного тока, резонансного по току колебательного контура, включающего катушку индуктивности с трансформаторным сердечником (3) и подключенную параллельно катушке индуктивности емкость (конденсатор) (4) и в ряде (указанных на фигурах) применений - диод, и с образованием общего магнитопровода - приемника/преобразователя усиленного за счет резонанса токов магнитного потока для выполнения полезной работы/нагрузки. При этом указанный приемник/преобразователь усиленного магнитного потока в зависимости от его использования в конкретных электротехнических устройствах имеет различную конструкцию:
Для электромагнитного устройства (фиг. 1) - это сердечник (3) и якорь (5), образующие через воздушный зазор общий замкнутый магнитопровод.Information confirming the possibility of carrying out the invention
In accordance with the invention, the design of a magnetic flux amplifier intended for use in power electrical devices of an induction type consists of a power circuit from an AC or DC current source (1), a current resonant oscillatory circuit, including an inductor with a transformer core (3) and connected parallel to the inductor, the capacitance (capacitor) (4) and in a number of applications (indicated in the figures) - a diode, and with the formation of a common magnetic circuit - receiver / converter The device is amplified due to the resonance of the magnetic flux currents to perform useful work / load. Moreover, the specified receiver / converter of the amplified magnetic flux, depending on its use in specific electrical devices, has a different design:
For an electromagnetic device (Fig. 1), this is the core (3) and the armature (5), which form a common closed magnetic circuit through the air gap.

Для электронагревателя (фиг. 2 и 2а) - это сердечник (3) и нагреваемый элемент (5), образующие общий замкнутый магнитопровод. For an electric heater (Fig. 2 and 2a), this is the core (3) and the heated element (5), forming a common closed magnetic circuit.

Для электроприводов постоянного тока (фиг.3, 4, 4а и 5) - это сердечник (3), имеющий, в свою очередь, соответствующую конструкцию в зависимости от мощности электропривода. For direct current electric drives (Figs. 3, 4, 4a and 5), this is the core (3), which, in turn, has an appropriate design depending on the power of the electric drive.

Для электродвигателя переменного тока (фиг.6, 7, 8 и 9) - это сердечник статора и сердечник ротора (не показаны), образующие через воздушный зазор общий магнитопровод, и обмотка ротора. For an alternating current electric motor (FIGS. 6, 7, 8, and 9), this is the stator core and the rotor core (not shown), which form a common magnetic circuit through the air gap and the rotor winding.

Для импульсного трансформатора (фиг.10) - это трансформаторный замкнутый сердечник (3) и вторичная обмотка (5). For a pulse transformer (Fig. 10) it is a transformer closed core (3) and a secondary winding (5).

В составе силовых электротехнических устройств предлагаемый усилитель служит генератором дополнительной и в ряде применений (электромагнитное устройство, электропривод постоянного тока) - основной мощности этих устройств, повышая их технический уровень, конкурентоспособность и экономические показатели. As part of power electrical devices, the proposed amplifier serves as an additional generator and, in a number of applications (electromagnetic device, direct current electric drive), of the main power of these devices, increasing their technical level, competitiveness, and economic performance.

Работа усилителя магнитного потока в системе электромагнита (фиг.1) состоит в нижеследующем. The operation of the magnetic flux amplifier in an electromagnet system (Fig. 1) is as follows.

При подключении электромагнита к источнику переменного тока (1) ток проходит через катушку индуктивности (2) и емкость (4), наводя в контуре (2, 3 и 4) заданный его параметрами резонансный ток, насыщающий сердечник и рассчитанный на номинальную мощность электромагнита. Резонансный ток, в свою очередь, создает переменное магнитное поле и соответственно - изменяющийся магнитный поток в сердечнике (3), который намагничивает сердечник и якорь (5) с образованием различных магнитных полюсов в местах их сближения. Образовавшиеся разноименные магнитные полюсы сердечника (3) и якоря (5) притягиваются друг к другу с заданной силой, обусловленной величиной максимального магнитного потока и резонансного тока в колебательном контуре. When the electromagnet is connected to an AC source (1), the current passes through the inductor (2) and capacitance (4), inducing in the circuit (2, 3 and 4) the resonant current specified by its parameters saturating the core and calculated for the rated power of the electromagnet. The resonant current, in turn, creates an alternating magnetic field and, accordingly, a changing magnetic flux in the core (3), which magnetizes the core and the armature (5) with the formation of various magnetic poles in places of their convergence. The opposite opposite magnetic poles of the core (3) and the armature (5) are attracted to each other with a given force, due to the magnitude of the maximum magnetic flux and resonant current in the oscillatory circuit.

Принципиальный расчет заявленного усилителя в системе электромагнита приводится ниже на примере модернизации электромагнитного пускателя ПМЕ-211. The principal calculation of the claimed amplifier in the electromagnet system is given below on the example of the modernization of the PME-211 electromagnetic starter.

Исходные данные пускателя до модернизации:
S_m=2,7х10^-4 м²- эффективная площадь сечения сердечника,
L_m=0,15 м - длина средней линии магнитопровода,
L₃=0,048 мм - длина воздушного зазора между якорем и сердечником,
f=50 Гц - частота источника питания,
U=220 V - напряжение источника питания,
В_m=1,29 Тл - исходная магнитная индукция в сердечнике,
m₀=4•3,14•10^-7 - магнитная постоянная.Initial data of the starter before the upgrade:
S _m = 2.7x10 ^-4 m ² is the effective cross-sectional area of the core,
L _m = 0.15 m is the length of the midline of the magnetic circuit,
L ₃ = 0,048 mm - the length of the air gap between the armature and the core,
f = 50 Hz - frequency of the power source,
U = 220 V - voltage of the power source,
In _m = 1.29 T - the initial magnetic induction in the core,
m ₀ = 4 • 3.14 • 10 ^-7 is the magnetic constant.

- Выбираем магнитную индукцию в сердечнике, близкую к насыщению по кривой намагничивания для используемой марки электротехнической стали Э4 (электротехнический справочник под ред. В.Г. Герасимова, М., Энергоатомиздат, 1985 г.) В_m=1,53 Тл и соответствующую ей напряженность магнитного поля в сердечнике Н(В_m)=2500А/м.- We choose magnetic induction in the core that is close to saturation according to the magnetization curve for the used grade of electrical steel E4 (electrical reference book edited by V.G. Gerasimov, M., Energoatomizdat, 1985) V _m = 1.53 T and its corresponding magnetic field strength in the core N (V _m ) = 2500 A / m.

- Вычислим число витков катушки индуктивности из соотношения

- Рассчитаем напряженность магнитного поля в воздушном зазоре Н₃(В_m)= В_m/m₀=1,53/12,56•10^-7=12,56•10⁵ А/м.- Calculate the number of turns of the inductor from the ratio

- Calculate the magnetic field strength in the air gap H ₃ (V _m ) = V _m / m ₀ = 1.53 / 12.56 • 10 ^-7 = 12.56 • 10 ⁵ A / m.

- Намагничивающая сила в магнитопроводе U_m=H_mL_m+H₃L₃= 2500•0,15+12,56•l0⁵•4,8•10^-5=433,5 A
- Определим силу тока в контуре I_k=U_m/w=433,5/2400=0,181 А.- Magnetizing force in the magnetic circuit U _m = H _m L _m + H ₃ L ₃ = 2500 • 0.15 + 12.56 • l0 ⁵ • 4.8 • 10 ^-5 = 433.5 A
- Determine the current strength in the circuit I _k = U _m / w = 433.5 / 2400 = 0.181 A.

- Определим сечение провода в катушке индуктивности

- Экспериментально определяем Cos φ=0,2 и силу тока I_k=0,185 А в катушке индуктивности без емкости с сердечником при рабочем, замкнутом положении якоря.- Determine the cross section of the wire in the inductor

- We experimentally determine Cos φ = 0.2 and the current strength I _k = 0.185 A in an inductor without a capacitance with a core with the armature working, closed.

- Выбираем емкость, необходимую для образования колебательного контура, из соотношения

Результаты сравнительных испытаний приведены в табл.1.- Choose the capacity necessary for the formation of the oscillatory circuit, from the ratio

The results of comparative tests are given in table 1.

Результаты сравнительных испытаний магнитного пускателя с использованием усилителя магнитного потока. The results of comparative tests of a magnetic starter using a magnetic flux amplifier.

Приведенные в табл. 1 данные сравнительных испытаний магнитного пускателя без усилителя и с усилителем показывают, что:
- коэффициент мощности демонстрируемой магнитной системы повышается до 0,99 против стандартного значения 0,4,
- потребляемая из сети мощность не изменяется,
- сила притяжения якоря (механическая мощность) при сохранении значения потребляемой из сети мощности возросла в 3 раза.Given in the table. 1, the data of comparative tests of a magnetic starter without an amplifier and with an amplifier show that:
- the power factor of the demonstrated magnetic system rises to 0.99 against a standard value of 0.4,
- the power consumed from the network does not change,
- the force of attraction of the armature (mechanical power) while maintaining the value of the power consumed from the network increased by 3 times.

Работа усилителя магнитного потока в системе заявленного электронагревателя (фиг.2 и фиг.2а) состоит в нижеследующем. The operation of the magnetic flux amplifier in the system of the inventive electric heater (FIG. 2 and FIG. 2a) is as follows.

При подключении электронагревателя к источнику переменного тока (1) ток проходит через катушку индуктивности (2) и емкость (4), наводя в контуре (2, 3 и 4) заданный его параметрами резонансный ток. Последний, в свою очередь, создает переменное магнитное поле и соответственно - изменяющийся магнитный поток в сердечнике (3). Усиленный в сердечнике (3) магнитный поток пронизывает нагреваемый элемент (5), который замыкает магнитопровод (3-5). Проходя через нагреваемый элемент (5), усиленный магнитный поток наводит в нем токи, которые вместе с усиленным магнитным потоком нагревают элемент (5) до заданной температуры. В табл. 2 приводятся результаты сравнительных испытаний заявляемого электронагревателя (образец 3) в сравнении с индукционным (образец 1) и индукционным нагревателем с сердечником без силового колебательного контура (образец 2). When the electric heater is connected to an alternating current source (1), the current passes through the inductor (2) and capacitance (4), inducing in the circuit (2, 3 and 4) the resonant current specified by its parameters. The latter, in turn, creates an alternating magnetic field and, accordingly, a changing magnetic flux in the core (3). The magnetic flux reinforced in the core (3) penetrates the heated element (5), which closes the magnetic circuit (3-5). Passing through the heated element (5), the amplified magnetic flux induces currents in it, which together with the amplified magnetic flux heat the element (5) to a predetermined temperature. In the table. 2 shows the results of comparative tests of the inventive electric heater (sample 3) in comparison with an induction (sample 1) and induction heater with a core without a power oscillatory circuit (sample 2).

Результаты сравнительных испытаний индукционного электронагревателя с усилителем магнитного потока. The results of comparative tests of an induction electric heater with a magnetic flux amplifier.

Испытания проводились на частоте 50 герц в сравнении с обычным индукционным нагревателем промышленной частоты 50 герц (образец 1) и с электронагревателем, имеющим сердечник и нагревательный элемент, но не имеющим усилителя магнитного потока (образец 2). В качестве источника питания использовали источник переменного синусоидального тока. Размеры образца 3 даны на фиг.2. Размеры образца 2 идентичны размерам образца 3. Во всех трех образцах в качестве нагреваемого элемента использовалась чугунная плита размером 325х140х23 мм³ и массой 7,1 кг.The tests were carried out at a frequency of 50 hertz in comparison with a conventional induction heater of industrial frequency 50 hertz (sample 1) and with an electric heater having a core and a heating element, but not having a magnetic flux amplifier (sample 2). An ac sinusoidal current source was used as a power source. The dimensions of the sample 3 are given in figure 2. The dimensions of Sample 2 are identical to those of Sample 3. In all three samples, a cast-iron plate measuring 325x140x23 mm ³ and weighing 7.1 kg was used as a heating element.

Из табл. 2 видно, что применение усилителя магнитного потока, согласно изобретению, позволяет:
- увеличить КПД от 18,4-40,0% до 89-90%,
- снизить затраты цветных металлов (меди) в 2,5 раза и более,
- увеличить коэффициент мощности в сети от 0,3-0,6 до 1,0 и полностью разгрузить сеть от реактивных токов.From the table. 2 shows that the use of a magnetic flux amplifier, according to the invention, allows:
- increase the efficiency from 18.4-40.0% to 89-90%,
- reduce the cost of non-ferrous metals (copper) 2.5 times or more,
- increase the power factor in the network from 0.3-0.6 to 1.0 and completely relieve the network from reactive currents.

Работа усилителя магнитного потока в системе асинхронного 3-х фазного электродвигателя переменного тока состоит в нижеследующем (фиг.6-9). The operation of the magnetic flux amplifier in the asynchronous 3-phase AC motor is as follows (Fig.6-9).

При подключении электродвигателя в 3-х фазную сеть переменного тока (1), ток проходит через обмотки возбуждения (2) электродвигателя, которые являются здесь катушками индуктивности силового колебательного контура, и через емкости (3) (элементы силового колебательного контура), наводя в контурах заданный их параметрами, согласно изобретению, резонансный намагничивающий ток. Этот ток, в свою очередь, создает переменное магнитное поле и соответственно - изменяющийся усиленный результирующий магнитный поток в сердечнике статора и ротора, уже на холостом ходу имеющий величину магнитной индукции, близкую к области полного магнитного насыщения магнитопровода и обеспечивающий механическую мощность на валу электродвигателя. When the electric motor is connected to a 3-phase AC network (1), the current passes through the field windings (2) of the electric motor, which are the inductance coils of the power oscillatory circuit, and through the capacitance (3) (elements of the power oscillatory circuit), inducing in the circuits given by their parameters, according to the invention, a resonant magnetizing current. This current, in turn, creates an alternating magnetic field and, accordingly, a changing amplified resulting magnetic flux in the core of the stator and rotor, which already idles has a magnetic induction value close to the region of full magnetic saturation of the magnetic circuit and providing mechanical power to the motor shaft.

Использование предлагаемой конструкции заявляемого усилителя магнитного потока в системе асинхронного электродвигателя по нашим данным позволит:
- без увеличения материалоемкости и габаритов достичь увеличения номинальной мощности на 30-50% и более, либо уменьшить в 1,3-1,5 раза материалоемкость и, соответственно, себестоимость конструкций на единицу мощности,
- получить стабильный косинус "фи" не менее 0,98-1,0 на всех режимах нагрузки (на холостом ходу - 0,94-0,97),
- уменьшить скольжение в 2,5-3,5 раза против номинального на всех режимах нагрузки до максимальной, при перегрузке в 2-2,4 раза выше номинальной получить скольжение не выше номинального до модернизации, что свидетельствует о большом магнитном сцеплении ротора и статора,
- в 1,7-2 раза и более увеличить пусковой момент,
- в 2-2,5 раза и более увеличить максимальный момент,
- увеличить КПД на 2-10%, получить максимальный КПД в диапазоне нагрузок от номинальной до максимальной,
- в 3-5 раз увеличить магнитное сцепление ротора и статора и повысить надежность конструкций, работающих в режиме предельно допустимых перегрузок.Using the proposed design of the inventive magnetic flux amplifier in an induction motor system according to our data will allow:
- without increasing the material consumption and dimensions, achieve an increase in the rated power by 30-50% or more, or reduce the material consumption and, accordingly, the cost of structures per unit of power by 1.3-1.5 times,
- get a stable cosine "phi" of at least 0.98-1.0 at all load conditions (at idle - 0.94-0.97),
- reduce the slip by 2.5-3.5 times against the nominal at all load modes to the maximum, with an overload of 2-2.4 times higher than the nominal, to get the slip not higher than the nominal before modernization, which indicates a large magnetic coupling of the rotor and stator,
- 1.7-2 times or more increase the starting torque,
- increase the maximum moment by 2-2.5 times or more,
- increase efficiency by 2-10%, get maximum efficiency in the load range from nominal to maximum,
- 3-5 times increase the magnetic coupling of the rotor and stator and increase the reliability of structures operating in the maximum permissible overload conditions.

- применение фазосдвигающего прерывателя позволит дополнительно вышеуказанным достижениям получить увеличение КПД на 30-60% и более. - the use of a phase-shifting chopper will allow additionally the above achievements to obtain an increase in efficiency by 30-60% or more.

Работа усилителя магнитного потока в системе электропривода малой мощности состоит в нижеследующем (фиг.3). The operation of the magnetic flux amplifier in a low power electric drive system is as follows (FIG. 3).

При подключении электропривода к источнику постоянного тока (1) ток проходит через обмотку возбуждения (5) электродвигателя постоянного тока. В процессе коммутации активное сопротивление щеточного контакта изменяется в течение периода коммутации. ЭДС самоиндукции, индуцируемая в короткозамкнутой секции магнитным потоком якоря, приводит к криволинейной коммутации, в продолжение периода которой катушка индуктивности с сердечником контура накапливает энергию магнитного поля, равную W_L=LI²/2, а конденсатор колебательного контура заряжается, накапливая энергию электрического поля W_С= СU²/2, где
W_L - энергия магнитного поля,
L - индуктивность,
I - сила тока в колебательном контуре,
W_C - энергия электрического поля,
С - емкость,
U - напряжение в колебательном контуре.When connecting the electric drive to a direct current source (1), the current passes through the excitation winding (5) of the direct current electric motor. During the switching process, the resistance of the brush contact changes during the switching period. Self-induced EMF induced in the shorted section of the magnetic flux of the armature results in a curvilinear switching, during the period which the inductor with loop core accumulate magnetic field energy equal to W _L = LI ^2/2, and an oscillatory circuit capacitor is charged by accumulating energy from the electric field W _With Cu = ^2/2, where
W _L is the magnetic field energy,
L is the inductance
I is the current strength in the oscillatory circuit,
W _C is the energy of the electric field,
C is the capacity
U is the voltage in the oscillatory circuit.

При этом ЭДС самоиндукции катушки индуктивности (2) направлена навстречу току источника питания (1) и складывается с ЭДС самоиндукции двигателя (6), что приводит к более плавному пуску электродвигателя, без рывка пускового тока. При размыкании щеток якоря (10) электродвигателя (6) усиленный напряжением разрыва цепи магнитный поток создает магнитное поле, которое пересекает витки катушки (2), наводя в ней ЭДС самоиндукции, направление которой совпадает с направлением ЭДС самоиндукции двигателя и ЭДС источника питания и превосходит их сумму по амплитуде, так как в этот момент магнитный поток, проходящий через сердечник усилителя, достигает максимума, а магнитная индукция близка к индукции насыщения. При частоте коммутаций, совпадающей с собственной частотой колебаний резонансного тока в контуре, магнитный поток получает максимальное усиление, так как колебательный контур поддерживает амплитуду колебаний резонансного тока и напряжения разрыва цепи максимальной. При этом ток, обусловленный ЭДС самоиндукции катушки усилителя, перезаряжает конденсатор, обеспечивая резонансный режим работы колебательного контура усилителя. Как обнаружено нами, энергия ЭДС самоиндукции катушки усилителя обеспечивает через диод и перезаряд конденсатора подзарядку аккумулятора коротким импульсом резонансного тока и напряжения U_{разрыва} в течение времени существования канала дуги/искры и одновременно этим же импульсом питает двигатель. Направление же вращения двигателя не зависит от полярности импульса тока. Таким образом, электроэнергия первичного источника питания в процессе работы электродвигателя за каждый период коммутации очередной секции якоря расходуется при замыкании контактов и пополняется при разрыве цепи.In this case, the self-induction EMF of the inductor (2) is directed towards the current of the power source (1) and is added to the self-induction EMF of the motor (6), which leads to a smoother starting of the electric motor, without a jerk of the starting current. When the brushes of the armature (10) of the motor (6) open, the magnetic flux amplified by the voltage of the circuit break creates a magnetic field that intersects the coils of the coil (2), inducing self-induction EMF in it, the direction of which coincides with the direction of the motor self-induction EMF and the power EMF exceeds the sum in amplitude, since at this moment the magnetic flux passing through the core of the amplifier reaches a maximum, and the magnetic induction is close to the saturation induction. When the switching frequency coincides with the natural frequency of oscillations of the resonant current in the circuit, the magnetic flux gets the maximum gain, since the oscillatory circuit maintains the amplitude of the resonant current and the voltage of the circuit breaking maximum. In this case, the current due to the EMF of the self-induction of the amplifier coil recharges the capacitor, providing a resonant mode of operation of the oscillatory circuit of the amplifier. As we found out, the self-induction EMF energy of the amplifier coil ensures, through the diode and the recharger of the capacitor, to recharge the battery with a short pulse of the resonant current and the voltage U of the _gap during the existence of the arc / spark channel and at the same time feeds the motor with the same pulse. The direction of rotation of the motor does not depend on the polarity of the current pulse. Thus, the electric power of the primary power source during the operation of the electric motor for each switching period of the next armature section is consumed when the contacts are closed and replenished when the circuit breaks.

Работа усилителя магнитного потока в системе электропривода постоянного тока средней мощности (фиг.4 и 4а) отличается от работы усилителя, описанного по фиг. 3 тем, что в контуре усилителя наблюдается значительный, а в некоторых случаях многократный рост напряжения. Вторичная понижающая обмотка (9) усилителя, индуктивно связанная с первичной (2), воспринимает усиленный магнитный поток, и через диод (8) импульсом тока и напряжения подпитывает двигатель (6) и/или источник питания (1), уменьшая общий расход электроэнергии. The operation of the magnetic flux amplifier in a medium power direct current drive system (FIGS. 4 and 4a) is different from the operation of the amplifier described in FIG. 3 by the fact that a significant, and in some cases a multiple increase in voltage is observed in the amplifier circuit. The secondary lowering winding (9) of the amplifier, inductively coupled to the primary (2), perceives the amplified magnetic flux, and through the diode (8) a current and voltage pulse feeds the motor (6) and / or power source (1), reducing the total energy consumption.

Работа усилителя магнитного потока в системе электропривода постоянного тока большой мощности отличается от вышеописанных по фиг.3 и фиг.4 и 4а в следующем. При коммутации секции якоря (6) ток, проходящий через первичную катушку (9), наводит через индуктивную связь во вторичной катушке индуктивности (2) усилителя ток противоположного направления, обеспечивая накопление энергии магнитного поля в катушках индуктивности и энергии электрического поля в конденсаторе и возбуждение колебательного процесса в колебательном контуре усилителя. При разрыве цепи в процессе коммутаций секций обмотки якоря в первичной катушке (9) возникает ЭДС самоиндукции и импульс напряжения, многократно превышающий напряжение источника питания, как это описано для электроприводов малой и средней мощности. Многократно усиленный магнитный поток возбуждает во вторичной катушке ток противоположного направления, который обеспечивает максимальную амплитуду колебаний в контуре и разряд катушки индуктивности через диод. Таким образом, в цепи вторичной катушки (2) усилителя происходят все те же процессы, что и описанные для фиг.3, с той лишь разницей, что импульсы подзаряжающего тока и напряжения посылаются в источник питания и/или подпитывают электродвигатель через индуктивную (магнитную) связь между первичной и вторичной катушками индуктивности. The operation of the magnetic flux amplifier in a high power DC electric drive system differs from the above described in FIG. 3 and FIGS. 4 and 4a in the following. When the armature section (6) is switched, the current passing through the primary coil (9) induces an opposite current current through the inductive coupling in the secondary inductor coil (2) of the amplifier, providing the accumulation of magnetic field energy in the inductors and electric field energy in the capacitor and excitation of the oscillatory process in the oscillatory circuit of the amplifier. When the circuit is broken during the switching of sections of the armature winding in the primary coil (9), a self-induction EMF and a voltage pulse occur, many times higher than the voltage of the power source, as described for electric drives of low and medium power. The repeatedly amplified magnetic flux excites in the secondary coil a current in the opposite direction, which provides the maximum amplitude of oscillations in the circuit and the discharge of the inductor through the diode. Thus, in the circuit of the secondary coil (2) of the amplifier, all the same processes occur as described for figure 3, with the only difference being that the pulses of the recharging current and voltage are sent to the power source and / or feed the electric motor through an inductive (magnetic) connection between primary and secondary inductors.

Применение усилителя магнитного потока, согласно изобретению, в системах электроприводов постоянного тока позволяет:
- уменьшить пусковые токи при всех видах переключении режимов работы двигателя не менее чем в 2 раза,
- ликвидировать дугу и уменьшить искрение на пантографе, на коллекторе двигателя, на контактных группах и уменьшить тепловые потери в 1,5 раза и более,
- увеличить мощность электродвигателя без дополнительного расхода энергии за счет ликвидации тепловых и других потерь на 15-20% и более,
- увеличить ресурс работы электродвигателя и контактных групп не менее чем в 1,5-2 раза,
- увеличить КПД использования электроэнергии источника питания на 30-50% и более.The use of a magnetic flux amplifier, according to the invention, in DC electric drive systems allows:
- reduce inrush currents for all types of switching of the engine operation modes by at least 2 times,
- eliminate the arc and reduce arcing on the pantograph, on the engine manifold, on contact groups and reduce heat loss by 1.5 times or more,
- increase the power of the electric motor without additional energy consumption due to the elimination of heat and other losses by 15-20% or more,
- increase the service life of the electric motor and contact groups not less than 1.5-2 times,
- increase the efficiency of use of electric power by a power source by 30-50% or more.

Работа усилителя магнитного потока в системе импульсного трансформатора состоит в нижеследующем (фиг.10). The operation of the magnetic flux amplifier in a pulse transformer system is as follows (FIG. 10).

При подключении к источнику питания импульсного трансформатора, модернизированного в соответствии с вышеописанными условиями конструирования усилителя магнитного потока, через его первичную катушку проходят импульсы напряжения, возбуждающие колебательный процесс в контуре усилителя, причем за счет ЭДС самоиндукции разрыва цепи энергия колебательного контура многократно усиливается, и в цепи первичной катушки, и в цепи вторичной катушки происходят все вышеописанные для систем электроприводов постоянного тока процессы, с той лишь разницей, что часть накопленной колебательным контуром энергии расходуется на питание подключаемой во вторичную цепь нагрузки, а часть обратным импульсом возвращается в источник питания, что дает повышение КПД, как это описано для электроприводов постоянного тока. When a pulse transformer, which is modernized in accordance with the above-described conditions for constructing a magnetic flux amplifier, is connected to a power source, voltage pulses pass through its primary coil, exciting the oscillatory process in the amplifier circuit, and due to the self-induction of breaking the circuit, the energy of the oscillating circuit is amplified many times, and in the circuit of the primary coil, and in the circuit of the secondary coil all the processes described above for DC electric drive systems occur, with only znitsey that portion of accumulated oscillatory circuit energy consumed for supply is connected to a secondary load circuit, and a portion returned to back-pulse power source that gives rise efficiency, as described for the DC motor.

Claims

The magnetic flux amplifier in an electrical device made in the form of an oscillatory circuit, consisting of a power supply circuit from an alternating current source, connected in parallel to an inductor circuit with a core and capacitance, and with the formation of a common magnetic circuit - a receiver / converter of amplified magnetic flux to provide a useful load on an electrical device, characterized in that the inductor has a transformer type core and they, together with the capacitance, are selected based on the magnitude of magnetic induction in the common magnetic core close to the limit of its full magnetic saturation in the load range from idle to the rated power of the electrical device.