RU2218658C2

RU2218658C2 - Transformer-generator unit

Info

Publication number: RU2218658C2
Application number: RU2001107369/09A
Authority: RU
Inventors: А.Я. Картелев; А.И. Краев; Г.И. Волков; С.В. Пак; А.Н. Скобелев
Original assignee: Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2003-12-10

Abstract

FIELD: heavy-current engineering; cascade explosive magnetic generators for solid state and plasma physics. SUBSTANCE: transformer-generator unit has high-voltage winding and single-turn low-voltage winding. High-voltage winding is placed onto parallel-connected low-voltage winding turns made of strip conductor in the form of sectors whose surface generating lines are parallel to generating line of high-voltage winding surface. Explosive charges with their initiating systems are disposed inside low-voltage winding sectors. After single-turn low-voltage windings are connected to initial energy source such as helical explosive magnetic generator and explosive charge is fired, single-turn windings start moving towards one another and displacing magnetic flux from radial slits between sectors of single-turn low-voltage windings. EFFECT: reduced loss of magnetic flux; enhanced output voltages and electromagnetic energy of transformer. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к сильноточной технике, в частности к взрывомагнитным генераторам тока, и может быть использовано в физике твердого тела и физике плазмы. The invention relates to high-current technology, in particular to explosive magnetic current generators, and can be used in solid state physics and plasma physics.

Известные взрывомагнитные генераторы (ВМГ) типа "кузнечные меха", в которых магнитный поток выдавливается в конечную нагрузку плоским проводящим элементом (см. книгу Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М.: Мир, 1975, с. 217-230), весьма перспективны в качестве мощных импульсных источников электрической энергии. Known explosive magnetic generators (VMGs) of the type “blacksmith fur”, in which the magnetic flux is squeezed into the final load by a flat conductive element (see Knopfel G. book. Superstrong pulsed magnetic fields. M: Mir, 1975, pp. 217-230), promising as powerful pulsed sources of electrical energy.

Однако при непосредственном включении нагрузки в цепь ВМГ его эффективная работа возможна только при наложении жестких ограничений на параметры нагрузки - она должна иметь малый импеданс. Во многих же областях применений индуктивность и активное сопротивление нагрузки значительно превышают конечную индуктивность и сопротивление ВМГ. However, when the load is directly connected to the VMG circuit, its effective operation is possible only with strict restrictions on the load parameters - it should have a small impedance. In many applications, the inductance and resistance of the load significantly exceed the final inductance and resistance of the VMG.

Одним из способов согласования параметров взрывомагнитного или магнитокумулятивного генератора и нагрузки является применение повышающего трансформатора, при этом нагрузка подключается ко вторичной многовитковой обмотке трансформатора, а ВМГ - к первичной одновитковой обмотке трансформатора. Наиболее удобная форма трансформатора для присоединения к ВМГ типа "кузнечные меха" - цилиндрическая или кабельная (см. статью В.Ф. Бухаров, В.А. Васюков, В. Е. Гурин и др. Магнитокумулятивные генераторы с трансформаторным выходом. - ПМТФ, 1982, 1, с.4-10, фиг.1). One way to coordinate the parameters of an explosive or magnetocumulative generator and load is to use a step-up transformer, with the load connected to the secondary multi-turn winding of the transformer, and the VMG to the primary single-turn winding of the transformer. The most convenient form of a transformer for connecting to a blacksmith bellows type VMG is cylindrical or cable (see the article by V.F. Bukharov, V.A. Vasyukov, V. E. Gurin, etc. Magnetocumulative generators with transformer output. - ПМТФ, 1982, 1, p. 4-10, figure 1).

Хотя известные взрывомагнитные генераторы и повышающие трансформаторы и применяются в паре друг с другом, однако они представляют собой раздельные системы с несовпадающими схемно-конструктивными и функциональными признаками. Отсюда большой расход дорогостоящих взрывчатых и проводящих материалов. Кроме того, на практике употребление трансформатора всегда приводит к потерям энергии, особенно когда необходимо получить высокую плотность тока, причем эти потери могут достигать 35-60%. Although the well-known explosive magnetic generators and step-up transformers are used in tandem with each other, however, they are separate systems with mismatching circuit-structural and functional features. Hence the high consumption of expensive explosive and conductive materials. In addition, in practice, the use of a transformer always leads to energy losses, especially when it is necessary to obtain a high current density, and these losses can reach 35-60%.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является импульсный трансформатор (см. авт. св. СССР 877629, МПК Н 01 F 19/08, авторы Л.И. Рудаков, В.П. Смирнов, И.Р. Ямпольский, заявлено 20.07.79, опубликовано 30.10.81, бюл. 40), содержащий высоковольтную и низковольтные одновитковые обмотки из ленточного проводника, при этом низковольтные обмотки соединены в параллель на двух выходных токоподводах, высоковольтная обмотка выполнена в виде одного витка, охватывающего витки низковольтных обмоток, низковольтные обмотки выполнены в виде секторов, образующие поверхностей которых параллельны образующей поверхности высоковольтной обмотки, радиальные участки витков низковольтных обмоток имеют клиновидную форму, а выходные токоподводы размещены вдоль центральной оси трансформатора. The closest in technical essence to the claimed device is a pulse transformer (see ed. St. USSR 877629, IPC N 01 F 19/08, authors L.I. Rudakov, V.P. Smirnov, I.R. Yampolsky, declared 20.07 .79, published on 10.30.81, bull. 40), containing high-voltage and low-voltage single-turn windings from a tape conductor, while the low-voltage windings are connected in parallel on two output current leads, the high-voltage winding is made in the form of a single coil covering the turns of low-voltage windings, low-voltage windings made in the form of a sect ditches, the surfaces of which are parallel to the surface of the high-voltage winding, the radial sections of the turns of the low-voltage windings are wedge-shaped, and the output current leads are placed along the central axis of the transformer.

При работе трансформатора магнитныйпоток, сцепленный с высоковольтным первичным витком, расщепляется вторичными низковольтными обмотками на число частей, равное числу секторов. Следовательно, напряжение на каждом вторичном витке, приложенное к нагрузке через токоподводящие конусы, меньше напряжения на первичном витке в число, равное числу секторов. When the transformer is operating, the magnetic flux coupled to the high-voltage primary coil is split by the secondary low-voltage windings into a number of parts equal to the number of sectors. Therefore, the voltage at each secondary turn applied to the load through the current-carrying cones is less than the voltage at the primary turn equal to the number of sectors.

Недостатком указанного импульсного трансформатора являются большие потери магнитного потока и магнитной энергии в индуктивности рассеяния трансформатора, которые сравнимы иногда с аналогичными параметрами в нагрузке. The disadvantage of this pulse transformer is the large loss of magnetic flux and magnetic energy in the leakage inductance of the transformer, which are sometimes comparable with similar parameters in the load.

Решаемая задача - совмещение функций и деталей трансформатора и взрывомагнитного генератора и вовлечение в процесс магнитной кумуляции ранее теряемых в индуктивности рассеяния трансформатора магнитного потока и магнитной энергии. The problem to be solved is combining the functions and parts of a transformer and an explosive magnetic generator and involving magnetic flux and magnetic energy previously lost in the transformer inductance in the magnetic cumulation process.

Технический результат изобретения - снижение потерь магнитного потока и увеличение выходного напряжения и электромагнитной энергии трансформатора-генератора. The technical result of the invention is the reduction of magnetic flux losses and an increase in the output voltage and electromagnetic energy of the transformer generator.

Технический результат достигается тем, что в известном импульсном трансформаторе, содержащем высоковольтную обмотку и низковольтные одновитковые обмотки, при этом высоковольтная обмотка охватывает витки низковольтных обмоток, низковольтные обмотки соединены в параллель на двух токоподводах и выполнены из ленточного проводника в виде секторов, образующие поверхностей которых параллельны образующей поверхности высоковольтной обмотки, новым является то, что внутри секторов низковольтных обмоток размещены заряды взрывчатого вещества с системами их инициирования. The technical result is achieved by the fact that in a known pulse transformer containing a high voltage winding and low voltage single-turn windings, the high-voltage winding covers the turns of low-voltage windings, low-voltage windings are connected in parallel on two current leads and are made of a tape conductor in the form of sectors forming the surfaces of which are parallel high-voltage winding surface, new is that explosive charges are placed inside sectors of low-voltage windings but with systems for their initiation.

Кроме того, высоковольтная обмотка выполнена многовитковой; радиальные участки витков низковольтных одновитковых обмоток изолированы друг от друга пленочным диэлектриком; токоподводы выполнены коаксиальными; токоподводы выполнены, каждый, двухсторонними. In addition, the high-voltage winding is multi-turn; the radial sections of the turns of low-voltage single-turn windings are isolated from each other by a film dielectric; current leads are made coaxial; current leads are each double-sided.

Размещение внутри секторов низковольтных обмоток зарядов ВВ и системы их инициирования обеспечивают:
- получение расходящейся цилиндрической детонационной волны и динамическое взрывное перезамыкание смежных противофазных проводников секторов низковольтных обмоток, приводящее вначале к отсечке трансформатора от источника питания, а затем и к вытеснению магнитного потока из зазоров между секторами низковольтных обмоток и из межобмоточного пространства трансформатора в нагрузку, в результате чего происходит генерация электромагнитной энергии;
- вследствие превышения индуктивности рассеяния трансформатора над индуктивностью нагрузки увеличение выходного напряжения трансформатора над его входным напряжением сверх отношения числа витков обмоток, а выходной электромагнитной энергии над входной энергией - сверх единицы.The placement inside the sectors of low-voltage windings of explosive charges and their initiation systems provide:
- obtaining a diverging cylindrical detonation wave and dynamic explosive reconnection of adjacent antiphase conductors of the sectors of low voltage windings, leading first to the cutoff of the transformer from the power source, and then to the displacement of the magnetic flux from the gaps between the sectors of the low voltage windings and from the winding space of the transformer to the load, resulting in electromagnetic energy is generated;
- due to the excess of the transformer dissipation inductance over the load inductance, an increase in the output voltage of the transformer over its input voltage is in excess of the ratio of the number of turns of the windings, and the output of electromagnetic energy over the input energy is in excess of unity.

Другими словами, импульсный трансформатор становится не только передатчиком (или преобразователем) напряжения и электромагнитной энергии, но и генератором электромагнитной энергии, причем без каких-либо особых конструктивных и материальных изменений в первичном и вторичном контурах трансформатора. In other words, a pulse transformer becomes not only a transmitter (or converter) of voltage and electromagnetic energy, but also a generator of electromagnetic energy, and without any special structural and material changes in the primary and secondary circuits of the transformer.

Выполнение входных токоподводов коаксиальными упрощает соединение трансформатора-генератора с источником запитки - спиральным взрывомагнитным генератором (один токоподвод трансформатора-генератора соединяется с центральной трубой спирального ВМГ, другой - с наружной спиралью ВМГ). Coaxial input current leads simplify the connection of the transformer-generator with a power source — a spiral explosive magnetic generator (one current lead of the transformer-generator is connected to the central pipe of the spiral VMG and the other to the external spiral of the VMG).

Выполнение входных токоподводов двухсторонними позволяет присоединить к трансформатору-генератору одновременно два источника запитки - два спиральных взрывомагнитных генератора и тем самым увеличить выходную электромагнитную энергию трансформатора-генератора. The implementation of the input current leads with two-sided allows you to connect to the transformer-generator at the same time two power sources - two spiral explosive magnetic generators and thereby increase the output electromagnetic energy of the transformer-generator.

Выполнение наружной высоковольтной обмотки многовитковой обеспечивает не только увеличение выходного напряжения трансформатора-генератора, но и генерацию магнитного потока за счет увеличения потокосцепления наружной высоковольтной обмотки с внутренними одновитковыми обмотками. The implementation of the multi-turn external high-voltage winding provides not only an increase in the output voltage of the transformer-generator, but also magnetic flux generation by increasing the flux linkage of the external high-voltage winding with the internal single-turn windings.

Изолирование радиальных участков низковольтных обмоток друг от друга пленочным диэлектриком обеспечивает расщепление вводимого в трансформатор магнитного потока на несколько частей и кумуляцию этих частей магнитного потока при подрыве зарядов ВВ без отсекании (без шунтирующих электрических пробоев между соседними противофазными участками витков низковольтных обмоток). Insulating the radial sections of the low-voltage windings from each other by a film dielectric ensures the splitting of the magnetic flux introduced into the transformer into several parts and the accumulation of these parts of the magnetic flux when the explosive charges are detonated without clipping (without shunting electrical breakdowns between adjacent antiphase sections of the low-voltage winding turns).

На фиг. 1-2 изображены соответственно общий вид и поперечный разрез предлагаемого трансформатора-генератора. In FIG. 1-2 depict respectively a General view and a cross section of the proposed transformer-generator.

Предлагаемый трансформатор-генератор содержит наружную высоковольтную обмотку 1 и низковольтные одновитковые обмотки 2. Низковольтные обмотки 2 соединены в параллель на двух входных токоподводах 3 и 4. Низковольтные обмотки выполнены из ленточного проводника в виде секторов, образующие поверхностей которых параллельны образующей поверхности высоковольтной обмотки. Радиальные участки витков низковольтных обмоток имеют прямоугольную форму. Радиальные участки витков низковольтных обмоток 2 изолированы друг от друга пленочным диэлектриком 5. Входные токоподводы 3 и 4 выполнены коаксиальными. Внутри секторов низковольтных обмоток 2 размещены заряды взрывчатого вещества. 6. Под зарядами ВВ 6 (в отверстиях центрального токоподвода 3) расположены электродетонаторы 7 системы инициирования. The proposed transformer-generator contains an external high-voltage winding 1 and low-voltage single-coil windings 2. Low-voltage windings 2 are connected in parallel on two input current leads 3 and 4. Low-voltage windings are made of a ribbon conductor in the form of sectors, the surfaces of which are parallel to the forming surface of the high-voltage winding. The radial sections of the turns of low voltage windings are rectangular in shape. The radial sections of the turns of the low voltage windings 2 are isolated from each other by a film dielectric 5. The input current leads 3 and 4 are made coaxial. Inside the sectors of low-voltage windings 2 explosive charges are placed. 6. Under the explosive charges 6 (in the openings of the central current supply 3) are electric detonators 7 of the initiation system.

В примере реализации наружная высоковольтная многовитковая обмотка 1 выполнена из изолированной жилы коаксиального кабеля РК-50-11-13 или высоковольтного провода марки КВИС-100. Намотана многовитковая обмотка на специальной извлекаемой оправке и сверху закреплена эпоксидной смолой. Выводы многовитковой обмотки подключены к индуктивной нагрузке 8 - большой незаземленной петле. In an example implementation, the external high-voltage multi-turn winding 1 is made of an insulated core of a coaxial cable RK-50-11-13 or a high-voltage wire of the KVIS-100 brand. A multi-turn winding is wound on a special extractable mandrel and is fixed on top with epoxy resin. The conclusions of the multi-turn winding are connected to the inductive load 8 - a large ungrounded loop.

Внутренние низковольтные секториальные обмотки 2 выполнены из ленточного проводника - листовой меди толщиной 1-2 мм. Начала и концы секториальных обмоток 2 приварены к входным токоподводам 3 и 4 соответственно и подключены к источнику начального тока - спиральному взрывомагнитному генератору. Internal low-voltage sectorial windings 2 are made of a strip conductor - copper sheet 1-2 mm thick. The beginnings and ends of sectorial windings 2 are welded to the input current leads 3 and 4, respectively, and are connected to the source of the initial current - a spiral explosive magnetic generator.

Наружная многовитковая и внутренние одновитковые секториальные обмотки установлены концентрически друг другу. Зазор между обмотками равен 3-10 мм. The outer multi-turn and internal single-turn sectorial windings are installed concentrically to each other. The gap between the windings is 3-10 mm.

Заряды 6 взрывчатого вещества представляют собой секториальные призмы, отлитые из тротила, тротил-гексогена или другого типа ВВ с достаточно высоким давлением на фронте детонационной волны (см. книгу Дерибас А.А. "Физика упрочнения и сварки взрывом", Новосибирск, Наука, 1972) в специальных формах. Explosive charges 6 are sectorial prisms cast from TNT, TNT-RDX, or another type of explosive with a fairly high pressure at the detonation wave front (see A. Deribas, “Physics of Hardening and Explosion Welding,” Novosibirsk, Nauka, 1972 ) in special forms.

Работает предлагаемый трансформатор-генератор следующим образом. The proposed transformer generator operates as follows.

При подключении внутренних низковольтных секториальных обмоток 2 к источнику начальной энергии, например спиральному взрывомагнитному генератору, по виткам внутренних секториальных обмоток будет течь ток I₁, по виткам наружной многовитковой обмотки 1 ток I₂=-I₁/n, где n - число витков многовитковой обмотки.When connecting internal low-voltage sectorial windings 2 to a source of initial energy, for example, a spiral explosive magnetic generator, current I ₁ will flow through the turns of internal sectorial windings, current I ₂ = -I ₁ / n, where n is the number of turns of a multi-turn windings.

Соответственно начальный магнитный поток вначале расщепляется на число частей, равных числу секториальных обмоток, а затем собирается наружной многовитковой обмоткой 1 и передается в нагрузку 8. При этом в нагрузку передается только часть магнитного потока Фн=I₂Lн, большая же часть начального магнитного потока Фтp= I₁Lтp=I₁L₁(1-K²св) концентрируется в радиальных щелях между секториальными обмотками и в кольцевом зазоре между наружной многовитковой обмоткой и внутренними секториальными обмотками, где L₁ и Lн - индуктивности внутренних низковольтных секториальных обмоток трансформатора и нагрузки; Ксв - коэффициент магнитной связи между внутренними низковольтными и наружной высоковольтной обмотками трансформатора.Accordingly, the initial magnetic flux is initially split into the number of parts equal to the number of sectorial windings, and then it is collected by the external multi-turn winding 1 and transferred to the load 8. In this case, only part of the magnetic flux Фн = I ₂ Lн is transferred to the load, while the majority of the initial magnetic flux Фтp = I ₁ Ltp = I ₁ L ₁ (1-K ² sv) is concentrated in the radial slots between the sectorial windings and in the annular gap between the external multi-turn winding and the internal sectorial windings, where L ₁ and Lн are the inductances of the internal low sectorial voltage transformer windings and loads; Ksv - magnetic coupling coefficient between the internal low-voltage and external high-voltage transformer windings.

После срабатывания в момент максимума тока I₁ системы инициирования - электродетонаторов 7 и подрыва зарядов ВВ 6 боковые металлические поверхности внутренних секториальных обмоток 2 начинают двигаться навстречу друг другу и вытеснять магнитный поток вначале из радиальных щелей между секториальными обмотками 2, а затем из кольцевого зазора между внутренними секториальными обмотками 2 и наружной многовитковой обмоткой 1. А так как индуктивность рассеяния трансформатора всегда превышает индуктивность нагрузки 8, то в нагрузке наблюдается дополнительный прирост тока, напряжения и электромагнитной энергии. Этот прирост может составлять по напряжению 5-10 раз, по электромагнитной энергии 25-100 раз.After triggering at the time of maximum current I ₁ of the initiation system - electric detonators 7 and detonation of explosive charges 6, the side metal surfaces of the internal sectorial windings 2 begin to move towards each other and first displace the magnetic flux from the radial slots between the sectorial windings 2, and then from the annular gap between the internal sectorial windings 2 and an external multi-turn winding 1. And since the transformer inductance always exceeds the load inductance 8, the load is observed additional increase in current, voltage and electromagnetic energy. This increase can be 5-10 times in voltage, 25-100 times in electromagnetic energy.

Таким образом, в предлагаемом трансформаторе-генераторе осуществляется не только согласование низкоимпедансной и сильноточной цепи с высокоимпедансной и высоковольтной цепью, но и происходит одновременно кумуляция магнитного потока трансформатора и передача его с усилением в нагрузку - к потребителю. Thus, in the proposed transformer-generator, not only the low-impedance and high-current circuits are matched with the high-impedance and high-voltage circuits, but also the magnetic flux of the transformer is cumulated and transferred to the consumer with amplification to the load.

Claims

1. A transformer-generator comprising a high-voltage winding and low-voltage single-turn windings, the high-voltage winding covering the turns of low-voltage single-turn windings connected in parallel and made of a ribbon conductor in the form of sectors, the surfaces of which are parallel to the forming surface of the high-voltage winding, with the beginning and ends of the sectors of the low-voltage winding single-turn windings are connected to current leads, characterized in that inside the sectors of low-voltage single-turn windings are placed explosive charges with systems of initiation.

2. The transformer-generator according to claim 1, characterized in that the high-voltage winding is multi-turn.

3. The transformer-generator according to claim 1, characterized in that the radial sections of the sectors of low-voltage single-turn windings are isolated from each other by a film dielectric.

4. A transformer-generator according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said current leads are made coaxial.

5. The transformer-generator according to claim 4, characterized in that the current leads are each double-sided.