Многовитковый рельсотрон, секционированный по длине

Изобретение относится к многовитковым рельсотронам. Технический результат - повышение КПД. Многовитковый рельсотрон выполнен с секционированным по длине ускорительным каналом, содержащим N пар токопроводных параллельных рельсов, первые рельсы всех пар и вторые рельсы всех пар разделены изоляционными промежутками и образуют первую и вторую стопы. Якорь состоит из электрически изолированных друг от друга электропроводных перемычек по числу рельсов (N), установленных на общем изоляторе с возможностью скольжения по рельсам. Со стороны входа канала вторые рельсы i-й пары соединены с первыми рельсами i+1 пары посредством сериесных электропроводных перемычек, а первый рельс первой пары и второй рельс N-й пары выведены для подключения к источнику электропитания. Кроме того, содержится М дополнительных стоп, содержащих по N-1 рельсов, установленных вдоль канала последовательно с изоляционными промежутками между концами рельсов первой стопы, начиная со второго, и началами рельсов первой дополнительной стопы, а также между концами рельсов j-й (где j=1…M-1) дополнительной стопы и началами рельсов i+1-й дополнительной стопы, причем длина рельсов второй стопы и первого рельса первой стопы равна суммарной длине сборки первой и М дополнительных стоп. 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к линейным электрическим двигателям и может быть применено для разгона твердого тела (якоря) относительно большой массы.

Уровень техники

Известен рельсотрон с распределенным вдоль канала вводом энергии [Структура электрической части рельсотрона с распределенным вдоль канала вводом энергии. Коммутация токов индуктивных накопителей / Потоцкий А.П., Халимуллин Ю.А., Крылов М.К., Кузнецов В.В., Савичев В.В., Галанин М.П. // Препринт ГНЦ РФ ТРИНИТИ 0082-А, ЦНИИАТОМИНФОРМ 2001 г. С. 26.], содержащий канал, образованный парой электрически изолированных параллельных рельсов и ускоряемый якорь, содержащий токовую перемычку, скользящую по паре рельсов. Электропитание рельсотрона осуществляется от секционированного индуктивного накопителя энергии. Точки подвода электроэнергии к рельсам от гальванически развязанных секций индуктивного накопителя распределены равномерно вдоль рельсов. Рельсы соединены с секциями индуктивного накопителя через сильноточные коммутаторы. Кроме того, секции индуктивного накопителя соединены между собой и с зарядным устройством сильноточными размыкателями. Подключение секции индуктивного накопителя осуществляется в момент прохождения токовой перемычки якоря точек подключения данной секции. Благодаря переходу части энергии магнитного поля в пройденном участке рельсотрона в объем следующего участка, достигается повышение коэффициента полезного действия [с. 19, рис. 12].

Недостатком такого устройства является усложнение конструкции источника электрической энергии и токопроводов для передачи электрической энергии от источников к ускорительному каналу за счет включения в схему сильноточных коммутаторов.

Выбранным за прототип, как наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату, является рельсотронный ускоритель (многовитковый рельсотрон) [Рельсотронный ускоритель: пат. 2154890. Рос. Федерация: МПК⁷ H02N 11/00, H02K 57/00, 33/00 / Полтанов А.Е., Кондратенко А.К., Павлов И.П., Рындин В.Н.; заявитель и патентообладатель Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (РФ) - №98123735/06 заявл. 22.12.1998; опубл. 20.08.2000 Бюл. №23. - 10 с.: 9 ил.], содержащий ускорительный канал, образованный N одинаковыми парами электрически изолированных токопроводящих параллельных рельсов, установленных неподвижно в электроизоляционном корпусе так, что первые рельсы всех пар и вторые рельсы всех пар расположены с изоляционными промежутками соответственно друг над другом стопой, и якорь, содержащий N электрически изолированных друг от друга электропроводных перемычек, каждая из которых установлена на соответствующем изоляторе ускоряемого якоря с возможностью скольжения по соответствующей паре рельсов. Кроме того, содержатся N-1 сериесных электропроводных перемычек, соединяющих на входе вторых рельсов i-й пары с первыми рельсами (i+1)-й пары (где i=1…N-1), а первый рельс первой пары и второй рельс N-й пары выведены для подключения источника электрической энергии. Таким образом, N пар рельсов соединены последовательно (сериесно) неподвижными перемычками, образуя N-витковый рельсотрон. В данном рельсотронном ускорителе используется один источник электрической энергии, что позволяет упростить конструкцию токоподвода и снизить потери электрической энергии при передаче ее от источника к ускорителю.

Недостатком такого рельсотронного ускорителя является его относительно низкий коэффициент полезного действия. Это связано с тем что в объеме участка канала, пройденном якорем при его движении, накапливается магнитное поле, энергия которого соизмерима с кинетической энергией якоря и практически не используется для разгона последнего. Это приводит к тому, что теоретический коэффициент полезного действия в такой конструкции, даже при отсутствии потерь в рельсах, не может превышать 50% при питании рельсотронного ускорителя от стабилизатора постоянного тока.

Раскрытие изобретения

Техническая задача изобретения заключается в разработке системы секционированного по длине подвода энергии к многовитковому рельсотрону, что давало бы возможность повысить коэффициент полезного действия многовиткового рельсотрона.

Для достижения указанного технического результата предложено усовершенствовать рельсотронный ускоритель (N-витковый рельсотрон), содержащий ускорительный канал, образованный N парами электрически изолированных токопроводящих параллельных рельсов, установленных неподвижно в электроизоляционном корпусе (неподвижном электроизоляторе) так, что первые рельсы всех пар и вторые рельсы всех пар расположены с изоляционными промежутками соответственно друг над другом и образуют первую и вторую стопы, якорь, содержащий N электрически изолированных друг от друга электропроводных перемычек, каждая из которых установлена на общем электроизоляторе ускоряемого якоря с возможностью скольжения по рельсам соответствующей пары и N-1 сериесные электропроводные перемычки, соединяющие со стороны входа рельсы второй стопы i-й пары с рельсами первой стопы i+1 пары (где i=1…N-l). Усовершенствование заключается в том, что содержится М дополнительных стоп содержащих по N-1 рельсов, установленных вдоль канала последовательно с изоляционными промежутками между концами рельсов первой стопы начиная со второго и началами рельсов первой дополнительной стопы, а также между концами рельсов j-й (где j=1…М-1) дополнительной стопы и началами рельсов j+1-й дополнительной стопы. Длина рельсов второй стопы и первого рельса первой стопы равна суммарной длине сборки первой и М дополнительных стоп. Изоляционные промежутки в стыках рельсов основной и дополнительных стоп шунтированы диодами, включенными в прямом направлении. Рельсы второй стопы i-й пары соединены через диоды, включенные в прямом направлении с началами i+1-х рельсов дополнительных стоп.

Краткое описание чертежа

На чертеже (фиг.) показана электрическая схема многовиткового рельсотрона, секционированного по длине.

Осуществление изобретения

Описание конструкции устройства

Электрическая схема многовиткового рельсотрона содержит ускорительный канал, образованный N парами рельсов 1.i и 2.i (i=1, 2, … N), электропроводные перемычки 3.i ускоряемого якоря установленные с возможностью скольжения по рельсам 1.i и 2.i соответствующей пары, сериесные перемычки 4.i соединяющие начальные концы пар рельсов 2.i и 1.i+1 последовательно. Первый рельс 1.1 первой пары и рельс 2.N последней пары подключены к источнику электропитания 5. Рельсы 1.i и 2.i собраны соответственно в первую и вторую стопы с изоляционными промежутками. Дополнительные М стоп, каждая из которых содержит N-1 рельсов, установлены вдоль канала последовательно с изоляционными промежутками между концами рельсов первой стопы, начиная со второго рельса 1.2 и началами рельсов первой дополнительной стопы, а также между концами рельсов j-ой дополнительной стопы и j+1-й дополнительной стопы. Длина рельсов второй стопы и первого рельса первой стопы равна суммарной длине сборки первой и М дополнительных стоп. Изоляционные промежутки в стыках рельсов основной и дополнительных стоп шунтированы диодами 7.2.1 … 7.N.1 … 7.2.М … 7.N.M, включенными в прямом направлении. Рельсы второй стопы i-ой пары соединены через диоды 8.2.1 … 8.N.1 … 8.2.М … 8.N.M, включенные в прямом направлении с началами i+1-ых рельсов дополнительных стоп.

Таким образом, данный многовитковый рельсотрон является секционированным. Длина каждой секции равна длинам рельсов, входящих в состав первой и дополнительных стоп. Рельсы 1.1 и 2.i являются общими для всех секций. Электроизоляция рельсов, перемычек якоря и сериесных перемычек на фиг. 1 не показана. Стрелкой V указано направление движения ускоряемого якоря, а стрелками I путь протекания электрического тока.

Работа устройства

Работа секционированного многовиткового рельсотрона, показанного на чертеже осуществляется следующим образом. В исходном положении ускоряемый якорь установлен в начале рельсов 1.1 … 2.N после точек подключения сериесных перемычек 4.1 … 4.(N-1). При подаче электрической энергии 5 на выводах рельсов 1.1 и 1.N появляется напряжение и по цепи, состоящей из начальных участков рельсов 1 и 2 перемычек 3.1 … 3.N ускоряемого якоря каждой пары рельсов, соединенных последовательно сериесными перемычками 4.1 … 4.N, протекает электрический ток. В результате взаимодействия магнитных полей, создаваемых токами, текущими в рельсах секции и перемычках якоря, возникает электромагнитная ускоряющая сила F_a. Под воздействием этой силы ускоряемый якорь перемещается вдоль рельсов по стрелке V.

Диоды 7.2.1 и 8.2.1 … 7.N.M и 8.N.M, включенные встречно попарно, предотвращают образование короткозамкнутых контуров, и участки рельсов перед движущимся якорем исключены из работы. После достижения якорем конца первой секции рельсотронного ускорителя, якорь своими перемычками 3.1 … 3.N замыкает начала рельсов второй секции. При этом ток источника электропитания 5 замыкается по цепи, содержащей рельс 1.1, перемычки якоря 3.1 … 3.N, участки рельсов 2.1 … 2.(N-1) и 6.1.2 … 6.(N-1).2 от контактов перемычек якоря с соответствующими рельсами, диоды 8.2.1 … 8.N.1 и рельс 2.N. Кроме того, по рельсам второй секции и перемычкам якоря протекает ток, вызванный э.д.с. самоиндукции накопленного магнитного поля первой секции, который замыкается по рельсам первой секции, сериесным перемычкам 4.1 … 4.(N-1) и замыкается через источник электропитания 5. При этом магнитное поле первой секции рельсов снижается, а его энергия используется для разгона якоря во второй и последующих секциях.

Движение якоря в последующих секциях происходит аналогичным образом, а электромагнитная ускоряющая сила F_a равна аналогичной силе в обычном N-витковом рельсотроне

где I - рабочий ток ускорителя, - погонная индуктивность канала, образованного N парами рельсов, запитываемых последовательно рабочим током I.

Это приводит к равенству полезных работ (кинетических энергий ускоряемых тел) при одинаковой длине обычного N-виткового и предлагаемого рельсотрона из М секций

где , , - длина одной секции ускорителя.

Коэффициент полезного действия ускорителя в общем случае определяется как

где W_вх - энергия, подведенная к каналу, которая без учета омических потерь может быть представлена как сумма полезной работы (кинетической энергии) и оставшейся в канале магнитной энергии .

Если при питании постоянным током I в момент вылета якоря в канале обычного N-виткового рельсотрона остается энергия магнитного поля равная

то в канале рассматриваемого секционированного ускорителя в момент вылета якоря остается магнитная энергия

где - погонная индуктивность пары рельсов 1.1 и 2.N. Степень увеличения коэффициента полезного действия

с учетом соотношений (3)-(5) (без учета тепловых, трения и других потерь) будет равна:

и лежит в области . Учет омических потерь при прочих равных условиях дает более высокие значения κ по сравнению с оценкой по формуле (7). Эффективность технического решения повышается с увеличением числа пар рельсов N и числа секций М.

Данное техническое решение позволяет повысить коэффициент полезного действия η многовиткового рельсотрона при секционировании. Это достигается использованием энергии магнитного поля предыдущих секций для ускорения якоря в последующих секциях.

Многовитковый рельсотрон, секционированный по длине, содержащий ускорительный канал, образованный N парами электрически изолированных токопроводных параллельных рельсов, установленных неподвижно в электроизоляционном корпусе так, что первые рельсы всех пар и вторые рельсы всех пар расположены с изоляционными промежутками соответственно друг над другом и образуют первую и вторую стопы, якорь, содержащий N электрически изолированных друг от друга электропроводных перемычек, каждая из которых установлена на общем электроизоляторе ускоряемого якоря с возможностью скольжения по рельсам соответствующей пары, и N-1 сериесные электропроводные перемычки, соединяющие со стороны входа рельсы второй стопы i-й пары с рельсами первой стопы i+1 пары (где i=1…N-1), отличающийся тем, что содержится М дополнительных стоп, содержащих по N-1 рельсов, установленных вдоль канала последовательно с изоляционными промежутками между концами рельсов первой стопы, начиная со второго, и началами рельсов первой дополнительной стопы, а также между концами рельсов j-й (где j=1…M-1) дополнительной стопы и началами рельсов i+1-й дополнительной стопы, причем длина рельсов второй стопы и первого рельса первой стопы равна суммарной длине сборки первой и М дополнительных стоп, изоляционные промежутки в стыках рельсов основной и дополнительных стоп шунтированы диодами, включенными в прямом направлении, а рельсы второй стопы i-й пары соединены через диоды, включенные в прямом направлении с началами i+1-х рельсов дополнительных стоп.