БЕСКОНТАКТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР ОДНОФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H01F29/10 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к регулируемым трансформаторам, и может быть использовано в различных электротехнических и радиотехнических устройствах в качестве блока питания однофазного переменного или выпрямленного тока с регулируемым выходным напряжением.

Известен однофазный регулируемый бесконтактный трансформатор, (например, авт.св. СССР N 1410121, кл. H 01 F 29/10, 1988), который содержит шихтованный цилиндрический статор, снабженный двумя взаимно перпендикулярными парами явно выраженных полюсов, и шихтованный поворотный ротор с одной парой, также явно выраженных полюсов. Одна пара противоположно расположенных полюсов статора служит рабочими полюсами, а другая пара полюсов является полюсами шунтов. На полюсах статора размещены две вторичные неподвижные обмотки - на паре рабочих полюсов расположена рабочая сосредоточенная обмотка, а на паре полюсов шунтов расположена дополнительная сосредоточенная обмотка шунтов. В свою очередь на поворотном роторе размещена одна первичная сосредоточенная подвижная обмотка с подвижными питающими ее выводами. Изменение выходного напряжения вторичной рабочей обмотки от нуля до максимального значения осуществляется путем поворота ротора на 90^о.

Недостатками трансформатора являются его пониженная надежность и сложность, вызванные соответственно наличием подвижной первичной обмотки и ее подвижных выводов и трудностью намотки и укладки сосредоточенных первичной и вторичной обмоток на явно выраженные полюса статора и ротора. К другим недостаткам трансформатора следует отнести его повышенные габариты и расход активных материалов (меди и электротехнической стали), что обусловлено, во-первых, наличием дополнительной вторичной обмотки шунтов и дополнительных полюсов, служащих шунтами, и, во-вторых, выполнением трансформатора с явно выраженными полюсами и сосредоточенными обмотками, что определяет его повышенные габариты в связи с низким коэффициентом использования активной зоны статора и ротора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому регулятору напряжения является вращающийся (поворотный) трансформатор (например, Хрущев В. В. "Электронные машины систем автоматики. Л.: Энергоатомиздат, 1985, с. 233-244), содержащий шихтованные цилиндрические статор и ротор с равномерно расположенными по их окружности пазами. В пазах статора распределены две первичные взаимно перпендикулярные обмотки - обмотка возбуждения и компенсационная обмотка. Обмотка возбуждения включается в сеть однофазного переменного напряжения, а компенсационная обмотка замыкается накоротко или на резистор. В пазах ротора соответственно распределены две вторичные взаимно перпендикулярные обмотки - синусная и косинусная. Электрический контакт с подвижными вторичными обмотками осуществляется с помощью контактных колец и щеток, если ротор трансформатора является вращающимся, либо посредством контактных спиральных пружин, если трансформатор работает в режиме ограниченного угла поворота ротора. Таким образом, вращающийся (поворотный) трансформатор представляет собой трансформатор с однофазным входом и двухфазным выходом и преобразует угол поворота ротора в два вторичных однофазных напряжения, амплитуды которых пропорциональны соответственно синусу и косинусу угла поворота ротора. Изменение выходного однофазного напряжения от нуля до максимального значения, например, синусной обмотки достигается путем поворота ротора на 90^о.

Недостатками вращающегося (поворотного) трансформатора являются его ограниченная надежность и сложность, связанные, во-первых, с наличием подвижных вторичных обмоток и контактных спиральных пружин и, во-вторых, с наличием двух первичных обмоток на статоре и двух вторичных обмоток на роторе. Вращающийся (поворотный) трансформатор не может быть рационально использован в режиме получения однофазного регулируемого выходного напряжения, поскольку для этой цели становятся ненужными первичная компенсационная обмотка и вторичная синусная (косинусная) обмотка. Это определяет повышенные габариты и значительный расход активных материалов трансформатора на единицу выходной мощности в случае его работы в режиме регулятора однофазного напряжения.

Цель изобретения заключается в повышении надежности, упрощении, снижении габаритов и расхода активных материалов бесконтактного трансформаторного регулятора однофазного напряжения.

Общими признаками предлагаемого регулятора напряжения в сравнении с прототипом являются статор, включающий цилиндрический шихтованный магнитопровод, две обмотки, равномерно распределенные в пазах статора со сдвигом относительно друг друга на 90 эл. град., одна из которых является первичной, и поворотный ротор с шихтованным магнитопроводом.

Основные существенные отличительные от прототипа признаки предлагаемого регулятора напряжения, которые обеспечивают достижение цели изобретения, следующие. Регулятор выполнен с неподвижными первичной и вторичной обмотками, расположенными в пазах статора. Отсутствие подвижных обмоток и контактных спиральных пружин обеспечивает повышение надежности регулятора, а сокращение числа обмоток до двух-одной первичной и одной вторичной неподвижных обмоток обусловливает упрощение, снижение габаритов и расхода активных материалов.

Регулятор оснащен гладким беспазовым магнитопроводом ротора, установленным на немагнитном валу, и на роторе выполнена немагнитная диаметральная прорезь. Совокупность этого признака с расположением первичной и вторичной обмоток в пазах статора со сдвигом относительно друг друга на 90^о обеспечивает физическую возможность регулирования выходного напряжения неподвижной вторичной обмотки от нуля до максимального значения. Кроме того, выполнение регулятора с беспазовым гладким ротором, не содержащим обмоток, позволяет значительно уменьшить диаметр ротора при сохранении в нем необходимой удельной магнитной нагрузки (магнитной индукции), что, следовательно, помимо упрощения, позволяет сократить габариты и расход активных материалов регулятора.

Первичная и вторичная обмотки выполнены с одной парой полюсов и одинаковым шагом и размещены в z=8n пазах статора, где n=1,2,3,... Реализация этого признака обеспечивает выполнение статора с полностью симметричными первичной и вторичной обмотками. Полностью симметричная система первичной и вторичной обмоток и гладкий ротор с двумя симметричными половинами благодаря немагнитной диаметральной прорези обеспечивают, во-первых, равномерное распределение удельных магнитных нагрузок во всех частях магнитопровода статора и ротора и, во-вторых, одинаковое распределение удельных электрических нагрузок (плотности тока) в первичной и вторичной обмотках, что кроме упрощения регулятора приводит к снижению его габаритов и расхода активных материалов. Следует отметить, что у прототипа в силу разных размеров и числа пазов ротора и статора, определяющих несимметрию расположенных в них обмоток, а также выполнения ротора с пазами не могут быть достигнуты равномерное распределение удельных магнитных нагрузок в статоре и роторе и одинаковое распределение удельных электрических нагрузок в первичной и вторичной обмотках.

Благодаря сочетанию и взаимосвязи указанных выше отличительных признаков достигается использование второй обмотки регулятора в качестве вторичной.

Дополнительные существенные отличительные от прототипа признаки предлагаемого регулятора напряжения, которые также обеспечивают реализацию цели изобретения, следующие: выполнение первичной и вторичной обмоток с шагом по пазам, равным y = 1 + пазов, и альтернативное этому признаку выполнение первичной и вторичной обмоток с шагом по пазам, равным y = 1 + пазов. Дополнительные признаки взаимосвязаны с основным отличительным признаком, а именно выполнением первичной и вторичной обмоток с одной парой полюсов и одинаковым шагом и размещением обмоток в z=8n пазах статора, где n =1,2,3,. . . В сочетании с этим признаком дополнительные признаки конкретизируют выполнение первичной и вторичной обмоток и обеспечивают образование симметричной вдоль окружности статора системы указанных обмоток. Подобно основному отличительному признаку дополнительные признаки определяют в конечном итоге снижение габаритов и расхода активных материалов регулятора.

На фиг.1 показан простейший регулятор напряжения при положении ротора, когда напряжение вторичной обмотки равно нулю, поперечный разрез; на фиг.2 - то же при положении ротора, когда напряжение вторичной обмотки равно максимальному значению; на фиг.3 - пример выполнения схемы первичной и вторичной обмоток регулятора с шагом по пазам, равным y = 1 + пазов; на фиг.4 - то же, с шагом по пазам, равным y = 1 + пазов. На фигурах цифрами в кружках обозначены номера пазов статора.

Бесконтактный трансформаторный регулятор однофазного напряжения содержит шихтованные листовой электротехнической сталью цилиндрические статор 1 и поворотный ротор 2. Статор выполнен с равномерно расположенными по его окружности пазами 3, число которых z=8n, где n =, 1,2,3,... На фигурах показан регулятор с числом пазов, соответствующим n=2, т.е. с z=8˙2=16 пазами. В пазах 3 статора 1 размещены неподвижные первичная обмотка 4 и вторичная обмотка 5, которые сдвинуты относительно друг друга по окружности статора на 90^о и соответственно изображены на фигурах толстыми и тонкими линиями. Первичная 4 и вторичная 5 обмотки выполнены с одной парой полюсов и одинаковым шагом и образуют симметричную вдоль окружности статора 1 систему обмоток 4 и 5. Симметричная система первичной 4 и вторичной 5 обмоток представляет собой четыре группы 6, 7, 8 и 9 пазов, две из которых 6 и 8 принадлежат первичной обмотке 4, а две другие 7 и 9 - вторичной обмотке 5, с числом пазов в каждой группе = = 4 . Таким образом, группы 6, 7, 8, 9 пазов поочередно вдоль окружности статора 1 относятся к первичной 4 и вторичной 5 обмоткам.

Поворотный ротор 2 регулятора выполнен гладким без пазов, не содержит на себе обмоток и оснащен немагнитной диаметральной прорезью 10 и немагнитным валом 11. С целью упрощения изготовления ротора 2 за счет набора его из одинарных пластин немагнитная диаметральная прорезь 10 может быть выполнена на концах и у вала 11 с магнитными перемычками 12.

Создание указанной выше симметричной системы первичной 4 и вторичной 5 обмоток, расположенных в z=8n пазах 3 статора 1, где n=1,2,3,.., обеспечивается только в двух альтернативных вариантах. В первом варианте первичная 4 и вторичная 5 обмотки выполнены с шагом по пазам, равным y = 1 + пазов, в частности при z=16 y = 1 + = 7 пазов, т.е. с шагом из паза 1 в паз 7. Симметричная система таких обмоток показана на фиг.3. Во втором варианте первичная 4 и вторичная 5 обмотки выполнены с шагом по пазам, равным y = 1 + пазов, в частности при y = 1 + = 3 паза, т.е. с шагом из паза 1 в паз 3. Симметричная система таких обмоток показана на фиг.4.

Симметричная система первичной 4 и вторичной 5 обмоток обеспечивается также благодаря выполнению обмоток 4 и 5 из двух одинаковых групп катушек с числом , в частности при z=16 число катушек в группе = 2.. Группы катушек сдвинуты относительно друг друга вдоль окружности статора 1 на 180^о и последовательно соединены между собой одноименными выводами. Например, на фиг. 3 гpуппа первичной обмотки 4, состоящая из двух катушек, расположенных в пазах 1, 7 и 2, 8, сдвинута на 180^о относительно другой группы первичной обмотки 4, состоящей также из двух катушек, размещенных в пазах 9, 15 и 10, 16, причем указанные группы катушек последовательно соединены между собой одноименными выводами, в частности концевыми.

Регулятор однофазного напряжения работает следующим образом.

При подаче питающего напряжения на первичную обмотку 4 она создает в кольцевом магнитопроводе, образованном цилиндрическими статором 1 и поворотным ротором 2, переменное пульсирующее магнитное поле.

В положении ротора 2, когда его немагнитная диаметральная прорезь 10 расположена вдоль оси первичной обмотки 4, как показано на фиг.1, пульсирующий магнитный поток направлен перпендикулярно оси вторичной обмотки 5. Рассмотрим, например, промежуток времени, когда на первичную обмотку 4 действует положительный полупериод переменного напряжения. На фиг.3 сплошными стрелками обозначены направления напряжения, действующего в первичной обмотке 4 в этот промежуток времени, а на фиг.1 знаками + и · в толстых линиях показаны направления напряжения в первичной обмотке 4, соответствующие направлениям стрелок вверх и вниз на фиг.3. Согласно закону электромагнитной индукции ЭДС, наведенная во вторичной обмотке 5 переменным магнитным потоком, созданным первичной обмоткой 4, находится в противофазе по отношению к питающему первичную обмотку 4 напряжению. Следовательно, как показано на фиг.1, группа 6 пазов первичной обмотки 4 с направлением напряжения + в толстых линиях наводит в пазах 3, 4, 13 и 14 вторичной обмотки 5, которые магнитно связаны с группой 6 пазов ЭДС противоположного направления, что отмечено на фиг.1 знаком · в тонких линиях. В свою очередь группа 8 пазов первичной обмотки 4 с направлением напряжения · в толстых линиях наводит в пазах 5, 6, 11 и 12 вторичной обмотки 5, которые магнитно связаны с группой 8 пазов ЭДС также противоположного направления, что отмечено на фиг.1 знаком + в тонких линиях.

На фиг.3 пунктирными стрелками показаны направления ЭДС, наведенных во вторичной обмотке 5, которые по направлениям соответствуют знакам + и ° в тонких линиях пазов вторичной обмотки 5 на фиг.1. Как видно из фиг.3, ЭДС, наведенные в активных частях (расположенных в пазах) каждой катушки вторичной обмотки 5, направлены навстречу друг другу, так как пунктирные стрелки, относящиеся к каждой катушке вторичной обмотки 5, также направлены навстречу друг другу. Поэтому ЭДС, наведенная в каждой катушке вторичной обмотки 5, равна нулю и, следовательно, результирующая ЭДС и выходное напряжение вторичной обмотки 5 также равны нулю. В рассмотренный промежуток времени, когда на первичную обмотку 4 действует положительный полупериод переменного напряжения, сопряженная поверхность статора 1 и ротора 2, расположенная между пазами 1 и 8, относится к полярности полюса N, а другая половина сопряженной поверхности статора 1 и ротора 2, расположенная между пазами 9 и 16, относится к полярности полюса S, что отмечено на фиг.1.

Аналогично в промежуток времени, когда на первичную обмотку 4 действует отрицательный полупериод переменного напряжения, результирующая ЭДС и выходное напряжение вторичной обмотки 5 тоже равны нулю, причем указанные сопряженные поверхности статора 1 и ротора 2 меняют полярность своих полюсов.

По мере поворота ротора 2, например, по часовой стрелке и расположения его немагнитной диаметральной прорези 10 под возрастающими углами к осям первичной 4 и втоpичной 5 обмоток группы 6 и 8 пазов первичной обмотки 4 становятся все более магнитно связанными соответственно с группами 7 и 9 пазов вторичной обмотки 5. Это вызывает сначала появление, а затем возрастание ЭДС, наведенной во вторичной обмотке 5 переменным магнитным потоком, созданным первичной обмоткой 4.

В положении ротора 2, когда его немагнитная диаметральная прорезь 10 находится под углом 45^о к осям первичной 4 и вторичной 5 обмоток, как показано на фиг.2, происходит наведение максимальной ЭДС и появление максимального выходного напряжения на вторичной обмотке 5. Покажем это, рассматривая также промежуток времени, когда на первичную обмотку 4 действует положительный полупериод переменного напряжения. На фиг.2 показаны направления напряжения в группах 6 и 8 пазов первичной обмотки 4, которые соответствуют направлениям напряжения в тех же группах пазов, изображенных на фиг.1. По той же причине направления напряжения в первичной обмотке 4, показанные на фиг.3 сплошными стрелками, также остаются неизменными.

В указанном положении ротора 2 его немагнитная диаметральная прорезь 10, разделяющая ротор 2 на две симметричные половины, препятствует прохождению магнитного потока из одной половины ротора 2 в другую и, следовательно, магнитной поток, созданный группами 6 и 8 пазов первичной обмотки 4, вынужден проходить по ротору 2 параллельно его прорези 10. Поэтому группы 6 и 8 пазов первичной обмотки 4 становятся полностью магнитно связанными соответственно с группами 7 и 9 пазов вторичной обмотки 5. Согласно закону электромагнитной индукции группа 6 пазов первичной обмотки 4 с направлением напряжения со знаком + в толстых линиях наводит в группе 7 пазов вторичной обмотки 5 ЭДС противоположного направления, т.е. со знаком ° в тонких линиях, а группа 8 пазов первичной обмотки 4 с направлением напряжения со знаком · в толстых линиях наводит в группе 9 пазов вторичной обмотки 5 ЭДС также противоположного направления, а именно со знаком + в тонких линиях, как показано на фиг.2.

На фиг. 3 сплошными стрелками, направленными вверх и вниз, изображены направления ЭДС, наведенных во вторичной обмотке 5, которые по направлениям соответствуют знакам + и ° в тонких линиях групп 7 и 9 пазов вторичной обмотки 5, показанным на фиг.2. Из фиг.3 следует, что ЭДС, наведенные в активных частях каждой катушки вторичной обмотки 5, направлены согласно друг другу, поскольку сплошные стрелки, относящиеся к каждой катушке вторичной обмотки 5, также направлены согласно друг другу. В силу того, что группы 6 и 8 пазов первичной обмотки 4 полностью магнитно связаны соответственно с группами 7 и 9 пазов вторичной обмотки 5, ЭДС, наведенная в каждой катушке вторичной обмотки 5, имеет максимальное значение. Поэтому результирующая ЭДС и выходное напряжение вторичной обмотки 5 также имеют максимальные значения. В связи с расположением немагнитной диаметральной прорези 10 ротора 2 под углом 45^о к осям первичной 4 и вторичной 5 обмоток в рассмотренный промежуток времени, когда на первичную обмотку 4 действует положительный полупериод переменного напряжения, сопряженные поверхности статора 1 и ротора 2, относящиеся к полярности полюсов N и S, сдвигаются на 45^о по отношению к тем же поверхностям, изображенным на фиг.1.

Подобным образом можно показать, что в промежуток времени, когда на первичную обмотку 4 действует отрицательный полупериод переменного напряжения, результирующая ЭДС и выходное напряжение вторичной обмотки 5 тоже имеют максимальные значения, а сопряженные поверхности статора 1 и ротора 2, относящиеся к разным полюсам, меняют свою полярность.

При последующем повороте ротора 2 через каждые 45^о выходное напряжение вторичной обмотки 5 поочередно и плавно изменяется от максимального значения до нуля и от нуля до максимального значения. За один оборот ротора 2 выходное напряжение вторичной обмотки 5 четырежды имеет максимальные значения и четырежды равно нулю.

Для обеспечения плавности изменения выходного напряжения вторичной обмотки 5 от нуля до максимального значения более оптимальным является выполнение регулятора с небольшим числом пазов 3 статора 1, число которых соответствует z=8n, где n=1,2,3,...

Выполнение первичной 4 и вторичной 5 обмоток с шагом по пазам, равным y = 1 + пазов, обеспечивает благодаря высокому обмоточному коэффициенту уменьшение числа витков обмоток 4 и 5 на 1 В напряжения, но обусловливает увеличение длины лобовых частей (частей, не расположенных в пазах 3 статора 1) обмоток 4 и 5. Выполнение первичной 4 и вторичной 5 обмоток с шагом по пазам, равным y = 1 + пазов, вызывает за счет низкого обмоточного коэффициента увеличение числа витков обмоток 4 и 5 на 1 В напряжения, но приводит к уменьшению длины лобовых частей обмоток 4 и 5.

По расходу меди оба варианта выполнения обмоток 4 и 5 практически равноценны, но в случае использования стандартного штампа для изготовления пластин статора 1 более рациональным является вариант выполнения первичной 4 и вторичной 5 обмоток с шагом по пазам, равным y = 1 + пазов.

Более предпочтительным является выполнение немагнитной диаметральной прорези 10 ротора 2 без магнитных перемычек 12. Отсутствие перемычек практически исключает магнитную связь между симметричными половинами ротора 2 и обеспечивает увеличение коэффициента трансформации и снижение габаритов регулятора. Однако в этом случае для закрепления между собой симметричных половин ротора 2 требуется усложнение технологии его изготовления, например, за счет запрессовки указанных половин в пластмассу, заполняющую немагнитную прорезь 10.

Помимо выполнения обмоток 4 и 5 из катушек одинаковой формы, как показано на фиг.3 и 4, возможно их выполнение из катушек разной формы и размеров при сохранении среднего шага, равного y = 1 + или y = 1 + пазов. Например, группа катушек первичной обмотки 4, показанная на фиг.3 и состоящая из двух катушек, расположенных в пазах 1, 7 и 2, 8, может быть выполнена из двух катушек, размещенных в пазах 1, 8 и 2, 7, которые обладают соответственно большим и меньшим шагом в сравнении друг с другом, но сохраняют средний шаг, равный y = 1 + пазов. Подобным образом распределяются по пазам 3 и все другие группы катушек обмоток 4 и 5, изображенных на фиг. 3. Аналогично могут быть выполнены и обмотки 4 и 5, показанные на фиг. 4.

Регулятор однофазного напряжения может быть оснащен понижающим редуктором, например, с передаточным отношением восемь, который обеспечивает при одном обороте ведущего вала поворот ротора 2 регулятора на угол 45^о.

Использование: в различных электротехнических и радиотехнических устройствах. Сущность изобретения: в гладком безпазовом магнитопроводе ротора, установленном на немагнитном валу бесконтактного трансформаторного регулятора однофазного напряжения, выполнена немагнитная диаметральная прорезь, обмотки статора выполнены с одной парой полюсов и с однинаковым шагом размещены в z = 8n пазах статора, где n = 1, 2, 3, причем вторая обмотка регулятора использована в качестве вторичной. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. БЕСКОНТАКТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР ОДНОФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий статор, включающий цилиндрический шихтованный магнитопровод, две обмотки, равномерно распределенные в пазах статора со сдвигом одна относительно другой на 90 эл. град., одна из которых является первичной, и поворотный ротор с шихтованным магнитопроводом, отличающийся тем, что в гладком беспазовом магнитопроводе ротора, установленном на немагнитном валу, выполнена немагнитная диаметральная прорезь, обмотка статора, выполненные с одной парой полюсов и одинаковым шагом, размещены в z = 8 n пазах статора, где n = 1, 2, 3, причем вторая обмотка регулятора использована в качестве вторичной. 2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что обмотки выполнены с шагом по пазам, равным y = 1 + 3 пазов. 3. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что обмотки выполнены с шагом по пазам, равным y = 1 + пазов.