СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОДВИЖНОГО ТОКОСЪЕМА Российский патент 1996 года по МПК H01R39/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для бесконтактной электрической связи подвижной и неподвижной частей электрических машин и аппаратов.

Известны различные способы решения проблемы подвижного токосъема, осуществляемые на основе твердых, и жидких скользящих контактов или бесконтактных электромагнитных и плазменных (термоэмисионных) устройств.

Основными недостатками твеpдых скользящих контактов являются большая потеря напряжения (энергии) в переходном контакте щеток; неспособность работы при некоторых условиях окpужающей среды, больших токах нагрузки и скоростях вращения; эксплуатационные затруднения, связанные с износом щеточного аппарата.

Недостатками жидкометаллических скользящих контактов являются сложность конструктивного устройства; необходимость герметизации токосъема; значительные гидравлические потери при высоких скоростях вращения.

Недостатком плазменного и термоэмиссионного устройств является необходимость создания специальных условий работы такого токосъема (герметизация, вакуум, охлаждение т.д.), что усложняет и удорожает электрическую машину.

Наибольшее распространение в электрических машинах получил бесконтактный электромагнитный (трансформаторный) способ передачи электроэнергии, заключающийся в создании изменяемого во времени магнитного поля первичной обмоткой, потокосцеплении его через магнитопровод с вторичной обмоткой, наведении в ней электродвижущей силы (ЭДС) по закону электромагнитной индукции и взаимодействии магнитных потоков этих двух обмоток (см. например, Л.М.Пиотровский, Электрические машины. М. Госэнеpгоиздат, 1963, с. 22-24, 297).

Основными недостатками электромагнитного способа передачи электроэнергии являются неудовлетворительные регулировочные характеристики электрических машин; низкий коэффициент мощности cos Φ, характеризующий большую долю энергии, которая идет на создание магнитного потока и бесполезно загружает электрическую сеть, что требует установки компенсирующих устройств, например конденсаторов.

Наиболее близким техническим решением подвижного токосъема является устройство, предназначенное для бесконтактного съема информации с вращающихся тел, которое принято автором за прототип. Устройство содержит пластины и плоские кольца, которые создают электрическое поле и передают электрические сигналы постоянного тока через емкость между кольцами и пластинами подвижной и неподвижной частей, но эти сигналы настолько малы, что обязательно предусматривают применение усилителей.

Целью изобретения является увеличение эффективности конденсаторного токосъема при исключении усилителей и разгрузка сети от индуктивной составляющей мощности в применении к электрическим машинам.

Цель достигается тем, что конденсатор заряжают электроэнергией от постороннего или внутреннего источника ЭДС, накапливают эту энергию на пластинах конденсатора, создают резонансные условия работы колебательного контура, образованного из обмоток электрической машины и конденсаторных пластин роторного типа, и передают накопленную энергию от обмоток ротора во внешнюю сеть или, наоборот, от статора в обмотку ротора при перемене направления ЭДС.

Исследование патентной и технической литературы показало отсутствие способов токосъема (передачи энергии) электрических машин и аппаратов с предлагаемыми совокупностью признаков и последовательностью операций.

Таким образом, в данном случае известные элементы электротехнических устройств объединены новыми связями и последовательностью операций над ними, придают электрической машине новые свойства, проявившиеся в положительных эффектах, вследствие чего решение может быть признано обладающим существенными отличиями.

На фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема осуществления подвижного токосъема на примере синхронной электрической машины; на фиг.2, 3 показана конструктивная схема осуществления подвижного токосъема для бесконтактного дискового униполярного регулируемого двигателя переменного тока.

Как видно из фиг.1, электрическая цепь ротора синхронной машины представляет собой колебательный контур, состоящий из обмотки ротора с индуктивностью L и двух токосъемов в виде дисков конденсаторов. При этом могут применяться воздушные или вакуумные конденсаторы роторного типа постоянной емкости, и тогда электрическая машина должна быть рассчитана на резонансные условия работы при данной частоте электрического тока. Регулирование параметров колебательного контура позволит иметь определенный диапазон резонансных частот. Этого же можно добиться, применив нерегулируемый роторный конденсатор переменной емкости.

Для использования двух полупериодов протекающего переменного тока обмотка L ротора разделена надвое с подключением ее середины к пластинам конденсатора С с одного конца вала ротора, а начало и конец обмотки ротора подключены через выпрямляющее устройство в виде двух диодов D к подвижным пластинам конденсатора с другого конца вала, т.е. каждая ветвь предназначена для одностороннего протекания электрического тока.

Статор электрической машины в этом случае может быть аналогичным известным, но применение предложенного токосъема открывает широкие возможности варьирования известных конструктивных и электрических схем электрических машин всех типов: биополярных и униполярных, синхронных и асинхронных.

На фиг.2,3 приведен конкретный пример конструктивного выполнения бесконтактного безобмоточного дискового униполярного регулируемого трехфазного электродвигателя переменного тока, который дает принципиально новую возможность повышения напряжения униполярных машин.

Двигатель состоит из разъемного статора 1, выполняющего функцию магнитопровода, и дискового якоря 2 из электропроводящего материала, который может вытачиваться за одно целое с валом 3.

Для однофазного варианта (на чертеже не показано) на одном или двух концах вала 3 закрепляются диски 4 центрального токосъема, которые выполняют функцию подвижных пластин конденсатора С. Края диска якоря 2 переходят в цилиндрические кольца периферийного токосъема 4.

Для трехфазного варианта вал будет свободен от центрального токосъема, так как работа машины осуществляется только через три периферийных токосъема, как показано на фиг.2.

Между подвижными частями 4 центрального или периферийного токосъема с минимальным технологическим зазором располагаются их неподвижные диски 5 и цилиндрические кольца 6 таким образом, что образуют центральный и периферийный воздушные (вакуумные) конденсаторы токосъемы.

Для создания униполярного аксиально действующего магнитного потока статора неподвижные цилиндрические кольца 6 могут иметь радиальный разрез (разрыв), как показано на фиг.2.

Присоединение токопроводящего провода 7 слева или справа от разреза определит относительное направление магнитного потока и суммарного тока Σ _i якоря и, следовательно, направление вращения вала электродвигателя, а отделение точки присоединения от разреза по окружности дает изменение его индуктивности.

Униполярный аксиально действующий магнитный поток статора может быть создан также, например, спиральными или прямыми тангенциальными (не проходящими через ось диска) разрезами 8 диска якоря, как показано на фиг.3, смещающими направление протекания тока в диске от радиального.

Оба описанных способа создания магнитного потока возбуждения могут применяться в комбинации с известными или независимо друг от друга.

Для работы такого электродвигателя к неподвижным обкладкам конденсатора-токосъема необходимо подключить источник переменной ЭДС.

При включении источника ЭДС конденсаторы-токосъемы периодически заряжаются и разряжаются с частотой изменения ЭДС источника, что обусловит протекание переменного тока в диске якоря и возникновение магнитного поля статора.

Поскольку изменение направления тока якоря и магнитного потока статора происходит одновременно, направление вращающего момента на валу не меняется, а его величина и, следовательно, скорости вращения вала могут регулироваться напряжением источника тока, его частотой и соотношениями величин конструктивных элементов.

Но возможности заявляемого способа осуществления подвижного токосъема в применении к электрическим машинам этим не будут ограничены, если предусмотреть использование колебательного контура, состоящего из емкости токосъема и индуктивности обмоток, и операции совмещения частот ЭДС источника и собственной частоты контура, что резко увеличивает амплитуду колебаний, а, следовательно, эффективность конденсаторного токосъема в несколько порядков раз.

Рассмотрим их подробнее в констpуктивной схеме синхронной электрической машины, показанной на фиг.1.

Как известно из радиотехники (см. например, Давыдов С.Л. и др. Радиотехника/. М. Воениздат, 1963, с.25-29) для получения переменного по величине и напряжению тока в колебательном контуре достаточно сообщить ему некоторый запас электрической энергии, заставляющий заряды обкладок конденсаторов-токосъемов притягиваться друг к другу.

Далее энергия электрического поля конденсаторов токосъемов будет переходить в энергию магнитного поля катушки L и обратно.

Эти колебания, если они происходят без воздействия внешней силы, являются свободными. Но свободные электрические колебания, возникающие в контуре, существуют лишь до тех пор, пока в контуре сохраняется некоторый запас энергии, т. е. они постепенно прекращаются, затухают. Для работы электрической машины необходимо, чтобы колебания не затухали.

Этого можно добиться, если периодическим добавлять энергию в контур и тем самым компенсировать в нем потери энергии. Иначе говоря, колебания в контуре должны совершаться не за счет первоначального запаса энергии заряженных конденсаторов-токосъемов, а под непрерывным воздействием внешней (двигательный режим) или внутренней (генераторный режим) переменной ЭДС, т. е. колебания должны быть вынужденными.

При включенном источнике конденсаторы-токосъемы контура периодически заряжаются и разряжаются с частотой изменения ЭДС источника.

Так же под действием ЭДС источника возникает и прекращается ток в обмотках контура, состоящего из двух ветвей, создающих результирующий магнитный поток одного направления благодаря последовательному включению диодов D в каждую ветвь.

Вынужденные колебания не затухают, частота их определяется только частотой ЭДС внешнего и внутреннего источников и совершенно не зависит от величины индуктивности и емкости контура, но амплитуда, а, следовательно, величина тока и результирующего магнитного потока будет зависеть не только от ЭДС источника, но и от соотношения между частотой источников и свободной частотой контура.

Чем ближе частота ЭДС источника к свободной частоте контура, тем больше амплитуда вынужденных колебаний и при равенстве частот ЭДС источника и собственной частоты контура амплитуда колебаний резко возрастает до резонансного.

При резонансе ток в контуре достигает наибольшей величины, следовательно, наиболее эффективен предложенный способ подвижного токосъема при равенстве частот ЭДС источника и собственной частоты контура.

Кроме того, электрическая машина на фиг.1 при работе, например, в режиме синхронного генератора будет обладать повышенной динамической и статистической устойчивостью, так как любые переходные процессы в энергосистеме напрямую вызовут дополнительное протекание постоянного тока в короткозамкнутой обмотке вращающегося индуктора помимо колебательного контура, что равнозначно автоматической форсировке возбуждения.

Это свойство особенно ценно при работе на сверхдальние линии электропередач. Обмотка возбуждения должна быть рассчитана на такой режим.

Таким образом, использование предложенного способа осуществления подвижного токосъема позволяет существенно улучшить характеристики электрических машин.

Использование: изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для бесконтактной электрической связи подвижной и неподвижной частей электрических машин и аппаратов. Сущность изобретения: конденсатор заряжают электроэнергией, накапливают эту энергию на подвижных и неподвижных его пластинах, создают резонансные условия работы колебательного контура, состоящего из индуктивности, обмоток электрической машины и емкости конденсаторных пластин роторного типа, и передают накопленную энергию с подвижной части электрической машины на неподвижную или, наоборот, от статора в обмотку ротора при перемене направления ЭДС. 3 ил.

СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОДВИЖНОГО ТОКОСЪЕМА, преимущественно для электрической связи ротора и статора электрической машины, заключающийся в бесконтактной передаче энергии с подвижной ее части на неподвижную и наоборот с использованием электрического конденсатора, отличающийся тем, что конденсатор заряжают электроэнергией от постороннего или внутреннего источника ЭДС, накапливают эту энергию на пластинах конденсатора, создают резонансные условия работы колебательного контура, образованного из обмоток электрической машины и конденсаторных пластин роторного типа, и передают накопленную энергию от обмоток ротора во внешнюю сеть или наоборот от статора в обмотку ротора при перемене направления ЭДС.