ИНДУКЦИОННЫЙ ВРАЩАЮЩИЙСЯ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2016 года по МПК H01F38/14 

Заявленное техническое решение относится к электроэнергетике, к трансформаторам для бесконтактной передачи электроэнергии на вращающиеся устройства, в частности, может быть использовано в измерительной технике для совершенствования устройств измерения угловых перемещений (поворотов).

Известны вращающие трансформаторы, содержащие неподвижную и вращающуюся части, состоящие из установленных в магнитопроводах катушек, например:

- книга: Сафонов Л.Н., Волнянский В.Н., Окулов А.И., Прохоров В.Н. Прецизионные датчики угла с печатными обмотками. Библиотека приборостроителя. М.: «Машиностроение», 1977. 152 с. - рис. 77 (стр. 114) - [1];

- авторское свидетельство СССР: SU 982122 А1 от 15.12.1982 года, МПК⁵ H01R 39/00 - [2];

- авторское свидетельство СССР: SU 1241336 А1 от 30.06.1986 года, МПК⁴ H01R 39/00 - [3];

- авторское свидетельство СССР: SU 1432622 А1 от 23.10.1988 года, МПК⁶ H01F 38/14 - [4];

- патент РФ: RU 2007768 С1 от 15.02.1994 года, МПК⁵ H01F 23/00 - [5];

- патент РФ: RU 2123229 С1 от 10.12.1998 года, МПК⁶ Н02М 5/48, H01F 38/18 - [6];

- патент РФ: RU 2449398 С1 от 27.04.2012 года, МПК⁸ H01F 38/18, H01F 27/36, H01F 27/32 - [7];

- международная заявка: WO 2014029941 А1 от 27.02.2014 года, МПК⁸ H01F 30/14, H01F 38/18 - [8].

Недостатком известных технических решений - аналогов [1…8] является наличие в них магнитопроводов, магнитная проницаемость материала которых очень сильно зависит от температуры, что требует усложнения конструкции устройств введением температурной компенсации. Наличие магнитного контура позволяет использовать только низкий диапазон рабочих частот, что также снижает точность измерения. Кроме того, наличие магнитопроводов существенно повышает материалоемкость и инерционность этих вращающихся трансформаторов.

В то же время известен плоский высокочастотный трансформатор по патенту на полезную модель РФ: RU 94790 U1 от 27.05.2010 года, МПК⁸ H05K 3/46 - [9], обмотки которого выполнены в виде многослойной печатной платы, содержащей пакет изолированных друг от друга жестких диэлектрических подложек с отверстиями и двухсторонней металлизацией в виде спиральных витков и контактных площадок, соединенных в пакет с помощью прокладок из полуотвердевшей смолы, при этом витки плоских обмоток выполнены в виде отдельных жил.

Также известен микротрансформатор интегральный по патенту на полезную модель РФ: RU 109908 U1 от 27.19.2011 года, МПК⁸ H01F 27/28 - [10], включающий спиральные первичную и вторичную проводящие обмотки прямоугольного сечения, изолированные вертикальным диэлектрическим слоем, первичная и вторичная обмотки выполнены в одном проводящем слое с вложением друг в друга и замыканием контура каждой во втором проводящем слое и с выводом контактов к обмоткам в первом и втором проводящих слоях. То есть первичная и вторичная обмотки в первом проводящем слое расположены спирально и вложены друг в друга, необходимые пересечения обмоток перемычками выполнены во втором проводящем слое, изолированном от первого диэлектрическим слоем. При этом перемычки спиральных первичной и вторичной обмоток пересекаются между собой под прямым углом.

Недостатком аналогов [9] и [10] является то, что в своем известном исполнении они не могут быть применены для передачи электроэнергии для питания подвижного объекта, то есть не могут быть применены в качестве вращающегося трансформатора.

Известен индукционный трансформатор датчика положения по патенту РФ: RU 2507474 С1 от 20.02.2014 года, МПК⁸ G01B 7/00, G01D 5/20 - [11], содержащий вторую, аналогичную первой (датчика положения), пару плоских катушек с длинной неподвижной и короткой подвижной катушками, при этом длина неподвижной катушки больше длины подвижной катушки для всего диапазона ее перемещения. Подвижные плоские катушки обеих пар разделены и жестко связаны между собой, ко второй неподвижной длинной катушке подведено питание от генератора синусоидального сигнала, подвижные катушки обеих пар соединены между собой проводниками. Изобретение решает задачи существенного повышения надежности датчика за счет применения второй пары катушек, используемой как питающий датчик положения - индукционный трансформатор.

Недостатком индукционного трансформатора по аналогу [11] является то, что его нельзя применить для датчиков измеряющих угловые величины.

Известна конструкция индукционного датчика углового положения по патенту РФ: RU 2502046 С1 от 20.12.2013 года, МПК⁸ G01B 7/00 - [12], содержащего установленные с общей осью вращения относительно друг друга с одной степенью свободы неподвижную и подвижную плоские пластины из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них плоскими печатными катушками индуктивности, при этом печатные плоские катушки выполнены зигзагоподобными, соответственно расположенными по дугам окружности активными длинными проводниками и расположенными по радиусам пассивными короткими проводниками.

Конструктивные элементы аналога [12] могут быть использованы в заявляемом техническом решении, представленном ниже, однако его предназначение другое и устройство не может быть использовано в качестве индукционного вращающегося трансформатора.

Известен вращающийся трансформатор по патенту США: US 2013289412 А1 от 31.10.2013, МПК⁸ А61В 8/12, H01F 38/18, H01F 41/02 - [13], содержащий кольцевой магнитопровод с установленной проволочной спиралеобразной катушкой, над которой расположена с возможностью вращения пластина с печатной катушкой. Печатная катушка выполнена из разорванных концентрических витков окружностей, соседние витки которой соединены наклонными печатными проводниками.

Недостатками вращающегося трансформатора по аналогу [13] является так же, как и аналогов [1…8], наличие магнитопровода и, следовательно, необходимость введения температурной компенсации. Кроме того, при взаимном вращении спиралеобразной катушки и печатной катушки коэффициент трансформации вращающегося трансформатора незначительно, но будет меняться из-за наклона витков спиралеобразной катушки и влияния на нее наклонных печатных проводников, расположенных между разорванных концентрических витков окружностей печатной катушка, что в некоторых случаях недопустимо.

Прототипом предложенного технического решения является вращающийся трансформатор по патенту США: US 2014102202 А1 от 17.04.2014, МПК⁸ G01N 29/04, H01F 38/18 - [14], содержащий установленные с общей осью вращения относительно друг друга с одной степенью свободы неподвижную и подвижную плоские пластины из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них плоскими печатными катушками индуктивности в виде коаксиально расположенных разорванных витков концентрических окружностей.

Недостатком вращающегося трансформатора-прототипа [14] является сложность его конструкции, так как вращающийся трансформатор в ней интегрирован в структуру ультразвуковой аппаратуры для тестирования. Разорванные витки концентрических окружностей катушек соединены между собой вне поверхностей пластин, что также усложняет конструкцию индукционного вращающегося трансформатора.

Указанные недостатки аналогов и прототипа ставят задачу упрощения конструкции индукционного вращающегося трансформатора и повышения стабильности его работы с постоянным коэффициентом трансформации, не зависящим от угла поворота и температурных условий.

Сущность заявляемого технического решения состоит в том, что индукционный вращающийся трансформатор, содержащий установленные с общей осью вращения относительно друг друга с одной степенью свободы неподвижную и подвижную плоские пластины из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них плоскими печатными катушками индуктивности в виде коаксиально расположенных разорванных витков концентрических окружностей, при этом печатные катушки индуктивности неподвижной и подвижной пластин идентичны, выполнены из N числа витков разорванных по радиусу с одинаковым интервалом концентрических окружностей, соседние по радиусу витки концентрических окружностей соединены между собой прямыми наклонными перемычками, расположенными в разорванном интервале под углом наклона (близким к) 45° или 315° к радиусу. Прямые наклонные перемычки витков концентрических окружностей выполнены шириной перемычки, равной ширине витков концентрических окружностей. Индукционный вращающийся трансформатор может содержать X пар подвижных и неподвижных катушек, расположенных на пластинах, собранных в пакет, при этом, кроме крайних, все пластины пакета содержат двухсторонние печатные катушки.

Выполнение наклонных перемычек под углом наклона, близким к 45° или 315° к радиусу, позволяет в рабочем положении перемычкам пластин (катушек подвижной и неподвижной пластин) располагаться ортогонально для минимального взаимного влияния.

Технический результат предложенного технического решения состоит в упрощении конструкции индукционного вращающегося трансформатора и повышении стабильности его работы с постоянным коэффициентом трансформации, не зависящим от угла поворота и температурных условий.

Введение в формулу изобретения отличительных признаков: «печатные катушки индуктивности неподвижной и подвижной пластин идентичны…» необходимо для упрощения технологии изготовления пластин с печатными катушками вращающегося трансформатора, а также для полного совпадения проекций витков концентрических окружностей печатных катушек.

Введение в формулу изобретения отличительных признаков: «печатные катушки индуктивности неподвижной и подвижной пластин… выполнены из N числа витков, разорванных по радиусу с одинаковым интервалом концентрических окружностей…», необходимо для снижения до минимума паразитного влияния от расхождения витков катушек в паре пластин при их взаимных поворотах.

Введение в формулу изобретения отличительных признаков: «…соседние по радиусу витки концентрических окружностей соединены между собой прямыми наклонными перемычками, расположенными в разорванном интервале под углом наклона 45° или 315° к радиусу», необходимо для того, чтобы при поворотах расположенных в паре (при взаимном совмещении) подвижной и неподвижных пластин с катушками их наклонные перемычки пересекались под прямым углом (90°). В этом случае взаимное влияние прямых проводников с током в наклонных перемычках минимально, чем обеспечивается постоянство коэффициента трансформации индукционного вращающегося трансформатора.

Введение в формулу изобретения отличительных признаков: «прямые наклонные перемычки витков концентрических окружностей выполнены шириной перемычки, равной ширине витков концентрических окружностей», необходимо для обеспечения постоянства тока в проводниках: прямых наклонных перемычках и витках концентрических окружностей.

Введение в формулу изобретения отличительных признаков: «индукционный вращающийся трансформатор содержит X пар подвижных и неподвижных катушек» необходимо для повышения мощности индукционного вращающегося трансформатора в X раз.

Введение в формулу изобретения отличительных признаков: «X пар подвижных и неподвижных катушек расположены на пластинах, собранных в пакет, при этом, кроме крайних, все пластины пакета содержат двухсторонние печатные катушки», необходимо для уменьшения количества пластин индукционного вращающегося трансформатора, а также для обеспечения его компактности (по габаритным размерам).

На фиг. 1 представлены чертежи пары из подвижной а) и неподвижной б) пластин, при этом изображения печатных катушек подвижной а) и неподвижной б) пластин идентичны. На фиг. 2 - фотография двух пластин по фиг. 1 (вид на катушки). На фиг. 3 - фотография пары катушек подвижной и неподвижной пластин индукционного вращающегося трансформатора, обращенных друг к другу печатными катушками (в рабочем состоянии). На фиг. 4 представлена проекция рисунка подвижной печатной катушки на пластину с неподвижной печатной катушкой (в рабочем состоянии и при совмещении наклонных перемычек). На фиг. 5 - увеличенный вид А по фиг. 4 (пересечения наклонных перемычек печатных катушек подвижной и неподвижной пластин). На фиг. 6 - эквивалентная электрическая схема индукционного вращающегося трансформатора.

Индукционный вращающийся трансформатор содержит установленные с общей осью вращения относительно друг друга с одной степенью свободы неподвижную (1) и подвижную (2) плоские пластины из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них плоскими печатными катушками индуктивности соответственно (3) и (4) в виде коаксиально расположенных разорванных витков концентрических окружностей. Печатные катушки индуктивности (3) и (4) соответственно неподвижной (1) и подвижной (2) пластин идентичны. Катушки (3) и (4) выполнены из N числа витков разорванных по радиусу с одинаковым интервалом концентрических окружностей, а соседние по радиусу витки концентрических окружностей соединены между собой прямыми наклонными перемычками соответственно (5) и (6), расположенными в разорванном интервале под углом наклона 45° или 315° к радиусу. Прямые наклонные перемычки (5) и (6) витков концентрических окружностей соответственно катушек (3) и (4) выполнены шириной перемычки, равной ширине витков концентрических окружностей. Индукционный вращающийся трансформатор может содержать X пар подвижных и неподвижных пластин. Индукционный вращающийся трансформатор из X пар подвижных и неподвижных пластин может быть собран в пакет, при этом, кроме крайних, все пластины пакета содержат двухсторонние печатные обмотки.

Работает индукционный вращающийся трансформатор следующим образом. При подаче переменного напряжения на плоскую печатную катушку (3) индуктивности, размещенную на неподвижной пластите (1), в ней возникает электромагнитное поле, которое наводит в плоской печатной катушке (4) подвижной пластины (2) электродвижущую силу (ЭДС). Величина наведенной ЭДС не зависит от угла поворота параллельно расположенных пластин (1) и (2), так как площадь максимально эффективного взаимодействия катушек остается практически постоянной по причине взаимного расположения перемычек под углом 90° между витками катушек (3) и (4).

Разработанный и испытанный индукционный вращающийся трансформатор работает на частотах порядка 2 МГц, имеет диаметры катушек подвижной пластины (1) и неподвижной пластины (2), равные 40 мм, шаг проводников катушек (3) и (4) равен 0,6 мм, при ширине проводников 0,3 мм и воздушном зазоре между подвижной и неподвижной частью порядка 0,15 мм.

Современная технология печатных плат позволяет изготавливать печатные катушки с высокой степенью точности, в связи с этим, при необходимости получения более высокой точности коэффициента трансформации, требования к шагу и ширине проводников, а также к воздушному зазору между катушками могут быть и более жесткими.

Как видно из вышеизложенного, наиболее целесообразно использовать такой индукционный вращающийся трансформатор в разнообразных технических системах для бесконтактной передачи электроэнергии в вращающихся устройствах.

Полагаем, что предложенный индукционный вращающийся трансформатор обладает всеми критериями изобретения, так как совокупность ограничительных и отличительных признаков формулы изобретения является новым для конструкций вращающихся трансформаторов и, следовательно, соответствует критерию "новизна".

Совокупность признаков формулы изобретения предложенного устройства неизвестна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам разработки и конструирования индукционных вращающихся трансформаторов, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень".

Разработка, конструирование и внедрение предложенного индукционного вращающегося трансформатора не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".

Литература

1. Книга: Сафонов Л.Н., Волнянский В.Н., Окулов А.И., Прохоров В.Н. Презеционные датчики угла с печатными обмотками. Библиотека приборостроителя. М.: «Машиностроение», 1977. 152 с. - рис. 77 (стр. 114).

2. Авторское свидетельство СССР: SU 982122 А1 от 15.12.1982 года, МПК⁵ H01R 39/00, «Бесконтактное токосъемное устройство».

3. Авторское свидетельство СССР: SU 1241336 А1 от 30.06.1986 года, МПК⁴ H01R 39/00, «Бесконтактное токосъемное устройство для передачи электропитания на вращающийся объект».

4. Авторское свидетельство СССР: SU 1432622 А1 от 23.10.1988 года, МПК⁶ H01F 38/14, «Бесконтактное токосъемное устройство для передачи электропитания на вращающийся объект».

5. Патент РФ: RU 2007768 С1 от 15.02.1994 года, МПК⁵ H01F 23/00, «Бесконтактное токосъемное устройство для передачи электропитания на вращающийся объект».

6. Патент РФ: RU 2123229 С1 от 10.12.1998 года, МПК⁶ Н02М 5/48, H01F 38/18, «Устройство передачи электрических сигналов мощности с переменными частотами и фазами от неподвижного блока к вращающемуся блоку».

7. Патент РФ: RU 2449398 С1 от 27.04.2012 года, МПК⁸ H01F 38/18, H01F 27/36, H01F 27/32, «Вращающийся трансформатор».

8. Международная заявка: WO 2014029941 А1 от 27.02.2014 года, МПК⁸ H01F 30/14, H01F 38/18, «Three-phase/two-phase rotary transformer including a scott connection.

9. Патент на полезную модель РФ: RU 94790 U1 от 27.05.2010 года, МПК⁸ H05K 3/46, «Плоский высокочастотный трансформатор».

10. Патент на полезную модель РФ: RU 109908 U1 от 27.19.2011 года, МПК⁸ H01F 27/28, «Микротрансформатор интегральный».

11. Патент РФ: RU 2507474 С1 от 20.02.2014 года, МПК⁸ G01B 7/00, G01D 5/20 - «Индукционный датчик положения».

12. Патент РФ: RU 2502046 С1 от 20.12.2013 года, МПК⁸ G01B 7/00 - «Индукционный датчик углового положения».

13. Патент США: US 2013289412 А1 от 31.10.2013, МПК⁸ А61В 8/12, H01F 38/18, H01F 41/02 - «Rotary Transformer and Associated Devices, Systems, and Methods for Rotational Intravascular Ultrasound».

14. Патент США: US 2014102202 A1 от 17.04.2014, МПК⁸ G01N 29/04, H01F 38/18 - «Rotary Transformer for Rotary Ultrasonic Testing Apparatus and Rotary Ultrasonic Testing Apparatus Using the Same» - прототип.

Изобретение относится к электротехнике, к трансформаторам для бесконтактной передачи электроэнергии на вращающиеся устройства и может быть использовано в измерительной технике для совершенствования устройств измерения угловых перемещений. Технический результат состоит в повышении стабильности работы с постоянным коэффициентом трансформации, не зависящим от угла поворота и температурных условий. Трансформатор содержит установленные с общей осью вращения относительно друг друга с одной степенью свободы неподвижную (1) и подвижную (2) плоские пластины из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них идентичными плоскими печатными катушками индуктивности соответственно (3) и (4) в виде коаксиально расположенных разорванных из N числа витков концентрических окружностей. Соседние по радиусу витки концентрических окружностей соединены между собой прямыми наклонными перемычками соответственно (5) и (6), расположенными в разорванном интервале под углом наклона, близким к 45° или 315° к радиусу. Прямые наклонные перемычки (5) и (6) витков концентрических окружностей соответственно катушек (3) и (4) выполнены шириной перемычки, равной ширине витков концентрических окружностей. Индукционный вращающийся трансформатор может содержать X пар подвижных и неподвижных катушек, расположенных на пластинах, собранных в пакет, при этом, кроме крайних, все пластины пакета содержат двухсторонние печатные катушки. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Индукционный вращающийся трансформатор, содержащий установленные с общей осью вращения относительно друг друга с одной степенью свободы неподвижную и подвижную плоские пластины из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них плоскими печатными катушками индуктивности в виде коаксиально расположенных разорванных витков концентрических окружностей, отличающийся тем, что печатные катушки индуктивности неподвижной и подвижной пластин идентичны, выполнены из N числа витков разорванных по радиусу с одинаковым интервалом концентрических окружностей, соседние по радиусу витки концентрических окружностей соединены между собой прямыми наклонными перемычками, расположенными в разорванном интервале под углом наклона 45° или 315° к радиусу.

2. Индукционный вращающийся трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что прямые наклонные перемычки витков концентрических окружностей выполнены шириной перемычки, равной ширине витков концентрических окружностей.

3. Индукционный вращающийся трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что содержит X пар подвижных и неподвижных катушек, расположенных на пластинах, собранных в пакет, при этом, кроме крайних, все пластины пакета содержат двухсторонние печатные катушки.