Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на вращающийся объект Советский патент 1992 года по МПК H01F23/00 H02K24/00 

Изобретение может быть использовано в измерительной технике, в частности, для обеспечения энергоснабжения передающей части бесконтактной тензометрической системы.

Передающая часть размещается на вращающемся роторе машины и обеспечение ее питания контактным способом часто затруднено вследствие конструктивных сложностей.

В последние годы наибольшее распространение начинают получать бесконтактные системы тензометрирования лопаток мощных турбомашин с радиоканалом. Их преимуществами являются высокая помехо- уртойчивость, универсальность применения.

Бесконтактные системы классифицируют по различным признакам, в частности

разделяют по способу питания, с автономным (аккумуляторы, батареи) или с внешним питанием через специальный вращающий: ся трансформатор. Второй способ питания наряду с некоторым усложнением конструкции обеспечивает неограниченную по длительности работу передатчика тензометрической системы.

Известны различные конструкции устройств бесконтактной передачи электроэнергии, использующие способ питания через вращающийся трансформатор.

Он состоит из кронштейна крепления неподвижной системы, двух диэлектрических прокладок, статорной и роторной обмоток, которые через диэлектрические прокладки крепятся к ротору машины и кронштейну крепления соответственно.

XI

ю

ON 4 GJ

Расстояние между обмотками, как правило, 10-20 мм.

Основной недостаток этой и подобных систем УБПЭ, в состав которых входит вращающийся трансформатор, заключается в больших потерях энергии при передаче, достигающих 80-90%, эти потери обусловлены тем, что магнитное поле трансформатора пронизывает все пространство внутри кольцевых катушек, поэтому во всех металлических деталях, особенно в теле ротора машины, наводятся вихревые токи. В подобных конструкциях потери на вихревые токи значительно превышают полезную энергию, переданную для питания передатчиков. Указанный недостаток приводит к необходимости значительного увеличения мощности генератора питания неподвижной обмотки вращающегося трансформатора.

Известно также устройство для бесконтактной передачи электроэнергии (УБПЭ) вращающийся объект содержащее установленные на подвижном и неподвижной частях с зазором одна относительно другой обмотки, выполненные на П-образных маг- нитопроводах из феррита. Отдельные секции неподвижных обмоток соединены последовательно и вместе с последовательно соединенными конденсаторами связи и контурным образуют параллельный колебательный контур. На конденсатор связи подается напряжение от мощного генератора с частотой, равной резонансной частоте параллельного колебательного контура (обычно 15-25 кГц).

Подвижные обмотки подключены к передатчикам тензометрической информации.

При работе Машины секции обмоток подвижной части перемещаются относительно неподвижной обмотки, при этом каждый из вращающихся ферритовых сердечников образует с одним из сердечников неподвижной обмотки трансформатор с двумя ферри- товыми сердечниками П-образной формы, установленными с воздушным зазором. Таким образом, в сформированном магнитном поле отсутствуют металлические элементы. В процессе вращения каждая из обмоток подвижной части последовательно взаимодействует с обмотками неподвижной части.

Этот вращающийся трансформатор имеет низкие потери на вихревые точки, поскольку практически все магнитное поле сосредоточено в зазоре между П-образными сердечниками.

Основной недостаток заключается в том, что, если число потребителей энергии (ферритовых сердечников) на роторе машины во много раз меньше числа ферритовых сердечников в статорной части обмотки, КПД УБПЭ снижается. Это обусловлено тем, что в процессе работы каждый сердечник вращающейся части взаимодействует только с одним-двумя сердечниками неподвижной части трансформатора и, соответственно, отбирает у них энергию. Остальные сердечники статорной (непод0 вижной) части УБПЭ в данный момент времени не взаимодействуют с элементами роторной части, и, поскольку обмотка каждого элемента статорной части представляет собой индуктивность, на ней падает часть

5 напряжения мощного генератора. Это приводит к тому, что значительная часть напряжения и энергии мощного генератора теряется напрасно.

Целью изобретения является повыше0 ние коэффициента полезного действия УБПЭ за счет уменьшения падения напряжения мощного генератора на секциях неподвижного магнитопровода, которые не имеют (в данный момент) магнитной свя5 зи с секциями роторных обмоток, т.е. необходимо уменьшить падение напряжения на тех секциях статорной обмотки, напротив которых в данный момент не находятся сердечники роторных обмоток, благодаря чему

0 можно значительно снизить напряжение питания статорной обмотки.

Это достигается подключением к каждой из секций обмотки неподвижного магнитопровода конденсаторов одинаковой

5 емкости,, в промежутках между сердечниками подвижного магнитопровода размещены сегменты из диамагнитного материала, например, дюралюминия. При этом частота мощного генератора равна резонансной ча0 стоте параллельного контура, образованного индуктивностью любой из секций неподвижного магнитопровода с .подключенным конденсатором в тот момент, когда напротив ферритового сердечника этой сек5 ции находится какой-нибудь из сердечников подвижного магнитопровода.

На фиг. 1 приведена схема размещения сердечников статорной обмотки с подключенными конденсаторами, а также подклю0 чение к статорной обмотке генератора питания с конденсаторами связи и контурным; на фиг. 2 - схема размещения сердечников роторной обмотки.

Устройство для бесконтактной перёда5 чи электроэнергии на вращающийся обьеКт содержит установленные на неподвижной и подвижной частях с зазором друг относительно друга обмотки 1 и 2. Элементы 3, 4 магнитолроводов выполнены из феррита. Диэлектрические элементы 5 установлены

между элементами 4 неподвижного магни- топровода и несущей частью б из стали. Обмотки 1 подключены к передатчикам тен- зометрической информации 7, установленным на роторе исследуемой машины.

Обмотки 1.2 размещены на одинаковом расстоянии от оси. Обмотка 2 состоит из последовательно включенных секций, параллельно каждой секции подключены конденсаторы одинаковой емкости 9, В промежутках между сердечниками подвижного магнитопровода 3 размещены сегменты из диамагнетика (дюралюминия) 10. Генератор 11 подключен к конденсатору связи 12, последовательно с которым включен контурный конденсатор 13. Обмотка 2 совместно с последовательно включенными конденсаторами 12,13 образует параллельный контур, частота резонанса которого равна частоте генератора 11.

В процессе работы устройства на ста- торную обмотку поступает напряжение от генератора питания частотой 15-25 кГц, Мощный генератор работает в ключевом режиме и благодаря частичному включению в контур, образованный статорной обмоткой 2 и конденсаторами 12, 13, напряжение на статорной обмотке получается близким к синусоидальному и в несколько раз превышающим выходное напряжение генератора питания. Во время вращения ротора машины элементы 3 подвижной части перемещаются относительно элементов 4 неподвижной части. В каждый момент времени один из элементов 3 подвижной части образует с одним из элементов 4 неподвижной части трансформатор с двумя феррито- выми сердечниками П-образной формы, установленные с воздушным зазором. Для того, чтобы уменьшить падение напряжения мощного генератора на тех элементах статорной обмотки, которые в данный момент не связаны индуктивно с элементами роторной обмотки, использовано следующее явление. Индуктивность .каждого элемента статорной обмотки не остается постоянной в процессе перемещения относительно нее элементов роторной части.

В процессе приближения к данному неподвижному элементу статорной обмотки подвижного сердечника роторной обмотки его индуктивность увеличивается, а при удалении - соответственно падает. Как показали эксперименты, значение индуктивности неподвижного элемента статорной обмотки в процессе перемещения относительно подвижных ферритовых сердечников может быть изменяться до двух раз и более в зависимости от величины вбздушного зазора между сердечниками роторной и статорной

обмоток. Если параллельно обмотке каждой секции неподвижного элемента подключить конденсатор постоянной емкости, то обмотка каждого сегмента совместно с этой емко- 5 стью образует параллельный контур. В процессе перемещения подвижных сердечников 3 относительно неподвижных обмоток 4 частотах этих параллельных контуров изменяется. Если частота генератора пита0 ния 11 равна частоте параллельного контура, образованного индуктивностью любой из секций 4 неподвижного магнитопровода и подключенным к ней конденсатором 9 в тот момент, когда напротив ферритового

5 сердечника этой секции находится какой- нибудь из сердечников 3 неподвижного магнитопровода, то напряжение на обмотке указанной секции 4 будет максимально. Напряжение на обмотках других секций 4 не0 подвижного магнитопровода, напротив которых в данный момент не находятся сердечники 3 роторных обмоток, будет значительно меньше.

Таким образом, в процессе перемеще5 ния роторных обмоток 3 относительно обмоток 4 неподвижного магнитопровода будет происходить перераспределение напряжений на отдельных секциях неподвижного магнитопровода. Причем на обмотках 4 не0 подвижного магнитопровода, напротив которых в данный момент находятся сердечники. 3 роторных обмоток, напряжения максимальны. Напряжения на других секциях неподвижного магнитопровода в

5 несколько раз меньше вследствие того, что параллельные контуры,, образованные обмотками этих секций и подключенными к ним конденсаторами, не находятся в резонансе с частотой генератора питания.

0Сегменты 1.0 из диамагнитного материала магнитная проницаемость меньше единицы), размещенные на роторной части 8, в промежутках между сердечниками 3 еще больше расстраивают эти параллельные

5 контуры.

Был выполнен макет устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на вращающийся объект, предназначенный для питания 5-канальной системы измере0 ния температуры вращающихся лопаток турбомаи.ин, устанавливаемой в турбине ГТ 150. Число сердечников в статорной обмотке 70, ферритовые сердечники роторной части аналогичны статорным, их число 5.

5 Число витков в статорной и роторной частях обмоток соответственно 7 и 2x150. Роторные обмотки выполнены со средним отводом для обеспечения двухполярного питания передатчика. Материал сердечников феррит 2500 нмс.

Зазор между,сердечниками роторной и статорной частей около 8 мм достаточно велик, так как в процессе работы в турбине из-за нагрева роторная часть машины немного сдвигается относительно статорной части.

Как показали практические эксперименты, частота настройки параллельных контуров, образованных обмотками неподвижного магнитопровода с подключенными конденсаторами, в процессе перемещения относительно них сердечников роторной части и диамагнитных сегментов изменяется примерно от 15 до 18 кГц.

При этом напряжение на каждой из секций обмотки роторной части изменяется от 3 В в момент, когда напротив данной секции находится сердечник роторной части, до 1,0-1,2 В в то время, когда напротив сердечника статорной части находтяся пластины из диамагнетика (дюралюминий...

Таким образом, напряжение на большей части секций обмотки статорной части удалось снизить практически в 2.5-3 раза, без ущерба для питания передатчиков на роторной части, а общее напряжение на обмотке неподвижного магнитопровода с 240- 250 В до 80-90 В..

При этом ток, потребляемый обмоткой неподвижного магнитопровода, возрастает примерно на 10-20%.

Таким образом, испытания макета показали высокую эффективность предлагаемого устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на вращающийся объект. Коэффициент полезного действия устройства при работе на небольшое число передатчиков (5- 10) возрастает более чем вдвое. Большим преимуществом является также возможность уменьшения (примерно в 2,5-3 раза) напряжения на выходе генератора питания, что значительно увеличивает надежность его работы.

Формула изобретения

1, Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на вращающийся объект, содержащее генератор питания, контурный конденсатор и конденсатор связи, под- ключенный к генератору питания, неподвижный и подвижный магнитопроводы, выполненные из отдельных П-образных ферритовых сердечников, предназначенных для установки на неподвижной и враща- ющихся соосных между собой частях объекта на одинаковом расстоянии от их оси

и обращенных пазами друг к другу, диэлектрические элементы, предназначенные для установки между несущей неподвижной частью объекта и сердечниками неподвижного магнитопровида, при этом обмотка на

неподвижном и подвижном магнитопрово- дах выполнены в виде отдельных секций, причем секции неподвижной обмотки соединены последовательно и подключены к последовательно соединенным контурному

конденсатору и конденсатору связи, а число сердечников подвижного магнитопровода меньше, чем сердечников, неподвижного магнитопровода, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД, снабжено дополнительными конденсаторами одинаковой емкости по числу секций обмотки неподвижного магнитопровода и сегментами из диамагнитного материала, например алюминия, по числу сердечников подвижного магнитопровода, при этом дополнительные конденсаторы подключены параллельно каждой из секций обмотки неподвижного магнйтопровода, а сегменты из диамагнитного материала установлены в

промежутках между сердечниками подвижного магнитопровода.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что емкость дополнительного кон- денсатора выбрана из условия обеспечения резонанса в секции обмотки, к которой он подключен, при совмещении сердечника этой обмотки с сердечником обмотки вращающегося магнитопровода.

Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения - повышение КПД. Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на вращающийся объект содержит установленные на неподвижной и подвижной частях с зазором друг относительно друга неподвижную 2 и подвижную обмотки. Элементы 4 магнитопроводов выполнены из ферр ита и установлены в гнездах несущих частей 6. Обмотка 2 состоит из последовательно включенных секций, параллельно каждой секции подключен конденсатор связи 12, последовательно с которым включен контурный конденсатор 13. Обмотка 2 совместно с конденсаторами 12 и 13 образует параллельный контур, частота резонанса которого равна частоте гене- ратора. Сегменты из диамагнитного материала установлены в промежутках между сердечниками подвижного магнитного провода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. сл С