Вращающийся трансформаторный токосъемник Советский патент 1992 года по МПК H01R39/64 H01F23/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для бесконтактной передачи энергии питания различных устройств, расположенных на вращающемся объекте, и выходных сигналов этих устройств на стационарную аппаратуру при экстре альных условиях работы (рабочая температура до 400°С, линейные ускорения до 30 тыс.§, вибрации в диапазоне частот до 2,5 Гц - до 30 g).

Известны устройства для бесконтактной передачи электрической энергии на

вращающийся объект, использующие принцип электромагнитной индукции и содержащие вращающуюся и неподвижную обмотки, расположенные внутри соответствующих вращающегося и неподвижного магнитопроводов. Подобные- устройства работоспособны при указанных выше условиях, однако имеют весьма низкий КПД (на уровне нескольких про( центов). Эго объясняется наличием воздушного зазора между вращающейся

и неподвижной частями индуктивного токосъемника (или, что эквивалентно,

vj

00

-J

СЛ

со

вращающегося трансформаторного токосъемника) , а также тем, что в силу высоких требований к механической прочности такого токосъемника при одновременно постоянно действующем требовании к миниатюризации габаритных размеров, магнитопроводы токосъемников, как правило, выполняются из нешихтованного материала. Наличие значительных вихревых токов в материале магни- топроводов дополнительно снижает КПД вращающегося трансформаторного токосъемника, причем во многих случаях их влияние окязывается ощутимее влияния воздушного зазора. Снижение КПД вращающихся трансформаторных токосъемников, магнитопроводы которых выполнены из сплошных материалов, происходит также и вследствие наличия суще- ственного поверхностного эффекта, особенно значимого при повышенных частотах (сотни герц - единицы килогерц). При этом магнитное сопротивление магнитного пути, по которому замыкяются магнитные потоки, определяется глубиной проникновения магнитного потока в материал согласно формуле

VMnKC.f

(1)

где d - максимально возможная глубина проникновения магнитного потока в материал, MMJ р - удельное сопротивление материала, Ом ММ2/м;

jUg - магнитная проницаемость материала, Гн/м} f - частота, Гц. При этом, начиная с некоторого значения частоты, дальнейшее ее увеличение нецелесообразно, так как приводит к увеличению потоков рассеяния и дальнейшему снижению КПД. Между тем, повышение частоты передаваемого через вращающийся трансформаторный токосъемник сигнала весьма желательно, так как позволяет снизить требования к входным фильтрам вращающихся электронных узлов, в первую очередь, к сглаживающим конденсаторам, являющимся наименее надежными и крупногабаритными элементами.

Цепью изобретения является повышение КПД вращающегося трансформаторного токосъемника, предназначенного для работы в тяжелых условиях (температура - до 400°€, линейные ускорения - до 30 тыс.в, вибрации - до 30 g

5

5

0

5

в диапазоне частот до 2,5 кГц). Ука- ( занная цель достигается за счет того, что в известном вращающемся трансформаторном токосъемнике, содержащем концентрически расположенные подвиж- .ный и неподвижный магнитопроводы с {кольцевыми обмотками, которые размещены внутри магнитопроводов, его вращающиеся обмотки пропитаны высокотемпературным связующим с порошковым ферромагнитным наполнителем. При этом концентрация порошкового ферромагнитного наполнителя изменяется от минимальной в слоях, обращенных к неподвижной обмотке, до максимальной в слоях, удаленных от неподвижной обмотки. Концентрация порошкового ферромагнитного наполнителя в объеме вращающейся обмотки изменяется по линейному закону.

На чертеже приведен вращающийся трансформаторный токосъемник.

Вращающийся трансформаторный токосъемник содержит неподвижный магнито- провод 1 с намотанной на него неподвижной обмоткой 2 и вращающийся магни- топровод 3 с намотанной на него

вращающейся обмоткой 4. Вращающаяся обмотка 4 пропитана высокотемпературным связующим с порошковым ферромагнитным наполнителем. Концентрация порошкового Ферромагнитного наполнителя в обмотке 4 изменяется от минимальной в слоях, обращенных к неподвижной обмотке 2, до максимальной в

. слоях, удаленных от неподвижной обмотки 2. В качестве высокотемпературного связующего используются (в приведенной реализации) органосиликат- ные высокотемпературные клеи типа КГ-2 и КТ-28.

Вращающийся трансформаторный токосъемник работает следующим образом. При протекании тока, генерируемого источником переменного тока, через неподвижную обмотку 2, размещенную внутри неподвижного магнитопровода 1, в последнем возникает магнитный поток

ФО, замыкающийся по неподвижному 1 и, через зазоры, вращающемуся 3 маг- нитопроводам и охватывающий вращающуюся обмотку 4, При этом, в прототипе, выполненном по аналогичной схе

ме, вследствие наличия воздушных зазоров между магнитопроводами 1 иЗ, а также вследствие малой глубины проникновения магнитного потока в материал вращающегося магнитопровода 3

(согласно формуле 1), Фактически определяющей магнитную проводимость вращающейся части вращающегося транг- сформаторного токосъемника, значительная часть магнитного потока замыкается по воздушному промежутку между вращающимся и неподвижным магнитопрово- дами и статором вращающегося трансформаторного токосъемника и между щечками неподвижного магнитопровода , не охватывая вращающейся обмотки 4.

Благодаря пропитке в устройстве (вращающейся обмотки 4 высокотемпературным связующим с порошковым ферромагнитным наполнителем эквивалентная магнитная проводимость вращающей- ся части вращающегося трансформаторного токосъемника (фиг, 1) существенно возрастает. Вследствие этого происходит перераспределение магнитного потока, генерируемого неподвижной обмоткой 2 таким образом,что значительная его часть, ранее замыкающаяся между щечками неподвижного магнитопровода 1 и не охватывающая вращающуюся обмотку 4, теперь пронизывает витки вращающейся обмотки 4.

Одновременно с этим снижаются потери, вызываемые вихревыми токами в сплошном материале вращающегося маг- нитомровода 3, уменьшается действие короткозамкнутого витка, в качестве которого можно рассматривать сам вращающийся магнитопровод 3, представляющий собой, по сути, замкнутое электропроводное кольцо, помещенное в магнитое поле (активное сопротивление такого кольца - порядка сотых - тысячных долей ома), расширяется частотный диапазон передаваемых сигналов, что, как было указано выше, позволяет снизить требования к параметрам вращающихся электронных блоков, для питания которых предназначен вращающийся трансформаторный токосъемник,уменьшить их габариты, повысить надежность и обеспечить получение дополнительной информации за счет увеличения числа информационных каналов,

Распределение концентрации ферромагнитного порошкового наполнителя в объеме вращающейся обмотки 4 то линейному закону таким образом, что минимальная концентрация ферромагнитного порошкового наполнителя осуществляется в прилегающих к неподвижной обмотке 2 слоях вращающейся обмотки 4 (на фиг. 1 - в слоях вращающейся

5

10

15

го

5

0

5

0

5

0

обмотки 4 наименьшего диаметра), а максимальная - в слоях вращающейся обмотки 4, наиболее удаленных от неподвижной обмотки 2 (на Лиг. 1 - в слоях вращающейся обмотки 4 наибольшего диаметра), приводит к тому, что магнитный поток ФО равномерно пронизывает все витки вращающейся обмотки 4, не концентрируясь только во внутренних слоях вращающейся обмотки 4.

Такое распределение магнитного потока в теле вращающейся обмотки 4 позволяет существенно снизить потери от действия вихревых токов и коротко- замкнутого витка (вращающегося магнитопровода 3), уменьшить долю магнитного потока, замыкающегося вне обмотки 4, а следовательно, повысить КПД вращающегося трансформаторного iiroKoсъемника. Известные способы, позволяющие достичь того же эффекта, такие как шихтование магнитопровода или изготовление его из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением и приемлемыми магнитными свойствами (например, ферритов), для указанных выше условий, работы оказываются непригодны в силу невозможности обеспечить весь комплекс требований, предъявляемых к механической прочности и габаритам подобных устройств ,

Вместе с тем, получаемый в результате использования предлагаемого устройства эффект можно рассматривать как сверхсуммарный, так как ни один из существенных признаков по отдельности не позволяет достичь поставленной цели - повышения КПД вращающегося трансформатора, предназначенного для работы в тяжелых температурных и механических условиях, в минимально возможных габаритах. Проведенные экспериментальные исследования выявили увеличение КПД.исследуемого вращающегося трансформаторного токосъемника, предназначенного для работы в системе тензометрирования роторов ГТД при указанных выше условиях и при обеспечении всех предъявленных к нему требований, более чем в 2 раза (с 10% у устройства, выполненного по схеме прототипа, до 26% у устройства, выполненного в соответствии с -предлагаемым техническим решением), Формула изобретения

1, Вращающийся трансформаторный токосъемник, содержащий концентричес7173

ки расположенные подвижный и неподвижный магнитопроводы с кольцевыми обмотками, которые размещены внутри магнитопроводов, отлипающий- с я тем, что, с целью повышения КПД, его вращающаяся обмотка пропитана высокотемпературным связующим с порошковым йеррбмагнитным наполнителем, причем концентрация порошкового

8

наполнителя изменяется от минимальной в слоях, обращенных к неподвижной обмотке, до максимальной в слоях, удаленных от неподвижной обмотки.

2. Токосъемник по п. 1, о т л и - чающийся тем, что концентрация порошкового ферромагнитного наполнителя в объеме вращающейся обмотки меняется по линейному закону.

Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения - повышение КПД. Вращающийся трансАорматорный токосъемник неподвижный 1 и вращающийся 2 магнитопроводы с кольцевыми обмотками 2 и 4. Вращающаяся обмотка 4 пропитана высокотемпературным связующим с порошковым ферромагнитным наполнителем. Концентрация порошкового наполнителя изменяется от минимальной в слоях, обращенных к неподвижной обмотке, до максимальной в слоях, удаленных от указанной обмотки. Концентрация порошкового наполнителя может меняться по линейному закону. 1 з.п, Ь-лы, 1 ил. i (/)