УСТРОЙСТВО И СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ПРИ БЕСКОНТАКТНОЙ ПЕРЕДАЧЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
DEVICE AND METHOD FOR REDUCING LOSSES WITH NON-CONTACT TRANSMISSION OF ELECTRIC ENERGY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к электротехнике, к устройствам бесконтактной передачи электрической энергии на подводный объект от источника, находящегося на судне-носителе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из существующего уровня техники известно устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект (патент RU2502170С1, МПК H02J3/18, 20.12.2013), который состоит из опускаемого под воду блока инвертора и размещенного на подводном объекте блока выпрямителя. Блок инвертора содержит первичную обмотку трансформатора повышенной частоты, а блок выпрямителя – вторичную обмотку этого трансформатора. При этом особо следует отметить, что материал сердечника изолирован от воды.
Недостатком устройства  является необходимость однозначного совмещения осей полюсов сердечников первичной и вторичной обмоток в плоскости механического контакта при передаче электроэнергии. Неисполнение данного условия существенно снижает, вплоть до полного отсутствия, эффективность передачи энергии из одной обмотки трансформатора в другую. При этом в несколько раз возрастает ток холостого хода в первичной обмотке, что приводит к её разогреву и выходу из строя устройства.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является бесконтактный гермоввод (патент RU2563578С1, МПК H05К9/00, H01R13/523, 20.09.2015), содержащий разъемный магнитопровод, выполненный из двух половин, одна из которых вместе с первичной обмоткой размещена в гермоузле подводного кабеля, другая вместе с вторичной обмоткой размещена в ответной части гермоввода - гермоузле подводного аппарата, причем плоскости разъема половин магнитопровода расположены в плоскости разъема гермоввода, и имеющий устройство механической стяжки гермоузлов, отличающийся тем, что на плоскость разъема одной из частей гермоввода между площадками магнитопровода, находящимися в плоскости разъема, устанавливается полоска мягкого водоотталкивающего изоляционного материала со свойством восстановления формы при снятии механической нагрузки, например резины.
Недостатком данной конструкции является то, что бесконтактный гермоввод рассчитан на передачу небольшой мощности, не превышающей несколько Вт, устройство требует механической стяжки гермоузлов, что в условиях подводного сочленения реально только на небольшой глубине, и требует присутствия оператора, полоска мягкого водоотталкивающего изоляционного материала, из-за неконтролируемого усилия стяжки или соединения, может существенно влиять на КПД конструкции, т.к. отсутствует контроль расстояния в месте разъёма сердечников.
Также известно, что при передаче электроэнергии в трансформаторах с разъёмными сердечниками при повышенных частотах, наличие зазора между смыкаемыми поверхностями и несовпадение осей полюсов приводит к увеличению тепловыделения в зоне смыкания и в обмотках с сердечниками.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей, на решение которой направлена группа заявленных изобретении, является обеспечение бесконтактной передачи электроэнергии под водой, при наличии гидростатического давления и уменьшения потерь при смещении осей электромагнитных систем первичной и вторичной обмоток, а также устранение ошибок позиционирования стыкуемых подводных аппаратов в части совмещения плоскостей за счёт подпружинивания корпуса первичной обмотки с одновременным решением задач по минимизации массогабаритных характеристик устройства.
Технический результат заключается в обеспечении минимума потерь и высокого КПД, устранению падающей вольтамперной характеристики, которая характерна для трансформаторов с зазором, уменьшении материалоёмкости устройства и обеспечении теплоотвода во внешнюю среду.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство снижения потерь при бесконтактной передаче электрической энергии содержит трансформатор с разъемным сердечником, состоящим их двух элементов, вокруг полюсов которых намотаны первичная и вторичная обмотки, при этом один элемент сердечника принадлежит судну-носителю, а второй принадлежит подводному аппарату, при этом элементы сердечника имеют V-образную форму, конусно расширяющуюся в зоне взаимодействия элементов сердечника, при этом сердечник изолирован от воды тонкой водонепроницаемой и газоплотной плёнкой, при этом корпуса первичной и вторичной обмотки выполнены в тонкостенном исполнении и заполнены электроизоляционной теплопроводной демпфирующей жидкостью, при этом корпус первичной обмотки содержит амортизаторы в виде пружин.
Кроме того, заявленный технический результат достигается за счет способа снижения потерь при бесконтактной передаче электрической энергии посредством описанного устройства, который позволяет в случае неточной установки подводного аппарата на ложемент судна-носителя осуществлять передачу электроэнергии при смещении осей электромагнитных систем первичной и вторичной обмоток и устранять ошибки позиционирования стыкуемых судна-носителя и подводного аппарата в части совмещения плоскостей за счёт подпружинивания корпуса первичной обмотки трансформатора.
Вышеуказанные и другие задачи, особенности, преимущества, а также техническая значимость данного изобретения будут более понятны из нижеследующего подробного описания изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фигуре 1 представлено устройство снижения потерь при бесконтактной передачи электроэнергии, где
r – расстояние между сопрягаемыми элементами конструкции трансформатора, величина которого не превышает 5 мм;
на фигуре 2 представлено смещение осей при сопряжении корпусов первичной и вторичной обмоток с показанной областью взаимодействия сердечников при передаче электроэнергии.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство снижения потерь при бесконтактной передачи электроэнергии (фиг. 1) содержит корпус трансформатора (1) с разъемным сердечником из композиционного материала на основе магнитомягких сплавов (аморфного и нанокристаллического), состоящий их двух V-образных элементов (2,5), вокруг полюсов которых намотаны первичная обмотка (3) и вторичная обмотка (4). Конструкция одного V-образного элемента сердечника (2) является принадлежностью судна-носителя, а конструкция второго элемента сердечника (5) является принадлежностью подводного аппарата (робота).
Отличительной особенностью заявленного устройства является V-образная форма элементов сердечника, имеющих конусное расширение к зоне смыкания, что обеспечивает минимум потерь и высокий КПД, в случае несовпадения осей сердечников при стыковке судна - носителя с роботом (см. фиг.2). Особенно следует отметить, что сердечник изолирован от воды тонкой плёнкой, не смачивающейся водой и являющейся не только водонепроницаемой, но и газоплотной. Примером материала, из которого выполнена пленка, может быть лавсан. Вода вытесняется из пространства между соединяемыми конструкциями элементов сердечника за счёт идеальных поверхностей соединяемых обмоток и обеспечения пружинами, входящими в конструкцию трансформатора, дополнительного механического усилия, действующего перпендикулярно плоскости соединения обмоток, что исключает наличие воды на прилегаемых поверхностях корпусов первичной и вторичной обмоток.
Первичная обмотка (3) и вторичная обмотка (4) с элементами сердечника, каждая в отдельности, помещены в корпус трансформатора (1), заливаемый при изготовлении электроизолирующей, теплопроводной и одновременно демпфирующей жидкостью, что делает конструкцию трансформатора разгруженной по отношению к воздействиям гидростатического давления и обеспечивает хороший теплоотвод от нагруженных электрическим током деталей и материалов во внешнюю среду. Также наличие электроизоляционной жидкости в конструкциях элементов сердечника позволяет выполнить корпуса обмоток в виде тонкостенной оболочки, обеспечивающей не только герметичность устройства, но и минимизацию массогабаритных характеристик устройства, так как за счет демпфирующего свойства жидкости снижается вес и материалоёмкость изделия. При этом корпус трансформатора судна-носителя снабжен амортизаторами в виде пружин, которые способствуют достижению плотного прилегания стержней сердечников в случае неточной установки подводного аппарата на ложемент судна-носителя. Расстояние между полюсами V – образных элементов сердечников составляет не менее 1,5 линейных размеров поперечного сечения сердечника в максимальном сечении, что обеспечивает возможность смещения осей при максимальном КПД системы на половину линейного размера поперечного сечения элементов сердечника по отношению друг к другу.
Устройство снижения потерь при бесконтактной передаче электроэнергии работает следующим образом.
При посадке робота на ложемент судна-носителя происходит касание (прилегание поверхностей) корпусов первичной и вторичной обмоток, при этом, в случае наличия дифферента судна-носителя односторонний зазор, возникающий в этом случае, выбирается за счет амортизирующих пружин, являющихся принадлежностью корпуса трансформатора. При несовпадении осей элементов сердечника (6, фиг.2) передача электроэнергии осуществляется без потерь в пределах равенства номинальной площади поперечного сечения сердечника, находящегося в верхней части, с площадью взаимодействия расширенной части сердечника.
Кроме того, данное изобретение включает способ снижения потерь при бесконтактной передаче электрической энергии посредством описанного выше устройства, который позволяет в случае неточной установки подводного аппарата на ложемент судна-носителя осуществлять передачу электроэнергии при смещении осей электромагнитных систем первичной и вторичной обмоток и устранять ошибки позиционирования стыкуемых судна-носителя и подводного аппарата в части совмещения плоскостей за счёт подпружинивания корпуса первичной обмотки трансформатора.