Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат
DEVICE FOR CONTACTLESS TRANSMISSION OF ELECTRIC POWER TO UNDERWATER VEHICLE

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для бесконтактной передачи на подводный аппарат электрической энергии, которая, в частности, применяется для зарядки электрической аккумуляторной батареи, установленной на этом подводном аппарате.
Известно устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат (Патент RU 2401496, МПК H02J 7/00, «Устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта», опуб. 10.10.2010, Бюл. №28).
Известное устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат состоит из опускаемого под воду блока инвертора и размещенного на подводном аппарате блока выпрямителя. В блок инвертора входит однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления этим инвертором. К входным зажимам инвертора подключены входной конденсатор и концы кабеля, соединяющего указанный инвертор с источником постоянного тока. Выходные зажимы упомянутого инвертора подключены к первичной обмотке трансформатора, передающего электроэнергию переменного тока во вторичную обмотку этого трансформатора, размещенную вместе с выпрямителем тока и сглаживающим реактором в блоке выпрямителя. Эта вторичная обмотка подключена к входным зажимам упомянутого выпрямителя. Блоки инвертора и выпрямителя снабжены выполненными из изоляционного материала стыковочными стенками, контактные поверхности которых, при передаче электрической энергии на подводный аппарат, плотно стыкуются одна к другой. Ко вторым, противоположным контактным, поверхностям этих стенок плотно прилегают, в блоке инвертора, торец первичной обмотки трансформатора и, в блоке выпрямителя, торец вторичной обмотки этого трансформатора. Указанные стыковочные стенки расположены так, что обе обмотки трансформатора имеют общую ось.
Недостатки устройства обусловлены тем, что из-за отсутствия магнитного сердечника трансформатор имеет низкий коэффициент магнитной связи между первичной и вторичной обмотками, что приводит к необходимости создавать повышенный ток намагничивания в первичной обмотке для осуществления бесконтактной передачи заданного значения электрической мощности. Это вызывает добавочные потери в трансформаторе, повышенному нагреву первичной обмотки и необходимости ограничения передаваемой электрической мощности из условия допустимого нагрева провода обмотки, что приводит к уменьшению зарядного тока аккумулятора и, как следствие, увеличению времени зарядки аккумулятора. Из-за размещения первичной обмотки трансформатора в блоке инвертора затруднена передача тепла от провода обмотки в окружающую среду. Это также приводит к необходимости ограничения передаваемой электрической мощности и соответствует увеличению времени зарядки аккумулятора.
Известно также устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат [Патент RU 2564199, МПК H02J 7/00, «Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект», опуб. 27.09.2015, Бюл. №27 (прототип)].
Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат состоит из опускаемых на глубину погружения подводного аппарата блока инвертора и первичной части трансформатора, выполненной в отдельном корпусе, а также расположенных на подводном аппарате блока выпрямителя и вторичной части трансформатора, выполненной также в отдельном корпусе.
Первичная и вторичная части трансформатора представляют собой прочные герметичные корпуса, внутри которых размещены соответствующие первичная и вторичная обмотки трансформатора с магнитными экранами, выполненными из материала с высокой магнитной проницаемостью и по одному прилегающими к первым торцам первичной и вторичной обмоток трансформатора.
Как минимум один корпус первичной или вторичной обмотки трансформатора закреплен на несущей конструкции посредством самоцентрующихся стыковочных узлов. Указанные корпуса имеют стыковочные стенки из изоляционного материала, плоские контактные поверхности которых, при передаче электрической энергии на подводный аппарат, плотно прилегают одна к другой. Ко вторым, противоположным контактным, поверхностям этих стенок плотно прилегают, в корпусе первичной части трансформатора, второй торец первичной обмотки трансформатора, а в корпусе вторичной части трансформатора - второй торец вторичной обмотки этого трансформатора. При передаче электрической энергии корпуса расположены так, что обе обмотки трансформатора имеют общую ось, а стенки корпусов первичной и вторичной частей трансформатора за соответствующими магнитными экранами, противоположные стыковочным стенкам этих корпусов, выполнены из теплопроводящего материала с развитой теплоотводящей поверхностью.
В блок инвертора помещен однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления этим инвертором и входным конденсатором. К входным зажимам указанного инвертора подключены входной конденсатор и концы кабеля, соединяющего этот инвертор с источником напряжения постоянного тока, который находится на судне или на берегу. Выходные зажимы инвертора подключены к зажимам первичной обмотки трансформатора. Блок выпрямителя содержит выпрямитель тока, сглаживающий реактор и выходной конденсатор. Входы выпрямителя соединены с зажимами вторичной обмотки трансформатора, первый из выходных зажимов этого выпрямителя соединен с первым выходным зажимом устройства через сглаживающий реактор, а его второй выходной зажим соединен со вторым выходным зажимом устройства непосредственно, к выходным зажимам устройства подключен также выходной конденсатор. К первому и второму выходным зажимам устройства подключены потребители электроэнергии подводного аппарата.
Недостаток известного устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат (прототипа) обусловлен следующим. Обтекаемая форма подводного аппарата обладает профилем поперечного сечения, равным или близким к окружности. Кроме того, для уменьшения лобового сопротивления подводного аппарата в его корпусе необходимо исключить не только выступы, но и впадины. В связи с этим, вторичная часть трансформатора должна быть заглублена в корпусе подводного аппарата так, чтобы корпус этой части трансформатора не выступал за пределы внешних обводов подводного аппарата. При этом для уменьшения лобового сопротивления подводного аппарата образованный объем между контактной поверхностью и внешними обводами подводного аппарата должен быть заполнен изоляционным материалом. Вследствие этого появляется дополнительный зазор между обмотками трансформатора, равный высоте сегмента:
,
где D - диаметр подводного аппарата;
b - ширина корпуса вторичной части трансформатора.
Данный сегмент сформирован обводами подводного аппарата и контактной поверхностью стыковочной стенки в плоскости сечения осей обмоток трансформатора. Увеличение зазора между обмотками трансформатора вызывает снижение коэффициента магнитной связи между обмотками трансформатора, что приводит к уменьшению передаваемой мощности от первичной к вторичной обмотке, а также сопровождается снижением значения вторичного тока трансформатора и, соответственно, увеличением времени заряда аккумуляторных батарей на подводном аппарате.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение передаваемой мощности от первичной к вторичной обмотке трансформатора устройства для бесконтактной передачи электроэнергии и, соответственно, сокращение времени заряда аккумуляторных батарей подводного аппарата за счет уменьшения расстояния между обмотками трансформатора при сохранении условий обтекаемости подводного аппарата.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат, состоящем из опускаемых на глубину погружения подводного аппарата блока инвертора и первичной части трансформатора, выполненной в отдельном корпусе, а также расположенных на подводном аппарате блока выпрямителя и вторичной части трансформатора, выполненной также в отдельном корпусе, при этом первичная и вторичная части трансформатора представляют собой прочные герметичные корпуса, внутри которых размещены соответствующие первичная и вторичная обмотки трансформатора с магнитными экранами, выполненными из материала с высокой магнитной проницаемостью и по одному прилегающими к первым торцам первичной и вторичной обмоток трансформатора, причем как минимум один корпус первичной или вторичной части трансформатора закреплен на несущей конструкции посредством самоцентрующихся стыковочных узлов, кроме этого указанные корпуса имеют стыковочные стенки из изоляционного материала, контактные поверхности которых, при передаче электрической энергии на подводный аппарат, плотно прилегают одна к другой, а ко вторым, противоположным контактным, поверхностям этих стенок плотно прилегают, в корпусе первичной части трансформатора, второй торец первичной обмотки трансформатора, а в корпусе вторичной части трансформатора - второй торец вторичной обмотки этого трансформатора и при передаче электрической энергии корпуса расположены так, что обе обмотки трансформатора имеют общую ось, а стенки корпусов первичной и вторичной частей трансформатора за соответствующими магнитными экранами, противоположные стыковочным стенкам этих корпусов, выполнены из теплопроводящего материала с развитой теплоотводящей поверхностью, при этом в блок инвертора помещен однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления этим инвертором и входным конденсатором, к входным зажимам указанного инвертора подключены входной конденсатор и концы кабеля, соединяющего этот инвертор с источником напряжения постоянного тока, который находится на судне или на берегу, выходные зажимы инвертора подключены к зажимам первичной обмотки трансформатора, блок выпрямителя содержит выпрямитель тока, сглаживающий реактор и выходной конденсатор, при этом входы выпрямителя соединены с зажимами вторичной обмотки трансформатора, первый из выходных зажимов этого выпрямителя соединен с первым выходным зажимом устройства через сглаживающий реактор, а его второй выходной зажим соединен со вторым выходным зажимом устройства непосредственно, к выходным зажимам устройства подключен также выходной конденсатор, а к первому и второму выходным зажимам устройства подключены потребители электроэнергии подводного аппарата, внешние обводы контактных поверхностей стыковочных стенок корпусов первичной и вторичной частей трансформатора выполнены совпадающими с обводами аппарата, а поверхности торцов обмоток трансформатора и торцов магнитных экранов этих обмоток выполнены подобными внешним поверхностям стыковочных стенок корпусов первичной и вторичной частей трансформатора.
В заявленном устройстве для бесконтактной передачи электрической энергии на подводный аппарат общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:
- опускаемые на глубину погружения подводного аппарата блок инвертора и первичная часть трансформатора, выполненная в отдельном корпусе;
- расположенные на подводном аппарате блок выпрямителя и вторичная часть трансформатора, выполненная в отдельном корпусе;
- первичная и вторичная части трансформатора представляют собой прочные герметичные корпуса, внутри которых размещены соответствующие первичная и вторичная обмотки трансформатора с магнитными экранами, выполненными из материала с высокой магнитной проницаемостью и по одному прилегающими к первым торцам первичной и вторичной обмоток трансформатора;
- как минимум один корпус первичной или вторичной части трансформатора закреплен на несущей конструкции посредством самоцентрующихся стыковочных узлов;
- корпуса первичной и вторичной частей имеют стыковочные стенки из изоляционного материала, контактные поверхности которых, при передаче электрической энергии на подводный аппарат, плотно прилегают одна к другой, а ко вторым, противоположным контактным, поверхностям этих стенок плотно прилегают, в корпусе первичной части трансформатора, второй торец первичной обмотки трансформатора, а в корпусе вторичной части трансформатора - второй торец вторичной обмотки этого трансформатора;
- при передаче электрической энергии корпуса первичной и вторичной частей расположены так, что обе обмотки трансформатора имеют общую ось;
- стенки корпусов первичной и вторичной частей трансформатора за соответствующими магнитными экранами, противоположные стыковочным стенкам этих корпусов, выполнены из теплопроводящего материала с развитой теплоотводящей поверхностью;
- в блок инвертора помещен однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления этим инвертором и входным конденсатором;
- к входным зажимам инвертора подключены входной конденсатор и концы кабеля, соединяющего этот инвертор с источником напряжения постоянного тока, который находится на судне или на берегу;
- выходные зажимы инвертора подключены к зажимам первичной обмотки трансформатора;
- блок выпрямителя содержит выпрямитель тока, сглаживающий реактор и выходной конденсатор;
- входы выпрямителя соединены с зажимами вторичной обмотки трансформатора;
- первый из выходных зажимов выпрямителя соединен с первым выходным зажимом устройства через сглаживающий реактор, а его второй выходной зажим соединен со вторым выходным зажимом устройства непосредственно;
- к выходным зажимам устройства подключен выходной конденсатор;
- к первому и второму выходным зажимам устройства подключены потребители электроэнергии подводного аппарата.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат и его прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:
- внешние обводы контактных поверхностей стыковочных стенок корпусов первичной и вторичной частей трансформатора выполнены совпадающими с обводами аппарата;
- поверхности торцов обмоток трансформатора и торцов магнитных экранов этих обмоток выполнены подобными внешним поверхностям стыковочных стенок корпусов первичной и вторичной частей трансформатора.
Отличительный признак предлагаемого решения выполняет следующие функциональные задачи для достижения требуемого технического результата:
- признак: «…внешние обводы контактных поверхностей стыковочных стенок корпусов первичной и вторичной частей трансформатора выполнены совпадающими с обводами аппарата, а поверхности торцов обмоток трансформатора и торцов магнитных экранов этих обмоток выполнены подобными внешним поверхностям стыковочных стенок корпусов первичной и вторичной частей трансформатора…» - обеспечивает уменьшение зазора между обмотками трансформатора. Это увеличивает коэффициент магнитной связи между обмотками трансформатора, что сопровождается увеличением передаваемой мощности от первичной к вторичной обмотке трансформатора и, соответственно, сокращением времени заряда аккумуляторных батарей подводного аппарата при сохранении условий обтекаемости подводного аппарата.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Указанные существенные признаки, отличающие заявленное устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат от прототипа, в совокупности с признаками, общими для него и прототипа, обеспечивает достижение заявленного технического результата во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны.
H
H
H
H
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат; на фиг. 2 - чертеж трансформатора; на фиг. 3 приведены графики зависимостей напряжения на нагрузке от тока нагрузки U=ƒ(I) для заявляемого устройства (кривая 1) и для прототипа (кривая 2); на фиг. 4 приведены графики зависимостей передаваемой мощности к нагрузке от тока нагрузки P=ƒ(I) для заявляемого устройства (кривая 1) и для прототипа (кривая 2).
Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии от источника 1 напряжения постоянного тока, который находится на судне или на берегу, к потребителям 2 электроэнергии подводного аппарата 3 состоит из опускаемых на глубину погружения подводного аппарата 3, блока 4 инвертора и первичной части 5 трансформатора 6, а также расположенных на подводном аппарате 3 блока 7 выпрямителя и вторичной части 8 трансформатора 6. Первичная обмотка 9, расположенная в первичной части 5, трансформатора 6 снабжена магнитным экраном 10, выполняющим вместе с магнитным экраном 11 вторичной обмотки 12, расположенной во вторичной части 8 трансформатора 6 функцию магнитопровода этого трансформатора. В блок 4 инвертора помещен однофазный автономный инвертор 13 напряжения повышенной частоты с блоком 14 управления этим инвертором и входным конденсатором 15. Входные зажимы 16 инвертора 13, к которым подключен входной конденсатор 15, соединены с выходными зажимами 17 источника 1 напряжения постоянного тока через кабель 18. Выходные зажимы 19 инвертора 1 3 подключены к зажимам первичной обмотки 9 трансформатора 6. Блок 7 выпрямителя содержит выпрямитель 20 тока, сглаживающий реактор 21 и выходной конденсатор 22. При этом входы выпрямителя 20 соединены с зажимами 23 вторичной обмотки 12 трансформатора 6. Первый из выходных зажимов 24 выпрямителя 20 соединен с первым выходным зажимом 25 устройства через сглаживающий реактор 21, а его второй выходной зажим 24 соединен со вторым выходным зажимом 25 устройства непосредственно. К выходным зажимам 25 устройства подключены также выходной конденсатор 22 и потребители 2 электроэнергии подводного аппарата 3.
На фиг. 2 показан разрез трансформатора 6, который имеет разъединяющиеся первичную 5 и вторичную 8 части. Первичная часть 5 трансформатора 6 представляет собой прочный герметичный корпус 26, внутри которого размещена первичная обмотка 9 трансформатора 6 с магнитным экраном 10. Вторичная часть 8 трансформатора 6 также представляет собой прочный герметичный корпус 27, внутри которого размещена первичная 12 обмотка трансформатора 6 с магнитным экраном 11. Корпуса 26 и 27 выполнены из изоляционного материала. Внешние обводы контактных поверхностей стыковочных стенок корпусов 26, 27 совпадают с обводами аппарата 3. В режиме передачи энергии контактные поверхности стыковочных стенок корпусов 26 и 27 должны быть прижаты друг к другу, как показано на фиг. 2. Поверхности торцов обмоток 9, 12 и торцов магнитных экранов 10, 11 выполнены подобными (совпадающими по форме) внешним поверхностям стыковочных стенок корпусов 26, 27. Магнитные экраны 10 и 11, прижаты к первым торцам первичной 9 и вторичной 12 обмоток. Ко вторым, противоположным первым, поверхностям этих стенок плотно прилегают, в корпусе 26 первичной части 5 трансформатора 6, второй торец первичной обмотки 9 трансформатора, а в корпусе 27 вторичной части 8 трансформатора 6 - второй торец вторичной обмотки 12 трансформатора. Стенка 28 первичной части 5 трансформатора 6 и стенка 29 вторичной части 8 трансформатора 6, расположенные за соответствующими магнитными экранами 17, 19 и противоположные соответствующим стыковочным стенкам 28, 29, выполнены из теплопроводящего материала с развитой теплоотводящей поверхностью и плотно прижаты к магнитным экранам 17, 19. С помощью самоцентрующегося стыковочного узла 30, связывающего корпус первичной части 5 трансформатора 6 с несущей конструкцией 31, обеспечивается плотное прижатие контактных поверхностей стыковочных стенок указанных корпусов и соосность первичной 9 и вторичной 12 обмоток трансформатора 6.
Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат работает следующим образом.
При включении источника 1 напряжение с его выходных зажимов 17 через кабель 18 поступает на входные зажимы 16 инвертора 13, к которым подключен также сглаживающий конденсатор 15. В режиме автозапуска на выходных зажимах 19 инвертора появляется переменное напряжение высокой частоты, параметры которого определяются настройками блока управления 14 инвертором. Под действием этого напряжения в первичной обмотке 9 трансформатора 6 возникает переменный ток. В режиме передачи электроэнергии производится стыковка контактных поверхностей корпусов 26 и 27 первичной 5 и вторичной 8 частей трансформатора 6. Благодаря магнитной связи между первичной 9 и вторичной 12 обмотками, магнитный поток, вызванный переменным током высокой частоты первичной обмотки 9, индуцирует переменное напряжение той же частоты во вторичной обмотке 12. Под действием этого напряжения в нагрузке 2 возникает постоянный ток, который получается из тока вторичной обмотки 12 трансформатора 6 после его выпрямления выпрямителем 20 и уменьшении пульсаций выпрямленного тока сглаживающим реактором 21 и выходным конденсатором 22.
За счет совпадения внешних обводов контактных поверхностей стыковочных стенок 26 и 27 корпусов с внешними обводами подводного аппарата 3 трансформатор 6 имеет минимальный конструктивный немагнитный зазор между обмотками 9 и 12. Поэтому коэффициент магнитной связи между первичной 9 и вторичной 12 обмотками в заявляемом устройстве равен максимально возможному значению и значение передаваемой является максимально возможным для полученного немагнитного зазора.
В качестве примера рассмотрен трансформатор с шириной корпуса вторичной части 84 мм, размещенной на подводном аппарате диаметром 533 мм. При этом толщина контактных стенок составляет 4 мм, соответственно минимальный конструктивный зазор равен 8 мм. В случае применения трансформатора из прототипа с плоскими контактными поверхностями конструктивный зазор увеличится на 3,3 мм и будет составлять 11,3 мм. Коэффициент магнитной связи между обмотками трансформатора в прототипе составляет 0,529, а в заявленном устройстве 0,65.
H
H
H
H
Для указанных параметров трансформатора заявляемого устройства (кривая 1) и прототипа (кривая 2) построены экспериментально снятые графики зависимостей напряжения на нагрузке от тока нагрузки U=ƒ(I) (фиг. 3) и графики зависимостей передаваемой мощности к нагрузке от тока нагрузки P=ƒ(I) (фиг. 4). При этом максимальная передаваемая мощность к потребителям у прототипа составляет 184 Вт, а у заявляемого устройства 260 Вт, что обеспечит сокращение времени заряда аккумуляторной батареи на 40% при сохранении условий обтекаемости подводного аппарата.
Таким образом, поставленная задача повышения передаваемой мощности и уменьшения времени зарядки аккумуляторных батарей в заявляемом устройстве решена.