ТРЕХФАЗНЫЙ ВРАЩАЮЩИЙСЯ ТРАНСФОРМАТОР СО СВОБОДНЫМИ СВЯЗАННЫМИ ПОТОКАМИ
THREE-PHASE ROTATING TRANSFORMER WITH FREE RELATED FLOWS

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к общей области трансформаторов. В частности, изобретение относится к вращающемуся трехфазному трансформатору.
Вращающийся трехфазный трансформатор служит для передачи энергии и/или сигналов без контакта между двумя осями, вращающимися одна относительно другой.
Фигуры 1 и 2 показывают соответствующий вращающийся трехфазный трансформатор 1 предшествующего уровня техники.
Трансформатор 1 имеет три вращающихся однофазных трансформатора 2, соответствующих фазам U, V и W. Каждый вращающийся однофазный трансформатор 2 имеет часть 3 и часть 4, вращающиеся одна относительно другой вокруг оси A. В качестве примера, часть 3 является статором, а часть 4 является ротором или наоборот. В другом варианте обе части 3 и 4 являются подвижными во вращении относительно неподвижной системы отсчета (не показана). Тороидальная катушка 5 поступает в паз 6, ограниченный корпусом, сделанным из ферромагнитного материала части 3. Тороидальная обмотка 7 поступает в паз 8, ограниченный корпусом, сделанным из ферромагнитного материала части 4. Для каждого вращающегося однофазного трансформатора 2 обмотки 5 и 7 формируют первичную и вторичную обмотки (или наоборот).
Фигура 1 показывает вариант, называемый "U-образным", в котором часть 3 окружает часть 4 вокруг оси A, в то время как фигура 2 показывает вариант, называемый "E-образным" или "чашеобразным", в котором часть 3 и часть 4 находятся около друг друга в аксиальном направлении.
Трехфазный трансформатор 1 на фигуре 1 или 2 имеет большой вес и объем, так как невозможно наилучшим образом использовать магнитные потоки каждой из фаз, в отличие от статического трехфазного трансформатора с форсированными потоками, в котором возможно связать потоки. Кроме того, в примере на фигуре 2 необходимо использовать электрические проводники секций, которые отличаются как функция расстояния между осью вращения и фазой, чтобы сохранить сбалансированные сопротивления.
Патент США №2011/0050377 описывает вращающийся трехфазный трансформатор с четырьмя колоннами. Этот трансформатор имеет значительный вес и объем. В этом патенте также описывается вращающийся трехфазный трансформатор с пятью колоннами. Этот трансформатор имеет значительный вес и объем. Кроме того, в нем используется радиальная обмотка, проходящая через пазы в центральных колоннах магнитной цепи, при этом такая обмотка является более сложной для выполнения, чем тороидальная обмотка, используемая в трансформаторах на фигурах 1 и 2.
Таким образом, существует потребность в улучшении топологии трехфазного трансформатора.
ЗАДАЧА И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение предлагает вращающийся трехфазный трансформатор, содержащий первую часть и вторую часть, которые являются подвижными во вращении относительно друг друга вокруг оси A, причем первая часть содержит первый корпус из ферромагнитного материала и обмотки, вторая часть содержит второй корпус из ферромагнитного материала и обмотки;
первый корпус ограничивает первый кольцеобразный паз с осью A, второй кольцеобразный паз с осью A, третий кольцеобразный паз с осью A и четвертый кольцеобразный паз с осью A;
обмотки первой части включают в себя первую тороидальную обмотку с осью A в первом пазе, вторую тороидальную обмотку с осью A во втором пазе, третью тороидальную обмотку с осью A во втором пазе, четвертую тороидальную обмотку с осью A в третьем пазе, пятую тороидальную обмотку с осью A в третьем пазе и шестую тороидальную обмотку с осью A в четвертом пазе;
первая обмотка и вторая обмотка соединены последовательно и имеют соответствующие направления намотки, которые для тока, текущего в первой обмотке и во второй обмотке, соответствуют двум магнитным потенциалам противоположных направлений;
третья обмотка и четвертая обмотка соединены последовательно и имеют соответствующие направления намотки, которые для тока, текущего в третьей обмотке и четвертой обмотке, соответствуют двум магнитным потенциалам противоположных направлений; и
пятая обмотка и шестая обмотка соединены последовательно и имеют направления намотки, которые для тока, текущего в третьей обмотке и шестой обмотке, соответствуют двум магнитным потенциалам противоположных направлений.
В качестве примера, первая часть может выступать в качестве первичной обмотки. При таких обстоятельствах, если в первичных обмотках в соответствующих направлениях текут трехфазные токи, магнитные потенциалы катушек первичной обмотки приводят к связи потоков, учитывая вышеупомянутые направления намотки. Эта связь позволяет трансформатору иметь меньшие размеры с точки зрения объема и веса. Кроме того, первичная обмотка трансформатора использует только простые тороидальные обмотки с осью A, таким образом, позволяя ее структуре быть особенно простой. Другими словами, изобретение обеспечивает вращающийся трехфазный трансформатор, который за счет связи потоков имеет меньшие вес и объем в частности по сравнению с использованием трех однофазных вращающихся трансформаторов, и он использует форму намотки, которая является особенно простой.
В варианте осуществления первая обмотка, вторая обмотка, третья обмотка, четвертая обмотка, пятая обмотка и шестая обмотка все имеют одинаковое число витков.
Фазы первой части тогда сбалансированы по сопротивлению.
В варианте воплощения второй корпус ограничивает пятый кольцеобразный паз с осью A, шестой кольцеобразный паз с осью A, седьмой кольцеобразный паз с осью A и восьмой кольцеобразный паз с осью A;
обмотки второй части содержат седьмую тороидальную обмотку с осью A в пятом пазе, восьмую тороидальную обмотку с осью A в шестом пазе, девятую тороидальную обмотку с осью A в шестом пазе, десятую тороидальную обмотку с осью A в седьмом пазе, одиннадцатую тороидальную обмотку с осью A в седьмом пазе и двенадцатую тороидальную обмотку с осью A в восьмом пазе;
седьмая обмотка и восьмая обмотка соединены последовательно и имеют соответствующие направления намотки, которые для тока, текущего в седьмой обмотке и в восьмой обмотке, соответствуют двум магнитным потенциалам противоположных направлений;
девятая обмотка и десятая обмотка соединены последовательно и имеют соответствующие направления намотки, которые для тока, текущего в девятой обмотке и в десятой обмотке, соответствуют двум магнитным потенциалам противоположных направлений; и
одиннадцатая обмотка и двенадцатая обмотка соединены последовательно и имеют соответствующие направления намотки, которые для тока, текущего в одиннадцатой обмотке и в двенадцатой обмотке, соответствуют двум магнитным потенциалам противоположных направлений.
В этом варианте воплощения вторичные обмотки сделаны на основании такого же принципа, что и первичные. Вторичные обмотки, таким образом, также способствует ограничению веса и объема трансформатора и позволяет сделать трансформатор, используя только тороидальные обмотки с осью A.
Седьмая обмотка, восьмая обмотка, девятая обмотка, десятая обмотка, одиннадцатая обмотка и двенадцатая обмотка могут все иметь одинаковое число витков.
Фазы второй части тогда сбалансированы по сопротивлению.
В варианте воплощения первый корпус содержит кольцо, первый стержень, второй стержень, третий стержень, четвертый стержень и пятый стержень, ограничивающие упомянутые пазы первого корпуса.
Вторая часть может окружать двухфазную часть вокруг оси A или наоборот. Это соответствует созданию трансформатора, который называется "U-образным".
Первая часть и вторая часть могут быть расположены одна около другой в направлении оси A. Это соответствует созданию трансформатора, который называется "E-образным" или "чашеобразным".
В варианте воплощения первый и второй корпуса, сделанные из ферромагнитного материала, полностью окружают первичную и вторичную обмотки.
При таких обстоятельствах трансформатор является магнитно-экранированным.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, которые показывают варианты осуществления, не имеющие ограничительного характера. На фигурах:
каждая из фигур 1 и 2 является видом в разрезе вращающегося трехфазного трансформатора предшествующего уровня техники;
фигура 3 является видом в разрезе магнитно-экранированного трехфазного вращающегося трансформатора со свободными связанными потоками в первом варианте воплощения изобретения;
фигура 4 является перспективным изображением в разобранном виде магнитной цепи трансформатора фигуры 3;
фигура 5 является схемой электрической цепи, показывающей соединения обмоток в трансформаторе фигуры 3; и
фигура 6 является перспективным изображением в разобранном виде магнитной цепи трансформатора во втором варианте воплощения изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
Фигура 3 является видом в разрезе вращающегося трансформатора 10 в варианте воплощения изобретения. Трансформатор 10 является магнитно-экранированным трехфазным вращающимся трансформатором со свободными связанными потоками.
Трансформатор 10 содержит часть 11 и часть 12, которые выполнены с возможностью вращения относительно друг друга вокруг оси A. В качестве примера, часть 11 является статором, а часть 12 является ротором, или наоборот. В другом варианте обе части 11 и 12 являются подвижными во вращении относительно стационарной системы отсчета (не показан).
Часть 11 содержит кольцо 13 с осью A и пять стержней 14, 15, 16, 17 и 18, сделанные из ферромагнитного материала. Каждый из стержней 14, 15, 16, 17 и 18 простирается радиально по направлению от оси A, начиная от кольца 13. Стержень 14 находится на одном конце кольца 13, а стержень 18 на другом конце кольца 13, а стержни 15, 16 и 17 лежат между стержнями 14 и 18.
Кольцо 13 и стержни 14 и 15 ограничивают кольцеобразный паз 19 с осью A, который открыт в радиальном направлении наружу (то есть по направлению от оси A). Кольцо 13 и стержни 15 и 16 ограничивают кольцеобразный паз 20 с осью A, который открыт в радиальном направлении наружу. Кольцо 13 и стержни 16 и 17 ограничивают кольцеобразный паз 21 с осью A, который открыт в радиальном направлении наружу. Кольцо 13 и стержни 17 и 18 ограничивают кольцеобразный паз 22 с осью A, который открыт в радиальном направлении наружу. В общем кольцо 13 и стержни 14-18 формируют корпус из ферромагнитного материала, ограничивающий четыре кольцеобразных паза 19-22, которые открыты в радиальном направлении наружу.
Часть 12 содержит кольцо 23 с осью A и пять стержней 24, 25, 26, 27 и 28, сделанных из ферромагнитного материала. Каждый из стержней 24, 25, 26, 27 и 28 простирается радиально по направлению к оси A, начиная от кольца 23. Стержень 24 находится на одном конце кольца 23, а стержень 28 на другом конце кольца 23, а стержни 25, 26 и 27 лежат между стержнями 24 и 28.
Кольцо 23 и стержни 24 и 25 ограничивают кольцеобразный паз 29 с осью A, который открыт в радиальном направлении внутрь (то есть по направлению к оси A). Кольцо 23 и стержни 25 и 26 ограничивают кольцеобразный паз 30, который открыт в радиальном направлении внутрь. Кольцо 23 и стержни 26 и 27 ограничивают кольцеобразный паз 31, который открыт в радиальном направлении внутрь. Кольцо 23 и стержни 27 и 28 ограничивают кольцеобразный паз 32, который открыт в радиальном направлении внутрь. В общем кольцо 23 и стержни 24-28 формируют корпус из ферромагнитного материала, ограничивающий четыре кольцеобразных паза 29-32, которые открыты в радиальном направлении внутрь.
Каждый из стержней 14-18 части 11 обращен к одному из стержней 24-28 второй части 12, ограничивая воздушный зазор 33 между ними. Трансформатор 10, таким образом, имеет пять пар стержней (стержни 14 и 24, стержни 15 и 25, стержни 16 и 26, стержни 17 и 27 и стержни 18 и 28), каждая пара стержней формирует колонну трансформатора 10. Другими словами, трансформатор 10 является, таким образом, трансформатором с пятью колоннами. Кольца 13 и 23 вместе со стержнями 14-18 и 24-28 формируют магнитную цепь трансформатора 10. Фигура 4 является перспективным изображением в разобранном виде магнитной цепи трансформатора 10.
Часть 11 трансформатора 10 имеет обмотки 34-39, а часть 12 имеет обмотки 40-45.
1
Обмотка 34 является тороидальной обмоткой с осью A и расположена в пазе 19. Обмотка 35 является тороидальной обмоткой с осью A, расположена в пазе 20 и соединена последовательно с обмоткой 34. Обмотка 36 является тороидальной обмоткой с осью A и расположена в пазе 20. Обмотка 37 является тороидальной обмоткой с осью A, расположена в пазе 21 и соединена последовательно с обмоткой 36. Обмотка 38 является тороидальной обмоткой с осью A и расположена в пазе 21. Наконец, обмотка 39 является тороидальной обмоткой с осью A, расположена в пазе 22 и соединена последовательно с обмоткой 38. Каждая из обмоток 34-39 имеет n витков.
Термин "тороидальная обмотка с осью A" используется для обозначения обмотки, имеющей витки вокруг оси A. Термин "тороидальный" используется не в ограничительном смысле, обозначая твердое тело, образуемое вращением круга вкруг оси. Напротив, в показанных примерах секция тороидальной обмотки может быть, в частности, прямоугольной.
2
Соответствующим образом, обмотка 40 является тороидальной обмоткой с осью A и расположена в пазе 29. Обмотка 41 является тороидальной обмоткой с осью A, расположена в пазе 30 и соединена последовательно с обмоткой 40. Обмотка 42 является тороидальной обмоткой с осью A и расположена в пазе 30. Обмотка 43 является тороидальной обмоткой с осью A, расположена в пазе 31 и соединена последовательно с обмоткой 42. Обмотка 44 является тороидальной обмоткой с осью A и расположена в пазе 31. Наконец, обмотка 45 является тороидальной обмоткой с осью A, расположена в пазе 32 и соединена последовательно с обмоткой 44. Каждая из обмоток 40-45 имеет n витков.
Обмотки 34 и 40 окружают магнитный сердечник 46, расположенный в кольце 13. Термин "магнитный сердечник" используется для обозначения части магнитной цепи, в которой поток одного и того же направления, создаваемый обмоткой, является преобладающим. Электрический ток, текущий в обмотке 19 всех обмоток 14, таким образом, соответствует магнитному потенциалу в магнитном сердечнике 46. Соответствующим образом, обмотки 35, 36, 41 и 42 окружают магнитный сердечник 47, расположенный в кольце 13, обмотки 37, 38, 43 и 44 окружают магнитный сердечник 48, расположенный в кольце 13, а обмотки 39 и 45 окружают магнитный сердечник 49, расположенный в кольце 13.
В приведенном ниже описании считается, что часть 11 и обмотки 34-39 соответствуют первичной обмотке трансформатора 10, а часть 12 и обмотки 40-45 соответствуют вторичной обмотке трансформатора 10. Однако первичная и вторичная обмотки могут поменяться местами.
Фигура 5 является схемой электрической цепи, показывающей соединения обмоток 34-39 трансформатора 10 и соответствующие магнитные потенциалы.
На фигуре 5 используются следующие обозначения:
p
p
p
A, B и C являются точками входа первичных обмоток трансформатора 10.
ap
bp
cp
p
p
p
ap
bp
cp
I, I и I являются соответствующими входящими токами в точках A, B и C. Ток I течет в обмотках 34 и 35, которые формируют первичную фазу A. Соответствующим образом ток I течет в обмотках 36 и 37, которые формируют первичную фазу B, а ток I течет в обмотках 38 и 39, которые формируют первичную фазу С. Возможно любое другое соответствие между фазами A, B и C и парами последовательно включенных обмоток, если такое же соответствие используется во вторичной обмотке.
ap
bp
cp
O, O и O являются точками подключения, позволяющими иметь электрические соединения, которые идентичны любому типу статического трехфазного трансформатора (звезда-звезда, звезда-треугольник, треугольник-треугольник, треугольник-звезда, зигзаг, …).
Черные точки показывают зависимость между током, текущим в обмотке, и направлением соответствующего магнитного потенциала: если точка находится с правой стороны намотки, направление намотки таково, что создаваемый магнитный потенциал имеет такое же направление, что и входящий ток. Если точка находится с левой стороны намотки, направление намотки создает магнитный потенциал, который имеет направление, противоположное входящему току.
ap
bp
cp
Pa и -Pa являются магнитными потенциалами в сердцевинах 46 и 47, соответствующими току I, Pb и -Pb являются магнитными потенциалами в сердцевинах 47 и 48, соответствующими току I, и Pc и -Pc являются магнитными потенциалами в сердцевинах 46 и 47, соответствующими току I.
ap
bp
cp
На фигуре 5 можно видеть, что путем соответствующего выбора направлений намотки и для последовательных соединений, показанных на фигуре 5, сбалансированные трехфазные токи I, I и I соответствуют в сердцевине 46 магнитному потенциалу Pa, в магнитном сердечнике 47 магнитным потенциалам -Pa и Pb, которые равны по модулю и противоположны по направлению, и в магнитных сердечниках 48 и 49 магнитным потенциалам -Pb, -Pc и Pc, которые симметричны Pb, -Pa и Pa соответственно. В этой ситуации потоки связаны правильно.
В другом варианте другие способы соединения обмоток и другие направления намотки позволяют получить такую же организацию магнитных потенциалов.
Таким образом, в трансформаторе 10 индуктивная связь, выполняемая магнитной цепью с показанной топологией намотки, позволяет иметь такой же коэффициент связи 5/4 для создаваемых потоков, как и для статического трехфазного трансформатора со связанными потоками и пятью колоннами относительно однофазного трансформатора. Чтобы иметь наилучший коэффициент связи, необходимо, чтобы магнитные сопротивления в каждой из колонн (главным образом из-за воздушного зазора 33) были равными, и чтобы они значительно превосходили магнитные сопротивления колец 13 и 23. Чтобы иметь трехфазный трансформатор, который близок к идеальному равновесию, необходимо, чтобы магнитные сопротивления колец 13 и 23 были как можно меньше по сравнению с магнитными сопротивлениями каждой из колонн. Так как этого трудно достичь физически, одно из решений состоит в изменении магнитных сопротивлений колонн и частей колец между двумя колоннами таким образом, чтобы получить идеальную балансировку.
2
2
1
1
2
Если число витков во вторичных обмотках равно n, то, как и в любом трехфазном трансформаторе, отношение напряжений в первом приближении равно n/n, а отношение токов равно n/n. Вращающийся трансформатор 10 имеет такие же свойства, как и любой статический трехфазный трансформатор со связанными потоками, включая возможность иметь множество вторичных обмоток.
Трансформатор 10 имеет несколько преимуществ.
В частности, можно заметить, что магнитная цепь полностью окружает обмотки 34-39 и 40-45. Трансформатор 10, таким образом, магнитно-экранирован. Кроме того, все обмотки 34-39 и 40-45 являются тороидальными обмотками с осью A. Поэтому трансформатор 10 не требует обмоток, которые имеют более сложную форму.
1
2
Кроме того, так как каждая фаза имеет одинаковое число витков одинаковой длины (то есть 2*n для первичной обмотки и 2*n для вторичной обмотки), фазы трансформатора 10 сбалансированы по сопротивлению, не требуя проводников различного сечения.
Наконец, трансформатор 10 имеет меньший вес и объем. В частности, вследствие связи потоков размеры трансформатора 10 могут быть заданы, для постоянных джоулевых потерь, так, чтобы вес и объем были небольшими по сравнению с трансформаторами на фигурах 1 и 2.
1
2
Воздействуя на магнитные сопротивления различных колонн можно приблизиться к сбалансированным магнитным сопротивлениям для фаз трансформатора 10. Чтобы улучшить балансировку фаз можно предусмотрительно сделать доступной одну степень свободы, а именно, число ампер-витков фаз. Таким образом, в другом варианте, который не показан, не все обмотки имеют в точности одинаковое число витков n или n.
Положения обмоток, показанных на фигуре 3, представляют собой один пример, подходящими могут быть и другие положения. Например, в одном пазе две обмотки могут быть одна около другой в аксиальном направлении, одна вокруг другой относительно оси A или смешанными одна с другой.
Трансформатор 10 может рассматриваться как "U-образный" вариант. В варианте воплощения, который не показан, трансформатор в соответствии с изобретением является "E-образным" или "чашеобразным" вариантом "U-образного" трансформатора 10. В этом варианте, аналогично фигуре 2, часть 11 и часть 12 расположены одна около другой в направлении оси A. Фигура 6 является перспективным изображением в разобранном виде магнитной цепи этого "E-образного" трансформатора. На фигуре 6 используются те же ссылки, что и на фигуре 4, для обозначения соответствующих элементов.