ВРАЩАЮЩИЙСЯ ТРАНСФОРМАТОР
ROTATING TRANSFORMER

Изобретение относится к электротехнике, а именно к трансформаторам, приспособленным для специального применения, и предназначено для бесконтактной передачи электрической энергии на вращающиеся устройства.
Известен вращающийся трансформатор для передачи электропитания на вал вращающегося объекта, содержащий вращающуюся и неподвижную части, выполненные в виде пары взаимодействующих через воздушный зазор П-образных ленточных сердечников из электротехнической стали с кольцевыми обмотками, соосно установленными в торце вала (патент РФ №2007768, кл. H01F 23/00).
Недостатком этого вращающегося трансформатора являются большие радиальные габариты, не позволяющие использовать его в гребных валах, укомплектовываемых при изготовлении в цеховых условиях средствами катодной защиты. Этот недостаток обусловлен тем, что гребной вал судна, укомплектованный средствами противокоррозионной защиты, при установке вращающегося трансформатора с П-образными ленточными сердечниками в его торце, не представляется возможным монтировать на судно через кормовую мортиру и дейдвудное устройство.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является вращающийся трансформатор для передачи электропитания на вал вращающегося объекта, содержащий установленные с воздушным зазором одна относительно другой вращающуюся и неподвижную части, выполненные в виде охватывающей вал спиральной первичной обмотки и коаксиально размещенной внутри нее вторичной обмотки, а также цилиндрический электромагнитный экран, отделяющий упомянутые обмотки от вала (патент США 2007120634, H01F 21/06; H01F 21/02) прототип.
За счет спиральной формы обмоток этот вращающийся трансформатор имеет существенно меньшие радиальные габариты, чем торцевой вращающийся трансформатор и его можно размещать в любом доступном месте по длине гребного вала внутри корпуса судна. Но радиальные габариты известного устройства, при необходимости передачи на гребной вал электропитания с мощностью, достаточной для функционирования системы катодной защиты гребного вала и гребного винта, чрезмерно велики. Эти габариты не позволяют монтировать гребной вал со средствами катодной защиты через дейдвудное устройство и кормовую мортиру.
Отмеченный недостаток обусловлен тем, что электромагнитный экран, изготовленный из алюминия, хоть и защищает от вихревых потерь в материале гребного вала (стали), при требуемой мощности электропитания средств катодной защиты обуславливает необходимость использования относительно большого числа витков вторичной обмотки. Это связано с тем, что алюминиевый сердечник не обеспечивает концентрацию магнитного потока, создаваемого первичной обмоткой. Поэтому вращающийся трансформатор фактически работает в режиме воздушного трансформатора, что приводит к значительным потокам рассеяния (до 80-90%), уменьшает cosφ и, в конечном итоге, обуславливает необходимость чрезмерного завышения мощности источника питания первичной обмотки.
Концентрация магнитного потока сердечником с магнитной проницаемостью µ уменьшает необходимое число витков обмоток соответственно в √µ раз (на практике в 10-50 раз). Однако замена алюминиевого электромагнитного экрана на ферромагнитные материалы, типа электротехнической стали не позволяет поднять частоту электропитания, передаваемого через трансформатор до величин, существенно уменьшающих число витков в обмотках (порядка сотни килогерц) из-за потерь на вихревые токи и перемагничивание. Использование ферритовых экранов для концентрации магнитного потока в условиях работы вращающегося трансформатора, размещаемого на гребном валу в резко ограниченных радиальных габаритах вращающейся части технически нереализуемо из-за их хрупкости - работа тонких ферритовых экранов в условиях динамических воздействий при деформациях гребного вала не обеспечивает достаточной надежности при эксплуатации судна.
Относительно большие радиальные габариты известного вращающегося трансформатора обуславливают необходимость сборки его узлов на гребном валу непосредственно на судне с обеспечением возможности демонтажа узлов и их восстановления при обследовании гребных валов. На судне, по сравнению с цеховыми условиями, ограничена возможность применения высокопроизводительной специализированной оснастки для монтажа узлов вращающегося трансформатора и их защиты от внешних эксплуатационных воздействий, а также средств объективного контроля качества выполнения монтажных работ. Это приводит к снижению эксплуатационной надежности и срока службы средств противокоррозионной защиты, а также увеличивает стоимость эксплуатации этих средств из-за необходимости обслуживания собранных в условиях судна узлов, в том числе контроля их эксплуатационного состояния.
Задачей изобретения является обеспечение эксплуатационной надежности гребных валов, изготавливаемых в цеховых условиях со средствами катодной защиты, а также демонтируемых вместе с этими средствами при обследованиях гребных валов во время судоремонтных работ.
Это достигается тем, что во вращающемся трансформаторе для передачи электропитания на вал вращающегося объекта, установленные с воздушным зазором одна относительно другой вращающуюся и неподвижную части, выполнены в виде охватывающей вал спиральной первичной обмотки и коаксиально размещенной внутри нее вторичной обмотки. Вращающийся трансформатор содержит также цилиндрический электромагнитный экран, отделяющий упомянутые обмотки от вала, выполненный из композитного материала, содержащего полимеризующийся резиноподобный компаунд с ферритовым наполнителем. Вторичная спиральная обмотка, с наружной стороны герметично завулканизирована за одно целое с электромагнитным экраном полимеризующимся герметиком.
Композитный магнитопровод, используемый во вращающемся трансформаторе в качестве электромагнитного экрана гребного вала, за счет высокой магнитной проницаемости, а также малых потерь на вихревые токи и перемагничивание, концентрирует поток, сцепленный с вторичной обмоткой. Такой магнитопровод исключает потоки рассеяния и позволяет уменьшить число витков вторичной спиральной обмотки.
С другой стороны, в отличие от ферритов, используемых в высокочастотных трансформаторах, гибкий композиционный магнитопровод с ферритовым наполнителем обеспечивает податливость конструктивных элементов вращающейся части трансформатора в условиях воздействия циклических деформации при работе гребного вала.
Уменьшение числа витков вторичной обмотки, в сочетании с упругостью материала гибкого композиционного магнитопровода, позволяет при изготовлении гребного вала герметизировать вторичную обмотку на нем как одно целое с магнитопроводом. При этом магнитопровод служит в качестве основания узла, герметизирующего вторичную обмотку, и работающего в условиях жестких динамических нагрузок, а также внешних воздействий. В свою очередь, это позволяет уменьшить радиальные габариты вращающейся части трансформатора до размеров, обеспечивающих проход вала со средствами катодной защиты через дейдвудное устройство и кормовую мортиру. Как следствие, становится возможным изготавливать гребной вал с узлами катодной защиты в цеховых условиях и демонтировать его для обследования, не демонтируя узлы катодной защиты. Срок службы системы катодной защиты при этом оказывается соответствующем сроку службы гребного вала и отпадает необходимость эксплуатационного обслуживания узла подвода электропитания, так как вторичная обмотка, выполненная как одно целое с гребным валом, оказывается защищенной от эксплуатационных воздействий.
Защищенность неподвижной части вращающегося трансформатора - первичной обмотки, закрепляемой на корпусных конструкциях судна, ввиду отсутствия жестких габаритных ограничений по ее установке на судне и особо жестких требований к механическим воздействиям, обеспечивается типовыми конструктивными методами проектирования судового оборудования. Поэтому при соответствующем исполнении первичной обмотки, она не оказывает существенного на операции монтажа и демонтажа гребного вала.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется рисунком, где на фиг.1 схематично изображен вращающийся трансформатор (разрез), а на фиг.2 - фрагмент вторичной спиральной обмотки, герметично вулканизированной полимеризующимся герметиком как одно целое с электромагнитным экраном.
Вращающийся трансформатор для передачи электропитания на вал вращающегося объекта, в частности на гребной вал 1, содержит установленные с воздушным зазором одна относительно другой вращающуюся и неподвижную части, неподвижная часть которого выполнена в виде охватывающей гребной вал 1 спиральной первичной обмотки 2, а подвижная - в виде и коаксиально размещенной внутри нее вторичной обмотки 3. Соосно с первичной обмоткой 2 и вторичной обмоткой 3 расположен цилиндрический электромагнитный экран 4, отделяющий указанные обмотки 2 и 3 от гребного вала 1 (фиг.1). Электромагнитный экран 4 выполнен из композитного материала, содержащего полимеризующийся резиноподобный компунд 5 с ферритовым наполнителем 6. В качестве композитного материала электромагнитного экрана 4 может быть использован «Магнитопровод композиционный гибкий» по ЕСКС.750252.015-10 ТУ, поставляемый фирмой «Ферроприбор». Вторичная спиральная обмотка с наружной стороны герметично завулканизирована как одно целое с электромагнитным экраном 4 полимеризующимся герметиком 7 (фиг.1, 2).
Первичная обмотка 2 жестко закреплена на судовой корпусной конструкции 8 и выводами 9 электрически подключена к источнику электропитания повышенной частоты 10.
Вторичная обмотка 3 проводниками 11 подключена 3 к оборудованию катодной противокоррозионной защиты 12 гребного вала 1 и расположенного на нем гребного винта (на рисунке не показан).
Работа вращающегося трансформатора осуществляется следующим образом.
Независимо от скорости и направления вращения вала 1, магнитный поток первичной обмотки 2, проходя по воздушным зазорам и цилиндрическому электромагнитному экрану 4, наводит ЭДС во вторичной обмотке 3. ЭДС в замкнутой цепи вызывает ток, который в оборудовании катодной противокоррозионной защиты 9 выпрямляется, фильтруется и подается на аноды, входящие в состав этого оборудования противокоррозионной защиты 9.
Предлагаемое устройство обеспечивает возможность изготовления в цеховых условиях гребных валов, поставляемых на суда, в комплекте со средствами катодной противокоррозионной защиты узлы которых, за счет возможности герметизации обмоток вращающегося трансформатора, не требуют обслуживания во время эксплуатации. Это повышает надежность и эффективность средств противокоррозионной защиты гребного вала и гребного винта по сравнению с используемыми средствами, выполненными на базе контактно-щеточных устройств, что выгодно отличает предлагаемое устройство от прототипа.