PL206305B1 - Transformator - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy transformatora do przenoszenia mocy elektrycznej z członu nieruchomego na człon obrotowy.

Transformatory takie są znane jako maszyny asynchroniczne, w których uzwojenie stojana stanowi uzwojenie pierwotne, a uzwojenie wirnika stanowi uzwojenie wtórne lub odwrotnie. Ciepło rozproszenia wytwarzane podczas przenoszenia mocy na skutek strat histerezy jest tak duże, że nie tylko przenoszona moc jest ograniczana do kilku kilowatów, ale również, ze względu na to, że ciepło to musi być odprowadzane, wymagana jest pewna minimalna wielkość transformatora o wystarczająco dużej powierzchni.

Transformator prądu przemiennego bez pierścieni ślizgowych do bezszczotkowego przenoszenia energii z wirnika maszyn asynchronicznych do nieruchomego członu maszyny jest znany z opisu patentowego DE 199 53 583 C1. Transformator ten zawiera nieruchomy człon pierwotny i wirujący człon wtórny, zamontowany na wale maszyny asynchronicznej. Każdy z tych członów wspiera uzwojenie prądu przemiennego ze stycznie nawiniętymi zwojami.

Silnik elektryczny i sposób wytwarzania laminowanego rdzenia stojana silnika elektrycznego jest znany z opisu patentowego DE 198 42 948 A1.

Bezstykowy transformator, w którym każdy rdzeń magnetyczny, o kształcie tarczy, utworzony przez połączenie kilku wachlarzowo ukształtowanych rdzeni, jest znany z opisu patentowego DE 100 20 949 A1. Każdy taki magnetyczny rdzeń ma co najmniej jeden koncentryczny i jeden promieniowy żłobek na uzwojenia.

Elektromagnetyczny sprzęgacz do przenoszenia energii jest znany z opisu patentowego EP 0 688 028 A1. Zarówno w stopniu pierwotnym jak i w stopniu wtórnym rdzeń ten jest umieszczony pierścieniowo i ma pierścieniowe rowki, w których osadzone są pierścieniowe zwoje. Układ rdzeni zawiera co najmniej jeden pakiet z laminowanymi elementami transformatora.

Transformator do systemu tomografii komputerowej znany jest z opisu patentowego US 5,608,771. Zarówno rdzeń stojana jak i rdzeń wirnika są zbudowane z jednego kawałka i posiadają co najmniej jeden pierścieniowy żłobek na uzwojenia.

Tak więc, znany jest transformator do przenoszenia mocy elektrycznej z członu nieruchomego na człon wirujący z pierścieniowym rdzeniem do umieszczenia pierścieniowego uzwojenia i posiadający pierścieniowe żłobki otwarte w kierunku osiowym lub promieniowym, przy czym uzwojenie pierwotne i wtórne usytuowane w pierścieniowych żłobkach umieszczone jest osiowo lub promieniowo naprzeciw siebie. Uzwojenie pierwotne może być umieszczone na członie nieruchomym, zaś uzwojenie wtórne jest umieszczone na członie wirującym albo odwrotnie.

Materiał magnetyczny na rdzenie do przenoszenia energii, charakteryzujący się małą przenikalnością i małymi stratami energii, w postaci jednorodnego kompozytu z ferrytu i tworzywa sztucznego, jest znany z opisu patentowego DE 42 14 376 A1.

Celem przedmiotowego wynalazku jest opracowanie transformatora, w którym ciepło rozproszenia jest zmniejszone. Wynalazek oparty jest na spostrzeżeniu, że w znanych maszynach wirujących, takich jak maszyny asynchroniczne, głębokość konstrukcyjna jest, w kwestii odprowadzania ciepła czynnikiem mającym duże znaczenie. Oznacza to, że problem odprowadzania ciepła można w znacznej części rozwią zać przez moż liwie cienk ą konstrukcję .

Problem ten rozwiązano według wynalazku dzięki konstrukcji transformatora do przenoszenia mocy elektrycznej z członu nieruchomego na człon wirujący, z pierścieniowym rdzeniem do umieszczenia pierścieniowego uzwojenia i posiadający pierścieniowe żłobki otwarte w kierunku osiowym lub promieniowym, przy czym uzwojenia pierwotne i wtórne usytuowane w pierścieniowych żłobkach, umieszczone są osiowo lub promieniowo naprzeciw siebie, zaś uzwojenie pierwotne jest umieszczone na członie nieruchomym, zaś uzwojenie wtórne jest umieszczone na członie wirującym, charakteryzującego się tym, że rdzeń jest złożony z elementów rdzenia, które mają w przekroju poprzecznym kształt litery U, są wykonane z jednego kawałka, mają kształt segmentów pierścienia i są podtrzymywane przez konstrukcję wsporczą.

Materiałem elementów rdzenia jest korzystnie ferryt.

Korzystnie elementy rdzenia utworzone są z toroidalnych rdzeni taśmowych.

Tak więc według wynalazku transformator ma wirujący pierścień utworzony z elementów rdzenia w kształcie segmentów pierścienia i posiadający żłobki, które są otwarte w kierunku osiowym lub promieniowym, a materiałem tych elementów rdzenia jest ferryt. Dzięki temu powstał wirujący pierścień

PL 206 305 B1 o korzystnych wł a ś ciwoś ciach magnetycznych i bez szczelin powietrznych, co umoż liwia przenoszenie mocy ze szczególnie małymi stratami. Dzięki zmniejszeniu ciepła rozproszenia, transformator może mieć mniejsze wymiary, albo przy takich samych wymiarach może przenosić większą moc.

Aby siły działające na transformator trzymać z dala od wirującego pierścienia, a zatem chronić go przed odkształceniem lub uszkodzeniem, elementy rdzenia oparto na konstrukcji wsporczej.

W turbinie wiatrowej wyposaż onej w transformator wedł ug wynalazku moc wzbudzenia moż e być przenoszona przykładowo z nieruchomego członu turbiny wiatrowej na człon obrotowy, taki jak wirnik generatora. Oczywiście możliwe jest również zastosowanie wielu sąsiednich transformatorów do przenoszenia wielofazowego.

Do działania transformatora według wynalazku korzystna okazała się częstotliwość do 300 kHz, korzystnie w przybliżeniu 20 kHz, tak że zmniejszono do minimum wpływ indukcyjności i straty energii.

Wynalazek zostanie opisany bardziej szczegółowo w przykładach wykonania pokazanych na rysunku, na którym poszczególne figury przedstawiają:

fig. 1 widok z boku pierścienia transformatora według wynalazku; fig. 2 pojedynczy element rdzenia wirującego pierścienia z fig. 1; fig. 3 przekrój wzdłuż linii A-A z fig. 1;

fig. 4 widok z boku drugiego przykładu realizacji wirującego pierścienia;

fig. 5 przekrój drugiego przykładu realizacji wirującego pierścienia wzdłuż linii B-B z fig. 4;

fig. 6 widok perspektywiczny układu złożonego z dwóch wirujących pierścieni;

fig. 7 przekrój częściowy wirujących pierścieni;

fig. 8 przekrój częściowy alternatywnego rozwiązania wirujących pierścieni;

fig. 9 widok perspektywiczny pojedynczego elementu rdzenia dla jednego z wirujących pierścieni z fig. 8;

fig. 10 widok perspektywiczny pojedynczego elementu rdzenia dla innego wirującego pierścienia, pokazanego na fig. 8.

Fig. 1 przedstawia pierścień transformatora 10 według wynalazku. Pierścień ten ma konstrukcję wsporczą 12, w którą wprowadzane są elementy 14 rdzenia. Wymienione elementy 14 rdzenia całkowicie wypełniają wewnętrzną komorę utworzoną przez konstrukcję wsporczą 12, na skutek czego nie ma żadnej szczeliny powietrznej pomiędzy elementami 14 rdzenia. W każdym z tych elementów 14 rdzenia utworzony jest żłobek 16. Pierścieniowe rozmieszczenie elementów 14 rdzenia powoduje powstanie pierścieniowego żłobka 16, w którym można umieścić uzwojenie.

Fig. 2 przedstawia element 14 rdzenia w widoku z góry. Element 14 rdzenia ma kształt segmentu pierścienia. Wyróżnić w nim można górne ramię 15, dolne ramię 17 i usytuowany pomiędzy nimi człon poprzeczny 19. Ramiona 15, 17 przebiegają zasadniczo prostopadle do członu poprzecznego 19, tak że otrzymuje się przekrój w kształcie litery U, w którym ramiona 15, 17 i człon poprzeczny 19 tworzą pomiędzy sobą żłobek.

Wymieniony przekrój poprzeczny w kształcie litery U dobrze widać na fig. 3, gdzie pokazano przekrój wzdłuż linii A-A z fig. 1. Konstrukcja wsporczą 12, w którą wprowadzony jest element 14 rdzenia, jest również pokazana na tym rysunku i podobnie jest tu pokazana z przekrojem w kształcie litery U. Widać również na tym rysunku, że element 14 rdzenia zawierający ramiona 15, 17 i człon poprzeczny 19 jest wykonany z jednego kawałka. Uzwojenie 18 jest wprowadzone w żłobek, a pozostała przestrzeń w żłobku jest wypełniona zalewą kablową 20. Ta zalewa kablowa służy z jednej strony do mocowania uzwojenia w żłobku, a z drugiej strony zapewnia ochronę przed korozją uniemożliwiając wnikanie wilgoci w szczeliny.

Fig. 4 przedstawia alternatywny przykład wykonania pierścienia 10 transformatora według wynalazku. Tu również pokazano elementy 14 rdzenia wewnątrz konstrukcji wsporczej 12. Te elementy 14 rdzenia są podobne do elementów 14 rdzenia pokazanych na fig. 1 i podobnie tworzą segmenty pierścienia. Podobnie jest zastosowany pierścieniowy żłobek 16, w którym można umieścić uzwojenie. W porównaniu z przykładem pokazanym na fig. 1 każdy z elementów 14 rdzenia pokazanych na fig. 4 w postaci segmentów pierścienia rozciąga się na większym łuku, inna różnica polega na odmiennej konstrukcji elementów 14 rdzenia. Różnicę tę wyraźnie widać na fig. 5.

Fig. 5 przedstawia przekrój wzdłuż linii B-B z fig. 4. Na fig. 5 widać, że konstrukcja wsporczą 12 w kształcie litery U, w której umieszczony jest element 14 rdzenia, jest podobna. Taki element 14 rdzenia również ma przekrój w kształcie litery U, ale górne ramię 15, dolne ramię 17 i człon poprzeczny 19 są skonstruowane jako oddzielne części, które są połączone ze sobą na kształt litery U. Taki przykład wykonania upraszcza wytwarzanie ramion 15, 17 i członu poprzecznego 19. Pomiędzy tymi ramionami 15, 17

PL 206 305 B1 i członem poprzecznym 19 utworzony jest podobnie żłobek, w którym umieszczone jest uzwojenie 18, przy czym żłobek ten jest wypełniony zalewą 20.

Fig. 6 przedstawia dwa pierścienie 10 transformatora umieszczone osiowo naprzeciw siebie. Jednakże trzeba zauważyć, że tu żłobek pomiędzy wymienionymi pierścieniami 10 transformatora na tym rysunku jest pokazany w takiej wielkości tylko dla celów ilustracyjnych, a w normalnym działaniu jest on możliwie mały. Na tym rysunku można znów zobaczyć konstrukcje wsporcze 12' i 12”, w których elementy 14 rdzenia tworzą pierścień magnetyczny, wewnątrz którego w żłobku zainstalowane jest uzwojenie 18 i zalewa 20. Jeden z tych dwóch pierścieni 10 transformatora jest dołączony do nieruchomego członu urządzenia, np. do stojana generatora turbiny wiatrowej, natomiast drugi pierścień 10 transformatora jest dołączony do członu obrotowego, np. do wirnika pierścieniowego generatora. Oś obrotu przedstawiono linią osiową. Ponieważ oba pierścienie 10 transformatora są usytuowane dokładnie naprzeciw siebie, energia może być przenoszona z uzwojenia pierwotnego poprzez obwód magnetyczny do uzwojenia wtórnego, jak w transformatorze.

Objaśniono to dodatkowo na fig. 7. Rysunek ten przedstawia przekrój górnej części dwóch przeciwległych pierścieni 10 transformatora. Oba pierścienie 10”, 10” transformatora mają konstrukcję wsporczą 12”, 12”, przy czym obwód magnetyczny jest utworzony przez elementy 14”, 14” rdzenia, pokazane tu jako elementy jednoczęściowe. Ważne jest, że szczelina pomiędzy przeciwległymi elementami rdzenia a zatem szczelina powietrzna w obwodzie magnetycznym, jest możliwie mała, np. 0,1-10 mm. Uzwojenia 18”, 18” są umieszczone w każdym ze żłobków utworzonych przez człony 14”, 14”. Uzwojenie 18” pokazane z lewej strony na tym rysunku jest uzwojeniem pierwotnym, a uzwojenie 18”, pokazane z prawej strony, jest uzwojeniem wtórnym. W uzwojeniu pierwotnym kierunek przepływu prądu pokazano jako zwrócony od patrzącego. Powoduje to pole magnetyczne o orientacji zaznaczonej strzałkami w obwodzie magnetycznym utworzonym przez elementy 14”, 14” rdzenia. Takie pole magnetyczne indukuje napięcie we wtórnym uzwojeniu 18”. Napięcie to powoduje przepływ prądu w zaznaczonym przez kółko z kropką w środku kierunku do obserwatora. W ten sposób energia elektryczna jest przenoszona przez ten transformatorze strony pierwotnej (lewa) na stronę wtórną (prawa).

Fig. 8 podobnie przedstawia dwa pierścienie 10 transformatora. Jednakże są one umieszczone tak, że są zwrócone do siebie w kierunku promieniowym. Również tu zastosowano konstrukcje wsporcze 12”, 12”, które wspierają jednoczęściowe elementy 14”, 14” rdzenia, które z kolei tworzą obwód magnetyczny. Na fig. 8 dolne uzwojenie jest uzwojeniem pierwotnym, a górne uzwojenie jest uzwojeniem wtórnym. Kierunek przepływu prądu w uzwojeniu pierwotnym jest znów zwrócony od obserwatora. W obwodzie magnetycznym wytwarzane jest zatem pole magnetyczne, którego kierunek jest zaznaczony strzałkami, przy czym to pole indukuje napięcie w uzwojeniu wtórnym, które powoduje przepływ prądu w kierunku do obserwatora. Również w takim układzie promieniowym szczeliny pomiędzy elementami 14”, 14” rdzenia obwodu magnetycznego, a zatem szczelina powietrzna w obwodzie magnetycznym, muszą być możliwie małe, np. 1-3 mm.

Fig. 9 przedstawia pojedynczy element 14 rdzenia w uproszczonym widoku perspektywicznym. Z kształtu tego elementu 14 rdzenia wyraźnie wynika, że wiele takich elementów 14 rdzenia umieszczonych kolejno utworzy w wyniku pierścień ze żłobkiem 16 otwartym ku dołowi. Elementy 14 rdzenia o takim kształcie są odpowiednio instalowane w górnej konstrukcji wsporczej 12 na fig. 8 i tworzą pierścień ze zwróconym do dołu żłobkiem 16.

Fig. 10 podobnie przedstawia uproszczony widok perspektywiczny elementu 14 rdzenia. Ten element 14 rdzenia jest zamontowany w dolnej konstrukcji wsporczej 12 z fig. 8, tworząc pierścień ze żłobkiem otwartym ku górze.

Przez zastosowanie elementów 14 rdzenia pokazanych na fig. 9 i 10 można utworzyć transformator według wynalazku z pierścieniami usytuowanymi promieniowo naprzeciw siebie.

Przewidzianym zastosowaniem transformatora według wynalazku, np. w eksploatacji generatora, np. maszyny synchronicznej, jest przekazywanie elektrycznej mocy sterującej na wirnik generatora. Ta moc sterująca może być w zakresie np. co najmniej 50 kW, a korzystnie w zakresie 80-120 kW.

Szczególną zaletą transformatora według wynalazku jest to, że wirnik z pierścieniem ślizgowym, stosowany dotychczas do przekazywania elektrycznej mocy wzbudzenia na wirnik generatora, nie jest już potrzebny, dzięki czemu unika się elementu rdzenia, który poprzednio był źródłem zużycia i uszkodzeń turbiny wiatrowej. Ponieważ elektryczna moc wzbudzenia jest przenoszona bezprzewodowo za pomocą transformatora według wynalazku, takie zużycie i uszkodzenia nie występują.

Transformator elektryczny według wynalazku można stosować w szczególności w generatorach synchronicznych/pierścieniowych. Generatory takie mają stosunkowo dużą średnicę przy mocy

PL 206 305 B1 nominalnej większej niż 500 kW, np. większą niż 4 m, a zatem zapewniają miejsce wystarczające do umieszczenia transformatora według wynalazku.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Transformator do przenoszenia mocy elektrycznej z członu nieruchomego na człon wirujący, z pierś cieniowym rdzeniem do umieszczenia pierścieniowego uzwojenia i posiadający pierś cieniowe żłobki otwarte w kierunku osiowym lub promieniowym, przy czym uzwojenie pierwotne i wtórne usytuowane w pierścieniowych żłobkach umieszczone są osiowo lub promieniowo naprzeciw siebie, zaś uzwojenie pierwotne jest umieszczone na członie nieruchomym, zaś uzwojenie wtórne jest umieszczone na członie wirującym, znamienny tym, że rdzeń jest złożony z elementów (14) rdzenia, które mają w przekroju poprzecznym kształt litery U, są wykonane z jednego kawałka, mają kształt segmentów pierścienia i są podtrzymywane przez konstrukcję wsporczą (12).
2. 2. Transformator według zastrz. 1, znamienny tym, że materiałem elementów (14) rdzenia jest ferryt.
3. 3. Transformator według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że elementy (14) rdzenia są utworzone z toroidalnych rdzeni taśmowych.