FR2552260A1

FR2552260A1 - Single-phase rotary annular transformer

Info

Publication number: FR2552260A1
Application number: FR8314841A
Authority: FR
Inventors: Usik Artashesovich Oganian; Vigen Ivanovich Chitechian; Galik Grachievich Demirchian; Vladimir Semenovich Arutjunian
Original assignee: EREVANSKY POLITEKHN INSTI
Current assignee: EREVANSKY POLITEKHN INSTI
Priority date: 1983-09-19
Filing date: 1983-09-19
Publication date: 1985-03-22
Also published as: FR2552260B1

Abstract

Transformer including fixed and rotating magnetic circuits separated by axial air gaps. The magnetic circuits consist of L-shaped sheet metal stacks 1, 2. The long and short arms of the L-shaped sheets 1 of the fixed magnetic circuit are arranged opposite the short and long arms respectively of the L-shaped sheets 2 of the rotating magnetic circuit thereby forming, at different distances relative to the axis of rotation, radial air gaps 8, 9 with high permeance. Application to the contactless transmission of single-phase electrical power from a stator to a rotor, in particular to produce excitation of the magnetic circuit of the rotor.

Description

TRANSFORMATEUR ANNULAIRE ROTATIF MONOPHASE
La présente invention concerne les machine électriques et plus particulièrement les transformateurs annulaires rotatifs monophasés.SINGLE-PHASE ROTARY ANNULAR TRANSFORMER
The present invention relates to electrical machines and more particularly to single-phase rotary annular transformers.

L'invention peut être utilisée pour réaliser une transmission sans contact de l'énergie électrique transportée à partir des parties fixes d'une machine électrique ou d'un autre dispositif électromécanique vers ses parties tournantes ou vice-versa. The invention can be used to produce a contactless transmission of the electrical energy transported from the fixed parts of an electric machine or of another electromechanical device to its rotating parts or vice versa.

Un transformateur annulaire doté de secondaires rotatifs et d'entrefers radiaux principaux est connu (brevet Suisse nO 396131). Il comporte des circuits magnétiques empilés fixe et rotatif réalisés en tôles longitudinales rectangulaires et annulaires radiales fixées au corps et à l'arbre par des coins. An annular transformer provided with rotary secondaries and main radial air gaps is known (Swiss patent No. 396131). It has fixed and rotating stacked magnetic circuits made of rectangular rectangular and annular radial sheets fixed to the body and the shaft by corners.

Un autre transformateur annulaire est connu (cf. l'article de
Kracke GUnther "Rotierende Stromrichtererregung von Synchronmotoren,
Blindleistungsmaschinen und Stromrichtermotoren "Siemens-Z", 1970, 44, nO 5, pp. 305 a 309). Cette realisation comporte des empilements d'un circuit magnétique fixe réalisés en tôles longitudinales et un circuit magnétique rotatif empilé réalise en tôles longitudinales de coupe différente et en tôles semi-annulaires radiales identiques. Un tel transformateur a été utilisé pour une transmission sans contact de la puissance d'excitation sur un enroulement rotatif d'un moteur synchrone puissant.Another annular transformer is known (cf. the article of
Kracke GUnther "Rotierende Stromrichtererregung von Synchronmotoren,
Blindleistungsmaschinen und Stromrichtermotoren "Siemens-Z", 1970, 44, nO 5, pp. 305 to 309). This embodiment comprises stacks of a fixed magnetic circuit produced in longitudinal sheets and a stacked rotary magnetic circuit produced in longitudinal sheets of different cut and in identical radial semi-annular sheets. Such a transformer was used for a contactless transmission of the excitation power on a rotary winding of a powerful synchronous motor.

L'avantage des transformateurs connus réside dans une disposition radiale des entrefers qui leur assure une perméance pratiquement constante même pour de faibles déplacements axiaux de la partie tournante. Cependant, la présence aux extrémités des empilements longitudinaux et transversaux des circuits magnetiques de deux a quatre entrefers auxiliaires interposes sur le chemin du flux magnétique principal,entraSne l'augmentation du courant de marche à vide et exige une tres bonne isolation entre les tôles d'acier des parties annulaires du circuit magnétique. Il est ainsi nécess aire de pratiquer une fente radiale dans ces zones afin d'y affaiblir les courants de Foucault annulaires. La réalisation des empilements longitudinaux exige une technologie assez compliquée. The advantage of known transformers lies in a radial arrangement of the air gaps which provides them with a practically constant permeance even for small axial displacements of the rotating part. However, the presence at the ends of the longitudinal and transverse stacks of the magnetic circuits of two to four auxiliary air gaps interposed on the path of the main magnetic flux, causes the increase of the idling current and requires very good insulation between the sheets of steel of the annular parts of the magnetic circuit. It is thus necessary to make a radial slit in these zones in order to weaken the annular eddy currents there. The realization of longitudinal stacks requires quite complicated technology.

Les circuits magnétiques des parties fixe et tournante sont realisés en tôles presentant des configuration différente ce qui exige l'emploi d'outils a découper differents. The magnetic circuits of the fixed and rotating parts are made of sheets with different configurations, which requires the use of different cutting tools.

L'impossibilite de déposer les enroulements sans démonter le circuit magnétique provoque des variations importantes des paramètres électromagnétiques après son réassemblage. The impossibility of depositing the windings without dismantling the magnetic circuit causes significant variations in the electromagnetic parameters after its reassembly.

Les encoches annulaires pour les bobines des enroulements (primaire et secondaire) sont différentes ce qui complique la fabrication des bobines car il faut des outils différents pour le bobinage des enroulements. The annular notches for the coils of the windings (primary and secondary) are different, which complicates the manufacture of the coils because different tools are required for winding the windings.

La realisation la plus proche du transformateur selon l'invention est un transformateur annulaire a entrefers axiaux (brevet Norvégien nO 120694 et article de Boyar-Sazonovitch S., Stamataki E. " Transformateur rotatif à entrefer axial pour alimenter l'enroulement d'excitation d'un générateur sans contact (a induction)", revue "Industrie électrotechnique", fascicule 261, 1966,pp. 12-13). qui comporte un circuit magnétique fixe (stator) et, sépare par des entrefers axiaux, un circuit magnétique tournant (rotor), realise en tles d'acier dequalite transformateur et identiques dans le sens longitudinal, ainsi que des encoches annulaires frontales identiques disposées face a face dans lesquelles viennent se placer des enroulements fixe (statorique) et tournant (rotorique) annulaires. The closest embodiment of the transformer according to the invention is an annular transformer with axial air gaps (Norwegian patent No. 120694 and article by Boyar-Sazonovitch S., Stamataki E. "Rotary transformer with axial air gap to supply the excitation winding d 'a generator without contact (with induction) ", review" Industry electrotechnique ", fascicule 261, 1966, pp. 12-13). which has a fixed magnetic circuit (stator) and, separated by axial air gaps, a rotating magnetic circuit (rotor), made of steel sheets of transformer quality and identical in the longitudinal direction, as well as identical frontal annular notches arranged facing face in which are placed fixed (stator) and rotating (rotor) windings.

Ce transformateur a été utilisé pour réaliser une transmission sans contact de la puissance électrique d'excitation dans le rotor d'une génér- atrice synchrone. Dans le transformateur connu, les tôles des circuits magnétiques fixe et rotatif sont standardisées, les entrefers auxiliaires dans le circuit magnétique sont éliminés et les enroulements sont stand ardisés. This transformer was used to make contactless transmission of the excitation electric power in the rotor of a synchronous generator. In the known transformer, the sheets of the fixed and rotary magnetic circuits are standardized, the auxiliary air gaps in the magnetic circuit are eliminated and the windings are ardized stand.

Le transformateur existant se revèle cependant incapable de résoudre certains problèmes:
-il-est difficile de disposer régulièrement, de fixer et de-rigidifier en assemblage les tôles des circuits magnétiques fixe et tournant;
-il est difficile d'assurer la stabilité des entrefers axiaux à la fabrication et a l'utilisation, surtout dans les machines fabriquées en série;
-il persiste une forte réluctance des-entrefers axiaux due a la circulation de forts courants d'aimantation dans l'enroulement fixe.L'utili sation d'encoches semi-fermées nécessaire pour augmenter la perméance des entrefers provoque l'accroissement des flux de dissipation par encoche et des résistances inductives de dissipation des enroulements,ce qui provoque une baisse des performances energétiques du transformateur.However, the existing transformer is unable to solve certain problems:
it is difficult to regularly arrange, fix and de-stiffen in assembly the sheets of the fixed and rotating magnetic circuits;
-it is difficult to ensure the stability of the axial airgaps during manufacture and use, especially in mass-produced machines;
-a strong reluctance of the axial gaps persists due to the circulation of strong magnetization currents in the fixed winding. The use of semi-closed notches necessary to increase the permeance of the gaps causes the increase in fluxes notch dissipation and inductive resistances for winding dissipation, causing a drop in transformer energy performance.

Il est a noter que l'utilisation d'encoches semi-fermées ne permet de réaliser que les enroulements introduits fil a fil avec imprégnation après la mise en place,ce qui entratne l'impossibilité de désassembler les enroulements en cas de leur remplacement ou de leur réparation. It should be noted that the use of semi-closed notches makes it possible to produce only the windings introduced wire by wire with impregnation after the installation, which entails the impossibility of disassembling the windings in the event of their replacement or their repair.

Le but de l'invention est de créer un transformateur annulaire rotatif monophasé dont la conception des circuits magnétiques permette de diminuer le courant de la marche à vide en/cas d'utilisation d'encoches ouvertes ce qui rendrait plus simple la construction et les procède de fabrication, assurerait la stabilité des paramètres à la fabrication, a l'utilisation et a la réparation et améliorerait les performances énergétiques
Ce but est obtenu du fait que dans un transformateur annulaire rota tif monophasé qui comporte un circuit magnétique fixe (stator) qui est se paré par des entrefers axiaux d'un circuit magnétique tournant (rotor), ces circuits étant constitués par des empilements de tôles identiques en acier pour transformateur doteesd'encoches annulaires frontales identiques disposées face a face et dans lesquelles se viennent se placer des enroulements annulaires respectivement fixe (statorique) et tournant (rotorique), selon la presente invention, les empilements de tôles pour les circuits magnétiques sont realisés en tôles découpées en L et disposées de façon que les bras long et court des tôles du circuit magnétique fixe se trouvent en face respectivement des bras court et long des tôles du circuit mag- nétique tournant et à des distances différentes par rapport à l'axe de rotation pour former deiix entrefers radiaux a haute perméance.The object of the invention is to create a single-phase rotary annular transformer whose design of the magnetic circuits makes it possible to reduce the idling current in the case of using open notches, which would make construction and the procedures easier. of manufacturing, would ensure the stability of parameters during manufacturing, use and repair and would improve energy performance
This object is obtained from the fact that in a single-phase rotary annular transformer which comprises a fixed magnetic circuit (stator) which is adorned by axial air gaps of a rotating magnetic circuit (rotor), these circuits being constituted by stacks of sheets identical in steel for transformer provided with identical frontal annular notches arranged face to face and in which are placed annular windings respectively fixed (stator) and rotating (rotor), according to the present invention, the stacks of sheets for the magnetic circuits are made of sheets cut into L and arranged so that the long and short arms of the sheets of the fixed magnetic circuit are located opposite the short and long arms of the sheets of the rotating magnetic circuit, respectively, and at different distances from the axis of rotation to form two high permeance radial air gaps.

D'autres buts , avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description d'un mode de réalisation faite à titre non limita- tif et en regard du dessin annexe où:
-la figure 1 représente en coupe longitudinale, la structure d'un transformateur annulaire rotatif monophasé, selon l'invention; ;
-la figure 2 représente en coupe transversale, la structure dDun transformateur annulaire rotatif monophasé selon 1 'invention
Le transforelateur annulaire rotez monophasé comporte un circuit magnétique fixe servant de stator et un circuit magnétique tournant servant de rotor dont les empilements 1 et 2 so@ réalisé en tôles découpées en L, et disposées en éventail (figurs 1 c 2.Des enroulements annulaires 3 et 4,respectivement du stator et du rotor, réalisés si nécessaire à des dimensions identiques, sont placés dans des encoches annulaires respectives du stator et du rotor. Dans le sens radial, les empilements du stator sont fixés a un corps 5 et peuvent en outre être bridés par des procédés différents. Les empilements du rotor peuvent être fixés dans le sens radial à un moyeu 6 calé sur un arbre 7 et en outre être bridés. Entre le bras long des tôles 1 du stator et le bras court des tôles 2 du rotor,existe un entrefer 8à une grande distance de l'axe de rotation. Entre le bras court des tôles 1 du stator et le bras long des tôles 2 du rotor existe un entrefer radial 9 a une distance plus courte de l'axe de rotation.Les circuits magnétiques du stator et du rotor sont séparés,dans le sens axial, par des entrefers axiaux 10 et 11. Les entrefers radiaux 8 et 9 et les entrefers axiaux 10 et 11 permettent au rotor de tourner a l'intérieur du stator. Le flux magnétique 12 est unipolaire et se boucle axialement. La disposition frontale des encoches annulaires ouvertes pour les bobines assurant la séparation des enroulements 3 et 4 et l'utilisation de l'empilement radial des tôles 1 et 2 du stator et du rotor, permet de réaliser les parties fixe et tournante du circuit magnétique sous la -forme de blocs non séparables et sans jeux constructifs auxiliaires.Other objects, advantages and characteristics of the invention will emerge from the description of an embodiment given without limitation and with reference to the attached drawing in which:
FIG. 1 represents in longitudinal section, the structure of a single-phase rotary annular transformer, according to the invention; ;
FIG. 2 shows in cross section the structure of a single-phase rotary annular transformer according to the invention
The single-phase rotary annular transformer has a fixed magnetic circuit serving as a stator and a rotating magnetic circuit serving as a rotor, the stacks 1 and 2 so @ made of sheets cut into L, and arranged in a fan (figures 1 c 2. Annular windings 3 and 4, respectively of the stator and of the rotor, produced if necessary to identical dimensions, are placed in respective annular notches of the stator and of the rotor. In the radial direction, the stacks of the stator are fixed to a body 5 and may further be clamped by different methods. The stacks of the rotor can be fixed in a radial direction to a hub 6 fixed on a shaft 7 and in addition be clamped between the long arm of the plates 1 of the stator and the short arm of the plates 2 of the rotor, there is an air gap 8 at a great distance from the axis of rotation. Between the short arm of the plates 1 of the stator and the long arm of the plates 2 of the rotor exists a radial air gap 9 at a shorter distance from the axis of ro The magnetic circuits of the stator and the rotor are separated, in the axial direction, by axial air gaps 10 and 11. The radial air gaps 8 and 9 and the axial air gaps 10 and 11 allow the rotor to rotate inside the stator. . The magnetic flux 12 is unipolar and is looped axially. The front arrangement of the open annular notches for the coils ensuring the separation of the windings 3 and 4 and the use of the radial stack of the sheets 1 and 2 of the stator and the rotor, makes it possible to produce the fixed and rotating parts of the magnetic circuit under the form of non-separable blocks and without auxiliary constructive play.

Les dimensions des entrefers axiaux 10 et 11 sont plusieurs fois su périeures à celles des entrefers radiaux 8 et 9. C'est pourquoi leur participation à la perméance totale est insignifiante et les deplacements axiaux faibles de la partie tournante du transformateur avec l'arbre 7 (ce qui a lieu en cas de jeu dans les paliers et de dilatation de l'arbre) n'influent pratiquement pas sur la valeur totale de la permeance et, par conséquent, sur les paramètres du transformateur. The dimensions of the axial air gaps 10 and 11 are several times greater than those of the radial air gaps 8 and 9. This is why their participation in the total permeance is insignificant and the low axial displacements of the rotating part of the transformer with the shaft 7 (which takes place in the event of play in the bearings and expansion of the shaft) has practically no influence on the total value of the permeance and, consequently, on the parameters of the transformer.

Le transformateur annulaire fonctionne de la façon suivante. The ring transformer operates as follows.

Lorsque l'un des enroulements, par exemple l'enroulement statorique 3 (figure 1), est alimente par un courant à fréquence fixe, il se forme un flux magnétique alternatif unipolaire 12 qui s'écoule axialement dans le circuit magnétique, traverse un autre enroulement, par exemple l'enroulement rotorique 4, et y induit une force électromotrice alternative. Cette situation ne dépend pas du sens et de la vitesse de rotation du rotor et existe dans tous les transformateurs annulaires. Si l'on branche une charge sur l'enroulement 4, cette charge est parcourue par un courant alternatif de même fréquence. When one of the windings, for example the stator winding 3 (FIG. 1), is supplied by a current at fixed frequency, a unipolar alternating magnetic flux 12 is formed which flows axially in the magnetic circuit, crosses another winding, for example the rotor winding 4, and induces an alternative electromotive force therein. This situation does not depend on the direction and the speed of rotation of the rotor and exists in all ring transformers. If a load is connected to the winding 4, this load is traversed by an alternating current of the same frequency.

Une composante pulsée peut apparaître dans la force électromotrice des enroulements au cours de la rotation par suite de l'existence d'une double denture sur l'entrefer 8. Cette composante pulsée peut être éliminée, si besoin est, par le choix de nombres premiers entre eux pour le nombre des empilements de tôles 1 et 2 du stator et du rotor. A pulsed component can appear in the electromotive force of the windings during rotation due to the existence of a double toothing on the air gap 8. This pulsed component can be eliminated, if necessary, by the choice of prime numbers between them for the number of sheet stacks 1 and 2 of the stator and the rotor.

Grâce à la grande longueur axiale des entrefers 8 et 9 on observe une augmentation notable de leur perméance. Même en présence d'une denture double de l'entrefer 8, cette propriété entraîne la diminution du courant de marche à vide du transformateur dans un rapport de 2,5 à 3. Thanks to the great axial length of the air gaps 8 and 9, a significant increase in their permeance is observed. Even in the presence of a double toothing of the air gap 8, this property causes the transformer idling current to decrease in a ratio of 2.5 to 3.

L'utilisation des empilements de tôles (1 et 2) en L identiques pour les empilements du stator et du rotor permet de standardiser les découpes pour produire les tôles et les gabarits pour enrouler les bobines avant leur mise dans les encoches. Le soudage a l'assemblage du circuit magnétique du transformateur améliore sensiblement les procédés de construction, la qualité et le rapport qualité-prix du transformateur annulaire proposé. The use of identical L-shaped sheet stacks (1 and 2) for the stator and rotor stacks makes it possible to standardize the cuts to produce the sheets and the templates to wind the coils before putting them in the notches. Welding the assembly of the magnetic circuit of the transformer appreciably improves the construction processes, the quality and the price-quality ratio of the proposed annular transformer.

La diminution du courant à vide permet de réduire la consommation en matériaux de base (cuivre et, par suite de la réduction du volume du logement de l'enroulement, tôle en acier de qualité transformateur), d'augmenter le facteur de puissance et le rendement de 30 et 20% respectivement, ce qui donne un avantage économique notable en cas de production de masse. The reduction in the no-load current makes it possible to reduce the consumption of basic materials (copper and, as a result of the reduction in the volume of the housing of the winding, sheet in transformer grade steel), to increase the power factor and the yield of 30 and 20% respectively, which gives a significant economic advantage in the case of mass production.

On a fabriqué et essayé un prototype d'un transformateur annulaire monophasé réalisé selon I'invention,à une puissance de 1 ka pour transmettre sans aucun contact la puissance d'excitation dans le rotor d'une génératrice synchrone de puissance 30 kW (n = 1500 tr/mn, U = 400 V, f = 50 Hz, excitation par autoexcitation à l'aide d'un enroulement auxiliaire du stator de la génératrice produisant le 3e harmonique du champ fg = 150 Hz). A prototype of a single-phase annular transformer produced according to the invention was manufactured and tested, at a power of 1 ka to transmit without excitation the excitation power in the rotor of a synchronous generator of power 30 kW (n = 1500 rpm, U = 400 V, f = 50 Hz, excitation by self-excitation using an auxiliary winding of the stator of the generator producing the 3rd harmonic of the field fg = 150 Hz).

Le stator du transformateur à enroulement fixe 3 a été flasqué sur la génératrice et le rotor à enroulement tournant 4 a été calé en bout d'arbre(à la place des bagues de contact). En outre, les empilements de tôles 1 et 2 du stator et du rotor du transformateur ont été fixés par soudage sur des bagues d'acier assurant la rigidité dans les zones à faible couplage au flux magnétique principal (côté extérieur des tronçons radiaux des empilements du stator et du rotor du transformateur). Les bobines ont été fixées dans les encoches annulaires par des coins en matériau isolant non magnétique (textolithe). The stator of the transformer with fixed winding 3 was flanged on the generator and the rotor with rotating winding 4 was wedged at the end of the shaft (instead of the contact rings). In addition, the stacks of sheets 1 and 2 of the stator and the rotor of the transformer were fixed by welding on steel rings ensuring rigidity in the zones with weak coupling to the main magnetic flux (outside of the radial sections of the stacks of the stator and transformer rotor). The coils were fixed in the annular notches by corners made of non-magnetic insulating material (textolite).

L'enroulement fixe 3 du transformateur était alimenté par l'enroule- ment auxiliaire de la génératrice,en courant alternatif du 3ème harmonique et l'enroulement rotatif 4 alimentait l'enroulement d'excitation de la génératrice via un pont redresseur monophasé installé sur le rotor tournant. La fabrication du prototype a confirmé que la technologie à mettre en oeuvre est simple. Les essais du prototype ont confirmé son bon fonctionnement et sa haute fiabilité aussi que la constance des paramètres après maints assemblages et désassemblages et leur correspondance avec les valeurs calculées, notamment en ce qui concerne les performances énergétiques et la puissance transmise. The fixed winding 3 of the transformer was supplied by the auxiliary winding of the generator, with alternating current of the 3rd harmonic and the rotary winding 4 supplied the excitation winding of the generator via a single-phase rectifier bridge installed on the rotating rotor. The manufacture of the prototype confirmed that the technology to be implemented is simple. The tests of the prototype confirmed its good functioning and its high reliability as well as the constancy of the parameters after many assemblies and disassemblies and their correspondence with the calculated values, in particular with regard to energy performance and transmitted power.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentes et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. Of course, the invention is not limited to the embodiments described and shown and it is capable of numerous variants accessible to those skilled in the art, without departing from the spirit of the invention. 'invention.

Claims

CLAIM

1. Single-phase rotary annular transformer composting a fixed magnetic circuit which is separated by axial air gaps from a rotating magnetic circuit, the circuits being constituted by stacks of identical steel sheets for transformer provided with known front notches; ; laires arranged face to face and in which are placed annular windings respectively fixed and rotating, characterized in that the stacks of sheets for the magnetic circuits are made of sheets (1, 2) cut in L and arranged so that the arms long and short plates (1) of the fixed magnetic circuit are located opposite the short and long arms respectively of the plates (2) of the rotating magnetic circuit and at different distances from the axis of rotation to form two radial irons (8, 9) with high permeance.