ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ УСТРОЙСТВО КРИВОНОСОВА Российский патент 1995 года по МПК H01F27/24 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к разделу однофазных и трехфазных трансформаторов.

Как известно [1] электромагнитные устройства, в частности трансформаторы малой мощности, работают с нагрузкой, близкой к номинальной, поэтому безразлично, какие потери преобладают в стали или меди. В лабораторной аппаратуре, особенно предназначенной для разъездной работы (испытаний и наладок), основным требованием является снижение объема и массы, т.е. массогабаритных параметров. При этом снижение объема обычно более существенно, так как в ряде случаев это позволяет снизить размеры и массу всего устройства: КПД для этих устройств, как правило, значение не имеет. Также известно, что в качестве магнитопровода в трансформаторах малой мощности применяют пластины Ш-образной формы из электротехнической стали различных марок. Катушки с первичной и вторичными обмотками в основном располагают на среднем стержне магнитопровода. Однако по экономическим причинам размеры магнитопроводов ограничиваются до типоразмеров Ш25-Ш32: громоздкость и высокая стоимость штампа делают большие размеры экономически невыгодными. Кроме того, по некоторым свойствам трансформаторы на Ш-образных магнитопроводах уступают трансформаторам с магнитопроводами из пластин типа П-образных, например, в том случае, когда необходимо расположить первичную и вторичную обмотки на обоих стержнях для уменьшения рассеяния магнитного потока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является электромагнитный аппарат А.М.Репина [2] в котором магнитная система выполнена в виде многостержневого сердечника с замкнутыми ярмами многоугольной или петлевой формы при кратном трем либо четырем или при нечетном числе стержней с многогранными или круглыми катушками. Такое устройство имеет ряд недостатков. Аппарат Репина [2] предполагает применение его в многофазной сети. Многофазные системы (более трех) имеют место в специальных системах, где экономические и массогабаритные показатели отодвигаются на последующий план. Кроме того, применение трансформаторов в многофазных системах автоматически предполагает наличие как источника, так и потребителя многофазного тока. И осуществление подобных систем требует особых разработок, а самое главное значительных материальных затрат. Таким образом, даже если и возможно как-то уменьшить массогабаритные показатели трансформаторов "при нечетном (более трех) числе стержней с многогранными или круглыми катушками" [2] то массогабаритные показатели источника и потребителя переменного тока значительно перекрывают достигнутый эффект.

Следует также отметить, что применение трехфазного тока экономически целесообразно там, где мощность потребителя более трех кВА. При меньших мощностях потребителя с целью уменьшения массогабаритных показателей трансформатора используют инверторные преобразователи, которые в настоящее время широко применяются в радио- и телеэлектронной аппаратуре.

В принципе возможно использовать электромагнитные аппараты А.М.Репина с нечетным числом стержней, т. е. в многофазных системах (более трех), используя особенности конструкции, чтобы создать компактную форму трансформатора, улучшить массогабаритные показатели. Но эта цель проще достигается увеличением частоты питающего тока и такое положение в технике широко используется, в частности, при производстве сварочного оборудования, при электролизе и др.

В прототипе [2] магнитная система выполнена в виде многостержневого сердечника с замкнутыми ярмами. Устройство предельно ненадежно в работе. При нарушении изоляции по крайней мере в одной из расщепленной части обмотки магнитный поток в силу замкнутости ярма замыкается в стержне с поврежденной обмоткой, что приводит к резкому изменению ЭДС на концах обмотки, ее перегреву и к пробою изоляции, короткому замыканию и как результат выжиганию всех обмоток. Устройство с магнитной системой, выполненной в виде многостержневого сердечника с замкнутыми ярмами, может применяться в ограниченной области электротехники. Так, например, нет возможности выполнить управляемый трансформатор: использовать такое устройство в качестве сумматора, модулятора, генератора и др.

Изобретение направлено на решение задач повышения надежности работы и расширения функциональной возможности электромагнитного устройства.

Задача решается тем, что пространственная магнитная система выполнена из отдельных магнитоизолированных и составленных между собой элементов, имеющих ярма и стержни с катушками первичных и вторичных обмоток, по крайней мере одна обмотка охватывает два стержня: первичные и вторичные обмотки выполнены в виде секций, образуя катушки, причем по крайней мере одна из секций вторичных обмоток охватывает секцию первичной обмотки; имеющие по два ярма и стержня элементы магнитной системы с катушками образуют систему в виде призмы из 2n (где n 2,3,4.), элементов последовательно состыкованных стержнями, причем каждая катушка охватывает по два соседних стержня, имеющие по два ярма и стержня с катушками элементы магнитной системы образуют систему из n (где n 2,3,4.) элементов, в которой (n+1)-я катушка охватывает первые стержни, а каждая n-я катушка охватывает вторые стержни. Устройство образует магнитную систему из n (где n 5,6,7.) элементов, причем два элемента, имеющих по 2 (n-3) ярма и по (n-2) стержней с катушками, параллельны между собой, а (n-2) элементов, имеющих по два ярма и по два стержня, своими торцами стержней пристыкованы к стержням между двух других элементов, при этом 2(n-2) катушек охватывают по два состыкованных стержня; имеющие по три ярма и по три стержня n (где n 3,4,5.) элементов магнитной системы с катушками образуют систему из n элементов, в которой первая половина из 2n катушек охватывает по два стержня, а из второй половины катушек каждая из них охватывает по одному стержню. Магнитопровод элементов выполнен в виде четырехугольной рамы путем намотки из ферромагнитной ленты. Магнитопровод элементов выполнен в виде четырехугольной рамы путем шихтовки из ферромагнитных пластин. Магнитопровод элементов выполнен в виде треугольной рамы путем намотки из ферромагнитной ленты. Магнитопровод элементов выполнен в виде треугольной рамы путем шихтовки из ферромагнитных пластин. Магнитопроводы элементов стягиваются по внешнему периметру гайками на шпильках жестких планок, на одном конце которых отверстие, а на другом шпилька, которая входит в отверстие последующей планки, а по внутреннему периметру устанавливаются упоры.

Благодаря такому выполнению электромагнитного устройства появляется возможность повысить надежность и расширить область применения устройства. Рассмотрим две схемы устройства четырехкатушечных трансформаторов. Пусть при каких-то условиях работы трансформатора в одной из катушек 1 или 4 наблюдается межвитковое замыкание. Тогда в случае фиг.1а в катушке 1 или 4 индуктивное сопротивление уменьшается и магнитные потоки, пронизывающие до замыкания катушки 2 и 3, будут проходить в основном через катушку 1 или 4 и как следствие больших магнитных потоков в катушках нагрев обмоток и прожог изоляции.

В предлагаемом устройстве картина иная. При той же ситуации межвитковом замыкании в катушках 1 или 4 в силу того, что магнитопроводы магнитноизолированы, через остальные катушки магнитные потоки будут ограничиваться индуктивным сопротивлением этих катушек. Таким образом исключается аварийная ситуация.

Предлагаемое устройство позволяет применять его в самых разнообразных аппаратах. Рассмотрим работу некоторых из них. На практике возникают определенные трудности при реализации включения однофазного трансформатора средней мощности (5 20 кВА) в трехфазную сеть (в этом случае перегружается одна из фаз), что крайне нежелательно. А при необходимости использования трехфазного трансформатора в однофазной сети возникают определенные трудности (снижение КПД, необходимость в увеличении массогабаритных показателей). В предлагаемом устройстве при n-кратном шести такая ситуация реализуется довольно просто: достаточно попарно соединить катушки в звезду, а входы соединить с трехфазной сетью. Если катушки попарно соединить параллельно, то на входы можно подать напряжение однофазной сети переменного тока. Такие способы включения устройства как в сеть трехфазного тока, так и в сеть однофазного тока, возможны благодаря наличию магнитной изоляции между элементами системы.

Общеизвестно, что для плавного регулирования напряжения на входе трансформатора используют магнитные усилители или автотрансформаторы [3] включая их последовательно в цепи первичной обмотки трансформатора. Однако следует заметить, что по мощности эти два устройства приблизительно равны. Это означает, что массогабаритные параметры всего устройства удваиваются, увеличивается число работающих элементов, и как следствие, надежность устройства уменьшается. В предлагаемом устройстве катушки, которые охватывают по одному стержню, возможно использовать как элементы магнитного усилителя. И после вывода в рабочий режим трансформатора эти катушки используются как элементы трансформатора. Таким образом, часть трансформатора используется как магнитный усилитель, а при выходе трансформатора в рабочий режим эта же часть дополняет трансформатор. Совмещение магнитного усилителя и трансформатора в одном устройстве возможно при наличии магнитной изоляции между элементами системы.

Предлагаемое устройство позволяет выполнить так называемый управляемый трансформатор. Конструкция магнитопровода такова, что центральная катушка, имеющая часть первичной и вторичную обмотки, охватывает стержни "элементарных" магнитопроводов, магнитные потоки в которых не перекрываются. На вторых стержнях размещаются катушки с оставшейся частью первичной обмотки. Они соединены между собой параллельно, а все вместе со второй частью первичной обмотки, размещенной на центральной катушке, последовательно. Таким образом магнитные потоки в каждом "элементарном" магнитопроводе циркулируют независимо, но объединены индуктивно вторичной обмоткой. Питание в первичную цепь подается через управляющие ключи. Программным путем можно менять как величину текущего тока, так и его направление. Тем самым появляется возможность, не изменяя амплитуды входного напряжения, ступенчато управлять амплитудой напряжения во вторичной цепи. Управление ключами производится в момент прохождения тока через нуль и, как следствие, форма выходного напряжения не искажается, отсутствуют условия для возникновения гармоник высших порядков.

Теперь остановимся на конструктивных особенностях магнитопроводов трансформаторов, в частности обратим внимание на узел, где стыкуются ярмо и стержень, и определим существенные признаки предлагаемых устройств. В известных устройствах [1-3] ярмо выполнено неразрывным и шихтовка стержней и ярм выполнена встык. Такая конструкция магнитопровода не позволяет с большой точностью произвести совмещение торцов пластин ярм и стержней. Это поясняется фиг. 2, на которой показаны проекции торцов пластин и ярм в местах стыка: а прямой участок ярма и прямоугольного стержня: б случай овального ярма и круглого стержня: в случай овального участка ярма и прямоугольного стержня. И как следствие несовпадения торцов пластин стержней и ярм на стыке приводит к значительному увеличению потерь электромагнитной энергии и превращению ее в тепловую энергию, что прямо пропорционально влияет на массогабаритные показатели трансформатора. В предлагаемых конструкциях магнитопровода трансформатора ярма непрерывны и шихтовка пластин осуществлена вперекрышку. Такая конструкция магнитопровода технологична и обладает малыми потерями.

На фиг. 3 показаны проекции магнитопровода четырехкатушечного трансформатора, где 1 ярмо; 2 стержень; 3 прокладка из изоляции; а вид сверху; б, в, г виды сбоку при шихтовке пластинами определенного типа.

В данной конструкции магнитопровод трансформатора состоит из четырех магнитопроводов, изолированных друг от друга прокладками, т.е. магнитопровод такого трансформатора состоит из четырех "элементарных" магнитопроводов, состоящих из двух ярм и двух стержней. Магнитные потоки каждого отдельного из четырех магнитопроводов пронизывает две смежные катушки. В каждой катушке циркулируют два магнитных потока, тем самым посредством электромагнитной индукцией в катушках осуществляется взаимосвязь магнитных потоков между собой всех четырех "элементарных" магнитопроводов. Таким образом обеспечивается, во-первых, замкнутость магнитных потоков и, во-вторых, отсутствие встречных магнитных потоков в любом месте поперечного сечения в каждом из четырех "элементарных" магнитопроводов.

Конструкция стяжки такого трансформатора также проста. Она осуществляется сверху и снизу, четыре планки охватывают ярма по внешнему периметру. На конце планки приварена шпилька, а на втором конце имеется отверстие. Каждая шпилька входит в отверстие последующей планки, стяжка трансформатора производится гайками.

Рассмотрим конструкцию магнитопровода шестикатушечного трансформатора. Магнитопровод таких трансформаторов (фиг.4) состоит из шести "элементарных" магнитопроводов, аналогичных по конструкции четырехкатушечному трансформатору. Пластины магнитопроводов с внутренней стороны удерживаются клиньями, вбитыми в зазор между магнитопроводом и внутренней стороной катушки или иным способом, рассмотрение которых является несущественным.

На фиг. 1 изображено устройство (а по [2] б предлагаемое; на фиг. 2 проекции торцов пластин и ярм в месте стыка: а прямой участок ярма и прямоугольного стержня: б случай овального ярма и круглого стержня: в случай овального участка ярма и прямоугольного стержня; на фиг. 3 показаны проекции магнитопровода четырехкатушечного трансформатора: а вид сверху; б, в, г виды сбоку при шихтовке пластинами определенных типов; на фиг. 4 а, б, в, г проекции (вид сверху) магнитопроводов разной компановки шестикатушечного трансформатора; на фиг. 5 а, б, в, г варианты пластин и способы шихтовки вперекрышку шестикатушечного трансформатора; на фиг. 6 а, б, в, г варианты пластин и способы шихтовки восьмикатушечного трансформатора; на фиг. 7 трансформатор в форме четырехгранной пирамиды; на фиг. 8 трансформатор в виде шестигранной пирамиды; на фиг. 9 а, б, схематически приведены возможные виды трансформаторов.

Промышленное применение изобретения может быть осуществлено устройством, которое содержит катушки 1, магнитную систему 2, образованную из магнитоизолированных элементов в виде пространственных геометрических фигур.

Электромагнитная система работает следующим образом.

На первичные обмотки в катушках 1 (фиг. 2-9) подается напряжение, причем обмотки между катушками соединены таким образом, чтобы не было встречных потоков в поперечном сечении магнитопроводов. Так как магнитные потоки взаимосвязаны между собой через катушки посредством индуктивной связи, а катушки взаимосвязаны через магнитные потоки, то конструктив структуры магнитопровода является единым и неделимым. Магнитные потоки, пронизывающие вторичные обмотки, вызывают в них ЭДС-индукции.

Расчет основных параметров трансформатора всех типов производится следующим образом.

Для заданной мощности Р (промышленная частота тока) вычисляется поперечное сечение S_o магнитопровода (набор пластин из электротехнической стали) по формуле
S_o=/3,04, где S_o, см²; Р, Вт.

Из условий эксплуатации трансформатора выбирается его тип и число катушек n. Затем из соотношения
W x S_oU 37,5, где W число витков; U напряжение на обмотке в каждой катушке, определяется число витков в обмотках. Из условий протекания тока в обмотках по общеизвестным формулам рассчитывается поперечное сечение провода.

В качестве примера конкретного исполнения предлагаемого трансформатора рассмотрим четырехкатушечный трансформатор, магнитопровод у которого образует форму четырехгранной призмы. Катушки расположены на боковых ребрах. Трансформатор рассчитывался для сварочного аппарата мощностью Р 3 кВА на U 220 В. Сечение магнитопровода на боковом ребре было выбрано 18 см². Окно имеет размер 50 х 100. Первичная обмотка в каждой катушке содержит W 110 витков, вторичная W 120 с отводами на 12 и 36 витках. Первичная и вторичная обмотки наматывались медным проводом в эмалевой изоляции диаметром 2, 44. Обмотки первичной цепи соединялись последовательно, а вторичные параллельно.

Использование: в электротехнике. Сущность: в электромагнитном устройстве, пространственная магнитная система выполнена из отдельных магнитно-изолированных и составленных между собой элементов 1,2, имеющих ярма и стержни с катушками первичных и вторичных обмоток. Каждая из катушек охватывает по два соседних магнитоизолированных стержня. 10 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Электромагнитное устройство, содержащее пространственную магнитную систему с катушками первичных и вторичных обмоток, отличающееся тем, что пространственная магнитная система выполнена из отдельных магнитоизолированных и составленных между собой элементов, имеющих ярма и стержни с катушками первичных и вторичных обмоток, по крайней мере одна обмотка охватывает по крайней мере два стержня. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первичные и вторичные обмотки выполнены в виде секций, образуя катушки, причем по крайней мере одна из секций вторичных обмоток охватывает секцию первичной обмотки. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что элементы магнитной системы имеют по два ярма и стержня с катушками и образуют систему в виде призмы из 2 n (где n= 2,3,4.) элементов, последовательно состыкованы стержнями, причем каждая катушка охватывает по два соседних стержня. 4. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что элементы магнитной системы имеют по два ярма и стержня с катушками и образуют систему из n (где n 2,3,4.) элементов, в которой (n+1)-я катушка охватывает первые стержни, а каждая n-я катушка охватывает вторые стержни. 5. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что оно образует магнитную систему из n (где n 5,6,7.) элементов, причем два элемента, имеющих по 2 (n-3) ярма и по n-2 стержня с катушками, параллельны между собой, а n-2 элементов, имеющие по два ярма и по два стержня, своими торцами стержней пристыкованы к стержням между двух других элементов, при этом каждая из 2(n-2) катушек охватывает по два состыкованных стержня. 6. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что имеющие по три ярма и по три стержня n(где n 3,4,5.) элементы магнитной системы с катушками образуют систему из n элементов, в которой первая половина из 2n катушек охватывает по два стержня, а из второй половины катушек каждая из них охватывает по одному стержню. 7. Устройство по пп. 1-4, отличающееся тем, что магнитопровод элементов выполнен в виде четырехугольной рамы путем намотки из ферромагнитной ленты. 8. Устройство по пп. 1-5, отличающееся тем, что магнитопровод элементов выполнен путем шихтовки из ферромагнитных пластин. 9. Устройство по пп. 1,2 и 6, отличающееся тем, что магнитопровод элементов выполнен в виде треугольной рамы путем намотки из ферромагнитной ленты. 10. Устройство по пп. 1,2 и 6, отличающееся тем, что магнитопровод элементов выполнен путем шихтовки из ферромагнитных пластин. 11. Устройство по пп. 7 и 8, отличающееся тем, что магнитопроводы элементов стягиваются по внешнему периметру гайками на шпильках жестких планок, на одном конце которых отверстие а на другом шпилька, которая входит в отверстие последующей планки, а по внутреннему периметру устанавливаются упоры.