МАТРИЧНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 1997 года по МПК H01F19/00 H01F29/00 

Устройство относится к электротехнике и, в частности, к высокочастотным трансформаторам и другим индуктивным элементам и может использоваться в радиоэлектронике и преобразовательной технике, например в источниках вторичного электропитания.

Известен плоский трансформатор матричного типа [1] из нескольких одинаковых секций в виде тороидальных сердечников с одновитковыми первичной и вторичной обмотками, причем одноименные обмотки соединены параллельно.

Недостаток такого трансформатора ограниченная область применения, обусловленная отсутствием возможности регулирования таких параметров как индуктивность намагничивающего контура, межобмоточная емкость.

Известен многосекционный трансформатор [2] который выбран в качестве прототипа. Этот трансформатор содержит секции первичной обмотки, расположенные на отдельных тороидальных магнитопроводах, размещенных на цилиндрических металлических стержнях, образующих вторичную обмотку в виде параллельно соединенных одновитковых стержневых секций, причем все секции первичной обмотки также соединены параллельно.

Основной недостаток трансформатора-прототипа ограниченная область применения из-за отсутствия возможности регулирования индуктивности намагничивающего контура и межобмоточной емкости без изменения конструкции сердечника и числа витков обмоток.

Цель изобретения расширение области применения трансформатора за счет регулирования параметров.

Технический результат достигается тем, что в известном матричном (многосекционном) трансформаторе, содержащем несколько одинаковых секций с отдельным магнитопроводом каждая, секции первичной обмотки с выводами, вторичную обмотку с выводами, отдельный магнитопровод выполнен в виде разомкнутого стержневого магнитного сердечника, вторичная обмотка в виде секций, причем каждая из этих секций расположена на отдельном магнитопроводе совместно с секцией первичной обмотки, секции первичной и вторичной обмоток объединены в группы, соединенные последовательно, а секции в группах - последовательно-параллельно.

Предлагаемая совокупность существенных признаков матричная (многосекционная) конструкция трансформатора с разомкнутым сердечником в каждой секции, объединение секций в группы с последовательно параллельным соединением секций и групп обмоток позволяет получить требуемый технический результат, состоящий в расширении области применения за счет регулирования параметров. Действительно, в матричном трансформаторе имеется возможность изменять индуктивность намагничивающего контура и межобмоточную емкость путем регулирования магнитной связи между секциями трансформатора с разомкнутыми сердечниками за счет перемещения этих секций в пространстве относительно друг друга. При этом у трансформатора можно снижать ток холостого хода при увеличении индуктивности намагничивающего контура, увеличивать амплитуду намагничивающего тока уменьшением этой индуктивности в случае использования предлагаемого устройства в качестве трансформатора-дросселя накопителя электромагнитной энергии, а также применять предлагаемоеустройство в качестве индуктивно-емкостного элемента для резонансного контура с регулируемой собственной частотой. Таким образом, расширяется область применения матричного трансформатора, а также такой трансформатор имеет планарную (плоскую) конструкцию с повышенными уровнями унификации и технологичности.

На фиг. 1 изображена одна секция трансформатора; на фиг.2 два из ряда возможных варианта принципиальной схемы соединения выводов секций и групп обмоток: последовательно для первичной обмотки и параллельно (а) и последовательно (б) для секций в группе вторичной обмотки.

На фиг. 1 и 2 введены следующие обозначения: 1 секция трансформатора, 2 разомкнутый сердечник секции трансформатора, 3 секция первичной обмотки, 4 секция вторичной обмотки, 5 группа, объединяющая секции обмоток, 6 - изолирующая прокладку между секциями обмоток.

Предлагаемый матричный трансформатор содержит несколько одинаковых секций 1 (фиг.1 или на фиг.2 1.1.1.4) с отдельным магнитопроводом каждая, выполненным в виде разомкнутого стержневого магнитного сердечника 2 (2.1-2.4). На поверхности сердечника 2 расположены, например, коаксиально секция первичной 3 и секция вторичной 4 обмоток (3.1-3.4 и 4.1-4.4). Секции 3 и 4 объединены в группы 5. Между секциями обмоток 3 и 4 расположена изолирующая прокладка 6. Выводы секций первичной обмотки 3.1-3.4 соединяются последовательно и в группах согласно (фиг.2,а) или встречно (фиг.2,б). У вторичной обмотки группы 5.1 и 5.2 соединены параллельно (фиг.2,а) или последовательно (фиг. 2,б). Возможны и другие варианты соединений секций и групп обмоток 3 и 4, причем в группе может быть одна или несколько секций обмоток 3 и 4 при любом количестве групп.

В основном работа матричного трансформатора происходит так же как у обычного, традиционного. Особенности работы состоят в следующем. Магнитный поток, вызванный протеканием тока в первичной обмотке 3, проходит вдоль продольной оси разомкнутого сердечника 2 секции 1 трансформатора и замыкается в окружающем пространстве. При этом часть магнитного потока секции 1.1 при прохождении через окружающее пространство пронизывает витки обмоток секции 1.2 и других секций. Из теории магнитно-связанных цепей известно, что суммарная индуктивность двух последовательно соединенных катушек, связанных через магнитное поле, определяется как L_1,2 L₁ + L₂ ± 2M, где М взаимная индуктивность, зависящая от расстояния между катушками и от угла поворота относительно друга друга их продольных осей. Знак "+" имеет место при согласном, а знак "-" при встречном включении катушек. Следовательно, значение индуктивности намагничивающего контура группы 5.1 может быть больше суммы значений индуктивностей секций обмоток 3.1 и 3.2 при согласном включении и может быть меньше при встречном. При параллельном соединении секций обмоток суммарная индуктивность определяется как индуктивность параллельной цепи с учетом взаимной индуктивности. Во всех случаях при различных схемах соединений секций и групп обмоток их взаимная индуктивность уменьшается разнесением секций трансформатора в пространстве и увеличивается сближением, а также регулируется поворотом их продольных осей под углом друг к другу. Одновременно изменяется суммарное значение межобмоточной емкости, и характер этих изменений аналогичен характеру индуктивности. Следовательно, в матричном трансформаторе регулировать индуктивность намагничивающего контура и межобмоточную емкость можно взаимным перемещением секций трансформатора в пространстве (разнесением и сближением), поворотом их продольных осей под различными углами друг к другу при согласном и встречном соединении секций обмоток и различных вариантах соединения выводов секций и групп.

Таким образом, технический результат в предлагаемом матричном трансформаторе расширение области применения достигнут следующим образом. У предлагаемого матричного трансформатора изменена конструкция магнитопровода каждой секции, состоящая в применении разомкнутого стержневого магнитного сердечника, что обеспечивает наличие регулируемой магнитной связи между секциями, дающей возможность изменения индуктивности намагничивающего контура и межобмоточной емкости при постоянных параметрах обмоток и сердечников. Регулирование указанных индуктивности и емкости позволяет:
снижать ток холостого хода трансформатора;
увеличивать при необходимости амплитуду намагничивающего тока в трансформаторе-дросселе, используемом в качестве накопителя электромагнитной энергии;
изменять собственную частоту трансформатора, применяемого в качестве индуктивно-емкостного элемента для резонансных контуров.

Эти возможности расширяют область применения матричного трансформатора, а кроме того, он имеет планарную конструкцию с повышенными уровнями унификации и технологичности.

Для проверки был изготовлен двухсекционный матричный трансформатор с разомкнутыми стержневыми ферритовыми сердечниками (длина 45, диаметр 4 мм) и коаксиальным расположением секций обмоток. У секций индуктивности первичной обмотки 630 и 667 мкГн, вторичной 135 и 133 мкГН, межобмоточные емкости 73 и 80 пФ. При регулировании пределы изменения оказались равными: индуктивности пеpвичной обмотки из двух секций от 2390 до 920 мкГн, индуктивность вторичной обмотки от 127 до 50 мкГн и межобмоточной емкости от 224 до 137 пФ. Результаты проверки работоспособности трансформатора в различных условиях эксплуатации положительны.

Использование: в электротехнике и, в частности, в высокочастотных трансформаторах (индуктивных элементах) и может использоваться в радиоэлектронике и преобразовательной технике, например в источниках вторичного электропитания. Сущность изобретения: устройство состоит из нескольких одинаковых секций, содержащих разомкнутый стержневой магнитный сердечник с коаксиально расположенными на его поверхности первичной и вторичной обмотками, причем соединения выводов указанных одноименных обмоток у секций и групп, объединяющих одну или несколько секций, выполнены в виде комбинаций последовательных и параллельных схем, а между секциями имеется регулируемая магнитная связь. Матричный трансформатор имеет более широкую область применения за счет возможности регулирования коэффициента трансформации, индуктивности намагничивающего контура и межобмоточной емкости, что достигается путем коммутации обмоток и изменением магнитной связи между секциями при неизменных параметрах сердечников и обмоток. 2 ил.

Матричный трансформатор, содержащий несколько одинаковых секций с отдельным магнитопроводом каждая, секции первичной обмотки с выводами, вторичную обмотку с выводами, отличающийся тем, что отдельный магнитопровод выполнен в виде разомкнутого стержневого магнитного сердечника, вторичная обмотка в виде секций, причем каждая из этих секций расположена на отдельном магнитопроводе совместно с секцией первичной обмотки, секции первичной и вторичной обмоток объединены в группы, соединенные последовательно, а секции в группах последовательно параллельно.