ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 1997 года по МПК H01F30/10 H01F27/25 H01F29/12 

Изобретение относится к электрическим трансформаторам и может быть использовано при изготовлении трансформаторов различного назначения.

Известны широко распространенные трансформаторы (Токарев Б.Ф. Электрические машины. М. Энергоатомиздат, 1990, с. 9-138), содержащие магнитную систему, состоящую из ярем, стержней, обмоток и вспомогательных элементов. Отличительной особенностью указанных трансформаторов является то, что их магнитная система содержит множество пластин из электротехнической стали, собранных в стержни и ярма по определенным схемам. Наряду с известными положительными свойствами они обладают рядом недостатков, из которых наиболее существенными являются:
большое число разнотипных, следовательно, невзаимозаменяемых пластин, из которых собираются ярма и стержни магнитопровода;
сложность технологических процессов, используемых при изготовлении пластин (сюда также относится изготовление штампов и их эксплуатация) и сборки магнитопровода;
ухудшение магнитных характеристик электротехнической стали из-за возникновения ударных нагрузок, возникающих при штамповке пластин;
сосредоточенное расположение обмоток и элементов магнитопровода в пространстве, что уменьшает их теплоотдающую поверхность.

Предложены трансформаторы швейцарской фирмы Броун-Бовери (Костенко М.П. и др. Электрические машины. М. -Л. Энергия, 1969, с 364-365), в которых магнитопровод выполнен в виде пространственной системы, состоящей из стержней и ярм, с целью улучшения характеристик трансформатора. Однако в этих трансформаторах соединение ярм и эвольвентных стержней осуществляется по схеме "в стык", при этом на один стержень приходится два стыка, что несколько ухудшает их характеристики, например, увеличивается ток холостого хода; остается также сложной технология изготовления его эвольвентных стержней и их сборка.

Стремясь сократить число разнотипных элементов магнитной системы, был предложен магнитопровод, навитый в виде рулона из непрерывной ленты, в которой выполнены окна и промежутки между ними (авт. св. СССР N 765893, кл. Н 01 F 27/24, 1980). Особенностью трансформатора является то, что его магнитопровод выполнен по существу из одного элемента непрерывной ленты, в которой предварительно должны быть образованы окна и промежутки между ними. Однако такая конструкция магнитопровода отличается сложной технологией его изготовления и намотки обмоток на неразъемные стержни, т. к. последние выполненные за одно целое с ярмами, то есть неразъемными.

Для устранения указанных недостатков, а также с целью снижения металлоемкости и габаритов трансформатора были предложены магнитопроводы на ленточных сердечниках например,(Бальян Р.Х. Трансформаторы для радиоэлектроники. М. Советское радио. 1971, с. 30 32), которые приняты в качестве прототипа. Магнитная система ленточных трансформаторов выполнена из замкнутых или разомкнутых сердечников. Замкнутые сердечники технологичны в изготовлении, однако намотка обмоток на них затруднена. Разомкнутые сердечники требуют сложную технологию их изготовления и простую для изготовления обмоток. Кроме того, трансформаторы на ленточных сердечниках имеют те же недостатки, которые указанны выше.

Целью изобретения является создание трансформатора, обладающего пониженной массой, габаритами и упрощенной технологией изготовления за счет распределения элементов магнитопровода и обмоток в пространстве, а также пониженным расходом обмоточного провода и трансформаторной стали.

Для достижения технического результата в трансформаторе, содержащем магнитопровод, состоящий из ярем, расположенных параллельно между собой, и стержней, перпендикулярных ярмам и расположенных "в стык" между ними, обмотки, закрепленные на стержнях, и вспомогательные элементы, содержащие в частности, теплоотводящие пластины и элементы крепления, ярма выполнены в виде торов, намотанных из непрерывной ленты, а стержни выполнены за одно целое с тором в виде зубцов, нарезанных и расположенных со стороны его торцовой поверхности.

Выполнение ярем в виде торов, намотанных из непрерывной ленты электротехнической стали, а стержней за одно целое с тором в виде зубцов, нарезанных и расположенных со стороны его торцовой поверхности позволяет рассредоточить в пространстве элементы магнитопровода и обмоток и тем самым увеличить поверхность охлаждения магнитопровода и обмоток, уменьшить чувствительность к внешним магнитным полям, индуктивность рассеивания трансформатора и поверхностный эффект в проводах обмоток. Кроме того, выполнение ярем и стержней за одно целое в виде торов с зубцами, позволяет выполнить магнитопровод разъемным, а именно, состоящим из двух взаимозаменяемых частей.

Выполнение по крайней мере одного из торов поворотным относительно другого и относительно вспомогательных элементов крепления позволяет изменять напряжение на вторичных обмотках трансформатора за счет радиального и аксиального смещений зубцов, размещенных на взаимозаменяемых частях магнитопровода.

Снабжение по крайней мере одного из ярем элементом винтовой пары позволит упростить механизм поворота ярем относительно друг друга и их фиксацию.

Выполнение одного из ярем в виде беззубцового тора позволит изменять выходное напряжение вторичных обмоток трансформатора в функции изменения одной координаты за счет смещения стержней только в радиальной плоскости.

Выполнение обмоток в виде отдельных взаимозаменяемых секций и соединение их между собой последовательно и параллельно или смешанно позволяет упростить технологию изготовления обмоток, повысить ремонтопригодность трансформатора, уменьшить его стоимость и снизить эксплуатационные расходы.

Размещение витков секций двух обмоток между зубцами магнитопровода позволит увеличить поверхность теплообмена обмоток с окружающей средой и тем самым снизить их перегрев, то есть повысить надежность работы трансформатора, а также уменьшить расход обмоточного провода.

Выполнение ярем трансформатора с разным количеством зубцов позволит расширить функциональные возможности трансформатора за счет получения его различных выходных характеристик.

Размещение ярем трансформатора на оправке, содержащей элемент винтовой пары, и крепление их к ним разъемным соединением, например, болтовым, позволит упростить технологию изготовления трансформатора и его сборку.

На фиг.1 показан поперечный разрез трансформатора, у которого магнитная система выполнена в виде двух взаимозаменяемых торов с нарезанными на них зубцами, на которых размещены катушки секций первичной и вторичных обмоток; на фиг.2 продольный разрез трансформатора, изображенного на фиг.1; а на фиг. 3 вид сверху на тот же трансформатор; на фиг.4 поперечный разрез трансформатора, у которого соседние стержни (зубцы) имеют в сечении разную геометрическую форму; на фиг.5 продольный разрез трансформатора, у которого одно из ярем (правое) выполнено в виде беззубцового тора, имеет возможность быть повернутым вокруг оси, перемещаться вдоль нее и фиксироваться после перемещения, на фиг.6 схема образования зазора "δ" между торцовой поверхностью одного ярма и торцовыми поверхностями зубцов другого, при повороте беззубцового ярма в трансформаторе, изображенном на фиг.5; на фиг.7 - продольный разрез трансформатора, обмотки которого размещены на отдельных взаимозаменяемых частях магнитной системы, одна из которых может поворачиваться в радиальной плоскости относительно другой; на фиг.8 - схема-развертка образования смещения на расстояние "Φ"" одного из ярем относительно другого; на фиг.9 поперечный разрез трансформатора, у которого все зубцы служат стержнями магнитной системы, и между которыми размещены витки двух секций обмоток; на фиг.10 продольный разрез того же трансформатора; на фиг. 11 поперечный разрез трансформатора, у которого стержни магнитной системы чередуются с его ярмами, которые стянуты разъемным соединением; на фиг.12 вариант стяжки ленты болтовым соединением и вариант крепления обмоток.

Трансформатор состоит из магнитной системы 1, обмоток 2 и вспомогательных элементов 3 (фиг.1). Магнитная система 1 выполнена в виде двух торов 4 (фиг. 2), в которых со стороны торцовой поверхности нарезаны зубцы 15 и 6. Торы 4 и зубцы 6 служат в качестве ярем, а зубцы 5 в качестве стержней магнитной системы 1. Обмотки 2 в виде секций размещены на отдельных катушках 7, которые надеты на зубцы 5 (фиг.1, 2). На отдельную катушку можно наматывать секции первичной и вторичной обмоток 2 и размещать ее одновременно на зубцах 5 двух торов 4 (фиг.3). Каждый тор 4 может быть установлен в стаканах 8, которые стягивают при сборке трансформатора болтами 9 и гайками 10 (фиг.2). Вспомогательные элементы трансформатора такие как платы с клеммами для распайки концов обмоток, защитные кожуха и др. (с целью упрощения чертежа, на фиг. 1,2 и 3 не показаны).

Возможен вариант трансформатора, у которого зубцы 5 и 6 могут иметь в сечении разную геометрическую форму (фиг.4), что обуславливается необходимостью иметь упрощенную технологию их нарезания и изготовления катушек 7 под обмотки 2.

Возможен вариант трансформатора, у которого одна часть магнитопровода выполнена в виде беззубцового тора, например, в виде диска 12 (фиг.5), намотанного из непрерывной стальной ленты и вставленного в стакан 13, имеющий осевое отверстие с резьбой 14 и вентиляционные отверстия 15 (фиг.5). Другая часть магнитопровода выполнена в виде тора 4, содержащего зубцы 5, на которых размещены обмотки 2 (фиг.4, 5), и вставленного в стакан 13, также имеющего осевое отверстие с резьбой 14 и вентиляционные отверстия 15. Оба стакана 13 навинчены на ось 16, зафиксированы гайками 17 и разделены пружиной сжатия 18 (фиг.4, 5).

Возможен вариант трансформатора, у которого магнитопровод состоит из двух взаимозаменяемых частей, содержащих торы 4 с зубцами 5, на которых размещены обмотки 2 (фиг.7). Торы 4 размещены в стаканах 19, которые закреплены на оси 20 с помощью гаек 21 и пружины 18 (фиг.7).

Возможен вариант трансформатора, у которого магнитопровод состоит из двух взаимозаменяемых частей, содержащих два ярма и стержни, выполненные соответственно в виде торов 4 и зубцов 5, на которых размещены обмотки 2, а торцовые поверхности их разделены прокладкой 11 из электроизоляционного материала (фиг.9, 10). Между торцами обмоток 2 и торами 4 в его пазах размещены платы 23, выполненные из диэлектрического материала, на которых размещены клеммы 24 для подсоединения к ним концов обмоток 2 (фиг.10).

Возможен вариант трансформатора, у которого лента магнитопровода в зоне зубцов 6 стянута разъемным соединением, состоящим, например, из болтов 25 и гаек 26 (фиг.11, 12), а обмотки прижаты фигурными планками 27 (фиг.12).

Для изготовления магнитной системы используют непрерывную ленту из электротехнической стали, желательно кубической структуры. Подготовленную ленту наматывают в виде тора на оправку требуемого размера, например, на токарном cтанке. После навивки тор подвергают пропитке, после чего в нем изготовляют пазы (зубцы) одним из известных способов, например, фрезерованием и производят обработку торцов выступающих зубцов 5 и 6 (фиг.1, 9, 11). На выступающие зубцы 5 надеваются катушки 7 с обмотками 2, после обе части магнитной системы соединяют торцовыми плоскостями зубцов 5 и 6 через изоляционную прокладку 11 и стягивают между собой тем или иным способом, например, с использованием стаканов 8, болтов 9 и гаек 10, или с помощью стаканов 13, оси 16, пружины 18 и гаек 17 (фиг.2, 5), или с помощью стаканов 13, 19, оси 16, 20, пружины сжатия 18 и гаек 21 (фиг.7, 10).

Первичную и вторичные обмотки 2 образуют путем соединения ее секций по определенным схемам: для образования первичной обмотки ее секции соединяют последовательно, а для образования вторичной обмотки, например, понижающей, те же секции соединяют параллельно, а для образования повышающей обмотки те же самые секции соединяют последовательно, но их число берется больше, в соответствии с величиной требуемого повышенного напряжения. Возможны варианты смешанного соединения секций обмоток.

Трансформатор работает следующим образом. На первичную обмотку подают переменное напряжение, в результате чего по обмотке начнет протекать электрический ток, который создаст магнитный поток, проходящий по пути, например, для трансформатора (фиг.1, 2) в предположении, что первичная обмотка 2 которого расположена на зубце 5 левого тора: зубец 5 левого тора участок левого тора 4 зубец 6 левого тора прокладка, 11 зубец 6 правого тора 4 - участок правого тора 4 зубец 5 правого тора 4 изоляционная прокладка 11 - зубец 5 левого тора 4 и т.д. Аналогичным образом будет возникать и протекать магнитный поток и в других частях магнитопровода, содержащих обмотки, участки ярм и зубцы (фиг. 1, 2), а так же в магнитопроводах других вариантов трансформаторов (фиг. 4, 5, 7, 9, 10).

Регулировку напряжения на вторичных обмотках трансформатора осуществляют путем поворота одного из торов относительно другого. При этом в трансформаторе, в котором торы не содержат элементов винтовой пары, зубцы магнитопровода будут перемещаться друг относительно друга в радиальной плоскости на расстояние "Φ" (фиг.8), а зазор между ними в осевом направлении изменяться не будет. Так, например, зубцы 5 правого тора 4 (фиг.7) при его повороте могут смещаться относительно зубцов 5 левого тора 4 в радиальной плоскости влево или вправо. Смещение зубцов 5, а также и 6 друг относительно друга приведет к изменению условий прохождения магнитных силовых линий или магнитных потоков между ними, что в свою очередь приведет к изменению напряжения на вторичных обмотках 2, находящихся на смещаемых стержнях. В трансформаторах, в которых торы 4 содержат элементы винтовой пары, при их повороте, зубцы 5 и 6 будут дополнительно друг от друга удаляться или сближаться в осевом направлении, в результате чего будет изменяться зазор "δ" между ними (фиг. 6), что приведет к дополнительному изменению напряжения на вторичной обмотке. Так, например, левый тор 4 (фиг.10) закреплен в стакане 13, имеющем резьбу 14, и навинчен на ось 20. Поэтому при его повороте он вместе с зубцами 5 будет не только смещаться относительно зубцов правого тора 4 в радиальной плоскости на расстояние "Φ" (фиг.8), но и перемещаться относительно его в осевом направлении, что будет соответствовать изменению зазора "δ" между зубцами правого и левого торов 4 (фиг.10).

Использование: в области электротехники, в частности в электрических трансформаторах. Сущность: в трансформаторе магнитная система 1 выполнена в виде торов 3, имеющих зубцы 5 и 6, нарезные со стороны торцовой полости. На зубцах 5 надеты катушки 7 с обмотками 2, зубцы 6 используются в качестве ярем. Варианты выполнения трансформатора содержат различные формы зубцов 5 и 6. Торы 4 вставлены в стаканы или, имеющие резьбу и перемещающиеся друг относительно друга в радиальной или оксиальной полостях, в результате чего достигается изменение выходного напряжения. 6 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Трансформатор, содержащий магнитопровод, состоящий из ярем, расположенных параллельно между собой, и стержней, перпендикулярных ярмам и расположенных в стык между ними, обмотки, закрепленные на стержнях, и вспомогательные элементы, содержащие теплоотводящие пластины и элементы крепления, отличающийся тем, что его ярма выполнены в виде торов, намотанных из непрерывной ленты, а стержни выполнены за одно целое с тором в виде зубцов, нарезанных и расположенных со стороны его торцевой поверхности. 2. Трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что по крайней мере одно из ярем выполнено поворотным относительно другого ярма и вспомогательных элементов крепления. 3. Трансформатор по п. 2, отличающийся тем, что по крайней мере одно из ярем содержит элемент винтовой пары. 4. Трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что его обмотки выполнены в виде отдельных взаимозаменяемых секций и соединены между собой последовательно и параллельно или смешанно. 5. Трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что между соседними зубцами магнитопровода размещены витки двух секций. 6. Трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что ярма имеют разное число зубцов. 7. Трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что ярмо размещено на оправке, содержащей элемент винтовой пары, и прикреплено к ней разъемным соединением, например болтовым.