ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ МАГНИТОПРОВОД Российский патент 1997 года по МПК H01F27/25 

Изобретение относится к электрическим трансформаторам, в частности к пространственным магнитопроводам, являющимися неотъемлемой их частью.

Известен магнитопровод трансформатора с пространственно размещенными стержнями, в котором ярма выполнены из ленты рулонной электротехнической стали, намотанной на оправке, а стержни выполнены из пластин, длина которых равна сумме высоты стержня и ширины одного ярма магнитопровода /1/.

Недостатком этой конструкции является то, что магнитопровод имеет повышенные потери намагничивания и ток холостого хода из-за неизбежных промежутков между пластинами и ярмами магнитопровода. Магнитный поток в этой конструкции из стержней в ярма магнитопровода проходит через воздушные промежутки и межлистовой слой изоляции. Наличие стыкового магнитного зазора приводит также к повышенному расходу материала обмоток в случае использования такого магнитопровода в трансформаторе. К числу недостатков этой конструкции следует отнести также пониженную надежность, устраняемую при помощи крепежных элементов (ярмовых балок, стяжек, бандажей и др.).

Укажем также на конструкцию пространственного магнитопровода, в котором приведенные недостатки частично устранены. Магнитопровод выполнен из намотанной рулонной ленты электротехнической стали, содержит стержни и ярма, соединенные в звезду /2/.

Изготовление пространственного магнитопровода с ярмами, соединенными в звезду, включает формирование заготовок путем намотки ленты электротехнической стали с образованием элементов магнитопровода в виде трех раздельных рам. Стержни рам соединяют попарно друг с другом, бандажируют, после чего ярма рам изгибают в сторону вертикальной оси до образования симметричной трехфазной системы, после чего магнитопровод пропитывают термореактивной смолой и подвергают запечке.

Сечение стержней при этом получается ступенчатым. Получение же круглого сечения стержней требует существенного усложнения раскроя стали. Такая конструкция по сравнению со стыковой позволяет упростить технологию изготовления, а при использовании существующих достижений в технологии изготовление магнитопровода может быть механизировано и частично автоматизировано.

Использование магнитопровода с ярмами, соединенными в звезду, например, в трансформаторах, позволяет улучшить отвод тепла от обмоток благодаря одинаковым условиям охлаждения всех трех фаз и меньшему, по сравнению с другими конструкциями магнитопроводов, перекрытию каналов обмоток. Однако раздельное выполнение конструкции магнитопровода путем его намотки в виде трех кольцевых элементов (рам) с последующим их скреплением приводит к увеличению магнитной индукции в стержнях и ярмах. В этой магнитной системе поток каждого стержня является геометрической суммой магнитных потоков двух навитых рам. Вследствие того, что три рамы этой системы навиты раздельно, а для удобства сборки между ними сохраняется неизбежный технологический зазор, переход магнитного потока из одной рамы в другую затруднен из-за наличия зазора и необходимости его прохождения поперечно плоскости ленты магнитопровода. Фактически индукция в каждом стержне должна быть в 2/ 1,155 раза больше расчетной. Эта величина индукции имеет место также и в ярмах магнитопровода. Потери же в такого типа магнитопроводах увеличены по сравнению с обычными в 1,2.1,3 раза, что и подтверждается исследованиями /3/.

Надежность указанного магнитопровода недостаточна из-за сочленения в единую конструкцию отдельных его элементов (рам), что в свою очередь требует необходимости соединения их при помощи скрепляющих элементов.

Известен также магнитопровод, принятый нами за прототип, выполненный из одной ленты из электротехнической стали, имеющей окна, внешние перемычки, образующие ярма, и внутренние перемычки, образующие стержни заданного сечения и размещение стержней /4/. В магнитопроводе, выполненном из одной ленты из электротехнической стали, повышена устойчивость к толчкам удара, вибрации. Преимущество этой конструкции магнитопровода по сравнению с магнитопроводом, навитым из трех рам /2/, состоит в том, что в нем отсутствует неизбежное разветвление магнитного потока в стержнях и ярмах, в результате чего потери в нем уменьшены приблизительно на 20.30%
К недостаткам же этой конструкции относится повышенный расход ленты из электротехнической стали, предназначенной для его намотки, и количество выполняемых в ней окон. Повышение жесткости конструкции магнитопровода, принятого за прототип, достигается также за счет применения крепежных элементов. Надежность такого магнитопровода недостаточна из-за перекрытия каналов обмотки по обе стороны стержнями ярмами.

В основу изобретения поставлена задача создать такой пространственный магнитопровод, в котором бы уменьшился расход ленты из электротехнической стали с одновременным повышением его надежности.

Решение поставленной задачи достигнуто тем, что в пространственном магнитопроводе, выполненном витым из одной ленты из электротехнической стали, имеющей окна, внешние перемычки, образующие ярма, и внутренние перемычки, образующие заданные сечения и размещение стержней, лента опрессована так, что ярма в сечении имеют форму звезды, а ширина внутренних перемычек определяется по формуле

где L_h ширина внутренней перемычки в слое;
R_ст радиус стержня магнитопровода;
0 h≥R_ст толщина слоя намотки;
π=3,14.
Указанные существенные признаки достигнуты во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны.

Между совокупностью существенных признаков изобретения и достигнутым техническим результатом -уменьшением расхода ленты из электротехнической стали существует причинно-следственная связь, заключающаяся в том, что при таком его конструктивном выполнении расход ленты из электротехнической стали уменьшается при одновременном повышении его надежности.

Изобретение отвечает требованию изобретательского уровня, так как существенные признаки пространственного магнитопровода, отличающие заявленное техническое решение от прототипа, в известных устройствах не обнаружены, что позволяет сделать вывод о наличии существенных отличий в предложенном техническом решении.

На фиг.1 изображен общий вид пространственного магнитопровода; на фиг.2
вид сбоку с поперечным разрезом; на фиг.3 лента с выполненными в ней окнами; на фиг.4а, б схема, поясняющая способ изготовления магнитопровода.

Пространственный магнитопровод выполнен из ленты 1 (фиг.3) из электротехнической стали. Лента 1 намотана в виде одного рулона поперечного продольной оси 2 магнитопровода. В ленте выполнены окна 3 с промежуточными 4 и внешними 5 перемычками. Окна 3 и промежуточные перемычки 4 выполнены одинаковой высоты. Промежуточные перемычки 4 образуют стержни 6, 7 и 8, а внешние ярма 9 и 10 магнитопровода (фиг.1 и 2). Ширина окон 3 в каждом слое намотки в его опрессованном состоянии согласно осей симметрии 11, 12 и 13, проходящих через середины сечений стержней 6, 7 и 8 к вертикальной его оси, равна ширине окон магнитопровода, необходимой для размещения в них обмоток, насаживаемых на стержни при выполнении трансформатора. Ширина внутренних промежуточных перемычек 4 определена по формуле

где L_n -ширина внутренней перемычки в слое намотки;
R_cm радиус стержня магнитопровода;
0=h≥R_ст толщина слоя намотки;
π=3,14.
В опрессованном состоянии магнитопровода внутренние перемычки 4 образуют стержни 6, 7 и 8 магнитопровода, а внешние перемычки 5 образуют его ярма 9 и 10, которые в опрессованном состоянии имеют форму трехлучевой звезды.

Выполнение пространственного магнитопровода в виде одного рулона и опрессовка внутренних перемычек согласно осей симметрии, проходящих через оси поперечного сечения стержней, позволяет по сравнению с прототипом уменьшить длину ленты, предназначенной для намотки, примерно вдвое за счет сокращения отходов при выполнении окон вследствие увеличения ширины перемычек 4, которая соответствует приведенной формуле. Опрессовка намотанной ленты в магнитопровод повышает его жесткость. Из-за меньшего перекрытия каналов обмотки при использовании магнитопровода в трансформаторе снижается его нагрев, а следовательно, повышается надежность.

Пространственный магнитопровод выполняют путем намотки ленты 1 (фиг.4,а, б) из электротехнической стали на цилиндрической оправке, диаметр которой равен диаметру окружности, проведенной через центры сечения стержней O₁, O₂ и O₃ магнитопровода. Окна 3 с образованием внутренних 4 и внешних 5 перемычек в ленте выполняют в процессе намотки последовательной выштамповкой при помощи штампов с передвижными упорами, или последовательным или попакетным вырезанием, например, лазерной резкой. Окна 3 размещают симметрично осей 12, 13 и 14, проходящих через центры сечений магнитопровода. Ширину внутренних перемычек 4 в каждом слое намотки определяют по формуле

где L_n ширина внутренней перемычки в слое намотки;
R_ст радиус стержня магнитопровода;
0=h≥R_cm толщина слоя намотки;
π=3,14.
После окончания намотки (при h R_cm) конец ленты закрепляют при помощи точечной сварки, после чего заготовку опрессовывают путем изгиба с размещением внутренних перемычек согласно осей симметрии O₁, O₂ и O₃ до получения заданного сечения стержней. Внешние перемычки 5 при этом образуют ярма 9 и 10 магнитопровода.

После выполнения окон 3 и опрессовки рулона для получения конструкции магнитопровода окончательную доводку до заданных габаритных размеров при необходимости осуществляют механической обработкой, например фрезерованием после пропитки синтетической термореактивной смолой и ее отверждения. Другие операции по изготовлению магнитопровода (отжиг, бандажирование стержней, пропитка отверждающейся смолой, запечка и т.д.) аналогичны известным, применяемым при изготовлении магнитопроводов.

Изготовление магнитопровода не требует высокой квалификации и может осуществляться на сравнительно больших площадях, не требует больших затрат по времени. Отходы при выполнении окон в ленте имеют прямоугольную форму и могут использоваться при изготовлении сопутствующих товаров.

Для работы магнитопровода на его стержни накладывают обмотку путем ее вматывания известным способом, закрепляют относительно стержней и ярм, начала и концы соединяют определенным способом и подводят напряжение. Ток, проходящий в первичной обмотке, образует в магнитопроводе магнитный поток, который индуктирует во вторичной обмотке электродвижущую силу.

Выполнение пространственного магнитопровода путем его намотки с последующей опрессовкой внутренних и внешних перемычек согласно осей симметрии, проходящих через середины сечений стержней, к вертикальной оси по сравнению с прототипом позволяет уменьшить длину ленты из электротехнической стали примерно вдвое за счет уменьшения количества окон при его изготовлении вследствие увеличения ширины внутренних перемычек.

Уменьшение количества окон в ленте магнитопровода снижает трудоемкость его изготовления, расход энергии и трудовые затраты.

Преимущества предложенного магнитопровода в сравнении с прототипом заключаются также в улучшении теплоотвода обмоток, в случае применения его в трансформаторе, за счет уменьшения перекрытия ярмами их охлаждающих каналов.

Отсутствие стыков между стержнями и ярмами магнитопровода позволяет обеспечить его устройства к ударам, толчкам, вибрации. Наибольший эффект может быть получен в случае применения для его изготовления холоднокатаной стали преимущественно кубической структуры.

Предложенное техническое решение позволяет сравнительно легко осуществить механизацию и автоматизацию процесса производства.

Использование: в области электроники. Сущность: пространственный магнитопровод, выполненный витым из рулонной ленты электротехнической стали, содержащий стержни и ярма, соединенные в звезду. Магнитопровод выполнен из ленты в виде одного рулона, намотанного поперечно продольной оси магнитопровода с окнами, промежуточными и внешними перемычками. Ширина промежуточных перемычек в каждом слое намотки в его опрессованном состоянии согласно осей симметрии, проходящих через центры поперечных сечений стержней, к продольной оси, образует заданные сечения и размещение стержней. Магнитопровод после навивки опрессовывается так, что ярма в сечении имеют форму звезды. 4 ил.

Пространственный магнитопровод, выполненный витым из одной ленты из электротехнической стали, имеющей окна, внешние перемычки, образующие ярма, и внутренние перемычки, образующие заданные сечения и размещение стержней, отличающийся тем, что лента опрессована так, что ярма в сечении имеют форму звезды, а ширина внутренних перемычек определена по формуле

где
L_п ширина внутренней перемычки в слое;
R_с т радиус стержня магнитопровода;
0 h ≥ R_с т толщина слоя намотки.