МОЩНЫЙ ДИСКОВЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 1997 года по МПК H01F19/04 

Изобретение относится к электротермии, в частности к индукционному нагреву, и может быть использовано в электротермических установках для высокочастотной сварки металла, плавки, пайки, закалки и других операций.

Известен мощный трансформатор с дисковыми первичной и вторичной обмотками, разделенными диэлектриком (Л. Тир "Трансформаторы для установок индукционного нагрева повышенной частоты", М. -Л. гос. энергет. изд. 1961, с. 134). Недостатком известного трансформатора является увеличенный расход меди.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению и принятый за прототип является трансформатор, содержащий дисковую многовитковую первичную обмотку (см. там же, рис. 5 4, с. 135), выполненную из медной профилированной трубки, покрытой изоляцией, и одновитковую вторичную дисковую обмотку.

Недостатком известного устройства является повышенный расход меди и высокая трудоемкость изготовления первичной дисковой обмотки.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в снижении расхода меди и улучшении технологичности конструкции высокочастотного трансформатора.

Поставленная задача решается за счет того, что в мощном дисковом высокочастотном трансформаторе, содержащем расположенные соосно дисковые первичную многовитковую спиральную обмотку с входным и выходными штуцерами на концах и вторичную одновитковую обмотку с размещенным между ними диэлектриком, согласно изобретению, диэлектрик выполнен с внутренним каналом, первичная обмотка выполнена из ленты и размещена в канале диэлектрика в плоскости симметрии, равноудаленной от дисков вторичной обмотки.

В мощных высокочастотных трансформаторах из-за поверхностного эффекта ток протекает по тонкому поверхностному слою обмотки, например, на частоте 440 кГц. Глубина проникновения тока в меди составляет 0,11 мм, плотность тока в обмотке достигает 100 А/мм², удельные потери, отнесенные ко всему конструкционному весу обмоток, достигают 2000 Вт/кг.

Столь высокие удельные потери неизбежно требуют особо интенсивных методов охлаждения, в связи с чем обмотки трансформаторов повышенных и высоких частот выполнены из медных профилированных (прямоугольного сечения) трубок, по которым пропускают воду с гарантированным расходом. Именно так выполнены обмотки у аналога (книга Л. Тира, с. 134) и прототипа (см. там же, рис. 5 4, стр. 135).

Профилирование и намотку медной трубки производят на специальном оборудовании (см. там же, с. 217 220), что приводит к увеличению производственных (технологических) затрат, особенно в единичном производстве. В то же время рабочие поверхности первичной обмотки, выполненной из медной прямоугольной трубки, имеют значительную неплоскостность из-за прогиба стенок и скруглений углов, что требует увеличения ширины рабочей поверхности профиля, зазоров между витками и зазоров между рабочими поверхностями первичной и вторичной обмоток и, как следствие, увеличения общих габаритов и веса. Кроме того, снижается КПД из-за худшего сцепления электромагнитных потоков между первичной и вторичной обмотками.

Предлагаемая конструкция свободна от указанных недостатков, позволяет изготовить трансформатор с высокой точностью и при меньших трудозатратах и расходе цветного металла, а также повысить КПД.

Согласно предлагаемому изобретению, многовитковая первичная обмотка высокочастотного трансформатора изготавливается из листа меди, при массовом производстве штампуется, при единичном вручную ножницами, либо фрезеровкой в пакете на общепромышленном оборудовании.

Выполнение первичной обмотки из ленты в виде плоской спирали позволяет значительно сократить расход меди и снизить производственные затраты.

Для обеспечения интенсивного охлаждения первичной обмотки диэлектрик выполнен с внутренним каналом, в котором обмотку размещают в осевой плоскости симметрии таким образом, чтобы проточная вода, подаваемая в канал через входной штуцер, омывала ленту обмотки с двух сторон, а расстояние от плоскости спиральной обмотки до плоскости дисков вторичной обмотки задают равными и минимально допустимыми по пробою.

По электрическим параметрам первичная обмотка, выполненная из медной профилированной трубки и из медной ленты, одинаковы, поскольку из-за эффектов "близости" и "поверхностного" высокочастотный ток протекает только по поверхностям обмоток, обращенным друг к другу. Поверхности "ребер" обмоток как из трубки, так и из ленты в токопроводности не участвуют, расход же меди на изготовление обмотки из ленты в 3 4 раза меньше, чем из трубки, а в пересчете на всю конструкцию трансформатора расход меди меньше в 1,5 2,0 раза. Кроме того, для изготовления предлагаемого трансформатора нет необходимости использовать специальное оборудование, что ведет к снижению производственных затрат. Заявляемая конструкция трансформатора компактна, имеет меньшие габариты, что позволяет легче встраивать его в технологическую линию.

Таким образом, именно указанные существенные признаки предлагаемого изобретения позволяют снизить расход меди и улучшить технологичность конструкции трансформатора как в изготовлении, так и при эксплуатации.

На фиг. представлена конструкция дискового высокочастотного трансформатора.

На фиг. 1 представлен вид сбоку, на фиг. 2 представлен вид сверху. Трансформатор состоит из первичной четырехвитковой обмотки 1, выполненной из медной ленты, которая размещена в осевой плоскости симметрии водоохлаждаемого канала 2 диэлектрика. Диэлектрик выполнен из двух симметричных частей 3 и 4, герметично соединенных между собой, например, с помощью клея, после размещения первичной обмотки 1 в канале 2. На концах обмотки 1 приварены входной 5 и выходной 6 штуцеры, служащие для подачи и слива воды, а также являющиеся электрическими зажимами для подключения первичной обмотки к источнику высокочастотного напряжения.

Диэлектрик 3, 4 с первичной обмоткой 1 размещен соосно между дисками вторичной обмотки 7, 8. Диски вторичной обмотки через выводные шины 9, 10 соединены между собой параллельно, а к выводным шинам подключается технологическая цепь (на фиг. не показана), индуктор, кондуктор и т.д. На фиг. не показаны также крепеж и охлаждение вторичной обмотки.

Трансформатор работает следующим образом. При подаче высокочастотного напряжения на зажимы 5, 6 по первичной обмотке 1 протекает ток, который по закону электромагнитной индукции возбуждает ток во вторичной обмотке (при подключенной нагрузке), при этом напряжение на нагрузке зависит от отношения витков первичной и вторичной обмоток, а также от характера нагрузки. Тем самым нагрузка согласуется с источником высокочастотной энергии по параметрам, в чем заключается суть применения высокочастотного трансформатора.

Высокочастотный ток, протекая по обмоткам, нагревает последние. Для охлаждения первичной обмотки в штуцер 5 подают воду под небольшим давлением - до 2 кг/см². Вода, протекая в диэлектрике по каналу 2, омывает ленту первичной обмотки 1 с двух сторон, интенсивно охлаждает последнюю и через штуцер 6 происходит слив воды в систему охлаждения. Охлаждение вторичной обмотки 7, 8 происходит по медным трубкам (не показаны), напаянным на наружную поверхность дисков вторичной обмотки.

Предлагаемая конструкция высокочастотного трансформатора позволяет ввиду высокой точности (по плоскостности) первичной отмотки обеспечить равномерное распределение тока по поверхностям и магнитных потоков сцепления при минимальных затратах, исключить локальную концентрацию тока и исключить пробой диэлектрика при значительном увеличении плотности тока.

Высокочастотный трансформатор испытан на трубоэлектросварочном стане ТЭСА 20-114 Челябинского завода "Сантехдеталь" при производстве труб водопроводных диаметром 45 мм.

Использование высокочастотного трансформатора заявляемой конструкции позволяет снизить общий расход меди до 20 25% сократить производственные затраты.

Изобретение относится к электротермии, в частности к индукционному нагреву, и может быть использовано в электротермических установках для высокочастотной сварки металла, плавки, пайки, закалки и других операций. Сущность: трансформатор содержит расположенные соосно дисковые первичную многовитковую спиральную обмотку, выполненную из ленты с входным и выходным штуцерами на концах и вторичную одновитковую обмотку. Между обмотками расположен диэлектрик, в котором выполнен внутренний канал. Первичная обмотка размещена в канале диэлектрика в плоскости симметрии, равноудаленной от дисков. 2 ил.

Мощный дисковый высокочастотный трансформатор, содержащий расположенные соосно дисковые первичную многовитковую спиральную обмотку с входным и выходным штуцерами на концах и вторичную одновитковую обмотку с размещенным между ними диэлектриком, отличающийся тем, что диэлектрик выполнен с внутренним каналом, первичная обмотка выполнена из ленты и размещена в канале диэлектрика в плоскости симметрии, равноудаленной от дисков вторичной обмотки.