ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 1997 года по МПК H01F27/24 

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

Известны силовые трансформаторы [1] содержащие магнитные системы, выполненные в виде стержней и ярм, собранные способом шихтовки или встык из отдельных пластин электротехнической стали, обмотки, расположенные на стержнях, и элементы крепления. Особенностью указанных трансформаторов является то, что стальные пластины, образующие стержни, пристыкованы к пластинам, образующим ярма, и параллельны друг другу. Вследствие этого они образуют плоскую стержневую магнитную систему в виде рамы, состоящей из четырех и более сторон.

Такая конструкция имеет ряд недостатков (например, в ней возникают дополнительные потери энергии в ярмах и в угловых зонах стыковки пластин).

Известен также трансформатор [2] в котором магнитная система выполнена в виде равносторонней рамы, две стороны которой выполнены из одного пакета пластин, согнутых посредине под углом 60^o, а третья сторона выполнена из плоских пластин и примыкает к ним с помощью элементов крепления. Особенностью конструкции трансформатора является то, что каждая пластина одного стержня пристыкована ко всем пластинам другого стержня, при этом пластины одного стержня согнуты, т. е. деформированы, посредине, а часть пластин с двух сторон имеет некруглые отверстия. Указанная стыковка пластин и стержней не решает проблемы уменьшения так называемых угловых потерь, так как магнитные силовые линии прежде чем совпадать по направлению с направлением прокатки в пластине изменяют свое направление на 90^o.

Кроме указанного, в трансформаторе возникают дополнительные потери в зонах изгиба пластин и отверстий, оси которых расположены под углом к поверхности пластины.

Известен также трансформатор [3] который является наиболее близким к патентуемому и принят в качестве прототипа. Магнитная система указанного трансформатора состоит из трех стержней, шихтованных из пластин, имеющих форму параллелограмма с острыми углами по 60^o, при этом пластины выполнены разной ширины. Предложенная конструкция трансформатора отличается упрощенной технологией изготовления пластин, однако, одновременно с этим ухудшает его некоторые параметры и усложняет технологию сборки. Например, площадь сечения стержня магнитной системы в плоскости перехода одного стержня в другой имеет величину, равную площади сечения стержня, находящегося под обмоткой, в то время как согласно рекомендациям по выбору магнитных систем трансформаторов она должна быть увеличена до 5% с целью уменьшения потерь и тока холостого хода. Другим недостатком трансформатора является высокая металлоемкость прессующего устройства и недостаточная жесткость конструкции, поскольку она обеспечивается силами, создаваемыми прессующими балками и стягивающими их шпильками.

Задача изобретения создание трансформатора, имеющего пониженную массу, габариты, упрощенную технологию изготовления и пониженные потери и ток холостого хода за счет снижения коэффициента превышения потерь.

Для этого в известном трансформаторе, содержащем плоскую магнитную систему, выполненную в виде стержневой трехсторонней рамы, каждый стержень которой набран из пластин, имеющих геометрическую форму с одним по крайней мере острым углом, элементы крепления и обмотки, размещенные на стержнях, пластины стержней выполнены в форме равнобокой или неравнобокой трапеции.

Выполнение магнитной системы трансформатора из пластин, имеющих форму равнобокой или неравнобокой трапеции, позволит увеличить площадь сечения магнитопровода в зоне перехода одного стержня в другой и тем самым уменьшить сопротивление магнитному потоку, тепловые потери и ток холостого хода, а также разместить в этой зоне отверстия под элементы крепления, что упростит устройство прессовки, уменьшить металлоемкость и повысит технологичность сборки трансформатора.

Для уменьшения металлоемкости прессующего устройства, упрощения крепления пластин, а также упрощения технологии соединения стержней в магнитную систему в каждой пластине выполнено по крайней мере одно отверстие, центр которого лежит на биссектрисе острого угла.

С целью повышения производительности труда при изготовлении трансформаторов стержни магнитной системы соединяют между собой встык с помощью упругих элементов, которые механически связаны с элементами крепления пластин трансформатора.

Для изменения выходных параметров трансформатора обмотки размещены на стержнях с возможностью перемещения друг относительно друга, при перемещении обмоток изменяются коэффициенты магнитной связи между ними.

Для изменения чувствительности и регулирования параметров трансформатора он снабжен механизмом перемещения обмоток.

На фиг. 1 показан общий вид трансформатора; на фиг. 2 элементы крепления; на фиг. 3 магнитная система трансформатора, собранная из пластин, имеющих форму равносторонней трапеции с острыми углами, равными по 60^o; а на фиг. 4 то же, но с острыми углами, равными по 30^o; на фиг. 5 и 6 - магнитные системы трансформаторов, шихтованные из пластин, имеющих форму разносторонней трапеции; на фиг. 7 трансформатор, в котором пластины имеют по одному отверстию, центр которой расположен на биссектрисе острого угла; на фиг. 6 упомянутая пластина; на фиг. 9 разрез по геометрической оси стержня и элементы крепления пластин; на фиг. 10 трансформатор, стержни которого собраны встык и скреплены с помощью упругих элементов; на фиг. 11 пластина, из которых состоит упомянутые стержни; на фиг. 12 узел крепления пластин и соединения стержней в стык; на фиг. 13 трансформатор, в котором обмотки размещены на стержнях с возможностью перемещения друг относительно друга; на фиг. 14 элементы крепления пластин и кинематическая связь ведущего звена механизма перемещения обмоток с элементом крепления пластин.

Трансформатор состоит из магнитной системы 1 (фиг. 1), которая выполнена из трех отдельных стержней 2 и может быть собрана, например, шихтованным способом (фиг. 1, 3, 6, 7 и 13) или способом встык (фиг. 4 и 10) из ферромагнитных пластин 3, и обмоток 4, 5 и 6, намотанных на каркасы 7. Одна из обмоток, например обмотка 6, может быть первичной, а две другие 4 и 5 - вторичными. Пластины 3 могут быть выполнены в виде равнобокой трапеции с острыми углами по 60^o (фиг. 1, 3, 7, 8, 10 и 13) или по 30^o (фиг. 4), или в виде неравнобокой трапеции (фиг. 5 и 6). Пластины 3 и стержни 2 соединены элементами крепления, выполненными, например, в виде накладок 8, болтов 9 и гаек 10 (фиг. 1 и 2) или шпилек 11 и гаек 10 (фиг. 7 и 9). Вспомогательные устройства трансформатора такие, как корпус, устройства ввода и вывода проводников, элементы для прессовки стрежней и обмоток, стыковые изоляционные прокладки и др. (с целью упрощения на чертежах не показаны).

Возможен вариант трансформатора, у которого магнитная система 1 выполнена из пластин 3, имеющих одно или два отверстия под элементы крепления, центры которых расположены на биссектрисах острых углов (фиг. 8 и 11)).

Возможен вариант трансформатора, у которого стержни 2 магнитной системы 1 соединены между собой встык с помощью упругих элементов, например, пружин растяжения 12, механически связанных с элементами крепления, например шпильками 11 (фиг. 10 и 12).

Возможен вариант трансформатора, у которого обмотки 4 и 5 размещены на стержнях 2 магнитной системы 1 с возможностью перемещения друг относительно друга с помощью механизма 13, ведущие звенья которого выполнены, например, в виде гаек 14 с канавками 15 и кинематически связанных с элементом крепления, например, шпильками 11 (фиг. 13). Механизм 13 имеет гибкие тяги 16, которые с помощью винтов 17 своими концами прикреплены к ведущим звеньям (гайки 14) и каркасам 7 обмоток 4 и 5, пружины растяжения 18, механически связанные со шпильками 11 и каркасами 7 обмоток 4 и 5, и контргайки 19, навинченные на шпильку 11 (фиг. 14).

Трансформатор работает следующим образом.

При подаче напряжения на первичную обмотку 6 в ней возникает электрический ток, возбуждающий основной магнитный поток Φ_o (фиг. 1), соловые линии которого проходят по стержням 2 и наводят во вторичных обмотках 4 и 5 ЭДС.

В трансформаторе, имеющем механизм 13 для перемещения обмоток, обмотки 4, 5 и 6 разнесены по стержням 2. Магнитный поток рассеяния, создаваемый первичной обмоткой 6, будет замыкаться через воздух, если обмотки 4 и 5 находятся в крайней положении на расстоянии L от первичной обмотки 6 (фиг. 13). В этом положении обмоток индуктивное сопротивление трансформатора максимальное, а нагрузочный ток будет минимальным. Для уменьшения индуктивного сопротивления трансформатора и увеличения нагрузочного тока необходимо обмотки 4 и 5 приблизить к первичной обмотке 6 на расстояние L₁. Для этого отвинчивают контргайки 19 и поворачивают гайки 14. При этом гибкие тяги 16 сматываются и под действием пружин 18 каркасы 7 вместе с обмотками 4 и 5 переместятся по стержням 2, вследствие чего расстояние между первичной обмоткой 6 и обмотками 4 и 5 уменьшится до значения L₁. В этом положении обмоток магнитный поток рассеяния будет охватывать витки обмоток 4 и 5 (фиг. 13), вследствие чего индуктивное сопротивление трансформатора уменьшится, а нагрузочный ток возрастает. При перемещении обмоток 4 и 5 в направлении к первичной обмотке 6 будет также увеличиваться расстояние между ними от значения М до значения М₁, следовательно, будет изменяться коэффициент магнитной связи между ними, в результате чего дополнительно будет изменяться нагрузочный ток. Необходимое положение гаек 14 фиксируется контргайками 19.1

Использование: в преобразовательной технике, а именно в электрических трансформаторах. Сущность: в трансформаторе магнитная система 1 выполнена из трех отдельных стержней 2, набранных из пластин 3, выполненных в форме трапеции в трехстороннюю раму. Стержни 2 и пластины 3 скреплены с помощью накладок 8, болтов 9 и гаек 10. На стержнях 2 установлены обмотки 4. Магнитная система может иметь различные формы его основных элементов: пластин 3 в виде неравнобокой трапеции, пластин с отверстиями, магнитных систем, собранных в переплет и встык, расположения обмоток с возможностью перемещения друг относительно друга с помощью механизма, связанного с элементами крепления пластин. 4 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Трансформатор, содержащий плоскую магнитную систему, выполненную в виде стержневой трехсторонней рамы, каждый стержень которой набран из пластин, имеющих геометрическую форму по крайней мере с одним острым углом, элементы крепления и обмотки, размещенные на стержнях, отличающийся тем, что пластины стержней выполнены в форме равнобокой или неравнобокой трапеции. 2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что в каждой пластине выполнено по крайней мере одно отверстие, центр которого лежит на биссектрисе острого угла. 3. Трансформатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что в нем установлены упругие элементы, механически связанные с элементами крепления пластин стержней. 4. Трансформатор по п. 1 или 2, или 3, отличающийся тем, что обмотки размещены на стержнях с возможностью перемещения друг относительно друга. 5. Трансформатор по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что в нем установлен механизм перемещения обмоток.