ТРАНСФОРМАТОР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК H01F30/10 H01F27/245 

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

Известны трансформаторы, содержащие три отдельных ленточных сердечника [1]
В трансформаторе стержни магнитопроводов объединены попарно и соприкасаются друг с другом ребрами, а вместе с ярмами в плане образуют замкнутый контур с острыми углами в виде равностороннего треугольника, что приводит к следующим недостаткам:
усложнению технологии изготовления каркасов катушек;
увеличению средней длины витка обмоток и, следовательно, к увеличению расхода обмоточного провода и тепловых потерь;
неполному заполнению окна железом сердечников, что приводит к увеличению тока холостого хода и тепловых потерь;
невозможности получения суммарного магнитного потока, что сужает область использования трансформатора.

Известен сварочный трансформатор [2] содержащий магнитную систему, выполненную из двух одинаковых О-образных сердечников, установленных на расстоянии друг от друга, между которыми размещены магнитные шунты, первичную и вторичную обмотки.

Недостатком трансформатора является то, что его сердечники установлены на расстоянии друг от друга, а витки вторичной обмотки охватывают два стержня магнитной системы, находящиеся друг от друга на расстоянии, равном ширине шунта. Поэтому для намотки вторичной обмотки требуется повышенный расход обмоточного провода, пропорциональный ширине шунта и числу витков обмотки.

Другим недостатком является низкое значение коэффициента использования магнитопровода из-за того, что он содержит стержни, свободные от обмоток. Кроме того, часть витков первичной и вторичной обмоток размещена на одном стержне, что усложняет технологию изготовления трансформатора и ухудшает его тепловой режим, а наличие только двух магнитопроводов делает невозможным использование его в трехфазных системах электроснабжения, т.е. сужает область его применения.

Известен также трансформатор [3] который является наиболее близким к предлагаемому и принят в качестве прототипа.

Трансформатор содержит разветвленную магнитную систему, выполненную из четырех отдельных магнитопроводов, пристыкованных друг к другу своими стержнями, первичную и вторичную обмотки, охватывающие пристыкованные стержни. В трансформаторе пристыкованные стержни в поперечном сечении имеют геометрическую фигуру со ступенчатыми выступами, стороны которой расположены под прямыми углами относительно одна другой, что является существенным недостатком, т. к. витки обмоток, охватывающие указанные выступы, будут иметь увеличенную длину, что приводит к перерасходу обмоточного провода, увеличению сопротивления обмоток и, следовательно, тепловых потерь. Магнитная система трансформатора включает также четыре разобщенных стержня, которые свободны от обмоток, что снижает значение коэффициента использования магнитопровода.

Преимуществом трансформатора является достаточно развитая поверхность его магнитопровода, что способствует его интенсивному охлаждению.

Однако трансформатор обладает и рядом недостатков.

Теплообменная поверхность охлаждения обмоток из-за их размещения на пристыкованных стержнях недостаточна, что в свою очередь уменьшает темп охлаждения обмоток и увеличивает тепловую нагрузку на них. Кроме того, наложение одной обмотки на другую приводит к увеличению средней длины витка обмотки и, следовательно, к перерасходу обмоточного провода и к увеличению тепловых потерь.

Выполнение ступенчатой с выступающими частями геометрической фигуры в поперечном сечении у пристыкованных стержней приводит к увеличению длины витков обмоток и к вытекающим из этого вышеуказанным недостаткам.

Низкий коэффициент использования магнитопровода приводит к увеличению числа слоев обмотки и, следовательно, к перерасходу обмоточного провода и повышению тепловой нагрузки на нее.

Ограничена область применения из-за невозможности использования трансформатора в трехфазной системе электроснабжения.

Кроме того, трансформатор имеет недостаточную механическую устойчивость остова из-за отсутствия жесткой связи между магнитопроводами.

Задача изобретения создание трансформатора, обладающего пониженными тепловыми потерями и током холостого хода за счет снижения коэффициента тепловых потерь, увеличения теплообменной поверхности обмоток и уменьшения их сопротивления, с упрощенной технологией изготовления и сборки, пониженной массой, свойствами унификации и расширенной областью применения.

Для достижения указанного технического результата в известном трансформаторе, содержащем разветвленную магнитную систему, выполненную из трех и более отдельных магнитопроводов, имеющих пристыкованные друг к другу стержни и разобщенные стержни, первичную и вторичную обмотки, размещенные на двух пристыкованных стержнях, и элементы крепления, одна из обмоток выполнена в виде секций, каждая из которых размещена на отдельных разобщенных стержнях. Выполнение одной из обмоток в виде секций и размещение каждой секции на отдельных разобщенных стержнях позволяет увеличить теплообменную поверхность обмоток, уменьшить тепловую нагрузку на них и при прочих равных условиях снизить сопротивление обмоток и тепловые потери, а также выполнить их унифицированными.

Для уменьшения средней длины витка обмотки, охватывающей пристыкованные стержни, снижения расхода обмоточного провода, уменьшения сопротивления обмотки стержня магнитопроводов пристыковывают с образованием при их поперечном сечении геометрической общей фигуры с прямыми углами.

Выполнение пристыкованных стержней с поперечным сечением в виде прямоугольника позволит уменьшить периметр окна катушки под обмотку и, следовательно, уменьшить длину витков обмотки, что приведет к уменьшению тепловых потерь, а выполнение пристыкованных стержней с поперечным сечением в виде квадрата позволит достигнуть вышеуказанный технический результат в большей степени за счет свойства квадрата иметь меньший периметр, чем у прямоугольника при равных значениях их площадей.

Для улучшения конструктивных свойств трансформатора и, следовательно, расширения пределов его применения, одна часть пристыкованных стержней имеет в поперечном сечении фигуру в виде прямоугольника, а другая их часть в виде квадрата.

Для достижения того же технического результата, а также повышения механической жесткости остова трансформатора, технологичности при его изготовлении и сборке магнитопроводы и их разобщенные и пристыкованные стержни образованы из типовых элементов: пластин П-образной формы, или одна часть магнитопроводов Ш-образными пластинами, а другая часть- П-образными, или магнитопроводы выполнены разрезными.

Для расширения пределов применения трансформатора и повышения его конструктивных возможностей между пристыкованными стержнями установлен по меньшей мере один зазор для его использования с целью выполнения различных функциональных нагрузок.

Для повышения интенсивности теплообмена пристыкованных стержней с окружающей средой зазор выполнен вентиляционным, что позволит увеличить удельную нагрузку на трансформатор или при прочих равных условиях снизить его массу и уменьшить габариты.

Для регулирования электромагнитных параметров трансформатора в зазоре установлен сердечник из магнитного материала с возможностью его перемещения параллельно осям пристыкованных стержней, что позволит плавно заполнять пространство зазора магнитной массой. Это также расширит пределы применения трансформатора.

Для перемещения сердечника, установленного в зазоре, трансформатор снабжен механизмом, выполненным, например, в виде кинематической пары "винт-гайка".

Для регулирования электромагнитных параметров трансформатора по меньшей мере одна из секций обмотки установлена с возможностью поворота относительно геометрической оси разобщенного стержня, что позволит изменять угол между магнитными силовыми линиями основного намагничивающего потока и поверхностными электрических контуров, образованных витками секции обмотки. Это также расширит пределы применения трансформатора.

На фиг.1 дан разрез трансформатора, магнитная система которого включает отдельные магнитопроводы, три стержня которых пристыкованы, а три разобщены; на фиг.2 поперечное сечение трансформатора, пристыкованные стержни которого в поперечном сечении образуют геометрическую общую фигуру с прямыми углами; на фиг.3 поперечное сечение трансформатора, между пристыкованными стержнями которого и стенками катушки образованы вентиляционные зазоры; на фиг.4 - поперечное сечение трансформатора, в котором вентиляционный зазор образован между пристыкованными стержнями; на фиг.5 и 6 разрез и поперечное сечение трансформатора, магнитная система которого включает четыре магнитопровода, набранных из П-образных пластин, пристыкованные стержни которых образуют фигуру в виде квадрата, причем между пристыкованными стержнями установлен зазор, а в зазоре размещен сердечник с возможностью его перемещения с помощью механизма; на фиг.7 поперечное сечение трансформатора, магнитная система которого включает четыре магнитопровода, набранных из П-образных пластин, причем стержни двух магнитопроводов имеют прямоугольное сечение, а двух следующих квадратное, два магнитопровода переплетены общими ярмовыми пластинами; на фиг.8 показана схема шихтовки двух магнитопроводов, набранных из П-образных пластин, с помощью общих ярмовых пластин; на фиг.9 поперечное сечение трансформатора, магнитная система которого включает три магнитопровода, один из которых набран из Ш-образных пластин, а два других - из П-образных; на фиг. 10 схема шихтовки этих магнитопроводов; на фиг.11 - разрез трансформатора, магнитная система которого включает четыре магнитопровода, набранных из П-образных пластин; на фиг.12 поперечное сечение трансформатора, стержни которого имеют прямоугольное сечение; на фиг.13 то же, стержни имеют квадратное сечение; на фиг.14 разрез трансформатора, на разобщенных стержнях которого установлены секции одной из обмоток, каждая из которых имеет возможность поворота относительно геометрической оси стержней, например вручную; на фиг.15 поперечное сечение этого трансформатора.

Трансформатор содержит разветвленную магнитную систему, включающую отдельные магнитопроводы 1, первичную обмотку, выполненную в виде секции 2, вторичную обмотку 3, а также элементы крепления, которые с целью упрощения на чертежах не показаны. Магнитная система включает три или более трех отдельных магнитопроводов, одна часть стержней 4 которых пристыкована друг к другу, а другая часть стержней 5 разобщена /фиг.1 -фиг.13/. На каждом разобщенном стержне 5 размещена секция 2 одной из обмоток, например первичной, а на пристыкованных стержнях 4 размещена другая обмотка, например вторичная обмотка 3. Пристыкованные стержни 4 соприкасаются между собой и в поперечном сечении образуют геометрическую общую фигуру с прямыми углами, например, в виде прямоугольника /фиг.2/, квадрата /фиг.7/ или фигуру, имеющую по меньшей мере один зазор 7 /фиг.4/. Зазор 7 может быть использован в качестве вентиляционного канала или для размещения в нем сердечника 6 с возможностью его перемещения с помощью механизма, выполненного, например, в виде кинематической пары типа "винт-гайка".

Возможно исполнение трансформатора, у которого между пристыкованными стержнями 4 и обмоткой 3 образованы вентиляционные зазоры 13 с помощью распорных брусьев 14 /фиг.3/.

Возможно исполнение трансформатора, у которого одна часть пристыкованных стержней 4 в поперечном сечении образуют фигуру в виде прямоугольника, а другая часть в виде квадрата /фиг.9/
Возможно исполнение трансформатора, у которого разобщенные и пристыкованные стержни 5 и 6 соответственно образованы П-образными пластинами 6 /фиг. 1,5,8/.

Возможно исполнение трансформатора, у которого одна часть магнитопроводов, содержащих разобщенные и пристыкованные стержни 5 и 4 соответственно, образована Ш-образными и П- образными пластинами 15 и 16 /фиг.9/.

Возможно исполнение трансформатора, у которого магнитопроводы выполнены разрезными.

Возможно исполнение трансформатора, у которого по меньшей мере одна из секций 2 обмотки установлена с возможностью поворота относительно геометрической оси разобщенного стержня 5 /фиг.14,15/.

Трансформатор работает следующим образом.

Если на обмотку 3 /фиг.1/, охватывающую пристыкованные стержни 4 подать напряжение, то в ее витках начнет протекать электрический ток, который создаст основной намагничивающий поток Ф1. Магнитные силовые линии потока будут замыкаться по путям, определяемым формой магнитопроводов 1. Например, для трансформатора, изображенного на фиг.1, магнитный поток замыкается по пути: пристыкованный стержень 4, ярмовая часть П-образной пластины 6, разобщенный стержень 5, ярмовая пластины 12 и вновь пристыкованный стержень 4. Магнитный поток, проходя по разобщенным стержням 5, наведет в витках секций 2 обмотки ЭДС, а на их концах возникнут напряжения 1 2 и 3. Если соединить концы секций 2 последовательно и согласно, то можно получить напряжение, равное сумме указанных напряжений. Поскольку секции 2 обмотки разобщены, то обмотка имеет развитую поверхность для теплообмена с окружающей средой, благодаря чему трансформатор будет находиться в облегченном тепловом режиме. Облегченный тепловой режим работы трансформатора позволит повысить передаваемую им мощность, что будет соответствовать снижению удельных массогабаритных и энергетических показателей трансформатора.

В трансформаторе, имеющем зазоры 7 /фиг.3,4/, тепловой режим во время его работы будет более благоприятным, т.к. вентиляционные потоки воздуха будут охлаждать как пристыкованные стержни 4, так и обмотку 3.

Трансформатор, изображенный на фиг.5,6, работает аналогично, однако в нем благодаря установленному механизму для перемещения сердечника 8, выполненного в виде кинематической пары "винт-гайка", можно регулировать выходное напряжение. Для этого за хвостовик 10 вращают винт 9. Т.к. пята 11 не позволяет перемещаться винту 9 вдоль оси пристыкованных стержней 4, то при вращении винта 9 будет перемещаться сердечник 8. При этом будет меняться коэффициент заполнения окна обмотки 3 ферромагнитной массой и, следовательно, индуктивность трансформатора, что приведет к изменению выходного напряжения.

Регулирование выходного напряжения трансформатора /фиг.5,6/ производится следующим образом.

Если секция 24 одной из обмоток занимает положение, при котором ее геометрическая ось параллельна оси разобщенного стержня 5, то нормальная составляющая магнитного потока, пронизывающего поверхность контуров, образованных витками этой секции, будет максимальной. В соответствии с этим напряжение на концах секции будет также максимальным. При повороте секции 24 на угол относительно геометрической оси стержня 5 нормальная составляющая магнитного потока уменьшится. В соответствии с этим напряжение на концах секции также уменьшится. Поворот секции 24 может быть осуществлен вручную.

По второму варианту для достижения вышеуказанного технического результата в известном трансформаторе, содержащем разветвленную магнитную систему, выполненную из трех или более отдельных магнитопроводов, пристыкованных друг к другу стержнями, первичную и вторичную обмотки, размещенные на двух пристыкованных стержнях, и элементы крепления, обе обмотки выполнены секционированными, все стержни магнитопровода плоскостями пристыкованы друг к другу попарно и вместе с ярмами в плане образуют замкнутый многоугольник с прямыми углами, причем секции обмоток расположены на пристыкованных стержнях. Пристыкованные стержни магнитопроводов, которые вместе с ярмами в плане образуют замкнутый многоугольник с прямыми углами, позволяют увеличить теплообменную поверхность обмоток, уменьшить тепловую нагрузку на них и при прочих равных условиях снизить сопротивление обмоток и тепловые потери, а также выполнить их унифицированными.

Установка секций обмоток на противоположных пристыкованных стержнях с зазором позволяет дополнительно увеличить их теплообменную поверхность и тем самым улучшить тепловой режим трансформатора.

Для достижения указанного технического результата, а также повышения механической жесткости остова трансформатора, технологичности при его изготовлении и сборке магнитопроводы выполнены из типовых элементов: пластин П-образной формы или одна часть магнитопроводов образована Ш-образными пластинами, а другая часть -П- образными или магнитопроводы выполнены разрезными.

На фиг. 16 показан главный вид на трансформатор, магнитная система которого включает шесть отдельных магнитопроводов, все стержни которых пристыкованы друг к другу попарно; на фиг.17 вид сверху на тот же трансформатор, причем пристыкованные стержни которого вместе с ярмами образуют в плане замкнутый многоугольник с прямыми углами; на фиг.18 вид на трансформатор, у которого секция обмоток установлены на противоположных пристыкованных стержнях с зазором; на фиг.19 вид на тот же трансформатор, у которого попарно пристыкованные стержни вместе с ярмами образуют ступенчатый многоугольник с прямыми углами; на фиг.21 то же, вид сверху.

Трансформатор и его исполнения содержат разветвленную магнитную систему, включающие отдельные магнитопроводы 1, первичную и вторичную обмотки, выполненные в виде секций 2 и 3 соответственно, а также детали крепления, выполненные в виде прессующих балок 17, стягивающих шпилек 18 и гаек 19 /фиг.16 -19/. Магнитная система трансформаторов, изображенных на фиг.16 -19, включает шесть отдельных магнитопроводов 1, стержни 4 которых плоскостями пристыкованы друг к другу /фиг.17,19,20,21/. Пристыкованные стержни 4 вместе с ярмами в плане образуют замкнутый многоугольник с прямыми углами, например, в виде прямоугольника /фиг.17/ или квадрата /фиг.19/, или фигуру ступенчатой формы /фиг.21/. На пристыкованных стержнях установлены секции обмоток 2 и 3, например, без зазора между ними /фиг.16,17/,или с зазором /фиг.19,20/, что позволяет получить увеличенную поверхность для теплообмена обмоток с окружающей средой.

Возможно исполнение трансформаторов, у которых пристыкованные стержни 4 могут быть образованы: П-образными пластинами, Ш-образными и П-образными пластинами, разводными магнитопроводами, соединенными в стык /фиг.20,21/. Разрезные магнитопроводы, состоящие из полумагнитопроводов /фиг.20,21/ могут быть стянуты, например, с помощью накладок 21, болтов 22, и гаек 23.

Трансформатор работает следующим образом.

Если на первичную обмотку, охватывающую пристыкованные стержни 4, подать напряжение от источника питания, то согласно закону электромагнитной индукции во вторичной обмотке возникнет ЭДС, а на ее концах напряжение. В нагруженном трансформаторе за счет протекания электрического тока будут возникать тепловые потери, которые рассеиваются в окружающую среду. Их величина или теплоотдача от нагретых частей трансформатора пропорциональна величине поверхности, контактирующей с окружающей средой. Поскольку магнитная система и обмотки трансформатора имеют развитую поверхность, то теплоотдача с его поверхности будет происходить более интенсивно, в связи с чем температура обмоток и магнитопроводов будет пониженной, что улучшит тепловой режим работы трансформатора. Это позволяет при прочих равных условиях повысить передаваемую им мощность или надежность его работы, или снизить массогабаритные показатели. Кроме того, повышается степень унификации магнитопроводов и обмоток, упрощается технология изготовления отдельных узлов трансформатора и его сборки.

Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к электрическим трансформаторам. Сущность: в трансформаторе магнитная система выполнена расщепленной на магнитопроводы 1, одна часть стержней которых объединена, а другая часть стержней 5 разобщена. На разобщенных стержнях 5 распределены витки обмотки 2. Варианты выполнения изобретения содержат различные комбинации магнитной системы и объединения стержней 4 и ярм : попарное объдинение стержней 4 с образованием совместно с ярмами замкнутого контура с прямыми углами, попарное объединение ярм с установкой их вертикально или горизонтально, выполнение магнитопроводов 1 из разнотипных пластин, объединение стержней 4 с зазорами, с подвижным сердечником из ферромагнитного материала, с поворачивающей обмоткой относительно геометрической оси стержней 5, с поперечным сечением стержней 4 и 5 и обмоток 2 и 3 в форме квадратов, что позволяет создать трансформатор, обладающий пониженным массогабаритными показателями за счет снижения коэффициента превышения потерь, упрощенной технологией изготовления, свойствами унификации и расширенной областью применения. 2 с. и 16 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Трансформатор, содержащий разветвленную магнитную систему, выполненную из трех и более отдельных магнитопроводов, имеющих пристыкованные друг к другу стержни и разобщенные стержни, первичную и вторичную обмотки, размещенные на двух пристыкованных стержнях, и элементы крепления, отличающийся тем, что одна из обмоток выполнена в виде секций, каждая из которых размещена на отдельном разобщенном стержне. 2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что пристыкованные стержни в поперечном сечении образуют общую геометрическую фигуру с прямыми углами. 3. Трансформатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что пристыкованные стержни в поперечном сечении образуют общую фигуру в виде квадрата. 4. Трансформатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что пристыкованные стержни образуют общую фигуру в виде прямоугольника. 5. Трансформатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что одна часть пристыкованных стержней в поперечном сечении образует фигуру в виде прямоугольника, а другая часть в виде квадрата. 6. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что разобщенные и пристыкованные стержни образованы П-образными пластинами. 7. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что одна часть магнитопроводов образована Ш-образными пластинами, а другая часть П-образными. 8. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что магнитопроводы выполнены разрезными. 9. Трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что между пристыкованными стержнями выполнен по меньшей мере один зазор. 10. Трансформатор по п.9, отличающийся тем, что в зазоре установлен сердечник из магнитного материала с возможностью его перемещения параллельно осям пристыкованных стержней. 11. Трансформатор по п.10, отличающийся тем, что он снабжен механизмом для перемещения сердечника, установленного в зазоре. 12. Трансформатор по п.9, отличающийся тем, что зазор выполнен вентиляционным. 13. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из секций обмотки установлена с возможностью поворота относительно геометрической оси разобщенного стержня. 14. Трансформатор, содержащий разветвленную магнитную систему, выполненную из трех и более отдельных магнитопроводов, пристыкованных друг к другу стержнями, первичную и вторичную обмотки, размещенные на двух пристыкованных стержнях, и элементы крепления, отличающийся тем, что обе обмотки выполнены секционированными, а все стержни магнитопроводов своими плоскостями пристыкованы друг к другу попарно и вместе с ярмами в плане образуют замкнутый многоугольник с прямыми углами, причем секции обмоток расположены на пристыкованных стержнях. 15. Трансформатор по п.14, отличающийся тем, что секции обмоток установлены на противоположных пристыкованных стержнях с зазором. 16. Трансформатор по п.14, отличающийся тем, что пристыкованные стержни образованы П-образными пластинами. 17. Трансформатор по п.14, отличающийся тем, что одна часть пристыкованных стержней образована Ш-образными пластинами, а другая часть - П-образными. 18. Трансформатор по п.14, отличающийся тем, что магнитопроводы выполнены разрезными.