ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ АППАРАТ С ОРТОГОНАЛЬНЫМИ МАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ Российский патент 1997 года по МПК H01F30/10 H01F27/24 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к статическим преобразователям энергии. Оно может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, где требуются уменьшенная масса и габариты для преобразования напряжения, рода тока, числа фаз, вращения фазы на определенный угол и др.

Известен опорный элемент для стабилизации тока и напряжения (аналог) [1] Подобные устройства применяются в радиотехнике и промышленной электронике. Магнитные системы изготавливаются из феррита (оксифера) по порошковой технологии с последующим прессованием и обжигом. Они используются на высоких частотах. В силовой электротехнике на частотах от 50 до 500 Гц ферриты (оксиферы) не используются, а используются магнитопроводы из электротехнической стали иной конструкции.

Известен однофазный броневой трансформатор (аналог) [2] Недостатки этой конструкции: оба торцовых ярма имеют форму желобчатого кольца, что усложняет их изготовление. Трансформатор имеет одну пару обмоток, один рабочий поток. Второй пары обмоток и двух ортогональных магнитных потоков нет. Трансформатор трансформирует только однофазный переменный ток.

Известен трансформатор с ортогональными магнитными полями (прототип) [3] Магнитопровод этого устройства состоит из 8 деталей и сопрягается по 12 стыкам, что создает асимметрию по величине ортогональных магнитных потоков и намагничивающих токов. Внутренняя пара обмоток имеет в плане 4 изгиба каждого витка под углом 90^o, что может привести к повреждению изоляции обмоточного провода, особенно больших сечений. В поперечном сечении вторая пара обмоток имеет форму половины круга, что требует применения специальных оправок и преодоления ряда трудностей при изготовлении обмоток на токи 30.200 А. Первая пара обмоток вматывается на магнитопровод концентрированно в виде двух сосредоточенных обмоток.

Цель изобретения повышение надежности за счет уменьшения изгиба проводников внутренней пары обмоток при увеличении угла больше 90^o, упрощение изготовления второй (внутренней) пары обмоток, уменьшение потоков рассеяния в стыках, уменьшение асимметрии по величине ортогональных магнитных потоков и намагничивающих токов.

Указанная цель достигается использованием прямоугольного в сечении коробчатого полого пространственного магнитопровода в форме правильного полого многоугольника из наборов электротехнической стали, имеющих вставки в форме полых правильных многоугольников, намотанных из ленты электротехнической стали, уменьшающих потоки рассеяния в стыках.

Предлагаемое устройство изображено на фиг. 1, продольный разрез, а ступенчатый разрез по ABCD на фиг.2, условное обозначение на электрических схемах изображено на фиг.3, примеры использования на фиг. 4 7.

Устройство состоит из пространственного полого магнитопровода, составленного из деталей коробчатой формы 1, фиг. 1 и 2, из электротехнической стали, образующих правильный полый многоугольник (пятиугольник, шестиугольник). На фиг. 1 приведен правильный пятиугольник. Больше шестиугольника магнитопровод делать не целесообразно, т.к. угол изгиба проводов внутренней пары обмоток с 110^o при пятиугольнике увеличивается при шестиугольнике всего на 10^o и достигает 120^o. Число же деталей 1, образующих правильный многоугольник, и число стыков увеличивается. К полому коробчатому магнитопроводу, образованному деталями 1, примыкают детали 2 и 3, намотанные из ленты электротехнической стали, примыкающие к деталям 1 с наружной и внутренней сторон. Они шунтируют поля рассеяния вертикальных и горизонтальных стыков. Внутри коробчатого полого магнитопровода первая пара обмоток однофазного трансформатора: первичная обмотка 4 и вторичная 5. Первая пара обмоток 4, 5 имеет форму или полого кругового полого цилиндра (как показано на фиг. 2) или полой многогранной призмы. В этом случае коэффициент заполнения окна магнитопровода увеличивается примерно на 16^o. Угол изгиба провода в случае правильного пятиугольника равен 110^o, шестиугольника - 120^o, что не повреждает изоляцию обмоточного провода при изгибе и повышает надежность устройства.

Поверх магнитопровода (детали 1, 2, 3) тороидально (распределенно) наматывается вторая пара обмоток однофазного трансформатора: первичная обмотка 6, вторичная 7. Для плавного изгиба обмоточных проводов второй пары обмоток на деталях 2, 3 помещены закладные части 8 из дерева или пластмассы.

Условное обозначение электромагнитного статического аппарата с ортогональными магнитными полями приведено на фиг. 3. Схемы его включения и практического применения даны на фиг. 4.7. На фиг. 4 изображена схема включения в однофазную сеть переменного тока. На фиг. 5 в трехфазную сеть по схеме "открытого треугольника". Схема для преобразования трехфазного тока в двухфазный и наоборот (схема Скотта) на фиг. 6. Схема преобразования однофазного тока в трехфазный на фиг. 7 и т.д.

Электромагнитный статический аппарат работает следующим образом. Первичные обмотки 4, 6 подключаются к однофазному или трехфазному (а также двухфазному) напряжению питающей сети. Токи, протекающие по первичным обмоткам, создают магнитные потоки, ортогональные между собой, и не влияют друг на друга. Эти потоки наводят во вторичных обмотках 5, 7 ЭДС и, если вторичные обмотки будут замкнуты на нагрузку Z_н, в нагрузке будет протекать ток. Выполнение двух независимых однофазных трансформаторов на одном магнитопроводе с ортогональными магнитными полями позволяет снизить массу и габариты. Однако ортогональные магнитные системы имеют разное количество стыков, на которых имеют место магнитные поля рассеяния, а это приводит к асимметрии магнитных потоков по величине и намагничивающих токов. Чтобы значительно уменьшить этот недостаток, в предлагаемом устройстве использованы детали магнитопровода 2 и 3. Эти детали шунтируют как вертикальные, так и горизонтальные стыки, выравнивая величины магнитных потоков и намагничивающих токов.

Поведение ферромагнитного материала при намагничивании его в других взаимно перпендикулярных направлениях имеет свою специфику. Если по одной ортогональной обмотке протекает ток и создается магнитное поле, полностью насыщающее магнитопровод, тогда по отношению к другой (ортогональной) обмотке, при условии, что ее поле недостаточно, чтобы разориентировать домены, магнитопровод ведет себя аномально: имеет низкую магнитную проницаемость и потери, близкие к нулю. При отсутствии насыщения магнитопровод нормально проявляет свои магнитные свойства.

На фиг. 4 показана схема включения статического аппарата (двух однофазных магнитно не связанных трансформаторов на одном магнитопроводе) для трансформации напряжения в однофазных сетях. Как показано на фиг. 4, первичные обмотки 4 и 6 включены параллельно в питающую сеть переменного тока, а вторичные обмотки 5 и 7 включены параллельно на общую нагрузку. Можно включать обмотки 4 и 6 параллельно, а 5 и 7 последовательно; 4 и 6 последовательно, а 5 и 7 параллельно и, наконец, включать обмотки 4 и 6 и 5 и 7 последовательно.

На фиг. 5 приведена схема включения статического аппарата в трехфазную сеть (фазы A, B, С), когда первичные 4 6 и вторичные обмотки 5 и 7 соединены по схеме "открытого треугольника". Первичные обмотки включены в питающую трехфазную сеть, а вторичные на трехфазную нагрузку (фазы a, b, c).

На фиг. 6 изображена схема включения статического аппарата в трехфазную сеть (фазы А, В, С), когда первичные обмотки 4 и 6 включены по "схеме Скотта", а вторичные обмотки 5 и 7 питают двухфазную нагрузку со сдвигом фаз в 90^o. Эта схема позволяет осуществлять и обратное преобразование фаз и напряжения. В этом случае подводится двухфазное напряжение, а получается трехфазное напряжение (схема фиг. 7).

На фиг. 8 приведена схема включения статического аппарата в однофазную сеть для преобразования однофазного напряжения в трехфазное и питания трехфазной нагрузки. Для сдвига фазы в обмотке 5, близкого по углу к 90^o, использован конденсатор С.

Источники информации
1. Авт. свид. СССР N 114949, кл. Н01F 40/08, 1955.

2. Авт. свид. СССР N 1332395, кл. Н 01F 27/30, 1987
3. Авт. свид. СССР N1467582, кл.Н01F 27/25, 1989.

Использование: в электротехнике, в частности в статических преобразователях энергии. Оно может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, где требуются уменьшенная масса и габариты для преобразования напряжения, рода тока, числа фаз, вращения фазы на определенный угол и т.д. Сущность: электромагнитный аппарат имеет прямоугольный в сечении коробчатый полый пространственный магнитопровод в форме правильного полого многоугольника из наборов 1 электротехнической стали и имеет вставки 2, 3 в форме правильных полых многоугольников, намотанных из ленты электротехнической стали, уменьшающих потоки рассеяния в сопрягаемых стыках. Аппарат позволяет получить на одном магнитопроводе два однофазных трансформатора, электромагнитно не связанных друг с другом, что позволяет расширить область его применения. Одна пара обмоток 4, 5 расположена внутри коробчатого магнитопровода, а другая пара обмоток 6, 7 намотана поверх коробчатого магнитопровода. 8 ил.

Электромагнитный аппарат с ортогональными магнитными полями, содержащий полый пространственный магнитопровод и две пары обмоток, отличающийся тем, что пространственный полый магнитопровод имеет в плане форму правильного полого многоугольника, собранного из наборов электротехнической стали, к которому прилегают намотанные из ленты электротехнической стали вставки в форме правильных полых многоугольников, а полость внутри пространственного магнитопровода имеет в поперечном сечении форму прямоугольника.