ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2001 года по МПК H01F19/04 H05B6/04 

Настоящее изобретение относится к электротермии, в частности, к индукционному нагреву, и может быть использовано для согласования источника питания высокой частоты с низкоомной нагрузкой, а также для регулирования режима нагрева.

Известен трансформатор галетного типа с замкнутым магнитопроводом [1]. Галета состоит из дисковой первичной обмотки, изолированной термостойкой изоляцией и залитой алюминием. Заливка образует виток вторичной обмотки. Изменение коэффициента трансформации производится переключением витков первичной и вторичной обмоток. Недостатком указанного устройства является сложность его изготовления, ограничение по частоте до 10 кГц и снижение КПД при уменьшении коэффициента мощности индуктора.

Известен трансформатор для высокочастотного нагрева с незамкнутым ферритовым сердечником [2] , недостатком которого является узкий диапазон его использования при высокочастотном нагреве с небольшим изменением индуктивностей нагрузок (не более чем в 2-3 раза) ввиду резкого снижения КПД при работе в более широком диапазоне изменения параметров.

Известен высокочастотный трансформатор [3], содержащий первичную обмотку, выполненную в виде спиральной катушки, и вторичную одновитковую обмотку, соединенную последовательно с первичной и имеющую дополнительные выводы для подключения нагрузки. Трансформатор имеет элементы из ферромагнитного или электропроводного материала, установленные внутри обмоток ассиметрично с возможностью перемещения вдоль обмоток. Недостатком указанного устройства является более низкий КПД, чем у трансформаторов других типов, и узкий диапазон изменения нагрузок.

Прототипом настоящего изобретения следует считать трансформатор для высокочастотного нагрева с дисковыми обмотками и замкнутым магнитопроводом [4], в котором путем переключения дисков первичной и вторичной обмоток возможно менять коэффициент трансформации в широких пределах. Основным недостатком устройства по прототипу является ограничение его использования в диапазоне частоты тока до 10 кГц. Это происходит потому, что при повышении частоты тока свыше 10 кГц резко увеличиваются потери в магнитопроводе, который выполнен из листовой электротехнической стали. Другим недостатком устройства по прототипу следует считать сложность конструкции и повышенные потери в выводах вторичной обмотки и контактных приспособлениях для переключения дисков. Повышенные потери во вторичной обмотке возникают из-за того, что ток во вторичной обмотке протекает вследствие эффекта близости по узким сторонам диска, обращенным друг к другу.

В связи с указанными техническими и технологическими недостатками использования устройства по прототипу существует задача создания устройства, работающего в более широком диапазоне изменения частоты тока, осуществляющего согласование высокочастотного источника питания с нагрузкой, в том числе с низкоомной нагрузкой, с возможностью плавного регулирования режима работы при изменении параметров нагрузки, обладающего при этом простотой конструкции и эксплуатации, при снижении массогабаритных показателей и улучшении энергетических параметров.

Поставленная задача решается авторами следующим образом.

В известном устройстве, высокочастотном трансформаторе для индукционного нагрева, содержащем дисковые обмотки и магнитопровод, первичную дисковую обмотку выполняют из двух частей, вторичную обмотку выполняют состоящей из двух последовательно соединенных листовых витков с отверстиями, в которые частично или полностью вставлен магнитопровод, причем части первичной обмотки располагают над внешними поверхностями листов вторичной обмотки и соединяют с ними кондуктивно последовательно, а магнитопровод выполняют с возможностью перемещения вдоль оси обмоток и/или снабжают катушкой подмагничивания.

Технический результат от применения предлагаемого устройства состоит в возможности его применения при частоте тока как до 10 кГц, так и более, в возможности согласования высокочастотного источника питания с нагрузкой, включая низкоомную нагрузку, а также в упрощении конструкции и снижении стоимости при повышении энергетических показателей, таких как КПД, коэффициент связи и др.

Основным техническим преимуществом настоящего изобретения по сравнению с прототипом является возможность его применения в широком диапазоне изменения частоты тока за счет того, что потери во вторичной обмотке малы из-за большой ширины пути протекания тока и малого зазора, потери во вторичной обмотке малы благодаря вытеснению тока к центру обмотки магнитопроводом, а потери в магнитопроводе малы благодаря применению для его изготовления магнитодиэлектрических материалов с малыми потерями, в частности высокочастотного феррита. При больших мощностях все элементы конструкции трансформатора легко выполнить водоохлаждаемыми.

Другим техническим преимуществом настоящего изобретения по сравнению с прототипом является возможность плавного регулирования режима работы и поддержания оптимального согласования высокочастотного источника питания при изменении параметров нагрузки в широком диапазоне, включая низкоомную нагрузку. Это происходит благодаря тому, что согласование осуществляется изменением сопротивления обмоток трансформатора путем перемещения магнитопровода относительно обмоток и/или путем изменения тока намагничивания катушки, надетой на магнитопровод.

Техническим преимуществом настоящего изобретения по сравнению с прототипом является также уменьшение массогабаритных показателей, упрощение конструкции, удобство при эксплуатации и ремонте, благодаря чему достигается удешевление предлагаемого устройства за счет уменьшения расхода дорогостоящих материалов обмоток и магнитопровода. Это происходит благодаря тому, что из-за малой величины зазора между первичной и вторичной обмотками магнитопровод можно значительно уменьшить в размерах, поместив его в отверстие в обмотках, таким образом, предлагаемая конструкция позволяет уменьшить размеры магнитопровода, увеличить его эффективность.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых схематически изображен высокочастотный трансформатор: на фиг. 1 - вид устройства с продольным разрезом; на фиг. 2 - вид сверху по А.

На чертежах показано: 1 - первичная дисковая обмотка, витки которой изолированы друг от друга и от витков вторичной обмотки; 2 - вторичная обмотка, состоящая из двух листовых витков с отверстием; 3 - магнитопровод, имеющий возможность перемещения в отверстии относительно первичной и вторичной обмоток; 4 - катушка подмагничивания; 5 - изоляция, препятствующая контактированию витков вторичной обмотки друг с другом; 6 - выводы подключения первичной обмотки к высокочастотному источнику питания; 7 - выходные шины вторичной обмотки, подсоединяемые к нагрузке (нагрузка не показана).

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При подключении источника высокочастотной энергии к выводам 6 первичной обмотки 1 по ней течет ток, создающий магнитный поток, сцепленный с витками вторичной обмотки 2 и проходящий по магнитопроводу 3, вставленному в отверстия в обмотках и имеющему возможность перемещения вдоль оси отверстий, изменяя величину магнитного сопротивления потоку. Во вторичной обмотке наводится ЭДС, под действием которой во вторичной обмотке 2 течет ток, величина которого зависит от состояния ее выводов 7. Если к выводам 7 подключена нагрузка (не показана), ток во вторичной обмотке равен сумме тока нагрузки и тока первичной обмотки. Из-за малого расстояния между витками вторичной обмотки и большой ширины пути протекания тока активное сопротивление и индуктивность вторичной обмотки могут иметь очень малую величину даже при большой частоте тока. Индуктивность первичной и вторичной обмоток может изменяться плавно в широких пределах путем перемещения магнитопровода и/или изменяя ток в катушке подмагничивания и надетой на магнитопровод 3, что позволяет использовать устройство в широком диапазоне изменения нагрузки и частоты тока источника.

Пример реализации изобретения
Изготовлен высокочастотный трансформатор для согласования источника питания мощностью 10 кВт и частотой тока 66 кГц с петлевым индуктором для пайки. Индуктивность нагрузки составляет 0,06 μГн.

Массогабаритные и энергетические параметры трансформатора приведены в таблице.

Напряжение на первичной обмотке составляет 800 В, ток первичной обмотки 20 А. Напряжение на вторичной обмотке 17,4 В, ток вторичной обмотки 325 А. Магнитопровод выполнен из феррита 2000 Н μ. Режим нагрева и мощность, передаваемая индуктором в деталь, регулируется двумя способами:
1) перемещением магнитопровода вдоль оси обмоток;
2) изменением тока в катушке подмагничивания, надетой на магнитопровод. Катушка запитывается от внешнего стандартного регулируемого источника питания напряжением от 0 до 30 В с током до 2,5 А.

Данный образец высокочастотного трансформатора подтвердил все технические преимущества настоящего изобретения.

Источники информации
1. Шамов А. Н., Бодажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Издание 2-е, Л.: Машиностроение, 1974, 280 с.

2. Пейсахович В.А., Мирский Н.Л. Высокочастотный трансформатор с незамкнутым ферритным сердечником. Промышленное применение токов высокой частоты. Вып. 11. Л.: Машиностроение, 1965, 320 с.

3. А. с. N 1488885, кл. H 01 F 19/04. Бюл. 23.

4. Вологдин Bс.В. Трансформаторы для высокочастотного нагрева. Вып. 7. Издание 3-е. М.-Л.: Машиностроение. 1965, 100 c.

Изобретение относится к электротермии, в частности к индукционному нагреву. Сущность изобретения заключается в том, что высокочастотный трансформатор содержит выполненную из двух частей первичную дисковую обмотку, вторичную обмотку, состоит из двух последовательно соединенных листовых витков с отверстиями, в которые частично или полностью вставлен магнитопровод, причем части первичной обмотки располагают над внешними поверхностями листов вторичной обмотки и соединяют с ними кондуктивно последовательно, а магнитопровод выполняют с возможностью перемещения вдоль оси обмоток или снабжают катушкой подмагничивания. Изобретение уменьшает потери в магнитопроводе и выводах вторичной обмотки и упрощает конструкцию. 2 ил., 1 табл.

Высокочастотный трансформатор для индукционного нагрева, содержащий дисковые обмотки и магнитопровод, отличающийся тем, что первичную дисковую обмотку выполняют из двух частей, вторичную обмотку выполняют состоящей из двух последовательно соединенных листовых витков с изоляцией, препятствующей контактированию витков вторичной обмотки друг с другом, при этом обе обмотки выполняют с отверстиями, в которые частично или полностью вставляют магнитопровод, причем части первичной обмотки располагают над внешними поверхностями листов вторичной обмотки и соединяют с ними кондуктивно последовательно, а магнитопровод выполняют с возможностью перемещения вдоль оси обмоток или снабжают катушкой подмагничивания.