ОДНОФАЗНЫЙ БРОНЕВОЙ ТРАНСФОРМАТОР (РЕАКТОР) Российский патент 2003 года по МПК H01F30/10 

Заявляемое изобретение относится к области электротехники и энергетики, в частности к трансформаторостроению.

Известны трансформаторы (реакторы) броневого типа [1], [2], [3], в которых обмотки расположены на центральных стержнях двух витых сердечников, образующих магнитопровод. Такую конструкцию имеют унифицированные трансформаторы питания типов ТА, ТН, ТАН, ТПП, ТБС и другие. Однако они обладают небольшой относительно объема поверхностью охлаждения и тем меньше, чем больше мощность трансформатора. Это объясняет тот факт, что унифицированные трансформаторы ограничены мощностью в один киловатт. Тем более, что экранирование обмотки магнитопроводом снижает габаритную мощность трансформатора (реактора).

Например, однофазный броневой трансформатор [4] содержит обмотки, размещенные в магнитной системе, образованной двумя сердечниками в виде полых концентрических цилиндров одинаковой высоты и ярмами, размещенными на торцах сердечников. Недостатком его является полное экранирование обмоток сердечниками, что существенно снижает условия охлаждения по сравнению с трансформатором унифицированных серий, а следовательно, и габаритную мощность.

Также известен "броневой трансформатор с радиально расположенными листами стали и круглыми обмотками" [5], в котором главной решаемой задачей является существенное снижение потерь в стали сердечника от потоков рассеяния обмоток. Основным недостатком такой конструкции является использование шихтованных сердечников магнитопровода, что снижает технологичность трансформатора, так как шихтование является трудоемкой операцией и обычно выполняется вручную. Кроме того, шихтованные магнитопроводы имеют существенные поля рассеяния в местах стыковки отдельных пластин, неполно используют магнитные свойства текстурированных сталей и являются источниками шума и вибрации.

Наиболее близким аналогом (прототипом) к заявляемому изобретению является броневой трансформатор "с кольцевой цилиндрической катушкой и радиально расположенными по ее периметру П-образными разъемными ленточными сердечниками" [6, с.46]. Существенным признаком этого трансформатора является магнитопровод, образованный n>2 витыми разрезными сердечниками, расположенными радиально охватываемым цилиндрическим обмоткам, которые размещены в полости, образованной сердечниками и их окнами. Главной решаемой задачей в прототипе является возможность интенсивно использовать магнитные свойства сердечников за счет сильно развитой поверхности охлаждения магнитопровода как на повышенных и ультразвуковых частотах, так и на предельных значениях индукции для токов промышленной частоты.

Основными недостатками прототипа являются использование кольцевой цилиндрической катушки, в которой размещены обмотки, как основного несущего элемента, обеспечивающего механические характеристики трансформатора, и низкий коэффициент заполнения окна катушки сталью. Кроме того, катушка экранирует тепловой поток обмотки, поскольку изготовляется из электроизоляционного материала, как правило, обладающего низкой теплопроводностью (кроме брокерита), снижая габаритную мощность трансформатора. В прототипе П-образные половинки витых разрезных сердечников охватываются и скрепляются отдельными ленточными бандажами, т.е. используется способ стяжки металлической лентой, а образовавшиеся секции магнитопровода фиксируются радиальными пазами на боковых поверхностях катушки, что не обеспечивает жесткость трансформатора, его вибро- и ударопрочность, а также может служить источником шума и вибрации.

Электромагнитная мощность, потери или коэффициент полезного действия, массогабаритные размеры, определяемые в основном расходом активных материалов (стали и меди), и перегрев элементов конструкции трансформатора, определяющий его ресурс, находятся в функциональных связях. Из теории трансформаторостроения [2] , [5] хорошо известно, что, во-первых, габаритная (эквивалентная) мощность Р_э трансформатора пропорциональна произведению сечения магнитопровода Q_c на площадь окна Q_o:
Р_э=k_э•Q_с•Q_о, (1)
где k_э= k₁•k_c•k_м•В_м•j•f; k₁ - коэффициент, зависящий от размерностей физических величин; k_c - коэффициент заполнения магнитопровода сталью; k_м - коэффициент заполнения окна медью; В_м - максимальная индукция стали; j - плотность тока; f - частота питающего напряжения, во-вторых, затраты меди напрямую определяются средней длиной витка, то есть величиной, пропорциональной Q_c, и числом витков на один вольт
N₀=1/k₁•B_м•Q_c•f, (2)
в-третьих, температура перегрева ΔT при неизменных условиях охлаждения и величина потерь мощности ΔP = ΔP_м+ΔP_ст в меди ΔP_м и стали ΔP_ст определяются геометрией трансформатора и поверхностью охлаждения S_охл:

где k_г - коэффициент, учитывающий условия охлаждения и геометрию, и, в-четвертых, ток намагничивания как основная часть тока холостого хода определяется индуктивностью катушки с замкнутым магнитопроводом:

где k_l - коэффициент, зависящий от размерностей физических величин и геометрии трансформатора; μ - относительная магнитная проницаемость стали; N - число витков обмотки; l_с - средняя длина силовой линии магнитопровода, то есть полнотой использования свойств стали (μ).

Задача заявляемого изобретения состоит в уменьшении расхода активных материалов (электротехнической стали и обмоточного провода) и повышении жесткости и технологичности конструкции трансформатора (реактора), обеспечивающей заданный перегрев и уровень вибрации и шума.

Предлагаемое изобретение содержит общие с прототипом признаки: магнитопровод, образованный n>2 витыми разрезными сердечниками, расположенными радиально, и обмотки, которые выполнены цилиндрическими и размещены в полости, образованной сердечниками и их окнами. От прототипа заявляемое изобретение отличается тем, что в качестве магнитопровода используются витые разрезные сердечники со специальной формой поперечного сечения, которые скреплены одной стяжкой из листа электротехнической стали, используемой в качестве активного материала (стали), а также бандаж из листового теплопроводного материала, который, будучи плотно посаженным на внешнюю поверхность магнитопровода, придает трансформатору окончательную жесткость и прочность, при этом бандаж выполнен с ребрами ожлаждения в виде высеченных их него лепестков, отогнутых внутрь.

Специальная форма поперечного сечения сердечников реализуется с помощью скосов на внешней стороне их боковых граней, которые плотно прилегают друг к другу в собранном магнитопроводе, образуя практически сплошную область прямой полой призмы, причем ее внутренняя поверхность прижата к наружной призматической поверхности стяжки. Смещению сердечников препятствуют: в аксиальном направлении - в основном стяжка, в радиальном направлении - стяжка и бандаж, а в тангенциальном направлении - бандаж и практически сплошная призматическая область магнитопровода. Это обеспечивает прочность и технологичность конструкции, а также снижает вибрацию и шум трансформатора.

При осуществлении предлагаемого изобретения может быть получена экономия стали в 1,4-2,2 раза и меди в 1,3-1,1 раза.

На фиг.1 показана конструкция двухобмоточного броневого трансформатора с радиальным размещением витых разрезных сердечников, скрепленных стяжкой и бандажом, где 1 - витой разрезной сердечник, 2 - обмотки, 3 - стяжка из электротехнической стали, 4 - место разъема сердечника, 5 - стягивающий узел, 6 - бандаж, 7 - лепестки охлаждения, 8 - электроизолирующий зазор.

На фиг. 2 приведена примерная улучшенная форма поперечного сечения сердечника со скосами на внешней стороне.

На фиг.3 показан вариант выполнения обмотки с прямолинейными участками, где 1 - разъемные ленточные сердечники, 2 - обмотки, 11 - сплошная область прямой полой призмы.

На фиг.4а показана развертка стяжки из листа электротехнической стали, а на фиг. 4б - ее состояние перед сборкой трансформатора, где 3.1 - разрезы листа трансформаторной стали, 3.2 - ленточные лепестки шириной h, 3.3 - места сгиба под углом 360^o/n, где n - количество сердечников.

Конструкция однофазного броневого трансформатора, служащего для статического преобразования электрической энергии напряжения одной величины в напряжение другой величины на переменном токе одной питающей частоты, включает магнитопровод, состоящий из n>2 витых разрезных сердечников 1, расположенных радиально относительно обмоток 2 как показано на фиг.1. По сравнению с унифицированными броневыми трансформаторами, имеющими два витых разрезных сердечника (n= 2), в заявляемой конструкции их число больше двух (n>2). При n>2 достигается увеличение площади сечения сердечника магнитопровода Q_c при заданной площади окна Q_o или длины средней силовой линии l_с и поверхности охлаждения сердечников S_охл, что согласно формулам (1)-(4) обеспечивает увеличение габаритной мощности или уменьшение числа витков на один вольт, то есть расхода обмоточного материала (меди), или снижение температуры перегрева при прочих равных условиях, а также увеличение индуктивности и, следовательно, снижение тока холостого хода. В заявляемой конструкции могут быть использованы отдельные унифицированные магнитопроводы (сердечники) типа ПЛ, ПЛМ, ПЛР, ШЛ, ШЛМ, ШЛО, ШЛР и другие с прямоугольным поперечным сечением. В заявляемой конструкции для уменьшения средней длины витка обмотки, то есть расхода меди, предлагается использовать сердечники с поперечным сечением, показанным на фиг.2. При этом должно обеспечиваться соотношение α₁+α₂ = 360^°/n, где n - количество сердечников. Обмотки 2 по фиг.3 могут иметь форму полого цилиндра или полой призмы. Для увеличения коэффициента заполнения окна магнитопровода медью и увеличения теплового контакта обмотки с магнитопроводом предлагается участки обмотки, находящиеся внутри окон сердечников, выполнять прямолинейными. При этом угол изгиба проводников не превышает β = 180^°/n как показано на фиг.3. Для цилиндрических обмоток внутренние грани сердечников, обращенные к центру О по фиг.3, могут быть затылованы под углом γ. Стяжка 3 по фиг.1 изготавливается из электротехнической стали, ее развертка и пространственный вид перед сборкой трансформатора показаны на фиг.4а, б, и после сборки с помощью стягивающего узла 5 по фиг.1 выполняет четыре функции:
- внешней части магнитопровода;
- стягивания П-образных половинок витых разрезных сердечников в аксиальном направлении для уменьшения вибрации и шума;
- каркаса конструкции трансформатора, обеспечивающего его прочность и жесткость за счет того, что в местах изгиба 3.3 (по фиг.4а) сряжка работает в основном на разрыв;
- экрана, устраняя "выпучивание" магнитного поля в месте разреза сердечников 4 (по фиг.1) в радиальном направлении.

Бандаж 6 по фиг. 1 имеет ширину, равную длине внешних плоских граней сердечников, и предназначен для обеспечения окончательной жесткости конструкции за счет плотной посадки на внешнюю поверхность магнитопровода, для увеличения площади поверхности охлаждения и для защиты обмоток и сердечников от механических повреждений. Лепестки 7 по фиг.1 высечены из бандажа 6 и отогнуты внутрь так, что располагаются между сердечниками трансформатора (реактора) в собранном состоянии, выполняя функцию ребер охлаждения.

В трансформаторе места разъема сердечников и их прилегающие скосы могут быть склеены ферромагнитным клеем для уменьшения магнитного сопротивления магнитопровода и шума при его работе.

Реактор в источниках вторичного электропитания обычно имеет диамагнитный зазор (прокладки) и обеспечивает сглаживание или подавление пульсаций выпрямленного переменного или пульсирующего тока и характеризуется энергоемкостью (LI²). Для предотвращения провалов в кривой изменения выпрямленного тока при малых нагрузках в заявляемой конструкции в месте разъема сердечника 4 по фиг.1 могут быть установлены диамагнитные прокладки различной толщины в зависимости от требуемого вида нелинейности индуктивности от выпрямленного тока, например, отношения толщин прокладок могут находится как числа ряда Фибоначчи (1: 2:3:5:8 и т.д.). При одинаковой величине зазора требуемую нелинейность можно получить размещением в нем прокладок одинаковой толщины из ферромагнитного материала с низким значением индукции насыщения по сравнению с материалом разъемных ленточных сердечников.

Литература
1. Справочная книга радиолюбителя-конструктора. / А.А. Бокуняев, Н.М. Борисов, Р.Г. Варламов и др.; Под ред. Н.И. Чистякова. - М.: Радио и связь, 1990, с.434.

2. Волгов В.А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Энергия, 1967, с.314.

3. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база. Книга II. / Масленников М.Ю., Соболев Е.А., Соколов Г.В., Соловейчик Л.Ф, Переверзева А.В., Федотов Б.А. - М.: ИТАР-ТАСС, 1993, с.172.

4. А. С. СССР 1332395, МКИ 4 Н 01 F 27/30.

5. Васютинский С. Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов. - Л.: Энергия, 1970, с.20 и 21.

6. Бальян Р. Х. Трансформаторы малой мощности. Л.: Гос. изд-во судостроительной промышленности, 1961, с.46.

Изобретение относится к области электротехники и энергетики, в частности к трансформаторостроению. Технический результат состоит в уменьшении расхода активных материалов и повышении технологичности конструкции, а также снижении вибраций и шума. Трансформатор содержит магнитопровод, образованный n>2 витыми разрезными сердечниками, которые расположены радиально охватываемым обмоткам. Магнитопровод охвачен стяжкой, которая стягивает половинки каждого из сердечников в аксиальном и радиальном направлениях, и бандажом, не позволяющим сердечникам смещаться в тангенциальном направлении. Скосы на внешней стороне сердечников позволяют увеличить коэффициент заполнения окна обмотки сталью и уменьшить расход меди. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Однофазный броневой трансформатор или реактор, содержащий магнитопровод, образованный n>2 витыми разрезными сердечниками расположенными радиально, обмотки выполнены цилиндрическими и размещены в полости, образованной сердечниками и их окнами, отличающийся тем, что сердечники охвачены стяжкой из листа электротехнической стали и снабжены бандажом из листового теплопроводного материала, плотно посаженного на их внешнюю поверхность, выполненного с ребрами охлаждения в виде высеченных из него лепестков, отогнутых вовнутрь. 2. Трансформатор или реактор по п.1, отличающийся тем, что сердечники магнитопровода имеют на внешней стороне скосы. 3. Трансформатор или реактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что сердечники имеют затыловку внутренних граней.