ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕАКТОР Российский патент 2004 года по МПК H01F21/08 H01F37/00 H01F38/02 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрических реакторах с ферромагнитным магнитопроводом из электротехнической стали различного предназначения: шунтирующих, компенсационных, токоограничивающих, сглаживающих и др.

В качестве аналогов следует рассматривать реакторы без стального стержня /Л.1, стр.14, рис.1-1, а, в и г/. Наряду с рядом достоинств (простота изготовления, линейная магнитная вебер-амперная характеристика) эти реакторы без стального стержня имеют ряд недостатков: увеличенные размеры, увеличенный расход проводникового материала, большая стоимость.

Частично эти недостатки устранены в реакторах со стальным стержнем /Л.1, стр.14, рис. 1-1, г, ж, д и з/. Среди этого типа реакторов наиболее распространена конструкция реактора со стержнем, имеющим немагнитные зазоры /Л.1-1, рис.1-1, г и ж/, которая является прототипом предлагаемого изобретения. Среди положительных качеств прототипа важным является практическая линейность его магнитной характеристики, т.к. основная часть магнитной энергии сосредоточена в немагнитных зазорах стержня. Недостатки прототипа:

- сложность конструкции, технологии изготовления и сборки магнитопровода, т.к. стержень состоит из большого числа ферромагнитных элементов - вставок, шихтованных из пластин стали небольшого размера,

- повышенные вибрации и шум из-за электромагнитных сил, действующих на вставки, необходимость прочной и жесткой конструкции, обеспечивающей надежную прессовку стержня на все время эксплуатации реактора,

- сниженные технико-экономические показатели реактора.

Целью предлагаемого изобретения является устранение этих недостатков, а именно упрощение конструкции, технологии изготовления и сборки магнитопровода, снижение вибрации и шума, повышение технико-экономических показателей реактора.

Поставленная цель достигается тем, что в электрическом реакторе, содержащем шихтованный из пластин ферромагнитного материала магнитопровод, имеющий стержень, на котором расположена обмотка, верхнее, нижнее и боковые ярма, в пластинах стержня магнитопровода выполнены вырубы, причем ширина а каждой пластины стержня магнитопровода с вырубом, максимальная глубина b выруба и минимальная ширина с пластины стержня магнитопровода в месте выруба связаны соотношением 0<а-b=с<0,2·а.

В электрическом реакторе по изобретению вырубы в пластинах стержня магнитопровода могут быть выполнены в форме угла и в форме отверстий.

Реактор поясняется следующими чертежами. На фиг.1 приведен электрический реактор, на фиг.2 - часть пластины стержня магнитопровода с вырубом в форме угла, на фиг.3 приведены вебер-амперные магнитные характеристики реакторов, на фиг.4-6 варианты пластин стержня магнитопровода с вырубами различной формы, на фиг.7 - пластины с вырубами в форме отверстий.

Электрический реактор (фиг.1) имеет магнитопровод 1, состоящий из стержня 2, верхнего ярма 3, нижнего ярма 4 и боковых ярм 5. На стержне магнитопровода расположена обмотка 6 реактора. Магнитопровод реактора шихтован из пластин ферромагнитного материала (например, электротехнической стали). Шихтованная конструкция может быть с прямыми или косыми стыками. План шихтовки (два слоя пластин, чередующиеся при изготовлении магнитопровода) для конструкции магнитопровода с прямыми стыками показан на поз. 7 и для конструкции с косыми стыками - на поз.8. В пластинах 9 стержня 2 выполнены глубокие вырубы 10, при этом участок пластины стержня с наименьшей шириной пластины (перешеек) - 11. Из-за вырубов в стержне магнитопровода реактора имеются участки, где поперечное сечение стали плавно изменяется по длине стержня.

На фиг.2 показано, что вне выруба площадь поперечного сечения стержня максимальна. Минимальная площадь сечения стержня составляет часть этой площади (а-b)/а=с/а, где а - ширина пластины магнитопровода, b - глубина выруба и с - минимальная ширина пластины стержня в месте выруба - 11. В промежуточных точках сечение стержня плавно изменяется от максимального до минимального значения. Вырубы в пластинах стержня глубокие, т.е. ширина каждой пластины стержня, максимальная глубина выруба и минимальная ширина пластины стержня в месте выруба связаны соотношением

0<а-b=с<0,2·а.

Важно, чтобы выруб был максимально глубоким. Левая часть неравенства означает, что величина минимальной ширины пластины стержня в месте выруба должна быть небольшой, насколько это допускают технологические возможности оборудования. Эта величина не должна быть нулевой, т. к. при с=0 вместо одной пластины стержня получится несколько частей пластины, что недопустимо.

При работе реактора на его обмотку подается напряжение, в результате в стержне магнитопровода реактора возникает магнитный поток. Так как сечение стержня магнитопровода в области минимальной ширины пластины мало, в этом месте сразу же, даже при незначительном токе реактора, наступает сильное местное насыщение стали. Это эквивалентно возникновению в этом месте небольшого немагнитного зазора, который характеризуется длиной L₁ и площадью сечения S₁. Магнитная энергия в области насыщения, т.е. в эквивалентном немагнитном зазоре, определяет индуктивность реактора, т.к. энергия в остальной области стержня ненасыщенного магнитопровода и в области обмотки мала. При увеличении тока реактора зона насыщения растет, растет эквивалентный зазор. Например, при увеличении тока в К раз осевой размер зоны насыщения стержня (т.е. величина эквивалентного зазора) увеличится примерно в К раз и станет равным L₂=kL₁. Выруб имеет вид угла, поэтому площадь зазора увеличивается практически линейно, т.е. составляет величину S₂=KS₁. Индуктивность реактора определяется магнитной проводимостью эквивалентного немагнитного зазора. Последняя пропорциональна отношению площади зазора S к величине зазора L. При этом S₂/L₂=KS₁/KL₁=S₁/L₁. Следовательно, индуктивность при увеличении тока остается практически постоянной. На фиг.3 показана магнитная вебер-амперная характеристика 12 реактора с вырубами в пластинах стержня, которая близка к идеальной линейной характеристике 13. Вебер-амперная характеристика 12 реактора имеет характерную точку, потокосцепление начального насыщения ψ_S. Это потокосцепление начального насыщения должно быть как можно меньше, т.е. минимальная ширина пластины стержня в месте выруба должна быть также как можно меньше. Вместе с тем пластина должна сохранять механическую прочность и жесткость цельной пластины. Специальные расчеты показали, что предельная величина минимальной ширины пластины стержня в месте выруба составляет около 20% от ширины пластины, при которой нелинейность реактора практически отсутствует. Если величина минимальной ширины пластины стержня в месте выруба более 20% (т.е. глубина выруба менее 80%), то резко возрастает степень нелинейности характеристики реактора. Это установлено в результате расчетов магнитного поля и магнитных характеристик реакторов с вырубами в пластинах стержня. При необходимости могут быть предоставлены подробные результаты этих расчетов. На фиг.3 в качестве иллюстрации показана кривая 14 при минимальной ширине пластины стержня в месте выруба размером в 40% (существенно большей, чем в установленной предельной 20%). Из кривой 14 следует, что при малых токах из-за большой величины потокосцепления начального насыщения ψ_S характеристика реактора резко нелинейна. В области больших токов (в правой части кривой 14) возникает излом этой характеристики 11, так же как и характеристики 12. Причина этого - насыщение всего стержня, а не только стали в области вырубов.

Конструктивно вырубы выполнены с одной стороны пластин (фиг.1, 2, 4, 5), или с двух сторон пластин (фиг.6). Возможно также выполнение вырубов в виде круглых, овальных или ромбовидных отверстий в пластинах (фиг.7).

Число вырубов и их форма выбираются в зависимости от требуемых параметров реакторов. Наиболее важный параметр реактора - его индуктивность. Например, индуктивность реактора со стержнем, в котором есть один глубокий двухсторонний выруб по фиг.6, примерно такая же, как у стержневого реактора с немагнитным зазором (прототипом) при длине зазора d/3, где d - длина выруба в реакторе по изобретению.

На фиг.1 приведен пример реактора с глубокими вырубами в пластинах стержня магнитопровода бронестержневого типа. Глубокие вырубы можно применять в реакторах с магнитопроводом любого другого типа, для всех реакторов, где есть ферромагнитный магнитопровод.

Линии выруба могут быть прямыми или изогнутыми - выпуклыми (фиг.4) или вогнутыми (фиг.5). Это необходимо для коррекции магнитной характеристики реактора. В первом случае при меньших токах дифференциальная индуктивность, определяемая наклоном магнитной характеристики, будет большей, чем при больших токах, во втором случае - наоборот.

Теоретические обоснования работоспособности предлагаемого реактора нашли подтверждение при подробных расчетах с использованием картин магнитного поля, полученных при помощи современных компьютерных программ.

По сравнению с прототипом новым в предлагаемом реакторе является то, что ферромагнитный стержень является шихтованным из цельных пластин с глубокими вырубами. Это, с одной стороны, сохраняет его свойства реактора с цельношихтованным магнитопроводом (без немагнитных зазоров и мелких вставок) с пониженным уровнем вибрации и шума, существенно упрощает изготовление и сборку реактора, приближает ее к технологии изготовления и сборки обычных трансформаторов. Например, вырубы в форме угла 90° с прямолинейными лучами возможно изготовить в пластинах при использовании работающих на заводах машин для резки стали при производстве магнитопроводов трансформаторов и реакторов с косым стыком.

С другой стороны, в реакторе с вырубами в пластинах стержня магнитопровода остаются неизменными параметры стержневого реактора с немагнитными зазорами в стержне, и прежде всего практически линейная магнитная вебер-амперная характеристика.

Реакторы с глубокими вырубами в пластинах стержня магнитопровода имеют принципиальное преимущество в сравнении с прототипом - стержневыми реакторами с немагнитными зазорами в стержне. В известных реакторах энергия магнитного поля W, определяющая по существу самый важный параметр реактора - его индуктивность, сосредоточена преимущественно в объеме немагнитных зазоров. Удельная энергия в объеме немагнитных зазоров равна W_заз=В2заз

/2μ_O, где В_заз - магнитная индукция в немагнитном зазоре, а μ_O - магнитная постоянная. Обычно индукция в зазоре В_заз не может быть выбрана более 1,5-1,6 Тл, т.к. при большей индукции возникает насыщение стали. В стали магнитопровода при рабочих индукциях В_ст=1,6-1,8 Тл магнитная энергия при индукции, меньшей индукции насыщения B_S=2 Тл, пренебрежимо мала, но в насыщенной стали (при В_ст>В_S) она существенна и составляет W_cт=(В_ст-B_S)²/2μ_O. В предлагаемом реакторе энергия магнитного поля сосредоточена в основном в небольшом объеме в месте выруба в пластинах магнитопровода и в прилегающей к нему области. При этом даже при малом токе обмотки индукция в области минимальной ширины пластины стержня в месте выруба, как показали компьютерные расчеты поля, достаточно велика, существенно больше индукции насыщения, она составляет величину до 10 Тл и более (теоретически при предельной нулевой величине ширины пластины в месте выруба эта индукция бесконечно большая). Для реакторов разных типов при равенстве их параметров (в том числе равенстве их индуктивностей) полная энергия магнитного поля должна быть одинаковой. Поэтому удельная энергия в предлагаемом реакторе в области выруба во много раз превышает удельную энергию в области немагнитных зазоров реактора-прототипа. Важно еще отметить, что в новом реакторе носителем “полезной” магнитной энергии является не только область вне стали, прилегающая к области вырубов, но и сама сильно насыщенная сталь.

Сказанное выше означает, что реактор с вырубами в пластинах является по существу принципиально новым электромагнитным устройством с локальными объемами концентрации высокой магнитной энергии как в немагнитной среде, так и в сильно насыщенной стали. Концентрация магнитной энергии открывает новые возможности создания электромагнитных устройств с существенно сниженными габаритами, а следовательно, с более высокими технико-экономическими параметрами.

Предложенная конструкция относится не только к реакторам, имеющим шихтованный из пластин ферромагнитного материала магнитопровод, но и к реакторам с магнитопроводом из других ферромагнитных материалов. В частности, глубокие вырубы в элементах магнитопровода (прежде всего в стержнях) могут быть в реакторах с ферритами, ферромагнитными порошковыми материалами. В этом случае (когда нет пластин) глубокие вырубы могут быть получены, например, фрезерованием стержней или при их формовке в пластическом состоянии до термической обработки (до запечки).

Во всех случаях предложенные реакторы с глубокими вырубами в стержнях магнитопровода (а также и в ярмах) могут применяться как реакторы с практически линейной характеристикой, имеющие цельношихтованный магнитопровод, вместо широко распространенных стержневых реакторов с немагнитными зазорами, т.е. реакторов с существенно более сложным и менее эффективным по концентрации магнитной энергии магнитопроводом.

Использованная литература

1. Лейтес Л.В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов. - М.: Энергия, 1981.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электрических реакторах с ферромагнитным магнитопроводом из электротехнической стали различного предназначения. Технический результат заключается в упрощении конструкции, технологии изготовления и сборки магнитопровода, снижении вибрации и шума, повышении технико-экономических показателей реактора. Технический результат достигается тем, что в электрическом реакторе, содержащем шихтованный из пластин ферромагнитного материала магнитопровод, имеющий стержень, на котором расположена обмотка, верхнее, нижнее и боковые ярма, в пластинах стержня магнитопровода выполнены вырубы. Ширина а каждой пластины с вырубом, максимальная глубина b выруба и минимальная ширина с пластины в месте выруба связаны соотношением 0<a-b=c<0,2×a. Вырубы в пластинах могут быть выполнены в форме угла и в форме отверстий в пластинах. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Электрический реактор, содержащий шихтованный из пластин ферромагнитного материала магнитопровод, имеющий стержень, на котором расположена обмотка, верхнее, нижнее и боковые ярма, отличающийся тем, что в пластинах стержня магнитопровода выполнены вырубы, причем ширина а каждой пластины стержня магнитопровода с вырубом, максимальная глубина b выруба и минимальная ширина с пластины стержня магнитопровода в месте выруба связаны соотношением

0<а-b=с<0,2·а.

2. Электрический реактор по п.1, отличающийся тем, что вырубы в пластинах стержня магнитопровода выполнены со сторонами, образующими угол.3. Электрический реактор по п.1, отличающийся тем, что вырубы в пластинах стержня магнитопровода выполнены в форме отверстий.