ЭЛЕКТРОИНДУКЦИОННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2006 года по МПК H01F30/16 H01F17/06 

Изобретение относится к электроиндукционной аппаратуре, преимущественно к трансформаторам и линейным реакторам переменного тока, применяемым для преобразования энергии в электрических сетях, для регулирования и стабилизации напряжения и тока в электротехнических, светотехнических и радиотехнических установках, а также в качестве балластных и токоограничивающих сопротивлений.

Известен электроиндукционный аппарат, например однофазный трансформатор, активная часть которого содержит обмотки и сердечник, состоящий из стержней, на которых размещены обмотки, и замыкающих стержней по торцам поперечных ярем [1].

Указанный электроиндукционный аппарат имеет сложные конструкцию и технологию изготовления, большой габаритный размер по высоте и большой расход магнитного материала.

Сложность конструкции мощного аппарата объясняется сложностью конструкций стержней и поперечных ярем. Стержни, с целью уменьшения расхода материалов, уменьшения габаритов, а также увеличения механической прочности обмоток и повышения тем самым их электродинамической стойкости, имеют в сечении вид многоугольника, вписанного в окружность. По этой причине стержни оказываются составленными из нескольких пакетов, набранных из пластин магнитного материала различных размеров. Наряду с этим требуются также устройства для стяжки пакетов. Такую же конструкцию имеют соответственно и замыкающие стержни поперечине ярма.

В сечениях стержней и поперечных ярем предусматриваются также каналы для их охлаждения циркулирующим трансформаторным маслом, что также усложняет их конструкцию.

Сложность конструкции электроиндукционного аппарата малой мощности обусловлена сложностью формы пластин магнитного материала, из которых набирается его сердечник, в данном случае П-образной формы, наличием каркасов в обмотках, а также необходимостью в ряде случаев для защиты обмоток и повышения электробезопасности аппарата, корпуса, в котором размещается активная часть аппарата.

Сложность технологии изготовления мощного электроиндукционного аппарата обусловлена наличием технологической операции нарезки пластин магнитного материала, причем различных размеров, а также трудоемкой технологической операции набора из них или шихтовки пакетов сердечников стержней и поперечных ярем. При этом необходимы также изготовление устройств для стяжки пакетов и сам технологический процесс стяжки.

При изготовлении электроиндукционного аппарата малой мощности, сердечник которого шихтуется из П-образных пластин, к операции шихтовки добавляются технологическая операция штамповки пластин, для которой необходимы сложные по конструкции и соответственно по изготовлению твердосплавные штампы, требующие частой их переточки и замены, а также технологические процессы по изготовлению каркасов обмотки и корпуса аппарата.

Большой габаритный размер по высоте электроиндукционного аппарата обусловлен высотой стержней и поперечных ярем.

Большой расход магнитного материала обусловлен большой массой сердечник аппарата, а в электроиндукционном аппарате малой мощности еще и большими отходами магнитного материала, образующимися при штамповке пластин, из которых шихтуется сердечник.

Наряду с перечисленными выше недостатками, в описанном электроиндукционном аппарате имеют место большие магнитные потоки рассеяния или потоки, замыкающиеся по воздуху, что приводит к уменьшению электромагнитной связи между его обмотками. Кроме того, для мощного аппарата характерна невысокая электродинамическая стойкость обмоток, обусловленная тем, что обмотки открыты почти со всех сторон, за исключением окна сердечника между стержнями и поперечными ярмами.

Известен электроиндукционный аппарат, например однофазный трансформатор, активная часть которого содержит обмотки и броневой сердечник, состоящий из стержня, на котором размещены обмотки, поперечных и боковых ярем [2]. Этот аппарат несколько совершеннее в электромагнитном отношении из-за уменьшения магнитных истоков рассеяния и лучшей вследствие этого электромагнитной связи между обмотками, которые также имеют большую электродинамическую стойкость, поскольку оказываются частично закрытыми с боковых сторон боковыми ярмами.

Однако он сложнее по конструкции и технологии изготовления, поскольку вместо двух стержней конструкция его сердечника содержит один стержень и два боковых ярма. В электроиндукционном аппарате малой мощности пластины, из которых шихтуется его сердечник, имеют более сложную форму, а именно Ш-образную.

Аппарат по-прежнему имеет большой размер по высоте и большой расход магнитного материала.

Такую же конструкцию имеют трехфазные трансформаторы с броневым сердечником, так как они представляют собой, по существу, совокупность трех однофазных трансформаторов, а также линейные реакторы переменного тока.

Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления электроиндукционного аппарата, уменьшение его габаритного размера по высоте и расхода магнитного материала.

Указанная цель достигается вытеснением в электроиндукционном аппарате с броневой конструкцией сердечника стержня и боковых ярем в виде полых цилиндрических магнитопроводов, навитых из ленты магнитного материала, установленных таким образом, что обмотка или обмотки, обхватывающие стержень, расположены в пространстве между наружной боковой поверхностью стержня и внутренний боковой поверхностью бокового ярма, а каждого из поперечных ярем из нескольких частей, распределенных во торцевой поверхности магнитной системы аппарата и замыкающих стержень и боковое ярмо в радиальных от оси стержня направлениях.

Все это в совокупности позволяет упростить конструкцию и технологию изготовления электроиндукционного аппарата, уменьшить его габаритный размер по высоте и расход магнитного материала.

Упрощение конструкции мощного электроиндукционного аппарата обеспечивается за счет упрощения конструкций стержня, поперечных и бокового ярем. Стержень представляет собой узел, для которого не требуются устройства для стяжки ленты магнитного материала, из которой он навит. Не требуются также каналы для охлаждения стержня циркулирующим трансформаторным маслом. Эту функцию выполняет внутренняя полость сердечника.

Такую же конструкцию имеет и боковое ярмо.

Части поперечных ярем также проще конструктивно, поскольку ми могут быть набраны из пластин магнитного материала одинаковых размеров. В них также не требуется выполнение каналов для охлаждения Для этой цели служит пространство между частями поперечных ярем. Кроме того, они значительно короче по длине, чем поперечное ярмо в известной конструкции аппарата. Конструкция частей поперечных ярем еще более упрощается, если их выполнить навитыми из ленты магнитного материала.

Заявленная конструкция электроиндукционного аппарата удобна для применения принудительного воздушного охлаждения обмоток и сердечника, что, наряду с большой поверхностью теплоотдачи элементов конструкции сердечника, позволит в некоторых случаях отказаться от трансформаторного масла, а следовательно, исключить из конструкции аппарата такие ее элементы, как радиаторы, расширительный бак, маслоуказатель и т.д.

Заявленная конструкция электроиндукционного аппарата имеет и другие преимущества. Его обмотки оказываются почти полностью закрытыми магнитопроводом, что позволяет существенно уменьшить магнитные истоки рассеяния и увеличить тем самым электромагнитную связь между обмотками, а также существенно повысить их электродинамическую стойкость.

Конструкция электроиндукционного аппарата малой мощности еще проще, поскольку не требуются в конструкции обмоток каркасы. Обмотки могут быть намотаны непосредственно на стержень, покрытый простейшей изоляционной прокладкой. Не требуется также корпус аппарата, так как обмотки почти полностью окружены и защищены магнитопроводом.

Упрощение технологии изготовления мощного электроиндукционного аппарата заключается в том, что вместо трудоемких технологических операций нарезки пластин магнитного материала, причем различных размеров, и шихтовки стержня и боковых ярем используется простая технологическая операция навивки магнитопровода из ленты магнитного материала.

Процесс нарезки пластин магнитного материала для частей сердечников поперечных ярем и их шихтовки также существенно проще, так как они могут быть набраны из пластин одинаковых размеров. Технология их изготовления еще более упрощается, если их выполнить навитыми из ленты магнитного материала.

При изготовлении электроиндукционного аппарата малой мощности из технологического процесса исключаются технологические операции по изготовлению каркасов обмотки и корпуса аппарата, а также операция штамповки, поскольку пластины сердечников частей поперечных ярем, если они имеют шихтованную конструкцию, одинаковых размеров могут быть нарезаны непосредственно из ленты магнитного материала соответствующей ширины. Операции нарезки пластин и шихтовки исключаются вовсе из технологического процесса изготовления аппарата, если части сердечников поперечных ярем выполнять навитыми из ленты магнитного материала.

Круглая форма стержня и бокового ярма удобны для применения в электроиндукционном аппарате малой мощности обмоток из фольги, намотка которых значительно проще и менее трудоемка, чем процесс намотки из провода.

Конструкции стержня, бокового ярма и частей сердечников поперечных ярем, выполненные навитыми из ленты магнитного материала, обеспечивают полную механизацию и частичную автоматизацию процесса их изготовления.

Уменьшение габаритного размера по высота аппарата обеспечивается за счет выполнения сердечника каждого из поперечных ярем из нескольких частей, распределенных по торцевой поверхности магнитной системы аппарата. Это позволяет при одинаковой площади поперечного сечения сердечника поперечного ярма существенно уменьшить его высоту, а следовательно, и высоту аппарата.

Уменьшение расхода магнитного материала в электроиндукционном аппарате обеспечивается при выполнении частей сердечников поперечных ярем навитыми из ленты магнитного материала. Придание им определенной формы, например трапециевидной, с вершиной на стержне, а основанием на боковом ярме, позволяет почти полностью использовать сечение бокового ярма и получить уменьшение массы сердечника аппарата за счет более коротких по длине сердечников поперечных ярем.

В электроиндукционном аппарате малой мощности уменьшение расхода магнитного материала обеспечивается еще и за счет более плотной намотки витков обмоток, которую обеспечивает круглая форма стержня, в отличие от прямоугольной формы стержня в известной конструкции аппарата. Это позволяет уменьшить размеры окна сердечника и соответственно размеры и массу сердечника.

Заявленная конструкция электроиндукционного аппарата позволяет уменьшить до минимума отходы магнитного материала при изготовлении его сердечника, а следовательно, существенно уменьшить расход магнитного материала.

Сопоставительный анализ о прототипом показывает, что заявленный электроиндукционный аппарат отличается наличием новых признаков, а именно стержень и боковые ярма выполнены в виде полых цилиндрических магнитопроводов, навитых из ленты магнитного материала, установленных таким образом, что обмотка или обмотки, обхватывающие стержень, расположены в пространстве между наружной боковой поверхностью стержня и внутренней боковой поверхности бокового ярма, а каждое из поперечных ярем выполнено из нескольких частей, распределенных по торцевой поверхности магнитной системы аппарата и замыкающих стержень и боковое ярмо в радиальных от оси стержня направлениях.

Таким образом, заявленный электроиндукционный аппарат соответствует критерию изобретения "новизна".

При изучении других известных технических решений в данной области технические признаки, отличающие заявляемый объект от прототипа, не были выявлены, что обеспечивает заявляемому объекту соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг.1 и фиг.2 изображены однофазные трансформаторы, разрез. На фиг.3 и фиг.4 - то же, что и на фиг.1 и 2, вид снизу. На фиг.5 изображен трехфазный трансформатор, разрез. На фиг.6 изображен линейный реактор переменного тока, разрез.

Однофазный трансформатор содержит обмотки 1, полый цилиндрический стержень 2, навитой из ленты магнитного материала, и полое цилиндрическое боковое ярмо 3, навитое из ленты магнитного материала. Сердечник каждого из поперечных ярем состоит из нескольких частей 4, замыкающих магнитопроводы стержня 2 и бокового ярма 3 в радиальных от оси стержня направлениях. Части 4 поперечных ярем распределены по торцевой поверхности магнитной системы трансформатора. Они могут быть выполнены как шихтованными, так и навитыми из ленты магнитного материала.

Трехфазный трансформатор, по существу, состоит из трех однофазных трансформаторов, размещенных один над другим. Он содержим обмотки 1, три полых цилиндрических стержня 2, навитых из ленты магнитного материала, и три полых цилиндрических боковых ярма 3, навитых из ленты магнитного материала. Сердечник каждого из внешних и внутренних ярем состоит из нескольких частей, соответственно 4 и 5 аналогично описанной выше конструкции однофазного трансформатора.

Линейный реактор переменного тока по конструкции отличается от однофазного трансформатора только тем, что содержит одну обмотку 1 и немагнитный промежуток или зазор 5 в магнитной системе. Немагнитный промежуток 5 может быть выполнен только между частями каждого из поперечных ярем и стержнем 2, только в стержне 2, а также в указанных местах совместно.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети в обмотке возникает ток, который создает магнитный поток, замыкающийся по стержню, поперечным и боковому ярмам. Поток индуктирует ЭДС как в первичной, так и во вторичной обмотках. При подключении к вторичной обмотке нагрузки в ней возникает ток и на ее зажимах устанавливается некоторое напряжение.

При подключении обмотки линейного реактора переменного тока к сети в обмотке возникает ток, который создает магнитный поток, замыкающийся по стержню и ярмам через немагнитный промежуток. В результате вольтамперная характеристика реактора получает линейный характер.

Экспериментальные исследования, проведенные на конструкции линейного реактора переменного тока мощностью 320 ВА, показали, что применение заявленной конструкции электроиндукционного аппарата позволило:

упростить конструкцию и технологию изготовления аппарата;

уменьшить расход электротехнической стали на 33% от уменьшения ее отхода при изготовлении сердечникам аппарата;

уменьшить на 5% массу сердечника от повышения плотности намотки обмотки;

уменьшить на 12% массу сердечника от уменьшения длины поперечных ярем;

уменьшить на 11,8% габаритный размер по высоте аппарата за счет уменьшения высоты поперечных ярем.

Источники информации

1. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974, рис. 12-2а), с. 245.

2. Петров Г.П. Электрические машины. Ч.1, М.: Энергия, 1974, рис. 2-35а), с.77.

Изобретение относится к электроиндукционной аппаратуре, преимущественно к трансформаторам и линейным реакторам переменного тока, применяемым для преобразования энергии в электрических сетях для регулирования и стабилизации напряжения и тока в электрических, светотехнических и радиотехнических установках, а также в качестве балластных и токоограничивающих сопротивлений. Устройство выполнено с броневым сердечником. Стержень и боковые ярма выполнены в виде полых цилиндрических магнитопроводов, навитых из ленты магнитного материала. Они установлены таким образом, что обмотка или обмотки, охватывающие стержень, расположены в пространстве между внешней боковой поверхностью стержня и внутренней боковой поверхностью бокового ярма. Сердечник каждого из поперечных ярем выполнен из нескольких распределенных по торцевой поверхности магнитной системы аппарата частей трапециевидной формы, навитых из ленты магнитного материала, замыкающих стержень и боковое ярмо в радиальных от оси стержня направлениях. Технический результат заключается в упрощении конструкции и технологии изготовления аппарата, уменьшении его габаритного размера по высоте и расхода магнитного материала. 6 ил.

Электроиндукционный аппарат, преимущественно трансформатор или линейный реактор переменного тока, содержащий обмотку или несколько обмоток и броневой сердечник, состоящий из стержня, поперечных и боковых ярем, причем стержень и боковое ярмо выполнены в виде полых цилиндрических магнитопроводов, навитых из ленты магнитного материала, размещенных друг относительно друга таким образом, что между ними размещена обмотка или несколько обмоток, а сердечник каждого из поперечных ярем выполнен из нескольких распределенных по торцевой поверхности магнитной системы аппарата частей, замыкающих стержень и боковое ярмо в радиальных от оси стержня направлениях, отличающийся тем, что каждая из частей поперечных ярем выполнена трапециевидной формы, навитой из ленты магнитного материала и с основанием на боковом ярме.