ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2008 года по МПК H01F30/06 H01F27/28 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромагнитным трансформаторам.

Известна линейная миниатюрная катушка индуктивности [1], имеющая магнитопровод броневой чашечной формы, изготовленный оптимизированным подбором и соединением стандартных ферромагнитных колец, выполненным без зазора. Магнитопровод состоит только из четырех деталей. Однако детали магнитопровода невозможно одновременно использовать в качестве обмотки, что позволило бы исключить отдельную обмотку и за счет этого экономить объем и массу известной конструкции.

Известна реактивная катушка [2, 3] без сердечника, обмотка которой выполнена из электропроводящего материала, покрытого ферромагнитной оболочкой и изоляцией. При соединении концов такого провода с полюсами источника электропитания и протекании по нему электрического тока электрический ток наводит магнитное поле, охватывающее этот ток. Магнитное поле полностью замыкается собственной ферромагнитной оболочкой провода, т.к. она имеет невысокое магнитное сопротивление, не выходя в пространство наружной изоляции провода, имеющей высокое магнитное сопротивление. Это значит, что такой провод эквивалентен прямому уединенному проводу, индуктивность которого равна магнитной проводимости среды, охватывающей его, не зависит от формы, взаимного расположения и числа витков обмотки и превосходит индуктивность прямого провода без ферромагнетика в μ раз, где μ - относительная магнитная проницаемость ферромагнетика. Обмотки катушки без сердечника могут быть выполнены из недорогого материала, например полностью из железного провода или другого электропроводящего ферромагнетика, покрытого изоляцией. Однако, т.к. магнитные поля ее витков не выходят за пределы провода и не влияют друг на друга, то магнитное потокосцепление обмоток катушки близко к нулю. Для создания электромагнитного трансформатора в устройство необходимо ввести дополнительные детали, т.е. замыкающее ярмо магнитопровода и первичные обмотки из неферромагнитного материала, причем должны быть ферромагнитными изоляция обмотки из электропроводного ферромагнетика, заполнение зазоров между ее витками, зазоров между этой обмоткой и деталями замыкающего ярма.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является трансформатор [4], содержащий две системы, каждая из которых выполнена в виде отдельно намотанных обмоток. Обмотки размещены концентрично одна в другой, при этом каждая из систем выполнена с внутренней полостью, в которой частично размещена другая система так, что системы сцеплены друг с другом и расположены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Причем обмотки выполнены в виде лент, состоящих из слоев биметалла. Один из слоев является ферромагнитным, а другой изготовлен из высокоэлектропроводящего материала. При этом подключение обмоток к источнику напряжения и нагрузки выполнено с возможностью формирования первичной и вторичной обмоток в одной из систем и магнитопровода в другой системе, а также одновременного формирования первичной и вторичной обмоток и магнитопровода в каждой из систем, слои обмоток и обмотки разделены изоляцией. Каждая система может состоять из двух и более концентрически расположенных обмоток. При подключении концов биметаллической ленты любой из обмоток первой катушки к полюсам источника электропитания ток этой обмотки создает магнитное поле, замыкающееся через вторую катушку. Это магнитное поле наводит электрическое напряжение между концами другой обмотки первой катушки. Т.е. для этой системы первая катушка выполняет роль обмоток трансформатора, а вторая - роль магнитопровода. Одновременно, можно подключить концы биметаллической ленты любой из обмоток второй катушки к полюсам другого источника электропитания, ток этой обмотки создает магнитное поле, замыкающееся через первую катушку. Это магнитное поле наводит электрическое напряжение между концами другой обмотки второй катушки. Т.е. для второй системы вторая катушка выполняет роль обмоток трансформатора, а первая катушка - роль магнитопровода. Таким образом, в одном и том же объеме размещены два трансформатора вместо одного, что уменьшает объем и массу трансформатора. Известный трансформатор имеет две магнитно-электрические системы, причем в первой магнитно-электрической системе обмотки первой катушки использованы по прямому назначению, а обмотки второй катушки использованы как магнитопровод, во второй магнитно-электрической системе обмотки второй катушки использованы по прямому назначению, а обмотки первой катушки использованы как магнитопровод.

При этом

1) магнитное поле тока, создаваемого в каждом слое биметаллической ленты, при подключении ее концов к полюсам источника электропитания переменного тока замыкается по контурам с наибольшей магнитной проводимостью, охватывающим этот слой ленты, а именно по ферромагнитным слоям рассматриваемого и близлежащих слоев биметалла, по замкнутому контуру второй катушки;

2) магнитное сопротивление стандартного витого тороидального магнитопровода

R_M≈πDd/(μμ₀d_Fea²h)+d(d-d_Fe)/(μ₀πDa²h), где D, a, h - средний диаметр, толщина и высота тора; μ, d_Fe - относительная магнитная проницаемость и толщина ферромагнетика ленты, d - суммарная толщина ленты, μ₀ - магнитная проницаемость вакуума;

а магнитное сопротивление тора, полностью отлитого из такого же ферромагнетика, R₀≈πDd/(μμ₀ah);

это показывает, что магнитное сопротивление витого тора в k_δ≈d/d_Fe+μd(d-d_Fe)/(πD)² раз больше, т.е. сильно зависит от толщины неферромагнитных слоев биметаллической ленты.

Магнитное сопротивление контура, проходящего по ферромагнитным слоям первой катушки

R_M,Sh≈d(d-d_Fe)/(2μ₀π²D²a).

Поэтому во второй катушкее наводится К=R_M,Sh/(R_M+R_M,Sh) часть магнитного потока, где К - фактор шунтирования магнитного потока, равный в этом случае коэффициенту связи обмоток трансформатора.

Индуктивность обмоток трансформатора меняется в К²/К=К раз. Это эквивалентно увеличению тока намагничивания трансформатора в К^-1 раз.

Следовательно, введение ферромагнитного слоя в первичную обмотку трансформатора требует увеличения числа ее витков в К^-1 раз. Это ведет к увеличению ее объема и массы материалов в К^-1 раз.

Потери энергии трансформаторов равны Q=q_Fe·V_Fe+q_Cu·V_Cu, где q_Fe, V_Fe - удельные объемные потери и объем магнитопровода, q_Fe=j²ρ, V_Fe - удельные объемные потери и объем обмоток, j - среднее значение плотности электрического тока, ρ - среднее удельное сопротивление проводника.

3) Если к полюсам другого источника питания переменного тока подключены выводы обмотки второй катушки, то по отношению к этой катушке первая катушка является магнитопроводом, причем магнитное поле, наводимое током обмотки первой катушке, в этой же катушке перпендикулярно магнитному полю, наводимому в первой катушке током обмотки второй катушки. Аналогичное явление происходит во второй катушке. Это размагничивает магнитопроводы трансформатора. Например, при равенстве напряженностей наводимых перпендикулярных магнитных полей размагничивание эквивалентно снижению магнитной проницаемости материала магнитопровода в 2 раза. Значит при проектировании такого трансформатора приходится в 2 раза увеличить сечение каждого магнитопровода, т.е. увеличить их размеры и массу.

Следовательно, снижение массы в 2 раза за счет известного двойного использования материалов в обоих случаях не обеспечивает уменьшения массы, объема, снижения потерь энергии в обмотках и магнитопроводе известного трансформатора по сравнению с другими известными аналогами.

Таким образом, известный трансформатор имеет значительные габариты и массу, что приводит к значительным потерям энергии в обмотках и магнитопроводе.

Задачей изобретения является создание трансформатора с уменьшенными габаритами и массой, снижение потерь энергии в обмотках и магнитопроводе путем уменьшения числа витков обмоток и увеличения коэффициента связи обмоток благодаря устранению шунтирования рабочего магнитного потока, а также улучшению характеристик магнитопровода путем уменьшения эквивалентных немагнитных зазоров и исключения размагничивания перпендикулярным магнитным полем.

Эта задача решается тем, что в трансформаторе, включающем образующие две системы изолированные магнитопровод и концентрично расположенные первичную и вторичную обмотки, каждая из которых намотана отдельно, согласно изобретению одна из систем образована магнитопроводом, выполненным из ферромагнитного низкоэлектропроводящего материала, который включает вторичную обмотку из ферромагнитного высокоэлектропроводящего материала, а другая система включает первичную обмотку из неферромагнитного высокоэлектропроводящего материала, охватывающую вторичную обмотку.

На фиг.1 показан трансформатор, магнитопровод которого имеет горшкообразную форму, на фиг.2 - магнитопровод трансформатора имеет треугольную форму, на фиг.3 и 4 - вытянутую стержневую форму. На фиг.5 показана разновидность трансформатора фиг.2 с круглой дисковой формой магнитопровода.

Выводы первичной обмотки 4 трансформаторов, показанных на фиг.1-5, подключаются к выводам источника питания U₁, а выводы вторичной обмотки 2 этих трансформаторов подключаются к выводам нагрузки U₂. Варианты схемы подключения показаны на фиг.6, 7. Позиции на фиг.2-5 аналогичны фиг.1

На фиг.1 изображен трансформатор, представляющий собой две системы, одна из которых включает магнитопровод 1, концентрично расположенные вторичную 2 и первичную 4 обмотки, а также изоляцию 3, 5, причем магнитопровод и вторичная обмотка выполнены из ферромагнитного материала, причем в одну систему входит магнитопровод, выполненный из низкоэлектропроводящего ферромагнитного материала, и вторичная обмотка из высокоэлектропроводящего ферромагнитного материала, а в другую систему - первичная обмотка из высокоэлектропроводящего неферромагнитного материала, охватывающая вторичную обмотку.

Конструкция магнитопровода, показанная на фиг.1, целесообразна для однофазных трансформаторов, работающих при невысоких напряжениях, т.к. цилиндрическая конструкция имеет меньший вес, чем прямоугольная. При высоковольтном исполнении такой конструкции требуется высоковольтная изоляция по всей поверхности обмоток 2 и 4, что значительно увеличило бы вес и размеры трансформатора. Дискообразный магнитопровод может быть выполнен из феррита, если трансформатор предназначен для работы в высокочастотной сети, или если трансформатор предназначен для работы в промышленной сети, спрессован эвольвентной навивкой из пластин электротехнической стали [М.П. Костенко, Л.М.Пиотровский. Электрические машины. Изд-е 2-е. в 2-х томах. Ленинград; Энергия, 1965, т.1, стр.45, трансформаторы фирмы Brown т.е. ферромагнитного материала с низкой электропроводностью.

Конструкция магнитопровода, показанная на фиг.2, предназначена для трехфазных (многофазных) трансформаторов, работающих при низких и высоких напряжениях, т.к. изолирующий зазор между боковыми поверхностями обмоток смежных фаз в этом случае достаточно обеспечить непосредственно в месте соприкосновения поверхностей обмоток смежных фаз. Значит увеличение веса трансформатора будет незначительным, а его конструкция упрощается. Разветвление магнитопровода, т.е. его конструкция, в которой обмотки разных фаз охватывают соответствующие этим фазам части магнитопровода, в трех- и более фазных трансформаторах, является неизбежным.

Конструкция, показанная на фиг.3, со стержневьм магнитопроводом вместо дискообразного, предназначена для однофазных низкочастотных трансформаторов и целесообразна при мелкосерийном производстве, когда изготовление дискообразных магнитопроводов из листовой электротехнической стали, например эвольвентной навивкой полос этого материала, экономически не оправдано. Применяется, когда приемлемо небольшое увеличение веса магнитопровода.

Конструкция магнитопровода, показанная на фиг.4, со стержневым магнитопроводом, предназначена для трехфазных трансформаторов, изготовление такого магнитопровода не требует треугольной навивки электротехнической стали, поэтому при мелкосерийном производстве, является более экономически оправданной, чем показанная на фиг.2. Магнитопровод прост в изготовлении, т.к. изготавливается из прямых полос электротехнической стали. Однако такой трансформатор идентичен электрическими характеристиками трансформаторам с Е-образным магнитопроводом [М.П.Костенко, Л.М.Пиотровский. Электрические машины. Изд-е 2-е, в 2-х томах. Ленинград; Энергия, 1965, т.1, стр.80], т.е. имеет неодинаковые характеристики для смежных фаз (напряжения вторичных обмоток, электрические сопротивления вторичных обмоток, вес вторичных обмоток), и может использоваться, когда не требуется полной идентичности этих характеристик.

Конструкция магнитопровода, показанная на фиг.5, отличается от конструкции, показанной на фиг.2, простотой изготовления, т.к. не требует треугольной формовки при навивке листовой электротехнической стали при его изготовлении. Трансформатор имеет идентичные характеристики по фазам. Конструкция целесообразна, когда при серийном производстве приемлемо небольшое увеличение веса магнитопровода за счет его удлинения по сравнению с треугольным магнитопроводом фиг.2.

Таким образом, в заявляемом трансформаторе вторичная обмотка 2 встроена в магнитопровод одной и той же магнитно-электрической системы и выполняет две функции: функцию магнитопровода и функцию вторичной обмотки.

Трансформатор (фиг.1) функционирует следующим образом.

При подключении выводов первичной обмотки 4 первой системы к контактам источника питания переменного тока с напряжением U₁ и циклической частотой ω по виткам этой обмотки течет ток I₁, наводящий равномерно распределенный переменный магнитный поток Ф в первой системе, а именно в магнитопроводе 1 и вторичной обмотке 2, которая также выполняет роль магнитопровода. Этот поток наводит ЭДС во вторичной обмотке 2 второй системы; значение этой ЭДС определяется по формуле: Е₂=kN₂ωФ=kN₂ωSB, где N₂ - число витков обмотки, S - сечение магнитопровода, В - наведенная магнитная индукция, k - коэффициент, показывающий степень охвата магнитного потока вторичной обмоткой 2. Направление ЭДС в обмотках 2 и 4 перпендикулярно направлению магнитного потока Ф [Теоретические основы электротехники. Бессонов Л.А., Москва: Высшая школа, 1973, с.138].

Значение k зависит от соотношения внутреннего и наружного диаметров вторичной обмотки 2 и находится в пределах от 0,33 до 0,5. Работа трансформаторов, содержащих другие вторичные обмотки (фиг.2, 3, 4), включенные в магнитную цепь последовательно с магнитопроводом и остальными вторичными обмотками, полностью аналогична.

Магнитопровод выполнен из ферромагнитного материала с низкой проводимостью, что обеспечивает уменьшение вихревых токов [Теоретические основы электротехники. Бессонов Л.А., Москва: Высшая школа, 1973, с.124-125]. Выполнение вторичной обмотки из ферромагнитного материала с низкой проводимостью позволяет снизить омическое сопротивление этой обмотки, что приводит к снижению потерь энергии.

Магнитный поток Ф в магнитопроводе 1 и вторичной обмотке 2 первой системы наводится только первичной обмоткой 4 второй системы. Поэтому магнитный поток вторичной 2 обмотки соосен с магнитным потоком первичной обмотки 4, это не вызывает размагничивания магнитопровода перпендикулярным магнитным полем. Таким образом, улучшены характеристики магнитопровода. Первичная обмотка 4 в отличие от первичной обмотки прототипа выполнена из неферромагнитного материала, поэтому наводимый ею магнитный поток не замыкается (не шунтируется) внутри этой обмотки. Устраняются потери энергии на вихревые токи из-за замыкания магнитных потоков. Это увеличивает коэффициент связи первичных и вторичных обмоток и снижает влияние немагнитных зазоров, что позволяет избежать увеличения числа витков обмоток и массы магнитопровода. Таким образом устранены недостатки прототипа.

В заявляемом трансформаторе вторичные обмотки 2, выполненные из ферромагнитного материала, размещены в магнитопроводе 1. Потери в любом трансформаторе прямо пропорциональны массе магнитопровода и обмоток [Теоретические основы электротехники. Бессонов Л.А. Москва: Высшая школа, 1973, с.132]. Такое размещение вторичных обмоток 2 экономит объем обмоток трансформатора, что позволяет уменьшить размеры магнитопровода 1, первичной 4 и вторичной 2 обмоток трансформатора, а значит одновременно с достигнутыми уменьшенными габаритами и массой снижаются потери энергии в обмотках и магнитопроводе.

Таким образом, в заявляемом техническом решении вторичная обмотка встроена в магнитопровод одной и той магнитоэлектрической системы и выполняет две функции: функции магнитопровода и функцию вторичной обмотки.

Заявляемое техническое решение может содержать любое сочетание формы проводника вторичной обмотки 2 и первичной обмотки 4, т.е. проволоки или фольги.

Трансформатор может быть изготовлен из следующих материалов.

В качестве низкоэлектропроводящего ферромагнитного материала может быть использован феррит 2000НМ, высокоэлектропроводящего ферромагнитного материала - АРМКО 20-880 (08Ю ПМ), в качестве высокоэлектропроводящего неферромагнитного материала - медь M1 (ТУ 1844.-012-05774969- 2002), электроизолирующего ферромагнитного материала - ферритовый порошок 2000НМ.

Трансформатор может быть изготовлен, например, следующим образом:

1) вторичные обмотки навиваются лентой "армко", сплавом 08Ю или ЧЖК, покрытой лаком методом шелкографии. После трехкратной отверждающей пропитки их торцы выравниваются и глянцуются методами электролизно-тонкоабразивной плоской обработки и сухого химического травления в плоскости для исключения межвитковых замыканий; все поставщики сырья и услуг находятся в Российской Федерации;

2) ярма изготавливаются в виде плоских колец путем навивки электротехнической стали, покрытой лаком с тонким ферромагнитным порошком; одна их плоскость обрабатывается аналогично торцам вторичных обмоток;

3) первичные обмотки бескаркасно наматываются из обмоточного медного лакированного провода, лакированной медной или алюминиевой фольги и пропитываются и изолируются отверждающим лаком;

5) при сборке трансформатора торцы вторичных обмоток изолируются несохнущей мастикой на основе ферромагнитного порошка, например молотого феррита марки 2000НМ;

Таким образом, изготовление заявляемого трансформатора является доступным.

Заявляемая конструкция трансформатора является модульной, т.е. позволяет легко заменить любую его обмотку или часть магнитопровода, поврежденную при эксплуатации.

Заявляемый трансформатор может применяться:

- в качестве силовых понижающих электромагнитных однофазных и многофазных трансформаторов в диапазоне мощностей от 0,5 Вт до 20 ГВА и выше; в диапазоне частот 50 Гц - 1 МГЦ и выше, напряжений от 3 В до 110 кВ и выше; т.е. в продукции электронной и электротехнической отраслей, а также в энергетике; обозначение - MTS - Module Transformer for Supply;

- в качестве силовых повышающих электромагнитных однофазных и многофазных трансформаторов в диапазоне мощностей от 0,5 Вт до 20 ГВА и выше; в диапазоне частот 50 Гц - 1 МГЦ и выше, напряжений от 3 В до 110 кВ и выше; т.е. в продукции электронной и электротехнической отраслей, а также в энергетике; обозначение - МТС - Module Transformer for Convert;

- в качестве измерительных электромагнитных однофазных и многофазных трансформаторов напряжения в диапазоне частот 50 Гц - 1 МГЦ и выше, при напряжениях от 3 В до 110 кВ и выше; т.е. в продукции электронной и электротехнической отраслей, а также в энергетике; в качестве измерительных электромагнитных однофазных и многофазных трансформаторов тока в диапазоне частот 50 Гц - 1 МГЦ и выше, токов от 1 мА до 100 кА и выше; т.е. в продукции электронной и электротехнической отраслей, а также в энергетике; обозначение - МТМ - Module Transformer for Measuring.

Источники информации, принятые во внимание

1. Авторское свидетельство СССР №454593, М. кл. Н01F 17/04, Бюл. №47 от 25.12.74. ЛИНЕЙНАЯ МИНИАТЮРНАЯ КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ.

2. Авторское свидетельство СССР №603003, М. кл. Н01F 27/28, Бюл. №14 от 15.04.78. РЕАКТИВНАЯ КАТУШКА.

3. Патент США №3247476, 1966, Кл. 336-177. РЕАКТИВНАЯ КАТУШКА.

4. Авторское свидетельство СССР №630654, М. кл. Н01F 27/24 от 01.11.78. ТРАНСФОРМАТОР.

Изобретение относится к электротехнике, к электромагнитным трансформаторам. Технический результат состоит в уменьшении габаритов и массы, снижении потерь энергии в обмотках и магнитопроводе путем уменьшения числа витков обмоток и увеличения коэффициента связи обмоток благодаря устранению шунтирования рабочего магнитного потока, а также улучшению характеристик магнитопровода путем уменьшения эквивалентных немагнитных зазоров и исключения размагничивания перпендикулярным магнитным полем. Трансформатор включает образующие две системы изолированные магнитопровод и концентрично расположенные первичную н вторичную обмотки, каждая из которых намотана отдельно. Одна из систем образована магнитопроводом, выполненным из ферромагнитного низкоэлектропроводящего материала, который включает вторичную обмотку из ферромагнитного высокоэлектропроводящего материала. Другая система включает первичную обмотку из неферромагнитного высокоэлектропроводящего материала, охватывающую вторичную обмотку. 7 ил.

Трансформатор, содержащий изолированные магнитопровод, концентрично расположенные первичную и вторичную обмотки, каждая из которых намотана отдельно, образующие две системы, отличающийся тем, что одна из систем содержит магнитопровод, выполненный из ферромагнитного низкоэлектропроводящего материала, включающий вторичную обмотку из ферромагнитного высокоэлектропроводящего материала, а другая система включает первичную обмотку из неферромагнитного высокоэлектропроводящего материала, охватывающую вторичную обмотку.