ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2010 года по МПК H01F30/06 H01F27/28 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электромагнитным трансформаторам.

Недостатками современных силовых трансформаторах является: значительные массогабаритные характеристики и электрические потери.

Известен трансформатор по патенту РФ №2320045, МПК 30/06, H01F 27/28, 2007 - прототип, содержащий изолированные магнитопровод, концентрично расположенные первичную и вторичную обмотки, каждая из которых намотана отдельно, образующие две системы, причем 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. Магнитное поле, наводимое первичной обмоткой трансформатора, уменьшает сопротивление вторичной обмотки трансформатора, выполненной из изолированной железной ленты. Благодаря такой конструкции трансформатор является компактным и имеет высокие электрические характеристики. Однако дальнейшее уменьшение размеров вторичной обмотки невозможно без ухудшения электрических характеристик трансформатора, связанных с увеличением плотности тока в обмотке.

Известны многослойные ферромагнитные структуры с антиферромагнитными прослойками (см. G.Binasch, P.Grunberg, F.Saurenbach и W.Zinn. Гигантская зависимость электрического сопротивления от магнитного поля в многослойных ферромагнитных структурах с антиферромагнитной спаивающей прослойкой. "Physical review", В, V.39, No 7, 01.03.1989), в которой возможность снижения удельного электрического сопротивления структуры обеспечивается чередованием тонких слоев железа и хрома, образующих макродоменную структуру, при воздействии внешнего магнитного поля, направленного вдоль слоев.

Задачей изобретения является уменьшение габаритных размеров и улучшение электрических характеристик трансформатора.

Технический результат достигается тем, что в трансформаторе, содержащем магнитопровод, первичную обмотку, выполненную из неферромагнитного высокоэлектропроводящего материала, и концентрично расположенную с ней вторичную обмотку, выполненную в виде ленты из ферромагнитного высокоэлектропроводящего материала и являющейся частью магнитопровода, вторичная обмотка выполнена из многослойной ленты, имеющей с внешней, по отношению к обмотке, стороны слой высокоэлектропроводящего антиферромагнетика, а с внутренней - слой антиферромагнетика с высокой магнитной проницаемостью, при этом материалы ленты имеют одинаковую индукцию насыщения.

На фиг.1 представлен трансформатор в разрезе, на фиг.2 - вид А (поперечный разрез ленты).

Трансформатор содержит магнитопровод 1 и концентрично расположенные первичную 2 и вторичную 3 обмотки. Вторичная обмотка 3 выполнена из многослойной ленты, имеющей слой ферромагнитного высокоэлектропроводящего материала, покрытой с внешней, по отношению к обмотке, стороны слоем высокоэлектропроводящего антиферромагнетика 4, а с внутренней - слоем антиферромагнетика с высокой магнитной проницаемостью 5.

Трансформатор работает следующим образом.

При подключении переменного напряжения U₁ сети с циклической частотой ω к выводам первичной обмотки 2 трансформатора с количеством витков N₁, в замкнутой магнитной цепи, содержащей магнитопровод 1 и вторичную обмотку 3, наводится магнитный поток Ф, равный U₁/(ωN₁), пропорциональный ампервиткам первичной обмотки, равномерный по сечению магнитопровода 1 и вторичной обмотки 3 и наводящий во вторичной обмотке с количеством витков N₂ напряжение U₂, равное k_U·ωN₂Ф_, где: Ф=BS, В - индукция магнитного поля; S - сечение магнитопровода, k_U=(k_R ³-3k_R+2)/[3(k_R-1)²(k_R+1)]<1, здесь k_R=r₂/r₀, r₂ и r₀ - наружный и внутренний радиусы вторичной обмотки. Так как каждый виток вторичной обмотки 3 связан с первичной обмоткой 2 собственным магнитным полем, которое не замыкается через соседние витки этой вторичной обмотки при любом токе нагрузки трансформатора и любом значении зазора между магнитопроводом 1 и вторичной обмоткой 3, то на образующей поверхности этих витков, образованных лентой, не наводятся дополнительные вихревые токи. Так как материал вторичной обмотки имеет ось легкого намагничивания, совпадающую с осью намагничивания обмотки, отсюда вторичная обмотка обладает отрицательной магниторезистивностью. Магнитная индукция В, направленная по оси вторичной обмотки и перпендикулярная наведенному этой индукцией току I₂ этой обмотки, уменьшает удельное сопротивление материала вторичной обмотки для этого тока. Уменьшение сопротивления вторичной обмотки R₂ при увеличении мгновенного значения индукции В компенсирует искажение напряжения U₂ при максимальных значениях индукции В, возникающее при насыщении магнитной цепи трансформатора. При этом наведенный ток I₂ вторичной обмотки вытесняется индукцией В на внешний слой 4 каждого витка ферромагнитной вторичной обмотки, имеющий меньшее удельное сопротивление. Это уменьшает электрическое сопротивление обмотки и позволяет уменьшить сечение его витков, а значит, размеры обмотки. Оба антиферромагнитых слоя под влиянием индукции В становятся ферромагнитными. Внутренний слой 5 имеет большее значение магнитной проницаемости, это увеличивает среднюю магнитную проницаемость магнитопровода и также позволяет уменьшить размеры ферромагнитной вторичной обмотки, являющейся частью замкнутой магнитной цепи.

Таким образом, вторичная обмотка выполняет роль стержня магнитопровода и выполняется с меньшим сечением без увеличения электрического и магнитного сопротивлений. Размеры трансформатора уменьшаются по сравнению с прототипом и снижаются сопутствующие потери электроэнергии, пропорциональные его размерам.

Трансформатор может иметь все конструкции, присущие прототипу, и может быть использован в качестве измерительных и силовых трансформаторов.

Вторичная обмотка может быть выполнена из железной ленты, на одну сторону которой в качестве материала с лучшей электропроводностью гальванически нанесен хром, а на другую - марганец в качестве материала, приобретающего лучшие магнитные свойства. При необходимости увеличения выходного тока витки вторичной обмотки могут быть изготовлены навивкой несколькими лентами.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано как силовой или измерительный трансформатор тока или напряжения в отраслях электроники, электротехники, энергетики. Технический результат состоит в уменьшении размеров и улучшении электрических характеристик. Трансформатор содержит магнитопровод, первичную обмотку, выполненную из неферромагнитного высокоэлектропроводящего материала, расположенную концентрично с вторичной обмоткой, являющейся частью магнитопровода. Вторичная обмотка выполнена из многослойной ленты, содержащей слой ферромагнитного высокоэлектропроводящего материала, покрытой с внешней по отношению к обмотке стороны слоем высокоэлектропроводящего антиферромагнетика, а с внутренней - слой антиферромагнетика с высокой магнитной проницаемостью. 2 ил.

Трансформатор, содержащий магнитопровод, первичную обмотку, выполненную из неферромагнитного высокоэлектропроводящего материала, и концентрично расположенную с ней вторичную обмотку, выполненную в виде ленты из ферромагнитного высокоэлектропроводящего материала и являющейся частью магнитопровода, отличающийся тем, что вторичная обмотка выполнена из многослойной ленты, имеющей с внешней, по отношению к обмотке, стороны слой высокоэлектропроводящего антиферромагнетика, а с внутренней - слой антиферромагнетика с высокой магнитной проницаемостью, при этом материалы ленты имеют одинаковую индукцию насыщения.