ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2012 года по МПК H01F30/06 H01F27/38 H01F27/28 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электромагнитных трансформаторах.

Известен клапанный электромагнит переменного тока (Таев И.С. Электрические аппараты. Общая теория. М.: Энергия, 1977, стр.234, 250), содержащий сердечник, охваченный обмоткой и короткозамкнутым витком. Короткозамкнутый виток электромагнита либо имеет электрическое сопротивление R₂>>0, либо охватывает только часть сечения сердечника, разделяя Н_с на сдвинутые по фазе относительно друг друга составляющие и , направленные вдоль сердечника. Снижение рабочего значения H_c в электромагните нежелательно, т.к. это уменьшает его тяговое усилие. Кроме этого, уменьшение R₂ до нуля увеличило бы ток I₁ обмотки, подключенной к источнику напряжения, до разрушающего ее значения.

Наиболее близким техническим решением является трансформатор MTS/MTC/MTM (Вафин Ш.И., Казаков В.В., Казаков О.В., Немцев Г.А. Новые классические трансформаторы с оптимизированной блочной конструкцией. Описание и теоретическое обоснование. Ж-л «Энергетика Татарстана», №4, 2008 г., с.25), содержащий: сердечник, образованный вертикальными стержнями, верхние торцы которых магнитно соединены через верхнее ярмо, а нижние - через нижнее ярмо; при этом торцы стержней электрически изолированы от ярем; первичные обмотки, охватывающие стержни; причем стержни навиты в виде рулонов из эмалированной ленты ферромагнитного материала с высокой электропроводностью и совмещают функцию вторичных обмоток или их части. Петля провода, соединяющего выход трансформатора с внутренним концом ленты стержня-обмотки и проходящего через его торец, охватывает вертикальное сечение тороида, образованного витками стержня-обмотки. ЭДС одного витка вертикального и горизонтального сечений стержня приблизительно равны е, т.е. Е₂=N₂·k_U·e>>е=Е₃, где: Е₂ и N₂ - ЭДС и количество витков стержня-обмотки; k_U=(D_внеш.+2D_внутр.)/(3D_внеш.+3D_внутр.), D_внеш. и D_внутр. - внешний и внутренний диаметры стержня-обмотки; Е₃ - ЭДС петли провода. Поэтому полный ток I₃=i₃ петли не ограничивается встречной ЭДС E₃ петли и равен току нагрузки трансформатора i₂=I₂/N₂, т.е. I₃=i₃=i₂=I₂/N₂. Таким образом, тороид стержня и петля соединительного провода представляют собой сердечник и первичную обмотку трансформатора тока. Так как у этого трансформатора отсутствует цепь вторичной обмотки, напряженность магнитного поля этого трансформатора тока, перпендикулярная напряженности Н_с магнитного поля основного трансформатора, равна Н_т=I₃/l_т=I₂/(N₂l_т) и при I₃>>I_µт может вызвать перпендикулярное насыщение стержня, многократно уменьшая его магнитную проницаемость µ в направлении H_c; здесь: l_т=π·(D_внеш.+D_внутр.)/2 - средняя длина магнитной цепи тороида, I_µт - эквивалентный ток его намагничивания. Схожая проблема возникает, даже если соединительный провод пропустить через горизонтальное сквозное отверстие в средней части стержня-обмотки. Это не позволяет изготавливать качественные трансформаторы MTS/MTC/MTM с понижающим коэффициентом трансформации, т.к. ограничивает увеличение выходного тока I₂/N₂ нагрузки трансформатора.

Задачей изобретения является увеличение нагрузочной способности трансформатора.

Технический результат достигается тем, что в трансформатор, содержащий первичные обмотки, стержни-обмотки, верхнее и нижнее ярма, электрически изолированные и магнитно соединяющие верхние и нижние торцы стержней-обмоток, внутренние выводы которых соединены с выходами трансформатора проводами, проходящими через торцы стержней-обмоток, дополнительно введены короткозамкнутые размагничивающие витки, охватывающие тороиды стержней-обмоток и нейтрализующие их перпендикулярное намагничивание.

На чертеже изображен фрагмент трансформатора в разрезе.

Трансформатор содержит:

1 - первичные обмотки,

2 - стержни-обмотки,

3 - верхние и нижние ярма,

4 - провода,

5 - короткозамкнутые размагничивающие витки.

Верхние и нижние ярма 3 электрически изолированы и магнитно соединяют верхние и нижние торцы стержней-обмоток 2. Провода 4 проходят через торцы стержней-обмоток 2 и соединяют внутренние выводы стержней-обмоток 2 с выходами трансформатора. Короткозамкнутые размагничивающие витки 5 охватывают тороиды стержней-обмоток 2.

Трансформатор работает следующим образом.

При подключении переменного напряжения U₁ сети с циклической частотой ω к выводам первичной обмотки 1 трансформатора с количеством витков N₁, в замкнутой магнитной цепи, содержащей стержни-обмотки 2 и ярма 3, наводится магнитный поток Ф_раб.=U₁/(ωN₁), пропорциональный ампер-виткам I₁=i₁·N₁ первичной обмотки, равномерный по горизонтальному сечению S_c стержня 2 и наводящий во вторичной обмотке 2 с количеством витков N₂ напряжение U₂=k_UωN₂Ф, где k_U=(D_внеш.+2D_внутр.)/(3D_внеш.+3D_внутр.), D_внеш. и D_внутр. - внешний и внутренний диаметры стержня 2.

Вторая магнитная цепь, перпендикулярная потоку Ф_раб., снижающая проницаемость сердечника путем его перпендикулярного намагничивания, образована тороидом стержня 2 и охвачена петлей провода 4 и короткозамкнутым витком 5, электрическое сопротивление которого R_кз<<R₂, где R₂ - суммарное электрическое сопротивление вторичной обмотки, роль которой выполняет стержень-обмотка, провод 4 и нагрузка трансформатора. Благодаря малому значению R_кз полный ток I₄ соединительного провода 4 становится равным полному току I₃ короткозамкнутого витка 5, и напряженность магнитного поля нежелательной магнитной цепи Н_т=(I₃-I₄)/l_т близка к нулю; где l_т=π·(D_внеш.+D_внутр.)/2 - средняя длина окружности тороида стержня.

Таким образом, введение короткозамкнутого витка 5, охватывающего тороид стержня 2, полностью исключает перпендикулярное намагничивание стержня 2, сохраняя высокую магнитную проницаемость сердечника независимо от тока нагрузки трансформатора MTS/MTC/MTM.

Трансформатор может быть изготовлен из тех же материалов, из которых изготовлен прототип. Например, стержни обмотки 2 и ярма 3 могут быть навиты эмалированными полиимидом калиброванными лентами из 99,998-99,999% электролитического железа, изготовленного электрически-магнитным рафинированием на Кыштымском медеэлектролитном заводе или на Industrial metal powders (India) pvt. Itd. и имеющего следующие характеристики: удельное сопротивление ρ_26°C=0,0947 мкОм·м; относительная магнитная проницаемость µ=100000…120000; индукция насыщения В_mах=2,66-2,70 Т; коэрцитивная сила Н_с<0,2 А/м; погрешность калибровки по ширине - не более ±0,25 мкм; толщина полиимидной 4-сторонней изоляции d_и=3 мкм, толщина металла одного слоя ленты d_ж=50 мкм.

Трансформатор может иметь все конструкции, присущие прототипу, и может заменять все виды измерительных и силовых трансформаторов.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во всех конструкциях силовых и измерительных трансформаторов с ферромагнитными обмотками-стержнями. Технический результат состоит в улучшении характеристик и расширении области применения трансформатора MTS/MTC/MTM путем увеличения допустимых токов нагрузки. Трансформатор содержит первичные обмотки (1), охватывающие стержни-обмотки (2). Верхнее и нижнее ярма (3) электрически изолированы и магнитно соединяют верхние и нижние торцы стержней-обмоток (2), внутренние выводы которых соединяются с выходами трансформатора проводами (4), проходящими через торцы стержней-обмоток (2). Введены короткозамкнутые витки (5), охватывающие тороиды стержней-обмоток и обеспечивающие компенсацию перпендикулярного намагничивания стержней-обмоток токами проводов (4). 1 ил.

Трансформатор, содержащий первичные обмотки, охватывающие стержни-обмотки, верхнее и нижнее ярма, электрически изолированные и магнитно соединяющие верхние и нижние торцы стержней-обмоток, внутренние выводы которых соединены с выходами трансформатора проводами, проходящими через торцы стержней-обмоток, отличающийся тем, что в него дополнительно введены короткозамкнутые размагничивающие витки, охватывающие тороиды стержней-обмоток.