СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ЗВУКОЧАСТОТНОГО ШУМА В МАГНИТНЫХ СЕРДЕЧНИКАХ И МАГНИТНЫЕ СЕРДЕЧНИКИ, ОБЛАДАЮЩИЕ СНИЖЕННЫМ ЗВУКОЧАСТОТНЫМ ШУМОМ Российский патент 2015 года по МПК H01F27/33 H01F27/26 H01F27/25 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Варианты воплощения изобретения относятся к способу снижения звукочастотного шума, возникающего в магнитных сердечниках на основе аморфных магнитных материалов, таких как сердечники трансформаторов. Другие варианты воплощения относятся к магнитным сердечникам, обладающим пониженным звукочастотным шумом.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Лента аморфного сплава на основе железа демонстрирует исключительные мягкие магнитные свойства, включая низкие потери в магнитном сердечнике при возбуждении переменным током, что находит свое применение в энергосберегающих магнитных устройствах, таких как трансформаторы, двигатели, генераторы, устройства регулирования энергии, включающие в себя импульсные генераторы мощности и магнитные датчики. В этих устройствах предпочтительными являются аморфные ферромагнитные материалы с высокой магнитной индукцией насыщения и низкими потерями в магнитном сердечнике. Хотя эти признаки были достигнуты в аморфных сплавах на основе Fe, их значения магнитострикции стремятся к тому, чтобы быть несколько выше, чем значения магнитострикции стандартных кристаллических сплавов Fe-Si. Магнитострикция является одним из характерных свойств магнитных материалов и характеризуется изменениями размеров, когда материалы намагничиваются из своих состояний остаточной намагниченности. При расширении магнитного материала вдоль направления намагничивания, это явление называется положительной магнитострикцией. Когда магнитный материал сжимается при намагничивании, эффект называется отрицательной магнитострикцией. В любом случае, материал механически вибрирует при возбуждении переменным током. Таким образом, при использовании материала в магнитном сердечнике, который находится под воздействием возбуждения магнитным потоком, сердечник издает звук. Одним примером этого является характерное гудение электрораспределительных трансформаторов. Из-за непрерывного повышения плотности населения в жилых районах, шум трансформаторов становится серьезной проблемой. Поскольку магнитострикция материала определяется его химическим составом и атомной или кристаллической структурой, уровень шума от магнитного сердечника регулируется проектированием и изготовлением сердечника, исходя из конкретного материала сердечника. Таким образом, проектирование и изготовление магнитного сердечника на основе аморфных магнитных материалов необходимо оптимизировать для достижения минимальных уровней шума, что является особенностью варианта воплощения настоящего изобретения.

[0003] Аморфные сплавы на основе Fe, упомянутые в параграфе [0002] выше, отливают в форме полосы, из-за необходимости в быстром отверждении расплавленных сплавов. Серийно выпускаемая аморфная магнитная полоса обладает толщиной в диапазоне примерно 15 - 50 мкм. При наматывании относительно тонкой полосы с образованием крупноразмерного магнитного сердечника, край сердечника может быть механически укреплен для поддержания его механической целостности. Это тот случай, когда сердечник используют в качестве сердечника распределительного трансформатора, который имеет такой физический срез, чтобы эту электропроводящую намотку трансформатора можно было бы вставить в сердечник. Например, в Патенте США № 4734975 (здесь и далее именуемом Патентом ′975) описан способ нанесения покрытия на боковые поверхности сердечника трансформатора, с использованием эпоксидной смолы, для механического упрочнения сердечника. Данный способ в настоящее время используют во множестве трансформаторов на основе ленты аморфного сплава. Однако, в ходе отверждения смолы, в боковые поверхности сердечника привносятся механические напряжения, вызванные разницей коэффициентов термического расширения между материалом сердечника и смолой, что повышает магнитные потери сердечника и мощность возбуждения. Эти повышения, в свою очередь, приводят к повышенному звукочастотному шуму трансформатора. Таким образом, этот эффект должен быть ослаблен, что является другой особенностью варианта воплощения изобретения. Дополнительная особенность изобретения состоит в поиске армирующих материалов для сердечника, безопасных для окружающей среды. В настоящее время, используемые материалы полимерных покрытий, такие как эпоксидная смола, крепко прилипают к металлическим магнитным сердечникам, но порождают возникновение опасных газов при переплавке сердечников в ходе утилизации, и этот эффект необходимо ослабить.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] В соответствии с аспектом изобретения, способ снижения звукочастотного шума магнитного сердечника на основе аморфного сплава включает в себя: обеспечение магнитного сердечника, имеющего четыре плеча сердечника, расположенные в форме прямоугольника, причем магнитный сердечник дополнительно имеет: первое плечо сердечника, второе плечо сердечника, расположенное напротив первого плеча сердечника и имеющее срезанный участок перекрытия лент, третье плечо сердечника и четвертое плечо сердечника, противоположное третьему плечу сердечника; размещение множества не перекрывающихся лент высокой прочности по бокам третьего плеча сердечника и четвертого плеча сердечника, причем ленты высокой прочности демонстрируют высокую механическую прочность, высокую диэлектрическую прочность и высокую рабочую температуру; наматывание первого слоя перекрывающихся лент высокой прочности спирально на третье плечо сердечника и четвертое плечо сердечника; размещение второго слоя перекрывающихся лент высокой прочности на боковой поверхности первого плеча сердечника, в направлении, параллельном длине первого плеча сердечника; размещение третьего слоя перекрывающихся лент высокой прочности на верхней поверхности первого плеча сердечника, в направлении, перпендикулярном длине первого плеча сердечника; размещение четвертого слоя перекрывающихся лент высокой прочности на нижней поверхности первого плеча сердечника, в направлении, параллельном длине первого плеча сердечника; и размещение пятого слоя перекрывающихся лент высокой прочности на нижней поверхности первого плеча сердечника, в направлении, перпендикулярном длине первого плеча сердечника, причем магнитный сердечник обладает пониженным уровнем звукочастотного шума, исходящего из сердечника.

[0005] Согласно одному аспекту изобретения способ дополнительно включает в себя воздействие на часть первого плеча сердечника, которая не содержит намотку ленты, часть третьего плеча сердечника, которая не содержит намотку ленты, или часть четвертого плеча сердечника, которая не содержит намотку ленты охлаждающей среды трансформатора, для обеспечения охлаждения сердечника в ходе эксплуатации сердечника в электрическом распределительном трансформаторе.

[0006] Согласно одному аспекту изобретения каждый из слоев, - первый слой перекрывающихся лент высокой прочности, второй слой перекрывающихся лент высокой прочности, третий слой перекрывающихся лент высокой прочности, четвертый слой перекрывающихся лент высокой прочности и пятый слой перекрывающихся лент высокой прочности придают сердечнику механическую прочность.

[0007] Согласно одному аспекту изобретения сердечник функционирует при температуре вплоть до 155°C, а высокопрочная лента обладает прочностью на растяжение превышающая 250 Н/см и диэлектрической прочностью, превышающей 3000 вольт, причем высокопрочная лента обладает хорошей стойкостью к пробою, разрыву и термическому старению.

[0008] Согласно одному аспекту изобретения магнитный сердечник обмотан аморфной магнитной лентой или магнитной полосой, причем магнитную полосу быстро отливают из расплавленного состояния сплава.

[0009] Согласно одному аспекту изобретения магнитный сердечник обмотан несколькими слоями лент высокой прочности, испускающих звук с мощностью, близкой к звуковой мощности, генерируемой сердечником того же размера без намотки ленты.

[0010] Согласно одному аспекту изобретения сниженный уровень звукочастотного шума магнитного сердечника на 6-10 дБ меньше, чем у магнитного сердечника того же размера, имеющего смолу в качестве покрытия. Согласно другому аспекту изобретения слои лент высокой прочности могут быть удалены при переплавке сердечника для утилизации.

[0011] Согласно дополнительным особенностям изобретения магнитный сердечник на основе аморфного сплава, обладающий пониженным звукочастотным шумом, включает: сердечник прямоугольной формы, имеющий четыре плеча: первое плечо сердечника, второе плечо сердечника, расположенное напротив первого плеча сердечника и имеющее срезанный участок перекрытия ленты, третье плечо сердечника, и четвертое плечо сердечника, расположенное напротив третьего плеча сердечника; несколько не перекрывающихся лент высокой прочности, размещенных на боковых поверхностях третьего плеча сердечника и четвертого плеча сердечника, причем ленты высокой прочности демонстрируют высокую механическую прочность, высокую диэлектрическую прочность и высокую рабочую температуру; первый слой перекрывающихся лент высокой прочности, намотанный спирально на третье плечо сердечника и четвертое плечо сердечника; второй слой перекрывающихся лент высокой прочности, помещенный на верхнюю поверхность первого плеча сердечника в направлении, параллельном длине первого плеча сердечника; третий слой перекрывающихся лент высокой прочности, помещенный на верхнюю поверхность первого плеча сердечника в направлении, перпендикулярном длине первого плеча сердечника; четвертый слой перекрывающихся лент высокой прочности, помещенный на нижнюю поверхность первого плеча сердечника в направлении, параллельном длине первого плеча сердечника; и пятый слой перекрывающихся лент высокой прочности, помещенный на нижнюю поверхность первого плеча сердечника в направлении, перпендикулярном длине первого плеча сердечника, причем магнитный сердечник обладает пониженным уровнем звукочастотного шума, исходящего из сердечника.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0012] Изобретение будет более полно понято, и дополнительные преимущества станут ясными при рассмотрении ссылки на следующее подробное описание вариантов воплощения и прилагаемых чертежей, на которых:

Фиг. 1A представляет собой перспективное изображение магнитного сердечника, перед тем, как магнитный сердечник претерпевает какую-либо операцию наматывания.

Фиг. 1B представляет собой перспективное изображение магнитного сердечника, после того, как магнитный сердечник претерпевает операцию наматывания «a» высокопрочной лентой.

Фиг. 1C представляет собой перспективное изображение магнитного сердечника, после того, как магнитный сердечник претерпевает операцию наматывания «b».

Фиг. 1D представляет собой перспективное изображение магнитного сердечника, после того, как магнитный сердечник претерпевает операцию наматывания «c».

Фиг. 1E представляет собой перспективное изображение магнитного сердечника, после того, как магнитный сердечник претерпевает операцию наматывания «d».

Фиг. 1F представляет собой перспективное изображение магнитного сердечника, после того, как магнитный сердечник претерпевает операцию наматывания «e».

Фиг. 2A представляет собой перспективное изображение магнитного сердечника, после того, как магнитный сердечник претерпевает операцию наматывания «f».

Фиг. 2B представляет собой перспективное изображение магнитного сердечника, после того, как магнитный сердечник претерпевает операцию наматывания «g».

Фиг. 2C представляет собой перспективное изображение магнитного сердечника, после того, как магнитный сердечник претерпевает операцию наматывания «h».

Фиг. 2D представляет собой перспективное изображение магнитного сердечника, после того, как магнитный сердечник претерпевает операцию наматывания «i».

Фиг. 2E представляет собой перспективное изображение магнитного сердечника, после того, как магнитный сердечник претерпевает операцию наматывания «j».

Фиг. 3 представляет собой фотографию магнитного сердечника, обмотанного изолирующей высокопрочной лентой согласно операциям наматывания по Фиг. 1A - Фиг. 1F, и по Фиг. 2A - Фиг. 2E, показывающую плечо сердечника 10 справа, плечо сердечника 12 спереди и плечо сердечника 14 слева; и отображающую все плечо сердечника 10, а также части плеча сердечника 12 и плеча сердечника 14 при отсутствии намотки ленты, которые служат в качестве охлаждения канала сердечника.

Фиг. 4 представляет собой график, показывающий зависимость магнитной индукции от мощности звука, исходящего из магнитного сердечника на основе сплава Metglas® 2605SA1 при возбуждении 60 Гц, обмотанного изолирующей высокопрочной лентой.

Фиг. 5 представляет собой график, показывающий зависимость магнитной индукции от мощности звука, исходящего из магнитного сердечника на основе сплава Metglas® 2605HB1M при возбуждении 60 Гц, обмотанного изолирующей высокопрочной лентой.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

[0013] Варианты воплощения изобретения будут разъяснены дополнительно ниже, со ссылкой на прилагаемые чертежи.

[0014] Полоса из аморфного сплава может быть приготовлена, как описано в Патенте США № 4142571, за счет наличия расплавленного сплава, испускаемого через щелевое сопло на вращающуюся поверхность холодильного тела. Полоса имеет толщину в диапазоне примерно 15-50 мкм и ширину в диапазоне примерно 25-210 мм. Любую отлитую полосу или полосовой шлиц, достигший заданной ширины, наматывают на магнитный сердечник. В определенных случаях, например, в электрораспределительном трансформаторе, сердечник имеет зазор, вследствие чего заготовка сердечника может быть разомкнута для вставления в сердечник электропроводящих катушек. Сердечник с обмоткой затем подвергают термообработке, для достижения предусмотренных магнитных свойств.

[0015] Один такой пример термообработанного сердечника показан на Фиг. 1A, на которой сердечник 100 имеет плечи сердечника 10, 12, 13 и 14 и срезанный участок перекрытия ленты 11 на одном из плеч сердечника 10, как показано. Срезанный участок перекрытия ленты 11 должен обеспечить вставление катушек трансформатора в сердечник за счет его размыкания. Высокопрочную ленту 20 размещают на боковых поверхностях сердечника, как проиллюстрировано в операции наматывания «a» на Фиг. 1B. Другой слой ленты 30 наматывают вокруг плеча сердечника 12, как показано в операции наматывания «b» на Фиг. 1C. Как иллюстрирует операция наматывания «c», ленту 30 наматывают на плечо сердечника 12 спирально, таким образом, чтобы она покрывала все плечо сердечника, как показано на Фиг.1D. Количество фрагментов ленты и их длина и ширина зависят от размера сердечника. Операцию «c» повторяют на плече сердечника 13 как операцию наматывания «d», проиллюстрированную на Фиг. 1E. В операции наматывания «e», другой слой 40 ленты наматывают на плечо сердечника 14, которое не имеет срезанного участка перекрытия ленты, как показано на Фиг. 1F. Как показано на Фиг. 2A, в операции наматывания «f» фрагменты ленты 40 размещают параллельно плечу 14 перекрывающимся образом. В операции наматывания «g» другой слой фрагментов ленты 50 размещают поверх фрагментов ленты 40 и параллельно плечам сердечника 12 и 13, что достигает своей кульминации в операции наматывания «h». Операции наматывания «f», «g» и «h» повторяют при операциях наматывания «i» и «j», что приводит к образованию части сердечника 100, не имеющей намотки ленты между фрагментами ленты на боковых поверхностях сердечника для плеча сердечника 14 и части плеч сердечника 12 и 13. Участки сердечника без намотки ленты служат в качестве канала охлаждения сердечника, например, за счет того, что они подвергаются воздействию охлаждающей среды трансформатора в ходе эксплуатации сердечника в электрическом распределительном трансформаторе. После завершения операции наматывания «j», полученный магнитный сердечник с намотанной лентой имеет внешний вид, показанный на Фиг. 3.

[0016] Способ снижения звукочастотного шума в магнитных сердечниках согласно варианту воплощения изобретения включает в себя операции обеспечения магнитного сердечника, имеющего четыре плеча сердечника, расположенные в форме прямоугольника, причем магнитный сердечник дополнительно содержит: первое плечо сердечника 14, второе плечо сердечника 10, расположенное напротив первого плеча сердечника и имеющее срезанный участок перекрытия ленты 11, третье плечо сердечника 12, и четвертое плечо сердечника 13, расположенное напротив третьего плеча сердечника; размещение нескольких не перекрывающихся лент высокой прочности 20 на боковых поверхностях третьего плеча сердечника и четвертого плеча сердечника, причем высокопрочная лента демонстрирует высокую механическую прочность, высокую диэлектрическая прочность и высокую рабочую температуру; наматывание первого слоя перекрывающихся лент высокой прочности 30 спирально на третье плечо сердечника и четвертое плечо сердечника; размещение второго слоя перекрывающихся лент высокой прочности 40 на верхней поверхности первого плеча сердечника в направлении, параллельном длине первого плеча сердечника; размещение третьего слоя перекрывающихся лент высокой прочности 50 на верхней поверхности первого плеча сердечника в направлении, перпендикулярном длине первого плеча сердечника; размещение четвертого слоя перекрывающихся лент высокой прочности 40 на нижней поверхности первого плеча сердечника в направлении, параллельном длине первого плеча сердечника; и размещение пятого слоя перекрывающихся лент высокой прочности (50) на нижней поверхности первого плеча сердечника в направлении, перпендикулярном длине первого плеча сердечника, магнитный сердечник демонстрирует пониженный уровень звукочастотного шума, исходящего из сердечника.

[0017] Высокопрочная лента, применимая для варианта воплощения изобретения, обладает высокой прочностью на растяжение и демонстрирует благоприятные характеристики, такие как хорошая стойкость к пробою, истиранию, разрыву и термическому старению, и высокую диэлектрическую прочность. Что касается прочности на растяжение, то здесь подходят ленты, обладающие высокой прочностью на растяжение 250 Н/см или более, или предпочтительно 512 Н/см. Что касается диэлектрической прочности, то здесь применимы ленты, обладающие диэлектрической прочностью 3000 вольт или более, или предпочтительно 5000 вольт или более.

[0018] Как правило, использование высокопрочной ленты для обмотки магнитных сердечников может быть пригодно для снижения звукочастотного шума, исходящего из сердечника, в диапазоне примерно 6-10 дБ, по сравнению с магнитными сердечниками, покрытыми только смолой.

[0019] Магнитный сердечник, обладающий пониженным звукочастотным шумом согласно варианту воплощения изобретения, включает в себя сердечник прямоугольной формы, имеющий четыре плеча: первое плечо сердечника 14, второе плечо сердечника 10, расположенное напротив первого плеча сердечника и имеющее срезанный участок перекрытия ленты 11, третье плечо сердечника 12 и четвертое плечо сердечника 13, расположенное напротив третьего плеча сердечника; несколько не перекрывающихся лент высокой прочности 20, размещенных на боковых поверхностях третьего плеча сердечника и четвертого плеча сердечника, причем ленты высокой прочности демонстрируют высокую механическую прочность, высокую диэлектрическую прочность и высокую рабочую температуру; первый слой перекрывающихся лент высокой прочности 30, намотанный спирально на третье плечо сердечника и четвертое плечо сердечника; второй слой перекрывающихся лент высокой прочности 40, помещенный на верхнюю поверхность первого плеча сердечника в направлении, параллельном длине первого плеча сердечника; третий слой перекрывающихся лент высокой прочности 50, помещенный на верхнюю поверхность первого плеча сердечника в направлении, перпендикулярном длине первого плеча сердечника; четвертый слой перекрывающихся лент высокой прочности 40, помещенный на нижнюю поверхность первого плеча сердечника, в направлении, параллельном длине первого плеча сердечника; и пятый слой перекрывающихся лент высокой прочности 50, помещенный на нижнюю поверхность первого плеча сердечника в направлении, перпендикулярном длине первого плеча сердечника; причем магнитный сердечник демонстрирует пониженный уровень звукочастотного шума, исходящего из сердечника.

[0020] Для установления базисной линии для сравнительного эталона для магнитного свойства, относящегося к звукочастотному шуму, исходящему из магнитного сердечника, были сконструированы магнитные сердечники с теми же размерами, что и размеры объекта 100 на Фиг.1A. Сердечники были затем подвергнуты термообработке для достижения их оптимального магнитного функционирования и покрыты эпоксидной смолой на их боковых поверхностях, с последующим исследованием согласно Патенту США ′975.

[0021] Магнитные сердечники, описанные в параграфах [0013]-[0019], были исследованы способами, указанными в Стандартах ASTM A912.

[0022] Сердечники в параграфах [0014]-[0019] были затем исследованы на наличие звукочастотного шума применительно к звуковой мощности в промышленной акустической лаборатории, в соответствии со Стандартом ISO 3744. Подробности испытаний приведены в следующих Примерах.

Пример 1

[0023] Магнитные сердечники на основе серийно выпускаемого аморфного сплава Metglas®2605SA1 были исследованы на наличие у них звукочастотного шума. Результаты испытаний подытожены в Таблице I, где звукочастотный шум сопоставляют среди приготовленных различным образом магнитных сердечников, возбуждаемых при уровнях индукции 1,0-1,50 Тл при 60 Гц.

Таблица I
Мощность звука, исходящего из сердечников, обмотанных лентой, покрытого эпоксидной смолой (клееного) и обнаженного Тип сердечника Звуковая мощность (дБ) Индукция (Тл) при 60 Гц 1,0 Тл 1,1 Тл 1,2 Тл 1,3 Тл 1,35 Тл 1,4 Тл 1,45 Тл 1,5 Тл Обмотанный лентой A 34,9 37,7 41,0 44,8 47,2 51,0 55,2 58,7 Обмотанный лентой B 33,2 35,6 39,0 43,7 45,8 48,4 53,0 59,2 Клееный 43,6 45,8 48,1 52,9 56,9 61,0 65,0 68,5 Обнаженный 32,8 35,4 38,9 42,9 45,6 49,9 53,9 57,4 Лента A: Код изделия 4237 (междуленточный полимер); Лента B: Код изделия 1711A (PPI)

[0024] Данные звуковой мощности, приведенные в Таблице I, показаны на Фиг.4 для визуального сравнения. На Фиг.4 кривые 41, 42 и 43 приведены для сердечников, обозначенных, соответственно, как «Обнаженный», «Обмотанный лентой A» и «Клееный». Следует отметить, что уровни шума на сердечниках, обмотанных лентой, были лишь слегка выше, чем уровни шума, испускаемого из обнаженного сердечника, который не был ни покрыт эпоксидной смолой, ни обмотан лентой. С другой стороны, клееный сердечник испускал значительно более высокий шум, по сравнению с обнаженными сердечниками или сердечниками, обмотанными лентой, примерно на 10 дБ выше, при уровне возбуждения выше 1,3 Тл, который попадает в рабочий диапазон индукций в трансформаторах. Данные звуковой мощности, полученные для сердечника «Обмотанного лентой B» сердечника, на Фиг.4 не показаны. Именно поэтому, продолжительная термостойкость ленты B из полиэстера, обеспечиваемой компанией PPI Adhesive Products Ltd и используемой в «Обмотанном лентой B» сердечнике, является достаточной лишь для температур ниже 130°C. Также, лента B обладает прочностью на растяжение 250 Н/см и диэлектрической прочностью 5000 вольт. Верхняя температурная граница для непрерывного использования ленты B близка к верхней температурной границе для электроизоляционного материала и масла для охлаждения сердечника, и, таким образом, ее использование не является практически выгодным, хотя ее характеристики звуковой мощности являются приемлемыми. Другая аналогичная лента из полиэстера с диэлектрической прочностью 2000 вольт была благополучно протестирована, с точки зрения ее магнитных свойств, но ее диэлектрические свойства не являются приемлемыми, поскольку с некоторыми из намоток катушек трансформаторов приходится работать при сетевых напряжениях, превышающих 3000 вольт. С другой стороны, лента из полиэстера A, обеспечиваемая компанией Intertape polymer Group, используемая в «Обмотанном лентой A» сердечнике, имеет рабочую температуру до 155°C. В дополнение к высокой термической стабильности ленты, лента обладает высокой прочностью на растяжение 512 Н/см и высокой диэлектрической прочностью 4600 вольт. Дополнительные требования для приемлемых лент включают хорошую стойкость к пробою, истиранию, разрыву и термическому старению.

[0025] Перед испытаниями на звуковую мощность, были измерены потери в сердечнике и мощность возбуждения на сердечниках, представленных Таблице I, и результаты измерений мощности возбуждения, которые являются индикатором мощности, требуемой для энергоснабжения магнитного сердечника, приведены в Таблице II.

Таблица II
Мощность возбуждения при 60 Гц для сердечников согласно Таблице I Тип сердечника Мощность возбуждения (ВА/кг) Индукция (Тл) при 60 Гц 1,0 Тл 1,1 Тл 1,2 Тл 1,3 Тл 1,35 Тл 1,4 Тл 1,45 Тл 1,5 Тл Обмотанный лентой A 0,171 0,213 0,266 0,340 0,395 0,477 0,629 1,00 Обмотанный лентой B 0,167 0,207 0,257 0,326 0,376 0,449 0,582 0,914 Клееный 0,172 0,214 0,270 0,353 0,421 0,530 0,751 1,30 Обнаженный 0,167 0,206 0,256 0,326 0,380 0,464 0,621 1,00

[0026] Как отмечено в Таблице II, мощность возбуждения в обмотанном лентой и обнаженном сердечниках были примерно одинаковыми, тогда как мощность возбуждения в клееном (покрытом эпоксидной смолой) сердечнике была примерно на 10-30% выше, по сравнению с обмотанным лентой и обнаженным сердечниками, для возбуждения магнитной индукции выше 1,3 Тл. Повышение мощности возбуждения показывает, что нанесение покрытия в виде эпоксидной смолы и последующее отверждение привносило локальные механические напряжения вблизи краев сердечника. Эти локальные напряжения, в свою очередь, повышали звукочастотный шум, исходящий из клееных сердечников, по сравнению с неклееным сердечником, как очевидно из Таблицы I и Фиг.4. На потери в сердечнике, с другой стороны, значительно не влияло нанесение покрытия в виде эпоксидной смолы на края сердечника или наматывание на сердечник высокопрочной ленты. Например, при возбуждении с уровнем индукции 1,0, 1,2, 1,3, 1,4 и 1,5 Тл, потери во всех сердечниках, подвергшихся испытанию при 60 Гц, составляли, соответственно, 0,14, 0,17, 0,20, 0,24, 0,28 и 0,33 Вт/кг.

[0027] В дополнение к вышеупомянутым неблагоприятным эффектам, вызванным наклеиванием на края сердечника эпоксидной смолы, наклеивание требует наличия процесса отверждения смолы, который был выполнен при повышенной температуре примерно 150°C в течение примерно 2 часов, с периодом охлаждения примерно 1,5 часов. Этот процесс отверждения смолы был исключен при применении настоящего изобретения, со значительным снижением времени изготовления сердечника и затрат на его изготовление. Кроме того, процесс наклеивания эпоксидной смолы на края сердечника трудно поддается автоматизации, тогда как процесс намотки ленты на сердечники согласно настоящему изобретению легко поддается автоматизации.

Пример 2

[0028] Магнитные сердечники на основе серийно выпускаемого аморфного сплава Metglas®2605SA1 были протестированы на наличие у них звукочастотного шума при различных рабочих частотах. Результаты испытаний подытожены в Таблице III, где звукочастотный шум сопоставлен среди приготовленных различным образом магнитных сердечников, возбужденных до уровней индукции 1,0-1,50 Тл при 50 Гц.

Таблица III
Мощность звука, исходящего из обмотанных лентой, покрытого эпоксидной смолой (клееного) и обнаженного сердечников Тип сердечника Звуковая мощность (дБ) Индукция (Тл) при 50 Гц 1,0 Тл 1,1 Тл 1,2 Тл 1,3 Тл 1,35 Тл 1,4 Тл 1,45 Тл 1,5 Тл Обмотанный лентой A 31,9 34,3 37,3 42,0 44,7 47,9 51,7 55,8 Обмотанный лентой B 32,0 34,2 37,2 41,2 43,7 47,2 51,1 56,0 Клееный 37,9 40,8 44,5 49,8 53,0 56,5 59,8 62,9 Обнаженный 30,3 32,4 35,3 39,6 42,2 46,8 51,1 55,2 Лента A: Код изделия 4237 (Intertape polymer); Лента B: Код изделия 1711 (PPI)

[0029] Следует отметить, что уровни шума на сердечниках, обмотанных лентой, были лишь слегка выше, чем уровни шума, исходящего из обнаженного сердечника, который не был ни покрыт эпоксидной смолой, ни обмотан лентой. С другой стороны, клееный сердечник испускал значительно более высокий шум, по сравнению с сердечниками, обмотанными лентой, примерно на 9 дБ выше, для достижения уровня возбуждения выше 1,3 Тл, который попадает в рабочий диапазон индукций в трансформаторах. Перед испытаниями на звуковую мощность, были измерены потери в сердечнике и мощность возбуждения на сердечниках согласно Таблице III при частоте возбуждения 50 Гц, и результаты по мощности возбуждения, которые являются индикатором мощности, требуемой для энергоснабжения магнитного сердечника, приведены в Таблице IV.

Таблица IV
Мощность возбуждения при 50 Гц для сердечников согласно Таблице [[I]] III Тип сердечника Мощность возбуждения (ВА/кг) Индукция (Тл) при 50 Гц 1,0 Тл 1,1 Тл 1,2 Тл 1,3 Тл 1,35 Тл 1,4 Тл 1,45 Тл 1,5 Тл Обмотанный лентой A 0,141 0,171 0,211 0,271 0,316 0,390 0,518 0,837 Обмотанный лентой B 0,136 0,166 0,204 0,260 0,300 0,365 0,478 0,753 Клееный 0,140 0,172 0,215 0,283 0,338 0,436 0,625 1,09 Обнаженный 0,135 0,164 0,202 0,260 0,303 0,378 0,511 0,836

[0030] Как отмечено в Таблице IV, мощность возбуждения в обмотанных лентой и обнаженном сердечниках были примерно одинаковыми, тогда как мощность возбуждения в клееном (покрытом эпоксидной смолой) сердечнике оказалась примерно на 10-30% выше, по сравнению с обмотанными лентой и обнаженным сердечниками, для возбуждения до уровня выше 1,3 Тл. С другой стороны, на потери в сердечнике существенно не влияло нанесение на края сердечника покрытия в виде эпоксидной смолы или наматывание на сердечник высокопрочной ленты. Например, при возбуждении уровней индукции 1,0, 1,2, 1,3, 1,4 и 1,5 Тл, потери во всех сердечниках, подвергшихся испытанию при 50 Гц, составляли, соответственно, 0,11, 0,17, 0,16, 0,19, 0,22 и 0,26 Вт/кг.

[0031] В дополнение к неблагоприятным эффектам, вызванным наклеиванием эпоксидной смолы на края сердечника, себестоимость и время, затрачиваемое на производство сердечника, значительно снижены, как описано в параграфе [0027].

Пример 3

[0032] Магнитные сердечники на основе серийно выпускаемого аморфного сплава Metglas®2605HB1 M были протестированы на наличие у них звукочастотного шума. Результаты испытаний подытожены в Таблице V, где звукочастотный шум сопоставлен среди приготовленных различным образом магнитных сердечников, возбуждаемых при уровнях индукции 1,0-1,55 Тл при 60 Гц.

Таблица V
Мощность звука, исходящего из обмотанных лентой, покрытого эпоксидной смолой (клееного) и обнаженного сердечников Тип сердечника Звуковая мощность (дБ) Индукция (Тл) при 60 Гц 1,0 Тл 1,1 Тл 1,2 Тл 1,3 Тл 1,35 Тл 1,4 Тл 1,45 Тл 1,5 Тл 1,55 Тл Обмотанный лентой A 33,6 35,9 39,3 43, 6 46,2 49,0 51,9 54,6 58,8 Обмотанный лентой B 33,6 35,7 38,4 42,3 44,4 46,7 50,3 55,3 60,7 Клееный 41,1 43,1 45,6 49,4 52,2 55,5 59,8 64,0 67,6 Обнаженный 31,7 34,0 37,4 41,5 44,0 47,0 50,7 54,3 57,7 Лента A: Код изделия 4237 (Intertape polymer); Лента B: Код изделия 1711A (PPI)

[0033] Данные звуковой мощности в Таблице V показаны на Фиг.5 для визуального сопоставления. На Фиг.5 кривые 51, 52 и 53 представлены для сердечников, обозначенных, соответственно, как «Обнаженный», «Обмотанный лентой A» и «Клееный». Следует отметить, что уровни шума на сердечниках, обмотанных лентой, были выше лишь на 1-2 дБ, чем уровни шума, испускаемого из обнаженного сердечника, который не был ни покрыт эпоксидной смолой, ни обмотан лентой. С другой стороны, клееный сердечник испускал значительно более высокий шум, по сравнению с обнаженным сердечником, или сердечниками, обмотанными лентой, на 8-10 дБ выше, с достижением уровня возбуждения выше 1,3 Тл, который попадает в рабочий диапазон индукций в трансформаторах. Перед испытаниями на звуковую мощность, были измерены потери в сердечнике и мощность возбуждения на сердечниках, представленные в Таблице V, и результаты по мощности возбуждения, которые являются индикатором мощности, требуемой для энергоснабжения магнитного сердечника, приведены в Таблице VI.

Таблица VI
Мощность возбуждения при 60 Гц для сердечников согласно Таблице V Тип сердечника Мощность возбуждения (ВА/кг) Индукция (Тл) при 60 Гц 1,0 Тл 1,1 Тл 1,2 Тл 1,3 Тл 1,35 Тл 1,4 Тл 1,45 Тл 1,5 Тл 1,55 Тл Обмотанный лентой A 0,148 0,186 0,233 0,296 0,340 0,403 0,505 0,692 1,10 Обмотанный лентой B 0,144 0,181 0,226 0,285 0,325 0,383 0,477 0,653 1,04 Клееный 0,148 0,186 0,236 0,306 0,359 0,440 0,578 0,836 1,38 Обнаженный 0,144 0,182 0,229 0,296 0,346 0,421 0,549 0,786 1,22

[0034] Как отмечено в Таблице VI, мощность возбуждения в сердечниках, обмотанных лентой, была слегка ниже, или примерно такой же, что и в обнаженном сердечнике, тогда как мощность возбуждения в клееном (покрытом эпоксидной смолой) сердечнике была примерно на 5-30% выше, по сравнению с сердечниками, обмотанными лентой, для возбуждения индукции выше 1,3 Тл. Повышение мощности возбуждения показывает, что нанесение покрытия в виде эпоксидной смолы и последующее отверждение привносило локальные механические напряжения вблизи краев сердечника. Эти локальные напряжения, в свою очередь, повышали звукочастотный шум, исходящий из клееных сердечников, по сравнению с неклееным сердечником, как очевидно из Таблицы V и Фиг.5. Влияние локальных напряжений на мощность возбуждения было примерно тем же, что и в случае сердечников на основе Metglas® 2605SA1 (см. Таблицу II), что отражает тот факт, что как сплав Metglas® 2605SA1, так и сплав 2706HB1 M обладает одной и той же магнитострикцией 27 ppm. С другой стороны, на потери в сердечнике не влияло нанесение на края сердечника эпоксидной смолы или наматывание на сердечник высокопрочной ленты. Например, при возбуждении при уровне индукции 1,0, 1,2, 1,3, 1,4, 1,5 Тл и 1,55 Тл, потери во всех сердечниках, подвергшихся испытанию при 60 Гц, составляли, соответственно, 0,12, 0,15, 0,17, 0,20, 0,24, 0,28 и 0,31 Вт/кг.

[0035] В дополнение к неблагоприятным эффектам, вызванным наклеиванием эпоксидной смолы на края сердечника, процесс обматывания сердечника согласно настоящему изобретению снижал себестоимость и время изготовления сердечников трансформаторов, как описано в параграфе [0027].

Пример 4

[0036] Магнитные сердечники на основе серийно выпускаемого аморфного сплава Metglas®2605HB1 M при различных рабочих частотах были протестированы на наличие у них звукочастотного шума. Результаты испытаний подытожены в Таблице VII, где звукочастотный шум сопоставлен среди приготовленных различным способом магнитных сердечников, возбуждаемых при уровнях индукции 1,0-1,55 Тл при 50 Гц.

Таблица VII
Мощность звука, исходящего из обмотанных лентой, покрытого эпоксидной смолой (клееного) и обнаженного сердечников Тип сердечника Звуковая мощность (дБ) Индукция (Тл) при 50 Гц 1,0 Тл 1,1 Тл 1,2 Тл 1,3 Тл 1,35 Тл 1,4 Тл 1,45 Тл 1,5 Тл 1,55 Тл Обмотанный лентой A 31,7 33,7 36,5 40,7 43,1 45,5 48,3 52,0 56,4 Обмотанный лентой B 30,4 31,8 34,0 37,6 40,0 43,0 48,1 52,8 56,7 Клееный 40,6 42,2 44,3 46,9 48,3 51,7 57,4 61,8 65,7 Обнаженный 30,1 31,8 35,0 38,9 41,5 44,3 47,7 51,2 55,2 Лента A: Код изделия 4237 (Intertape polymer); Лента B: Код изделия 1711A (PPI)

[0037] Следует отметить, что уровни шума на сердечниках, обмотанных лентой, были выше лишь примерно на 1дБ, чем уровни шума, испускаемого из обнаженного сердечника, который не был ни покрыт эпоксидной смолой, ни обмотан лентой. С другой стороны, клееный сердечник испускал значительно более высокий шум, по сравнению с обнаженным сердечником, или сердечниками, обмотанными лентой, на 6-10 дБ выше, с достижением уровня возбуждения выше 1,3 Тл, который попадал в рабочий диапазон индукций в трансформаторах. Перед испытаниями на звуковую мощность, были измерены потери в сердечнике и мощность возбуждения на сердечниках согласно Таблице V, и результаты для мощности возбуждения, которые являются индикатором мощности, требуемой для энергоснабжения магнитного сердечника, приведены в Таблице VIII.

Таблица VIII
Мощность возбуждения при 50 Гц для сердечников согласно Таблице V Тип сердечника Мощность возбуждения (ВА/кг) Индукция (Тл) при 50 Гц 1,0 Тл 1,1 Тл 1,2 Тл 1,3 Тл 1,35 Тл 1,4 Тл 1,45 Тл 1,5 Тл 1,55 Тл Обмотанный лентой A 0,121 0,148 0,184 0,235 0,272 0,326 0,411 0,572 0,938 Обмотанный лентой B 0,117 0,144 0,178 0,226 0,260 0,309 0,388 0,540 0,887 Клееный 0,120 0,148 0,187 0,244 0,288 0,358 0,475 0,698 1,19 Обнаженный 0,118 0,145 0,181 0,235 0,276 0,340 0,448 0,648 1,07

[0038] Как отмечено в Таблице VIII, мощность возбуждения в сердечниках, обмотанных лентой, была слегка ниже или примерно такой же, что и в обнаженном сердечнике, тогда как мощность возбуждения в клееном (покрытом эпоксидной смолой) сердечнике была примерно на 6-30% выше мощности возбуждения, по сравнению с сердечниками, обмотанными лентой, для возбуждения выше 1,3 Тл. С другой стороны, на потери в сердечнике не влияло нанесение на края сердечника эпоксидной смолы или наматывание на сердечник высокопрочной ленты. Например, при возбуждении уровней индукции 1,0, 1,2, 1,3, 1,4, 1,5 Тл и 1,55 Тл, потери во всех сердечниках, подвергшихся испытанию при 50 Гц, составляли, соответственно, 0,09, 0,11, 0,13, 0,16, 0,19, 0,22 и 0,25 Вт/кг.

[0039] В дополнение к неблагоприятным эффектам, вызванным наклеиванием эпоксидной смолы на края сердечника, процесс обматывания сердечника согласно настоящему изобретению снижал себестоимость и время, затрачиваемое на производство сердечника, как описано в параграфе [0027].

[0040] В дополнение к значительному снижению шума в сердечниках трансформаторов, ленты, используемые при обматывании сердечников, можно легко удалять, обеспечивая благоприятную для окружающей среды утилизацию материалов сердечника.

[0041] Все примеры и условные обозначения, перечисленные в настоящей работе, приведены в образовательных целях, для помощи читателю в понимании изобретения и концепций, представленных авторами изобретения для усовершенствования уровня техники, и их не следует рассматривать ни в качестве ограничений, налагаемых на такие специально перечисленные примеры и условия, ни как упорядочивание таких примеров в описании, относящемся к демонстрации преимуществ и недостатков изобретения. Хотя варианты воплощения настоящего изобретения были описаны подробно, следует понимать, что него могут быть внесены различные изменения, замены и модификации, без отступления от сущности и объема изобретения.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в сердечниках трансформаторов. Технический результат состоит в уменьшении звукочастотного шума. Способ изготовления магнитного сердечника на основе аморфного сплава, испускающего звукочастотный шум, включает размещение сердечника с несколькими слоями высокопрочной ленты на плечах сердечника. Лента обладает высокой прочностью на растяжение, высокой диэлектрической прочностью и высокой рабочей температурой, что приводит к пониженному уровню звукочастотного шума. При эксплуатации при оптимальных условиях пониженный уровень звукочастотного шума на 6-10 дБ меньше по сравнению с сердечником того же размера, покрытого смолой. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил., 8 табл.

1. Способ снижения звукочастотного шума магнитного сердечника на основе аморфного сплава, содержащий этапы, на которых:
- обеспечивают магнитный сердечник, имеющий четыре плеча сердечника, расположенных в форме прямоугольника, причем магнитный сердечник дополнительно содержит:
- первое плечо сердечника,
- второе плечо сердечника, установленное напротив первого плеча сердечника и имеющее срезанный участок перекрытия ленты,
- третье плечо сердечника и
- четвертое плечо сердечника, расположенное напротив третьего плеча сердечника;
- размещают несколько неперекрывающихся лент высокой прочности по бокам третьего плеча сердечника и четвертого плеча сердечника, причем ленты высокой прочности демонстрируют высокую механическую прочность, высокую диэлектрическую прочность и высокую рабочую температуру;
- наматывают первый слой перекрывающихся лент высокой прочности спирально на третье плечо сердечника и четвертое плечо сердечника;
- размещают второй слой перекрывающихся лент высокой прочности на верхней поверхности первого плеча сердечника в направлении, параллельном длине первого плеча сердечника;
- размещают третий слой перекрывающихся лент высокой прочности на верхней поверхности первого плеча сердечника в направлении, перпендикулярном длине первого плеча сердечника;
- размещают четвертый слой перекрывающихся лент высокой прочности на нижней поверхности первого плеча сердечника в направлении, параллельном длине первого плеча сердечника; и
- размещают пятый слой перекрывающихся лент высокой прочности на нижней поверхности первого плеча сердечника в направлении, перпендикулярном длине первого плеча сердечника,
причем магнитный сердечник, обладающий сниженным уровнем звукочастотного шума, исходящего из сердечника.

2. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап, на котором: подвергают часть первого плеча сердечника, которая не содержит намотку ленты, часть третьего плеча сердечника, которая не содержит намотку ленты, или часть четвертого плеча сердечника, которая не содержит намотку ленты, действию охлаждающей среды трансформатора, для обеспечения охлаждения сердечника в ходе эксплуатации сердечника в электрическом распределительном трансформаторе.

3. Способ по п. 1, в котором каждый из первого слоя перекрывающихся лент высокой прочности, второго слоя перекрывающихся лент высокой прочности, третьего слоя перекрывающихся лент высокой прочности, четвертого слоя перекрывающихся лент высокой прочности и пятого слоя перекрывающихся лент высокой прочности обеспечивает сердечнику механическую прочность.

4. Способ по п. 1, в котором сердечник функционирует вплоть до температуры 155°C, а лента высокой прочности обладает прочностью на растяжение, превышающей 250 Н/см, и диэлектрической прочностью, превышающей 3000 В, причем лента высокой прочности обладает хорошей стойкостью к пробою, разрыву и термическому старению.

5. Способ по п. 1, в котором магнитный сердечник обматывают аморфной магнитной лентой или магнитной полосой, причем магнитную полосу быстро отливают из расплавленного состояния сплава.

6. Способ по п. 1, в котором магнитный сердечник обматывают несколькими слоями лент высокой прочности, испускающих звук с мощностью, близкой к звуковой мощности, генерируемой сердечником того же размера без намотки ленты.

7. Способ по п. 1, в котором сниженный уровень звукочастотного шума магнитного сердечника на 6-10 дБ меньше, чем у магнитного сердечника того же размера, имеющего смолу в качестве покрытия.

8. Способ по п. 1, в котором слои лент высокой прочности могут быть удалены при переплавке сердечника для утилизации.

9. Магнитный сердечник на основе аморфного сплава, обладающий пониженным звукочастотным шумом, содержащий:
- сердечник прямоугольной формы, имеющий четыре плеча:
- первое плечо сердечника,
- второе плечо сердечника, расположенное напротив первого плеча сердечника и имеющее срезанный участок перекрытия ленты,
- третье плечо сердечника и
- четвертое плечо сердечника, расположенное напротив третьего плеча сердечника;
- несколько неперекрывающихся лент высокой прочности, расположенных на сторонах третьего плеча сердечника и четвертого плеча сердечника, причем ленты высокой прочности демонстрируют высокую механическую прочность, высокую диэлектрическую прочность и высокую рабочую температуру;
- первый слой перекрывающихся лент высокой прочности, намотанных спирально на третье плечо сердечника и четвертое плечо сердечника;
- второй слой перекрывающихся лент высокой прочности, помещенный на верхнюю поверхность первого плеча сердечника в направлении, параллельном длине первого плеча сердечника;
- третий слой перекрывающихся лент высокой прочности, помещенный на верхнюю поверхность первого плеча сердечника в направлении, перпендикулярном длине первого плеча сердечника;
- четвертый слой перекрывающихся лент высокой прочности, помещенный на нижнюю поверхность первого плеча сердечника в направлении, параллельном длине первого плеча сердечника; и
- пятый слой перекрывающихся лент высокой прочности, помещенный на нижнюю поверхность первого плеча сердечника в направлении, перпендикулярном длине первого плеча сердечника,
причем магнитный сердечник обладает пониженным уровнем звукочастотного шума, исходящего из сердечника.

10. Сердечник по п. 9, в котором часть сердечника, не покрытая лентой, подвержена воздействию охлаждающей среды трансформатора, для обеспечения охлаждения сердечника в ходе эксплуатации сердечника в электрическом распределительном трансформаторе.

11. Сердечник по п. 9, в котором каждый из первого слоя перекрывающихся лент высокой прочности, второго слоя перекрывающихся лент высокой прочности, третьего слоя перекрывающихся лент высокой прочности, четвертого слоя перекрывающихся лент высокой прочности и пятого слоя перекрывающихся лент высокой прочности придают сердечнику механическую прочность.

12. Сердечник по п. 9, в котором сердечник функционирует при температуре вплоть до 155°C, а высокопрочная лента обладает прочностью на растяжение, превышающей 250 Н/см, и диэлектрической прочностью, превышающей 3000 В, причем высокопрочная лента обладает хорошей стойкостью к пробою, разрыву и термическому старению.

13. Сердечник по п. 9, в котором магнитный сердечник обмотан аморфной магнитной лентой или магнитной полосой, причем магнитная полоса быстро отлита из расплавленного состояния сплава.

14. Сердечник по п. 9, в котором магнитный сердечник обмотан несколькими слоями лент высокой прочности, испускающих звуковую мощность, близкую к звуковой мощности, генерируемой сердечником того же размера без намотки ленты.

15. Сердечник по п. 9, в котором сниженный уровень звукочастотного шума магнитного сердечника на 6-10 дБ меньше, чем у магнитного сердечника того же размера, имеющего смолу в качестве покрытия.

16. Сердечник по п. 9, в котором слои лент высокой прочности могут быть удалены при переплавке сердечника для утилизации.