Трансформатор высокочастотный Российский патент 2018 года по МПК H01F30/16 

Изобретение относится к электротехнике, к разделу «Моточные изделия».

Трансформаторы для питания цепей с большими токами нагрузки находят широкое применение. Однако недостатком их являются сбои в работе при превышении номинальной частоты питающего напряжения.

Цель изобретения: достичь надежной работы трансформатора при многократном увеличении номинальной частоты питающего напряжения.

Сущность изобретения:

Заявленная цель достигается путем снижения величины индуктивности рассеяния и активных потерь в трансформаторе за счет применения в его конструкции:

- двух обмоток, намотанных пилообразно, в соответствии с указаниями, изложенными в прототипе «Катушка индуктивности» (патент RU 2006084 С1), одной на каркасе, другой - внутри стенок, и в корпусе каркаса с применением для намотки экранированного медного провода с фторопластовой изоляцией, с отдельным заземлением в средней части каждой из обмоток;

- материалов с низкой диэлектрической проницаемостью для всех элементов конструкции;

- сердечника в виде тороидального многослойного магнитопровода, состоящего из отдельных слоев с одинаковой минимальной толщиной каждого слоя, из магнитомягкого материала с наибольшей максимальной индукцией и узкой петлей гистерезиса;

- магнитопроводящих шунтов над воздушными зазорами каждого слоя, из магнитомягкого материала с максимальной начальной магнитной проницаемостью.

Выбор габаритных размеров каркаса однозначный, поскольку:

- из-за жестких требований к конструкции каркаса в целях снижения величины токов утечки при существующих паразитных емкостях, проявляющих себя наиболее заметно при более высоких частотах питающего напряжения, расстояние между соседними витками обмоток со стороны торцевой части каркаса должно быть достаточным (около двух миллиметров), ширина и высота ребер на каркасе - около трех миллиметров, из чего следует, что диаметральный размер каркаса зависит от диаметра обмоточного провода и количества его витков на каркасе;

- высота каркаса определяется суммарно по общей толщине всех магнитопроводящих слоев в чашках, изоляции между чашками и толщиной стенок корпуса каркаса, зависит от расчетной мощности трансформатора.

На фиг. 1 изображен предлагаемый высокочастотный трансформатор и два разреза в нем.

На фиг. 2 представлена развертка пилообразной части обмотки с 18-ю витками на каркасе и, в виде жирной линии, - пилообразной части обмотки с 3-мя витками, заложенных в канавку внутри стенок и корпуса каркаса, и отмечены места выводов отдельного заземления от середины обмоток:

- для обмотки на каркасе - точкой «L», при переходе намотки в верхнюю часть каркаса;

- для обмотки в канавке - точкой «М», при переходе намотки к нижней части каркаса.

На фиг. 3 изображена рабочая схема трансформатора с подключением его к источнику питания током «И», на выходе к высокочастотной нагрузке «Н». Места отдельного заземления в середине обмоток отмечены точками «L» и «М».

Заземление экранированных проводов от источника тока «И» на входе трансформатора и на выходе к высокочастотной нагрузке «Н» - общее.

На схеме отсутствуют обозначения обмоток как первичной, так и вторичной. Поскольку при любом их использовании сущность изобретения не меняется.

Выводы обоих заземлений на каркасе: - на одном уровне, на различной высоте, со сдвигом по периметру на 180° от Н.К. (начала и конца обмоток).

Конструкция трансформатора содержит:

- каркас из двух половин 1;

- чашки тороидальные, из изоляционного материала 2;

- прокладку сверху каждой чашки, из прессшпана (электрокартона) 3;

- шайбы изоляционные между соседними чашками 4;

- прокладку (замок) в стыке между верхней и нижней половиной каркаса, из прессшпана 5;

- магнитопроводящий слой внутри каждой из чашек 6;

- магнитопроводящие шунты внутри окон над воздушными зазорами в слоях 7;

- тонкую изоляцию между шунтами и слоями магнитопровода 8;

- прижимные вкладыши в окнах над шунтами, из текстолита 9;

- стакан (экран) 10;

- основание 11;

- крышку (заглушку) 12;

- выступ каркаса 13;

- места креплений к основанию 14;

- воздушный промежуток в стакане, внутри каркаса 15;

- обмотку сверху на каркасе (на фиг. 1 не показана);

- обмотку в канавке внутри стенок и корпуса каркаса 16;

- воздушный промежуток над обмоткой в канавке, величиной примерно в 0,3 мм 17;

- накладки сверху канавки, в виде пластинок из гетенакса, толщиной примерно от 0,2 до 0,3 мм 18;

- лакоткань, в виде ленты - для закрытия канавки, закрепляемую изоляционным клеем 19.

Конструкция обмотки на каркасе и внутри стенок и корпуса каркаса - пилообразная, выполненная в соответствии с изложенным в прототипе «Катушка индуктивности» (патент RU 2006084 С1).

Конструкция трансформатора внутри корпуса каркаса может быть выполнена с любым количеством слоев в магнитопроводе, с одинаковой минимальной толщиной каждого слоя, с изоляцией их друг от друга и от обмоток на каркасе и внутри стенок и корпуса каркаса.

Количество воздушных зазоров в каждом слое одинаково и может быть любым.

В качестве слоя может быть взят любой витой сердечник, отвечающий выше указанным техническим требованиям, либо плоский сердечник или магнитопроводящий провод, все с теми же техническими характеристиками. Сущность изобретения от этого не меняется.

На практике величина воздушных зазоров и их количество может отличаться от приведенного в описании, поскольку определяется требованиями и техническими возможностями производства.

Конструктивно в каркасе должно быть четное количество чашек, поровну в верхней и нижней половине каркаса. Все слои, находящиеся в чашках, разбиты на пары, верхний и нижний слой в каждой паре. При закладке чашек в собранном виде во внутрь каркаса для сохранения фиксированного порядка взаимного расположения воздушных зазоров в каждом слое по отношению к положению воздушных зазоров в соседнем с ним нижнем слое на наружных стенках чашек в диаметрально противоположных их краях сделаны вертикальные выступы, которые при вкладывании чашек донышком во внутрь каждой половины каркаса попадают в пазы, сделанные на том же уровне внутри стенок каждой половины каркаса.

На каждой чашке поставлена одна из пометок: Вв, Вн, Нв, Нн, где символы «В» и «Н» указывают принадлежность чашки к одной из половин каркаса (верхний с символом «В», нижний с символом «Н»). Индекс «в» означает, что чашка должна находиться внутри каркаса выше чашки с индексом «н».

Для создания выбранного положения воздушных зазоров в слоях в каждой из чашек проведена разметка в виде нанесения рисок на дне чашек и выше - на гранях их стенок в виде насечек:

- воздушного зазора первоначального в чашке Вв и Нв на уровне выступа чашки (на фиг. 1 - справа), в проекции совпадающего с выступом каркаса 13, снизу входящего через прорезь в стакане на уровень начала и конца обмоток (Н, К) на каркасе;

- остальных воздушных зазоров в чашках Вв и Нв - с равномерным нанесением, начиная от риски первоначального воздушного зазора, с интервалом, определяемым по количеству зазоров в слое, при обходе по периметру против часовой стрелки для чашек Вв и по часовой стрелке для чашек Нв;

- воздушных зазоров в чашках Вн и Нн - со сдвигом в пол-интервала по отношению к рискам в чашках Вв и Нв, при обходе по периметру против часовой стрелки для чашек Вн и по часовой - для чашек Нн;

- диаметральных рисок, определяющих границы окон внутри чашек с отступлением на два с половиной миллиметра (2,5 мм) в противоположные стороны от рисок воздушных зазоров.

Последующие операции при доработке элементов внутри каркаса:

- вырезка окон внутри чашек с незначительным задиром их стенок и на том же уровне в заложенных в чашках прокладках 3;

- равномерное выполнение в промежутках между окнами в донышках чашек и в частях прокладок трех тонких сквозных отверстий;

- закладывание магнитопроводящего слоя во внутрь каждой чашки, посадка слоя в чашку должна быть свободная с зазором от 0,1 до 0,2 мм от стенок чашки, поскольку у изделий из магнитомягкого материала даже при незначительном превышении предельной внешней нагрузки на них ухудшаются их магнитные свойства;

- закрепление слоев в чашках изоляционным клеем через отверстия в чашках и в частях прокладок 3;

- напыление изоляции в окнах снизу чашек и сверху, со стороны частей прокладок 3 толщиной примерно с величину воздушного зазора;

- выполнение операции по созданию воздушных зазоров по диаметральным линиям с использованием насечек на гранях стенок чашек;

- закладывание в окна над и под слоями в чашках магнитопроводящих полосок (шунтов) толщиной в десятые доли миллиметра с одновременным их прижимом прижимными вкладышами 9.

Перед закладыванием полосок на каждой полоске (шунте) должна стоять «МЕТКА» направления поля остаточного намагничивания (для витого сердечника-заготовки оно совпадает с направлением намотки), переносимого с заготовки, которое должно совпадать при закладывании шунтов с направлением магнитных потоков в слоях магнитопровода.

При вырезке полосок снимают заусенцы, полоски, вырезанные из ленты витого сердечника, помещают в окна выгнутой стороной вниз.

При закладке шунтов в окна прижимные вкладыши над ними должны иметь мягкий, но четкий прижим для того, чтобы шунт с одной стороны не сходил бы с установленного для него места, а с другой стороны - прилегал бы полностью всей своей поверхностью к магнитопроводу.

Поэтому шунты лучше изготавливать из ленты с соответствующими характеристиками материала из сердечника с несколько меньшим диаметром по сравнению с диаметром слоя магнитопровода;

- после помещения в собранном виде чашек 2 вместе с изоляционными шайбами 4 между ними на свои места в половинах каркаса производится сочленение половин каркаса с помощью прокладки 5, имеющей те же выступы и на том же уровне, что и у чашек, толщиной, позволяющей входить одновременно в пазы верхней и нижней половины каркаса;

- после намотки обмотки внутри канавки, закрытия канавки, намотки обмотки сверху каркаса - помещают каркас в стакан 10, который скрепляется с основанием 11 через крепежные отверстия 14;

- заполнение всей конструкции компаундом через открытую заглушку 12. При наличии небольшого воздушного промежутка 15 внутри стакана сверху каркаса - заполнение полное.

Трансформатор с обмотками: с 18-ю витками на каркасе и с 3-мя витками - внутри стенок и в корпусе каркаса.

Обмотка с 18-ю витками на каркасе - однослойная, выполненная пилообразно, в одиннадцать обходов намотки. Полный оборот витка на каркасе - 220°.

Обмотка в канавке внутри стенок и корпусе каркаса - с 3-мя витками - однослойная, выполненная пилообразно, в один обход намотки. Полный оборот витка 120°.

В каждом слое три воздушных зазора величиной от 10 до 20 мкм, выполненные после разметки по рискам по диаметральным линиям, для слоев в чашках Вв и Нв - с равномерным шагом по периметру 120°, для слоев в чашках Вн и Нн - со сдвигом на 60°.

Технологию разметки рисок для выполнения окон и создания в окнах воздушных зазоров - см. выше.

После укладки восьми слоев в чашках в верхнюю и нижнюю половину каркаса должно быть последовательное чередование дважды слоев в чашках Вв и Вн в верхней половине каркаса и последовательное чередование дважды слоев Нв и Нн в нижней половине каркаса. Только в этом случае, как предусматривается в общей конструкции, при сборке каркаса все воздушные зазоры в слоях будут сдвинуты на 60° по отношению к положению воздушных зазоров в соседних с ними нижних слоях. Всю технологию обработки в чашках и последовательность сборки в каркасе - см. выше.

При предельно высокой частоте питающего напряжения появляются сбои в работе трансформатора. Их можно устранить при изготовлении нового каркаса, в торцевой части которого расстояние между соседними витками обмотки должно быть несколько увеличено.

Все приведенные в тексте виды материалов и размеры близки к наиболее конструктивно приемлемым и могут быть уточнены при сборке и испытаниях трансформатора.

Существенное отличие конструкции предлагаемого трансформатора от конструкции всех штатных трансформаторов снаружи и внутри каркаса трансформатора позволяет рассчитывать на надежную его работу при многократном увеличении номинальной частоты питающего напряжения.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в повышении токов нагрузки при увеличении частоты питающего напряжения и снижении индуктивных и активных потерь. Трансформатор выполнен, как тороидальный, из изолированных друг от друга двух обмоток - одной на каркасе, другой внутри стенок и в корпусе каркаса. Середины каждой из обмоток заземлены. Тороидальный сердечник выполнен из отдельных слоев из магнитомягкого материала с наибольшей максимальной индукцией и узкой петлей гистерезиса с одинаковой минимальной толщиной каждого слоя, заложенных в чашки, изолированных друг от друга и от обмоток трансформатора,. Над воздушными зазорами установлены магнитопроводящие шунты из магнитомягкого материала с максимальной начальной магнитной проницаемостью. Обмотки выполнены экранированным медным проводом с фторопластовой изоляцией. 3 ил.

Трансформатор высокочастотный тороидальный с применением материалов с низкой диэлектрической проницаемостью во всех элементах конструкции, с двумя пилообразными обмотками, выполненными экранированным медным проводом с фторопластовой изоляцией, одна из которых - на каркасе, другая - внутри канавки в стенках и корпусе каркаса и изолирована от обмотки на каркасе, с отдельным заземлением середины каждой из обмоток, с несколькими обходами по периметру однослойной обмотки на каркасе, с одним обходом обмотки внутри стенок и в корпусе каркаса, с выполнением пилообразной части обмоток снаружи стенок и внутри стенок и в корпусе каркаса с определенным шагом и углом наклона намотки, при намотке витков в торцевой части и внутри ее - с соблюдением постоянного и определенного расстояния между соседними витками, с различным расположением выводов обмоток и их отдельных заземлений в диаметрально противоположных местах на каркасе, на уровне двух выступов на наружной стенке одной из чашек, с выводами наружу на различной высоте, на одном уровне по периметру через прорези в стенках стакана, с магнитопроводом внутри корпуса, состоящего из нескольких слоев с одинаковой минимальной толщиной слоя, с одинаковым количеством воздушных зазоров в слое каждой чашки, чашек, изолированных друг от друга и от обмоток трансформатора, с фиксированным положением воздушных зазоров в слое каждой чашки с помощью наличия на наружных стенках чашек в диаметрально противоположных их краях вертикальных выступов, входящих во внутренние пазы стенок каркаса, один из которых на уровне положения начала и конца обмоток, с наличием в магнитопроводе четного количества слоев при разбиении их на пары, верхний и нижний слой в каждой паре, с выполнением после вырезки окон и закрепления каждого слоя в чашке воздушных зазоров по диаметральным линиям: первоначального воздушного зазора в верхних слоях магнитопровода по периметру на уровне положения начала и конца обмоток на выходе из каркаса, остальных воздушных зазоров в верхних слоях - начиная от риски первоначального воздушного зазора с интервалом, определяемым по количеству зазоров в слое, воздушных зазоров в нижних слоях - со сдвигом в пол-интервала по отношению к положению воздушных зазоров в верхних слоях, с наличием окон сверху и снизу в чашках над воздушными зазорами в слоях магнитопровода, с помещением в окна с прижимом магнитопроводящих шунтов с тонкой изоляцией под ними от слоев магнитопровода.