СЕРДЕЧНИК ТРАНСФОРМАТОРА Российский патент 2020 года по МПК H01F27/245 

Область техники

Данное изобретение относится к сердечнику трансформатора, сформированному посредством укладки множества листов трансформаторной стали.

Предшествующий уровень техники

Были изучены разные технические решения в данной области, направленные на уменьшение шума, создаваемого трансформаторами. В частности, так как сердечник является источником шума даже без нагрузки, много технологических усовершенствований было внесено в сердечник и лист трансформаторной стали, используемый для него, для снижения шума.

В частности, что касается магнитострикции листа трансформаторной стали, которая является источником шума, например, в документах JP2013-87305A (ПЛ 1) и JP2012-177149A (ПЛ 2) раскрыты технические решения для соответствующего регулирования компонентов, покрытия, ориентации кристаллов, напряжения и т.п. стального листа.

В документах JPH8-250339A (ПЛ 3) и JP2006-14555A (ПЛ 4) описаны методы подавления вибрации сердечника посредством прокладки полимера или демпфирующей стальной пластины между пластинами трансформаторной стали.

Кроме того, в документе JP2003-77747A (ПЛ 5) описаны технические решения для скрепления стальных пластин, с тем чтобы подавлять вибрацию сердечника.

Перечень цитируемых документов

Патентная литература (ПЛ):

ПЛ 1: JP2013-87305A

ПЛ 2: JP2012-177149A

ПЛ 3: JPH8-250339A

ПЛ 4: JP2006-14555A

ПЛ 5: JP2003-77747A

Раскрытие изобретения

Техническая проблема

Хотя посредством упомянутой выше технологии обеспечивается возможность уменьшения магнитострикции и вибрации сердечника, в технических решениях, раскрытых в ПЛ 1 и ПЛ 2, установлен предел уменьшения магнитострикции, а подавление шума при их применении является незначительным. Кроме того, техническое решение, включающее использование полимера или демпфирующей стальной пластины в сердечнике, как описано в ПЛ 3 и ПЛ 4, сталкивается с проблемой увеличения размера сердечника. Кроме того, при применении технического решения, включающего скрепление сердечников, как это описано в ПЛ 5, скрепление занимает время, и неравномерная нагрузка может быть приложена к стальной пластине, что может ухудшать магнитные свойства.

Таким образом, было бы полезным для уменьшения вибрации сердечников и уменьшения шума трансформаторов использовать механизм, отличающийся от известных из предшествующего уровня техники.

Решение проблемы

В результате интенсивных исследований авторы установили, что посредством использования двух или большего количества текстурированных листов трансформаторной стали, имеющих отличающиеся магнитострикционные свойства, появление одинаковой вибрации во всем сердечнике может быть предотвращено, общая вибрация может быть уменьшена и шум трансформатора может быть уменьшен, соответственно.

Настоящее изобретение основано на описанном выше новом обнаруженном явлении, и оно может быть кратко сформулировано следующим образом.

Сердечник трансформатора, сформированный в виде пакета по меньшей мере из двух типов текстурированных листов трансформаторной стали, которые имеют разность значений магнитострикции 2 × 10^-7 или более при намагничивании от 0 Тл до 1,7 Тл.

Благоприятный эффект

Согласно настоящему изобретению, вибрация сердечников может быть уменьшена и шум трансформаторов может быть снижен за счет использования механизма, отличающегося от известных из предшествующего уровня техники.

Осуществление изобретения

Согласно настоящему изобретению, по меньшей мере два типа пластин трансформаторной стали, имеющих различные магнитострикционные свойства, используют в железном сердечнике. В настоящем описании под выражением «стальные листы, имеющие различные магнитострикционные свойства», понимаются листы электротехнической стали, имеющие различную магнитострикцию при условии, что сначала они размагничены при снижении магнитной индукции до 0 Тл, а затем намагничиваются при возбуждении магнитной индукции до 1,7 Тл, при этом разность значений магнитострикции составляет 2 × 10^-7 или более.

Кроме того, согласно настоящему изобретению, в сердечнике можно использовать три или большее количество типов пластин электротехнической стали, имеющих различные магнитострикционные свойства. Кроме того, согласно настоящему изобретению, если какие-либо из стальных пластин, используемых в сердечнике, имеют разность значений магнитострикции 2 × 10^-7 или более, другие стальные пластины могут иметь разность значений магнитострикции в пределах этой величины. Однако доля стальных пластин, имеющих небольшую разность значений магнитострикции (т.е. разность значений магнитострикции менее 2 × 10^-7), в сердечнике предпочтительно составляет 90% или менее, более предпочтительно, 60% или менее, из всех стальных пластин, используемых в сердечнике (что ниже просто называется «сердечника в целом»).

При использовании двух или большего количества типов пластин электротехнической стали, имеющих различные магнитострикционные свойства, в каждом слое сердечника происходят различные расширения и сжатия. В результате, слои, имеющие различные магнитострикционные свойства, взаимно гасят вибрацию, или механизм работает на подавление вибрации благодаря трению между слоями, благодаря чему подавляется вибрация и уменьшается шум.

И напротив, если сердечник выполнен из пластин электротехнической стали с одинаковыми магнитострикционными свойствами во всех слоях, то части такого сердечника (стержни и ярма), которые выполнены из пластин электротехнической стали с одинаковыми магнитострикционными свойствами, вместе создают аналогичный характер вибрации, амплитуда стремится к увеличению, и нет механизма ее подавления. Таким образом, при этом не следует ожидать эффекта уменьшения шума.

Как описано выше, разница значений магнитострикции между пластинами электротехнической стали согласно настоящему изобретению должна составлять 2 × 10^-7 или более. Причина заключается в том, что, если разница составляет меньше этой величины, то описанному выше механизму подавления вибрации сложно работать, и эффект уменьшения шума является небольшим. Хотя верхний предел разницы значений магнитострикции не определен конкретно, в случае слишком большой разницы, это означает, что абсолютное значение магнитострикции по меньшей мере одной из стальных пластин является большим, что может вызвать увеличение шума. Таким образом, разница значений магнитострикции предпочтительно составляет 2 × 10^-6 или менее.

Кроме того, если магнитострикцию разделить на положительную и отрицательную, то это более предпочтительно, так как взаимный эффект гашения вибрации больше.

Что касается подходящей магнитострикции для каждой пластины электротехнической стали, то предпочтительно абсолютная величина составляет 2 × 10^-6 или менее для предотвращения чрезмерной вибрации сердечника. С другой стороны, минимальная величина, по абсолютному значению, магнитострикции не ограничена конкретным значением, тем не менее она должна быть величиной, при которой может быть обеспечена указанная выше разность значений магнитострикции.

Причина, по которой изменение магнитострикции определено здесь как «при намагничивании от 0 Тл до 1,7 Тл», заключается в том, что этот диапазон фактически используется в качестве индекса, представляющего магнитострикционные свойства, так как текстурированные листы электротехнической стали часто используются при значениях около 1,7 Тл для трансформаторов (тогда как в других случаях, при использовании магнитной индукции ниже 1,7 Тл, проблема, связанная с шумом, не является актуальной), и так как магнитострикционные свойства, из-за ориентации кристаллов и структуры магнитных доменов в листах электротехнической стали, могут заметно проявляться. Магнитострикционные свойства при 1,7 Тл определяют исходя из величины нулевого пика, полученной посредством измерения кривой магнитострикции при намагничивании до максимальной магнитной индукции 1,7 Тл при 50 Гц в направлении проката, после размагничивания текстурированных листов электротехнической стали.

Для получения пластин электротехнической стали, имеющих разность значений магнитострикции, необходимо сделать так, чтобы магнитная доменная структура была различной в различных пластинах электротехнической стали. Более конкретно, следующие способы могут быть использованы отдельно или в сочетании друг с другом: изменение ориентации кристаллов (например, посредством использования текстурированных листов электротехнической стали с различной магнитной индукцией B₈); изменение эффекта натяжения покрытия (например, изменение состава, толщины и температуры сушки изолирующего покрытия); приложение напряжения к стальным листам (например, прокатыванием с уменьшением толщины стальных листов; отгибание с использованием рычага и т.п.; обработка струей дроби или струей воды; приложение напряжения с помощью лазерного пучка; пучка электронов, плазменного факела и т.п.) или любым их сочетанием.

Кроме того, когда доля стальных пластин с определенной магнитострикцией во всем сердечнике становится большой среди стальных пластин, имеющих различие по магнитострикции, влияние магнитострикции проявляется заметно, и подавление вибрации становится незначительным. Таким образом, доля стальных пластин, имеющих определенную магнитострикцию, предпочтительно должна составлять не более 80%, более предпочтительно не более 60%, сердечника в целом.

Хотя нет ограничений, в частности, в отношении специальной формы укладки пластин электротехнической стали согласно изобретению, предпочтительно переходить с одного типа на другой при укладке различных стальных пластин в пакете дважды или большее количество раз на всей толщине слоеного сердечника таким образом, чтобы стальные пластины, имеющие различие по значениям магнитострикции, были уложены одна поверх другой. Кроме того, более предпочтительно «переключаться» между типами стальных пластин, после, например, набранных в один пакет от 1 пластины или более до 20 пластин или менее. В частности, более предпочтительно набирать стальные пластины, такие как стальные пластины с любым видом магнитострикции, как можно более равномерно распределенными по всей толщине слоеного сердечника.

Может быть по меньшей мере два типа стальных пластин, обладающих различными магнитострикционными свойствами, но верхнего предела не существует. Кроме того, как описано выше, если сердечник содержит стальные пластины, разница между минимальным и максимальным значениями магнитострикции которых составляет 2 × 10^-7 или более, то можно использовать стальную пластину с некоторым значением магнитострикции, находящимся между этими величинами. Порядок укладки стальных пластин в этом случае не особенно ограничен, тем не менее для того, чтобы смежные слои гасили вибрацию друг друга, или для увеличения трения между слоями, предпочтительно комбинировать различные типы стальных пластин, чтобы они были настланы один поверх другого для увеличения разницы значений магнитострикции между смежными стальными пластинами и для увеличения количества слоев, обладающих разницей значений магнитострикции. В настоящем описании, когда имеется просто разница значений магнитострикции, это означает, что имеется различие в значениях магнитострикции большее, чем диапазон ошибки, который обычно рассматривают для результатов измерения магнитострикции. Кроме того, под одним типом стальной пластины понимается стальная пластина, которая не имеет различия по магнитострикции (также выражаемое как «имеет одинаковую магнитострикцию») в описанном выше диапазоне ошибки.

Примеры

Пример 1

Сердечник трансформатора изготовили посредством сочетания пластин 1-3 электротехнической стали, перечисленных в таблице 1, и исследовали шум.

Сердечник трансформатора представлял собой уложенный в виде пакета, трехфазный сердечник трехстержневого типа, изготовленный посредством вырезания контура из текстурированного листа электротехнической стали шириной 125 мм или 160 мм и формирования образца со скошенными краями. Весь сердечник имеет ширину 890 мм, высоту 800 мм и толщину пакета 244 мм. В этот раз сердечник был формирован из стальных пластин шириной 125 мм, с обеих сторон которых наложен стальной лист шириной 160 мм. Пластины 1-3 электротехнической стали были получены посредством измельчения магнитных доменов на сильно- ориентированном листе электротехнической стали, толщиной 0,23 мм посредством лазерного облучения. Мощность лазера по-разному изменяли для получения различной магнитострикции. Более конкретно, пучком дискового YAG-лазера, сфокусированный диаметр 0,1 мм, облучали со скоростью сканирования 100 м/с линейно в направлении, перпендикулярном направлению проката; интервал между линиями облучения установлен равным 7,5 мм; и выходную мощность изменяли в диапазоне от 200 Вт до 3000 Вт для изменения магнитострикции. Магнитострикцию определяли исходя из значения нулевого пика, полученного посредством измерения магнитострикции стальной пластины, вырезанной шириной 100 мм и длиной (в направлении проката) 500 мм, при намагничивании до максимальной магнитной индукции 1,7 Тл при частоте 50 Гц, используя устройство лазерного доплеровского типа для измерения магнитострикции.

Сердечники изготавливали путем сочетания пластин 1-3 электротехнической стали с измененной таким образом магнитострикцией в долях, приведенных в таблице 1. Более конкретно, вырезанные материалы из текстурированных листов 1-3 электротехнической стали, готовили в соответствующих долях, указанных в таблице 1. Затем, при сборке сердечника, две стальные пластины, имеющие одинаковую магнитострикцию, комбинировали в виде минимального блока, так чтобы получить соответствующие доли в изготавливаемом сердечнике. При использовании 50% каждого из двух типов, складывали две пластины 1 электротехнической стали и затем две пластины 2 электротехнической стали; и такой цикл повторяли для формирования слоеной структуры. Если обеспечивали не 50-процентное долевое использование пластин каждого типа, при формировании полной толщины, то стальные пластины каждого типа равномерно распределяли без отклонений и складывали в соответствии с их долями. Катушка возбуждения была намотана вокруг этого сердечника, и в полученном в результате сердечнике возбуждали переменным током магнитную индукцию 1,7 Тл при 50 Гц. Затем измеряли шум на высоте 400 мм и на расстоянии 300 мм от поверхности сердечника (всего в 6 местах) по всей поверхности и задней стороне трех стержней. Измеренные величины усреднили и использовали в качестве величины шума, создаваемого сердечником.

Магнитострикцию каждой пластины электротехнической стали измеряли лазерным доплеровским виброметром, используя вырезанный образец шириной 100 мм и длиной 500 мм, при намагничивании от размагниченного состояния (0 Тл) до максимальной магнитной индукции 1,7 Тл, возбуждаемой переменным током частотой 50 Гц.

Как можно видеть из таблицы 1, шум от сердечника был небольшим во всех сердечниках, соответствующих изобретению.

Таблица 1

№ Текстурированный лист из электротехнической стали 1 Текстурированный лист из электротехнической стали 2 Текстурированный лист из электротехнической стали 3 Шум (дБ) Примечания Магнитострикция (Ч10^-7) Доля (%) Магнитострикция (Ч10^-7) Доля (%) Магнитострикция (Ч10^-7) Доля (%) 1 -3,2 50 -0,5 50 - - 52 Пример 2 0,5 50 3,4 50 - - 53 Пример 3 -1,8 50 0,6 50 - - 50 Пример 4 -3,2 70 -0,5 30 - - 54 Пример 5 -3,2 82 -0,5 18 - - 55 Пример 6 -3,2 60 -0,5 20 2,1 20 52 Пример 7 -2,2 40 -0,6 20 1,0 40 53 Пример 8 -2,2 5 -0,6 90 1,0 5 54 Пример 9 -2,2 20 -0,6 60 1,0 20 52 Пример 10 -3,2 20 -0,6 60 2,1 20 51 Пример 11 -2,2 100 - - - - 61 Сравнительный пример 12 -3,2 50 -1,5 50 - - 59 Сравнительный пример 13 0,5 50 2,1 50 - - 59 Сравнительный пример 14 -2,2 60 -1,5 20 -0,5 20 60 Сравнительный пример

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции сердечника трансформатора. Технический результат – снижение вибрации сердечника и уровня шума трансформатора. Сердечник трансформатора сформирован путем послойного наложения по меньшей мере двух типов текстурированных листов электротехнической стали, которые отличаются по величине магнитострикции на 2×10^-7 или более при намагничивании от 0 Тл до 1,7 Тл. 1 табл.

Сердечник трансформатора, сформированный путем послойного наложения по меньшей мере двух типов текстурированных листов электротехнической стали, которые отличаются по величине магнитострикции на 2×10^-7 или более при намагничивании от 0 Тл до 1,7 Тл.