Шихтованный магнитопровод кругового трансформатора Российский патент 2024 года по МПК H01F3/04 H01F27/245 H01F30/06 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве многофазной магнитной системы электрооборудования, материалом изготовления которой является листовая электротехническая сталь или сплав в виде ленты.

Повышение КПД, минимизация массы и габаритов преобразовательных устройств является постоянной задачей разработчиков. Независимо от используемой частоты тока минимизация массы и габаритов силовых магнитопроводов трансформаторов и реакторов представляет важную задачу. Типовым приемом является изготовление магнитопроводов со стержнями в поперечном сечении в виде многоугольника, круга или специального эллипса, что способствует более полному заполнению окна обмоток и минимизации массы и габаритов трансформаторов, уменьшению тепловых потерь в железе магнитопроводов и в меди обмоток, и как следствие увеличению КПД и ресурсной надежности.

Известны плоские одностержневые магнитопроводы называемые иногда в технической литературе броневыми [например Р.Х. Бальян - Трансформаторы для радиоэлектроники, М. Радио, 1971, с. 48-49]. Они имеют квадратное или прямоугольное поперечное сечение стержня, образуемое двумя о-образными сегментами с половинной площадью сечения.

Плоский одностержневой магнитопровод с круговым поперечным сечением стержня образуется из двух одинаковых ленточных колец с половинным сечением круга [авторское свидетельство СССР №734821, H01F 3/04, 27/24, Бюл. №18,1980].

Плоский одностержневой магнитопровод с эллипсообразным поперечным сечением стержня образуется из двух одинаковых ленточных колец с половинным сечением эллипса [патент РФ №2714446, H01F 3/04, 27/25, Бюл. №5, 2020].

Прототипом является пространственный магнитопровод кругового трансформатора с радиально расположенными о-образными сегментами, проходящими через окно тороидального блока обмоток [Р.Х. Бальян - Трансформаторы для радиоэлектроники, М.: Радио, 1971, с. 57, 191]. При всех технологических преимуществах выполнения блока обмоток, масса и габариты кругового трансформатора не минимизированы, блок круговых обмоток переразмерен, поскольку обладает большим окном для свободного прохода всех сегментов магнитопровода. Недостатком прототипа является неоптимальность массы магнитопровода.

Задачей предлагаемого изобретения является создание кругового трансформатора, свободного от названного недостатка.

Техническим результатом является разработка конструкции шихтованного пространственного одностержневого магнитопровода с круговым поперечным сечением центрального стержня кругового трансформатора, обладающего минимальной массой при равных электрофизических параметрах с прототипом.

Указанный технический результат достигается тем, что шихтованный магнитопровод кругового трансформатора, состоящий из более двух одинаковых о-образных сегментов, содержит центральный стержень магнитопровода с круговым поперечным сечением, образованный соединением друг с другом о-образных сегментов, при этом каждый о-образный сегмент состоит из листовых плоских элементов, а листовой плоский элемент представляет собой прямоугольник с прямоугольным окном и имеет размеры, описываемые эмпирической цифровой последовательностью двух изменяющихся параметров - внешней и внутренней координат полуширины приосевой части выкройки листового плоского элемента - по порядковому номеру листового плоского элемента в поперечном сечении о-образного сегмента, составленной с построенного чертежа поперечного сечения о-образного сегмента.

O-образные сегменты могут быть выполнены разрезными по зоне центрального стержня. У магнитопровода может быть образовано приосевое сквозное отверстие, многоугольное в плане по числу о-образных сегментов, при этом каждый листовой плоский элемент имеет размеры, описываемые эмпирической цифровой последовательностью, уточненной в приосевой области магнитопровода на выбранный размер приосевого отверстия. Листовые плоские элементы могут быть выполнены составными из четырех полос, сложенных в виде прямоугольника с прямоугольным окном. Устройство может содержать четыре о-образных сегмента, при этом листовые плоские элементы имеют размеры, описываемые параметрической зависимостью:

где - порядковый номер листового плоского элемента в поперечном сечении о-образного сегмента, собираемого последовательным их наложением;

δ - толщина листового плоского элемента;

r - радиус кругового поперечного сечения центрального стержня магнитопровода;

А - ширина окна о-образного сегмента магнитопровода;

В - высота окна о-образного сегмента магнитопровода;

с - ширина внешней части о-образного сегмента магнитопровода,

Δ - радиус вписанного круга в четырехугольном приосевом сквозном отверстии магнитопровода;

±х_внутр - полуширины окна i-го листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента;

±х_внеш - полуширины каждого i-го листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента;

y_внутр - полувысота окна каждого листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента;

y_внеш - полувысота каждого листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента.

Соединенные вместе о-образные сегменты образуют центральный стержень магнитопровода с круговым поперечным сечением, который полностью заполняет окно тороидального блока обмоток. Блок обмоток, имеющий вид тороида, плотно охватывает центральный стержень, а о-образные сегменты плотно охватывают блок обмоток. И размеры магнитопровода, и размеры блока обмоток значительно минимизируются по сравнению с прототипом, при этом значительно уменьшается их масса.

Дополнительно при эксплуатации кругового трансформатора уменьшаются потери от собственного тепловыделения, пропорциональные, в том числе, массе «железа» магнитопровода и массе «меди» обмоток трансформатора, что обеспечивает тем самым повышение КПД трансформатора и его ресурсную надежность.

О-образный сегмент собирают наложением листовых плоских элементов. Эмпирическая цифровая последовательность связывает размеры листовых плоских элементов с порядковым номером слоя, начиная с низшего первого листового плоского элемента. Эмпирическую цифровую последовательность размеров составляют с построенного в масштабе или в натурном размере чертежа поперечного сечения о-образного сегмента.

Для заданной мощности трансформатора определяется требуемая площадь поперечного сечения магнитопровода. Для центрального стержня с круговым поперечным сечением определяют величину радиуса круга поперечного сечения. Далее строится круг с этим радиусом, и дуга круга делится на (n) равных частей по числу выбранного количества о-образных сегментов для магнитопровода, n-ая часть круга образует приосевую часть поперечного сечения о-образного сегмента. Другая часть поперечного сечения о-образного сегмента имеет вид прямоугольника равной площади с приосевой частью и удалена от приосевой части на расстояние, равное размеру прямоугольного окна о-образного сегмента, которое соответствует радиальному размеру тороидального блока обмоток кругового трансформатора. По порядковому номеру листового плоского элемента в приосевой части поперечного сечения о-образного сегмента составляют эмпирическую цифровую последовательность, содержащую величины двух изменяющихся параметров листового плоского элемента - внешней и внутренней координат полуширины приосевой части выкройки листового плоского элемента. Для случая n=4 выведена параметрическая зависимость

Для магнитопровода с поперечным сечением центрального стержня многоугольным в плане по числу о-образных сегментов выведена параметрическая зависимость для только одного изменяющегося параметра - внешней координаты полуширины приосевой части выкройки листового плоского элемента, справедливая для любого n:

где i=1, 2, … (2r/δ) sinα;

2α=360°/n - угол при вершине приосевой части поперечного сечения о-образного сегмента;

h=2r sinα - толщина о-образного сегмента;

n - количество о-образных сегментов в магнитопроводе кругового трансформатора.

О-образные сегменты могут быть выполнены разрезными по зоне стержня магнитопровода. Наиболее технологична зона по оси симметрии, тогда обе разрезные части сегмента будут равными половинками.

Для удобства фиксации и стягивания магнитопровода может быть образовано приосевое сквозное отверстие многоугольное в плане по числу о-образных сегментов. Для этого каждый листовой плоский элемент имеет размеры, описываемые эмпирической цифровой последовательностью, уточненной в приосевой области магнитопровода на выбранный размер приосевого отверстия.

Применение листовых плоских элементов составными, сложенными из четырех полос в виде прямоугольника с прямоугольным окном, позволяет изготовить магнитопроводы значительной мощности для однофазных трансформаторов промышленных подстанций и распределительных устройств.

О-образный сегмент собирают наложением листовых плоских элементов. Они вырезаны из тонколистовой электротехнической стали или сплава. Для промышленной частоты 50 Гц применяется электротехническая сталь толщиной от 0,3 мм в рулонах шириной до 0,5 м или более толстая сталь до 0,8÷1,0 мм в листах до 1,0 м шириной и 2,0 м длиной. Из такой стали можно изготовить листовые плоские элементы значительных размеров и, собирая их в о-образные сегменты, изготовить пространственный шихтованный магнитопровод мощностью на сотни киловатт и более.

Для специальных энергоустановок, работающих при повышенной частоте 400 Гц и 1000 Гц, применяются специальные сплавы для изготовления магнитопроводов, ширина ленты в рулонах 0,4 м и менее, толщина ленты 0,35 мм и менее. Возможно изготовление полос с шириной вплоть до ширины изготавливаемых промышленностью рулонов тонкой ленты электротехнического сплава.

На фиг. 1 приведено сечение шихтованного магнитопровода с круговым поперечным сечением центрального стержня, сложенного четырьмя о-образными сегментами. На фиг. 2 приведен общий вид о-образного сегмента. На фиг. 3 приведено сечение о-образного сегмента для образования кругового в плане центрального стержня магнитопровода. На фиг. 4 приведена выкройка листового плоского элемента. На фиг. 5 приведено поперечное сечение о-образного сегмента для образования многоугольного в плане центрального стержня магнитопровода. На фиг. 6 показан общий вид магнитопровода (в аксонометрии), сложенного четырьмя о-образными сегментами. На фиг. 7 приведен общий вид половины магнитопровода с восемью о-образными сегментами. На фиг. 8 приведен общий вид шихтованного магнитопровода кругового трансформатора с восемью о-образными сегментами.

Изображенный на рис. 1 магнитопровод состоит из четырех о-образных сегментов. Сборку о-образного сегмента (фиг. 2, 3) проводят, укладывая друг на друга листовые плоские элементы (фиг. 4), вырезанные по порядку увеличения параметра i в соответствии с эмпирической цифровой последовательностью или параметрической зависимостью.

Эмпирическую цифровую последовательность составляют для каждого типоразмера магнитопровода с построенного чертежа поперечного сечения о-образного сегмента. Это объемный массив (с выбранной степенью точности, т.е. с выбранной величиной шага для интерполяции по порядковому номеру листового плоского элемента и геометрическим параметрам) содержит значения двух изменяющихся параметров выкройки листового плоского элемента: -x_внутр и -x_внеш (фиг. 4).

Для трансформаторов большой мощности при большом значении радиуса r центрального стержня возможно применение большого числа о-образных сегментов. В этом случае центральный стержень можно выполнить многоугольным в плане по числу о-образных сегментов, а для выкройки листового плоского элемента выведена параметрическая зависимость для одного изменяющегося параметра: -x_внеш. Параметрическая зависимость справедлива для любого n. Поперечное сечение о-образного сегмента для этого случая приведено на фиг. 5. По аналогии с пп. 3, 5 формулы возможно формирование приосевого отверстия в магнитопроводе.

Для четырех о-образных сегментов магнитопровода кругового трансформатора выведена параметрическая зависимость, описывающая размеры листового плоского элемента при любых задаваемых параметрах и типоразмерах магнитопровода, которая удобнее в применении из-за своей универсальности.

Базой для сборки является упор для края верхнего или нижнего ярма. В начале и конце сборки ширина стержневой части, равная разности (х_внеш - х_внутр), близка к нулю. Поэтому сборку начинают на минимальном технологическом размере ширины листового плоского элемента в области стержневой части, например 3÷5 мм, т.е. не с начального значения параметра i=1. Аналогичная ситуация возникает в конце сборки, ее заканчивают, не доходя до предельного значения параметра

Толщина о-образного сегмента магнитопровода при сборке увеличивается и достигает своего окончательного размера, равного для случая четырех о-образных сегментов. При сложении о-образных сегментов образуется центральный стержень шихтованного магнитопровода с круговым поперечным сечением радиусом r (фиг. 6). При этом каждый о-образный сегмент в приосевой зоне имеет плоскую фаску, в сборе образующие четырехугольное в плане сквозное отверстие с вписанным радиусом Δ.

О-образный сегмент, построенный в соответствии с формулой изобретения и изображенный на фиг. 3, обеспечивает наименьшие габариты кругового трансформатора. При этом размер (с) определяется из равенства площадей поперечных сечений боковых частей о-образного сегмента. В общем случае с=πr²/nH, где Н - толщина сегмента при их количестве (n) в магнитопроводе или для четырех о-образных сегментов.

Вырезка листовых плоских элементов проводится лазерными резаками. Станки с ЧПУ и одним режущим лазером предлагаются для раскроя тонколистовой и электротехнической стали, например, Научно-производственной компанией «Рапид». Возможно применение оборудования лазерных станков с ЧПУ фирм Bodor, CNC Technology, Trumpf и др. Во всех случаях управление режущими элементами происходит посредством программируемых цифровых приводов. Для особо крупных магнитопроводов заготовка составных частей листовых плоских элементов может проводиться на гильотинных ножницах, в виде полос переменных размеров.

Верхнее и нижнее ярмо о-образного сегмента магнитопровода имеют плоские поверхности, перпендикулярные вертикальной оси магнитопровода, и прямоугольное сечение площадью, равной площади своей части кругового поперечного сечения центрального стержня. Одна из плоских поверхностей служит второй опорной поверхностью при сборке о-образного сегмента из листовых плоских элементов. Опорная поверхность образуется на всей толщине о-образного сегмента.

Магнитопровод собирают из о-образных сегментов и после замоноличивания пропиткой виксинтом или компаундом разрезают по зоне стержня магнитопровода. Возможно заранее делать разрезные половинные листовые плоские элементы с применением выкроек для односторонней полувысоты всех листовых плоских элементов (в параметрической зависимости для (у) это один знак: или плюс или минус). Собирают нижнюю половину магнитопровода (фиг. 7) и после шлифовки сопрягаемых торцевых поверхностей устанавливают тороидальный блок обмоток, затем устанавливают верхнюю половину магнитопровода, и закрепляют всю сборку центральной осевой стяжкой через приосевое отверстие и боковыми пластинами на внешних частях о-образных сегментов.

Применение листовых плоских элементов составными из четырех полос, сложенных в виде прямоугольника с прямоугольным окном, позволяет значительно поднять уровень мощности трансформаторов, увеличивая площадь поперечного сечения о-образного сегмента магнитопровода, при этом используя выпускаемый промышленностью электротехнический материал в виде листов и рулонов фиксированных размеров.

Следует отметить, что разделенность магнитопровода на о-образные сегменты и разнесенность внешних частей о-образных сегментов в круговом трансформаторе облегчает конвективное их охлаждение при эксплуатации магнитопровода при больших мощностях трансформаторов и, соответственно, больших площадях поперечного сечения центрального стержня (фиг. 8).

Предложенная конструкция шихтованного магнитопровода сообщает круговому трансформатору минимальные массу, габариты и собственное тепловыделение и обеспечивает, тем самым, повышение КПД и ресурсную надежность. При этом конструкция позволяет изготовлять шихтованные магнитопроводы для круговых трансформаторов значительной мощности мегаваттного уровня для промышленной энергетики с частотой тока 50 Гц и специальной энергетики с повышенной частотой тока 400 Гц и 1000 Гц, в том числе и для трехфазного электропитания с использованием трех экземпляров круговых трансформаторов, включаемых, например, по схеме треугольник - звезда.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве магнитопровода кругового трансформатора, материалом изготовления которого является листовая или рулонная электротехническая сталь или сплав. Шихтованный магнитопровод содержит более двух одинаковых о-образных сегментов, которые соединены с образованием центрального стержня магнитопровода с круговым поперечным сечением. Сегмент состоит из листовых плоских элементов, каждый из которых представляет собой прямоугольник с прямоугольным окном и имеет размеры, описываемые эмпирической цифровой последовательностью или параметрической зависимостью, выведенной для варианта с четырьмя сегментами. Технический результат состоит в том, что предложенная конструкция шихтованного магнитопровода кругового трансформатора обладает минимальными массой, габаритами и собственным тепловыделением и обеспечивает тем самым повышение КПД и ресурсную надежность. При этом конструкция позволяет изготовлять шихтованные магнитопроводы для круговых трансформаторов значительной мощности мегаваттного уровня для промышленной энергетики с частотой тока 50 Гц и специальной энергетики с повышенной частотой тока 400 Гц и 1000 Гц, в том числе и для трехфазного электропитания с использованием трех экземпляров круговых трансформаторов, включаемых, например, по схеме треугольник - звезда. 8 ил.

1. Шихтованный магнитопровод кругового трансформатора, состоящий из более двух одинаковых о-образных сегментов, отличающийся тем, что содержит центральный стержень магнитопровода с круговым поперечным сечением, образованный соединением друг с другом о-образных сегментов, каждый о-образный сегмент состоит из листовых плоских элементов, а листовой плоский элемент представляет собой прямоугольник с прямоугольным окном и имеет размеры, описываемые эмпирической цифровой последовательностью двух изменяющихся параметров - внешней и внутренней координат полуширины приосевой части выкройки листового плоского элемента - по порядковому номеру листового плоского элемента в поперечном сечении о-образного сегмента, составленной с построенного чертежа поперечного сечения о-образного сегмента.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что о-образные сегменты выполнены разрезными по зоне центрального стержня.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что имеет приосевое сквозное отверстие, многоугольное в плане по числу о-образных сегментов, при этом каждый листовой плоский элемент имеет размеры, описываемые эмпирической цифровой последовательностью, уточненной в приосевой области магнитопровода на выбранный размер приосевого отверстия.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что листовые плоские элементы выполнены составными из четырех полос, сложенных в виде прямоугольника с прямоугольным окном.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит четыре о-образных сегмента, а листовые плоские элементы имеют размеры, описываемые параметрической зависимостью:

где - порядковый номер листового плоского элемента в поперечном сечении о-образного сегмента, собираемого последовательным их наложением;

δ - толщина листового плоского элемента;

r - радиус кругового поперечного сечения центрального стержня магнитопровода;

А - ширина окна о-образного сегмента магнитопровода;

В - высота окна о-образного сегмента магнитопровода;

с - ширина внешней части о-образного сегмента магнитопровода,

Δ - радиус вписанного круга в четырехугольном приосевом сквозном отверстии магнитопровода;

±х_внутр ^_ полуширины окна i-го листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента;

±х_внеш - полуширины каждого i-го листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента;

y_внутр - полувысота окна каждого листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента;

y_внеш - полувысота каждого листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что центральный стержень магнитопровода имеет поперечное сечение многоугольное в плане по числу о-образных сегментов, а листовой плоский элемент имеет размеры, описываемые параметрической зависимостью одного изменяющегося параметра - внешней координаты полуширины приосевой части выкройки листового плоского элемента:

где i=1, 2, … (2r/δ)sinα;

2α=360°/n - угол при вершине приосевой части поперечного сечения о-образного сегмента;

h=2r sinα - толщина о-образного сегмента;

n - количество о-образных сегментов в магнитопроводе кругового трансформатора.