Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве одно- и многофазной магнитной системы электрооборудования, материалом изготовления которой является листовая электротехническая сталь или сплав в виде ленты.
Минимизация массы и габаритов электропреобразовательных устройств является постоянной задачей разработчиков. Независимо от используемой частоты тока минимизация массы и габаритов силовых магнитопроводов и трансформаторов, собранных на их основе, представляет важную задачу. С увеличением электрической мощности увеличиваются поперечное сечение, габариты и масса магнитпопровода трансформаторов. Одновременно при эксплуатации увеличиваются действующие на провода обмоток трансформаторов электродинамические силы, возникающие при коммутации режимов работы и коротких замыканиях в сетях, и тем большие, чем меньше радиус сгибания проводов в обмотках трансформаторов. С течением времени эти силовые воздействия приводят к локальному повреждению изоляции проводов на местах гибки (вокруг прямоугольных кромок магнитопровода), к прожиганию поврежденной изоляции и к выходу трансформаторов из строя. Для минимизации электродинамических усилий и, соответственно, повышения надежности функционирования трансформаторов при длительной эксплуатации их обмотки выполняют цилиндрическими с наибольшим возможным радиусом. При этом стержни шихтованных магнитопроводов в поперечном сечении стали выполнять в виде многоугольников, вписанных в круг, стремясь увеличить заполняемость площади окна обмоток «железом» магнитопровода.
Известны конструкции шихтованных магнитопроводов, в которых применен набор пакетов разной ширины, составленных из плоских листовых элементов [Бальян Р.Х. - Трансформаторы для радиоэлектроники, М., Радио, 1971, с. 27-29] с образованием в поперечном сечении магнитопровода ступенчатого многоугольника, вписанного в круговое окно обмоток трансформатора. Они сложны в изготовлении и коэффициент заполнения окна круглых силовых обмоток железом магнитопровода не равен 1,0.
Известна конструкция магнитопровода [патент РФ 2444801, H01F 3/04, Бюл. №7, 2010], получаемого сборкой пакетов с прямоугольным поперечным сечением разной толщины, сложенных из ленточного материала. Пакеты выполнены симметрично сдвинутыми относительно вертикальной и горизонтальной оси соответственно ярем и стержней и друг друга. Каждый из последующих пакетов выполнен меньшей площади, чем предыдущий, и сдвинут на одинаковое расстояние от сторон предыдущего пакета с образованием в поперечном сечении ярем и стержней симметричной многоступенчатой фигуры, углы которой размещены на одинаковом расстоянии от пересечения вертикальной и горизонтальной осей симметрии. Пакеты выполнены толщиной от 1 до 10 мм, толщина входящих в пакеты плоских листовых элементов из лент от 20 до 40 мкм. В поперечном сечении стержней магнитопровода получается многоугольник, вписанный в круг. Однако коэффициент заполнения окна обмоток также не равен 1,0.
Прототипом является техническое решение [патент РФ №2770461, H01F 3/04, Бюл. №11, 2022]. Шихтованный магнитопровод собран из плоских листовых элементов, которые содержат части стержней, верхнего и нижнего ярма и вырезаны из листа электротехнической стали или ленты сплава в соответствии с параметрами, относящимися к поперечному сечению стержней собираемого из плоских листовых элементов магнитопровода, изменяющимися по параметрической зависимости с образованием эллипсообразного поперечного сечения стержней магнитопровода. Коэффициент заполнения окна обмоток имеет предельное, равное единице, значение, так как каждый слой тонколистового материала магнитопровода в поперечном сечении стержня касается своими краями заданного контура окна обмотки.
В прототипе устранены такие недостатки, как увеличенный размер обмоток трансформатора и ярем магнитопровода, увеличенная масса железа и меди трансформатора, повышенные потери энергии в них и тепловыделение, способствующие уменьшению КПД трансформатора. Однако для силовых трансформаторов большой мощности требуется значительная площадь поперечного сечения стержней, и распределение ее в виде эллипсообразного сечения не всегда оправдано, т.к. приводит к увеличению поперечных габаритов магнитопровода и трансформатора, что в некоторых случаях недопустимо.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанного недостатка.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является уменьшение габаритов мощных трансформаторов, собранных на магнитопроводах по предлагаемому изобретению, при сохранении повышенного КПД и надежности функционирования трансформаторов при длительной эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что у шихтованного магнитопровода, собираемого из плоских листовых элементов, которые содержат части стержней, верхнего и нижнего ярма и вырезаны из листа электротехнической стали или ленты сплава, поперечное сечение стержней магнитопровода имеет форму прямоугольника или квадрата с скруглением прямых углов некоторым радиусом, а плоские листовые элементы вырезаны в соответствии с параметрами, относящимися к поперечному сечению стержней собираемого из плоских листовых элементов магнитопровода, изменяющимися по параметрической зависимости для образования названной формы поперечного сечения стержней магнитопровода:
х - локальная полуширина поперечного сечения стержня магнитопровода для i-го плоского листового элемента;
у - локальная толщина поперечного сечения стержня магнитопровода для i-го плоского листового элемента;
r - радиус скруглений прямых углов прямоугольного поперечного сечения магнитопровода;
а - расстояние по вертикальной оси между центрами двух скруглений прямоугольного поперечного сечения стержня магнитопровода;
b - расстояние по горизонтальной оси между центрами двух скруглений прямоугольного поперечного сечения стержня магнитопровода; при а = b - квадратная форма поперечного сечения стержня;
δ - толщина плоского листового элемента, вырезаемого из листа электротехнической стали или ленты сплава, с нанесенной изоляцией;
i - порядковый номер плоского листового элемента, начиная от одного из крайних слоев.
При сборке магнитопровода при последовательном сложении плоских листовых элементов, вырезанных в соответствии с параметрической зависимостью, в результате получаем магнитопровод с прямоугольным поперечным сечением стержней с скруглением прямых углов некоторым радиусом, которое при том же значении площади поперечного сечения стержней имеет меньшие поперечные габариты, нежели магнитопровод с эллипсообразным поперечным сечением. Величина предельного уменьшения Δу поперечного размера сечения стержня при уменьшении радиуса скругления (начиная с радиуса R полукруговой части эллипсообразного сечения) равна Δу ≤ 0,215 R для каждой стороны сечения, при этом г уменьшается до нуля, т.е. когда прямые углы не скруглены. С увеличением r величина Δу уменьшается до нуля при r = R. При сохранении коэффициента заполнения окна силовых обмоток, равным 1,0, минимизируют поперечные габариты магнитопровода и трансформатора, собранного на его основе, при сохранении увеличенного КПД. Увеличению КПД также способствует тот факт, что плоские листовые элементы в сборе образуют магнитопривод без воздушных зазоров, пересекающих магнитные силовые потоки при работе. Параметрические зависимости справедливы и при независимом выборе параметров а, b, r.
Плоские листовые элементы магнитопровода могут быть выполнены разрезными (при конструктивной необходимости вкладывания готовых обмоток трансформатора на стержни).
Плоские листовые элементы могут быть выполнены составными, сложенными из полос в виде цельного плоского листового элемента.
На фиг.1 приведено прямоугольное поперечное сечение стержня скруглением прямых углов некоторым радиусом магнитопровода, собираемого из плоских листовых элементов.
На фиг.2 показаны разные типы шихтованного магнитопровода с прямоугольным поперечным сечением с скруглением прямых углов некоторым радиусом: а) одностержневой магнитопровод, б) тороидальный, в) двухстержневой, г) трехстержневой.
Поперечное сечение стержней (фиг.1) состоит из прямоугольника с размерами (а+2r) х (b+2r) с скругленными радиусом г прямыми углами (при а = b - квадратная форма поперечного сечения стержня). При сборке магнитопровода из плоских листовых элементов, начиная с одного края, постепенно увеличивается толщина сборки, а стержни магнитопровода в своем поперечном сечении набирают сначала первую часть с скруглениями прямых углов, затем прямоугольную часть, и наконец, вторую часть с скруглениями прямых углов. При этом локальная полуширина ±Х поперечного сечения стержня для плоского листового элемента вырезается по заявленной параметрической зависимости.
Количество стержней у магнитопровода может быть разным. На фиг.2а, 6, в показаны одностержневой, тородоидальный и двухстержневой магнитопроводы, пригодные для сборки однофазных трансформаторов и для комплектации трехфазной сборки. Трехстержневой магнитопровод, показанный на фиг.2г, пригоден для сборки трехфазных трансформаторов. Для плоских листовых элементов расстояние между осями стержней неизменно, а полуширина ±X изменяется по заявленной параметрической зависимости.
Расположение плоских листовых элементов показано на фиг.2 штриховкой, при этом при толщине δ они имеют вид: а, г) двойной О-образной формы, б) кольца, в) О-образной формы.
По предлагаемому изобретению плоские листовые элементы вырезают из поставочного листа электротехнической стали в виде цельного элемента. Вся сборка магнитопровода сводится к последовательному сложению плоских листовых элементов друг на друга, начиная с одного края. Технология резки электротехнической стали отработана. Например Научно-производственная компания «Рапид» (http://npk-rapid.ru) предлагает лазерные станки с ЧПУ для раскроя тонколистовой и электротехнической стали, с волоконным промышленным лазером IPG мощностью 1 кВт. Возможна также гидравлическая резка с помощью струи жидкости под большим давлением.
В некоторых случаях, при необходимости использования готовых обмоток трансформатора, магнитопровод может быть собран из плоских листовых элементов, которые выполнены разрезными по зоне стержней. При сборке получаем магнитопровод, состоящий, например, из 2-х половинок. Также возможна П-образная или Ш-образная конструкция с отдельным ярмом.
Для мощных силовых трансформаторов для работы при 50 Гц переменного тока магнитопроводы имеют значительные размеры. В этом случае плоские листовые элементы могут быть выполнены составными, изготовленными из полос с шириной промышленных рулонов тонкой ленты электротехнического материала, что открывает пути для значительного повышения мощности трансформаторов от сотен киловатт и более до десятков мегаватт.
Предложенная конструкция шихтованного магнитопровода с прямоугольным поперечным сечением стержней с скруглением прямых углов некоторым радиусом способствует минимизации габаритов, сохраняет минимизацию массы и собственного тепловыделения силовых мощных трансформаторов, сохраняет повышенный КПД обеспечивает ресурсную надежность.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве магнитопровода, материалом изготовления которого является листовая или рулонная электротехническая сталь или сплав. В шихтованном магнитопроводе поперечное сечение стержней имеет форму прямоугольника или квадрата с скруглением прямых углов некоторым радиусом, а листовые плоские элементы вырезаны в соответствии с параметрами, относящимися к поперечному сечению стержней магнитопровода, изменяющимися по параметрической зависимости для образования названной формы поперечного сечения стержней. Магнитопровод обладает минимизацией габаритов и массы, способствует повышению КПД трансформаторов, собранных на его основе. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
1. Шихтованный магнитопровод мощного трансформатора, собираемый из плоских листовых элементов, которые содержат части стержней, верхнего и нижнего ярма и вырезаны из листа электротехнической стали или ленты сплава, отличающийся тем, что поперечное сечение стержней магнитопровода имеет форму прямоугольника или квадрата с скруглением прямых углов некоторым радиусом, а листовые плоские элементы вырезаны в соответствии с параметрами, относящимися к поперечному сечению стержней собираемого из плоских листовых элементов магнитопровода, изменяющимися по параметрической зависимости для образования названной формы поперечного сечения стержней магнитопровода:
х - локальная полуширина поперечного сечения стержня магнитопровода для i-го плоского листового элемента;
у - локальная толщина поперечного сечения стержня магнитопровода для i-го плоского листового элемента;
r - радиус скруглений прямых углов прямоугольного поперечного сечения магнитопровода;
а - расстояние по вертикальной оси между центрами двух скруглений прямоугольного поперечного сечения стержня магнитопровода;
b - расстояние по горизонтальной оси между центрами двух скруглений прямоугольного поперечного сечения стержня магнитопровода; при а = b - квадратная форма поперечного сечения стержня;
δ - толщина плоского листового элемента, вырезаемого из листа электротехнической стали или ленты сплава, с нанесенной изоляцией;
i - порядковый номер плоского листового элемента, начиная от одного из крайних слоев.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что плоские листовые элементы выполнены разрезными по зоне стержней магнитопровода.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что плоские листовые элементы выполнены составными, сложенными из полос в виде плоского листового элемента.
| Шихтованный магнитопровод | 2021 |
|
RU2770461C1 |
| US 2021407724 A1, 30.12.2021. | |||
