Трехфазный пространственный шихтованный магнитопровод типа "звезда" Российский патент 2024 года по МПК H01F3/04 H01F30/12 H01F27/245 

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 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.

Магнитопровод типа «звезда» с квадратным поперечным сечением стержней описан в технической литературе [Р.Х. Бальян - Трансформаторы для радиоэлектроники, М. Радио, 1971, с. 32].

Известно техническое решение по ленточному трехфазному пространственному магнитопроводу типа треугольник с круговым поперечным сечением стержней [патент РФ №2714676, H01F 3/04, 27/25, Бюл. №5, 2019]. Магнитопровод содержит три О-образных сегмента, получаемых навивкой ленты. Каждый сегмент имеет противолежащие грани, которые образуют угол 120° между собой. О-образные сегменты попарно соединены с образованием трех стержней магнитопровода с круговым поперечным сечением. Коэффициент заполнения окна обмоток равен предельному значению - единице, при этом уменьшается длина витков проводов обмоток до минимально возможной, уменьшаются размеры ярма магнитопровода, уменьшаются масса меди обмоток и масса железа магнитопровода, уменьшаются суммарная масса трансформатора и суммарное тепловыделение, что приводит к повышению КПД с сохранением надежности функционирования при длительной эксплуатации. Возможно образование О-образных сегментов сложением О-образных листовых плоских элементов для шихтованного магнитопровода.

Дальнейшего снижения массы магнитопроводов позволяет добиться построение эллипсообразного поперечного сечения стержней [патент РФ №2770461, H01F 3/02, 41/02, Бюл. 11, 2022].

Прототипом является техническое решение по трехфазному пространственному магнитопроводу типа «звезда» с круговым поперечным сечением стержней [авторское свидетельства СССР №734821, H01F 3/04, 27/24, Бюл. №18, 1980]. О-образные сегменты после навивки и замоноличивания фрезеруются по верхнему и нижнему ярму с образованием угла 120° на каждом и с удалением одного стержня. Сложенные вместе, сегменты образуют трехфазный магнитопровод типа «звезда» с круговым поперечным сечением стержней.

Недостатком прототипа является неоптимальность массы магнитопровода.

Задачей предлагаемого изобретения является создание трехфазного магнитопровода, свободного от названного недостатка.

Техническим результатом является разработка конструкции шихтованного трехфазного пространственного магнитопровода типа «звезда» с эллипсообразным поперечным сечением стержней, обладающего минимальной массой при равных электрофизических параметрах с прототипом.

Указанный технический результат достигается тем, что трехфазный пространственный шихтованный магнитопровод типа «звезда» содержит три одинаковых П-образных сегмента, при этом каждый П-образный сегмент состоит из листовых плоских элементов и имеет эллипсообразное поперечное сечение стержня, каждый листовой плоский элемент повторяет форму П-образного сегмента и имеет размеры, описываемые параметрической зависимостью:

где i=1, 2, … 2r/δ - порядковый номер листового плоского элемента в поперечном сечении П-образного сегмента, собираемого последовательным их наложением;

δ - толщина листового плоского элемента;

r - радиус полукруговой части эллипсообразного поперечного сечения стержня магнитопровода;

а - расстояние между центрами двух полукруговых частей эллипсообразного поперечного сечения стержня магнитопровода, а=(S-πr²)/2r; при а=0 - стержни имеют круговое поперечное сечение;

S - площадь поперечного сечения магнитопровода;

АхВ - ширина и высота окна П-образного сегмента магнитопровода;

х_внутр1 - координата внутреннего края части верхнего и нижнего ярма i-го листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента;

х_внутр2 - координата внешнего края окна i-го листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента;

х_внеш - ширина i-го листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента;

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

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

При равных электрических параметрах и равной площади поперечного сечения стержней построение эллипсообразного поперечного сечения значительно уменьшает массу магнитопровода типа «звезда» из-за возможности сближения стержней при размещении на них более узких эллипсообразных обмоток, и, соответственно, уменьшения длины верхнего и нижнего ярма каждого П-образного сегмента.

П-образный сегмент собирают из 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 П-образные сегменты, изготовить трехфазный 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.

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

Выполняя листовые плоские элементы составными из трех полос, сложенных в форме П-образного сегмента, можно изготовить магнитопроводы значительной мощности для трансформаторов промышленных подстанций и распределительных устройств. Для специальных энергоустановок с частотой тока 1000 Гц возможно изготовление полос с шириной вплоть до ширины изготовляемых промышленностью рулонов тонкой ленты электротехнического сплава.

П-образный сегмент может быть снабжен в приосевой зоне магнитопровода плоскими фасками на верхнем и нижнем ярме, в сборе образующими осевые отверстия с треугольным поперечным сечением, а листовые плоские элементы при этом имеют размеры, описываемые параметрической зависимостью, уточненной условием х_внутр1=Δ при где Δ - расстояние от оси магнитопровода до плоской фаски П-образного сегмента, соответствующее радиусу вписанного круга в треугольных отверстиях.

На фиг. 1 приведено сечение трехфазного пространственного шихтованного магнитопровода типа «звезда» с эллипсообразным поперечным сечением стержней. На фиг. 2 приведен общий вид П-образного сегмента. На фиг. 3 приведена выкройка листового плоского элемента. На фиг. 4 показан общий вид трехфазного пространственного шихтованного магнитопровода типа «звезда» (в аксонометрии). На фиг. 5 представлено сравнение сечений магнитопровода типа «звезда» и магнитопровода типа «треугольник» при равных электрофизических параметрах и равном пространственным расположением круговых стержней.

Магнитопровод состоит из трех П-образных сегментов (фиг. 1, 2). Укладывая друг на друга вырезанные в соответствии с параметрической зависимостью листовые плоские элементы по порядку увеличения параметра i (фиг. 3), собирают П-образный сегмент. Базой для сборки является упор для края верхнего или нижнего ярма. Толщина П-образного сегмента магнитопровода при сборке увеличивается и достигает своего окончательного размера, равного z=iδ=2r. При сложении трех П-образных сегментов образуется пространственный магнитопровод типа «звезда» с эллипсообразным поперечным сечением стержней (фиг. 4).

Наложение сечения шихтованного магнитопровода типа «звезда» на сечение магнитопровода типа «треугольник» показывает, что магнитопровод типа «звезда» легче магнитопровода типа «треугольник» при равной площади кругового поперечного сечения стержней. На фиг. 5 сплошными линиями показано сечение магнитопрода типа «треугольник»: круговые площади трех стержней заштрихованы, их соединяет нижнее ярмо. Пунктиром наложено изображение нижнего ярма магнитопровода типа «звезда», расположение круговых поперечных сечений стержней магнитопроводов совпадают. Левый элемент нижнего ярма магнитопровода типа «звезда» повернут до совмещения с изображением нижнего ярма магнитопровода типа «треугольник». При этом заштрихована избыточная часть ярма магнитопровода типа «звезда». Видно, что она занимает меньшую площадь, чем оставшаяся часть нижнего ярма магнитопровода типа «треугольник». Высоты ярма у магнитопроводов примерно равны, поскольку, соотносятся как числа 3 для «треугольника» и 3,14 для «звезды».

Построение эллипсообразного поперечного сечения стержней той же площади еще более уменьшает массу магнитопрвода типа «звезда» вследствие предоставляющейся возможности уменьшения длины верхнего и нижнего ярма каждого П-образного сегмента и сближения стержней магнитопровода к его центральной оси из-за размещения на них более узких эллипсообразных обмоток, имеющих меньший радиус круговых частей поперечного сечения.

Вырезка листовых плоских элементов (фиг. 3) 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, Trumpt 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 трехфазного пространственного магнитопровода типа «звезда» имеет плоские поверхности, перпендикулярные вертикальной оси магнитопровода, при этом имеет прямоугольное сечение площадью, равной площади поперечного сечения стержня. Опорная поверхность образуется по всей толщине каждого П-образного сегмента.

В некоторых случаях для удобства изготовления силовых обмоток трансформатора магнитопровод собирают из П-образных сегментов и затем после замоноличивания разрезают по зоне стержней магнитопровода, или же заранее делают 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). После шлифовки сопрягаемых торцевых поверхностей на нижнюю часть магнитопровода устанавливают силовые обмотки, затем устанавливают верхнюю часть магнитопровода, состоящую также из трех половинок П-образных сегментов, и закрепляют всю сборку стяжками.

Для удобства фиксации на магнитопроводе выполняют приосевые, треугольные в плане, отверстия в верхнем и нижнем ярме. Для этого каждый П-образный сегмент снабжают в приосевой зоне магнитопровода плоскими фасками на верхнем и нижнем ярме, в сборе образующими осевые отверстия с треугольным поперечным сечением.

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

Конструкция пространственного магнитопровода обладает положительным свойством - симметричностью по магнитному полю и, как следствие, трансформатор, собранный на его основе, обладает электрической симметричностью и равенством фазных напряжений электрического тока.

Предложенная конструкция трехфазного пространственного шихтованного магнитопровода типа «звезда» с эллипсообразным поперечным сечением стержней обладает минимальными массой и собственным тепловыделением и обеспечивает, тем самым, повышение КПД и ресурсную надежность. При этом конструкция позволяет изготовлять трехфазные пространственные шихтованные магнитопроводы для трансформаторов мощностью в десятки и более мегаватт для промышленной энергетики с частотой тока 50 Гц и специальной энергетики с частотой тока 400 Гц и 1000 Гц.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к многофазным магнитным системам электрооборудования. Технический результат заключается в минимизации массы магнитопровода. Достигается тем, что трехфазный пространственный шихтованный магнитопровод типа «звезда» содержит три одинаковых П-образных сегмента, при этом каждый П-образный сегмент состоит из листовых плоских элементов и имеет эллипсообразное поперечное сечение стержня, каждый листовой плоский элемент повторяет форму П-образного сегмента и имеет размеры, описываемые определенной параметрической зависимостью. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Трехфазный пространственный шихтованный магнитопровод типа «звезда», содержащий три одинаковых П-образных сегмента, отличающийся тем, что каждый П-образный сегмент состоит из листовых плоских элементов и имеет эллипсообразное поперечное сечение стержня, каждый листовой плоский элемент повторяет форму П-образного сегмента и имеет размеры, описываемые параметрической зависимостью:

где i=1, 2, … 2r/δ - порядковый номер листового плоского элемента в поперечном сечении П-образного сегмента, собираемого последовательным их наложением;

δ - толщина листового плоского элемента;

r - радиус полукруговой части эллипсообразного поперечного сечения стержня магнитопровода;

a - расстояние между центрами двух полукруговых частей эллипсообразного поперечного сечения стержня магнитопровода, а=(S-πr²)/2r; при a=0 - стержни имеют круговое поперечное сечение;

S - площадь поперечного сечения магнитопровода;

А×В - ширина и высота окна П-образного сегмента магнитопровода;

х_внутр1 - координата внутреннего края части верхнего и нижнего ярма i-го листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента;

х_внутр2 - координата внешнего края окна i-го листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента;

х_внеш - ширина i-го листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента;

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

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

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что П-образные сегменты выполнены разрезными по зоне стержней магнитопровода.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что листовые плоские элементы выполнены составными из трех полос, сложенных в виде П-образного сегмента.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый П-образный сегмент снабжен в приосевой зоне магнитопровода плоскими фасками на верхнем и нижнем ярме, в сборе образующими осевые отверстия с треугольным поперечным сечением, а листовые плоские элементы имеют размеры, описываемые параметрической зависимостью, уточненной условием х_внутр1=Δ при где Δ - расстояние от оси магнитопровода до плоской фаски П-образного сегмента, соответствующее радиусу вписанного круга в треугольных отверстиях.