Ленточный магнитопровод мощного трансформатора (варианты) Российский патент 2024 года по МПК H01F3/04 H01F27/25 

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 магнитопроводов в поперечном сечении стали выполнять в виде многоугольников, вписанных в круг, стремясь увеличить заполняемость площади окна обмоток «железом» магнитопровода.

Известны конструкции магнитопроводов, в которых применен набор лент разной ширины [Бальян Р.Х. - Трансформаторы для радиоэлектроники, М, Радио, 1971, с. 27, 32; патент РФ 2444801, H01F 3/04, Бюл. №7, 2010] с образованием в поперечном сечении магнитопровода ступенчатого многоугольника. Они сложны в изготовлении и коэффициент заполнения окна круглых силовых обмоток не равен 1,0.

Известно техническое решение по магнитопроводу, получаемому навивкой из ленты с фасонной резкой ленты по параметрической зависимости изменения ширины ленты по ее длине [авторское свидетельство СССР №734821, H01F 27/24, Бюл. №18, 1980], с образованием в поперечном сечении круга с точностью до толщины ленты, коэффициент заполнения окна круглых силовых обмоток равен 1,0. Недостатком является тот факт, что для силовых трансформаторов при большой мощности требуется значительная площадь поперечного сечения, и распределение ее в виде круга приводит к значительным продольным габаритам магнитопровода, что в некоторых случаях недопустимо.

Прототипом является техническое решение по ленточным магнитопрводам с образованием эллипсообразного поперечного сечения стержней посредством фасонной резки ленты по параметрическим зависимостям одновременно с навивкой ленты на оправку [патент РФ №2716212, Н01F 3/04, Бюл. №7, 2020].

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 значительным поперечным габаритам 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 минимизации массы и повышенного КПД и надежности функционирования трансформаторов при длительной эксплуатации.

Указанный технический результат по первому варианту достигается тем, что у ленточного магнитопровода мощного трансформатора, состоящего из кольцевого или о-образного сердечника, выполненного навивкой из ленты переменной ширины, сердечник имеет прямоугольное или квадратное поперечное сечение с скруглением прямых углов некоторым радиусом, а лента для навивки сердечника имеет геометрическую форму, описываемую параметрической зависимостью:

где:

х - длина ленты;

у - ширина ленты относительно продольной оси симметрии;

ϕ - параметр, отображающий приращение полярного угла, соответствующее вращению радиус-вектора при навивке сердечника магнитопровода;

r - радиус скруглений прямых углов поперечного сечения сердечника магнитопровода; а - расстояние по вертикальной оси между центрами двух скруглений прямоугольного поперечного сечения;

b - расстояние по горизонтальной оси между центрами двух скруглений прямоугольного поперечного сечения (а=b квадратное сечение);

δ - толщина ленты с нанесенной изоляцией;

R - радиус окружности или приведенной радиус для длины о-образной линии проходящих через центры внутренних двух скруглений поперечного сечения кольцевого или о-образного сердечника.

При навивке магнитопровода при последовательном наложении витков ленты, вырезаемых в соответствии с параметрической зависимостью, в результате получаем кольцевой или о-образный магнитопровод с прямоугольным поперечным сечением с скруглением прямых углов некоторым радиусом, которое при том же значении площади поперечного сечения 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 r 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, минимизируются поперечные габариты магнитопровода и трансформатора, собранного на его основе, при сохранении увеличенного КПД. Параметрические зависимости справедливы и при независимом выборе параметров а, b, r.

Указанный технический результат по второму варианту достигается тем, что ленточный магнитопровод мощного трансформатора, состоящий из двух одинаковых о-образных сердечников и одного охватывающего их о-образного сердечника, выполненных навивкой из лент переменной ширины, имеет суммарное прямоугольное или квадратное поперечное сечение с скруглением прямых углов некоторым радиусом, а лента для навивки каждого из двух одинаковых о-образных сердечников магнитопровода имеет геометрическую форму, описываемую параметрической зависимостью:

и лента для навивки охватывающего о-образного сердечника магнитопровода имеет геометрическую форму, описываемую параметрической зависимостью

где:

х - длина ленты;

у - ширина ленты относительно продольной оси симметрии;

ϕ - параметр, отображающий приращение полярного угла, соответствующее вращению радиус-вектора при навивке сердечников магнитопровода;

r - радиус скруглений прямых углов поперечного сечения магнитопровода;

а - расстояние по вертикальной оси между центрами двух скруглений прямоугольного поперечного сечения;

b - расстояние по горизонтальной оси между центрами двух скруглений прямоугольного поперечного сечения (а=b квадратное сечение);

δ - толщина ленты с нанесенной изоляцией;

- длина о-образной линии,

R₁ - приведенный радиус для длины о-образной линии - проходящей через центры двух внутренних скруглений поперечного сечения каждого из двух одинаковых о-образных сердечников магнитопровода;

R₂ - приведенный радиус для длины о-образной линии - охватывающей два одинаковых о-образных сердечника магнитопровода.

После навивки охватывающего сердечника на размещенные на специальной оправке два одинаковых о-образных сердечника получаем трехфазный магнитопровод.

Стержни магнитопровода имеют составное прямоугольное или квадратное поперечное сечение с скруглением прямых углов некоторым радиусом. Такое сечение как результат «деформации» эллипсообразного сечения равной площади приводит в целом к уменьшению поперечного габаритного размера как магнитопровода, так и трансформатора, собранного на его основе. Параметрические зависимости справедливы и при независимом выборе параметров а, b, r.

При необходимости магнитопроводы после навивки и замоноличивания могут разрезаться по зоне стержней для вкладывания готовых автономно изготовленных обмоток трансформатора.

На фиг. 1 показан разрез магнитопровода по первому варианту формулы изобретения. На фиг. 2 показан разрез магнитопровода по второму варианту формулы изобретения.

Поперечное сечение стержней состоит из прямоугольника с размерами (а+2r) х (b+2r) с скругленными радиусом r прямыми углами (при а=b - квадратная форма поперечного сечения стержня). При навивке магнитопровода из ленты, начиная с внутренней стороны, 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 поперечного сечения заданным радиусом.

Если по фиг. 1 изготавливают однофазный тороидальный магнитопровод, то радиус R является радиусом окружности кольцевого сердечника, проходящей через центры внутренних двух скруглений поперечного сечения кольцевого сердечника. Если по фиг. 1 изготавливают однофазный двухстержневой магнитопровод, то радиус R является приведенным радиусом для длины о-образный линии , проходящей через центры внутренних двух скруглений поперечного сечения о-образного сердечника.

По фиг. 2 изготавливают трехстержневой трехфазный плоский магнитопровод, содержащий два одинаковых о-образных сердечника, которые охватывает один большой о-образный сердечник. Суммарное поперечное сечение стержней получается прямоугольное или квадратное с скруглением прямых углов некоторым радиусом. По фиг. 2 можно также изготовить броневой однофазный одностержневой магнитопровод. Для этого используют только два одинаковых о-образных сердечника, образующих один центральный стержень.

Магнитопроводы могут быть изготовлены разрезными для сборки с готовыми обмотками трансформатора. Для этого магнитопроводы после навивки пропитывают лаком или компаундом, т.е. замоноличивают, и разрезают по зоне стержней. Перед сборкой трансформатора области разреза шлифуют. После сборки с обмотками половинки магнитопроводов стягивают и фиксируют.

Однако технология вматывания обмоток в тороидальные магнитопроводы хорошо освоена, поэтому она может быть применена и к другим типам магнитопроводов. Достоинством неразрезных магнитопроводов являются более высокий КПД и обладание несущей прочностью и жесткостью конструкции, позволяющей устанавливать трансформаторы для эксплуатации более простыми способами и менее массивными крепежными элементами, что особенно востребовано для передвижных энергоустановок.

Изготовление ленточных магнитопроводов происходит следующим образом. Фасонную резку ленты и навивку магнитопроводов осуществляют последовательно в одном устройстве, при необходимости ленту при навивке сращивают точечной сваркой внахлест. После навивки ленту магнитопровода закрепляют точечной сваркой и отрезают, на стержни накладывают охватывающий бандаж.

Для фасонной резки ленты применимы промышленные волоконные лазеры, входящие в оборудование лазерных станков с ЧПУ для раскроя тонколистового материала и электротехнической стали, производимых, например, Научно-производственной компанией «Рапид», применимо также оборудование лезерных станков с ЧПУ, например, фирм Bodor, Trumpf, CNC Technology, MC Laser, OREE Laser и др. (описания доступны в Интернете: поиск по названию фирмы и рубрике лазерные станки с ЧПУ).

Магнитопроводы по предлагаемому изобретению и трансфоматоры, собранные на их основе, обладают минимизацией массы, габаритов, тепловых потерь и повышенным КПД с надежностью функционирования при длительной эксплуатации.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве магнитопровода, материалом изготовления которого является рулонная электротехническая сталь или сплав. Поперечное сечение магнитопровода имеет форму прямоугольника или квадрата со скруглением прямых углов некоторым радиусом. Навивку магнитопровода проводят одновременно с фасонной резкой ленты по выведенным параметрическим зависимостям, связывающим вращение оправки при навивке ленты с длиной и шириной ленты. Магнитопровод обладает минимизированными массой, габаритами, тепловыми потерями и повышенным КПД с надежностью функционирования при длительной эксплуатации. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ленточный магнитопровод мощного трансформатора, состоящий из кольцевого или о-образного сердечника, выполненного навивкой из ленты переменной ширины, отличающийся тем, что сердечник имеет прямоугольное или квадратное поперечное сечение со скруглением прямых углов некоторым радиусом, а лента для навивки сердечника имеет геометрическую форму, описываемую параметрической зависимостью:

где:

х - длина ленты;

у - ширина ленты относительно продольной оси симметрии;

ϕ - параметр, отображающий приращение полярного угла, соответствующее вращению радиус-вектора при навивке сердечника магнитопровода;

r - радиус скруглений прямых углов поперечного сечения сердечника магнитопровода;

а - расстояние по вертикальной оси между центрами двух скруглений прямоугольного поперечного сечения;

b - расстояние по горизонтальной оси между центрами двух скруглений прямоугольного поперечного сечения (а=b, квадратное сечение);

δ - толщина ленты с нанесенной изоляцией;

R - радиус окружности или приведенный радиус для длины о-образной линии проходящей через центры внутренних двух скруглений поперечного сечения кольцевого или о-образного сердечника.

2. Ленточный магнитопровод мощного трансформатора, состоящий из двух одинаковых о-образных сердечников и одного охватывающего их о-образного сердечника, выполненных навивкой из лент переменной ширины, отличающийся тем, что имеет суммарное прямоугольное или квадратное поперечное сечение со скруглением прямых углов некоторым радиусом, а лента для навивки каждого из двух одинаковых о-образных сердечников магнитопровода имеет геометрическую форму, описываемую параметрической зависимостью:

и лента для навивки охватывающего о-образного сердечника магнитопровода имеет геометрическую форму, описываемую параметрической зависимостью:

где:

х - длина ленты;

у - ширина ленты относительно продольной оси симметрии;

ϕ - параметр, отображающий приращение полярного угла, соответствующее вращению радиус-вектора при навивке сердечников магнитопровода;

r - радиус скруглений прямых углов поперечного сечения магнитопровода;

а - расстояние по вертикальной оси между центрами двух скруглений прямоугольного поперечного сечения;

b - расстояние по горизонтальной оси между центрами двух скруглений прямоугольного поперечного сечения (а=b, квадратное сечение);

δ - толщина ленты с нанесенной изоляцией;

- длина о-образной линии;

R₁ - приведенный радиус для длины о-образной линии , проходящей через центры двух внутренних скруглений поперечного сечения каждого из двух одинаковых о-образных сердечников магнитопровода;

R₂ - приведенный радиус для длины о-образной линии , охватывающей два одинаковых о-образных сердечника магнитопровода.