Однофазный трансформатор с повышенной нагрузочной способностью Российский патент 2025 года по МПК H01F27/24 H01F27/30 H01F3/00 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к трансформаторостроению, и может быть использовано в различных электротехнических устройствах, связанных с преобразованием величин тока и напряжения.

Известен трансформатор повышающий импульсный, содержащий ферритовый стержень и две последовательно одна за другой расположенные обмотки, разделенные кольцевыми выступами, имеет каркас с закрепленным внутри него ферритовым стержнем и с находящимися на нем двумя обмотками, причем обмотки выполнены проводом одного сечения. (Патент РФ №14788, опубл. 27.08.00)

Известен трансформатор, который состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) с расположенными на нем двумя катушками (обмотками) электрически не связанных между собой. Магнитопровод изготавливают из ферромагнитного материала, а обмотки мотают медными изолированным проводом и размещают на магнитопроводе. Одна обмотка подключается к источнику переменного тока, с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки (http://m-elek.h1n.ru/elektronic/teorie/ere/transformator.html).

Известен трансформатор электрического тока, включающий в себя первичную и вторичную обмотки, каждая из которых состоит по меньшей мере из одной первой катушки (2, 3, 11, 12, 14-16, 18, 19), образованной путем наматывания одного или нескольких сверхпроводящих сверхпроводников на металлической основе, при этом катушка первичной обмотки или вторичной обмотки последовательно соединена по меньшей мере с одной второй катушкой, образованной сплошной сверхпроводящей трубкой, выполненной в виде соленоида (5, 13, 17), при этом указанная вторая катушка расположена коаксиально по отношению к указанной первой катушке и выполняет функцию ограничителя тока. Вторую катушку располагают в участке трансформатора с наиболее слабым магнитным полем. Трубка (6) из металлического сплава с большим удельным сопротивлением расположена коаксиально по отношению к сплошной сверхпроводящей трубке, образующей указанную вторую катушку, и находится в механическом и электрическом контакте с последней, при этом обе трубки выполнены в виде соленоида (Патент №2219607, опубл.20.12.2003).

Известен трансформатор, содержащий первичные обмотки с высокой электропроводимостью, ярма, выполненные из ферромагнитного материала, и вторичные обмотки-сердечники, выполненные из ферромагнитного материала с высокой электропроводимостью, при этом первичные обмотки коаксиально охватывают вторичные обмотки-сердечники, которые, чередуясь с ярмами, соединены в замкнутую магнитную цепь, первичная обмотка также выполнена из ферромагнитного материала (Патент №2444803, опубл. 10.03.2012).

Известен трансформатор, содержащий изолированные магнитопровод, концентрично расположенные первичную и вторичную обмотки, каждая из которых намотана отдельно, образующие две системы, при этом одна из систем содержит магнитопровод, выполненный из ферромагнитного низкоэлектропроводящего материала, включающий вторичную обмотку из ферромагнитного высокоэлектропроводящего материала, а другая система включает первичную обмотку из неферромагнитного высокоэлектропроводящего материала, охватывающую вторичную обмотку (Патент №2320045, опубл. 20.03.2008).

Известен однофазно-однофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем, содержащий две первичные обмотки, размещенные на тороидальной части и сдвинутые в пространстве относительно друг друга под углом 90°, начала которых соединены между собой через фазосдвигающий конденсатор и одну вторичную обмотку, размещенную на сердечнике по диагонали эллиптического вращающегося магнитного поля, создаваемого первичными обмотками, при этом что каждая из первичных концентрических обмоток содержит первую и вторую катушечные группы, состоящие из 3 катушек, уложенных в 24 паза, причем конец первой катушечной группы, каждой из обмоток, соединен с концом второй катушечной группы, начало первой первичной обмотки подключено к первому выводу источника питания и через фазосдвигающий конденсатор с началом второй первичной обмотки, а концы первичных обмоток соединенные между собой и подключены ко второму выводу источника питания, вторичная обмотка имеет две катушечных группы, состоящие из 8 катушек, уложенных в 16 пазах из 24, при этом конец первой катушечной группы соединен с концом второй катушечной группы, начало первой и конец второй катушечных групп являются выводами трансформатора с вращающимся магнитным полем для подключения нагрузки (Патент №2335028, опубл. 27.09.2008).

Известен однофазно-трехфазный трансформатор с вращающимся магнитным полем содержащий две первичные обмотки, размещенные на тороидальной части и сдвинутые в пространстве относительно друг друга под углом 90°, начала которых соединены между собой через фазосдвигающий конденсатор, при этом три вторичные обмотки сдвинуты относительно друг друга под углом 120°, размещены на тороидальной части трансформатора в пазах первичной обмотки (Патент РФ №2417471, опубл. 27.04.2011).

Известен пространственный центрально-симметричный магнитопровод многофазного трансформатора, с n-фазной (n≥3) первичной обмоткой, и m-фазной (m≥1) вторичной обмоткой, выполненный разборным, из электротехнической стали, или из проволок или лент из аморфных и нанокристаллических сплавов на основе железа с добавками других металлов и химических элементов или спеченный из магнитомягких ферритов, или из мелкодисперсных порошков металлов и сплавов и диэлектрического связующего, и содержит центральный кондуктор сферической формы, расположенные вокруг центрального кондуктора, стержни круглого или k-угольного сечения, при k≥3, соединенные одними торцами с центральным кондуктором, а вторыми торцами соединенные с ярмами, функции которых, выполняет наружная оболочка магнитопровода, выполненная составной из частей, броневой сплошной, имеющей окна для подключения проводов к обмоткам трансформатора или каркасной, и имеющей вентиляционные окна и окна для подключения проводов к обмоткам трансформатора, при этом, в собранном виде, магнитопровод удерживается силовым каркасом из композитных диэлектрических материалов, стойких к воздействию высоких и низких температур (Заявка на изобретение №2022123574, опубл. 10.10.2022).

Известен статический обратимый преобразователь, содержащий систему управления и трансформатор с вращающимся магнитным полем, трехфазная обмотка которого подключена к сети переменного тока, а две вторичных многофазных круговых обмотки снабжены реверсивными коммутаторами и подключены к сети постоянного тока, при этом упомянутые реверсивные коммутаторы включаются последовательно, а выход преобразователя на стороне постоянного напряжения оснащается датчиком направления тока (Патент №170077, опубл. 13.04.2017).

Известен трансформатор, содержащий шихтованные внешний и внутренний магнитопроводы, разделенные равномерным воздушным зазором, с расположенными в их полузакрытых пазах соответственно трехфазной и n-фазной с n секциями барабанными равнокатушечными двухслойными обмотками с отводами, при этом оба шихтованных магнитопровода имеют полузакрытые пазы на полную высоту катушечных групп и образуют единую магнитную систему, в которой связь между обмотками осуществляется посредством вращающегося магнитного поля, созданного трехфазной обмоткой, причем число пазов в шихтованных магнитопроводах выбирается одинаковым с нечетным числом, кратных трем, а шлицы зубцов внутреннего магнитопровода на краях трансформатора должны точно совпадать с шлицами зубцов внешнего магнитопровода (Патент №2600571, опубл. 27.10.2016).

За прототип выбран однофазный стержневой трансформатор, имеющий две индуктивно связанные взаимно неподвижные обмотки и предназначенный для преобразования посредством электромагнитной индукции параметров электрической энергии переменного тока (напряжения, тока).

(https://thepresentation.ru/uncategorized/odnofaznyy-transformator)

Основными недостатками известных технических решений являются низкий теплообмен с окружающей средой и сложность изготовления.

Задача - создание конструкции однофазного трансформатора с повышенной эффективностью использования магнитопровода.

Технический результат - улучшение охлаждения магнитопровода и обмоток за счет их конструктивного выполнения с образованием теплоотводящих зазоров и увеличением теплоотводящей площади, возможность использования минимального количества витков и слоев витков в обмотках, возможность изменения коэффициента трансформации, упрощение намотки обмоток.

Технический результат достигается однофазным трансформатором с повышенной нагрузочной способностью, состоящий из магнитопровода, обмоток, изоляции, в котором магнитопровод выполнен в виде геометрически одинаковых элементов из ферромагнитного материала, первая обмотка является единой для всех элементов магнитопровода, элементы магнитопровода пространственно разнесены с жестким креплением на равноудаленном расстоянии друг от друга на каркасе первой обмотки, образуя при этом равномерные теплоотводящие зазоры, при этом элементы магнитопровода электрически изолированы друг от друга электроизоляционным материалом каркаса первой обмотки, первая и вторая обмотки выполнены изолированным электрическим проводом, магнитопровод имеет общее количество n≥2 геометрически одинаковых элементов. Вторая обмотка является единой для всех элементов магнитопровода. Вторая обмотка выполнена на каждом элементе магнитопровода одинаковыми по техническим характеристикам элементами обмотки. Конец обмотки каждого элемента второй обмотки соединен с началом обмотки последующего элемента второй обмотки посредством изолированного электрического провода. Витки первой обмотки охватывают все элементы магнитопровода. Витки первой обмотки охватывают каждый элемент магнитопровода на каждом общем витке или через несколько витков. Витки второй обмотки охватывают каждый элемент магнитопровода на каждом витке или через несколько витков. Количество элементов магнитопровода зависит от коэффициента трансформации и мощности трансформатора. Каркас первой обмотки имеет замкнутую форму. Каркас первой обмотки имеет U-образную форму. Каркас первой обмотки имеет линейную форму. Первая обмотка является первичной, вторая обмотка является вторичной обмоткой. Первая обмотка является вторичной обмоткой, вторая обмотка является первичной обмоткой. Каждый элемент второй обмотки выполнен в виде однослойной намотки. Каждый элемент второй обмотки выполнен в виде многослойной намотки. Первая обмотка выполнена в виде однослойной намотки. Первая обмотка выполнена в виде многослойной намотки. При охвате витками первой обмотки каждого элемента магнитопровода с образованием общего витка, внутри окна магнитопровода размещено меньше провода, чем снаружи. При охвате витками первой обмотки каждого элемента магнитопровода с образованием общего витка, внутри окна магнитопровода размещено больше провода, чем снаружи.

Однофазный трансформатор с повышенной нагрузочной способностью состоит из геометрически одинаковых элементов 1, первой 2 и второй 3 обмоток, каркаса первой обмотки 4, теплоотводящих зазоров 5. Конец обмотки 6 каждого элемента второй обмотки 3 соединен с началом обмотки 7 последующего элемента второй обмотки 3.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид, на фиг. 2 - разрез общего вида, фиг. 3 - каркас первой обмотки имеет U-образную форму, фиг. 4 - каркас первой обмотки имеет линейную форму, фиг. 5 - витки первой обмотки охватывают каждый элемент магнитопровода на каждом общем витке, внутри окна магнитопровода размещено меньше провода, чем снаружи фиг. 6 - витки первой обмотки охватывают каждый элемент магнитопровода через несколько витков, где внутри окна магнитопровода размещено меньше провода, чем снаружи фиг. 7 - витки первой обмотки охватывают каждый элемент магнитопровода на каждом общем витке, где внутри окна магнитопровода размещено больше провода, чем снаружи фиг. 8 - витки первой обмотки охватывают каждый элемент магнитопровода через несколько витков, где внутри окна магнитопровода размещено больше провода, чем снаружи фиг. 9 - витки второй обмотки охватывают каждый элемент магнитопровода на каждом общем витке, где внутри окна магнитопровода размещено меньше провода, чем снаружи фиг. 10 - витки второй обмотки охватывают каждый элемент магнитопровода через несколько витков, где внутри окна магнитопровода размещено меньше провода, чем снаружи фиг. 11 - витки второй обмотки охватывают каждый элемент магнитопровода на каждом общем витке, где внутри окна магнитопровода размещено больше провода, чем снаружи фиг. 12 - витки второй обмотки охватывают каждый элемент магнитопровода через несколько витков, где внутри окна магнитопровода размещено больше провода, чем снаружи.

Разделение магнитопровода на элементы делает магнитопровод и обмотки менее компактными, образуя при этом большую теплоотводящую площадь и теплоотводящие зазоры. Повышается нагрузочная способность и плотность тока за счет улучшения теплоотвода. Элементы магнитопровода электрически изолированы друг от друга материалом каркаса первой обмотки, выполненным из электроизоляционного материала.

Выполнение магнитопровода в виде геометрически одинаковых элементов из одного материала обеспечивает образование равных по площади теплоотводящих зазоров между элементами магнитопровода и увеличивает теплоотводящую площадь.

Общее количество геометрически одинаковых элементов магнитопровода п=2 это минимальное количество, позволяющее изменить коэффициент трансформации, образовать как минимум 2 теплоотводящих зазора и увеличить между ними теплоотводящую площадь.

Общее количество геометрически одинаковых элементов магнитопровода зависит от задачи, которая стоит перед транформатором, т.е. требуемой мощности и коэффициента трансформации.

Основной принцип работы заявленного конструктивного выполнения трансформатара тот же, что и у известных стержневых трансформаторов. Т.е. создаваемый первичной обмоткой переменный магнитный поток, пересекая витки вторичной обмотки, создает в ней ЭДС индукции.

Охват витками первой обмотки каждого элемента магнитопровода при образовании общего витка таким образом, что внутри окна магнитопровода размещено меньше провода, чем снаружи (фиг. 5, 6,) и когда первая обмотка является первичной, позволяет:

- уменьшить ток холостого хода при любом режиме работы трансформатора,

- изменить намагниченность магнитопровода при любом режиме работы трансформатора в сторону увеличения,

- снизить количество витков вторичной обмотки для получения необходимого напряжения, т.е. возможность изменения коэффициента трансформации.

Охват витками первой обмотки каждого элемента магнитопровода при образовании общего витка таким образом, что внутри окна магнитопровода размещено больше провода, чем снаружи (фиг. 7, 8) и когда первая обмотка является вторичной, позволяет

- уменьшить магнитный поток вызываемый противо-ЭДС в магнитопроводе,

- изменить намагниченность магнитопровода при работе трансформатора под нагрузкой и в режиме короткого замыкания в сторону уменьшения,

- позволяет обеспечить, при необходимости, уменьшение сечения магнитопровода и/или изменить коэффициент трансформации.

Выполнение трансформатора в варианте, где витки первой обмотки охватывают все элементы магнитопровода позволяет выполнить трансформатор без изменения коэффициента трансформации.

Выполнение трансформатора в варианте, где витки первой обмотки охватывают каждый элемент магнитопровода на каждом общем витке или через несколько витков позволяет изменить намагничеснность магнитопровода и изменить коэффициент трансформации.

Выполнение трансформатора в варианте, где витки второй обмотки охватывают каждый элемент магнитопровода на каждом витке или через несколько витков (фиг. 9, 10, 11, 12) позволяет также, аналогично первой обмотке, изменить намагниченность магнитопровода и изменить коэффициент трансформации.

Выполнение каркаса первой обмотки замкнутой формы обеспечивает минимальный расход обмоточного провода.

Выполнение каркаса первой обмотки в U-образной форме обеспечивает возможность лучшей изоляции при высоких напряжениях за счет пространственного разноса концов высоковольтной обмотки.

Выполнение каркаса первой обмотки в линейной форме обеспечивает увеличение возможности лучшей изоляции при высоких напряжениях за счет пространственного разноса концов высоковольтной обмотки.

В варианте, где первая обмотка является первичной обмоткой, а вторая обмотка является вторичной обмоткой, при выполнении повышающего трансформатора, позволяет выполнить элементы вторичной обмотки с минимальным количеством слоев, что упрощает технологичность изготовления.

В варианте, где первая обмотка является вторичной обмоткой, а вторая обмотка является первичной обмоткой при выполнении понижающего трансформатора, позволяет выполнить элементы первичной обмотки с минимальным количеством слоев, что упрощает технологичность изготовления.

Выполнение каждого элемента второй или первой обмотки в виде однослойной намотки позволяет упростить технологичность изготовления обмотки.

Выполнение каждого элемента второй или первой обмотки в виде многослойной намотки, при необходимости такого выполнения, дает возможность получить минимальное число слоев за счет предлагаемого конструктивного выполнения трансформатора, что также упрощает технологичность изготовления обмотки.

Пример конкретного выполнения.

Обмотки трансформатора наматывались на каркасы, которые предварительно устанавливались на оправку, предоставляющую доступ к каркасам с одной стороны для укладки провода обмоток и/или для соединения друг с другом заранее намотанных на каркасы элементов обмоток, выполнение которых с минимальным числом слоев возможно без сложного технологического оборудования. Возможность варьирования числом витков и соответственно коэффициентом трансформации, которая имелась за счет разделения магнитопровода на элементы, также облегчала задачу уменьшения числа слоев обмотки и улучшения теплоотдачи.

Каркасы, установленные на оправку располагались так, что между обмотками, и впоследствии устанавливающимися в каркасы элементами магнитопровода, образовывались равномерные теплоотводящие зазоры.

Каркасы выполнялись из электроизоляционного материала, например из силиконовой резины, который обеспечивал требуемую электроизоляцию обмоток от элементов магнитопровода и элементов магнитопровода друг от друга.

Изоляция обмоток и элементов обмоток друг от друга, при недостаточном пространственном разнесении, осуществлялась любым подходящим способом, например изолирующей прокладкой, заливкой теплопроводным электроизолирующим компаундом, последующим заполнением маслом, и т.д.

Затем каркасы с обмотками снимались с оправки, либо вынималась сама оправка, в каркасы устанавливались элементы магнитопровода, производилось крепление элементов трансформатора между собой любым подходящим способом, например скобами, зажимами, заливкой компаундом и т д.

При подключении источника переменного тока к первичной обмотке и подключении нагрузки к вторичной обмотке работа трансформатора в любом из заявленных вариантов, происходила обычным способом в соответствии с законом электромагнитной индукции. В первичной обмотке протекал ток, создающий в обмотке переменное магнитное поле, во вторичной обмотке наводилась ЭДС.

Трансформатор с улучшенным теплоотводом, за счет теплоотводящих зазоров и увеличенной теплоотводящей площади теплоотвода, позволил использовать его в тяжелых условиях эксплуатации при резкопеременной нагрузке и частых режимах короткого замыкания, возникающих, в частности, в сварочных аппаратах, в электрогидроударных и прочих импульсных установках.

Таким образом, заявленное конструктивное выполнение однофазного трансформатора с повышенной нагрузочной способностью обеспечивает улучшение охлаждения магнитопровода и обмоток за счет их конструктивного выполнения с образованием теплоотводящих зазоров и увеличением теплоотводящей площади, возможность использования минимального количества витков и слоев витков в обмотках, возможность изменения коэффициента трансформации, упрощение намотки обмоток.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к трансформаторостроению, и может быть использовано в различных электротехнических устройствах, связанных с преобразованием величин тока и напряжения. Технический результат заключается в улучшении охлаждения магнитопровода и обмоток за счет их конструктивного выполнения с образованием теплоотводящих зазоров и увеличением теплоотводящей площади, возможности использования минимального количества витков и слоев витков в обмотках, возможности изменения коэффициента трансформации, упрощении намотки обмоток. Однофазный трансформатор с повышенной нагрузочной способностью состоит из магнитопровода, двух обмоток. Каркас первой обмотки имеет замкнутую, или U-образную, или линейную форму. Первая обмотка является первичной или вторичной, соответственно, вторая обмотка является вторичной или первичной. Обмотки являются однослойными или многослойными. Магнитопровод выполнен из ферромагнитного материала в виде геометрически одинаковых элементов, имеющих общее количество n≥2 и пространственно разнесенных с жестким креплением на равноудаленное расстояние друг от друга на каркасе первой обмотки, образуя при этом равномерные теплоотводящие зазоры. При этом элементы магнитопровода электрически изолированы друг от друга электроизоляционным материалом каркаса первой обмотки. Количество элементов магнитопровода зависит от коэффициента трансформации и мощности трансформатора. Первая и вторая обмотки выполнены изолированным электрическим проводом. По меньшей мере одна из обмоток выполнена с охватом витками обмотки каждого элемента магнитопровода на каждом общем витке или через несколько витков так, что внутри окна элемента магнитопровода и, соответственно, всего магнитопровода провода размещено меньше или больше, чем снаружи. При этом вторая обмотка выполнена на каждом элементе магнитопровода одинаковыми по техническим характеристикам элементами обмотки. 12 ил.

Однофазный трансформатор с повышенной нагрузочной способностью, состоящий из магнитопровода, двух обмоток, в котором каркас первой обмотки имеет замкнутую, или U-образную, или линейную форму, первая обмотка является первичной или вторичной, соответственно, вторая обмотка является вторичной или первичной, обмотки являются однослойными или многослойными, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен из ферромагнитного материала в виде геометрически одинаковых элементов, имеющих общее количество n≥2 и пространственно разнесенных с жестким креплением на равноудаленное расстояние друг от друга на каркасе первой обмотки, образуя при этом равномерные теплоотводящие зазоры, при этом элементы магнитопровода электрически изолированы друг от друга электроизоляционным материалом каркаса первой обмотки, при этом количество элементов магнитопровода зависит от коэффициента трансформации и мощности трансформатора, первая и вторая обмотки выполнены изолированным электрическим проводом, по меньшей мере одна из обмоток выполнена с охватом витками обмотки каждого элемента магнитопровода на каждом общем витке или через несколько витков так, что внутри окна элемента магнитопровода и, соответственно, всего магнитопровода провода размещено меньше или больше, чем снаружи, при этом вторая обмотка выполнена на каждом элементе магнитопровода одинаковыми по техническим характеристикам элементами обмотки.