Трансформатор
Трансформатор относится к электротехнике, предназначен для работы в цепях переменного тока промышленной частоты (50-60Гц). Рекомендуемый диапазон мощностей от единиц В·А до десятков кВ·А. Для решения поставленной задачи, направленной на создание трансформатора, в котором были бы совмещены функции электро- и магнитопровода, при этом экономились активные материалы и, следовательно, снижалась стоимость трансформатора в целом, в трансформаторе, содержащем сердечник и катушечные обмотки, намотанные из полос металлической ленты, разделенных изоляцией, сердечник и катушечные обмотки выполнены в виде двух концентрически намотанных систем, сцепленных между собой и расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, а металлическая лента выполнена из многослойного ферромагнитного токопроводящего материала.
Заявляемая полезная модель относится к электротехнике, в частности, трансформаторостроению, преимущественно для работы в цепях переменного тока промышленной частоты (50-60 Гц) и может быть использована также в качестве дросселей, катушек индуктивности и т.п. Рекомендуемый диапазон мощностей от единиц В·А до десятков кВ·А
В таких устройствах обязательно имеются две части: электро- и магнитопровод. Первая часть выполняется в виде катушки, имеющей в каждой секции определенное количество витков. Количество секций в устройстве может быть от одной и более. Первая часть устройства выполняется обычно из материала с высокой электропроводностью (меди, алюминия), имеющего наружную электрическую изоляцию, нанесенную на поверхность или укладываемую в виде отдельного элемента. Форма материала - проволока, лента, шина. Вторая часть - магнитопровод -изготавливается из листов, пластин или лент, выполненных из ферромагнитного материала, служит для проведения магнитного потока, должна иметь заданную суммарную площадь поперечного сечения.
Известны обмотки трансформаторов, выполненные из ленточного проводника, намотанного спирально в виде катушки, охватывающей магнитопровод, (Сергеев Н.П. Справочник молодого сварщика на контактных машинах, М: Высш. шк. 1984, стр.18), а также магнитопровод из ленты, выполненной из электротехнической стали, вматываемой в блок обмоток (Оборудование для контактной сварки: Справочное пособие/ Под
ред. В.В.Смирнова. - СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 2000, стр. 26).
Недостатком указанных конструкций является раздельное использование обмотки и магнитопровода только по одному назначению.
Электротехническая сталь для изготовления обмоток не может быть использована, так как она имеет очень низкую электроповодность. Выполнение самого блока обмоток из материала с высокой электропроводностью (меди, алюминия) приводит к большому расходу активных материалов, которые очень дорогостоящие.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является трансформатор (А.С. СССР №630654, опубл. 30.10.78), в котором катушки обмотки и сердечник трансформатора выполнены в виде двух концентрически намотанных систем, сцепленных между собой и расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, а сами системы намотаны из биметаллической фольги, причем один из слоев биметалла является ферромагнитным, а другой слой выполнен из высокопроводящего материала.
В этом устройстве, по сравнению с предыдущими, совмещены функции электро- и магнитопроводов, т.к. часть электрического тока проходит по обеим частям биметаллической фольги.
Однако это устройство также имеет ограничения в своих возможностях, т.к. его основная цель - компенсация потребляемой трансформатором реактивной мощности, что эффективно при использовании фольги. Однако это ограничивает область использования трансформаторами малой мощности, а стремление к повышению межвитковой емкости за счет уменьшения толщины изоляции снижает допустимое межвитковое (межслоевое) напряжение (вольт на виток). Биметаллическая лента, состоящая из ферромагнитного слоя, например, стали и высокопроводящего слоя меди, ухудшающего магнитные свойства магнитопровода из-за
возникающего магнитного зазора на пути магнитного потока, является дорогостоящей.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание трансформатора, в котором бы совмещались функции электро- и магнитопровода, при этом экономились активные материалы и, следовательно, снижалась стоимость трансформатора в целом.
Поставленная задача решается за счет того, что в трансформаторе, содержащем сердечник и катушечные обмотки, намотанные из полос металлической ленты, разделенных изоляцией, при этом сердечник и катушечные обмотки выполнены в виде двух концентрически намотанных систем, сцепленных между собой и расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, металлическая лента выполнена из многослойного ферромагнитного токопроводящего материала.
Концентрические системы выполнены из многослойной ленты с хорошими магнитными и электропроводными свойствами. Каждая концентрическая система состоит из двух или более секций. Сечение, требуемое для электропроводности, набирается необходимым количеством слоев в многослойной ленте для каждой секции, а требуемое сечение магнитопровода обеспечивается суммарным поперечным сечением всех витков всех секций каждой концентрической системы.
Как и в прототипе, витки секций как внутри системы, так и в трансформаторе в целом, могут коммутироваться параллельно, последовательно, либо подключаться независимо к источнику переменного тока и к нагрузке.
Для снижения потерь на вихревые токи толщину каждого слоя нужно уменьшать, а между слоями располагать тонкий слой изоляции.
Уменьшение толщины каждого слоя также снижает жесткость ленты и облегчает процесс намотки, что особенно важно при выполнении второй концентрической системы, которая вматывается в уже намотанную первую систему.
В случае низкой индукции в системах для снижения габаритов, массы и тепловых потерь часть слоев многослойной ленты может быть выполнена из материала с высокой электропроводностью, например, меди.
Для удобства крепления трансформатора, для облегчения намотки и для большей симметрии магнитного потока, вторая (вматываемая) концентрическая система может быть разбита на две части, каждая из которых охватывает один из двух параллельных стержней второй концентрической системы.
Сущность полезной модели поясняется на чертежах:
фиг.1 - конструкция предлагаемого трансформатора;
фиг.2 - конструкция трансформатора с разбитой на две части второй концентрической системой.
Трансформатор (фиг.1) содержит первую концентрическую систему 1 и вторую концентрическую систему 2, сцепленные между собой, которые намотаны из многослойной ленты 3. Между витками ленты 3 расположена изоляция 4. Каждая концентрическая система состоит из двух (фиг.1) или более секций, имеющих выводы 5, причем одна из секций каждой системы является частью первичной обмотки, которые могут быть соединены между собой последовательно или параллельно. Остальные секции являются в зависимости от соединения (последовательно, параллельно) одной или несколькими вторичными обмотками, при этом каждую из них можно использовать в качестве самостоятельной вторичной обмотки.
При включении первичной обмотки в цепь, по виткам каждой концентрической системы проходит ток, при чем для тока, проходящего по первой концентрической системе, магнитопроводом является вторая концентрическая система, и, наоборот, для тока, проходящего по второй концентрической системе, магнитопроводом является первая концентрическая система.
Благодаря наличию в концентрической системе магнитопровода, в остальных секциях системы индуктируется ЭДС.
При прохождении переменного тока в первичной обмотке в ленте магнитопровода возникают вихревые токи.
Чем меньше толщина слоя ленты, тем меньше величина вихревых токов и тем меньше потери в трансформаторе. Так как магнитопровод в свою очередь является обмоткой трансформатора, для снижения плотности тока, проходящего по ленте, сечение ленты должно быть как можно больше. Для увеличения площади поперечного сечения ленты, при уменьшении толщины ленты, ее делают многослойной и уменьшают толщину каждого слоя.
Поскольку по виткам многослойной ленты проходит электрический ток и магнитный поток, лента выполняется из ферромагнитного материала с хорошей электропроводностью, например, стали марок 0,8кп; 0,8пс; Юпс.
Для увеличения сопротивления вихревым токам слои многослойной ленты могут иметь тонкую изоляцию.
Для удобства конструкции и более симметричного распределения магнитных потоков вторая концентрическая система может быть разбита на две части, каждая из которых охватывает один стержень первой концентрической системы (фиг.2).
Выполнение обмоток из многослойной ленты, состоящей из металла, обладающего одновременно электро- и магнитопроводностью позволяет значительно сократить затраты на материал, а следовательно снизить стоимость всего устройства в целом, а так же снизить массогабаритные параметры и упростить технологию изготовления.
1. Трансформатор, содержащий сердечник и катушечные обмотки, намотанные из полос металлической ленты, разделенных изоляцией, при этом сердечник и катушечные обмотки выполнены в виде двух концентрически намотанных систем, сцепленных между собой и расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, отличающийся тем, что металлическая лента выполнена из многослойного токопроводящего ферромагнитного материала.
2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что между каждым слоем ферромагнитного токопроводящего материала расположен слой электроизоляционного материала.
3. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что часть слоев обмотки выполнена из ферромагнитного токопроводящего материала, а вторая часть слоев обмотки выполнена из материала с высокой электропроводностью.
4. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что одна из двух концентрически намотанных систем разбита на две части и располагается симметрично на двух стержнях второй концентрически намотанной системы.
