ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ СИММЕТРИЧНЫЙ ЛЕНТОЧНЫЙ МАГНИТОПРОВОД С КРУГОВЫМ ПОПЕРЕЧНЫМ СЕЧЕНИЕМ СТЕРЖНЕЙ
SPATIAL SYMMETRICAL TAPE MAGNETIC CORE WITH CIRCULAR CROSS-SECTION OF RODS

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве многофазной магнитной системы электрооборудования, материалом изготовления которой является электротехнический сплав в виде ленты.
Минимизация массы и габаритов преобразовательных устройств является постоянной задачей разработчиков. Независимо от используемой частоты тока минимизация массы и габаритов силовых магнитопроводов трансформаторов и дросселей представляет важную задачу.
Известна конструкция трехфазного магнитопровода, в которой применен набор лент разной ширины [патент РФ 2444801, H01F 3/04, Бюл. №7, 2010] с образованием в поперечном сечении магнитопровода ступенчатого многоугольника. Конструкция сложна в изготовлении. При этом магнитопровод по трем стержням является несимметричным по магнитному потоку, что в некоторых случаях недопустимо для силовых трансформаторов или дросселей.
Известна конструкция магнитопровода с навивкой стержней магнитопровода по отдельности и с последующей сборкой в пространственный магнитопровод: ярмо верхнее, ярмо нижнее, три стержня [патент РФ №2237306, H01F 3/04, 27.07.2004].
Близким к изобретению по технической сущности является трехфазный ленточный магнитопровод, содержащий три ленточных стержня, свернутых цилиндрами, и два ленточных ярма, вместе собранных и скрепленных в пространственный симметричный магнитопровод [патент РФ №2380780, H01F 3/04, 27.01.2010]. Недостатком конструкции является тот факт, что для силовых трансформаторов и дросселей при большой мощности требуется значительная площадь поперечного сечения магнитопровода и, следовательно, значительная масса составных элементов. Закрепление этих массивных элементов при сборке трехфазного пространственного симметричного магнитопровода требует применения набора соответствующих крепежных узлов, что значительно увеличивает общую массу магнитопровода и последующего трансформатора или дросселя. При эксплуатации на подвижных электроустановках такая сборная конструкция, состоящая из массивных элементов, ослабляется в местах крепления из-за появляющихся люфтов и приводит к разрушению магнитопровода и, в целом, к электрической аварии трансформатора или дросселя.
Прототипом является пространственный симметричный ленточный магнитопровод, содержащий три кольцевых О-образных элемента, получаемых навивкой из ленты переменной ширины [авторское свидетельство СССР №734821, H01F 3/04. 27/24, Бюл. №18, 1980]. Недостатком прототипа является необходимость деформации кольцевых О-образных элементов на прессе после навивки так, чтобы две противоположные плоские грани полукругового поперечного сечения каждого кольцевого О-образного элемента образовали между собой угол в 120°. При этом происходит появление гофров на ленте, которые могут надрываться, что недопустимо, поскольку нарушается путь магнитного потока в материале магнитопровода.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является обеспечение возможности бездеформационной сборки магнитопровода.
Указанный технический результат достигается тем, что пространственный симметричный ленточный магнитопровод содержит три одинаковых, выполненных из лент кольцевых О-образных элемента с полукруговыми поперечными сечениями, которые попарно соединены с образованием трех стержней магнитопровода с круговыми поперечными сечениями. Каждый кольцевой О-образный элемент имеет дугообразную поверхность и четыре плоских грани, при этом угол между противолежащими гранями равен 120°, а лента для навивки каждого кольцевого О-образного элемента имеет геометрическую форму, описываемую параметрической зависимостью:
где х - длина развертки ленты по продольной оси;
ϕ - параметр, отображающий приращение полярного угла, соответствующее вращению радиус-вектора при навивке каждого кольцевого О-образного элемента магнитопровода;
ij
y - координата края ленты i-ой зоны j-ой стороны развертки относительно продольной оси;
i
ϕ=ϕ по соответствующим i-ым зонам развертки ленты;
i=1, 2, 3 - индекс соответствия зонам развертки ленты по порядку исполнения развертки и навивки каждого кольцевого О-образного элемента;
j=1, 2 - индекс соответствия верхнему (у>0) и нижнему краям развертки ленты;
- длина срединной осевой линии кольцевого О-образного элемента;
r - радиус полукруговой части поперечного сечения каждого кольцевого О-образного элемента;
δ - толщина ленты с нанесенной изоляцией.
Бездеформационная сборка магнитопровода происходит простым сложением кольцевых О-образных элементов, так как противолежащие плоские грани при навивке получаются уже повернутыми под углом 120° между собой. После наложения бандажа на трех стержнях, образованных попарно составленными кольцевыми О-образными элементами, получаем предельно жесткую и прочную пространственную трехмерную симметричную структуру магнитопровода. Наложение на стержни в последующем обмоток еще больше усиливает конструкцию трансформатора, что повышает, в целом, и эксплуатационную надежность, в том числе и при наличии механических внешних воздействий. При этом минимизируется масса трехфазного трансформатора при заданном уровне мощности, поскольку нет дополнительных крепежных элементов для сборки конструкции.
На фиг. 1 приведено сечение пространственного симметричного ленточного магнитопровода с круговым поперечным сечением стержней бездеформационной сборки.
На фиг. 2 приведено сечение кольцевого О-образного элемента.
На фиг. 3 представлен общий вид кольцевого О-образного элемента.
На фиг. 4 приведена развертка ленты кольцевого О-образного элемента (масштаб по осям разный).
На фиг. 5 показан общий вид пространственного симметричного ленточного магнитопровода без деформационной сборки (в аксонометрии).
Из рассмотрения спирали Архимеда получена параметрическая зависимость для геометрической формы ленты, образующей при навивке кольцевой О-образный элемент с полукруговым поперечным сечением, с противолежащими плоскими гранями, повернутыми под углом 120° между собой (фиг. 2, 3) для бездеформационной сборки пространственного симметричного ленточного магнитопровода с круговым поперечным сечением стержней (фиг. 1, 5):
где х - длина развертки ленты по продольной оси;
ϕ - параметр, отображающий приращение полярного угла, соответствующее вращению радиус-вектора при навивке каждого кольцевого О-образного элемента магнитопровода;
ij
y - ширина i-ой зоны j-ой стороны развертки ленты относительно продольной оси;
i
ϕ=ϕ по соответствующим i-ым зонам развертки ленты;
i=1, 2, 3 - индекс соответствия зонам развертки ленты по порядку исполнения развертки и навивки каждого кольцевого О-образного элемента;
j=1, 2 - индекс соответствия верхнему (у>0) и нижнему краям развертки ленты;
- длина срединной осевой линии кольцевого О-образного элемента;
r - радиус полукруговой части поперечного сечения кольцевого О-образного элемента;
δ - толщина ленты с нанесенной изоляцией.
При простом сложении трех кольцевых О-образных элементов (фиг. 2, 3) в трех стержнях пространственного магнитопровода образуется суммарное круговое поперечное сечение радиусом r (фиг. 1, 5).
Развертка ленты каждого кольцевого О-образного ленточного элемента (фиг. 4) состоит из трех зон, в которых края развертки ленты изменяются по-разному:
1 зона - симметричная развертка относительно продольной оси;
2 зона - монотонное линейное уменьшение ширины ленты в нижней части до нуля;
3 зона - монотонное линейное уменьшение ширины ленты, направленное к верхнему краю развертки и доходящее до нуля на верхнем краю развертки.
Размеры срединной осевой линии  рассчитывают по чертежу кольцевого О-образного элемента (фиг. 3).
Фасонную резку ленты и навивку кольцевого О-образного ленточного элемента осуществляют одновременно, в одном устройстве, после навивки на оправке одного элемента ленту закрепляют точечной сваркой и отрезают.
Просто складывая без деформаций три кольцевых О-образных ленточных элемента (фиг. 2, 3) попарно по плоским граням, получаем пространственную конструкцию (фиг. 1, 5) с образованием круговых поперечных сечений радиусом r в трех стержнях образовавшегося магнитопровода. По распределению магнитных объемов магнитопровод получается симметричным. Наложение бандажа на стержни (и последующих обмоток) делает конструкцию магнитопровода предельно жесткой и прочной без применения дополнительных крепежных узлов.
Предложенная конструкция пространственного симметричного трехфазного магнитопровода с круговым поперечным сечением стержней сообщает силовым трансформаторам и дросселям минимальные массу, габариты и собственное тепловыделение и обеспечивает повышенную ресурсную надежность, что существенно важно, например, для аэрокосмической техники и ракетостроения.