МАГНИТНЫЙ СЕРДЕЧНИК ЭЛЕКТРОИНДУКЦИОННОГО АППАРАТА
MAGNETIC CORE OF EDDY-CURRENT APPARATUS

Изобретение относится к электроиндукционной аппаратуре, преимущественно к преобразовательным трансформаторам и реакторам переменного тока, особенно высокочастотным.
Известны конструкции электроиндукционных аппаратов [Петров Г.Н. Трансформаторы - М., ОНТИ, 1934, 446 с., Патент США №5202664, 1992 г.], магнитный сердечник которых имеет стержни и ярма. Ярма соединяют между собой стержни (по возможности без зазоров), создавая замкнутый контур для протекания электромагнитного потока. Обмотки располагаются на стержнях, на каждую фазу выделяется один стержень, на ярмах обмоток нет. Бронестержневая конструкция сердечника имеет, в отличие от стержневой, дополнительные стержни, на которых тоже обмоток нет. Недостатком данных двух (традиционных) конструкций является то, что стержни проводят поток, создаваемый только данной (одной) фазной обмоткой, причем ярма и дополнительные стержни (пассивные элементы) увеличивают потери, массу и габариты аппарата.
Известны также электроиндукционные аппараты с вращающимся электромагнитным полем [Патент Канады №СА 1231399, 1988 г.; Либкинд М.С. Управляемый реактор с вращающимся магнитным полем. М., Энергия, 1971], отличающиеся наличием единого магнитопровода на все фазы. Однако эти конструкции также имеют значительные потери, массу и габариты.
Наиболее близким по отношению к предлагаемому в заявке устройству является магнитный сердечник трансформатора по патенту США №5317299, 1994 г., который выбран в качестве прототипа. Сердечник выполнен цилиндрической формы и разделен на две части, внешнюю и внутреннюю, каждая со сквозными продольными пазами для прокладки электрических обмоток. Прототип имеет тот недостаток, что пластины внешней части сердечника накладываются на пластины внутренней части только своей зубцовой областью, остальные области магнитного сердечника имеют между пластинами немагнитные полости (зазоры), из-за чего высота цилиндра увеличивается на величину толщины пластин, умноженную на количество пластин (то есть, в два раза), что вызывает увеличение потерь, габаритов и массы трансформатора. Еще одним недостатком прототипа является то, что намотка обмоток может производиться только на собранном сердечнике (вручную).
Целью настоящего изобретения является уменьшение потерь, массы и габаритов электроиндукционного аппарата за счет устранения зазоров между частями (пластинами) его магнитного сердечника, а также улучшение технологичности сборки электроиндукционных аппаратов.
Это достигается тем, что магнитный сердечник, выполненный из ферромагнитного материала в форме цилиндра, имеющего сквозные продольные пазы для прокладки электрических обмоток, образован по меньшей мере двумя цилиндрическими частями, верхней и нижней, при этом верхняя и нижняя цилиндрические части собраны из равного числа конструктивных элементов, представляющих в поперечном разрезе сектор круга и имеющих соответственно две боковые радиальные плоскости, сходящиеся в ось цилиндра. На одной из боковых плоскостей конструктивные элементы имеют вырез для образования сквозных продольных пазов, однако конструктивные элементы верхней и нижней цилиндрических частей имеют вырез на разных плоскостях и накладываются попарно друг на друга со стороны вырезов до их совпадения. При этом оставшиеся свободными поверхности каждой пары конструктивных элементов перекрываются при сборке цилиндра свободными поверхностями других пар.
Предлагаемая конструкция магнитного сердечника может быть дополнена внешней огибающей частью, выполненной в виде полого цилиндра. В случае применения такого сердечника для реактора между внутренней и внешней частями создается немагнитный зазор, величина которого выбирается для получения необходимой величины индуктивности реактора и требуемой линейности его характеристики в заданном диапазоне изменения рабочего тока реактора.
Для пояснения существа предложения на фиг.1а,б,в представлены в плане варианты формы конструктивных элементов (штампованных пластин), из которых набирается магнитный сердечник;
на фиг.2 показан вариант выполнения магнитного сердечника с внешней огибающей частью;
на фиг.3а,б приведен пример конкретной реализации изобретения в трехфазном трансформаторе с тремя вторичными обмотками:
3а - электрическая схема трансформатора;
3б - поперечное сечение трансформатора.
В частном случае трансформатор имеет единый на все фазы магнитный сердечник в форме цилиндра. Такой трансформатор имеет вращающееся магнитное поле в центральной части магнитного сердечника. Цилиндр магнитного сердечника в соответствии с изобретением набирается из некоторого количества, по меньшей мере из двух, цилиндрических частей, верхней и нижней. Каждая цилиндрическая часть, в свою очередь, собирается из конструктивных элементов, представляющих в поперечной разрезе сектор круга и имеющих соответственно две боковые радиальные плоскости, с одной стороны сходящиеся в ось цилиндра. На одной из боковых плоскостей каждого конструктивного элемента имеется вырез. Конструктивные элементы верхней цилиндрической части 1 имеют вырез на правой стороне, а конструктивные элементы нижней части 2 имеют вырез на левой стороне. В процессе сборки элементы верхней 1 и нижней 2 частей перекрываются попарно со стороны вырезов, как показано на фиг.1а, до их совпадения (фиг.1б) и соответственно образования сквозного продольного паза 3 для размещения электрической обмотки. Конструктивные элементы могут быть выполнены монолитными или набираются из листов электротехнической прокатной (изотропной) или анизотропной (динамной) стали или из электромагнитного материала другого типа (в том числе типа альсифера или феррита). Каждая пара конструктивных элементов верхней и нижней цилиндрических частей, образующая сквозной паз, надевается на готовую часть соответствующей обмотки вручную или автоматически, после чего производится сборка магнитного сердечника, в процессе которой оставшиеся свободными поверхности каждой пары конструктивных элементов перекрываются свободными поверхностями других пар. Катушки закладываются в предназначенные для них пазы подобно размещению катушек в пазах магнитопроводов трехфазных электрических машин.
В приведенном примере конкретной реализации представлен вариант трехфазного трансформатора с одной первичной обмоткой и тремя вторичными (фиг.3). На фиг.3б сплошными линиями обозначены конструктивные элементы верхней цилиндрической части магнитного сердечника, а пунктирными - элементы нижней части магнитного сердечника.
Поскольку в собранном таким образом магнитном сердечнике практически отсутствуют зазоры и немагнитные полости, получаются минимальные масса и габариты магнитного сердечника, что позволяет снизить потери, массу и габариты электроиндукционного аппарата в целом и достигнуть поставленной цели изобретения. Данные факторы особенно важны для высокочастотных мощных силовых трансформаторов.
Конструктивные элементы частей магнитного сердечника в представленном виде позволяют собирать электроиндукционные аппараты на уже готовой обмотке, вставляя пластины-сектора 1 и 2 поочередно на соответствующую часть обмотки. Иначе потребовалось бы на уже собранном сердечнике вручную производить намотку катушки, что нетехнологично и трудоемко. Таким образом предлагаемая конструкция магнитного сердечника позволяет улучшить технологичность сборки электроиндукционного аппарата.
Во втором предлагаемом варианте внешняя часть 4 магнитного сердечника также может быть выполнена монолитной или шихтованной в виде полого цилиндра, но, кроме того, может быть выполнена лентой из электромагнитного материала, которая наматывается на внутреннюю часть без зазора (для трансформатора) или с немагнитным зазором (для реактора).
По сравнению с классическим стержневым вариантом предлагаемая конструкция магнитного сердечника позволяет уменьшить массу изделия в 1,5 раза, объем - в 3 раза, потери энергии в 1,5 раза.