ТРАНСФОРМАТОР
TRANSFORMER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромагнитным трансформаторам.
Известна реактивная катушка без сердечника, обмотка которой выполнена из электропроводящего материала, покрытого ферромагнитной оболочкой и изоляцией (авт. св. №603003, H01F 27/28, 1978). При соединении концов такого провода с полюсами источника электропитания и протекании по нему электрического тока электрический ток наводит магнитное поле, охватывающее этот ток. Магнитное поле полностью замыкается собственной ферромагнитной оболочкой провода, т.к. она имеет невысокое магнитное сопротивление, не выходя в пространство наружной изоляции провода, имеющей высокое магнитное сопротивление. Это значит, что такой провод эквивалентен прямому единичному проводу, индуктивность которого пропорциональна магнитной проводимости среды, охватывающей его, не зависит от формы, взаимного расположения и числа витков обмотки и превосходит индуктивность прямого единичного провода без ферромагнетика в µ раз, где µ - относительная магнитная проницаемость ферромагнетика. Обмотки катушки без сердечника могут быть выполнены из недорогого материала, например полностью из железного провода или другого электропроводящего ферромагнетика, покрытого изоляцией. Так как магнитные поля витков катушки не выходят за пределы провода и не влияют друг на друга, то магнитное потокосцепление обмоток катушки близко к нулю.
При создании электромагнитного трансформатора в него были введены замыкающее ярмо обмотки-сердечника и первичные обмотки из неферромагнитного материала, при этом ферромагнитными должны быть: изоляция обмотки-сердечника из электропроводного ферромагнетика, заполнение зазоров между ее витками, зазоров между этой обмоткой и замыкающим ярмом (патент США №3247476, Кл. 336-177, 1966).
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является трансформатор, содержащий первичные обмотки, выполненные из неферромагнитного материала с высокой электропроводимостью, ярма, выполненные из ферромагнитного материала, и вторичные обмотки-стержни, выполненные из ферромагнитного материала с высокой электропроводимостью. Причем первичные обмотки коаксиально охватывают обмотки-сердечники, которые, чередуясь с ярмами, соединены в замкнутую магнитную цепь. При этом, если сердечник изогнут и образует замкнутое кольцо, наличие ярем необязательно. Совмещение вторичных обмоток с обмотками-сердечниками уменьшило размеры и потери энергии трансформатора в 2,5 раза. Однако каждый виток первичной обмотки связан отдельными магнитными потоками с обмоткой-сердечником и каждым витком вторичной обмотки-сердечника, а между витками первичной обмотки и между витками вторичной обмотки-сердечника такой связи нет. В таксой конструкции магнитные потоки витка первичной обмотки не влияют на витки этой же обмотки. Значит, возможность дальнейшего уменьшения размеров трансформатора и потерь энергии использована не полностью (Вафин Ш.И., Казаков О.В., Казаков В.В., Немцев Г.А. Новые классические трансформаторы с оптимизированной блочной конструкцией. Описание и теоретическое обоснование// Энергетика Татарстана. - Казань, 2008. - №4. - С.77-83 - прототип).
Задачей изобретения является создание трансформатора с уменьшенными габаритами и массой, снижение потерь энергии в обмотках-сердечниках.
Технический результат достигается тем, что в трансформаторе, содержащем 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 обмотки-сердечники, которые, чередуясь с ярмами, соединены в замкнутую магнитную цепь, первичная обмотка выполнена из ферромагнитного материала.
На фиг.1 изображен трансформатор в разрезе, обмотка-сердечник которого имеет горшкообразную форму; на фиг.2 - трансформатор, обмотка-сердечник которого имеет П-образную форму; на фиг.3 - трансформатор, обмотка-сердечник которого замкнут; на фиг.4 - схема подключения; на фиг.5 - трансформатор со скошенными обмотками-сердечниками и ярмами.
Трансформатор содержит первичную обмотку 1 с выводами 2, ярма 3, вторичную обмотку-сердечник 4 с выводами 5, при этом первичная обмотка 1 охватывает коаксиально вторичную обмотку-сердечник 4.
Трансформатор работает следующим образом.
1
2
1
2
2
Выводы 2 первичной обмотки 1 трансформатора, показанные на фиг.4, подключают к выводам источника питания U, а выводы 5 вторичной обмотки-сердечника 4 трансформатора подключают к выводам нагрузки U. Ток I первичной обмотки 1 создает магнитные потоки Ф (фиг.1-3, 5), которые сцепляют каждый виток этой обмотки с замкнутым обмоткой-сердечником, образованным первичной обмоткой 1, ярмом 2 и вторичной обмоткой-сердечником 4, а также с витками вторичной обмотки-сердечника 4, и наводит во вторичной обмотке-сердечнике ЭДС U, обеспечивающей ток нагрузки I. Таким образом, обмотки 1 и 4 трансформатора как и в любом трансформаторе выполняют функцию локального сосредоточения ампер-витков, а обмотка-сердечник обеспечивает локализацию магнитного поля внутри трансформатора и связь между обмотками. Замыкание магнитного потока Ф в конструкции, показанной на фиг.3, происходит условно, т.к. образование одинаковых встречных потоков Ф в обмотках 1 и 4 связано с компенсацией его составляющих, проходящих сквозь слои обмоток.
На фиг.5 показан вариант конструкции трансформатора, обеспечивающий уменьшение магнитного сопротивления сердечника трансформатора.
Таким образом, совмещение обмотками прямых функций и функций сердечников позволяет выполнить трансформатор с меньшими габаритными размерами и весом, чем у аналога. Так как потери энергии любого трансформатора пропорциональны его весу, то полученное уменьшение веса обеспечивает уменьшение этих потерь.
Трансформатор может быть изготовлен следующим образом.
Обмотки трансформатора навиваются в виде коаксиальных рулонов из калиброванной эмалированной ленты АРМКО 20-880. Ярмо трансформатора на фиг.1 может быть изготовлено из феррита 2000НМ или в виде стопки колец электротехнической стали, например марки 3408. Ярмо трансформатора на фиг.2 может быть изготовлено навивкой ленты этого же материала. Трансформатор на фиг.3 может быть изготовлен методом послойного наращивания железа и оксида по технологии разложения пента-карбонила железа и окисления поверхности слоя.
Таким образом, изготовление заявляемого трансформатора является доступным.
Заявляемый трансформатор может применяться в качестве любых силовых и измерительных трансформаторов, используемых в электронной и электротехнической промышленности и в электроэнергетике.