Шихтованный магнитопровод
STACKED MAGNETIC CORE

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве одно- и многофазной магнитной системы электрооборудования, материалом изготовления которой является листовая электротехническая сталь или 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 реакторов представляет важную задачу.
Известны конструкции шихтованных магнитопроводов, в которых применен набор плоских листовых элементов разной ширины [Бальян Р.Х. - Трансформаторы для радиоэлектроники, М., Радио, 1971, с. 27-29] с образованием в поперечном сечении магнитопровода ступенчатого многоугольника. Они сложны в изготовлении и коэффициент заполнения окна круглых силовых обмоток не равен 1,0.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является магнитопровод [патент РФ 2444801, H01F 3/04, Бюл. №7, 2010], получаемый сборкой пакетов, сложенных из ленточного аморфного ферромагнитного материала, с прямоугольным поперечным сечением разной толщины. Пакеты выполнены симметрично сдвинутыми относительно вертикальной и горизонтальной оси соответственно ярем и стержней и друг друга. Каждый из последующих пакетов выполнен меньшей площади, чем предыдущий и сдвинут на одинаковое расстояние от сторон предыдущего пакета с образованием в поперечном сечении ярем и стержней симметричной многоступенчатой фигуры, углы которой размещены на одинаковом расстоянии от пересечения вертикальной и горизонтальной осей симметрии. Пакеты выполнены толщиной от 1 до 10 мм, толщина входящих в пакеты плоских листовых элементов из лент от 20 до 40 мкм. В поперечном сечении стержней магнитопровода получается многоугольник, вписанный в круг. Однако коэффициент заполнения окна обмоток также не равен 1,0.
Это влечет такие недостатки, как увеличенный размер обмоток трансформатора и ярем магнитопровода, увеличенная масса железа и меди трансформатора, повышенные потери энергии в них и тепловыделение, и все они способствуют уменьшению КПД трансформатора. Кроме того, для силовых трансформаторов при большой мощности требуется значительная площадь поперечного сечения стержней, и распределение ее в виде многоугольников, вписанных в круг, приводит к увеличению габаритов магнитопровода, что в некоторых случаях недопустимо. Кроме того из-за разности длин магнитных силовых линий, проходящих через крайние точки поперечного сечения стержней, происходит неэффективное использование материала магнитопровода.
Задача предлагаемого изобретения заключается в устранении вышеуказанных недостатков посредством уменьшения габаритов при минимизации массы магнитопровода и достижения максимального, равного 1,0, коэффициента заполнения поперечного сечения (окна обмоток) силового магнитопровода. При этом снижается собственное тепловыделение в железе магнитопровода и в меди обмоток трансформатора и, соответственно, повышается КПД трансформатора, обеспечивается повышенная ресурсная надежность при функционировании.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение КПД трансформаторов и реакторов, собранных на магнитопроводах по предлагаемому изобретению.
Указанный технический результат достигается тем, что у шихтованного магнитопровода, собираемого из плоских листовых элементов, все плоские листовые элементы содержат части стержней, а также части верхнего и нижнего ярма (при наличии их у магнитопровода), и вырезаны из листа электротехнической стали или ленты сплава в соответствии с параметрами, относящимися к поперечному сечению стержней собираемого из плоских листовых элементов магнитопровода, изменяющимися по параметрической зависимости для образования эллипсообразного поперечного сечения стержней магнитопровода
х - локальная полуширина поперечного сечения стержня магнитопровода для i-го плоского листового элемента;
у - локальная толщина поперечного сечения стержня магнитопровода для i-го плоского листового элемента;
r - радиус полукруговой части эллипсообразного поперечного сечения магнитопровода;
а
- расстояние между центрами двух полукруговых частей эллипсообразного поперечного сечения стержня магнитопровода;
δ - толщина плоского листового элемента, вырезаемого из листа электротехнической стали или ленты сплава, с нанесенной изоляцией;
i - порядковый номер плоского листового элемента, начиная от одного из крайних слоев.
При сборке магнитопровода при последовательном сложении плоских листовых элементов в результате получаем магнитопровод с эллипсообразным поперечным сечением стержней, который при том же значении площади поперечного сечения стержней имеет меньшие габариты, нежели магнитопровод с многоугольным или круговым поперечным сечением. При этом вследствие сохранения коэффициента заполнения окна силовых обмоток, равным 1,0, минимизируется масса магнитопровода и трансформатора, собранного на его основе, и их собственное тепловыделение для каждой конфигурации магнитопровода и трансформатора, что увеличивает КПД. Увеличению КПД также способствует тот факт, что плоские листовые элементы в сборе образуют магнитопровод без воздушных зазоров, пересекающих магнитные силовые потоки при работе.
У всех плоских листовых элементов магнитопровода часть верхнего или нижнего ярма магнитопровода может быть выполнена отдельно от других частей. В этом случае получаем магнитопривод, состоящий, например, из Ш-образного магнитопровода и одного плоского ярма (при конструктивной необходимости вкладывания готовых обмоток трансформатора на стержни).
На фиг. 1 приведено эллипсообразное поперечное сечение стержня магнитопровода, собираемого из плоских листовых элементов.
На фиг. 2 показаны разные типы шихтованного магнитопровода с эллипсообразным поперечным сечением стержней: а) одностержневой магнитопровод, б) тороидальный, в) двухстержневой, г) трехстержневой.
Эллипсообразное поперечное сечение стержня магнитопровода состоит из двух полукруговых частей радиусом r и прямоугольной части (2 r × а) между ними (фиг. 1). При сборке магнитопровода из плоских листовых элементов, начиная с одного края, постепенно увеличивается толщина сборки, а стержни магнитопровода в своем поперечном сечении набирают сначала первую полукруговую часть, затем прямоугольную часть, и наконец, вторую полукруговую часть. При этом локальная полуширина ±Х поперечного сечения стержня для плоского листового элемента вырезается по заявленной параметрической зависимости.
Количество стержней у магнитопровода может быть разным. На фиг. 2а показан одностержневой магнитопровод. Такие обычно применяют в однофазных высоковольтных трансформаторах малой мощности (для получения кругового поперечного сечения стержня в параметрической зависимости а=0). На фиг. 2б показан тородоидальный магнитопровод, пригодный для сборки однофазных и трехфазных трансформаторов. Двухстержневые и трехстержневые магнитопроводы, показанные на фиг. 2в и 2г, пригодны для сборки однофазных и трехфазных трансформаторов соответственно, они имеют верхнее и нижнее ярма. Для плоских листовых элементов расстояние между осями стержней неизменно, а полуширина ±Х изменяется по заявленной параметрической зависимости.
При последовательной сборке магнитопровода из плоских листовых элементов образуются стержни с эллипсообразным поперечным сечением. Расположение плоских листовых элементов показано на фиг. 2 штриховкой, при этом при толщине S они имеют вид: а) полосы, б) кольца, в) О-образной формы, г) двойной О-образной формы.
Для мощных силовых трансформаторов и реакторов для работы при 50 Гц переменного тока магнитопроводы имеют значительные размеры. Обычно их собирают из полос электротехнической стали. Для меньших мощностей плоские листовые элементы вырубались Ш-образной, П-образной или других форм.
По предлагаемому изобретению плоские листовые элементы вырезаются из поставочного листа электротехнической стали в виде цельного элемента. Вся сборка магнитопровода сводится к последовательному сложению плоских листовых элементов друг на друга, начиная с одного края. Технология резки электротехнической стали отработана. Например, Научно-производственная компания «Рапид» (http://npk-rapid.ru) предлагает лазерные станки с ЧПУ для раскроя тонколистовой и электротехнической стали, с волоконным промышленным лазером IPG мощностью до 1 кВт. Возможна также гидравлическая резка с помощью струи жидкости под большим давлением.
Отсутствие воздушных стыков в каждом плоском листовом элементе приводит в собранном магнитопроводе к уменьшению электромагнитных потерь при работе трансформатора и реактора, собранных на их основе, и к заметному повышению КПД. Кроме того, собранные магнитопроводы обладают жесткой несущей конструкцией.
В некоторых случаях, при необходимости использования готовых обмоток трансформатора, магнитопровод может быть выполнен из плоских листовых элементов, у которых часть верхнего или нижнего ярма магнитопровода выполнена отдельно от других частей. При сборке получаем магнитопровод, состоящий из П-образного или Ш-образного магнитопровода и одного плоского отдельного ярма, но по-прежнему с эллипсообразным поперечным сечением стержней.
Предложенная конструкция шихтованного магнитопровода с эллипсообразным поперечным сечением стержней для силовых трансформаторов и реакторов способствует минимизации массы, габаритов и собственного тепловыделения силовых трансформаторов и реакторов, повышает КПД и обеспечивает повышенную ресурсную надежность, что существенно важно, например, для аэрокосмической техники и ракетостроения. Кроме того, минимизация собственного тепловыделения уменьшает требования к мощности автономной системы охлаждения, например, космического аппарата.