МНОГОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР И СПОСОБ ЕГО СБОРКИ
MULTI-PHASE TRANSFORMER AND METHOD OF ITS ASSEMBLY

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в многофазных полупроводниковых преобразователях, например, в выпрямителях, инверторах и преобразователях частоты, а также в электроэнергетических системах для изменения величины и повышения качества переменного напряжения.
Аналогом является, например, многофазный трансформатор (патент РФ №2310939, опубликован 20.11.2007), содержащий внутренний витой кольцевой магнитопровод, выполненный из двух колец равной высоты, склеенных по торцовым не шлифованным поверхностям. На торцовые шлифованные поверхности указанных колец наклеены шихтованные зубцы прямоугольной формы. Два шлифованных с одного торца боковых витых кольцевых магнитопровода примыкают шлифованными торцами к зубцам. Многофазная вторичная обмотка охватывает внутренний магнитопровод и уложена в пазы между зубцами.
Наиболее близок к предлагаемому многофазному трансформатору многофазный трансформатор и способ его сборки (патент РФ №2401470, опубликован 10.10.2010), который содержит средний витой (шихтованный) кольцевой магнитопровод из двух колец равной высоты, шлифованных с одного торца и склеенных по торцовым не шлифованным поверхностям. Шихтованные зубцы прямоугольной формы наклеены на торцовые шлифованные поверхности колец. Каждая фазная обмотка трехфазной первичной обмотки выполнена в виде m/3 катушек. Многофазная вторичная обмотка уложена в пазы между зубцами. Магнитные потоки трансформатора замыкают два боковых витых кольцевых магнитопровода, шлифованных с одного торца, примыкающих этими шлифованными торцами к зубцам. При подаче на первичную обмотку трехфазного напряжения в магнитопроводе многофазного трансформатора возникает вращающееся магнитное поле, которое создает в фазах вторичной обмотки электродвижущую силу, форма которой может быть существенно более близкой к синусоиде, чем форма исходного первичного напряжения.
Недостатком прототипа является неизбежное наличие зазоров в магнитной цепи, так как к среднему шихтованному магнитопроводу со стороны кромок прижимаются шихтованные зубцы, а к зубцам боковые витые магнитопроводы. Все магнитопроводы сопрягаются со стороны кромок листов электротехнической стали, поэтому чтобы избежать контакта и взаимного перекрытия листов и, значит, резкого увеличения потерь на токи Фуко, зазоры необходимы. Элементы магнитопровода соединяются слоем клея, который служит изолятором между элементами магнитопровода и связующим элементом. Однако, соединение с помощью клея не является гарантией отсутствия электрического контакта. Шлифовка торцевых сторон витого магнитопровода приводит к сминанию кромок витков магнитопровода и к возникновению электрического контакта между соседними витками в плоскости шлифования, и увеличению потерь на токи Фуко. Наличие неизбежных зазоров между элементами магнитопровода и токов Фуко в шлифованных поверхностях приводят к снижению к.п.д. и коэффициента мощности прототипа.
Сборочные операции включают операции шлифовки торцевых поверхностей среднего магнитопровода, зубцов и бокового магнитопровода, а также склеивание торцевых поверхностей фрагментов магнитопровода. Это является следствием сложной, не технологичной конструкции прототипа. Следовательно, сборка прототипа требует больших затрат труда и времени, и стоимость прототипа достаточно высока.
Предлагаемое изобретение позволит создать многофазный трансформатор с более высоким к.п.д. и коэффициентом мощности.
Кроме того предлагаемый многофазный трансформатор имеет более простую конструкцию, более технологичный, с более простыми сборочными операциями и, следовательно, более дешевый.
Это достигается тем, что в многофазном трансформаторе, содержащем многофазную первичную обмотку, многофазную вторичную обмотку и шихтованный магнитопровод, шихтованный магнитопровод состоит из внутреннего и внешнего магнитопроводов, внутренний магнитопровод выполнен из штампованных листов электротехнической стали круглой формы двух видов, имеющих одинаковый шихтованный внутренний магнитопровод выполнен из листов двух видов, имеющих одинаковый наружный диаметр и пазы, открытые со стороны наружного периметра, кромки пазов около наружного периметра расширяются под одинаковым углом, причем ширина расширяющейся части паза у листов внутреннего магнитопровода первого вида меньше, чем у листов второго вида, и при наборе в пакет листы внутреннего магнитопровода двух видов в осевом направлении чередуются, а внешний магнитопровод выполнен в виде клиновых вставок двух видов, боковые кромки которых расположены под таким же углом, что и кромки расширяющейся части пазов листов внутреннего магнитопровода, при этом ширина клиновых вставок одного вида соответствует ширине расширяющейся части паза листов внутреннего магнитопровода первого вида, а ширина клиновых вставок другого вида соответствует ширине расширяющейся части паза листов внутреннего магнитопровода второго вида.
При сборке предлагаемого многофазного трансформатора применяется следующий способ: на первом этапе на общую ось собирают в пакет листы внутреннего магнитопровода, причем листы двух видов чередуют в осевом направлении, на втором этапе предварительно намотанные на шаблонах катушки первичной обмотки размещают в пазах собранного пакета внутреннего магнитопровода, на третьем этапе в пазах пакета внутреннего магнитопровода размещают катушки вторичной обмотки и на четвертом этапе при сборке внешнего магнитопровода сначала в открытые пазы листов внутреннего магнитопровода второго вида, имеющих более широкую расширяющуюся часть пазов, устанавливаются большие клиновые вставки внешнего магнитопровода до контакта их боковых кромок с боковыми кромками пазов листов внутреннего магнитопровода, а затем в открытые пазы листов внутреннего магнитопровода первого вида, имеющих более узкую расширяющуюся часть пазов, устанавливаются малые клиновые вставки до контакта их боковых кромок с боковыми кромками пазов листов внутреннего магнитопровода. Предлагаемая конструкция многофазного трансформатора позволяет снизить потери в магнитопроводе на токи Фуко и уменьшить зазоры между элементами магнитопровода, вследствие чего повышается к.п.д. и коэффициент мощности многофазного трансформатора.
При сборке предлагаемого многофазного трансформатора не требуются операции шлифования и склеивания отдельных фрагментов магнитопровода, что снижает затраты труда, времени изготовления, и следовательно, стоимость многофазного трансформатора.
На фиг.1 приведены лист магнитопровода первого вида многофазного трансформатора с открытым пазом со стороны внешнего периметра листа, малая клиновая вставка внешнего магнитопровода и сопряжение листа магнитопровода первого вида с малыми клиновыми вставками. На фиг.2 - лист магнитопровода второго вида с открытым пазом со стороны внешнего периметра листа, большая клиновая вставка и сопряжение листа магнитопровода второго вида с большими клиновыми вставками. На фиг.3 показан нажимной лист пакета магнитопровода. На фиг.4 показан первый этап сборки - сборка пакета магнитопровода. На фиг.5 приведен пакет магнитопровода в сборе. На фиг.6 - пакет магнитопровода с первичной обмоткой многофазного трансформатора. На фиг.7 показан магнитопровод многофазного трансформатора с первичной и вторичной обмоткой, закрепленных в пакете клиньями. На фиг.8 показан многофазный трансформатор после установки в пазах листов магнитопровода второго вида больших клиновых вставок. На фиг.9 показан трансформатор после установки в пазах листов магнитопровода первого вида малых клиновых вставок. На фиг.10 показан многофазный трансформатор в сборе. На фиг.11 показано мгновенное положение силовых линий вращающегося магнитного потока в плоскости листа магнитопровода первого вида с установленными в листе малыми клиновыми вставками.
На фиг.1а показан лист 1 магнитопровода первого вида многофазного трансформатора с открытым пазом со стороны внешнего периметра листа 1, изготовленный из листовой электротехнической стали. Лист 1 имеет двенадцать пазов 2 открытых со стороны наружного периметра. В общем случае число и форма пазов 2 листов 1 магнитопровода многофазного трансформатора может быть различной, как и в других электрических машинах переменного тока [1, с.114]. В верхней части паза 2 в листе 1 имеются выемки 3 треугольной формы, а в центральном отверстии выступ 4. За выемками 3 ближе к наружному периметру пазы 2 расширяются. На фиг.16 показана малая клиновая вставка 5, форма и размеры вставки 5 соответствуют расширяющейся части пазов 2 листа 1 магнитопровода первого вида. Двенадцать малых клиновых вставок 5 установленных в пазах 2 листа 1 магнитопровода замыкают магнитную цепь в плоскости одного листа 1 магнитопровода (фиг.1в).
На фиг.2а показан лист 6 магнитопровода второго вида многофазного трансформатора с открытым пазом со стороны внешнего периметра листа 6, изготовленный из листовой электротехнической стали. Наружный диаметр листа 1 и листа 6 магнитопровода одинаков. Лист 6 имеет такое же число пазов 7, как и число пазов 2 у листа 1 магнитопровода. Пазы 7 открыты со стороны наружного периметра листа 6. В верхней части паза 7 в листе 6 имеются выемки 3 треугольной формы, а в центральном отверстии выступ 4, такие же, как и большого листа 1 магнитопровода. За выемками 3 ближе к наружному периметру пазы 7 расширяются в большей степени, чем пазы 2 у листа 1 магнитопровода. В целом лист 1 и лист 6 магнитопровода отличаются только расширяющейся частью пазов 2 и 7. На фиг.26 показана большая клиновая вставка 8, форма и размеры вставки 8 соответствуют расширяющейся части пазов 7 листа 6 магнитопровода. Площадь большой клиновой вставки 8 превышает площадь малой клиновой вставки 5. Двенадцать больших клиновых вставок 8 установленных в пазах 7 листа 6 магнитопровода замыкают магнитную цепь в плоскости одного листа 6 магнитопровода (фиг.2в).
На фиг.3 показан нажимной лист 9, изготовленный из диэлектрика, например, стеклотекстолита. Нажимной лист 9 имеет пазы 10 с треугольными выемками 3, а в центральном отверстии выступ 4, такие же, как и у листа 1 и листа 6 магнитопровода. Наружный диаметр нажимного листа 8 превышает диаметр листов 1 и 6 магнитопровода. На расстоянии от центра нажимного листа 9, равном радиусу листов 1 и 6, в верхней части пазов 10 нажимного листа 9 выполнены выемки 11 треугольной формы.
Сборка предлагаемого многофазного трансформатора производится в четыре этапа.
На первом этапе сборки собирают пакет магнитопровода из листов 1 и листов 6. Основой магнитопровода является показанная на фиг.4 ось 12, имеющая продольный паз 13 таких же размеров, что и выступ 4 на листе 1, листе 6 магнитопровода и нажимном листе 9. Ось 12 может быть выполнена из любого конструкционного материала, в том числе из стали. При сборке выступы 4 листов 1, 6 и 9 входят в паз 13, и тогда оси пазов 10 нажимного листа 9, оси пазов 2 листа 1 магнитопровода и оси пазов 7 листа 6 магнитопровода в продольном направлении совпадают. Сначала на ось 12 устанавливают нажимной лист 9, затем лист 1 магнитопровода, затем лист 6, снова лист 1, лист 6, лист 1 и так далее, то есть при сборке лист 1 и лист 6 в осевом направлении чередуются. Последним на ось 12 устанавливают второй нажимной лист 9 (фиг.5). В сборке магнитопровода в расширяющейся части пазов 2 и 7 хорошо видны выступающие кромки листов 1, так как в верхней части пазы 2 листов 1 более узкие, чем пазы 7 листов 6.
На втором этапе сборки предлагаемого многофазного трансформатора в пазах 2 и 7 листов 1 и 6 магнитопровода и пазах 10 нажимного листа 9 размещают катушки многофазной первичной обмотки 14 (фиг.6), которая будет создавать вращающееся магнитное поле. Лобовые части первичной обмотки 14 на фиг.6 показаны упрощенно. Катушки первичной обмотки 14 могут быть предварительно намотаны на шаблон, а затем размещены в пазах 2 и 7, либо наматываться непосредственно на пакет магнитопровода. Схема размещения катушек первичной обмотки 14 определяется выбранным числом пар полюсов магнитного поля, числом фаз первичной обмотки 14 и числом пазов 2 и 7 магнитопровода. При выбранном для примера числе пазов 2 и 7 равным двенадцати, числе фаз три и числе пар полюсов равном единице, в пазах можно разместить, например, двухслойную, распределенную трехфазную первичную обмотку 14 с шагом 5/6. Первичная обмотка 14 может иметь не только три фазы, но и две, или любое большее число фаз, которые могут создать вращающееся магнитное поле. Конструкция предлагаемого многофазного трансформатора позволяет разместить в пазах любой вариант схемы многофазной обмотки, которые для машин переменного тока приведены в широко известных источниках, например, [1, с.51-86], для этого нужно предусмотреть соответствующее число пазов 2, 7 и 10 в листах 1 и 6 магнитопровода и нажимном листе 9.
На третьем этапе в пазах 2 и 7 магнитопровода и пазах 10 нажимного листа 9 размещают катушки вторичной обмотки 15 (фиг.7). Также как и для первичной обмотки 14, для вторичной обмотки 15 может быть использованы любые известные схемы обмоток машин переменного тока. Лобовые части вторичной обмотки 15 на фиг.7, также как и лобовые части первичной обмотки 14, показаны упрощенно. После размещения в пазах 2 и 7 первичной обмотки 14 и вторичной обмотки 15, обмотки 14 и 15 фиксируют в пазах с помощью клиньев 16 (фиг.7), которые проходят в треугольные выемки 3 листа 1 магнитопровода, листа 6 и нажимного листа 9.
На четвертом этапе сборки в пазы 7 листов 6 магнитопровода вставляют большие клиновые вставки 8. На фиг.8 видно, что большие вставки 8 вставляют между выступающими кромками листов 1 магнитопровода до контакта боковых сторон вставок 8 с кромками малых листов 6 в расширяющейся части пазов 7. Затем между установленными большими клиновыми вставками 8 в пазы 2 листов 1 магнитопровода устанавливают малые клиновые вставки 5 (фиг.9), полностью замыкая магнитную цепь многофазного трансформатора. После этого собранные элементы многофазного трансформатора фиксируются клиньями 17, которые устанавливаются в выемки 11 в пазах 10 нажимных листов 9 (фиг.10). Сборка многофазного трансформатора закончена. Для фиксации элементов трансформатора в сборке вместо клиньев могут использоваться также либо шпильки, либо хомуты, либо внешний кожух или другие приспособления.
Предлагаемый многофазный трансформатор работает следующим образом: на первичную обмотку 14 подается исходное многофазное (например, трехфазное) напряжение, многофазный ток первичной обмотки 14 создает в магнитопроводе вращающееся магнитное поле. На фиг.11 показано мгновенное положение силовых линий магнитного потока Ф многофазного трансформатора в плоскости листа 1 магнитопровода. Со стороны внешнего периметра магнитный поток Ф замыкается через малые клиновые вставки 5. Так как первичная обмотка 14 выполнена распределенной с укороченным шагом магнитодвижущая сила первичной обмотки 14 и форма магнитного поля будет близка к синусоидальной [1, с.86-108], что проявляется в большей степени при увеличении числа пазов 2 и 7 листа 1 и листа 6 магнитопровода трансформатора. Вращающееся магнитное поле индуцирует в фазах вторичной обмотки 15 э.д.с. Многофазная вторичная обмотка 15 также может быть выполнена распределенной с укороченным шагом, благодаря такому исполнению первичной 14 и вторичной 15 обмоток многофазного трансформатора, на фазах вторичной обмотки 15 можно получить переменное напряжение высокого качества, то есть очень близкое по форме к синусоиде. Число фаз вторичной обмотки 15 может отличаться от числа фаз первичной обмотки 14 и выбирается в зависимости от потребности нагрузки. В прототипе возможно замыкание соседних листов (витков) среднего магнитопровода листами наклеиваемых зубцов, в свою очередь соседние листы зубцов могут быть замкнуты листами среднего магнитопровода, так как средний магнитопровод и зубцы сопрягаются прижиманием друг к другу. Слой клея между зубцами и средним магнитопроводом не гарантирует отсутствие электрического контакта между ними. Аналогичным образом может возникнуть электрическое замыкание соседних листов прижимающихся друг к другу бокового магнитопровода и зубцов. Шлифовка торцевых поверхностей среднего магнитопровода, зубцов и витого магнитопровода, как показывает практика, также приводит к замыканию соседних листов магнитопровода в плоскости шлифования. Вследствие этого в прототипе неизбежно возникновение токов Фуко. В предлагаемом многофазном трансформаторе исключено взаимное замыкание соседних листов одного элемента шихтованного магнитопровода листами другого элемента, так как стыковка большого и малого листов внутреннего магнитопровода с соответствующим сегментом внешнего магнитопровода осуществляется в разных поверхностях, и контакт возможен только двух листов в одной плоскости. Для изготовления элементов магнитопровода предлагаемого многофазного трансформатора не требуется шлифовка. Значит потери на токи Фуко в предлагаемом трансформаторе меньше. В предлагаемом многофазном трансформаторе листы внутреннего и клиновые вставки внешнего магнитопровода стыкуются до контакта и между элементами магнитопровода практически отсутствует технологический зазор. Вследствие этого к.п.д. и коэффициент мощности предлагаемого многофазного трансформатора будет выше, чем у прототипа.
Конструкция предлагаемого многофазного трансформатора проще и более технологична, так как исключается операция шлифовки и склеивание магнитопровода из отдельных фрагментов. Все детали магнитопровода трансформатора изготавливаются наиболее простым и дешевым способом - штамповкой. Следовательно, заявляемый многофазный трансформатор проще по конструкции, более технологичный при изготовлении и более дешевый, чем прототип.
1. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. Часть вторая. Машины переменного тока/Энергия, Ленинградское отделение, 1973, 648 с.