ТРЕХФАЗНЫЙ ЛЕНТОЧНЫЙ МАГНИТОПРОВОД С ЭЛЛИПСООБРАЗНЫМ ПОПЕРЕЧНЫМ СЕЧЕНИЕМ
THREE-PHASE TAPE MAGNETIC CONDUCTOR WITH ELLIPSOIDAL CROSS SECTION

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 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. Она очень сложна в изготовлении и коэффициент заполнения окна круглых силовых обмоток не равен 1,0.
Известна конструкция магнитопровода с фасонной резкой ленты при навивке магнитопровода - с линейной зависимостью изменения ширины ленты по ее длине с образованием в поперечном сечении шестигранника или восьмигранника [патент Германии №565421, Н02K 15/02, 1932]. Коэффициент заполнения окна круглых силовых обмоток не равен 1,0.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является трехфазный ленточный магнитопровод, состоящий из двух одинаковых  колец и одного охватывающего их  кольца, выполненных навивкой из лент, и имеющий круглое поперечное сечение [авторское свидетельство СССР №734821, H01F 27/24, Бюл. №18, 1980], коэффициент заполнения окна круглых силовых обмоток равен 1,0.
Недостатком прототипа является тот факт, что для силовых трансформаторов при большой мощности требуется значительная площадь поперечного сечения, и распределение ее в виде круга приводит к увеличению диаметральных габаритов магнитопровода, что в некоторых случаях недопустимо.
Промышленность изготавливает кольцевые ленточные магнитопроводы с прямоугольным поперечным сечением по нормализованным рядам, например, НПО «Гаммамет» (http://www.gammamet.ru). Неразрезная кольцевая конструкция таких магнитопроводов обладает наименьшим тепловыделением. Для повышения ресурсной надежности силовых трансформаторов прямоугольное поперечное сечение силовых магнитопроводов дополняют торцевыми элементами. Это делают для увеличения радиуса сгиба проводов при выполнении силовых обмоток с целью уменьшения импульсных электродинамических нагрузок при возможных коротких замыканиях в сети при эксплуатации. Однако при этом уменьшается коэффициент заполнения окна обмоток электротехническим сплавом магнитопровода, снижается кпд силового трансформатора, его масса и габариты не минимизированы. Указанные недостатки усиливаются при изготовлении трехфазных магнитопроводов.
Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является уменьшение диаметральных габаритов при минимизации массы магнитопровода и сохранении максимального (равного 1,0) коэффициента заполнения поперечного сечения (окна обмоток) силового магнитопровода.
При этом снижается собственное тепловыделение в железе магнитопровода и в меди обмоток и, соответственно, повышается кпд трансформаторов, обеспечивается повышенная ресурсная надежность при функционировании, что существенно важно для аэрокосмической техники и ракетостроения. Кроме того, минимизация собственного тепловыделения уменьшает требования к мощности автономной системы охлаждения, например, космического аппарата.
Указанный технический результат достигается тем, что трехфазный ленточный магнитопровод состоит из двух одинаковых  колец и одного охватывающего их  кольца, выполненных навивкой из лент. Магнитопровод имеет эллипсообразное поперечное сечение. При этом лента для навивки каждого из двух одинаковых  колец магнитопровода имеет геометрическую форму, описываемую параметрической зависимостью:
А лента для навивки охватывающего  кольца магнитопровода имеет геометрическую форму, описываемую параметрической зависимостью:
х - длина ленты;
у - ширина ленты относительно оси продольной симметрии;
ϕ - параметр, отображающий приращение полярного угла, соответствующее вращению радиус-вектора при навивке магнитопровода;
1
l - длина огибающей линии каждого из двух одинаковых  колец магнитопровода;
2
l - длина линии, охватывающей два одинаковых  кольца магнитопровода;
r - радиус полукруговой части эллипсообразного поперечного сечения магнитопровода;
а - расстояние между центрами полукруговых частей эллипсообразного поперечного сечения магнитопровода;
δ - толщина ленты с нанесенной изоляцией.
В результате получаем трехфазный ленточный магнитопровод с эллипсообразным поперечным сечением, который при том же значении площади поперечного сечения имеет меньшие диаметральные габариты, нежели магнитопровод с круговым поперечным сечением. При этом вследствие сохранения коэффициента заполнения окна силовых обмоток, равным 1,0, минимизируется масса магнитопровода и собственное тепловыделение для каждой размерной конфигурации магнитопровода и трансформатора.
На фиг. 1 приведен общий вид и разрез трехфазного ленточного магнитопровода с эллипсообразными поперечным сечением.
На фиг. 2 показано одно из двух одинаковых  колец.
На фиг. 3 приведено охватывающее  кольцо.
Из рассмотрения спирали Архимеда получена параметрическая зависимость для геометрической формы ленты, образующей при навивке каждое из двух одинаковых  колец с поперечным сечением в виде внутренней половины эллипса (фиг. 2):
х - длина ленты;
у - ширина ленты относительно оси продольной симметрии;
ϕ - параметр, отображающий приращение полярного угла, соответствующее вращению радиус-вектора при навивке колец магнитопровода;
1
l - длина огибающей линии каждого из двух одинаковых  колец магнитопровода;
r - радиус полукруговой части эллипсообразного поперечного сечения магнитопровода;
а - расстояние между центрами полукруговых частей эллипсообразного поперечного сечения магнитопровода;
δ - толщина ленты с нанесенной изоляцией.
Аналогично получена параметрическая зависимость для развертки ленты, при навивке образующей охватывающее  кольцо с поперечным сечением в виде внешней половины эллипса (фиг. 3):
х - длина ленты;
у - ширина ленты относительно оси продольной симметрии;
ϕ - параметр, отображающий приращение полярного угла, соответствующее вращению радиус-вектора при навивке кольца магнитопровода;
2
1 - длина линии, охватывающей два одинаковых  кольца магнитопровода;
r - радиус полукруговой части эллипсообразного поперечного сечения магнитопровода;
а - расстояние между центрами полукруговых частей эллипсообразного поперечного сечения магнитопровода;
δ - толщина ленты с нанесенной изоляцией (см. фиг. 1).
Эллипсообразное поперечное сечение трехфазного магнитопровода (фиг. 1) складывается при его сборке из поперечных сечений двух одинаковых  колец (фиг. 2) и охватывающего их  кольца (фиг. 3).
1
1
1
а
Длина развертки ленты каждого из двух одинаковых  колец магнитопровода (при значении параметра ϕ=l/δ) равна количеству слоев ленты толщиной δ, помещающихся в поперечном сечении кольца толщиной r, умноженному на длину огибающей линии l. Максимальная ширина развертки ленты (при том же значении параметра ϕ) равна (+2r), минимальная ширина равна а при ϕ=(l-2πr)/δ. При а=0 лента при навивке образует в поперечном сечении  малого кольца внутреннюю половину круга, радиусом r. Фасонную резку ленты и навивку  малого кольца магнитопровода осуществляют одновременно, в одном устройстве, после навивки на оправке одного кольца ленту закрепляют точечной сваркой и отрезают. Два одинаковых  малых кольца вместе с оправками укрепляют на устройстве для навивки на них охватывающего  большого кольца. Возможна также навивка большого кольца на своей оправке с последующей сборкой и закреплением трехфазного магнитопровода (клеем, лентой).
2
2
2
2
Длина развертки ленты охватывающего  большого кольца при значении параметра ϕ=(l+2πr)/δ равна количеству слоев ленты толщиной δ, помещающихся в поперечном сечении кольца толщиной r, умноженному на длину средней линии l. Максимальная ширина развертки ленты при значении параметра ϕ=l/δ равна (а+2r), и минимальная ширина равна а при ϕ=(l+2πr)/δ, также как и для двух одинаковых  колец. При а=0 лента при навивке образует в поперечном сечении охватывающего  большого кольца внешнюю половину круга, радиусом r. Фасонную резку ленты и навивку охватывающего  большого кольца магнитопровода осуществляют одновременно, в одном устройстве, после навивки кольца ленту закрепляют точечной сваркой и отрезают.
1
2
Размеры огибающей линии l для каждого из малых  колец и охватывающей линии l для большого  кольца рассчитывают по чертежу магнитопровода (см. фиг. 1).
Предложенная конструкция трехфазного ленточного магнитопровода с эллипсообразным поперечным сечением 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.