ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ ЛЕНТОЧНЫЙ МАГНИТОПРОВОД
SPATIAL TAPE MAGNETIC CIRCUIT

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 трехфазного магнитопровода, в которой применен набор лент разной ширины (патент РФ 2444801, H01F 3/04, 10.03.2012, Бюл. №7) с образованием в поперечном сечении магнитопровода ступенчатого многоугольника с целью уйти от квадратного поперечного сечения стержней для увеличения коэффициента заполнения окна обмоток силовых трансформаторов и дросселей.
Известна конструкция магнитопровода с навивкой стержней магнитопровода по отдельности и с последующей сборкой в пространственный магнитопровод: ярмо верхнее, ярмо нижнее, три стержня (патент РФ №2237306, H01F 3/04, 27.09.2004, Бюл. №27). Трехфазный ленточный магнитопровод содержит три ленточных стержня, свернутых цилиндрами, и два ленточных ярма, вместе собранных и скрепленных в пространственный симметричный магнитопровод, коэффициент заполнения окна обмоток которого равен 1,0 - предельному значению.
Недостатком конструкции является следующее. Для силовых трансформаторов и дросселей большой мощности требуется значительная площадь поперечного сечения магнитопровода и, следовательно, значительная масса составных элементов магнитопровода. Закрепление этих массивных элементов при сборке трехфазного пространственного магнитопровода требует применения набора соответствующих крепежных узлов, что значительно увеличивает общую массу магнитопровода и последующего трансформатора или дросселя. При эксплуатации на подвижных электроустановках такая сборная конструкция, состоящая из массивных элементов, ослабляется в местах крепления из-за появляющихся люфтов и приводит к разрушению магнитопровода и, в целом, к электрической аварии трансформатора или дросселя. Кроме того, наличие многочисленных стыков в магнитопроводе увеличивает потери и уменьшает КПД устройства.
Прототипом предлагаемого изобретения является пространственный симметричный магнитопровод (патент РФ №2380780, H01F 3/04, 27.01.2010, Бюл. №3), содержащий верхнее и нижнее ярма и три стержня, при этом верхнее и нижнее ярма выполнены соединенными друг с другом стержнями с образованием единой бесстыковой конструкции, причем стержни выполнены навитыми с квадратным поперечным сечением и соединены с серединами боковых сторон верхнего и нижнего ярма, выполненных с квадратным поперечным сечением, равным площади квадратного поперечного сечения стержня. Магнитопровод изготавливают навивкой широкой ленты на оправке с последующей вырезкой окон с помощью лазерного или гидравлического (струей жидкости под большим давлением) воздействия.
Недостатком прототипа является квадратное поперечное сечение образующихся стержней со всеми присущими им отрицательными свойствами. С одной стороны, для силовых трансформаторов и дросселей малые радиусы изгибания проводов обмоток на углах стержней уменьшают долговечность изоляции из-за электродинамических нагрузок при коротких сетевых замыканиях при эксплуатации и приводят в конечном итоге к выходу трансформаторов и дросселей из строя. С другой стороны, увеличиваются размеры круговых обмоток (в случае их применения), что увеличивает массу трансформаторов и дросселей. Увеличиваются при этом потери в железе магнитопроводов и в меди обмоток из-за увеличения размерности, тем самым уменьшается КПД устройства.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение КПД устройства с сохранением ресурсной надежности при эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что пространственный ленточный магнитопровод выполнен навивкой из ленты в виде единой бесстыковой пространственной конструкции, содержащей верхнее и нижнее ярма и три стержня, расположенные между ними и под углом 120 градусов между собой, при этом стержни имеют круговое поперечное сечение, а лента для навивки магнитопровода имеет прямоугольные окна переменной длины с постоянной шириной и геометрическую форму, описываемую параметрической зависимостью:
х - длина ленты;
у - ширина ленты и ширина прямоугольных окон в ленте относительно продольной оси;
ϕ - параметр, отображающий приращение полярного угла, соответствующего вращению радиус-вектора при навивке магнитопровода;
- длина срединной осевой линии магнитопровода;
r - радиус кругового поперечного сечения стержней магнитопровода;
а - значение ширины прямоугольных окон в ленте относительно продольной оси;
b - значение ширины ленты относительно продольной оси;
δ - толщина ленты с нанесенной изоляцией;
i
i
A, B - изменяемые составляющие значений параметра ф, соответствующих поперечным кромкам прямоугольных окон в ленте;
i - порядковый индекс витка ленты в каждой половине поперечного сечения относительно срединной осевой линии магнитопровода в направлении навивки.
Верхнее и нижнее ярма могут быть выполнены треугольнообразными в поперечном сечении, а стержни расположены между соответствующими угловыми частями верхнего и нижнего ярма.
При вырезании в широкой ленте прямоугольных окон переменной длины с постоянной шириной в ней образуются перемычки между окнами также переменной длины, из которых при навивке (при наложении слоев ленты друг на друга) образуются стержни с поперечным сечением в виде круга, а из непрерывных краев ленты образуются верхнее и нижнее ярма. При этом конструкция магнитопровода не требует каких-либо сборочных крепежных элементов. Круговое поперечное сечение стержней обеспечивает коэффициент заполнения окна обмоток, равный 1,0 - предельному значению. При этом для заданной площади поперечного сечения стержней уменьшаются размеры и масса обмоток трансформатора и дросселя при сохранении их эксплуатационной надежности в виду отсутствия малых радиусов изгибания проводов. При применении треугольнообразных верхнего и нижнего ярм обеспечивается дополнительное сокращение длины верхнего и нижнего ярма и дополнительное уменьшение массы магнитопровода. Уменьшение массы обмоток и суммарное уменьшение массы магнитопровода приводит к уменьшению в них потерь на тепловыделение. При равных электрических параметрах различных трансформаторов или дросселей и площади поперечного сечения стержней магнитопроводов, масса железа и масса меди минимизируются в предлагаемом изобретении. Уменьшение потерь на тепловыделение, зависящее, в том числе, и от массы, увеличивает КПД трансформатора и дросселя при минимизации массогабаритных параметров с сохранением надежности при длительной эксплуатации.
На фиг. 1 приведен боковой вид пространственного ленточного магнитопровода.
На фиг. 2 показан поперечный разрез пространственного ленточного магнитопровода.
На фиг. 3 показана условная схема развертки ленты для навивки пространственного ленточного магнитопровода (масштаб по осям разный).
На фиг. 4 представлен общий вид в аксонометрии пространственного ленточного магнитопровода с треугольнообразными ярмами.
На фиг. 5 представлен поперечный разрез пространственного ленточного магнитопровода с треугольнообразными ярмами.
Лента шириной 2 b при навивке магнитопровода образует два кольцевых ярма по краям шириной (b - а), соединяемых на каждом витке ленты перемычками между вырезаемых окон, из этих перемычек формируются стержни магнитопровода с круговым поперечным сечением радиусом r; при этом толщина верхнего и нижнего ярма равна 2 r - фиг. 1, 2. Вырезка окон в ленте при навивке магнитопровода проводится до наложения ленты на оправку. При значениях параметра ϕ, соответствующих ширине вырезаемого окна у=0, резка ленты не проводится. При достижении значения параметра ϕ, соответствующего ширине вырезаемого окна у=±а, ведется резка ленты от у=0 до у=а и у=-а и далее вдоль оси х с ростом ϕ ведется резка ленты при у=a и у=-а. С достижением значения параметра ϕ, соответствующего ширине вырезаемого окна вновь у=0, ведется резка ленты от у=а и у=-а до у=0 и далее вдоль оси х с ростом ϕ резка ленты не проводится. Получается перемычка. Так в ленте вырезается прямоугольное окно шириной 2а и переменной длиной Δх(ϕ). Следующий цикл наступает с достижением значения параметра ϕ, вновь соответствующего ширине следующего вырезаемого окна у=±а. Также возможны другие варианты организации вырезки окон в ленте, например, резка с обходом вырезаемого окна по периметру.
Из перемычек между окнами ленты при навивке на оправке образуются три симметрично (под углом 120°) расположенных стержня с круговым поперечным сечением радиусом r (фиг. 2). Из боковых краев ленты непрерывно образуются верхнее и нижнее ярма магнитопровода. Магнитопровод имеет продольную осевую симметрию 3-го порядка, т.е. при повороте на 120° поперечное сечение магнитопровода совмещается само с собой. Это свойство магнитопровода обеспечивает электрическую симметрию трансформатора и дросселя, собранных на его основе, т.е. равенство амплитуд напряжений и токов по фазам. Ширина вырезаемых окон 2а связана с шириной ленты 2b и с радиусом кругового поперечного сечения стержней соотношением  что следует из аналогии с плоским трехфазным магнитопроводом. При этом ширина верхнего и нижнего ярма может быть больше предельного значения, и, в общем случае, даже различной.
Развертка ленты магнитопровода (с окнами переменной длины и постоянной ширины и с перемычками между ними) приведена на фиг. 3 - масштаб по осям разный. Длина развертки ленты при  равна  т.е. равна количеству слоев ленты толщиной 8, помещающихся в поперечном сечении магнитопровода толщиной 2r, умноженному на длину срединной осевой линии магнитопровода  Максимальная длина перемычек между прямоугольными окнами находится в средней части длины развертки и принадлежит слою ленты, проходящему при навивке магнитопровода через центр кругового поперечного сечения каждого стержня в области значений параметра  она равна длине дуги размером 2r плюс малая квадратичная поправка (фиг. 2). Фасонная резка ленты и навивка магнитопровода происходят одновременно, совмещенные в одном устройстве. Резка ленты (достигнутая в промышленности толщина до 20…25 мкм) производится лазерным или гидравлическим (струей жидкости под большим давлением) воздействием, позиционируемым с помощью программируемого привода в двух или одном резаках. После навивки на оправке магнитопровода лента закрепляется точечной сваркой и отрезается. На стержни наматывается электроизоляционный бандаж для заневоливания кругового поперечного сечения.
Навивка магнитопровода осуществляется на оправке, представляющей собой круговой цилиндр или треугольную призму с закругленными ребрами. При использовании оправки в виде кругового цилиндра длина срединной осевой линии  где d - диаметр окружности срединной осевой линии магнитопровода (фиг. 2). При навивке магнитопровода на оправке в виде треугольной призмы образуется магнитопровод, содержащий ярма, треугольнообразные в поперечном сечении, и стержни, расположенные между соответствующими угловыми частями верхнего и нижнего ярма, при этом длина срединной осевой линии  рассчитывается по чертежу магнитопровода (фиг. 5).
Для облегчения вматывания обмоток в магнитопровод на круглых стержнях легко организовать машинное вращение каркаса обмоток, что наглядно видно на объемном изображении магнитопровода - фиг. 4. Для высоковольтных трансформаторов особенно эффективно придание технологического вращения каркасам обмоток на стержнях при намотке вторичных обмоток, содержащих большое число витков тонкого провода.
Пространственный ленточный магнитопровод по предлагаемому изобретению имеет следующие положительные свойства:
- наличие продольной осевой симметрии магнитопровода по стержням и, как следствие, электрической симметрии по фазам трансформатора и дросселя, собранных на его основе;
- абсолютное отсутствие воздушных стыков и потерь на их магнитных сопротивлениях;
- наличие единой силовой несущей конструкции, придающей прочность и надежность трансформаторам и дросселям при эксплуатации;
- предельная минимизация размерности магнитопровода и, как следствие, минимизация массогабаритных параметров трансформатора или дросселя, собранных на его основе;
- уменьшение суммарных тепловых потерь в железе магнитопровода и в меди обмоток трансформатора и дросселя;
- повышение КПД трансформатора и дросселя, собранных на его основе, с сохранением надежности при длительной эксплуатации;
- технологическая возможность облегчения вматывания обмоток трансформатора и дросселя приданием машинного вращения каркасам обмоток, что особенно эффективно для высоковольтных устройств.