ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ СИММЕТРИЧНЫЙ МАГНИТОПРОВОД
3D SYMMETRICAL MAGNETIC CORE

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве трехфазного или многофазного магнитопровода электрооборудования, материалом изготовления которой является аморфная электротехническая сталь.
Известна конструкция пространственной стыковой магнитной системы, описанной в изобретении, в которой ярма трехфазной магнитной системы выполнены навитыми, а стержни - в виде пластин, поочередно смещенных вдоль стержня так, что примыкают противоположными торцевыми кромками к разным ярмам (а.с. СССР №1274012, БИ, №44, 1986).
Однако такая конструкция за счет наличия немагнитных промежутков между стержнями и ярмам и увеличивает потери в магнитной системы и расход электрической энергии, так как требует увеличения намагничивающего тока и, следовательно, намагничивающей мощности, что существенно снижает технико-экономические показатели устройства, резкие изгибы ферромагнитной ленты на углах создают опасность возникновения повышенных напряжений и тем самым повышение тока намагничивания. В случае выполнения ярем из аморфной электротехнической стали, особо чувствительной к механическим напряжениям, значительно увеличиваются потери в ней, ухудшаются ее магнитные характеристики.
Указанных недостатков лишена конструкция пространственного симметричного магнитопровода, выполненная из аморфного ферромагнитного материала, содержащая верхние и нижние навитые ярма и стержни, при этом верхние и нижние 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 ярем, выполненных с квадратным поперечным сечением равным площади квадратного поперечного сечения стержня, при этом наружные и внутренние ребра нижнего и верхнего ярем выполнены закрученными (пат. РФ №2380780, БИ, №3, 2010).
Однако такая конструкция пространственного симметричного магнитопровода ввиду ограничения ширины выпускаемой в настоящее время промышленностью аморфной ленты не может быть использована в качестве магнитной системы мощных силовых трансформаторов, и ее применение ограничивается трехфазными или многофазными системами небольшой мощности.
Вместе с тем в такой конструкции пространственного симметричного магнитопровода будут иметь место потери на вихревые токи, что снижает энергоэффективность пространственного симметричного магнитопровода, увеличивает ток холостого хода в трансформаторе. Эти потери возникают вследствие того, что в сечении сплошного магнитопровода перпендикулярно магнитному потоку образуется множество замкнутых цепей с индуктируемой в каждой из них ЭДС, по каждой из этих замкнутых цепей протекает вихревой ток (ток Фуко). Величина таких токов в бесстыковой, сплошной конструкции магнитопровода значительна и влечет за собой большие потери мощности на бесполезный нагрев магнитопровода.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является увеличение мощности пространственного симметричного магнитопровода, выполненного из аморфной электротехнической стали, снижение потерь энергии на вихревые токи и тока холостого хода. Увеличение мощности, снижение потерь энергии и тока холостого хода может быть достигнуто за счет конструктивного выполнения элементов пространственного симметричного магнитопровода - ярем и стержней из пакетов прямоугольного сечения, собранных из лент аморфной электротехнической стали. Ширина выпускаемой в настоящее время аморфной ленты допускает возможность формирования из нее пакетов, необходимых для получения заданной мощности электрооборудования с магнитопроводом из аморфной электротехнической стали.
Технический результат достигается тем, что пространственный симметричный магнитопровод, выполненный из аморфного ферромагнитного ленточного материала, содержащий стержни и верхние и нижние ярма, выполнен в виде многогранной конструкции с одинаковыми боковыми гранями с закругленными наружными и внутренними ребрами, а стержни соединены с ярмами вдоль середины боковых граней верхнего и нижнего ярем, при этом стержни соединены с ярмами вдоль середины нечетных боковых граней верхнего и нижнего ярем, ярма и стержни выполнены из собранных из лент пакетов равной толщины с прямоугольным поперечным сечением с симметрично сдвинутыми пакетами стержней относительно вертикальной и горизонтальной осей стержней и друг друга с образованием в поперечном сечении конструкции с ребрами, каждый из пакетов которой меньшей площади, чем предыдущий, и сдвинут на одинаковое расстояние от стороны предыдущего, при этом пакеты стержней, входящих в ярма, выполнены чередующимися между собой и вертикально расположенными короткими и длинными пакетами, площади коротких и площади длинных пакетов выполнены соответственно равными между собой с образованием между короткими и длинными пакетами вертикальных пазов, а ярма выполнены из чередующихся между собой и расположенных горизонтально пакетов, вставленных в пазы между пакетами стержней и вставок ярем, которые размещены между чередующимися горизонтальными пакетами, концы вставок состыкованы с боковыми ребрами стержней, при этом число вставок ярем равно числу фаз магнитопровода, длина горизонтальных пакетов и вставок ярем при приближении к горизонтальной оси симметрии магнитопровода уменьшается, а внешняя и внутренняя поверхность ярем выполнены в виде сплошного пакета, размещенного вдоль наружной и внутренней стороны ярем, и выполнена с возможностью крепления внешнего пакета, при этом пакеты выполнены толщиной от 10 до 15 мм, а толщина лент, входящих в пакеты, от 40 до 50 мкм.
Предложенное конструктивное решение позволит существенно увеличить мощность многофазного силового электрооборудования с магнитопроводом, материалом которого является аморфная электротехническая сталь.
Увеличенная толщина пакетов (от 10 до 15 мм) позволит увеличить мощность силового электрооборудования, в котором может быть использован пространственный симметричный магнитопровод из аморфной электротехнической стали, увеличит коэффициент заполнения магнитопровода (не менее 0,9), а увеличенная толщина ленты из аморфной стали от 40 до 50 мкм за счет оптимального легирования (улучшение стеклования) снизит трудоемкость изготовления как самих пакетов, входящих в состав ярем и стержней, так и самого магнитопровода.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 схематически изображен передний вид предложенного пространственного симметричного магнитопровода (число фаз равно трем), на фиг. 2 - его вид сверху, на фиг. 3 - сечение стержней и ярем по разрезу А-А, на фиг. 4, 5 - вид сбоку и сверху стержня магнитопровода, на фиг. 6, 7 - вид сбоку и сверху горизонтально расположенного пакета верхнего и нижнего ярем магнитопровода, на фиг. 8, 9 - вид сбоку и сверху горизонтально расположенной вставки верхнего и нижнего ярем магнитопровода, а на фиг. 10 представлена аксонометрия пространственного симметричного магнитопровода с разрезами в поперечном сечении одного из стержней и верхних ярем и с частичным разрезом в поперечном сечении другого стержня магнитопровода.
Пространственный симметричный магнитопровод 1, выполненный в виде многогранной конструкцию, включает в себя верхнее ярмо 2, нижнее ярмо 3, стержни 4, горизонтально расположенные длинные пакеты 5 ярем 2, 3 и короткие пакеты 6 ярем 2, 3, вертикально расположенные короткие пакеты 7 стержней 4 и длинные пакеты 8 стержней 4.
Ярма 2, 3 и стержни 4 состоят из собранных в пакеты лент, изготовленных из аморфной электротехнической стали. Пакеты имеют прямоугольное поперечное сечение равной толщины (b) (фиг. 4, 7, 9). Ярма 2, 3 выполнены с квадратным поперечным сечением и состоят из чередующих между собой горизонтально расположенных длинных пакетов 5 и коротких пакетов - вставок 6. Длинные пакеты 5 и короткие пакеты 6 имеют одинаковую ширину, равную (а) (фиг. 3, 6, 8). Длина пакетов 5 и 6 при приближении к вертикальной и горизонтальной оси симметрии пространственного симметричного магнитопровода уменьшается.
Стержни 4 выполнены в виде чередующихся между собой длинных 8 и коротких пакетов 7, при этом все длинные 8 и все короткие пакеты 7 равны между собой, соответственно, и в совокупности образуют пазы 9 для размещения горизонтальных пакетов 5, замыкающихся наложением друг на друга наружных и внутренних прямоугольных выступов 10.
При подключении первичной обмотки трехфазного или многофазного силового трансформатора в сеть в пространственном симметричном магнитопроводе 1 трансформатора возникает основной магнитный поток, создаваемый намагничивающей составляющей первичного тока. Конструктивное решение пространственного симметричного магнитопровода 1 позволяет получить одинаковый магнитный поток во всех стержнях 4 магнитопровода 1. Предложенная конструкция пространственного симметричного магнитопровода позволяет практически снять ограничения по мощности многофазных силовых трансформаторов с магнитопроводом из аморфной электротехнической стали, т.к. допускает любое необходимое количество пакетов заданной толщины (от 10 до 15 мм) из лент этих материалов, в настоящее время выпускаемых промышленностью. Увеличенная же толщина аморфных лент (от 40 до 50 мкм) снижает трудоемкость изготовления пакетов, входящих в состав ярем и стержней магнитопровода, и увеличивает механическую прочность пакетов, и увеличит коэффициент заполнения сечения стержневого пространства магнитным материалом.
Пакеты для изготовления ярем и стержней пространственного симметричного магнитопровода выполняются на основе лент из аморфной электротехнической стали отечественного производства марок 7421, 7411.
Аморфная электротехническая сталь в виде ленты толщиной от 40 до 50 мкм подается с бобины, снабженной регулируемым функциональным тормозом для обеспечения натяжения, на моталку для сматывания полученной ленты в рулон.
Рулон подается на участок формирования пакетов толщиной от 10 до 15 мм для пространственного симметричного магнитопровода. Из полученного рулона на этом этапе лента разматывается, проходит лазерные или гидравлические ножницы, осуществляющие ее разрез в соответствии с заданной величиной, и укладывается на специальный настил.
Из полученных аморфных лент формируются необходимые пакеты для сборки из них ярем и стержней пространственного симметричного магнитопровода. Из набранных необходимых по количеству и размерам пакетов из аморфной электротехнической стали окончательно формируется (шихтуется) пространственный симметричный магнитопровод, на нем устанавливаются бандажи, фиксирующие его форму, после чего он передается на заключительную термическую обработку. После термического и магнитного отжигов и последующего охлаждения, из полученного таким образом магнитопровода, снимается верхнее ярмо, на стержни магнитопровода устанавливаются первичная и вторичная обмотки силового трехфазного (многофазного) трансформатора.
Предложенный пространственный симметричный магнитопровод увеличит мощность силовых многофазных трансформаторов с магнитопроводом из аморфной электротехнической стали, увеличит коэффициент заполнения сечения стержневого пространства магнитным материалом, снизит трудоемкость изготовления магнитопровода, увеличит надежность, упростит технологию его изготовления и тем самым увеличит технико-экономические показатели силового электрооборудования, в котором он будет использован.