Сварочный трансформатор
WELDING TRANSFORMER

Техническое решение относится к электротехнике, в частности к сварочным трансформаторам, и может быть использовано для контактной точечной электросварки в ручном сварочном оборудовании клещевого типа для получения сваркой сеток, каркасов и других изделий из длинномерного металлопроката.
В отношении оборудования для контактной точечной электросварки особый интерес представляют переносные малогабаритные сварочные аппараты клещевого типа - сварочные клещи со встроенным трансформатором, основными функциональными узлами которых является трансформатор и электродно-клещевое приспособление. Переносные аппараты клещевого типа со встроенным трансформатором представляются альтернативой подвесным машинам контактной точечной электросварки, в которых к электродно-клещевому приспособлению (сварочным клещам) ток подводится от внешнего источника питания.
Подвесные машины используют как для ручной сварки, так и в промышленных сварочных роботах, функционирующих в автоматическом режиме. В первом случае в процессе сварки применяют специальные системы подвески, располагаемые рядом со свариваемым изделием или над ним. Подводя электроды к требуемому месту сварки, осуществляют перемещение сварочных клещей, саму же машину предварительно устанавливают в требуемом положении и для получения сварного соединения уже не перемещают. Такие машины обеспечивают возможность сварки разнообразных крупногабаритных изделий из длинномерного металлопроката. Подвесные машины могут создаваться большой мощностью, поскольку сама машина устанавливается с помощью подвесной системы рядом со свариваемым изделием, ее большие габариты и масса не препятствуют непосредственно сварочному процессу, осуществляемому за счет перемещаемого электродно-клещевого приспособления. Однако кроме приведенных достоинств существуют и недостатки. Так, подвесные машины не отличаются высокой производительностью при ручной сварке. В отношении применения их в автоматизированных процессах следует отметить высокую стоимость и сложность оборудования в целом. Кроме того, относительно подвесных машин следует упомянуть о высокой потребляемой мощности по сравнению с аналогичным стационарным оборудованием. Электродно-клещевое приспособление снабжено достаточно длинным кабелем для подвода сварочного тока от источника питания, что обуславливает потери, компенсируемые повышением выходного напряжения сварочного трансформатора.
Сварочный аппарат переносного типа с малыми габаритами и массой, со встраиванием в электродно-клещевое приспособление сварочного трансформатора характеризуется небольшим сварочным контуром и, как следствие, значительно меньшей потребляемой мощностью по сравнению с подвесной машиной при одном и том же сварочном токе. Однако если исходить из потребности в аппарате большой мощности, то его создание потребует больших размеров и, как следствие, массы, что коснется прежде всего трансформатора. В результате производительность такого аппарата будет низка, так как будет весьма затруднительно им работать.
Таким образом, существует техническая проблема в части разработки электросварочных аппаратов, которые будучи с малыми габаритами и массой, экономичными и недорогими, обладая в тоже время высокой мощностью, могли бы обеспечить пользователю широкие возможности, представляя интерес как в бытовой сфере, так и в производственной - как для малых, так и для крупных предприятий. Подход к решению проблемы видится через создание в первую очередь сварочного трансформатора большой мощности, малыми габаритами и массой.
Известен сварочный трансформатор (описание к патенту RU №2262763, МПК: H01F 29/10, 21/06), содержащий магнитопровод, первичные, вторичные обмотки, магнитные шунты, при этом магнитопровод выполнен из стержней и замыкающих их ярм, на каждом стержне расположены первичная и вторичная обмотки, а между ними снаружи магнитопровода - пара магнитных шунтов длиной не менее длины ярм, установленных с обеих сторон магнитопровода с одной и той же величиной зазора между магнитными шунтами и стержнями магнитопровода, регулируемой одновременно с двух сторон, за счет средства перемещения, которым снабжена пара шунтов, состоящего из двух винтов, с правой и левой резьбой, одновременное и синфазное вращение которых обеспечено тем, что один из магнитных шунтов снабжен двумя ходовыми гайками с правой резьбой, а другой - с левой резьбой, а на продолжении винтов расположена пара звездочек с равным числом зубцов, соединенных цепной передачей.
К недостаткам приведенного сварочного трансформатора относятся: повышенные величины индуктивности рассеяния и сопротивления, как следствие, отсутствие возможности увеличения импульсного тока, низкий теплоотвод от внутренних витков обмотки, низкая механическая прочность трансформатора в целом.
Относительно приведенного трансформатора отметим следующие его особенности, обуславливающие отмеченные недостатки.
Трансформатор в основе выполнен традиционным образом. Сначала выполняют обмотки, наматывают их, после чего их устанавливают на магнитопровод. При выполнении обмоток проводник наматывают на каркас и последующую установку обмоток на стержень магнитопровода осуществляют вместе с каркасом. Выполнение приведенного трансформатора, осуществляемого указанным образом, приводит к высокой индуктивности рассеяния, поскольку не позволяет производить максимально эффективное заполнение окна магнитопровода. Кроме того, используемая конструкция магнитопровода в приведенном трансформаторе также приводит к высокой индуктивности рассеяния. Каркас необходим для изоляции обмоток от стержня магнитопровода. При этом каркас занимает достаточно большое пространство в окне магнитопровода. Магнитопровод трансформатора характеризуется угловыми зонами. Наличие угловых зон - источник дополнительных потерь. Следует также отметить, что магнитопровод имеет поперечное сечение прямоугольной формы, и витки обмотки, формируемой на каркасе, характеризуются прямоугольной конфигурацией. Этот геометрический фактор обуславливает высокую величину индуктивности рассеяния и высокое сопротивление.
Отметим также следующее. Для обмоток в подобных трансформаторах чаще всего применяют провода из меди круглого или прямоугольного сечения с высокопрочной эмалевой изоляцией, в некоторых случаях применяют провода с комбинированной изоляцией: с эмалешелковой и с эмалехлопчатобумажной. Такая изоляция повышает электрическую прочность обмоток, но уменьшает коэффициент заполнения окна магнитопровода. Коэффициент заполнения окна показывает, какую часть площади окна занимает чистая медь проводов обмотки, без изоляции. Поскольку кроме изоляции проводов ряды обмоток имеют межслоевую и межобмоточную изоляцию, то все эти виды изоляции занимают значительную часть площади окна и коэффициент заполнения окна медью получается небольшим.
Приведенные особенности выполнения сварочного трансформатора обуславливают не только повышенные индуктивность рассеяния и сопротивление, но и, как следствие, отсутствие возможности увеличения импульсного тока.
Изоляция проводов для получения обмоток, устанавливаемых на стержнях магнитопровода, требует бережного, без значительного натяжения, режима намотки. В таком режиме провод кладут виток к витку с некоторым, небольшим, натяжением, выдерживая угол натяжения, избегая повреждения в результате натяжения изоляционного покрытия. Провод наматывают на каркас, который необходим не только для изоляции обмоток от магнитопровода, но и для удержания их в порядке. Каркас выполнен из прочного, держащего форму материала - плотного картона, фибры, гетинакса, текстолита.
Окно каркаса заполняется пластинами магнитопровода поштучно. После заполнения окна производят стягивание магнитопровода. При этом нельзя исключить вероятности неравномерного и недостаточного стягивания, в особенности это касается стержней магнитопровода, на которых установлены обмотки.
Нельзя не видеть в данном трансформаторе, что в отношении магнитопровода и установленных на него обмоток отсутствует какое-либо взаимодействие, которое способствовало бы улучшению теплоотвода от внутренних рядов витков обмоток.
Таким образом, для трансформатора, как следует из вышеприведенного, также характерно отсутствие теплоотвода от внутренних витков обмотки, низкая механическая прочность, обуславливающая неспособность выдерживать высокие импульсные токи.
В качестве ближайшего аналога выбран сварочный трансформатор (описание к патенту RU №2492976, МПК: В23K 9/00, H01F 19/00), содержащий магнитопровод, первичную, две вторичные обмотки и сервисную обмотку, при этом на магнитопроводе коаксиально расположены первичная и две вторичные обмотки из проводника ленточного типа, изготовленные в виде спиралей Архимеда, состоящих из нескольких токопроводящих слоев фольги, изолированных друг от друга диэлектрическими прокладками, сервисная обмотка, обладающая высоким температурным коэффициентом сопротивления, коаксиально установлена снаружи первичной обмотки, в средней ее части, между вторичными обмотками, намотанными встречно, на одном и том же расстоянии от каждой из них.
К недостаткам ближайшего аналога относятся: повышенные величины индуктивности рассеяния и сопротивления, как следствие, отсутствие возможности увеличения импульсного тока, низкий теплоотвод от внутренних витков обмотки, низкая механическая прочность трансформатора в целом. Причины недостатков обусловлены нижеследующим.
В приведенном трансформаторе получение обмоток на магнитопроводе обеспечивается путем намотки их сначала на каркас, а затем последующей установки обмоток вместе с каркасом на магнитопровод. Высокая индуктивность рассеяния связана с тем, что указанное получение обмоток на магнитопроводе - первичной и вторичных, а также и сервисной - не позволяет максимально эффективно заполнить окно магнитопровода. Каркас необходим для изоляции обмоток от магнитопровода. При этом каркас занимает достаточно большое пространство в окне магнитопровода. Магнитопровод трансформатора характеризуется угловыми зонами. Наличие угловых зон - источник дополнительных потерь. Следует также отметить, что магнитопровод имеет поперечное сечение прямоугольной формы, и витки обмотки, формируемой на каркасе, характеризуются прямоугольной конфигурацией, хотя она и выполнена по принципу спирали Архимеда. Этот геометрический фактор обуславливает как высокую величину индуктивности рассеяния, так и высокое сопротивление.
Обмотки, устанавливаемые на магнитопроводе, получены намоткой проводника ленточного типа, состоящего из нескольких токопроводящих слоев фольги, изолированных друг от друга диэлектрическими прокладками. Намотку таким проводником следует осуществлять в бережном режиме, с некоторым, небольшим, натяжением, выдерживая угол натяжения, избегая повреждения фольги и изоляционной прокладки. Проводник наматывают на каркас, который необходим не только для изоляции обмоток от магнитопровода, но и для удержания их в порядке. Каркас выполнен из прочного, держащего форму материала - плотного картона, фибры, гетинакса, текстолита. Для обмоток применяют фольгу и диэлектрические прокладки. Указанное выполнение обмоток уменьшает коэффициент заполнения окна магнитопровода. Коэффициент заполнения окна показывает, какую часть площади окна занимает чистая медь обмотки, без изоляции. Поскольку кроме изоляции лент фольги друг от друга в обмотках имеется межслоевая и межобмоточная изоляция, то все эти виды изоляции занимают значительную часть площади окна и коэффициент заполнения окна медью получается небольшим.
Приведенные особенности выполнения сварочного трансформатора обуславливают не только повышенные индуктивность рассеяния и сопротивление, но и, как следствие, отсутствие возможности увеличения импульсного тока.
При размещении обмоток на магнитопроводе окно каркаса, как правило, заполняется пластинами магнитопровода поштучно. После заполнения окна производят стягивание магнитопровода. При этом нельзя исключить вероятности неравномерного и недостаточного стягивания, в особенности это касается стержня магнитопровода, на котором установлены обмотки.
Кроме того, при этом в отношении магнитопровода и установленных на него обмоток с каркасом отсутствует какое-либо взаимодействие, которое способствовало бы улучшению теплоотвода от внутренних рядов витков обмоток.
Таким образом, для трансформатора, как следует из вышеприведенного, также характерно отсутствие теплоотвода от внутренних витков обмотки, низкая механическая прочность, приводящая к неспособности выдерживать высокие импульсные токи.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение технической проблемы создания экономичного сварочного трансформатора с широкими возможностями для потенциальных потребителей, большой мощности, малыми габаритами и массой.
Техническим результатом является:
- уменьшение индуктивности рассеяния;
- снижение сопротивления провода;
- увеличение импульсного тока;
- улучшение теплоотвода от внутренних витков обмотки;
- повышение механической прочности конструкции трансформатора.
Технический результат достигается сварочным трансформатором, содержащим магнитопровод, первичную, вторичные обмотки, с выполнением вторичных обмоток в виде спирали Архимеда из проводника ленточного типа, намотанными встречно друг к другу, в котором выполнены вторая первичная обмотка, токопроводящие жесткие пластинчатые перемычки, жесткие токовыводящие шины, использован магнитопровод, характеризующийся поперечным сечением ступенчатой формы по фигуре, близкой к эллипсу или кругу, на его участках, соответствующих стержням, обе первичные обмотки установлены бескаркасной намоткой проводника с натяжением на каждый участок магнитопровода, соответствующий стержню, оказывая стягивающее усилие на магнитопровод, на каждую первичную обмотку установлена одна вторичная обмотка или две вторичные обмотки бескаркасной намоткой проводника с натяжением, максимально покрывая первичную обмотку, обмотки выполнены из алюминиевого проводника с керамической изоляцией, магнитопровод с обмотками расположен между токовыводящими шинами, первичные обмотки одними концами соединены последовательно, концы вторичных обмоток соединены с токовыводящими шинами, стягивая шины друг к другу с возможностью возникновения механического контакта шин с вторичными обмотками, при этом внешние концы вторичных обмоток жестко соединены с первой токовыводящей шиной, внутренние концы вторичных обмоток жестко соединены посредством токопроводящих пластинчатых перемычек со второй токовыводящей шиной за счет того, что каждая пластинчатая перемычка соединена с проводником ленточного типа по длинному краю с возможностью примыкания к короткому краю - началу обмотки, расположена параллельно плоскости кривой намотки витков и соединена со второй токовыводящей шиной.
В трансформаторе токовыводящие шины, с которыми соединены концы вторичных обмоток, стягивая шины друг к другу с возможностью возникновения механического контакта с вторичными обмотками, установлены параллельно относительно друг друга, а каждая пластинчатая перемычка сформирована из пластины прямоугольной формы, две стороны которой по длине равны расстоянию от оси вторичной обмотки до внешней поверхности вторичной обмотки в направлении нормали к плоскости второй токовыводящей шины, а две другие стороны по длине равны расстоянию от оси вторичной обмотки до внешней поверхности вторичной обмотки в направлении, параллельном плоскости второй токовыводящей шины, в пластине напротив одного из углов между двумя смежными сторонами выполнен криволинейный вырез с кривизной, соответствующей кривизне поверхности первого витка вторичной обмотки, которая задана поверхностью первичной обмотки, покрываемой первым витком вторичной обмотки, с образованием прямых участков на пластинчатой перемычке, примыкающих к криволинейному вырезу, равных по длине толщине вторичной обмотки, по криволинейному вырезу пластинчатой перемычки она жестко соединена с проводником ленточного типа по длинному краю с возможностью примыкания к короткому краю - началу обмотки, располагаемому в плоскости, в которой расположена нормаль в направлении от оси вторичной обмотки к плоскости второй токовыводящей шины, пластинчатая перемычка жестко соединена со второй токовыводящей шиной прямой стороной, равной по длине расстоянию от оси вторичной обмотки до внешней поверхности вторичной обмотки в направлении, параллельном плоскости второй токовыводящей шины.
В трансформаторе при расположении магнитопровода с обмотками между токовыводящими шинами и соединении концов вторичных обмоток с токовыводящими шинами, стягивая шины друг к другу с возможностью возникновения механического контакта с вторичными обмотками, при котором внешние концы вторичных обмоток жестко соединены с первой токовыводящей шиной, внешние концы вторичных обмоток приведены в механический контакт друг с другом за счет расположения на концевых участках проводника ленточного типа вторичных обмоток перпендикулярно плоскости токовыводящей шины и расположения вторичных обмоток относительно друг друга с возможностью приведения их в механический контакт.
В трансформаторе токовыводящие шины, с которыми соединены концы вторичных обмоток, выполнены из алюминия.
В трансформаторе вторые концы первичной обмотки оформлены выводами.
В трансформаторе токопроводящие пластинчатые перемычки выполнены из алюминия и покрыты керамической изоляцией.
2
В трансформаторе каждая из первичных обмоток выполнена из алюминиевого проводника с керамической изоляцией, полученной оксидированием, сечением 2,9×1,9 мм с учетом керамической изоляции, толщина керамической изоляции равна 80 мкм, в каждой первичной обмотке выполнено семь слоев, в каждом слое намотано 27 витков, виток к витку, плотно с натяжением.
2
В трансформаторе при установке на каждую первичную обмотку по одной вторичной обмотке вторичная обмотка выполнена из алюминиевого проводника с керамической изоляцией, полученной оксидированием, сечением 80×3 мм с учетом керамической изоляции, с толщиной керамической изоляции 80 мкм, с четырьмя витками, расположенными друг на друге, намотанными плотно с натяжением.
В трансформаторе при установке на каждую первичную обмотку по две вторичные обмотки использованы половина вторичных обмоток, намотанных в одном направлении, половина обмоток, намотанных в противоположном направлении, вторичные обмотки, установленные на разные первичные обмотки, намотаны встречно друг к другу, установленные на одну и ту же первичную обмотку вторичные обмотки выполнены одинаково, с одним и тем же направлением намотки, вторичная обмотка на каждой из первичных обмоток намотана из алюминиевого проводника с керамической изоляцией, полученной оксидированием, сечением 40×3 мм с учетом керамической изоляции, с толщиной керамической изоляции 80 мкм, с четырьмя витками, расположенными друг на друге, намотанными плотно с натяжением.
В трансформаторе магнитопровод, характеризующийся поперечным сечением ступенчатой формы по фигуре, близкой к эллипсу или кругу, на его участках, соответствующих стержням, собран из пакета стальных полос индивидуальной длиной, примыкающих друг к другу, с расположением длинных сторон в одном и том же направлении - продольном направлении, которые распределены на два блока с образованием уложенными полосами в блоке его поперечного сечения в форме половины фигуры, близкой к эллипсу или кругу, поперечного сечения магнитопровода на его участках, соответствующих стержням, каждый блок набран из М субпакетов с М≥2, в каждом субпакете выполнено N полос с N≥1 одинаковой ширины, ширина полос разных субпакетов одного и того же блока - разная, субпакеты с полосами наибольшей ширины расположены в середине пакета, субпакеты в блоках расположены относительно друг друга с соблюдением уменьшения ширины их полос в направлении от середины пакета к его краю, которое перпендикулярно направлению расположения длинных сторон полос, с получением блоков в пакетах, характеризующихся поперечными сечениями на участке пакета, соответствующем стержню, симметричными относительно плоскости, проходящей через центр пакета и параллельной поверхности полос, с получением на двух участках пакета, соответствующих стержням, поперечного сечения магнитопровода ступенчатой формы, приближающейся по фигуре к эллипсу или кругу, длина каждой полосы в пакете и расположение полос относительно друг друга в продольном направлении выбраны с возможностью обеспечения плотного огибания магнитопроводом установленных на участки, соответствующие стержням, обмоток, полосы магнитопровода соединены стык в стык с достижением огибания магнитопроводом предварительно установленных обмоток, соединения полос реализованы на одном из участков магнитопровода, выполняющем функцию ярма, соединение концов стык в стык реализовано с локализацией соединения концов соответствующих полос относительно соединений концов ближайших соседних соответствующих полос в разных местах.
В трансформаторе магнитопровод, характеризующийся поперечным сечением ступенчатой формы по фигуре, близкой к эллипсу или кругу, на его участках, соответствующих стержням, собран из двух идентичных пакетов стальных полос индивидуальной длиной, примыкающих друг к другу, с расположением длинных сторон в одном и том же направлении - продольном направлении, в каждом пакете полосы распределены на два блока с образованием уложенными полосами в блоке его поперечного сечения в форме половины фигуры, близкой к эллипсу или кругу, поперечного сечения магнитопровода на его участке, соответствующем стержню, каждый блок набран из М субпакетов с М≥2, в каждом субпакете выполнено N полос с N≥1 одинаковой ширины, ширина полос разных субпакетов одного и того же блока - разная, субпакеты с полосами наибольшей ширины расположены в середине пакета, субпакеты в блоках расположены относительно друг друга с соблюдением уменьшения ширины их полос в направлении от середины пакета к его краю, которое перпендикулярно направлению расположения длинных сторон полос, с получением блоков в пакетах, характеризующихся поперечными сечениями на участке пакета, соответствующем стержню, симметричными относительно плоскости, проходящей через центр пакета и параллельной поверхности полос, с получением на участке пакета, соответствующем стержню, поперечного сечения магнитопровода ступенчатой формы, приближающейся по фигуре к эллипсу или кругу, длина каждой полосы в пакете и расположение полос относительно друг друга в продольном направлении выбраны с возможностью обеспечения плотного огибания магнитопроводом установленных на участки, соответствующие стержням, обмоток, полосы пакетов магнитопровода соединены стык в стык с достижением огибания магнитопроводом предварительно установленных обмоток на каждый стержень магнитопровода каждого пакета, соединения полос реализованы на двух участках магнитопровода, выполняющих функцию ярм, соединение концов стык в стык реализовано с локализацией соединения концов соответствующих полос из пакетов относительно соединений концов ближайших соседних соответствующих полос из пакетов в разных местах.
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.
На Фиг. 1 показан предлагаемый сварочный трансформатор, где: 1 - магнитопровод; 2 - первичная обмотка; 3 - вторичная обмотка; 4 - пластинчатая перемычка; 5 - первая токовыводящая шина; 6 - вторая токовыводящая шина.
На Фиг. 2 показан сварочный трансформатор - а) сверху, со стороны второй токовыводящей шины, б) спереди, со стороны магнитопровода, где: 1 - магнитопровод; 2 - первичная обмотка; 3 - вторичная обмотка; 4 - пластинчатая перемычка; 5 - первая токовыводящая шина; 6 - вторая токовыводящая шина.
На Фиг. 3 сварочный трансформатор, в котором на каждую первичную обмотку установлены две вторичные обмотки, показан в разрезе, демонстрирующем внутреннее расположение между токовыводящими шинами магнитопровода, обмоток, концевых участков проводника ленточного типа вторичных обмоток, пластинчатых перемычек, соединение внешних концов вторичных обмоток, намотанных встречно, расположенных на разных первичных обмотках, с первой токовыводящей шиной - а), а также показан в разрезе, демонстрирующем расположение концевых участков проводника ленточного типа вторичных обмоток, которые расположены на одной и той же первичной обмотке, соединение их внешних концов с первой токовыводящей шиной, расположение между токовыводящими шинами и соединение пластинчатых перемычек, связанных с внутренними концами вторичных обмоток, со второй токовыводящей шиной, где: 1 - магнитопровод; 2 - первичная обмотка; 3 - вторичная обмотка; 4 - пластинчатая перемычка; 5 - первая токовыводящая шина; 6 - вторая токовыводящая шина.
На Фиг. 4 показан сварочный трансформатор при отсутствии магнитопровода, в заднем виде, демонстрирующем выполнение пластинчатых перемычек, где: 2 - первичная обмотка; 3 - вторичная обмотка; 4 - пластинчатая перемычка; 5 - первая токовыводящая шина; 6 - вторая токовыводящая шина.
На Фиг. 5 приведена принципиальная электрическая схема сварочного трансформатора при выполнении на каждой первичной обмотке по две вторичных обмотки.
Как известно, индуктивностью рассеяния является индуктивность, связанная с потерями потока первичной обмотки при сцеплении со вторичной обмоткой. Величина индуктивности рассеяния определяется конструкцией трансформатора. При этом существенное значение имеет тип магнитопровода, расположение обмоток, их секционирование, способы намотки.
Первичная обмотка при функционировании трансформатора создает магнитный поток, концентрируемый в магнитопроводе, связывающий собой первичную и вторичную обмотки. При этом магнитный поток замыкается по двум различным путям. Во-первых, через магнитопровод, с концентрацией большей части магнитного потока в нем. Эта часть магнитного потока, порождаемая первичной обмоткой, замыкается вторичной. Во-вторых, в обход магнитопровода, через окно магнитопровода, как результат его недостаточно эффективного заполнения. Эта часть магнитного потока, порождаемая первичной обмоткой, не замыкается вторичной обмоткой. Возникают потери магнитного потока, порождаемого первичной обмоткой - индуктивность рассеяния.
В целях снижения индуктивности рассеяния в предлагаемом трансформаторе обмотки установлены бескаркасной намоткой проводника в отличие от вышеприведенных известных решений, в которых обмотки установлены на магнитопроводе вместе с каркасом, с применением для обмоток проводников с изоляцией, с применением межслоевой и межобмоточной изоляции, что снижает эффективность заполнения окна магнитопровода и обуславливает возникновение индуктивности рассеяния, так как приводит к потерям магнитного потока, порождаемого первичной обмоткой. Обмотки, сначала первичную, затем расположенную на первичной вторичную, устанавливают на каждый участок магнитопровода, соответствующий стержню, посредством намотки. Наматывают на стержень проводник с натяжением и с возможностью оказания на магнитопровод стягивающего усилия. В качестве проводника использован проводник из алюминия, покрытый керамической изоляцией, ленточного типа, с прямоугольным сечением. В трансформаторе осуществляется установка на каждую первичную обмотку одной вторичной обмотки или двух вторичных обмоток бескаркасной намоткой проводника ленточного типа, с натяжением, по принципу спирали Архимеда, при этом одной или двумя обмотками максимально покрывая первичную обмотку. Перечисленным существенно повышается коэффициент заполнения окна магнитопровода. Коэффициент заполнения окна показывает, какую часть площади окна занимает непосредственно проводящий материал проводника обмотки. Чем большую площадь занимает проводящий материал обмотки, тем меньше потери магнитного потока и меньше величина индуктивности рассеяния.
2
2
рассеяния
1
2
1
2
Индуктивность рассеяния зависит от размеров (q) трансформатора, квадрата отношения количества витков в обмотках (N), геометрического параметра (k) трансформатора, так L~qNk. Геометрический параметр (k) зависит от типа и конструкции магнитопровода и его характеристик, от конструкции и технологии изготовления обмоток. Для круглой катушки k=[Δ+(b+b)/3]/h, где b, b - толщины первичной и вторичной обмоток, Δ - расстояние между обмотками, h - высота катушки. За счет плотной укладки провода уменьшается общий размер катушки и геометрический параметр.
В предлагаемом трансформаторе использован магнитопровод, характеризующийся поперечным сечением ступенчатой формы по фигуре, близкой к эллипсу или кругу, на его участках, соответствующих стержням.
Кроме достижения снижения индуктивности рассеяния, достигается снижение сопротивления проводника.
При использовании в известных трансформаторах магнитопроводов с поперечным сечением прямоугольной формы витки обмоток также имеют прямоугольную форму. В предлагаемом трансформаторе витки бескаркасных обмоток выполнены округлой формы. Это обеспечивает снижение сопротивления следующим образом.
Сравнивая магнитопровод, характеризующийся поперечным сечением прямоугольной формы, в частности квадратной (в предельном случае) с размером стороны 2R, в известном аналоге, и магнитопровод ступенчатой формы по фигуре, близкой кругу (в предельном случае) диаметром 2R, в предлагаемом решении, можно видеть, что проводник на витке квадратной формы длиннее, чем на витке круглой формы. Укорачивание проводника на витке за счет круглой формы в сочетании с отсутствием каркаса позволяет снизить и его сопротивление на витке. Соответственно, сопротивление в случае магнитопровода, который использован в предлагаемом трансформаторе, будет меньше. Эти же самые рассуждения будут уместны в случае прямоугольного сечения для известного решения и, соответственно, сечения ступенчатой формы по фигуре, близкой к эллипсу, для предлагаемого решения.
Поскольку снижение индуктивности рассеяния и сопротивления приводит к повышению импульсного тока сварочного трансформатора, то рассмотренные конструктивные особенности выполнения трансформатора влияют на увеличение импульсного тока.
Кроме того, в предлагаемом трансформаторе, как уже указывалось, обмотки, первичная и вторичная, установлены посредством намотки на каждый участок, соответствующий стержню. Использована бескаркасная намотка и установка обмоток с намоткой проводника относительно пакета магнитопровода. Проводник наматывают с натяжением и с возможностью оказания на магнитопровод стягивающего усилия. Такое выполнение, без использования каркаса и с натяжением, приводит к улучшению теплоотвода от внутренних рядов обмоток, поскольку улучшается тепловой контакт.
Установка обмоток, первичной и вторичной, без получения их путем предварительного наматывания проводника на оправку с каркасом, с получением их непосредственно при установке в процессе бескаркасной намотки на каждый участок, соответствующий стержню, проводника с натяжением и с возможностью оказания на магнитопровод стягивающего усилия возможно при наличии на проводнике соответствующей изоляции. К такой изоляции относится керамическая изоляция, которая не течет со временем от давления. Изоляция, применяемая для традиционных медных проводов, подвержена текучести со временем. Поэтому в целях улучшения теплоотвода от внутренних рядов обмоток используют проводник с керамической изоляцией. Наличие керамического покрытия, выполняющего функцию изоляции на проводнике, из которого намотаны обмотки, позволяет использовать максимально плотную намотку, без необходимости формирования каналов для охлаждения. Покрытие обладает хорошей теплопроводностью, обеспечивая хороший теплоотвод через намотанные слои от внутренних областей.
Наконец, относительно повышения механической прочности предлагаемого трансформатора, что позволяет ему выдерживать высокие импульсные токи при эксплуатации.
Повышенную механическую прочность конструкции придают следующие особенности. Для предлагаемого трансформатора, в отличие от известных, характерно наличие жестких токопроводящих шин, наличие жестких токопроводящих перемычек. Обмотки выполнены с натяжением проводника, с оказанием на магнитопровод стягивающего усилия. Намотка вторичных обмоток при расположении их на первичных произведена с натяжением проводника. Вторичные обмотки намотаны встречно друг к другу. Осуществлена установка на каждую первичную обмотку одной вторичной обмотки или двух вторичных обмоток бескаркасной намоткой проводника ленточного типа, с натяжением, по принципу спирали Архимеда, при этом одной или двумя обмотками максимально покрывая первичную обмотку. В трансформаторе реализовано расположение магнитопровода с обмотками между токовыводящими шинами, соединение концов вторичных обмоток с токовыводящими шинами, стягивая шины друг к другу с возможностью возникновения механического контакта с вторичными обмотками. В трансформаторе реализовано жесткое соединение, в натяг, внешних концов вторичных обмоток с одной токовыводящей шиной, жесткое соединение, в натяг, внутренних концов вторичных обмоток посредством токопроводящих пластинчатых перемычек со второй токовыводящей шиной. Каждая жесткая пластинчатая перемычка соединена с проводником ленточного типа по длинному краю с возможностью примыкания к короткому краю - началу обмотки. Каждая жесткая пластинчатая перемычка расположена параллельно плоскости кривой намотки витков и соединена со второй токовыводящей шиной. Как вышеупомянуто, в трансформатере использован алюминиевый проводник с керамической изоляцией, которая не течет. Эта особенность также важна в целях повышения механической прочности конструкции.
В общем случае выполнения сварочный трансформатор (см. Фиг. 1) содержит магнитопровод 1, две первичные обмотки 2, две или четыре вторичные обмотки 3, токопроводящие жесткие пластинчатые перемычки 4, жесткие первую и вторую токовыводящие шины, соответственно, 5 и 6.
Использован (см. Фиг. 1-3) магнитопровод 1, характеризующийся поперечным сечением ступенчатой формы по фигуре, близкой к эллипсу или кругу, на его участках, соответствующих стержням. Обе первичные обмотки 2 установлены бескаркасной намоткой проводника с натяжением на каждый участок магнитопровода 1, соответствующий стержню, оказывая стягивающее усилие на магнитопровод 1. Вторичные обмотки 3 выполнены в виде спирали Архимеда из проводника ленточного типа. Вторичные обмотки 3 намотаны встречно друг к другу. На каждую первичную обмотку 2 установлена одна вторичная обмотка 3 или две вторичные обмотки 3 бескаркасной намоткой проводника с натяжением, максимально покрывая первичную обмотку 2. Первичные и вторичные обмотки, соответственно, 2 и 3 выполнены из алюминиевого проводника с керамической изоляцией.
Магнитопровод 1 с первичными и вторичными обмотками, соответственно, 2 и 3 расположен между первой и второй токовыводящими шинами, соответственно. 5 и 6.
Первичные обмотки 2 одними концами соединены последовательно. Концы вторичных обмоток 3 соединены с первой и второй токовыводящими шинами, соответственно, 5 и 6, стягивая шины друг к другу с возможностью возникновения механического контакта между шинами и вторичными обмотками.
Внешние концы вторичных обмоток 3 жестко соединены с первой токовыводящей шиной 5. Внутренние концы вторичных обмоток 3 жестко соединены посредством токопроводящих пластинчатых перемычек 4 со второй токовыводящей шиной 6. Указанное соединение реализовано тем, что каждая пластинчатая перемычка 4 соединена с проводником ленточного типа по длинному краю с возможностью примыкания к короткому краю - началу вторичной обмотки 3, расположена параллельно плоскости кривой намотки витков вторичной обмотки 3 в виде спирали Архимеда и соединена со второй токовыводящей шиной 6 (см. Фиг. 4).
Детализация выполнения сварочного трансформатора включает нижеследующие особенности.
Магнитопровод 1, характеризующийся поперечным сечением ступенчатой формы по фигуре, близкой к эллипсу или кругу, на его участках, соответствующих стержням, собран из пакета стальных полос. Полосы характеризуются индивидуальной длиной, примыкают друг к другу. Магнитопровод 1 собран с расположением длинных сторон в одном и том же продольном направлении. Полосы магнитопровода 1 распределены на два блока с образованием уложенными полосами в блоке его поперечного сечения в форме половины фигуры, близкой к эллипсу или кругу, поперечного сечения магнитопровода на его участках, соответствующих стержням. Каждый блок набран из М субпакетов с М≥2. В каждом субпакете выполнено N полос с N≥1 одинаковой ширины. Ширина полос разных субпакетов одного и того же блока - разная. Субпакеты с полосами наибольшей ширины расположены в середине пакета. Субпакеты в блоках расположены относительно друг друга с соблюдением уменьшения ширины их полос в направлении от середины пакета к его краю. Данное направление перпендикулярно направлению расположения длинных сторон полос. Указанное расположение субпакетов приводит к получению блоков в пакетах, характеризующихся поперечными сечениями на участке пакета, соответствующем стержню, симметричными относительно плоскости, проходящей через центр пакета и параллельной поверхности полос, с получением на двух участках пакета, соответствующих стержням, поперечного сечения магнитопровода 1 ступенчатой формы, приближающейся по фигуре к эллипсу или кругу. Длина каждой полосы в пакете и расположение полос относительно друг друга в продольном направлении выбраны с возможностью обеспечения плотного огибания магнитопроводом 1 установленных на участки, соответствующие стержням, обмоток. Данное условие дополнительно способствует снижению индуктивности рассеяния и, как следствие, повышению величин импульсного тока. Полосы магнитопровода 1 соединены стык в стык с достижением огибания магнитопроводом 1 предварительно установленных обмоток. Соединения полос реализованы на одном из участков магнитопровода 1, выполняющем функцию ярма. Соединение концов стык в стык реализовано с локализацией соединения концов соответствующих полос относительно соединений концов ближайших соседних соответствующих полос в разных местах.
Возможен другой вариант выполнения магнитопровода 1 - из двух пакетов стальных полос.
В трансформаторе магнитопровод 1, характеризующийся поперечным сечением ступенчатой формы по фигуре, близкой к эллипсу или кругу, на его участках, соответствующих стержням, выполнен аналогичным вышеприведенному варианту, но из двух пакетов стальных полос индивидуальной длиной. Пакеты сформированы идентичными. В каждом пакете полосы уложены с примыканием друг к другу, с расположением длинных сторон в одном и том же направлении - продольном направлении. В каждом пакете полосы распределены на два блока с образованием уложенными полосами в блоке его поперечного сечения в форме половины фигуры, близкой к эллипсу или кругу, поперечного сечения магнитопровода 1 на его участке, соответствующем стержню. Каждый блок набран из М субпакетов с М≥2. В каждом субпакете выполнено N полос с N≥1 одинаковой ширины. Ширина полос разных субпакетов одного и того же блока - разная. Субпакеты с полосами наибольшей ширины расположены в середине пакета. Субпакеты в блоках расположены относительно друг друга с соблюдением уменьшения ширины их полос в направлении от середины пакета к его краю. Данное направление перпендикулярно направлению расположения длинных сторон полос. Субпакеты расположены с получением блоков в пакетах, характеризующихся поперечными сечениями на участке пакета, соответствующем стержню, симметричными относительно плоскости, проходящей через центр пакета и параллельной поверхности полос, с получением на участке пакета, соответствующем стержню, поперечного сечения магнитопровода 1 ступенчатой формы, приближающейся по фигуре к эллипсу или кругу. Длина каждой полосы в каждом пакете и расположение полос относительно друг друга в продольном направлении выбраны с возможностью обеспечения плотного огибания магнитопроводом 1 (когда магнитопровод 1 в собранном виде) установленных на участки, соответствующие стержням, обмоток. Полосы пакетов магнитопровода 1 соединены стык в стык с достижением огибания магнитопроводом 1 предварительно установленных обмоток на каждый стержень магнитопровода 1 каждого пакета. Соединения полос реализованы на двух участках магнитопровода 1, выполняющих функцию ярм. Соединение концов стык в стык реализовано с локализацией соединения концов соответствующих полос из пакетов относительно соединений концов ближайших соседних соответствующих полос из пакетов в разных местах.
Полосы трансформаторной стали, из которых выполняют магнитопровод 1, выбирают с длиной каждой полосы в каждом пакете и располагают полосы относительно друг друга в продольном направлении с возможностью обеспечения плотного огибания магнитопроводом 1 установленных на участки, соответствующие стержням, обмоток. В этих целях для каждой полосы производят расчет длины индивидуально.
Для каждой полосы производят расчет длины индивидуально не только для достижения плотного огибания магнитопроводом 1 обмоток, но и для реализации возможности соединения концов полос стык в стык, без зазора. Также во внимание принимается необходимость локализации соединений концов ближайших соседних полос в разных местах. В собранном магнитопроводе 1 за счет соединения полос образованы участки магнитопровода, выполняющие функцию ярм. Стыковка полос, из которых собран магнитопровод, осуществляется не по его стержням, на которых установлены обмотки, а по его ярмам. Расположение стыков полос магнитопровода 1 вынесено из внутреннего объема обмоток. Приведенные особенности трансформатора оказывают влияние на снижение магнитосопротивления и препятствуют потерям.
2
В трансформаторе на магнитопроводе 1 установлены сначала первичные обмотки 2. Каждая из первичных обмоток 2 выполнена из алюминиевого проводника с керамической изоляцией, полученной оксидированием. Проводник характеризуется сечением 2,9×1,9 мм с учетом керамической изоляции. Толщина керамической изоляции равна 80 мкм. В каждой первичной обмотке 2 выполнено семь слоев. В каждом слое намотано 27 витков, виток к витку, плотно с натяжением.
В трансформаторе вторые концы каждой первичной обмотки 2 оформлены выводами.
2
При установке на каждую первичную обмотку 2 по одной вторичной обмотке 3 вторичная обмотка 3 выполнена из алюминиевого проводника с керамической изоляцией, полученной оксидированием, сечением 80×3 мм с учетом керамической изоляции. Толщина керамической изоляции 80 мкм. Каждая вторичная обмотка 3 выполнена с четырьмя витками, расположенными друг на друге, намотанными плотно с натяжением.
2
При установке на каждую первичную обмотку 2 по две вторичные обмотки 3 использованы половина вторичных обмоток 3, намотанных в одном направлении, половина обмоток, намотанных в противоположном направлении. Вторичные обмотки 3, установленные на разные первичные обмотки 2, намотаны встречно друг к другу. Установленные на одну и ту же первичную обмотку 2 вторичные обмотки 3 выполнены одинаково, с одним и тем же направлением намотки. Вторичная обмотка 3 на каждой из первичных обмоток 2 намотана из алюминиевого проводника с керамической изоляцией, полученной оксидированием. Использован проводник сечением 40×3 мм с учетом керамической изоляции. Толщиной керамической изоляции составляет 80 мкм. Каждая вторичная обмотка 3 выполнена с четырьмя витками, расположенными друг на друге, намотанными плотно с натяжением.
В трансформаторе первая и вторая токовыводящие шины, соответственно, 5 и 6, с которыми соединены концы вторичных обмоток 3, стягивая шины друг к другу с возможностью возникновения механического контакта с вторичными обмотками 3, установлены параллельно относительно друг друга. Каждая пластинчатая перемычка 4 сформирована из пластины прямоугольной формы. Две стороны указанной пластины по длине равны расстоянию от оси вторичной обмотки 3 до внешней поверхности вторичной обмотки 3 в направлении нормали к плоскости второй токовыводящей шины 6, а две другие стороны по длине равны расстоянию от оси вторичной обмотки 3 до внешней поверхности вторичной обмотки 3 в направлении, параллельном плоскости второй токовыводящей шины 6. В указанной пластине напротив одного из углов между двумя смежными сторонами выполнен криволинейный вырез. Вырез выполнен с кривизной, соответствующей кривизне поверхности первого витка вторичной обмотки 3. Указанная кривизна задана поверхностью первичной обмотки 2, покрываемой первым витком вторичной обмотки 3. Выполнение криволинейного выреза реализовано с образованием прямых участков на пластинчатой перемычке, примыкающих к криволинейному вырезу. Данные прямые участки равны по длине толщине вторичной обмотки 3. Вторичная обмотка 3 по криволинейному вырезу пластинчатой перемычки 4 жестко соединена своим проводником ленточного типа по длинному краю. При этом соединение выполнено с возможностью примыкания пластинчатой перемычки 4 к короткому краю проводника ленточного типа - началу обмотки, располагаемому в плоскости, в которой расположена нормаль в направлении от оси вторичной обмотки к плоскости второй токовыводящей шины 6. Пластинчатая перемычка 4 жестко соединена со второй токовыводящей шиной 6 прямой стороной, равной по длине расстоянию от оси вторичной обмотки 3 до внешней поверхности вторичной обмотки 3 в направлении, параллельном плоскости второй токовыводящей шины 6. Приведенное выполнение пластинчатой перемычки дает дополнительный выигрыш в снижении сопротивления.
При расположении магнитопровода 1 с обмотками между первой и второй токовыводящими шинами, соответственно, 5 и 6 и соединении концов вторичных обмоток 3 с токовыводящими шинами, стягивая шины друг к другу с возможностью возникновения механического контакта с вторичными обмотками 3, при котором внешние концы вторичных обмоток 3 жестко соединены с первой токовыводящей шиной 5, внешние концы вторичных обмоток 3 приведены в механический контакт друг с другом. Приведение в указанный контакт реализовано за счет расположения на концевых участках проводника ленточного типа вторичных обмоток 3 перпендикулярно плоскости первой токовыводящей шины 5 и расположения вторичных обмоток 3 относительно друг друга с возможностью приведения их в механический контакт. Приведенное выполнение способствует компактности размещения элементов трансформатора, увеличивая коэффициент заполнения окна магнитопровода и снижая индуктивность рассеяния, как следствие, способствуя повышению величины импульсного тока.
В трансформаторе первая и вторая токовыводящие шины, соответственно, 5 и 6, с которыми соединены концы вторичных обмоток 3, выполнены из алюминия. Кроме того, токопроводящие пластинчатые перемычки 4 выполнены из алюминия и покрыты керамической изоляцией.
Предлагаемый сварочный трансформатор может быть использован в сварочных аппаратах контактной точечной сварки клещевого типа. Электродно-клещевое приспособление соединяют с токовыводящими шинами сварочного трансформатора, например с соединением его обмоток в случае выполнения четырех вторичных обмоток 3, представленным на Фиг.5, для подвода электрического тока к электродам. При выполнении двух вторичных обмоток 3 в трансформаторе электрическая схема соединения аналогична. Подвод электрического тока к сварочным электродам может быть реализован через диодный мостик. Функционирует трансформатор известным образом. На концы первичных обмоток 2, которые оформлены внешними выводами, подают электрическое питание - напряжение от внешнего источника. Благодаря явлению электромагнитной индукции, которое лежит в основе действия любого электрического трансформатора, в каждой вторичной обмотке 3, соединенной своими концами с токовыводящими шинами, возникает электрический ток. Токовыводящие шины осуществляют токоподвод к электродам для сварки.