СИЛОВОЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

Полезная модель относится к электротехнике - к силовым импульсным трансформаторам, а именно, к конструкции обмоток.
Известен малогабаритный понижающий импульсный трансформатор [Патент РФ на полезную модель 92235, опубл. 10.03.2010], первичная обмотка которого содержат витки одного многожильного провода типа литцендрат, состоящего из изолированных друг от друга жил медного провода, вторичная обмотка содержит витки в два провода упомянутого типа. Основными недостатками подобных конструкций является высокая паразитная межвитковая емкость и плохой отвод тепла, выделяемого обмотками.
Известен трансформатор [Патент США №4159457, опубл. 26.06.1979] с трехстержневым Ш-образным (Е-образным) магнитопроводом, первичной обмоткой, намотанной проводом, и вторичной обмоткой, изготовленной из токопроводящей ленты. При этом вторичная обмотка выполнена сборной, ее отдельные полувитки прямоугольной коробчатой формы концентрически охватывают друг друга, и надеты на центральный стержень магнитопровода через межвитковые изолирующие прокладки. Такое исполнение более технологично, однако «многослойная» вторичная обмотка перекрывает вентиляционные окна между стержнями магнитопровода, что значительно ухудшает теплоотвод.
Проблема улучшения теплоотвода частично решается в конструкции трансформатора [Патент США №7492246, опубл. 17.02.2009]. В этом трансформаторе на каркасе, установленном на центральном стержне магнитопровода, как и в описанных выше аналогах, намотана первичная обмотка, выполненная из многожильного провода. Вторичная обмотка выполнена из токопроводящей (медной) ленты, и намотана на первичную в виде цилиндрической спирали, с ориентацией ширины ленты вдоль оси спирали (продольно ориентированные витки ленты). Витки спирали практически соприкасаются между собой, и имеют в плане прямоугольную форму. Таким образом, в отличие от предыдущего аналога, вторичная обмотка является однослойной, что улучшает теплоотвод от нее. Однако эта вторичная обмотка, как кожух охватывает первичную, препятствуя отведению тепла от внутренних слоев. Для внешнего подключения вторичной обмотки к свободным концам верхнего и нижнего витков ленты припаяны более широкие пластины, снабженные разъемами.
Известный трансформатор [Патент США 5592137, опубл. 7.01.1997] более технологичен в изготовлении. Его обмотка, охватывающая катушку, навитую проволокой на центральный стержень магнитопровода, имеет один виток, составлена из двух полуобмоток, выполненных из ленты, края которых отбортованы внутрь, встречно ориентированы, и образуют кожух, вокруг витков катушки, ухудшающий теплоотвод.
В качестве прототипа выбран трансформатор [Патент США №6087922, опубл. 11.06.2000], который также имеет трехстержневой магнитопровод и обмотки, охватывающие центральный стержень. Первичная обмотка выполнена из токопроводящей ленты, перегнутой таким образом, что образуют спираль из плоских витков ориентированных в плоскости, практически перпендикулярной оси стержня магнитопровода, при этом витки расположены друг под другом. Силовая вторичная обмотка также выполнена из ленты и составлена из плоских П-образных витков, расположенных в зазорах между витками первичной обмотки с Х-образным перекрещиванием плоскостей. Такая конструкция позволяет упростить технологию изготовления трансформатора и минимизировать габарит по высоте (низкопрофильный трансформатор). Однако вследствие практически 100% заполнения окна магнитопровода обмотками теплоовод обдувом также сильно затруднен. Кроме того, близкое расположение и взаимопроникновение плоскостей обмоток создает значительную межобмоточную емкость, что сильно ухудшает частотные свойства и увеличивает потери в трансформаторе.
В основу полезной модели поставлена задача повышения удельной мощности трансформатора при одновременном уменьшении частотных помех и потерь на высоких частотах. Достигаемый технический результат - улучшение условий охлаждения обмоток трансформатора при одновременном снижении межобмоточных емкостей.
Поставленная задача решается тем, что силовой трансформатор имеет трехстержневой магнитопровод и две обмотки, охватывающие центральный стержень магнитопровода, одна из обмоток выполнена из токопроводящей ленты и имеет, по меньшей мере, два П-образных витка, каждый из которых выполнен плоским и его плоскость перпендикулярна оси центрального стержня магнитопровода. От прототипа трансформатор отличается тем, что вторая обмотка выполнена из многожильного провода и расположена в зазоре между витками первой обмотки. Обмотка из многожильного провода может быть намотана в форме цилиндрической спирали или в форме плоской спирали (подобно спирали Архимеда).
Обмотка, выполненная из ленты, может иметь три и более П-образных витков. При этом обмотка из многожильного провода состоит из соответствующего количества (на единицу меньше, чем количество П-образных витков) плоских спиралей, которые расположены с чередованием между плоскими витками обмотки, выполненной из ленты. Заявленная система является конструктивно инверсной, и обмотка из многожильного провода может быть как первичной, так и вторичной. В предпочтительном варианте исполнения упомянутая обмотка из многожильного провода является первичной, а обмотка из ленты - вторичной (силовой).
Для того, чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности полезной модели, в качестве примеров, не имеющих какого-либо ограничительного характера, ниже описаны варианты реализации полезной модели изобретения. Примеры реализации иллюстрируется Фигурами чертежей, на которых представлено: Фиг.1 - схема силового трансформатора (поперечное сечение) с Ш-образным магнитопроводом и обмоткой из многожильного провода, намотанной в форме плоской спирали. Фиг.2 - то же - продольное сечение (вдоль оси центрального стержня). Фиг.3 - схема силового трансформатора с Ш-образным магнитопроводом и обмоткой из многожильного провода, намотанной в форме цилиндрической спирали, Фиг.4 - то же, продольное сечение, Фиг.5 - схема силового трансформатора с несколькими обмотками из ленты и несколькими обмотками из провода, намотанными в форме плоской спирали.
Силовой сварочный трансформатор (Фиг.1, Фиг.2) имеет трехстержневой Ш-образный магнитопровод 1 типового (высокопрофильного) или планарного (низкопрофильного) вида. Вокруг его центрального стержня 2 намотаны первичная 3 и вторичная 4 обмотки. Первичная обмотка 3 выполнена из типового многожильного гибкого провода в изоляции, или литцендрата и намотана в форме плоской спирали, витки которой охватывают друг друга и находятся в одной плоскости, перпендикулярной оси центрального стержня 2. Вторичная обмотка 4 имеет два незамкнутых П-образных витка, расположенных по обе стороны от первичной обмотки 3. П-образные витки выполнены из плоской ленты или полосы, вырубленной из тонкого листового материала (меди или алюминия), расположены в плоскостях, перпендикулярных оси центрального стержня и максимально приближены к ярму 5 (части, перпендикулярной центральному стержню) магнитопровода. Ширина ленты (полосы) может быть максимально (с учетом необходимого зазора) приближена к ширине окна магнитопровода. Такая конструкция позволяет в ряде случаев минимизировать высоту трансформатора, сделать его низкопрофильным и тем самым уменьшить индуктивность рассеяния.
В другом варианте исполнения (см. Фиг.3, Фиг.4) справедливо все вышесказанное относительно магнитопровода 1 и вторичной обмотки 4. Отличием является форма первичной обмотки 6. Она тоже изготовлена из гибкого многожильного провода или литцендрата, но намотана в форме цилиндрической спирали. Эта спираль также расположена между П-образными витками вторичной обмотки.
В этих наиболее простых примерах исполнения полезной модели наглядно видно, что конструкция в обоих вариантах имеет низкий коэффициент заполнения окна магнитопровода (30-70%), витки первичной и вторичной обмотки внутри окна ориентированы вдоль вентиляционных потоков, и отсутствует тепловое экранирование витков, намотанных изолированным проводом витками вторичной обмотки. Как бы близко не располагались друг к другу витки первичной и вторичной обмоток, между круглыми в сечении витками провода и прямоугольными в сечении витками ленты всегда остается достаточный для вентиляции зазор, при этом межобмоточная емкость значительно снижена по сравнению с прототипом.
Возможны различные другие варианты реализации полезной модели. Например, возможно исполнение с несколькими плоскими спиралями первичной обмотки, намотанными изолированным многожильным проводом, и эти слои расположены друг под другом вдоль оси центрального стержня. Или возможно изготовление первичной обмотки из провода двумя концентрическими цилиндрическими спиралями.
Один из вариантов исполнения (сегментированная, «слоистая» конструкция обмоток), представлен на Фиг.5. В этом варианте на центральном стержне 2 трехстержневого (Ш-образного) магнитопровода обмотка 3, выполненная из ленты, имеет, например, четыре П-образных витка, а обмотка 4 из многожильного провода состоит из трех плоских спиралей, которые расположены с чередованием между плоскими витками обмотки, выполненной из ленты. Количество слоев можно наращивать, увеличивая токовую нагрузку. Слои могут быть расположены равномерно по оси или неравномерно.
В трансформаторах с двухтактным выпрямителем на выходе витки вторичной обмотки могут быть соединены последовательно-параллельно.
Заявляемый трансформатор работает аналогично другим известным импульсным трансформаторам с Ш-образным магнитопроводом. Он может быть применен в качестве сварочного трансформатора или импульсного силового повышающего (понижающего).
Таким образом, конструкция трансформатора позволяет увеличить теплоотвод от первичной и вторичной обмоток и тем самым увеличить удельную мощность. Вышеописанное выполнение обмоток позволяет снизить межобмоточную емкость, а соответственно, уменьшить частотные потери и помехи на высоких частотах.