КОЛЬЦЕВОЙ ЛЕНТОЧНЫЙ МАГНИТОПРОВОД С ЭЛЛИПСООБРАЗНЫМ ПОПЕРЕЧНЫМ СЕЧЕНИЕМ (ВАРИАНТЫ)
ANNULAR TAPE MAGNETIC CONDUCTOR WITH ELLIPSOIDAL CROSS-SECTION (VERSIONS)

Группа изобретений относится к области электротехники и может быть использована в качестве одно- и 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.
Известны конструкции магнитопроводов, в которых применен набор лент разной ширины [Бальян Р.Х. - Трансформаторы для радиоэлектроники, М., Радио, 1971, с.27, 32; патент РФ 2444801, H01F 3/04, Бюл. №7, 2010] с образованием в поперечном сечении магнитопровода ступенчатого многоугольника. Они сложны 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, H02K 15/02, 1932]. Коэффициент заполнения окна круглых силовых обмоток не равен 1,0.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является магнитопровод, получаемый навивкой из ленты с параметрической зависимостью изменения ширины ленты по ее длине [авторское свидетельство СССР №734821, H01F 27/24, Бюл. №18, 1980] с образованием в поперечном сечении круга с точностью до толщины ленты, 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.
В аэрокосмической технике силовые трансформаторы и дроссели выполняют, как правило, из набора однофазных кольцевых ленточных магнитопроводов с прямоугольным поперечным сечением. Неразрезная кольцевая конструкция таких магнитопроводов обладает наименьшим тепловыделением при эксплуатации в составе трансформатора или дросселя. Промышленность изготавливает такие кольцевые магнитопроводы по нормализованным рядам, например, НПО «Гаммамет» (http://www.gammamet.ru). 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.
Задача предлагаемой группы изобретений заключается в устранении вышеуказанных недостатков.
Техническим результатом, на достижение которого направлена группа изобретений, 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 по первому варианту устройства достигается тем, что кольцевой ленточный магнитопровод образован навивкой из ленты переменной ширины и имеет эллипсообразное поперечное сечение, а лента для навивки 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;
- длина срединной осевой линии диаметром d 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 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.
Указанный технический результат по второму и третьему вариантам устройства достигается тем, что при унификации конструкции магнитопроводов их выполняют составными, но в сумме имеющими эллипсообразное поперечное сечение. При этом магнитопровод состоит из по меньшей мере одного цилиндрического элемента и двух торцевых элементов, а лента для навивки каждого торцевого элемента имеет геометрическую форму, описываемую параметрическими зависимостями:
х - длина ленты;
у - ширина ленты относительно оси продольной симметрии;
ϕ - параметр, отображающий приращение полярного угла, соответствующее вращению радиус-вектора при навивке магнитопровода;
- длина срединной осевой линии диаметром d магнитопровода;
r - радиус полукруговой части поперечного сечения торцевого элемента магнитопровода;
b - ширина прямоугольной части поперечного сечения торцевого элемента магнитопровода;
δ - толщина ленты с нанесенной изоляцией.
В собранном виде составной магнитопровод имеет эллипсообразное поперечное сечение и сохраняет все особенности первого варианта, а, следовательно, позволяет достичь вышеописанный технический результат. При этом облегчается подбор нужного значения площади эллипсообразного поперечного сечения магнитопровода из набора готовых цилиндрических элементов и двух торцевых элементов по краям. Также уменьшается количество единиц хранения при изготовлении впрок по нормализованным рядам.
Кольцевой ленточный магнитопровод по всем трем вариантам может выполняться  для более удобного размещения силовых обмоток.
На фиг. 1 приведен общий вид кольцевого ленточного магнитопровода с эллипсообразным поперечным сечением по первому варианту;
на фиг. 2 приведена развертка ленты магнитопровода с эллипсообразным поперечным сечением (масштаб по осям разный) по первому варианту;
на фиг. 3 представлен магнитопровод по второму варианту - составной конструкции с двумя торцевыми элементами, имеющими полукруговое поперечное сечение каждый, и одним цилиндрическим элементом, имеющим прямоугольное поперечное сечение;
на фиг. 4 приведен магнитопровод по третьему варианту - составной конструкции с двумя торцевыми элементами, имеющими в поперечном сечении как полукруговые, так и прямоугольные части, и одним цилиндрическим элементом, имеющим прямоугольное поперечное сечение;
на фиг. 5 показан кольцевой  ленточный магнитопровод для всех трех вариантов.
Для первого варианта кольцевого ленточного магнитопровода с эллипсообразным поперечным сечением из рассмотрения спирали Архимеда получена параметрическая зависимость, описывающая геометрическую форму ленты, при навивке образующей магнитопровод с эллипсообразным поперечным сечением (фиг.1):
х - длина ленты;
у - ширина ленты относительно оси продольной симметрии;
ϕ - параметр, отображающий приращение полярного угла, соответствующее вращению радиус-вектора при навивке магнитопровода;
- длина срединной осевой линии диаметром d 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.
а
а
а
Длина развертки ленты (фиг. 2) при значении параметра  равна количеству слоев ленты толщиной δ, помещающихся в поперечном сечении магнитопровода толщиной 2r, умноженному на длину срединной осевой линии магнитопровода . Максимальная ширина развертки при значении параметра  равна (+2r), минимальная ширина равна  при  и  При =0 лента при навивке образует в поперечном сечении магнитопровода круг, радиусом r. Фасонную резку ленты и навивку магнитопровода осуществляют одновременно, в одном устройстве. После навивки на оправке одного магнитопровода ленту закрепляют точечной сваркой и отрезают.
Для второго и третьего вариантов кольцевого ленточного магнитопровода с эллипсообразным поперечным сечением магнитопровод выполняют составной конструкции. Магнитопровод состоит из по меньшей мере одного цилиндрического элемента с прямоугольным поперечным сечением и двух торцевых элементов, каждый из которых имеет полукруговое поперечное сечение или содержит полукруг в виде части поперечного сечения (фиг. 3 или фиг. 4); - для назначенных типоразмеров магнитопровода по внешнему (d+2r) и внутреннему (d-2r) диаметрам. Необходимое количество цилиндрических элементов определяют по требуемому значению площади поперечного сечения магнитопровода, зависящему от мощности силового трансформатора или дросселя. Лента для навивки каждого торцевого элемента магнитопровода имеет геометрическую форму, описываемую одной из двух похожих параметрических зависимостей (отличающихся только параметром y):
х - длина ленты;
у - ширина ленты относительно оси продольной симметрии;
ϕ - параметр, отображающий приращение полярного угла, соответствующее вращению радиус-вектора при навивке магнитопровода;
- длина срединной осевой линии диаметром d магнитопровода;
r - радиус полукруговой части поперечного сечения торцевого элемента магнитопровода;
b - ширина прямоугольной части поперечного сечения торцевого элемента магнитопровода;
δ - толщина ленты с нанесенной изоляцией.
Длина разверток лент для навивки составных элементов магнитопровода одинаковая и равна  при значении параметра  Максимальная ширина развертки ленты для навивки торцевых элементов равна r или (r+b) при значении параметра , минимальная ширина - равна нулю или b при  и  Возможен набор нескольких цилиндрических элементов с прямоугольным поперечным сечением, навитых из ленты одинаковой ширины или с другими размерами. Фасонную резку и навивку ленты для торцевых элементов в некоторых случаях удобнее начинать не с «нулевой» ширины, а с некоторого технологического размера b. Данный вариант показан на фиг. 4.
Вставляя между двух торцевых элементов несколько цилиндрических элементов с прямоугольным поперечным сечением, можно набрать требуемую площадь эллипсообразного поперечного сечения магнитопровода. Имея на складе минимальный набор готовых элементов, можно обеспечить сборку магнитопроводов различной площади поперечного сечения для различной мощности силового трансформатора или дросселя. Фасонную резку ленты и навивку торцевого элемента магнитопровода осуществляют одновременно, в одном устройстве. После навивки на оправке одного элемента магнитопровода ленту закрепляют точечной сваркой и отрезают. После готовности всех элементов их собирают с образованием эллипсообразного поперечного сечения и магнитопровод закрепляют (клеем, лентой).
При необходимости кольцевые ленточные магнитопроводы с эллипсообразным поперечным сечением по всем трем вариантам могут быть выполнены  с целью локализации на образующихся стержнях будущих обмоток трансформатора и технологического облегчения их выполнения и для облегчения охлаждения магнитопровода при работе в составе силового трансформатора или дросселя. При этом изменяют вид оправки для навивки  магнитопровода и длину срединной осевой линии  рассчитывают по чертежу магнитопровода (фиг. 5).
Проведенное макетирование подтвердило образование торцевого элемента с полукруговым поперечным сечением и, соответственно, составного кольцевого ленточного магнитопровода с эллипсообразным поперечным сечением.
Предложенные конструкции магнитопроводов с эллипсообразным поперечным сечением сообщают силовым трансформаторам и дросселям минимальные массу, габариты и собственное тепловыделение и обеспечивают повышенную ресурсную надежность, что существенно важно, например, для аэрокосмической техники и ракетостроения.