МНОГОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР И СПОСОБ ЕГО СБОРКИ
POLYPHASE TRANSFORMER AND METHOD FOR ITS ASSEMBLY

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в многофазных полупроводниковых преобразователях, например в выпрямителях, инверторах и преобразователях частоты, а также в электроэнергетических системах для изменения величины и повышения качества переменного напряжения.
Аналогом является, например, многофазный трансформатор (патент РФ №2310939, опубликован 20.11.2007), содержащий внутренний витой кольцевой магнитопровод, выполненный из двух колец равной высоты, склеенных по торцовым не шлифованным поверхностям. На торцовые шлифованные поверхности указанных колец наклеены шихтованные зубцы прямоугольной формы. Два шлифованных с одного торца боковых витых кольцевых магнитопровода примыкают шлифованными торцами к зубцам. Многофазная вторичная обмотка охватывает внутренний магнитопровод и уложена в пазы между зубцами.
Наиболее близок к предлагаемому многофазному трансформатору многофазный трансформатор и способ его сборки (патент РФ №2401470, опубликован 10.10.2010), который содержит средний витой (шихтованный) кольцевой магнитопровод из двух колец равной высоты, шлифованных с одного торца и склеенных по торцовым не шлифованным поверхностям. Шихтованные зубцы прямоугольной формы наклеены на торцовые шлифованные поверхности колец. Каждая фазная обмотка трехфазной первичной обмотки выполнена в виде m/3 катушек. Многофазная вторичная обмотка уложена в пазы между зубцами. Магнитные потоки трансформатора замыкают два боковых витых кольцевых магнитопровода, шлифованных с одного торца, примыкающих этими шлифованными торцами к зубцам. При подаче на первичную обмотку трехфазного напряжения в магнитопроводе многофазного трансформатора возникает вращающееся магнитное поле, которое создает в фазах вторичной обмотки электродвижущую силу, форма которой может быть существенно более близкой к синусоиде, чем форма исходного первичного напряжения.
Недостатком прототипа является неизбежное наличие зазоров в магнитной цепи, так как к среднему шихтованному магнитопроводу со стороны кромок прижимаются шихтованные зубцы, а к зубцам боковые витые магнитопроводы. Все магнитопроводы сопрягаются со стороны кромок листов электротехнической стали, поэтому чтобы избежать контакта и взаимного перекрытия листов и, значит, резкого увеличения потерь на токи Фуко, зазоры необходимы. Элементы магнитопровода соединяются слоем клея, который служит изолятором между элементами магнитопровода и связующим элементом. Однако соединение с помощью клея не является гарантией отсутствия электрического контакта. Шлифовка торцевых сторон витого магнитопровода приводит к сминанию кромок витков магнитопровода и к возникновению электрического контакта между соседними витками в плоскости шлифования, и увеличению потерь на токи Фуко. Наличие неизбежных зазоров между элементами магнитопровода и токов Фуко в шлифованных поверхностях приводят к снижению кпд и коэффициента мощности прототипа.
Сборочные операции включают операции шлифовки торцевых поверхностей среднего магнитопровода, зубцов и бокового магнитопровода, а также склеивание торцевых поверхностей фрагментов магнитопровода. Это является следствием сложной, не технологичной конструкция прототипа. Следовательно, сборка прототипа требует больших затрат труда и времени, и стоимость прототипа достаточно высока.
Предлагаемое изобретение позволит создать многофазный трансформатор с более высоким кпд и коэффициентом мощности.
Кроме того, предлагаемый многофазный трансформатор имеет более простую конструкцию, более технологичный, с более простыми сборочными операциями и, следовательно, более дешевый.
Это достигается тем, что в многофазном трансформаторе, содержащем многофазную первичную обмотку, многофазную вторичную обмотку и шихтованный магнитопровод, шихтованный магнитопровод состоит из внутреннего и внешнего магнитопроводов. Внутренний магнитопровод выполнен из штампованных листов электротехнической стали круглой формы с одинаковыми пазами, открытыми с внешней стороны, но двух различных внешних диаметров - большого и малого, причем большой и малый листы магнитопровода при наборе в пакет в осевом направлении чередуются. В пазах пакета магнитопровода размещены катушки указанных выше первичной и вторичной обмоток, а внешний магнитопровод выполнен из листов кольцевой формы, состоящих из двух или более частей, двух размеров, имеющих одинаковый наружный диаметр, но различный внутренний диаметр. Внутренний диаметр одного кольца равен внешнему диаметру большого листа внутреннего магнитопровода, а внутренний диаметр второго кольца равен внешнему диаметру малого листа внутреннего магнитопровода, при этом кольцевые листы с различным внутренним диаметром внешнего магнитопровода при сборке в пакет так же как и листы внутреннего магнитопровода, чередуются с возможностью сопряжения с листами внутреннего магнитопровода соответствующего размера.
При сборке предлагаемого многофазного трансформатора применяется следующий способ: сначала на общую ось собирают в пакет листы внутреннего магнитопровода, причем листы с большим и малым внешним диаметром при сборке чередуют, затем предварительно намотанные на шаблонах катушки первичной и вторичной обмоток размещают в пазах собранного пакета внутреннего магнитопровода, после чего в зазор между листами большого наружного диаметра внутреннего магнитопровода вставляют части колец с малым внутренним диаметром внешнего магнитопровода до контакта внутренних кромок частей этих колец с внешними кромками листов малого наружного диаметра внутреннего магнитопровода; после этого между установленными кольцами с малым внутренним диаметром внешнего магнитопровода вставляют части колец с большим внутренним диаметром внешнего магнитопровода до контакта внутренних кромок частей этих колец с внешними кромками листов большого наружного диаметра внутреннего магнитопровода, после чего собранные элементы трансформатора фиксируют клиньями.
Предлагаемая конструкция многофазного трансформатора позволяет снизить потери в магнитопроводе на токи Фуко и уменьшить зазоры между элементами магнитопровода, вследствие чего повышается кпд и коэффициент мощности многофазного трансформатора.
При сборке предлагаемого многофазного трансформатора не требуются операции шлифования и склеивания отдельных фрагментов магнитопровода, что снижает затраты труда, времени изготовления и, следовательно, стоимость многофазного трансформатора.
На фиг.1 приведены большой и малый листы внутреннего магнитопровода многофазного трансформатора. На фиг.2 - части внешнего магнитопровода и их сопряжение с листами внутреннего магнитопровода. На фиг.3 показан нажимной лист пакета магнитопровода. На фиг.4 - операция сборки внутреннего магнитопровода. На фиг.5 приведен пакет внутреннего магнитопровода в сборе. На фиг.6 - пакет внутреннего магнитопровода с первичной обмоткой многофазного трансформатора. На фиг.7 показан внутренний магнитопровод многофазного трансформатора с первичной и вторичной обмоткой, закрепленных в пакете клиньями. На фиг.8 показана установка кольцевых листов внешнего магнитопровода с малым внутренним диаметром. На фиг.9 показан многофазный трансформатор в сборе.
На фиг.1а показан большой лист 1 внутреннего магнитопровода многофазного трансформатора, изготовленный из листовой электротехнической стали. Большой лист 1 имеет двенадцать пазов 2, форма которых близка к прямоугольной. В общем случае число и форма пазов внутреннего магнитопровода многофазного трансформатора может быть различной, как и в других электрических машинах переменного тока [1, с.114]. Для внутреннего магнитопровода многофазного трансформатора более целесообразны пазы с увеличивающейся шириной в сторону внешней кромки листа, чтобы ширина зубцов магнитопровода была примерно постоянной, но для пояснения устройства и принципа действия предлагаемого многофазного трансформатора это не имеет значения, и на фиг.1-9 показаны пазы, форма которых близка к прямоугольной. В верхней части паза 2 в листе 1 имеются выемки 3 треугольной формы, а в центральном отверстии выступ 4. Малый лист 5 внутреннего магнитопровода имеет пазы 2, выемки 3 и выступ 4 такой же формы и размеров, как и большой лист 1. Наружный диаметр d1 большого листа 1 на некоторую величину больше наружного диаметра d2 малого листа 5.
На фиг.2а показана часть 6 внешнего кольцевого магнитопровода, который имеет такой же внутренний диаметр d1, что и внешний диаметр d1 большого листа 1 внутреннего магнитопровода. Угловой размер части 6 равен 120°, три части 6 образуют кольцевой лист внешнего магнитопровода, охватывающий большой лист 1 внутреннего магнитопровода практически без зазоров. В общем случае число частей 6, составляющих кольцевой лист внешнего магнитопровода, может быть больше или равно двум, в зависимости от углового размера одной части 6.
На фиг.2б показана часть 7 внешнего кольцевого магнитопровода, который имеет такой же внутренний диаметр d2, что и внешний диаметр d2 малого листа 5 внутреннего магнитопровода. Три части 7 составляют кольцевой лист внешнего магнитопровода, охватывающий малый лист 5 внутреннего магнитопровода. Внешний диаметр частей 6 и 7 одинаковый - D.
Части 6 и 7 внешнего магнитопровода изготавливаются из таких же листов электротехнической стали, что и листы 1 и 5 внутреннего магнитопровода.
На фиг.3 показан нажимной лист 8, изготовленный из диэлектрика, например стеклотекстолита. Нажимной лист 8 имеет пазы 2, выемки 3 и выступ 4 такой же формы и размеров, как и большой лист 1 и малый лист 5 магнитопровода. Наружный диаметр нажимного листа 8 превышает диаметр D частей 6 и 7 внешнего магнитопровода. На расстоянии D/2 от центра в верхней части пазов нажимного листа выполнены выемки 9 треугольной формы.
Сборка предлагаемого многофазного трансформатора производится в три этапа.
На первом этапе собирают пакет внутреннего магнитопровода из больших листов 1 и малых листов 5. Основой внутреннего магнитопровода является показанная на фиг.4 ось 10, имеющая продольный паз 11 таких же размеров, что и выступ 4 на большом листе 1, малом листе 5 и нажимном листе 8. Ось 10 может быть выполнена из любого конструкционного материала, в том числе из стали. При сборке выступы 4 листов 1, 5 и 8 входят в паз 11, и тогда пазы 2 нажимного листа 8, большого листа 1 и малого листа 5 внутреннего магнитопровода в осевом направлении совпадают. Сначала на ось 10 устанавливают нажимной лист 8, затем большой лист 1 внутреннего магнитопровода, затем малый лист 5, снова лист 1, лист 5 и так далее. Последним на ось 10 устанавливают второй нажимной лист 8 (фиг.5). В сборке внутреннего магнитопровода хорошо видны кромки больших листов 1, в то время как кромки малых листов 5 плохо просматриваются, так как листы 5 находятся между листами 1 и имеют меньший диаметр, чем листы 1.
На втором этапе в пазах 2 внутреннего магнитопровода размещают катушки первичной обмотки 12 (фиг.6), которая будет создавать вращающееся магнитное поле. Лобовые части первичной обмотки 12 на фиг.6 показаны упрощенно. Катушки первичной обмотки 12 могут быть предварительно намотаны на шаблон, а затем размещены в пазах 2, либо наматываться непосредственно на пакет внутреннего магнитопровода. Схема размещения катушек первичной обмотки 12 определяется выбранным числом пар полюсов магнитного поля, числом фаз первичной обмотки и числом пазов 2 во внутреннем магнитопроводе. При выбранном для примера числе пазов 2 равном 12, числе фаз 3 и числе пар полюсов равном 1, в пазах можно разместить двухслойную, распределенную трехфазную обмотку с шагом 5/6. Первичная обмотка может иметь не только три фазы, но и две, или любое большее число фаз, которые могут создать вращающееся магнитное поле. Конструкция предлагаемого многофазного трансформатора позволяет разместить в пазах любой вариант схемы многофазной обмотки, которые для машин переменного тока приведены в широко известных источниках, например [1, с.51-86].
На третьем этапе в пазах 2 внутреннего магнитопровода размещают катушки вторичной обмотки 13 (фиг.7). Так же как и для первичной обмотки 12, для вторичной обмотки 13 может быть использованы любые известные схемы обмоток машин переменного тока. Лобовые части вторичной обмотки 13 на фиг.7, так же как и лобовые части первичной обмотки 12, показаны упрощенно. После размещения в пазах 2 первичной обмотки 12 и вторичной обмотки 13, обмотки 12 и 13 фиксируют в пазах с помощью клиньев 14 (фиг.7), которые проходят в треугольные выемки 3 большого листа 1 внутреннего магнитопровода, малого листа 5 и нажимного листа 8.
На четвертом этапе сборки устанавливают внешний магнитопровод многофазного трансформатора. Сначала между выступающими кромками больших листов 1 внутреннего магнитопровода вставляют части 7, по три части 7 в один слой между каждой парой больших листов 1 (фиг.8). Части 7 вставляют до контакта внутренних кромок частей 7 с внешними кромками малых листов 5 внутреннего магнитопровода так, чтобы части 7 охватывали каждый малый лист 5 кольцом, как показано на фиг.2б. Так как между кромками соседних больших листов 1 в пакете внутреннего магнитопровода есть незаполненный слой, и большие листы 1 допускают некоторую упругую деформацию, установка частей 7 не является сложной операцией. После установки частей 7 внутренняя кромка частей 7 оказывается зафиксированной между кромками больших листов 1 внутреннего магнитопровода, а между внешними кромками частей 7 возникает незаполненный слой магнитопровода. Теперь между внешними кромками частей 7 вставляют части 6 до контакта внутренних кромок частей 6 с внешними кромками больших листов 1 внутреннего магнитопровода. Три части 6 охватывают каждый большой лист 1 кольцом, как показано на фиг.2а. После установки частей 7 и 6 устанавливают внешние клинья 15 в выемки 9 нажимных листов 8 (фиг.9), которые фиксируют элементы трансформатора в сборке. Сборка многофазного трансформатора закончена. Для фиксации элементов трансформатора вместо клиньев могут использоваться также либо шпильки, либо хомуты, либо внешний кожух и другие приспособления.
Предлагаемый многофазный трансформатор работает следующим образом: на первичную обмотку подается исходное многофазное (например, трехфазное) напряжение, многофазный ток первичной обмотки создает в магнитопроводе вращающееся магнитное поле; так как первичная обмотка выполнена распределенной с укороченным шагом магнитодвижущая сила первичной обмотки и форма магнитного поля будет близка к синусоидальной [1, с.86-108]; вращающееся магнитное поле индуцирует в фазах вторичной обмотки эдс; многофазная вторичная обмотка также может быть выполнена распределенной с укороченным шагом, благодаря такому исполнению первичной и вторичной обмоток многофазного трансформатора, на фазах вторичной обмотки можно получить напряжение высокого качества, то есть очень близкое к синусоиде.
В прототипе возможно замыкание соседних листов (витков) среднего магнитопровода листами наклеиваемых зубцов, в свою очередь, соседние листы зубцов могут быть замкнуты листами среднего магнитопровода, так как средний магнитопровод и зубцы сопрягаются прижиманием друг к другу. Слой клея между зубцами и средним магнитопроводом не гарантирует отсутствие электрического контакта между ними. Аналогичным образом может возникнуть электрическое замыкание соседних листов прижимающихся друг к другу бокового магнитопровода и зубцов. Шлифовка торцевых поверхностей среднего магнитопровода, зубцов и витого магнитопровода, как показывает практика, также приводит к замыканию соседних листов магнитопровода в плоскости шлифования. Вследствие этого в прототипе неизбежно возникновение токов Фуко. В предлагаемом многофазном трансформаторе исключено взаимное замыкание соседних листов одного элемента шихтованного магнитопровода листами другого элемента, так как стыковка большого и малого листов внутреннего магнитопровода с соответствующим сегментом внешнего магнитопровода осуществляется в разных поверхностях, и контакт возможен только двух листов в одной плоскости. Для изготовления элементов магнитопровода предлагаемого многофазного трансформатора не требуется шлифовка. Значит, потери на токи Фуко в предлагаемом трансформаторе меньше. В предлагаемом многофазном трансформаторе листы внутреннего и внешнего магнитопровода собираются до полного контакта и между элементами магнитопровода практически отсутствует технологический зазор. Вследствие этого кпд и коэффициент мощности предлагаемого многофазного трансформатора будет выше, чем у прототипа.
Конструкция предлагаемого многофазного трансформатора проще и более технологична, так как исключается операция шлифовки и склеивание магнитопровода из отдельных фрагментов. Все детали магнитопровода трансформатора изготавливаются наиболее простым и дешевым способом - штамповкой. Следовательно, заявляемый многофазный трансформатор проще по конструкции, более технологичный при изготовлении и более дешевый, чем прототип.
Для упрощения сборочных операций большой лист 1 и малый лист 5 внутреннего магнитопровода можно изготовить из листовой электротехнической стали с немного большей толщиной листа, чем толщина листов части 6 и части 7 внешнего магнитопровода. В этом случае зазор между соседними листами 1 внутреннего магнитопровода увеличится, и между ними будет проще вставлять части 6 и части 7.
Источники информации
1. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. Часть вторая. Машины переменного тока / Энергия, Ленинградское отделение, 1973, 648 с.