ИМПУЛЬСНЫЙ НИЗКОПРОФИЛЬНЫЙ ТОРОИДАЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике, а именно к силовым высокочастоным тороидальным трансформаторам и преимущественно предназначена для использования в сильноточных модульных частотных низкопрофильных генераторах мегаваттного диапазона мощностей с программно регулируемыми характеристиками для систем с точным, мощным и контролируемым процессом:
- генераторах технологического тока для высокочастотной размерной электрохимической обработки по технологии рЕСМ специализированных материалов в т.ч. гамматитанидов, интерметаллидных и наноструктурированных и др.;
- источниках высокочастотной энергии высокой плотности и сильных токов для общепромышленных и специальных технологических схем в т.ч. научных экспериментов в области ядерных исследований и нанотехнологий;
- генераторах технологического тока для магнитно-импульсного упрочнения крупногабаритных сложнопрофильных деталей и узлов типа газотурбинных лопаток, блисков, блингов, а также железнодорожных рельсовых путей большой протяженности;
- системах с магнитными подшипниками для подвеса без смазки крупногабаритных роторов и работоспособных в условиях жестких ливневых потоков радиации;
- системах сварки трением при наложении сильного магнитного поля, а так же сварочных генераторов для ремонта блисков и блингов - габаритных деталей газотурбинных установок;
- в системах высокоточной термосборки композиций из специальных и др. материалов;
- в системах для высокопроизводительного и высокочувствительного неразрушающего контроля дефектов крупногабаритных заготовок и деталей из труднообрабатываемых материалов;
- в системах адаптивной защиты нефте-газопроводов большой протяженности с помощью сильных электрических и магнитных полей;
- энергоустановках мобильных объектов в т.ч. подводных лодок;
- генераторах сейсмических колебаний и др.
Известны трансформаторные устройства, содержащие тороидальный сердечник, на котором располагаются первичная обмотка и один виток сильноточной вторичной обмотки, выполненный в виде стержня, проходящего через окно сердечника [1].
Данное устройство имеет невысокий КПД и повышенный коэффициент рассеяния, увеличивающийся по мере роста частотного диапазона. Этот конструктивный недостаток обусловлен тем, что виток вторичной обмотки обладает значительным активным, индуктивным сопротивлением и повышенным рассеянием магнитного поля вторичной обмотки.
В качестве прототипа выбрано трансформаторное устройство, содержащее тороидальный трансформатор и токоподводящие шины, соединяющие трансформатор с нагрузкой. Вторичная одновитковая обмотка трансформатора образована двумя бифилярно расположенными и электрически соединенными между собой электропроводными пластинами. В кольцеобразном углублении, выполненном по меньшей мере в одной из пластин, размещены тороидальный сердечник с распределенной по его поверхности первичной обмоткой. Изолированные друг от друга и от вторичной обмотки токоподводящие шины образованы участками бифилярно расположенных пластин, находящихся снаружи трансформатора [2].
В варианте симметричной конструкции токоподводящих шин, когда используются две идентичные заготовки, затруднено обеспечение гарантированно воспроизводимой низкой индуктивности рассеяния и контролируемой прочности электрической изоляции между первичной обмоткой находящейся под высоким (~1600 В) напряжением при сложной сборке с магнитопроводами из хрупких аморфных и нанокристаллических сплавов.
Более свободный доступ к местам крепления пластин допускает несимметричная конструкция шин вторичной обмотки. При несимметричной конструкции упомянутых шин, когда углубление сформировано только на одной пластине, картина растекания тока в электрически соединенных между собой электропроводных пластинах будет несколько различаться, в результате возможна лишь частичная компенсация индуктивности упомянутых шин. В случае относительно невысоких рабочих частот (порядка нескольких кГц) эффект частичной компенсации может оказаться достаточным, а в области высоких частот мегагерцового диапазона использование несимметричной конструкции шин будет неоправданным, поскольку приведет к повышению коэффициента рассеяния магнитного потока и увеличению импеданса вторичной обмотки, что скажется на снижении габаритной мощности трансформатора и повышенных тепловых потерях при одновременном значительном отклонении формы передаваемых импульсов тока /напряжения от прямоугольной, что сужает/ограничивает области применения импульсного низкопрофильного тороидального трансформатора.
Недостатком трансформаторного устройства, выбранного прототипом предлагаемой полезной модели является то, что габаритная мощность и частотный диапазон низкие, коэффициент рассеяния магнитного потока высокий, распределенная по поверхности тороидального сердечника первичная обмотка не обладает бифилярными свойствами, существенно затруднена сборка устройства при применении магнитопроводов из аморфных и нанокристаллических сплавов.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение габаритной мощности, расширение частотного диапазона трансформатора до мегагерцового, снижение коэффициента рассеяния магнитного потока и упрощение сборки устройства при применении магнитопроводов из аморфных и нанокристаллических сплавов.
Поставленная задача решается тем, что в импульсном низкопрофильном тороидальном трансформаторе, включающем первичную обмотку, тороидальный магнитный сердечник, уложенный внутри вторичной бифилярной одновитковой обмотки размещенной в углублении кольцеобразной формы, магнитный сердечник выполнен из двух симметричных тороидальных магнитопроводов электрически изолированных друг от друга, причем тороидальные магнитопроводы вложены в углубление кольцеобразной формы штампованных пластин вторичной обмотки, выполненных из материала с высокой электропроводностью, причем вторичная обмотка выполнена из двух кольцеобразных обойм, имеющих П-образное сечение и скрепленных по периметру их внутреннего диаметра и изолированных друг от друга по внешнему диаметру, образуя токовыводы и замкнутых по внутреннему диаметру, образуя виток, а первичная обмотка, охватывающая вторичную также выполнена из материала с высокой электропроводностью и изготовлена из отдельных радиально расположенных по окружности штампованных трапецеидальных взаимно электрически изолированных друг от друга и от вторичной обмотки лепестков с ребрами жесткости и механически скрепленных между собой.
Технический результат заключается в увеличении габаритной мощности, гарантированно воспроизводимых индуктивности рассеяния и оптимизированного коэффициента магнитной связи, обеспечивающих частотные свойства импульсного низкопрофильного тороидального трансформатора в широком диапазоне коэффициентов трансформации, частот и длительностей передаваемых импульсов, в том числе при работе трансформатора в режиме тройного резонанса при одновременном существенном уменьшении нагрева трансформатора и паразитного электромагнитного излучения.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого силового импульсного трансформатора, а на фиг. 2 - его поперечный разрез.
Импульсный низкопрофильный тороидальный трансформатор имеет тороидальный магнитный сердечник 1 (фиг. 1), выполненный из двух соединенных в тороид симметричных частей, электрически изолированных друг от друга. Обе части тороидального магнитного сердечника 1 представляют собой тороиды из хрупкого аморфного нанокристаллического сплава типа ГМ 414 кл. 3. Тороиды сердечника 1 изолированы друг от друга изолятором 2.
Обе части тороидального сердечника 1 вложены в углубления кольцеобразной формы штампованных пластин одновитковой бифилярной вторичной обмотки 3, выполненной из меди M1, обладающей высокой электропроводностью.
Понижающая бифилярная одновитковая вторичная обмотка 3 (фиг. 1) выполнена из двух кольцеобразных обойм имеющих П-образное сечение и по периметру их внутреннего диаметра сжатых с усилием 100 МПа и изолированных друг от друга по внешнему диаметру, образуя токовыводы и замкнутых по внутреннему диаметру, образуя виток.
Первичная обмотка 4, охватывающая вторичную обмотку 3 также выполнена из электротехнической меди M1 и изготовлена из отдельных радиально расположенных по окружности штампованных трапецеидальных взаимно электрически изолированных друг от друга и от вторичной обмотки лепестков 5 с ребрами жесткости и механически скрепленных между собой.
Лепестки 5 первичной обмотки 4 покрывают площадь вторичной обмотки 3 по условиям оптимального коэффициента магнитной связи при минимальной (по пробивному напряжению) толщине межобмоточной изоляции ~250 мкм и конгруэнтно ориентированы друг относительно друга по угловому расположению для создания бифилярного эффекта.
Между магнитным сердечником 1 и вторичной обмоткой 3 расположен слой изолятора 6, изготовленного из имидофлекса толщиной 0,25 мм и залитого кремнийорганическим компаундом, а между первичной 4 и вторичной 3 обмотками имеется слой изолятора 7 из имидофлекса толщиной 0,25 мм.
Сборка предлагаемого трансформатора осуществляется из штампованных лепестков 5 первичной обмотки 4 и бифилярной одновитковой вторичной обмотки 3, внутри которой уложен тороидальный магнитный сердечник 1.
Импульсный низкопрофильный тороидальный трансформатор работает следующим образом. К первичной обмотке 4 подводится напряжение повышенной частоты, под действием которого в ней возникает ток, создающий магнитный поток и индуктирующий пониженное напряжение на выводах вторичной одновитковой обмотки 3.
Использование предлагаемой полезной модели позволит повысить габаритную мощность низкопрофильного тороидального трансформатора, уменьшить его нагрев и паразитное электромагнитное излучение, расширить частотный диапазон, существенно снизить габариты и высоту трансформатора, упростить его сборку при использовании магнитопроводов из аморфных и нанокристаллических сплавов, гарантированно воспроизводить низкие индуктивности рассеяния и оптимизированные коэффициенты магнитной связи, обеспечивающих частотные свойства импульсного низкопрофильного трансформатора.
Использованные источники информации:
2. А.с. N 230960 (СССР), МКИ H01F 27/02, 1968
3. Патент Российской Федерации №2122760 МПК H01F 19/04, H01F 30/16 (прототип).