Трехфазный пространственный шихтованный магнитопровод
THREE-PHASE SPATIAL LAMINATED MAGNETIC CORE

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве многофазной магнитной системы электрооборудования, материалом изготовления которой является листовая электротехническая сталь или сплав в виде ленты.
Повышение КПД, 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. Типовым приемом является изготовление магнитопроводов со стержнями в поперечном сечении в виде многоугольника, круга или специального эллипса, что способствует более полному заполнению окна обмоток и минимизации массы и габаритов трансформаторов, уменьшению тепловых потерь в железе магнитопроводов и в меди обмоток, и как следствие увеличению КПД и ресурсной надежности.
Известна конструкция трехфазного магнитопровода, в которой применен набор лент разной ширины (патент РФ 2444801, H01F 3/04, 10.03.2012, Бюл. №7) с образованием в поперечном сечении магнитопровода ступенчатого многоугольника с целью уйти от квадратного поперечного сечения стержней для увеличения коэффициента заполнения окна обмоток силовых трансформаторов и дросселей.
Известна конструкция пространственного трехфазного магнитопровода с навивкой стержней магнитопровода по отдельности и с последующей сборкой в пространственный магнитопровод: ярмо нижнее, три стержня, ярмо верхнее и три стяжки [патент РФ №2237306, H01F 3/04, 27.09.2004].
Недостатком конструкции является наличие большого количества воздушных стыков, идущих поперек линий магнитного поля, и снижение из-за этого КПД трансформаторов. Кроме того, для силовых трансформаторов при большой мощности требуется значительная площадь поперечного сечения магнитопровода и, следовательно, значительная масса составных элементов. Закрепление этих массивных элементов при сборке трехфазного пространственного магнитопровода требует применения набора соответствующих силовых крепежных узлов, что значительно увеличивает общую массу магнитопровода и последующего трансформатора или дросселя. При эксплуатации на электроустановках такая сборная конструкция, состоящая из массивных элементов, ослабляется в местах крепления из-за появляющихся люфтов и приводит к разрушению целостности магнитопровода и, в итоге, к электрической аварии трансформатора.
Прототипом является трехфазный пространственный ленточный магнитопровод, содержащий три кольцевых О-образных сегмента, получаемых навивкой из ленты переменной ширины [патент РФ №2714676, H01F 3/04, 27/25, Бюл. №5, 2019]. Три кольцевых О-образных сегмента имеют каждый дугообразную поверхность и четыре плоские грани, противолежащие из которых образуют угол 120° между собой. О-образные сегменты попарно соединены с образованием трех стержней магнитопровода с круговым поперечным сечением. Лента для навивки О-образного сегмента имеет геометрическую форму, описываемую параметрической зависимостью. Коэффициент заполнения окна обмоток равен предельному значению - единице, при этом уменьшается длина витков проводов обмоток до минимально возможной, уменьшаются размеры ярма магнитопровода, уменьшается масса меди обмоток и железа магнитопровода уменьшается суммарная масса трансформатора и суммарное тепловыделение, что приводит к повышению КПД с сохранением надежности функционирования при длительной эксплуатации.
Недостатком прототипа является тот факт, что для изготовления магнитопроводов промышленных трансформаторов с частотой тока 50 Гц ширина рулонов тонкой ленты оказывается недостаточной для промышленных мощностей.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка такой конструкции трехфазного пространственного магнитопровода, которая позволила бы обойти ограничение по мощности из-за ограниченной ширины изготавливаемых в промышленности рулонов ленты.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение мощности изготовляемых трехфазных пространственных магнитопроводов для промышленных трансформаторов с частотой тока 50 Гц с сохранением повышенного КПД и надежности функционирования при длительной эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что трехфазный пространственный шихтованный магнитопровод содержит три одинаковых кольцеобразных сегмента, которые попарно соединены с образованием трех стержней магнитопровода с круговыми поперечными сечениями, при этом кольцеобразный сегмент состоит из листовых плоских элементов, каждый листовой плоский элемент представляет собой прямоугольник с прямоугольным окном и имеет размеры, описываемые параметрической зависимостью:
где i = 1, 2,…3r/2δ - порядковый номер слоя листового плоского элемента в поперечном сечении кольцеобразного сегмента, собираемого последовательным их наложением;
δ - толщина листового плоского элемента;
r - радиус поперечного сечения стержней магнитопровода;
А x В - ширина и высота окна кольцеобразного сегмента магнитопровода;
внутр
x - полуширина окна i-го листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента;
внеш
x - полуширина внешнего размера i-го листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента;
внутр
y - полувысота окна каждого листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента;
внеш
y - полувысота внешнего размера каждого листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента.
Кольцеобразные сегменты могут быть выполнены разрезными по зоне стержней магнитопровода. Кроме того, листовой плоский элемент может быть выполнен составным из четырех полос, сложенных в виде прямоугольника с прямоугольным окном.
Три попарно сложенных кольцеобразных сегмента образуют три стержня магнитопровода с круговыми поперечными сечениями. При этом магнитные силовые линии нигде не пересекают воздушные зазоры, а распространяются вдоль их, что способствует сохранению более высокого КПД трансформатора.
внутр
внеш
На верхнем и нижнем ярме кольцеобразных сегментов листовые плоские элементы вырезают по одинаковым соотношениям для y и y. Получаются плоские поверхности, перпендикулярные вертикальной оси магнитопровода.
Кольцеобразный сегмент собирают из листовых плоских элементов. Они вырезаны из тонколистовой электротехнической стали или сплава. Для промышленной частоты 50 Гц применяется электротехническая сталь толщиной от 0,3 мм в рулонах шириной до 0,5 м или более толстая сталь до 0,8÷1,0 мм в листах до 1,0 м шириной и 2,0 м длиной. Из такой стали можно изготовить листовые плоские элементы значительных размеров и, собирая их в кольцеобразные сегменты, изготовить трехфазный пространственный шихтованный магнитопровод мощностью на сотни киловатт. Для специальных энергоустановок, работающих при повышенной частоте 400 Гц и более, применяются специальные сплавы для изготовления магнитопроводов, ширина ленты в рулонах 0,4 м и менее, толщина ленты 0,35 мм и менее.
Кольцеобразные сегменты могут быть выполнены разрезными по зоне стержней магнитопровода. Наиболее технологична зона по оси симметрии, тогда обе разрезные части кольцеобразного сегмента будут равными половинками.
Применяя составные листовые плоские элементы можно изготовить магнитопроводы мощностью до десятимегаваттного и более уровня трансформаторов промышленных электростанций с частотой тока 50 Гц.
На фиг. 1 приведено сечение трехфазного пространственного магнитопровода с круговым поперечным сечением стержней. На фиг. 2 приведено сечение кольцеобразного сегмента. На фиг. 3 представлен общий вид кольцеобразного сегмента. На фиг. 4 приведена выкройка листового плоского элемента. На фиг. 5 показан общий вид трехфазного пространственного магнитопровода (в аксонометрии).
Укладывая друг на друга листовые плоские элементы по порядку увеличения параметра i, вырезанные в соответствии с параметрической зависимостью, собирают кольцеобразный сегмент (фиг. 2, 3). Базой для сборки является упор для верхнего или нижнего ярма. Параметрическая зависимость описывает изменяющиеся размеры листового плоского элемента (фиг. 4):
где i = 1, 2,…3r/2δ - порядковый номер слоя листового плоского элемента в поперечном сечении кольцеобразного сегмента, собираемого последовательным их наложением;
δ - толщина листового плоского элемента;
r - радиус поперечного сечения стержней магнитопровода;
А x В - ширина и высота окна кольцеобразного сегмента магнитопровода;
внутр
Х - полуширина окна i-го листового плоского элемента относительно центра
симметрии выкройки листового плоского элемента;
внеш
Х - полуширина внешнего размера i-го листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента;
внутр
У - полувысота окна каждого листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента;
внеш
У - полувысота внешнего размера каждого листового плоского элемента относительно центра симметрии выкройки листового плоского элемента.
Толщина кольцеобразного сегмента магнитопровода при сборке увеличивается и достигает своего окончательного размера, равного z = iδ = 3r/2. При этом габаритные внешние размеры кольцеобразного сегмента равны . При попарном сложении трех кольцеобразных сегментов (фиг. 2, 3) образуются три стержня пространственного магнитопровода с круговыми поперечными сечениями радиусом r (фиг. 1, 5).
Наложение бандажа на стержни делает конструкцию магнитопровода и трансформатора жесткой и прочной без применения дополнительных крепежных узлов.
Вырезка листовых плоских элементов (фиг. 4) или их частей проводится лазерными резаками. Станки с ЧПУ и одним режущим лазером предлагаются для раскроя тонколистовой и электротехнической стали, например, Научно-производственной компанией «Рапид». Возможно применение оборудования лазерных станков с ЧПУ фирм Bodor, CNC Technology, Trumpt и др. Для особо крупных магнитопроводов заготовка составных частей листовых плоских элементов может проводиться на гильотинных ножницах, в виде полос переменных размеров. Во всех случаях управление режущими элементами происходит посредством программируемых цифровых приводов.
Верхнее и нижнее ярмо трехфазного пространственного магнитопровода выполняют с плоскими поверхностями, перпендикулярными вертикальной оси магнитопровода. Верхнее и нижнее ярмо имеет прямоугольное сечение площадью, равной площади половины кругового поперечного сечения стержня, т.е. при толщине кольцеобразного сегмента 3r/2 высота сечения равна πr/3. Опорная поверхность образуется на всей толщине каждого кольцеобразного сегмента.
внеш
внутр
Сборку кольцеобразного сегмента проводят из листовых плоских элементов, вырезаемых по порядку возрастания параметра i. В конце сборки ширина стержня, равная разности (x - x), стремится к нулю. Поэтому сборку заканчивают на минимальном технологическом размере ширины листового плоского элемента в области стержня, не доходя до предельного значения параметра i = 3r/2δ. Аналогичная ситуация может возникать в начале сборки, которую начинают не с начального значения параметра i = 1.
В некоторых случаях для удобства изготовления силовых обмоток трансформатора магнитопровод собирают из кольцеобразных сегментов и затем разрезают по зоне стержней магнитопровода, или же заранее делают разрезные половинные листовые плоские элементы с применением выкроек для односторонней полувысоты всех листовых плоских элементов (в параметрической зависимости это один знак: или плюс или минус). После замоноличивания собирают нижнюю часть магнитопровода, из трех половинок кольцеобразных сегментов и после шлифовки сопрягаемых торцевых поверхностей устанавливают силовые обмотки, затем устанавливают верхнюю часть магнитопровода, собранную также из трех половинок кольцеобразных сегментов, и закрепляют всю сборку центральной осевой стяжкой.
Применение составных листовых плоских элементов из четырех полос, сложенных в виде прямоугольника с прямоугольным окном, позволяет еще более значительно поднять уровень мощности трансформаторов, увеличивая площадь поперечного сечения магнитопровода, при этом используя выпускаемый промышленностью электротехнический материал в виде листов и рулонов фиксированных размеров.
Конструкция пространственного магнитопровода обладает положительным свойством - симметричностью по магнитному полю и, как следствие, трансформатор, собранный на его основе, обладает электрической симметричностью и равенством фазных напряжений электрического тока.
Предложенная конструкция трехфазного пространственного шихтованного магнитопровода с круговым поперечным сечением стержней способствуют минимизации массы, габаритов и собственного тепловыделения силовыми трансформаторами и обеспечивает, тем самым, повышение КПД и ресурсную надежность, что существенно важно для промышленной и специальной энергетики. При этом конструкция позволяет изготовить трехфазные пространственные шихтованные магнитопроводы для промышленных трансформаторов мощностью в десятки и более мегаватт при рабочей частоте 50 Гц.