ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ МОДУЛЬ МАГНИТОПРОВОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСФОРМАТОРА, МАГНИТОПРОВОД, СОДЕРЖАЩИЙ УКАЗАННЫЙ ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ МОДУЛЬ, И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ТРАНСФОРМАТОР, СОДЕРЖАЩИЙ УКАЗАННЫЙ ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ МОДУЛЬ
ELEMENTARY MAGNETIC WIRING MODULE OF ELECTRIC TRANSFORMER, MAGNETIC WIRE CONTAINING THE MENTIONED ELEMENTARY MODULE, AND ITS MANUFACTURING METHOD AND TRANSFORMER, CONTAINING THE MENTIONED ELEMENTARY MODULE

Изобретение относится к области электрических трансформаторов, выполненных с возможностью установки на борту летательных аппаратов. Их функцией является гальваническая развязка между сетью источника и бортовыми электрическими и электронными системами, а также преобразование напряжения между первичной цепью (сторона сети питания от бортового генератора/бортовых генераторов) и одной или несколькими вторичными цепями. Кроме того, эти трансформаторы могут быть «выпрямителями» по выходной функции на основе электронных компонентов, чтобы выдавать постоянное напряжение на некоторые бортовые приборы.
Бортовые низкочастотные (≤ 1 кГц) электрические трансформаторы в основном состоят из магнитопровода из магнитомягкого сплава, выполненного пластинчатым, шихтованным или намотанным в зависимости от конструктивных требований, и из первичной и вторичной(ых) обмоток из меди. Первичные токи питания являются переменными во времени, периодическими, но не обязательно имеют чисто синусоидальную форму, что фундаментально не меняет потребности трансформатора.
Эти трансформаторы должны удовлетворять многим условиям.
Они должны иметь как можно меньшие объем и/или массу (как правило, тесно связанные между собой), следовательно, как можно большую плотность мощности на единицу массы или объема. Чем ниже рабочая частота, тем больше сечение магнитного ярма магнитного ярма и объем (и, следовательно, также масса) этого ярма, что порождает интерес к его миниатюризации в низкочастотных вариантах применения. Поскольку очень часто основная частота является заданной величиной, это приводит к получению максимально большого рабочего магнитного потока, или, если заданной величиной является выдаваемая электрическая мощность, это приводит к максимальному уменьшению проходного сечения для магнитного потока (и, следовательно, массы материалов) все с той же целью увеличения мощности на единицу массы за счет уменьшения полетной массы.
Они должны иметь достаточный срок службы (минимум 10-20 лет в зависимости от вариантов применения), чтобы их можно было считать рентабельными. По этой причине необходимо учитывать термический режим работы относительно старения трансформатора. Как правило, желателен минимальный срок службы 100 000 часов при 200°С.
Трансформатор должен работать в сети питания в общем с синусоидальной формой колебаний и с амплитудой эффективного выходного напряжения, которая может меняться, от одного момента к другому, в переходном режиме до 60% и, в частности, во время подачи напряжения на трансформатор или во время резкого включения электромагнитного привода. В результате и в соответствии с конструкцией, это вызывает пусковой тока в первичной обмотке трансформатора вследствие нелинейной кривой намагничивания магнитопровода. Элементы трансформатора (изолятор и электронные компоненты) должны обладать способностью выдерживать без повреждения сильные перепады этого пускового тока, называемые «эффектом пуска».
Шум, производимый трансформатором по причине электромагнитных сил и магнитострикции, должен быть достаточно низким, чтобы соответствовать действующим нормам или чтобы отвечать требованиям пользователей или персонала, находящегося вблизи трансформатора. В последнее время пилоты и вторые пилоты летательных аппаратов предпочитают общаться друг с другом не через шлемофоны, а напрямую.
Термический КПД трансформатора тоже имеет большое значение, так как он устанавливает одновременно его внутреннюю рабочую температуру и потоки тепла, которые необходимо удалять, например, при помощи масляной ванны, окружающей обмотки и ярмо, и масляных насосов, имеющих для этого соответствующие параметры. Источниками тепловой мощности в основном являются джоулевы потери на первичных и вторичных обмотках и магнитные потери, связанные с колебаниями магнитного потока во времени dФ/dt и в магнитном материале. В промышленной практике предназначенная для удаления тепловая мощность на единицу объема ограничена определенным порогом, зависящим от размера и мощности масляных насосов и от предельной внутренней рабочей температуры трансформатора.
Наконец, стоимость трансформатора должна оставаться как можно меньшей, чтобы обеспечивать наилучший технико-экономический компромисс между стоимостью материалов, разработки, изготовления и обслуживания и оптимизацией электрической мощности (на единицу массы или объема) устройства посредством учета теплового режима трансформатора.
800
Как правило, стремятся добиться максимально возможной плотности мощности на единицу массы/объема. Основными критериями, принимаемыми во внимание для ее оценки, являются намагниченность насыщения Js и магнитная индукция при 800 А/м В.
В настоящее время применяют две технологии изготовления бортовых низкочастотных трансформаторов.
В соответствии с первой из этих технологий трансформатор содержит одну намотанную магнитную цепь, если питание является однофазным. Если питание является трехфазным, структуру магнитопровода трансформатора выполняют при помощи двух прилегающих друг к другу тороидальных магнитопроводов, окруженных третьим намотанным тором, образующим «8» вокруг двух предыдущих тороидальных магнитопроводов. На практике эта форма цепи требует незначительной толщины магнитного листа (обычно 0.1 мм). На самом деле эту технологию применяют, только когда частота питания заставляет, с учетом наведенных токов, использовать полосы этой толщины, то есть, как правило, при частотах в несколько сот герц.
В соответствии с второй из этих технологий используют шихтованную магнитную цепь, независимо от предусматриваемых значений толщины магнитных листов. Таким образом, эта технология подходит для любой частоты ниже нескольких кГц. Однако следует уделять особое внимание удалению заусенцев, расположению с прилеганием и даже эффективной изоляции листов, чтобы одновременно уменьшить паразитные зазоры (и, следовательно, оптимизировать кажущуюся мощность) и ограничивать наведенные токи между листами.
В одной или другой из этих технологий в бортовых силовых трансформаторах, независимо от предусмотренной полосы, используют высокопроницаемый магнитомягкий материал. Семейства этих материалов существуют в диапазонах толщины от 0,35 мм до 0,1 мм и даже до 0,05 мм и четко различаются по своим химическим составам:
- сплавы Fe-3% Si (в всем тексте составы сплавов указаны в массовых %, за исключением состава нанокристаллических сплавов, о которых речь пойдет ниже), хрупкость и удельное электрическое сопротивление которых в основном контролируют за счет содержания Si; их магнитные потери являются достаточно низкими (сплавы с неориентированными кристаллами N.O.) и низкими (сплавы с ориентированными кристаллами G.O.), их намагниченность насыщения Js является высоким (порядка 2 Тл), их стоимость является очень умеренной; существуют два подсемейства Fe-3% Si, используемые либо для одной технологии магнитопровода бортового трансформатора, либо для другой:
- сплавы Fe-3% Si с ориентированными кристаллами (G.O.), используемые для структур бортового трансформатора типа «намотанных»: их высокая проницаемость (В800 = 1.8 - 1.9 Тл) связана с их ярко выраженной текстурой {110} <110>; эти сплавы являются недорогими, легко деформируются, имеют высокую проницаемость, но их насыщение ограничено значением 2 Тл, и они имеют выраженную нелинейность кривой намагничивания, которая может приводить к очень высоким гармоникам;
- сплавы Fe-3% Si с неориентированными кристаллами (N.O.), используемые для структур бортового трансформатора типа «разрезных-шихтованных»; их проницаемость является меньшей, их намагниченность до насыщения аналогично сплавам G.O.;
- сплавы Fe-48% Co-2% V, хрупкость и удельное электрическое сопротивление которых регулируют при помощи ванадия; их высокая магнитная проницаемость связана не только с их физическими характеристиками (низкая магнитокристаллическая анизотропия К1), но также с охлаждением после конечного отжига, которое доводит К1 до очень низкого значения; с учетом их хрупкости, как только они остаются в течение нескольких секунд при 400-700°С, этим сплавам необходимо придавать форму в состоянии холодной деформации (путем резания, штамповки, сгибания…), и только после того, как деталь получает свою конечную форму (ротор или статор вращающейся машины, Е-образный или I-образный профиль трансформатора), материал подвергают отжигу на последнем этапе; кроме того, учитывая присутствие V, необходимо идеально контролировать качество атмосферы отжига, чтобы она не была окисляющей; наконец, очень высокая стоимость этого материала (в 20-50 раз дороже, чем Fe-3% Si - G.O.) связана с присутствием Со и в основном пропорциональна содержанию Со.
Кроме этих двух семейств материалов с высокой проницаемостью (Fe-3% Si G.O. и Fe-48% Co-2% V), используемых в настоящее время в основном в бортовых низкочастотных силовых трансформаторах, иногда используют аморфные материалы на основе железа, если требование к термическим параметрам (рассеяние, магнитные потери) является очень высоким, что вынуждает намного снижать плотность мощности (Js = 1,88Тл). Аморфные материалы используют только в намотанных цепях.
Уже давно известно, что добавление Со в железо повышает магнитное насыщение сплава, которое достигает 2,4 Тл при значениях содержания 30-50% Со, следовательно, можно было бы предложить использовать в бортовых трансформаторах другие материалы на основе FeCo, содержащие меньше кобальта, чем Fe-48% Co-2% V.
3
К сожалению, выяснилось, что эти сплавы с меньшим содержанием Со имеют магнитокристаллическую анизотропию в несколько десятков кДж/м, что не позволяет получать высокую проницаемость в случае случайного распределения конечной кристаллографической ориентации. В случае магнитных листов с содержанием Со менее 48% для среднечастотных бортовых трансформаторов уже давно известно, что шансы на успех неизбежно связаны с остроугольной текстурой, отличающейся тем, что в каждом кристалле ось <100> очень близка к направлению прокатки. Текстура {110}<001>, полученная Госсом в 1946 году в сплавах Fe-3% Si путем вторичной рекристаллизации, является наглядным тому доказательством: однако лист не должен был содержать кобальта.
800
Позже в документе US-А-3 881 967 было показано, что при добавлении 4-6% Со и 1-1,5% Si и тоже при применении вторичной рекристаллизации можно получить высокие значения проницаемости: В800 = 1,98 Тл, то есть выигрыш в 0.02 Тл/% Со при 800 А/м по сравнению с наиболее совершенными современными листами Fe-3% Si G.O. (В10 = 1,90Тл). Однако очевидно, что увеличение В только на 4% не достаточно для существенного облегчения трансформатора. Для сравнения можно указать, что оптимизированный сплав Fe-48% Co-2% V для трансформатора имеет В800 приблизительно 2,15 Тл ± 0,05 Тл, что позволяет увеличить магнитный поток при 800 А/м и при одном и том же сечении ярма примерно на 13% ± 3%, при 2500 А/м примерно на 15% и при 5000 А/м примерно на 16%.
800
100
Необходимо также отметить присутствие в сплавах Fe-3% Si G.O. крупных зерен в результате вторичной рекристаллизации и очень небольшое различие в ориентации между кристаллами, допускающее значение В в 1,9 Тл, с одновременным наличием коэффициента магнитострикции λ, намного превышающего 0. Это делает материал очень чувствительным к напряжениям при монтаже и во время работы, что в промышленной практике приводит к значению В800 сплава Fe-3% Si G.O. во время работы бортового трансформатора примерно в 1,8 Тл. Это относится также к сплавам из документа US-А-3 881 967. Кроме того, сплав Fe-48% Co-2% V имеет коэффициенты магнитострикции с амплитудой в 4-5 раз больше, чем сплав Fe-3% Si, но характеризуется случайным распределением кристаллографической ориентации и небольшим размером зерен (несколько десятков микрон), что делает его еще более чувствительным к слабым напряжениям и, следовательно, не снижает существенным образом В800 во время работы.
Таким образом, во время работы необходимо учитывать, что замена сплава Fe-3% Si G.O. на сплав Fe-48% Co-2% V приводит к увеличению магнитного потока постоянного сечения бортового трансформатора примерно на 20-25% при амплитудах рабочего поля от 800 до 5000 А/м, то есть дает увеличение магнитного потока примерно на 1% на 1% Со, но, как было указано выше, это общее увеличение (4%) является слишком слабым, чтобы оправдать разработку этого материала.
В документе US-А-3 843 424 было предложено использовать сплав Fe-5-35% Co, содержащий менее 2% Cr и менее 3% Si и имеющий текстуру Госса, полученную путем первичной рекристаллизации и за счет нормального роста зерна. Были указаны составы Fe-25% Co-0.6% Cr или Fe-18% Co-0.6% Cr, позволяющие достичь 2.08 Тл при 800 А/м и 2.3Тл при 8000 А/м. По сравнению с листом Fe-3% Si G.O., работающим с 1.8 Тл при 800А/м и с 1.95 Тл при 5000 А/м, эти значения позволили во время работы увеличить на 15% при 800 А/м и на 18% при 5000 А/м магнитный поток в данном сечении ярма и, следовательно, настолько же уменьшить объем или массу трансформатора. Так, были предложены несколько составов и способов изготовления сплавов Fe с низким содержанием Со ( с возможными добавками легирующих элементов), позволяющих в целом получить значения магнитной индукции при 800 А/м, близкие к значениям, доступным при использовании имеющихся в продаже сплавов Fe-48% Co-2% V, но по существу с меньшим содержанием Со (и, следовательно, более низкой себестоимости) (18-25%).
Вкратце различные проблемы, с которыми сталкиваются конструкторы трансформаторов, можно представить следующим образом.
В отсутствие строго требования к шуму, связанному с магнитострикцией, компромисс между требованиями к низкому эффекту пуска, высокой плотности мощности на единицу массы трансформатора, высокому КПД и низким магнитным потерям приводит к применению решений, в которых используют ленточные магнитопроводы из Fe-Si G.O., из Fe-Co или из аморфных сплавов на основе железа, или решения, в которых используют магнитопроводы в виде вырезанных и шихтованных деталей из Fe-Si N.O или из Fe-Co.
t
t
Однако, поскольку эти требования к низкому шуму магнитострикции предъявляются все чаще, удовлетворить их можно только путем применения предыдущих технологий, то есть за счет увеличения объема и массы трансформатора, так как пока невозможно снизить шум иначе, кроме как уменьшив среднюю рабочую индукцию B, то есть увеличив сечение магнитопровода и общую массу, чтобы сохранить одинаковый рабочий магнитный поток. Необходимо снизить B примерно до 1 Тл вместо 1,4-1,7 Тл для сплавов Fe-Si или Fe-Co в отсутствие требований к шуму. Часто приходится также обкладывать трансформатор, что приводит к увеличению его веса и его габарита.
t
На первый взгляд, решить эту проблему позволил бы материал с нулевой магнитострикцией при условии получения рабочей индукции, превышающей индукцию в известных решениях. Такую низкую магнитострикцию имеют только сплавы Fe-80% Ni с индукцией насыщения Js около 0,75 Тл и так называемые нанокристаллические сплавы «с циклом низкой крутизны», значение Js которых равно примерно 1,26 Тл. Однако сплавы Fe-80%Ni имеют слишком низкую рабочую индукцию B, чтобы получить трансформаторы, более легкие, чем известные трансформаторы. Только нанокристаллические сплавы позволяют добиться этого облегчения при одновременном соблюдении требования низкого шума.
Следует напомнить, что материал с циклом гистерезиса низкой крутизны является материалом, в котором цикл гистерезиса B = f(H) является таким, что его крутизна является относительно пологой и может даже перекрывать ось абсцисс Н.
Однако основная проблема этих нанокристаллических сплавов возникает в случае решения «бортового трансформатора». Их толщина составляет примерно 20 мкм, и их наматывают в виде тора в мягком аморфном состоянии вокруг жесткой опоры, чтобы форма тора сохранялась в течение всей термической обработки, приводящей к нанокристаллизации. Эту опору можно удалить только после термической обработки, опять-таки чтобы сохранить форму тора, а также поскольку тор затем часто разрезают на две части для обеспечения лучшей компактности трансформатора, используя вышеупомянутую технологию намотанной цепи. Только смолы пропитки намотанного тора позволяют сохранить его форму в отсутствие опоры, которую извлекают после полимеризации смолы. Однако после вырезания в виде С пропитанного и затвердевшего намотанного тора отмечается деформация С-образной детали, не позволяющая расположить две части точно друг против друга для воссоздания замкнутого тора после введения обмоток. Напряжения при креплении С-образных частей внутри трансформатора тоже могут привести к их деформации. Поэтому желательно сохранить опору, что приводит к утяжелению трансформатора.
Изобретение призвано предложить решение низкочастотного электрического трансформатора, выполненного с возможностью использования в летательных аппаратах, позволяющее решить вышеупомянутые технические проблемы с наименьшими затратами.
sat
1
2
3
4
1
1
3
2
2
4
В связи с этим изобретением предложен элементарный модуль магнитного магнитопровода электрического трансформатора намотанного типа, отличающийся тем, что состоит из расположенных друг над другом первой и второй намоток, выполненных соответственно из первого и второго материала, при этом указанный первый материал является кристаллическим материалом с намагниченностью насыщения, превышающей равной 1,5 Тл, предпочтительно превышающей или равной 2,0 Тл и еще предпочтительнее превышающей или равной 2,2 Тл, и с магнитными потерями, меньшими 20 Вт/кг, для синусоидальных волн частотой 400 Гц и при максимальной индукции 1 Тл, предпочтительно меньшими 15 Вт/кг, предпочтительно меньшими 10 Вт/кг, и указанный второй материал является материалом с кажущейся магнитострикцией насыщения (λ), меньшей или равной 5 частям на миллион, предпочтительно меньшей или равной 3 частям на миллион, еще предпочтительнее меньшей или равной 1 части на миллион, и с магнитными потерями, меньшими 20 Вт/кг, для синусоидальных волн частотой 400 Гц и при максимальной индукции 1 Тл, предпочтительно меньшими 15 Вт/кг, предпочтительно меньшими 10 Вт/кг, при этом сечения (S; S) первой намотки и (S; S) второй намотки являются такими, что отношение (S/(S + S); S/(S + S)) каждого сечения первого материала с высокой намагниченностью насыщения (Js) к совокупному сечению обоих материалов элементарного модуля составляет от 2 до 50%, предпочтительно от 4 до 40%.
Указанный первый материал можно выбрать из группы, в которую входят сплавы Fe-3% Si с ориентированными кристаллами, сплавы Fe-6,5% Si, текстурированные или не текстурированные сплавы Fe-15-55% совокупного содержания Co, V, Ta, Cr, Si, Al, Mn, Mo, Ni, W, мягкая сталь и стали и железные сплавы, содержащие не менее 90% Fe и имеющие Нс < 500 А/м, ферритные нержавеющие стали Fe-Cr с содержанием 5-22% Cr, с совокупным содержанием 0-10% Mo, Mn, Nb, Si, Al, V и содержанием более 60% Fe, сплавы Fe-Ni с содержанием Ni 40-60% и с совокупным содержанием более 5% добавок других элементов, магнитные аморфные сплавы на основе Fe с совокупным содержанием 5-25% B, C, Si, P и содержанием более 60% Fe, с содержанием 0-20% Ni+Co и с содержанием 0-10% других элементов, причем все эти значения содержания приведены в массовых процентах.
Указанный второй материал можно выбрать из группы, в которую входят сплавы Fe-75-82% Ni-2-8% (Mo, Cu, Cr, V), аморфные сплавы на основе кобальта и нанокристаллические сплавы FeCuNbSiB.
Указанный второй материал может быть нанокристаллическим материалом с составом:
1-a
a
100-x-y-z-α-β-γ
x
y
z
α
β
γ
[FeNi]CuSiBNbM’M”
где a≤0,3; 0,3≤x≤3; 3≤y≤17, 5≤z≤20, 0≤α≤6, 0≤β≤7, 0≤γ≤8, M’ является по меньшей мере одним из элементов V, Cr, Al и Zn, M” является по меньшей мере одним из элементов C, Ge, P, Ga, Sb, In и Be.
Он может содержать воздушный зазор (17), который делит его на две части.
Воздушный зазор, разделяющий две части первых намоток, может отличаться от воздушного зазора, разделяющего две части вторых намоток.
Указанные две части могут быть симметричными.
Объектом изобретения является также магнитопровод однофазного электрического трансформатора, отличающийся тем, что образован вышеупомянутым элементарным модулем.
Объектом изобретения является также однофазный электрический трансформатор, содержащий магнитопровод и первичную и вторичную обмотки, отличающийся тем, что магнитопровод является магнитопроводом вышеупомянутого типа.
Объектом изобретения является также магнитопровод трехфазного электрического трансформатора, отличающийся тем, что содержит:
- внутренний субмагнитопровод, состоящий из двух прилегающих друг к другу элементарных модулей по одному из п.п. 1-6 формулы изобретения;
- и наружный субмагнитопровод, состоящий из двух находящихся друг над другом дополнительных намоток, расположенных вокруг внутреннего субмагнитопровода в следующем порядке:
- первая намотка, выполненная из полосы материала с низкими магнитными потерями менее 20 Вт/кг для синусоидальных волн частотой 400 Гц при максимальной индукции 1 Тл, предпочтительно меньшими 15 Вт/кг, предпочтительно меньшими 10 Вт/кг, и с кажущейся магнитострикцией насыщения, меньшей или равной 5 частям на миллион, предпочтительно меньшей 3 частям на миллион, еще предпочтительнее меньшей или равной 1 части на миллион;
- вторая намотка, выполнена из полосы материала с высокой намагниченностью насыщения, превышающей или равной 1,5 Тл, предпочтительно превышающей или равной 2,0 Тл и еще предпочтительнее превышающей или равной 2,2 Тл, и с низкими магнитными потерями, менее 20 Вт/кг для синусоидальных волн частотой 400 Гц при максимальной индукции 1 Тл, предпочтительно меньшими 15 Вт/кг, предпочтительно меньшими 10 Вт/кг;
13
14
14
13
14
при этом сечение (S) первой намотки наружного субмагнитопровода и сечение (S) второй намотки наружного субмагнитопровода являются такими, что отношение (S/(S+S)) между сечением материала с высокой намагниченностью насыщения и совокупным сечением двух материалов наружного субмагнитопровода составляет от 2 до 50%, предпочтительно от 4 до 40%, и сечение материала с высокой намагниченностью насыщения (Js) во всем магнитопроводе, выраженное в виде отношения сечений к сумме сечений двух типов материалов во всем магнитопроводе () составляет от 2 до 50%, предпочтительно от 4 до 40%.
Указанная первая намотка наружного субмагнитопровода может быть выполнена из материала, выбранного из группы, в которую входят сплавы Fe-75-82% Ni-2-8% (Mo, Cu, Cr, V), аморфные сплавы на основе кобальта и нанокристаллические сплавы FeCuNbSiB.
Указанная первая намотка (13) наружного магнитного субмагнитопровода может быть выполнена из нанокристаллического материала с составом:
1-a
a
100-x-y-z-α-β-γ
x
y
z
α
β
γ
[FeNi]CuSiBNbM’M”
где a≤0,3; 0,3≤x≤3; 3≤y≤17, 5≤z≤20, 0≤α≤6, 0≤β≤7, 0≤γ≤8, M’ является по меньшей мере одним из элементов V, Cr, Al и Zn, M” является по меньшей мере одним из элементов C, Ge, P, Ga, Sb, In и Be.
Указанная вторая намотка наружного субмагнитопровода может быть выполнена из материала, выбранного из группы, в которую входят сплавы Fe-3% Si с ориентированными кристаллами, сплавы Fe-6,5% Si, текстурированные или не текстурированные сплавы Fe-15-55% совокупного содержания Co, V, Ta, Cr, Si, Al, Mn, Mo, Ni, W, мягкая сталь и стали и железные сплавы, содержащие не менее 90% Fe и имеющие Нс < 500 А/м, ферритные нержавеющие стали Fe-Cr с содержанием 5-22% Cr, с совокупным содержанием 0-10% Mo, Mn, Nb, Si, Al, V и с содержанием более 60% Fe, сплавы Fe-Ni с содержанием Ni 40-60% и с совокупным содержанием более 5% добавок других элементов, магнитные аморфные сплавы на основе Fe с совокупным содержанием 5-25% B, C, Si, P и содержанием более 60% Fe, с содержанием 0-20% Ni+Co и с содержанием 0-10% других элементов.
Указанный магнитопровод может содержать воздушный зазор, который делит его на две части.
Воздушный зазор, разделяющий две части первых намоток внутреннего субмагнитопровода и две части второй намотки наружного субмагнитопровода, может отличаться от воздушного зазора, разделяющего две части вторых намоток внутреннего субмагнитопровода и две части первой намотки наружного субмагнитопровода.
Не все различные воздушные зазоры, разделяющие две части различных намоток, могут быть идентичными между внутренним субмагнитопроводом и наружным субмагнитопроводом.
13
3
4
Отношение между сечением (S) первой намотки наружного субмагнитопровода и сечением (S; S) каждой из вторых намоток внутреннего субмагнитопровода может составлять от 0,8 до 1,2.
14
1
2
Отношение между сечением (S) второй намотки наружного субмагнитопровода и сечением (S; S) каждой из первых намоток внутреннего субмагнитопровода может составлять от 0,3 до 3.
Указанные две части могут быть симметричными.
Объектом изобретения является также трехфазный электрический трансформатор, содержащий магнитопровод и первичную(ые) и вторичную(ые) обмотки, характеризующийся тем, что магнитопровод является магнитопроводом вышеупомянутого типа.
Объектом изобретения является также способ изготовления магнитопровода однофазного электрического трансформатора вышеупомянутого типа, характеризующийся тем, что содержит следующие этапы:
- изготавливают магнитную металлическую опору в виде первой намотки, выполненной из первого материала, при этом указанный первый материал является кристаллическим материалом с намагниченностью насыщения, превышающей или равной 1,5 Тл, предпочтительно превышающей или равной 2,0 Тл и еще предпочтительнее превышающей или равной 2,2 Тл, и с низкими магнитными потерями менее 20 Вт/кг, для синусоидальных волн частотой 400 Гц при максимальной индукции 1 Тл;
- на указанную металлическую опору наматывают вторую намотку из материала, который имеет или должен иметь после нанокристаллизационного отжига кажущуюся магнитострикцию насыщения, меньшую или равную 5 частям на миллион, предпочтительно меньшую или равную 3 частям на миллион, еще предпочтительнее меньшую или равную 1 части на миллион, и с магнитными потерями менее 20 Вт/кг для синусоидальных волн частотой 400 Гц при максимальной индукции 1 Тл, предпочтительно меньшими 15 Вт/кг, предпочтительно меньшими 10 Вт/кг, и с сечением, составляющим от 2 до 50% сечения материала с высокой намагниченностью насыщения;
- в случае необходимости, осуществляют отжиг нанокристаллизации и усадки указанной второй намотки на указанной опоре;
- и обе намотки неподвижно соединяют, например, посредством бандажного скрепления, или склеивания, или пропитки смолой и полимеризации указанной смолы.
Он может содержать следующие этапы:
- выполняют внутренний субмагнитопровод, состоящий из двух элементарных модулей, при этом каждый элементарный модуль выполняют следующим образом:
- изготавливают магнитную металлическую опору в виде первой намотки, выполненной из первого материала, при этом указанный первый материал является кристаллическим материалом с высокой намагниченностью насыщения, превышающей или равной 1,5 Тл, предпочтительно превышающей или равной 2,0Тл и еще предпочтительнее превышающей или равной 2,2 Тл, и с низкими магнитными потерями менее 20 Вт/кг для синусоидальных волн с частотой 400 Гц при максимальной индукции 1 Тл;
- на указанную металлическую опору наматывают вторую намотку из материала, который имеет или должен иметь после нанокристаллизационного отжига кажущуюся магнитострикцию насыщения, меньшую или равную 5 частям на миллион, предпочтительно меньшую или равную 3 частям на миллион, еще предпочтительнее меньшую или равную 1 части на миллион, и магнитные потери менее 20 Вт/кг для синусоидальных волн частотой 400 Гц при максимальной индукции 1 Тл, предпочтительно меньшие 15 Вт/кг, предпочтительно меньшие 10Вт/кг, при этом отношение сечения материала с высокой намагниченностью насыщения (Js) к сумме сечений материалов первой и второй намоток составляет от 2 до 50%, предпочтительно от 4 до 40%;
- в случае необходимости, осуществляют отжиг нанокристаллизации и усадки указанной второй намотки на указанной опоре;
- указанные элементарные модули стыкуют одной из их сторон для получения указанного внутреннего субмагнитопровода;
- выполняют наружный субмагнитопровод следующим образом:
- вокруг внутреннего субмагнитопровода располагают третью намотку, выполненную из полосы материала, который имеет или должен иметь после нанокристаллизационного отжига кажущуюся магнитострикцию насыщения, меньшую или равную 5 частям на миллион, предпочтительно меньшую или равную 3 частям на миллион, еще предпочтительнее меньшую или равную 1 части на миллион, и магнитные потери менее 20 Вт/кг для синусоидальных волн частотой 400 Гц при максимальной индукции 1Тл, предпочтительно меньшие 15 Вт/кг, предпочтительно меньшие 10 Вт/кг,
- в случае необходимости, осуществляют отжиг нанокристаллизации и усадки указанной третьей намотки на указанном внутреннем магнитном субмагнитопроводе;
- вокруг указанной третьей намотки располагают четвертую намотку из материала с намагниченностью насыщения, превышающей или равной 1,5 Тл, предпочтительно превышающей или равной 2,0Тл и еще предпочтительнее превышающей или равной 2,2Тл, и с низкими магнитными потерями менее 20 Вт/кг для синусоидальных волн с частотой 400 Гц при максимальной индукции 1 Тл, при этом отношение сечения материала с высокой намагниченностью насыщения к сумме сечений материалов третьей и четвертой намоток составляет от 2 до 50%, предпочтительно от 4 до 40%, и количество материала с высокой намагниченностью насыщения во всем магнитопроводе, выраженное в виде отношения сечений к сумме сечений материалов двух типов составляет от 2 до 50%, предпочтительно от 4 до 40%;
- и указанные намотки соединяют, например, посредством бандажного скрепления, или склеивания, или пропитки смолой и полимеризации этой смолы.
Указанный магнитопровод трансформатора разрезают для получения двух элементарных магнитопроводов, при этом указанные элементарные магнитопроводы впоследствии собирают таким образом, чтобы между ними оставался воздушный зазор.
Два элементарных магнитопровода могут быть симметричными.
Поверхности элементарных магнитопроводов, предназначенные для ограничения воздушного зазора, можно профилировать и подвергнуть поверхностной обработке до сборки элементарных магнитопроводов.
Профилирование и поверхностную обработку можно осуществлять таким образом, чтобы поверхности, предназначенные для образования воздушного зазора, разделяющего первые намотки двух элементарных магнитопроводов, ограничивали воздушный зазор, отличный от воздушного зазора, разделяющего вторые намотки двух элементарных магнитопроводов.
Два элементарных магнитопровода можно соединить посредством бандажного скрепления при помощи кристаллического материала с намагниченностью насыщения, превышающей или равной 1,5 Тл, предпочтительно превышающей или равной 2,0 Тл и еще предпочтительнее превышающей или равной 2,2 Тл, и с низкими магнитными потерями менее 20 Вт/кг для синусоидальных волн с частотой 400 Гц при максимальной индукции 1 Тл.
sat
Авторы изобретения неожиданно установили, что в плане преобразования электрической энергии с частотами порядка нескольких сот Гц и даже нескольких кГц, например, в авиационных трансформаторах, где требуются высокая плотность мощности на единицу объема и/или массы, низкий и очень низкий производимый шум, низкие магнитные потери синусоидальных волн от магнитопровода (меньшие 20 Вт/кг при 400Гц, предпочтительно меньшие 15 Вт/кг и предпочтительно меньшие 10 Вт/кг при максимальной индукции 1 Тл) и от эффекта Джоуля (от проводников) и достаточное ослабление эффекта пуска (пусковой ток при включении трансформатора), конфигурация намотанного «композитного» магнитопровода, то есть состоящая из ленточного магнитопровода с использованием по меньшей мере двух материалов, явно отличающихся друг от друга по составу или по свойствам, при этом по меньшей мере один из этих материалов одновременно занимает преобладающую долю по объему и имеет низкую кажущуюся магнитострикцию насыщения (как правило λ ≤ 5 частям на миллион, предпочтительно ≤ 3 части на миллион и еще лучше ≤ 1 часть на миллион) с низкими магнитными потерями при 40 Гц, и по меньшей мере другой из этих материалов имеет высокую намагниченность насыщения (как правило Js ≥ 1,5 Тл, предпочтительно ≥ 2,0 Тл и еще лучше ≥ 2,2 Тл), имеет следующие преимущества (в частности, по сравнению с наиболее эффективным известным решением с использованием 100% нанокристаллического материала):
- хорошая механическая прочность всего композитного магнитопровода под действием напряжений наматывания, тепловых напряжений во время отжигов, напряжений удержания во время разрезания магнитопровода в виде С (что является только факультативным, но вместе с тем предпочтительным), напряжений удержания во время операций поверхностной обработки разрезанных зон, напряжений удержания С-образных деталей в стабильном положении при регулируемом воздушном зазоре;
- значительное уменьшение числа операций изготовления и снижение общей стоимости изготовления, в частности, за счет меньшего расходования нанокристаллического материала (при всех прочих равных составляющих) и за счет использования опоры для наматывания в соответствии с изобретением не только в качестве механической опоры, а также в качестве демпфера эффекта пуска и в качестве преобразователя энергии в постоянном режиме преобразования в дополнение к нанокристаллический цепи;
- плотность мощности на единицу объема и/или массы, эквивалентная и даже немного более высокая по отношению к решению с использованием 100% нанокристаллического материала и намного более высокая по сравнению с известными решениями с использованием одного наматываемого материала на основе FeCo или FeSi, и где достаточно низкий производимый шум достигается за счет уменьшения рабочей индукции, то есть с неизбежным утяжелением трансформатора.
Изобретение будет более понятно из нижеследующего описания, представленного со ссылками на следующие прилагаемые фигуры:
Фиг. 1 - схематичный вид примера заявленного магнитопровода трехфазного трансформатора, с обмотками трансформатора.
Фиг. 2 - схематичный вид примера субмагнитопровода трехфазного трансформатора, показанного на фиг. 1, который можно также использовать для получения магнитопровода однофазного трансформатора.
Фиг. 3 - отношения между шумом, показателем эффекта пуска и массой магнитопровода в контрольных примерах и в примерах изобретения, представленных в описании.
Как было указано выше, одной из основных проблем обычных трансформаторов в летательных аппаратах является уровень их шума, который мешает переговорам между членами экипажа.
Шум трансформаторов имеет две причины: магнитные силы и магнитострикция магнитных материалов, используемых в магнитопроводе трансформаторов.
Шум по причине магнитных сил можно достаточно легко уменьшить в замкнутой магнитной цепи с очень незначительными распределенными воздушными зазорами при помощи соответствующих механических систем крепления различных элементов из электромагнитных материалов (провода и магнитные листы).
С другой стороны, шум магнитострикционного характера основан на зачастую не нулевых и анизотропных характеристиках магнитострикции ферромагнитного кристалла, а также на магнитном потоке, который часто меняет направление в кристаллах. Следуя логике, чтобы уменьшить и даже устранить шум этого типа, необходимо:
- либо выбрать материал с низкими или нулевыми характеристиками магнитострикции (например, сплав FeNi80, называемый “Mumétal”);
- либо иметь магнитный материал и структуру трансформатора, при которых магнитный поток распространяется только в одном кристаллографическом направлении.
100
111
sat
Магнитострикционные явления можно рассматривать с несколькими величинами деформации (λ, λ, λ) или энергетическими величинами.
100
101
i
i
100
101
100
101
Константы λ и λ магнитострикции представляют собой амплитуду связи между локальным намагничиванием и деформацией решетки по кристаллографическим осям <100>, соответственно <111>. Эта связь является также анизотропной относительно кристаллографической системы координат, поэтому при предположительно равномерном намагничивании металла (то есть имеющем данное направление в системе координат образца, а также специфическое направление в каждом из рассматриваемых кристаллов) каждый кристалл будет стремиться деформироваться иначе, чем соседний с ним кристалл (поскольку кристаллографические ориентации неизбежно являются разными), но этому будет препятствовать межкристаллическое механическое сцепление. Вытекающие отсюда упругие напряжения, которые упрощенно можно представить в виде величины σ, порождают магнитоупругую энергию с порядком величины (3/2)λσ, которая частично размагничивает материал (в этом выражении λ приблизительно обозначает среднюю магнитострикцию того же порядка, что и константы λ и λ). В некоторых случаях (например, растяжение, действующее на сплавы FeSi-G.O.) приложение внешнего напряжения тоже приводит к ухудшению характеристик: это является эффектом, противоположным магнитострикции. Константы λ и λ магнитострикции в основном зависят от состава, а также от кристаллизованной доли в случае нанокристаллического материала и для определенного числа материалов являются известными.
sat
100
101
i
100
101
sat
sat
sat
λ является кажущейся магнитострикцией насыщения. Величины λ и λ относятся к магнитострикционным деформациям вдоль осей <100> и <111> монокристалла, который может свободно деформироваться. Поведение промышленного (то есть, как правило, поликристаллического) материала сопровождается внутренним упругим напряжением σ по причине разных кристаллографических ориентаций, что мешает деформации каждого из кристаллов. В результате происходит общая магнитострикция материала, называемая «кажущейся магнитострикцией», измеряемая от размагниченного состояния и не имеющая строгой связи с константами λ и λ, если не считать одинакового порядка величины. Кажущуюся магнитострикцию λ определяют после насыщения, и она отображает максимальную амплитуду деформации материала, когда он намагничен, по отношению к его исходному «размагниченному» или не «размагниченному» состоянию, которое во всех случаях является неизвестным первоначальным состоянием деформации. Следовательно, λ является изменением состояния деформации между двумя плохо идентифицируемыми состояниями. Таким образом, λ является обычным значением, которое проявляется в первую очередь в вибрации магнитных листов, производимом шуме или учете деформации между магнитным материалом и его ближайшим окружением (например, упаковка магнитного магнитопровода пассивного компонента, датчика поля, трансформатора сигналов…).
100
101
В материале без выраженной текстуры (см. ниже эффект текстуры), имеющем коэффициенты магнитострикции, намного отличающиеся от 0, таком как электрическая сталь Fe3% Si-N.O., которая не имеет текстуру или имеет лишь незначительно выраженную текстуру, в фазах возбуждения материала в трансформаторе намагничивание будет периодически меняться в любой точке материала между его направлением легкого намагничивания (отсутствие или присутствие лишь незначительного поля возбуждения) и локальным направлением, более или менее близким к направлению прокатки DL. Это изменение, отличающееся от одного кристалла к другому в металле, связанное с разными коэффициентами λ и λ магнитострикции, порождает циклические деформации металла, которые являются причиной акустического шума, создаваемого вибрациями.
Что касается магнитных потерь на средней частоте, следует отметить, что на выбор наиболее подходящего материала влияют две величины:
- доступная индукция B(Hm), которая находится ближе к 90% насыщения, чтобы использовать максимум материала, при ограничении намагничивания A.tr, и гармоники, генерируемые из-за нелинейности В-Н;
- и магнитные потери.
В авиации бортовая сеть раньше имела фиксированную частоту 400 Гц, однако все чаще используют переменную частоту (как правило, от 300 Гц до нескольких кГц), обеспечиваемую напрямую генераторами. При этих относительно низких «средних частотах» желательно иметь материал с повышенной индукцией и с низкими потерями (термические параметры тоже обуславливают объем и массу трансформатора), такой как тонкие сплавы Fe-Co, тонкие электротехнические стали Fe-Si G.O или N.O, аморфные материалы с повышенным насыщением, возможно Fe-6,5%Si. Эта частотная область соответствует толщине оболочки менее 1/10 мм, что вполне совместимо с необходимостью такой толщины в случае технологии заявленного ленточного магнитопровода. При значениях сверх 0,1 мм возникают трудности в намотке металла в виде тора.
Если рассматривать только магнитные потери материала с высоким значением Js, чтобы уменьшить массу и объем магнитопровода, выбор основных доступных материалов соответствует нижеследующей таблице 1. Материалы с высоким значением Js используются в рамках изобретения, чтобы работать в основном в переходном режиме с целью ослабления эффекта пуска. Следовательно, магнитные потери будут возникать в основном от материалов с низкой магнитострикцией, обеспечивающих основную работу трансформатора в постоянном режиме.
С учетом тепловой изоляции трансформаторных магнитопроводов потери должны оставаться низкими, как и джоулевы потери проводников, чтобы сохранять внутреннюю окружающую температуру трансформатора ниже 150°С в режиме охлаждения без принудительной конвекции. Обычно считается, что магнитные потери магнитопровода бортового трансформатора не должны превышать 20 Вт/кг используемого магнитного материала, предпочтительно должны быть меньше 15 Вт/кг, еще предпочтительнее меньше 10 Вт/кг при максимальной индукции 1 Тл в синусоидальном поле с частотой 400 Гц (при 2Тл/400Гц это соответствует значению менее 80 Вт/кг, предпочтительно менее 60 Вт/кг и еще предпочтительнее менее 40 Вт/кг). Этому условию должны отвечать материалы всех намоток магнитопровода трансформатора.
Из представленной ниже таблицы 1 видно, что аморфные или нанокристаллические материалы отвечают самым строгим ограничениям по магнитным потерям (< 5 Вт/кг).
73,5
1
15
7,5
3
Нанокристаллический материал FeCuNbSiB, представленный в качестве примера в различных таблицах, имеет типовой состав FeCuSiBNb.
Материал
Толщина(мм)
ρ<sub>el</sub>(мОм.см)
ρ<sub>vol</sub>(кг/м<sup>3</sup>)
Магнитные потери при 1 Тл(в Вт/кг)
B<sub>t</sub>(Тл)
Hm(B<sub>t</sub>)(в А/м)
400 Гц
1 кГц
5 кГц
400 Гц
1 кГц
FeSi-N.O.
0.1
48
7650
11
33
350
1.8
5000
5500
FeSi-G.O.
0.05
48
7650
8
22
200
1.8
80
90
Fe-50%Co
0.1
45
8200
7.5
23
250
2.1
500
550
Аморфный материал 2605SC
0.025
125
7320
1.6
6
65
1.5
40
64
Аморфный материал 2605СО
0.025
130
7560
4.5
18
210
1.6
40
60
Fe-6,5/Si
0.1
75
7400
6
17
180
1.2
60
60
Fe-50%Ni (Supra 50)
0.05
48
8200
3
10
150
1.5
56
70
Нанокристаллический материалFeCuNbSiB
0.02
115
7300
0.3
1
30
1.1
8
8.5
el
vol
где ρ: удельное электрическое сопротивление при 20°С, и ρ: плотность при 20°С
Таблица 1: Технические характеристики различных магнитных материалов для бортовых трансформаторов
t
t
t
t
Рабочая индукция B служит для расчета параметров магнитных цепей (FeSi, FeCo), когда частота не превышает 1 кГц, так как магнитные потери остаются умеренными, то есть их можно легко устранить. При частоте сверх 1 кГц потери вынуждают использовать более мощную систему охлаждения или снижать B (поскольку потери связаны с квадратом B): в этом случае интересной альтернативой представляются аморфные материалы на основе железа (B меньше, но и потери намного меньше): действительно, более низкая намагниченность насыщения Js аморфных материалов в этом случае больше не является недостатком, тогда как низкие магнитные потери представляют собой значительное преимущество.
В гражданской авиации проявляется тенденция создания бортовых трансформаторов с все более низким и даже очень низким производимым шумом, когда они находятся рядом с кабиной экипажа, чтобы пилоты могли работать без шлемофона для переговоров друг с другом. Как и любой бортовой компонент, трансформатор должен быть как можно более легким и как можно менее габаритным, должен потреблять как можно меньше тока и как можно меньше нагреваться, а также должен выдерживать сильные колебания нагрузки без риска нарушения своей целостности (повреждения изоляторов, электронных компонентов), то есть сильные колебания пускового тока трансформатора. Этот пусковой ток, называемый током “inrush” должен быть как можно более слабым.
t
r
s
t
r
s
В недавних документах было установлено, что максимальный пусковой ток (переходный ток, намагничивающий трансформатор) пропорционален (2 B + B + B), где B является номинальной рабочей индукцией (зависящей от размерных параметров магнитной цепи), B является остаточной индукцией магнитной цепи (то есть узла, образованного ферромагнитным магнитопроводом и воздушными зазорами, находящимися или распределенными в конструктивной структуре магнитопровода), и B является индукцией насыщения магнитопровода.
Для получения низкого максимального пускового тока необходимо иметь:
- материал с высокой намагниченностью насыщения (FeSi или FeCo, предпочтительно с FeNi и с нанокристаллическими материалами);
- магнитную цепь с низким остаточным магнетизмом, что можно получить либо непосредственно за счет выбора материала (пример, нанокристаллических сплавов с циклом гистерезиса, имеющим низкую крутизну), либо за счет особой конструкции ярма (распределенные или локализованные воздушные зазоры, производящие достаточное размагничивающее поле);
t
- низкую рабочую индукцию B; но это противоречит требованию высокой плотности мощности, миниатюризации и облегчения трансформаторов и, следовательно, не является удовлетворительным решением поставленной задачи;
- небольшое сечение магнитопровода, для чего необходимо использовать материал с большим насыщением;
- большую площадь сечения катушек.
Таким образом, если рассматривать только проблему пуска, идеальная магнитная цепь содержит сплав с высокой намагниченностью насыщения (FeSi, FeCo) и с низким остаточным магнетизмом, используемый при уменьшенной индукции: это достигается за счет оптимизированных разработки и расчета размерных параметров магнитной цепи и соответствующей калибровки воздушного зазора или воздушных зазоров на основании этих материалов с высокой намагниченностью насыщения Js.
r
t
Если рассматривать в совокупности требования небольшого габарита и небольшой массы, низких магнитных потерь, низкого и очень низкого акустического шума и низкого эффекта пуска в авиационном бортовом трансформаторе, остается выбрать наиболее интересные решения для оптимизации каждой вышеупомянутой величины. В таблице 2 представлено обобщение этих величин в случае структуры с ленточным магнитопроводом, разрезанным на два элемента в виде С, с небольшим и калиброванным воздушным зазором (отсюда небольшое значение B) при одинаковой массе магнитопровода в различных случаях, когда используют только один материал для получения магнитопровода. Характеристики некоторых материалов приведены для разных значений B и/или Нс.
Материал
Толщина(мм)
Нс(А/м)
B<sub>t</sub>(Тл)
Плотность мощности
Производимый акустический шум
Магнитные потери
A.tr и потери на проводах
Эффект пуска
Стоимость
Идеальный материал
отлично
отлично
отлично
отлично
отлично
отлично
Fe3%Si-N.O.
0,1
40-50
1,8
очень хорошо
посредст-венно
посредст-венно
посредст-венно
посредст-венно
отлично
Fe3%Si-G.O.
0,1
20
1,8
очень хорошо
слабо
хорошо
хорошо
посредст-венно
отлично
Fe3%Si-G.O.
0,05
25
1,8
очень хорошо
слабо
очень хорошо
хорошо
посредст-венно
отлично
Fe3%Si-G.O.
0,05
25
1
слабо
хорошо
очень хорошо
очень хорошо
хорошо
отлично
Fe3%Si-G.O.
0,05
25
0,5
плохо
очень хорошо
отлично
отлично
отлично
отлично
Fe-50%Co
0,1
56
2,1
отлично
плохо
посредст-венно
посредст-венно
посредст-венно
слабо
Fe-50%Co
0,05
54
2,1
отлично
плохо
слабо
посредст-венно
посредст-венно
слабо
Fe-50%Co
0,05
54
0,5
посредст-венно
хорошо
очень хорошо
очень хорошо
отлично
слабо
Аморфный на основе железа 2605СО
0,025
4
1.6
очень хорошо
посредст-венно
очень хорошо
очень хорошо
слабо
слабо
Аморфный на основе железа 2605СО
0,025
4
1
слабо
хорошо
отлично
отлично
отлично
слабо
Fe-6,5%Si
0,1
10
1,5
очень хорошо
хорошо
хорошо
слабо
хорошо
хорошо
Fe-50%Ni (100)<001>
0,05
8
1,5
очень хорошо
очень хорошо
хорошо
хорошо
посредст-венно
хорошо
Fe-50%Ni (100)<001>
0,05
8
0,7
посредст-венно
отлично
очень хорошо
очень хорошо
отлично
хорошо
Нанокристал-лический FeCuNbSiB
0,02
1
1,1
хорошо
отлично
отлично
отлично
посредст-венно
хорошо
Нанокристал-лический FeCuNbSiB
0,02
1
0,6
посредст-венно
отлично
отлично
отлично
отлично
хорошо
Аморфный на основе кобальта
0,025
1
0,7
посредст-венно
отлично
отлично
отлично
посредст-венно
плохо
Аморфный на основе кобальта
0,025
1
0,3
плохо
отлично
отлично
отлично
отлично
плохо
Fe-81%Ni-5%MoMumetal
0,05
1
0,7
посредст-венно
отлично
очень хорошо
отлично
посредст-венно
посредст-венно
Таблица 2: Ожидаемые свойства материалов, используемых для получения магнитопровода из одного материала
(оценки по убыванию: отлично>очень хорошо>хорошо>слабо>посредственно>плохо
Для таких известных решений с одним материалом применяют следующие три типа выбора:
t
t
t
73,5
1
11
7,5
3
t
t
- если выбирают условия материала с низкими магнитными потерями в сочетании с небольшой толщиной и с низкой индукцией (Fe-3% Si-G.O. при B в 0,5 Тл, Fe-50% Co при B в 0,5 Тл, Fe-50% Ni ({100}<001> при B в 0,7 Тл, нанокристаллический материал FeCuSiBNb (числа в индексе соответствуют атомным процентам, как это принято при определении таких материалов) при B в 0,6 Тл, аморфный материал на основе кобальта при B в 0,3 Тл), то получают хорошие и очень хорошие характеристики рассеяния потерь, производимого акустического шума, A.tr, потерь на проводах и эффекта пуска, но в этом случае существенно снижается плотность мощности;
- если выбирают высокую индукцию (1,5-2 Тл) в различных материалах, получают хорошую и очень хорошую плотность мощности, но при этом значительно увеличивается эффект пуска и акустический шум и в любом случае значительно выше, чем это допустимо в настоящее время;
- если используют нанокристаллический материал вышеупомянутого типа, он характеризуется рабочей индукцией около 1 Тл и позволяет удовлетворить по меньшей мере в приемлемой степени все основные требования при допустимом эффекте пуска, низком шуме, с низкими магнитными потерями, низкими значениями A.tr (и, следовательно, с низкими потерями на проводах), но со средней плотностью мощности.
Для намотанного тора известные нанокристаллические материалы, применяемые для этих целей, являются наилучшим решением компромисса. Однако, чтобы сделать его еще более привлекательным, необходимо найти средство, позволяющее отказаться от сохранения намоточной опоры, чтобы уменьшить общую массу. Желательно также найти еще лучший компромисс между массой и различными величинами для авиационного бортового трансформатора с магнитным ярмом с ленточным магнитопроводом, работающего на средней частоте от нескольких сот Гц до нескольких кГц, как в однофазном, так и в трехфазном варианте.
Эта цель достигается при помощи заявленного решения, представленного в данном случае для наиболее сложного случая трехфазного трансформатора, показанного на фиг. 1. Эта фигура представляет собой лишь принципиальную схему и не показывает механические опорные и соединительные детали, обеспечивающие крепление различных функциональных частей. Специалист в данной области может легко реализовать эти детали, адаптируя их к конкретной окружающей среде, в которой должен быть установлен трансформатор в соответствии с изобретением.
Элементарный модуль в соответствии с изобретением является магнитопроводом, который сам по себе известен, но выполнен посредством объединения двух разных мягких магнитных материалов в разных количествах. Один из них, являющийся преобладающим по поперечному сечению (иначе говоря, по объему, так как все элементы модуля имеют одинаковую глубину), отличается низкой магнитострикцией, а другой, являющийся миноритарным по поперечному сечению, отличается высокой намагниченностью насыщения Js и служит механической опорой для первого материала и является ограничителем пускового эффекта, участвуя при этом в меньшей, но все же достаточной степени в преобразовании энергии в постоянном режиме. Эти материалы могут присутствовать с идентичными сечениями/объемами, но материал с высокой намагниченностью насыщения Js не должен превосходить по сечению/объему материал с низкой магнитострикцией.
Действительно, авторы изобретения обнаружили, что в этой конфигурации нанокристаллические магнитопроводы (материалы с низкой магнитострикцией), намотанные вокруг первого ленточного магнитопровода, предварительно изготовленного из кристаллического материала с сильной намагниченностью насыщения (Fe, Fe-Si, Fe-Co…), не только хорошо удерживались механически, поскольку в данном случае опора была сохранена (не только в качестве механически полезной детали, но в первую очередь в качестве детали, имеющей существенное значение для электромагнитной работы трансформатора), но полученная плотность мощности оставалась на том же уровне, что и у нанокристаллического магнитопровода без опоры. Разумеется, в данном случае отсутствуют недостатки, связанные с отсутствием опоры, а именно геометрическая нестабильность нанокристаллического магнитопровода и вытекающие из нее возможные нарушения в работе трансформатора. Если выбирают нанокристаллический материал для магнитопровода, то в дополнение к опорной функции нанокристаллического магнитопровода получают важные преимущества в общей работе трансформатора. Этими преимуществами являются ограничение эффекта пуска во время переходного режима, а в постоянном режиме - хорошая трансформация энергии при альтернативной средней частоте, поэтому плотность мощности трансформатора не снижается по сравнению с плотностью при решении «только нанокристаллический материал», допуская, что в этом последнем случае можно сохранить хорошую геометрическую стабильность при условии выполнения двух полу магнитопроводов в виде С.
Далее в порядке изготовления трехфазного магнитопровода в соответствии с изобретением (объединение трех элементарных модулей) следует описание различных возможных компонентов и признаков структуры заявленного трансформатора, получаемого в результате этого изготовления. Эта структура схематично показана на фиг.1.
Сначала изготавливают ленточную композитную структуру внутреннего субмагнитопровода, причем этот субмагнитопровод состоит из двух состыкованных элементарных модулей. Термин «композитная структура» означает, что в структуре использовано несколько магнитных материалов разной природы. Она состоит из нижеследующих элементов и собрана в описанном ниже порядке.
Прежде всего структура включает в себя намотку 1, 2 двух субмагнитопроводов, каждый из которых выполнен из полосы материала, который представляет собой материал с сильной намагниченностью насыщения Js и с низкими потерями, такой как сплавы Fe-3% Si с ориентированными кристаллами, сплавы Fe-6,5% Si, текстурированные или не текстурированные сплавы Fe-15-55% совокупного содержания Co, V, Ta, Cr, Si, Al, Mn, Mo, Ni, W, мягкое железо и железные сплавы, содержащие не менее 90% Fe и имеющие Нс < 500 А/м, ферритные нержавеющие стали Fe-Cr с содержанием 5-22% Cr, с совокупным содержанием 0-10% Mo, Mn, Nb, Si, Al, V и более 60% Fe, сплавы Fe-Ni с содержанием Ni 40-60% и с совокупным содержанием более 5% добавок других элементов, магнитные аморфные сплавы на основе Fe с совокупным содержанием 5-25% B, C, Si, P и более 60% Fe, со содержанием 0-20% Ni и Co и с содержанием 0-10% других элементов.
Эти две намотки 1, 2 образуют, каждая, (внутреннюю) опору для намотки одного из двух внутренних субмагнитопроводов трансформатора. Предпочтительно эта намотка удерживает сама себя после извлечения из намоточной машины, но ее можно намотать на более жесткую, но максимально легкую подложку, чтобы не утяжелять трансформатор, причем эта подложка может быть выполнена из любого, как магнитного, так и не магнитного материала.
t
Функцией этих намоток 1,2 субмагнитопровода является размерная стабилизация конечной магнитной цепи в виде С, а также обеспечение возможности выдерживать очень высокие значения A.tr и переходные явления, которые возникают во время подачи напряжения, во время подключения трансформатора к сети, во время резкого скачка мощности нагрузки и т.д. и которые являются причиной появления большого пускового тока в трансформаторе (эффект пуска). Эта часть 1, 2 из материала с высокой Js в трансформаторе, рассчитанном для намного более низкой рабочей индукции нанокристаллических материалов (немного ниже Js материала с низкой магнитострикцией, то есть ≤ 1,2 Тл), будет намагничиваться до насыщения в течение продолжительности пуска (которая колеблется от нескольких секунд до 1-2 минут), начиная от значения B. Это позволяет накапливать гораздо больше энергии намагничивания в этой форме в этих материалах с высокой Js и не дает этой энергии переходить на перенасыщение сечения материала с низкой магнитострикцией и с низким Js, что повлекло бы за собой появление огромных полей возбуждения и пусковых токов.
r
r
Материалы с высокой Js являются предпочтительными, так как, если бы требовалось только выдерживать переходные A.tr за счет значительного накопления энергии, было бы достаточно иметь минимальную проницаемость μ не менее 10-100 в переходном периоде поля Н во время явления пуска, которая быстро превысит проницаемость в поле пуска материалов с высокой проницаемостью, с низкой магнитострикцией и с низкой Js, обрушивая очень высокие значения (μ > 100 000) до значения, близкого к единице в зоне В-Н перенасыщения.
Однако требование состоит не только в том, чтобы выдерживать переходные A.tr для этих материалов с высокой Js, но также чтобы не экранировать внутренние материалы магнитного ярма трансформатора в постоянном режиме. Действительно, при переменных частотах от 300 Гц до 1 кГц (и даже выше), которые все чаще встречаются в авиационных бортовых сетях, толщина верхнего слоя составляет от 0,05 до 0,2 мм (в зависимости от материала, частоты и проницаемости среды). Следовательно, намотка материала с высокой Js, имеющая недостаточно тонкую толщину по сравнению с толщиной верхнего слоя, будет экранировать внешнее поле катушек, причем тем больше, чем большее число витков металла с высокой Js присутствует в намотке. Следовательно, предпочтительно необходимо использовать материал с высокой Js и незначительной толщиной (0,05 - 1 мм).
r
r
Кроме того, во время работы трансформатора в постоянном режиме необходимо соблюдать очень низкий акустический шум, несмотря на присутствие части магнитного ярма из материала с высокой Js и с магнитострикцией в пределах от «средней» до «сильной». Таким образом, необходимо, чтобы эти материалы не были магнитно- активными в постоянном режиме трансформатора или чтобы они по крайней мере работали в достаточно низкой рабочей точке по индукции, чтобы производимый акустический шум был очень слабым. Для этого проницаемость материалов с низкой магнитострикцией должна быть намного выше (1-2 порядка величины) при 300 Гц - 1 кГц, чем проницаемость материалов с высокой Js. Этого достигают, используя, с одной стороны, нанокристаллические или аморфные материалы на основе кобальта (μ при 1 кГц > 50 000 - 100 000) и сплавы FeSi или FeCo небольшой толщины (μ при 1 кГц < 3000) или также сплавы Fe-80% Ni, уменьшая в достаточной степени их толщину (≤ 0,07 мм), с другой стороны.
Материалы с высокой Js могут быть, например, всеми сплавами Fe-3% Si с так называемой текстурой Госса {110}<001>, известные среди «электротехнических сталей» под названием двух подсемейств:
- FeSi-G.O. от Grain Oriented (ориентированные кристаллы);
r
- и FeSi-HiB от High Induction (повышенная индукция), текстуры которых являются более сжатыми и которые имеют лучшие характеристики μ и потерь.
Эти характеристики достигаются только в направлении прокатки материалов, что очень хорошо подходит для ленточных магнитопроводов, тогда как при удалении от этого направления характеристики быстро снижаются.
В частности, можно использовать также сплав Fe-49% Co-2% V-0-0,1% , при этом V можно частично или полностью заменить на Ta и/или Zr. В отличие от предыдущих сплавов FeSi, характеристики связаны не с текстурой, а с составом и с термической обработкой оптимизации, и их характеристики являются приблизительно изотропными в плоскости листа. Характеристики в основном сохраняются, когда толщину полосы уменьшают до 0,05-0,1 мм.
Можно использовать также, в частности, сплав Fe-10-30% Co, мало текстурированный или с текстурой Госса, как предыдущие сплавы Fe-3% Si. В случае текстуры Госса, которая позволяет повысить проницаемость и уменьшить магнитные потери (хотя это и не требуется для части магнитного ярма с высокой Js, в основном работающего в переходном режиме или при очень низкой постоянной индукции), можно, в частности, использовать следующие материалы:
Fe-10-30% Co, предпочтительно 14-27% Со, предпочтительно 15-20% Со, содержащий также:
- 0-2% (Si, Al, Cr, V), предпочтительно 0-1% (Si, Al, Cr, V);
- 0-0.5% Mn, предпочтительно 0-0.3% Mn;
- 0-300 частей на миллион С, предпочтительно 0-100 частей на миллион С;
- 0-300 частей на миллион S, O, N, B, P, предпочтительно 0-200 частей на миллион S, O, N, B, P;
остальное составляют Fe и неизбежные при варке примеси.
Придание формы и обработку этих материалов можно осуществлять посредством следующих операций:
- горячая прокатка, заканчивающейся в ферритной фазе, предпочтительно при температуре ниже 900°С;
- затем два цикла холодной прокатки: первый проход с коэффициентом обжатия 50-80% и второй проход с коэффициентом обжатия 60-80%;
- отжиг в ферритной фазе после горячей прокатки и быстрое понижение температуры после отжига (>200°С/час от Ас1 до 300°С);
- промежуточный отжиг (между двумя циклами холодной прокатки) в ферритной фазе с медленным повышением температуры (<200°С/час от 300°С до Ас1).
Описанные выше различные железосодержащие материалы с высокой Js представлены в виде примеров в нижеследующей таблице 3. Если содержание одного из представленных элементов не уточнено, это значит, что этот элемент присутствует только в ничтожных количествах или при относительно низком значении содержания, которое существенно не влияет на Js материала. Возможное содержание других элементов, отличных от Co, Si, Cr и V, не уточнено, так как эти элементы оказывают лишь незначительное влияние на искомые магнитные свойства.
t
В данном случае указана индукция при 800 А/м (В800), так как в материале этого типа с высокой Js приложение поля 800 А/м позволяет достигать индукции В, находящейся ближе к изгибу кривой В = f(H). Однако именно вокруг изгиба кривой B = f(H) достигается наилучший компромисс между уменьшением объема (высокое В) и низким потреблением трансформатора (низкое A.tr). С другой стороны, В8000 (индукция при 8000 А/м) учитывает индукцию приближения к насыщению, используемую не только в потенциале плотности мощности (B < B8000), но также в уменьшении эффекта пуска.
В мас. %
В ppm
Сплав
Co
Si
Cr
V
C
Mn
Al
O
N
S
B800(Тл)
В8000(Тл)
1
15
0,02
0,05
<0,005
0,017
0,25
0,01
70
22
8
2,08
2,24
2
15
1,0
0,03
0,1
0,016
0,27
0.02
48
17
11
1,95
2,18
3
18
0,05
0,04
<0,005
0,017
0,32
0,02
56
31
7
2,12
2,30
4
18
1,0
0,007
<0,005
0,017
0,29
<0,01
62
25
<5
2,00
2,23
5
10
0,03
0,05
<0,005
0,019
0,33
<0,01
47
22
<5
2,01
2,12
6
27
0,03
0,5
<0,005
0,015
0,30
0,01
82
28
6
2,03
2.28
7
48
0,008
0,07
2,0
0,019
0,28
0,02
63
19
9
2,10
2,35
8
0
3,0
0,007
<0,005
0,017
0,27
0,01
51
18
<5
1,90
2,00
Таблица 3: примеры материалов с высокой Js, используемые в изобретении
Структура включает в себя также две дополнительные намотки 3, 4. Каждая из них расположена над одной из описанных выше намоток 1, 2 материала с высокой Js, «при этом «расположенный над» значит, что дополнительная намотка 3, 4 расположена вокруг соответствующей ранее выполненной намотки 1, 2 материала с высокой Js. Эти дополнительные намотки 3, 4 изготовлены из полосы материала, который одновременно имеет низкие магнитные потери и низкую магнитострикцию, такого как поликристаллические сплавы Fe-75-82% Ni-2-8% (Mo, Cu, Cr, V), аморфные сплавы на основе кобальта и предпочтительно нанокристаллические сплавы FeCuNbSiB и аналогичные сплавы.
Наиболее рекомендуемый поликристаллический материал с содержанием Ni около 80% известен также под названием Mumetal. Он достигает очень низкой магнитострикции при составе 81% Ni, 6% Mo, 0,2-0,7% Mn, 0,05-0,4% Si, остальное составляет железо, и при соответствующей термической обработке оптимизации магнитных характеристик, хорошо известной специалисту в данной области.
Наиболее рекомендуемый нанокристаллический материал, известный специалисту в данной области с 1990 года, известен своими очень низкими магнитными потерями от низких частот до 50-1000 кГц и своей способностью регулировать свою магнитострикцию через соответствующие составы и соответствующие термические обработки до нулевого или очень близкого к 0 значения. Его состав соответствует следующей формуле (числа в индексе соответствуют атомным процентам, как это принято при определении таких материалов):
1-a
a
100-x-y-z-α-β-γ
x
y
z
α
β
γ
[FeNi]CuSiBNbM’M”
r
где a≤0,3; 0,3≤x≤3; 3≤y≤17, 5≤z≤20, 0≤α≤6, 0≤β≤7, 0≤γ≤8, M’ является по меньшей мере одним из элементов V, Cr, Al и Zn, M” является по меньшей мере одним из элементов C, Ge, P, Ga, Sb, In и Be, при этом относительная проницаемость μ составляет от 30 000 до 2 000 000, насыщение превышает 1 Тл и даже 1,25 Тл, когда состав оптимизируют, чтобы получить нулевую магнитострикцию.
Во время отжига нанокристаллический материал усаживается примерно на 1% от своего первоначального состояния аморфной полосы. Это явление можно учитывать заранее при наматывании аморфной полосы вокруг первой части 1, 2 внутреннего субмагнитопровода из материала с высокой Js перед отжигом нанокристаллизации. В противном случае усадка в 1% на первой части магнитопровода может привести к очень сильным внутренним напряжениям на двух материалах магнитопровода, что делает весь узел хрупким вплоть до риска разрыва и увеличивает магнитные потери. С другой стороны, эта усадка способствует механическому соединению двух типов материалов и, следовательно, если она не является чрезмерной, способствует лучшей размерной стабильности частей в виде С после пропитки и разрезания.
Каждая из этих намоток из двух материалов (1,3; 2,4) представляет собой внутренний субмагнитопровод (называемый «элементарным модулем»), образующий пространство 5, 6, в которое вставляют две из первичных обмоток 7, 8, 9 трех фаз трансформатора и две из вторичных обмоток 10, 11, 12 трех фаз трансформатора.
Следует отметить, что, если трансформатор является однофазным, только один из этих элементарных модулей образует самостоятельно магнитопровод трансформатора.
Структура содержит также намотку 13, которая расположена вокруг узла, образованного указанными двумя внутренними субмагнитопроводами, тесно прилегающими друг к другу одной из своих сторон. Намотка 13 выполнена из полосы материала с низкими магнитными потерями и с низкой магнитострикцией, такого как сплавы Fe-75-82% Ni-2-8% (Mo, Cu, Cr, V), аморфные сплавы на основе кобальта и предпочтительно описанные выше нанокристаллические сплавы FeCuNbSiB и им подобные. Эта намотка 13 образует часть наружного субмагнитопровода.
До этого этапа включительно предпочтительно удерживать все материалы скрепленными только при помощи добавляемых металлических деталей, которые могут механически выдерживать отжиги при 600°С. Действительно, это является максимальной температурой нанокристаллизации, которую следует применять предпочтительно в конце этого этапа ко всему изготавливаемому магнитопроводу трансформатора, если этого требуют материалы намоток 3, 4, 13. Если ранее для скрепления намотанных магнитных полос были использованы смолы или клеи, они со всей вероятностью деградируют во время отжига нанокристаллизации. Поэтому предпочтительно отложить их использование до последующего этапа отжига нанокристаллизации.
13
3
4
3
13
4
13
Из соображений сохранения магнитного потока предпочтительно на этом этапе наматывать сечение материала 13, обозначенное S, почти идентичное каждому из сечений S или S, которые были намотаны из материала с низкой магнитострикцией во внутренних субмагнитопроводах. Предпочтительно также максимально уменьшить пустые зоны, находящиеся между тремя намотками материала с низкой магнитострикцией. В качестве рекомендуемых соотношений S/S или S/S следует взять значение 0,8-1,2, чтобы компенсировать разности периметра намотки и возможные разности воздушного зазора между различными материалами, о чем речь пойдет ниже.
14
Структура содержит также новую намотку 14, расположенную (в том смысле, как это было указано ниже для внутренних субмагнитопроводов) вокруг этой части 13 с низкими магнитными потерями и с низкой магнитострикцией, наружного субмагнитопровода. Эта новая намотка 14, сечение которой обозначено S, выполнена из полосы материала с высоким Js и с низкими потерями, выбранного из группы, в которую входят текстурированные или не текстурированные сплавы Fe-6,5% Si G.O., Fe-15-55% (Co, V, Ta, Cr, Si, Al, Mn, Mo, Ni, W), мягкая сталь и другие различные стали, ферритные нержавеющие сплавы Fe-Cr с содержанием 5-22% Cr, с совокупным содержанием 0-10% Mo, Mn, Nb, Si, Al, V и с содержанием более 60% Fe, электрические стали Fe-Si-Al N.O. (не ориентированные кристаллы), сплавы Fe-Ni с содержанием Ni около 60%, магнитные аморфные сплавы на основе Fe. Эта конечная намотка 14 завершает добавление магнитного материала в то, что образует намотанное ярмо трансформатора.
14
1
2
14
1
14
2
Предпочтительно на этом этапе наматывать сечение S материала 14 с высоким Js и с низкими потерями, не слишком отличающееся от сечений S или S, которые, в свою очередь, являются близкими друг к другу или идентичными и намотаны из материала 1, 2 с высоким Js во внутренних субмагнитопроводах, чтобы получать одинаковый эффект ослабления пускового явления в трех фазах трансформатора. При этом принимают 0,3≤S/S≈S/S≤3, так как у материала намотки 14 с высоким Js и с низкими потерями путь (периметр) наматывания может намного отличаться от материалов намоток 1 или 2, находящихся в центре узлов, и это следует учитывать в расчете размерности композитного магнитопровода (это вытекает из применения теоремы Ампера).
Таким образом, части 3, 4 и 13 с низкими магнитными потерями и с низкой магнитострикцией будут иметь идентичные сечения или сечения одного порядка величины, тогда как сечения материалов с высоким Js и с низкими потерями первых намоток 1 и 2 двух субмагнитопроводов, с одной стороны, и конечной намотки 14, с другой стороны, могут быть по существу разными в пределах, которые подлежат уточнению.
Термическую обработку нанокристаллизации намоток 3, 4, 13 с низкими магнитными потерями и с низкой магнитострикцией, если она необходима, можно осуществлять после этого этапа, после соединения всех магнитных материалов. Но, учитывая усадку материала 3, 4, 13 во время нанокристаллизации, после отжига происходит отслоение второй намотки 14 наружного субмагнитопровода от первой намотки 13 наружного субмагнитопровода, что сильно затрудняет «скрепление» комплекса перед разрезанием. Поэтому предпочтительно этот отжиг применять в конце предыдущего этапа, как было указано выше.
С другой стороны, в конце этого этапа выполнения намотки 14 с низкими магнитными потерями и с низкой магнитострикцией наружного субмагнитопровода наносят путем осаждения или посредством предварительного склеивания полос или путем пропитки в вакууме (или любого соответствующего способа) смолу, клей, полимер или другое сравнимое вещество, которое преобразует узел намотанного магнитного ярма в моноблочный корпус, сохраняющий размерную стабильность под напряжением. В случае необходимости вместо этого склеивания или этой пропитки или перед ними можно произвести бандажное скрепление.
После этого выполненное магнитное ярмо разрезают таким образом, чтобы разделить различные субмагнитопроводи на две части 15, 16 для получения двух элементарных «полуцепей» после применения различных вышеупомянутых технологий удержания полос материала и субмагнитопроводов. Эти две части 15, 16 должны быть впоследствии разделены воздушным зазором 17, как показано на фиг. 1. Разрезание следует производить, прочно удерживая магнитное ярмо в пределах механической стойкости затвердевшего магнитопровода, и при помощи любого способа резания, такого как резка проволокой, поперечная резка, резка водяной струей, лазерная разка и т.д. Предпочтительно делить ярмо на две симметричные части, как показано на фигуре, но в рамках изобретения можно предусматривать также асимметрию.
После этого производят профилирование и поверхностную обработку будущих поверхностей воздушного зазора 17, затем две разрезанные части 15, 16 магнитного ярма (для получения исходной структуры) располагают друг против друга после возможного регулирования воздушного зазора 17 и после введения предварительно выполненных первичных 7, 8, 9 и вторичных 10, 11, 12 обмоток трансформатора.
r
Функцией воздушного зазора 17 является естественное размагничивание любой части магнитопровода в моменты электрического периода, когда магнитное возбуждение становится слабым или нулевым. Таким образом, если первоначально трансформатор был выключен и, следовательно, магнитное ярмо было размагничено воздушным зазором (B = 0), эффект пуска, который отмечается при резкой нагрузке на трансформатор, будет меньше.
В рамках изобретения поверхностная обработка или калибровка воздушного зазора 17 не являются обязательными, но они позволяют лучше регулировать характеристики трансформатора. Это позволяет улучшить характеристики пуска и сделать более воспроизводимыми характеристики трансформатора одной производственной серии.
«Размещение» или «соединение» двух вырезанных частей 15, 16 магнитной цепи с возможной поверхностной обработкой и регулировкой можно осуществлять при помощи бандажного стягивания тоже с использованием материала с высоким Js, имеющего свойства, сравнимые со свойствами материала, использованного в намотке 14, и, следовательно, тоже участвующего (но без воздушного зазора) в ослаблении эффекта пуска, как и другие материалы с высоким Js. Этот вариант представляет особый интерес, так как позволяет еще больше облегчить магнитную цепь, одновременно обеспечивая хорошее механическое скрепление.
Сечение материала с высоким Js по отношению к общему сечению, с одной стороны, для каждого отдельного субмагнитопровода и, с другой стороны, для всего магнитопровода, составляет от 2 до 50% и предпочтительно от 4 до 40%. Следовательно, это сечение является в основном миноритарным и в любом случае не является мажоритарным в элементарном модуле, ограниченном снаружи намоткой 14 материала с высоким Js, наложенной на намотку 13 полосы с низкой магнитострикцией, и в каждом из элементарных модулей внутреннего субмагнитопровода.
1
2
14
Иначе говоря, необходимо поддерживать сечение наматывания между материалами с высоким Js (S, S, S) для каждого модуля в определенном интервале, чтобы изобретение было осуществлено удовлетворительным образом. Количество материала с высоким Js (с точки зрения отношений сечений) относительно суммы сечений двух типов материалов должно составлять от 2 до 50%, предпочтительно от 4 до 40%. Это можно выразить в виде следующих неравенств:
2 ≤  ≤ 50, предпочтительно 4 ≤  ≤ 40
2 ≤  ≤ 50, предпочтительно 4 ≤  ≤ 40
2 ≤  ≤ 50, 4 ≤  ≤ 40
А также 2 ≤  ≤ 50, предпочтительно 4 ≤  ≤ 40
Для обеспечения хорошей работы трансформатора при хорошем балансе масс различных материалов между разными магнитными цепями и чтобы не слишком его утяжелять, одновременно используя преимущества изобретения, которые дает присутствие материала с высокой Js всех субмагнитопроводов, необходимо соблюдать пропорциональное по сечению количество материалов с высоким Js от 2 до 50%, предпочтительно от 2 до 40% как для всего магнитопровода трансформатора, что выражено последним неравенством, так и для каждого из его отдельных узлов (двух внутренних субмагнитопроводов (1,2; 3,4) и наружного субмагнитопровода (13, 14)), что выражено тремя первыми неравенствами.
Поскольку нормально все различные элементы имеют одинаковую глубину р, эти отношения сечений являются эквивалентами отношений объемов различных материалов.
Чтобы изобретение могло работать надлежащим образом, необходимо выполнить намоточную «оправку» 1, 2 из материала с высоким Js для материала 3, 4 с низкой магнитострикцией, то есть необходим минимум материала с высоким Js. Участие в ослаблении эффекта пуска требует также минимального сечения материала с высоким Js. По этим двум причинам фиксируют 2%, предпочтительно 4% в качестве минимального значения сечения материала с высоким Js относительно общего сечения материала для каждого из субмагнитопроводов и для всего магнитопровода в целом.
Если материал с высоким Js оказывается преобладающим по сечению в субмагнитопроводах и/или в магнитопроводе (≥50%), его масса бесполезно утяжеляет структуру. Как было указано выше, он активно участвует в значимой степени только в ослаблении эффекта пуска, тогда как в постоянном режиме трансформатора желательно, чтобы материал с высоким Js намагничивался только в незначительной степени, чтобы не создавать шума (он неизбежно имеет кажущуюся магнитострикцию от средней до сильной). Таким образом, определение размерности трансформатора для достижения необходимой мощности в основном опирается на материал с низкой магнитострикцией λ. Если имеется менее 50% материала с низким λ (50% или более материала с высоким Js), то только это миноритарное сечение будет участвовать в электрическом преобразовании. Следовательно, материал с высоким Js ограничивают максимумом в 50% от общего сечения магнитных материалов, присутствующих в субмагнитопроводах и магнитопроводе трансформатора, как было указано выше.
Этот пункт хорошо иллюстрируют следующие примеры, которые будут более детально представлены ниже в таблице 4, и комментарии к этим примерам:
Возьмем, например. материал Fe49Co49V2 в качестве материала с высоким Js:
t
- Если использовать 100% материала Fe49Co49V2 (примеры 2-5) для получения магнитопровода трансформатора, необходимо уменьшить B (рабочую индукцию трансформатора в постоянном режиме) до значения менее 0,3 Тл, чтобы получить шум в 55-60 дБ (тогда как желательно, чтобы шум не превышал 55 дБ), что соответствует массе более 18,7 кг, чтобы можно было преобразовать необходимую электрическую мощность; в этом примере плотность мощности на единицу массы магнитопровода трансформатора можно оценить в значении 46 кВА/18,7 кг = 2,46 кВА/кг магнитопровода, что является слишком низкой плотностью мощности, чтобы быть допустимой;
- В примере 21 при 53,3% сечения Fe49Co49V2 (то есть 46,7% сечения нанокристаллического материала) шум (58 дБ) остается еще слишком большим, чтобы соответствовать техническим требованиям; общая масса равна 6,4 кг, то есть на 28% больше, чем в примере 12 полностью из нанокристаллического материала, что является приемлемым значением, и показатель эффекта пуска равен -0,35, что является нормальным;
- Примеры 19 и 20 показывают, что приемлемый шум можно получить при более 50% Fe49Co49V2, но при слишком большой общей массе, которая соответственно равна 7,4 и 7,1 кг (то есть на 40-50% больше, чем в решении только из нанокристаллического материала из примера 12);
- С другой стороны, в примерах 18 и 18В, соответственно с 23,6 и 39% сечения FeCo27, шум является все же сильным (56 и 58 дБ), тогда как массы уменьшились до нормального уровня; таким образом, наличие менее 50% магнитного сечения материала с высоким Js является необходимым условием, но его недостаточно для удовлетворительной реализации изобретения; например, в примерах 15 и 18С соответственно при 23,6 и 39% сечения FeCo27 шум является достаточно низким при небольших массах, соответственно 5,1 и 5,8 кг, то есть только на 2 и 16% сечения больше, чем в решении только с нанокристаллическим материалом из примера 12, но это позволяет использовать все преимущества изобретения.
Элементарные полуцепи, образованные частями 15, 16, являются очень стабильными с точки зрения размерности, в частности, после пропитки лаком и полимеризации, даже при напряжениях удержания двух С-образных деталей элементарного магнитного магнитопровода. Этого нельзя добиться, если убрать части 1, 2 с высоким Js, которые служат механическими опорами для намоток 3, 4 с низкой магнитострикцией и повышают жесткость каждого элементарного магнитопровода.
t
Магнитные сплавы с низкой магнитострикцией и с низкими магнитными потерями намоток 3, 4 позволяют соблюдать большинство требований, в частности, очень низкий производимый акустический шум, даже если рабочая индукция B близка к насыщению. В наибольшей степени ослаблению эффекта пуска способствует другой материал, то есть материал с высоким Js намотки 14.
Однако, как неожиданно выяснилось, благодаря опорному магнитному материалу с высокой Js внутренних намоток 1,2 субмагнитопроводов, эффект пуска распределяется на двух типах материала. Таким образом, рабочую индукцию преобладающего нанокристаллического материала можно увеличить почти до насыщения, что позволяет настолько же уменьшить вес трансформатора.
t
Сплавы с высоким Js характеризуются магнитострикцией от средней амплитуды (FeSi, FeNi, аморфные сплавы на основе железа) до большой амплитуды (FeCo), что вынуждает значительно уменьшать рабочую индукцию B (как правило, до значения не более 0,7 Тл), чтобы получить слабый акустический шум.
Было установлено, что умело используя в совокупности сплавы с низкой магнитострикцией и с низкими магнитными потерями и сплавы с высоким Js, в частности, посредством дифференцированной регулировки воздушного зазора 17, который предпочтительно, но не обязательно, присутствует между материалами каждой пары С, таким образом, чтобы придать ему значение ε1 на уровне первого материала и значение ε2 на уровне второго материала, а также за счет соответствующих пропорций материалов, можно одновременно, с одной стороны, регулировать низкую рабочую индукцию в части с низкой магнитострикцией и, с другой стороны, регулировать низкую рабочую индукцию в части с высоким Js. В этом случае эффект пуска оказывается достаточно ослабленным, и шум, производимый каждым из материалов, остается низким, и одновременно сохраняется достаточно большая плотность мощности, в любом случае лучше, чем в известных решениях, в которых в первую очередь ставится задача достижения низкого шума магнитострикции.
Далее следует описание примеров применения изобретения и контрольных примеров со ссылками на фиг. 1 и 2 и на экспериментальные результаты из таблицы 4, проиллюстрированные на фиг. 3.
На фиг. 2 представлен магнитопровод 18 однофазного трансформатора, характеризующийся скругленной прямоугольной формой высотой h, шириной l и глубиной р, на который опирается намотка основного активного материала трансформатора: материала с низкой магнитострикцией. Этот элементарный магнитопровод 18 можно также использовать в цепи трехфазного трансформатора, как показано на фиг. 1, в качестве элементарного модуля.
Этот модуль однофазного трансформатора с прямоугольной вытянутой цепью выполнен из первого материала с высоким Js, с толщиной наматывания ер1 и из второго материала с низкой магнитострикцией, намотанного вокруг первого материала, который был, в свою очередь, предварительно намотан, и имеющего толщину наматывания ер2. Внутренние малая и большая стороны намотки 3 (второй материал), которые являются также наружными малой и большой сторонами намотки 1 (первый материал), если она присутствует (как в примерах изобретения и в некоторых контрольных примерах), обозначены соответственно «а» и «с» и составляют соответственно для всех тестированных примеров а = 50 мм и с = 125 мм. а и с являются также размерами внутренних сторон намоток 3, 4 второго материала с низкой магнитострикцией, расположенных вокруг намоток 1, 2 материала с высоким Js. При всех испытаниях ер2 равно 20 мм, и ер1 составляет в зависимости от испытаний от 0 (отсутствие материала с высоким Js) до 20 мм.
В зависимости от испытаний глубина р может меняться, так как она рассчитана таким образом, чтобы передаваемая мощность была по существу одинаковой во всех испытаниях (порядка 46 кВА), учитывая, что значения а и с являются тоже одинаковыми при всех испытаниях. Следует отметить (см. таблицу 4), что р может достигать таких больших значений, как 265 мм, при контрольном испытании 4 с использованием только сплава Fe49Co49V2, и 176 мм при контрольном испытании 8 с использованием только сплава FeSi3. Контрольные решения с использованием только нанокристаллического материала и заявленные решения с использованием нанокристаллического материала и материала с высоким Js характеризуются значительно меньшей глубиной р. В примерах в соответствии с изобретением она составляет от 60 до 80 мм.
1
t
2
1
Трансформатор получает питание электрическим током номинальной частоты 360Гц. Первичный ток питания имеет значение силы тока 115 А при числе витков N, как правило, равном 1 витку, но число витков может быть равно 5 виткам в контрольном примере 1 и 2 виткам в контрольных примерах 2, 3 и 4, учитывая рассматриваемые воздушные зазоры каждой намотки 1 и 2, с одной стороны, и 3 и 4, с другой стороны, и учитывая также рассматриваемый материал для каждой намотки (и, следовательно, его проницаемость), чтобы достичь рабочей индукции B. На первичную обмотку подают напряжение 230 В. Вторичная обмотка насчитывает во всех описанных примерах число N=64 витка, и ожидаемое номинальное напряжение на вторичной обмотке равно 230 В. Во всех случаях система преобразования энергии, в которую интегрирован трансформатор, заставляет его выдавать постоянное изменение напряжения V 230 В. Это соответствует также получению постоянной трехфазной мощности 46 кВА.
Таким образом, магнитопровод выполнен из намотанной структуры полос, состоящей из:
- первого материала с высоким насыщением;
- и дополнительно из второго материала с низкой магнитострикцией, намотанного вокруг первого материала.
2
t
t
Чтобы постоянно получать одинаковое вторичное значение 230 В, регулируют сечение магнитного магнитопровода через глубину р магнитопровода, тогда как намотанная глубина ер2 второго материала сохраняется идентичной для всех испытаний, равна 20 мм и соответствует постоянной длине магнитной цепи 430 мм. С другой стороны, длина магнитной цепи первого материала при глубине, меняющейся в зависимости от примеров, составляет от 270 до 343 мм во всех примерах в соответствии с изобретением и также во всех контрольных примерах с элементарным модулем из двух материалов. Если считать, что Р является преобразованной мощностью, поскольку P = I.fem (сила первичного тока, помноженная на электродвижущую силу fem, генерируемую на вторичной обмотке) является условием размерности (Р = константа), при этом электродвижущую силу задает электрическая цепь, и поскольку «fem = N. B.сечение магнитопровода.2π.частота», то необходимо увеличить сечение, если приходится уменьшить B, чтобы снизить шум.
Можно напомнить, что в постоянном режиме в основном работает именно второй материал с низкой магнитострикцией, который обеспечивает выходное напряжение и выходную мощность трансформатора. С другой стороны, эффект пуска является результатом комбинации магнитного поведения обоих материалов, и, чтобы оценить новизну присутствия другого магнитного материала (первого материала) в магнитопроводе, намотанную толщину ер1 этого первого материала меняют от 0 (что соответствует отсутствию первого материала) до 20 мм в зависимости от испытаний. Это соответствует длине магнитной цепи, меняющейся от 0 до 343,2 мм.
n
t
r
s
Что касается шума, то он связан с магнитострикцией материалов и с уровнем их намагниченности, и, следовательно, шум будет в основном связан в постоянном режиме с магнитным поведением второго материала. Показатель пускового эффекта определяют по известной формуле: I = 2. B + B - B для магнитного магнитопровода только с одним магнитным материалом. Для случая двух материалов эту формулу можно обобщить следующим образом:
1
2
n
2
r,2
1
t,1
s,1
2
t,2
s,2
(S + S).I = S.B + S.(2B - J) + S.(2B - J),
1
2
r,2
t,1
t,2
s,1
s,2
где S и S являются сечениями намоток первого и второго материалов соответственно, B является остаточной индукцией второго материала, который остается единственным активным в конце периода постоянного режима, когда происходит выключение трансформатора и переход магнитного магнитопровода в остаточное состояние, B и B являются рабочими индукциями, J и J обозначают намагниченность до насыщения первого и второго материалов соответственно. Формулу можно легко адаптировать для случая, когда используют более двух материалов.
Напряжение (иначе говоря, электродвижущая сила), индуцируемое трансформатором, обозначается dФ/dt. Именно благодаря ему преобразуют требуемую электрическую мощность: P = fem.I, где I обозначает силу намагничивающего тока трансформатора.
1-a
a
100-x-y-z-α-β-γ
x
y
z
α
β
γ
Шум, создаваемый в различных примерах с ленточными магнитопроводами трансформатора, измеряют при помощи набора микрофонов, расположенных вокруг трансформатора в срединной плоскости магнитного ярма. В различных примерах используют только один материал (контрольные примеры) или два материала (некоторые контрольные примеры и примеры в соответствии с изобретением), а именно мягкие магнитные материалы (FeCo27, Fe49Co49V2, Fe-3%Si-G.O., электрическую сталь FeSi с ориентированными кристаллами, нанокристаллический сплав FeCuNbSiB типа [FeNi]CuSiBNbM’M”, где а = 0; х = 1; у = 15; z = 7,5; α = 3; β = γ = 0. Материал или материалы намотаны в соответствии с определенной выше базовой структурой.
1
2
t,1
1
t,2
2
1
2
1
2
t,i
Примеры в нижеследующей таблице 4 рассчитаны по параметрам и получают питание таким образом, чтобы всегда преобразовывать по существу одинаковую мощность, то есть примерно 46 кВА. Эта трехфазная мощность соответствует √2.I.dФ/dt, где dФ/dt = N.(B.S + B.S). ω = 230 В, где I = 115 А, N (число витков вторичной намотки) равно 64, ω (импульс) = 2.π.f, где f является частотой, в данном случае равной 360 Гц, S и S (сечения магнитного ярма первого и второго материалов соответственно) равны соответственно (Н.ер1) и (Н.ер2), и B является рабочей индукцией материала i.
t
Другая возможность состоит в точном регулировании воздушных зазоров (после разрезания) ε1 и ε2 между полуцепями намоток первого и второго материалов соответственно, придавая им, в случае необходимости, разные значения во время профилирования зон резания, чтобы можно было ограничить намагничивание одного материала относительно другого. В противном случае некоторые неконтролируемые уровни намагничивания материала 1 могут слишком сильно увеличить магнитострикцию или эффект пуска. Однако необходимо помнить, что увеличение воздушного зазора приводит к увеличению тока, необходимого для намагничивания до уровня B, и, следовательно, ухудшает КПД трансформатора. Следовательно, необходимо найти баланс между преимуществами и недостатками практического применения этого решения.
r,eq,mat2
r,mat2
r,eq,mat2
1
r,eq
t
r,eq
Например, в примере 13 в соответствии с изобретением минимальный остаточный воздушный зазор ε2 между двумя полуцепями второго материала (нанокристаллический материал) оценивают в 10 мкм, и в этом случае эквивалентная относительная магнитная проницаемость μ магнитной цепи «материал 2 + воздушный зазор» меняет собственную проницаемость μматериала 2 с 30000 на 17670 в данном примере (с применением формулы  ≈ воздушный зазор + ). Если бы воздушный зазор ε2 был в десять раз шире (100 мкм), получили бы собственную проницаемость μ = 3760, то есть в четыре раза меньше, чем в предыдущем случае. Однако (по теореме Ампера) H.L=N.I (где L является средней длиной магнитной цепи) и H = B/μ, пока материал работает с приблизительно линейной кривой B = f(H) (случай трансформатора). Следовательно, сохраняя B постоянным (чтобы поддерживать постоянные электродвижущую силу и передаваемую мощность, как было указано выше), необходимо компенсировать увеличение воздушного зазора (и, следовательно, снижение μ) повышением силы I намагничивающего тока, что приводит к снижению КПД трансформатора.
r,eq
Если рассматривать в этом же примере 13 воздушный зазор ε1 магнитных цепей с материалом с высоким Js, можно сделать вывод, что воздушный зазор ε1 в 3,5 мм позволяет ограничить эквивалентную проницаемость первого материала (в данном случае FeCo) значением 0,05 Тл (см. формулу μ выше) и, следовательно, получить низкий шум 43 дБ. Если довести воздушный зазор до 10 мкм, то есть до значения, равного ε2, то материал FeCo с высоким Js намного превысит индукцию в 1 Тл в постоянном режиме трансформатора, и шум материала FeCo станет преобладающим и не удовлетворительным (намного превышающим 55 дБ), но может быть допустимым в течение действия эффекта пуска (то есть от нескольких долей секунды до нескольких секунд).
t
t
t
Общее правило ограничения эффектов пуска и шума состоит в том, что, поскольку рабочая индукция B оказывает ослабляющее действие как на эффект пуска, так и на шум магнитострикции, необходимо снизить B для ослабления этих эффектов. Но это понижение B необходимо компенсировать увеличением магнитного сечения, чтобы сохранить dФ/dt и преобразованную мощность на одном уровне.
Согласно техническим требованиям этого авиационного трансформатора, шум должен иметь значение не более 55 дБ по меньшей мере вне периодов, в которые проявляется эффект пуска, и показатель эффекта пуска должен быть меньше или равен 1 при как можно меньшей массе магнитопровода. Кроме того, общая масса магнитных материалов не должна превышать 6,5 кг. Как будет показано ниже, чтобы соблюдать это последнее условие одновременно с другими, общее сечение материала с высоким Js относительно общего сечения магнитных материалов в магнитопроводе не должно превышать 50%. Это условие необходимо соблюдать, если рассматривать каждый из внутреннего и наружного субмагнитопроводов. Чтобы не усложнять таблицу 4, было только уточнено соотношение общих сечений, но, разумеется, все примеры в соответствии с изобретением соблюдают это условие также для каждого из субмагнитопроводов.
Примеры в таблице 4 показывают следующее. Примеры, помеченные «контр», являются контрольными примерами, примеры, помеченные «изо», являются примерами в соответствии с изобретением.
Таким образом, примеры 1-12, 18, 18В, 19-21 в таблице 4 являются контрольными примерами, и примеры 13-17, 18С, 22-24 являются примерами в соответствии с изобретением, отвечающими всем критериям вышеупомянутых технических требований.
Следует отметить, что для контрольных примеров 1-12 воздушный зазор во втором материале не предусмотрен. Для всех других примеров, как контрольных, так и в соответствии с изобретением, во втором материале предусмотрен воздушный зазор ε2 в 10мкм. Для примеров 13-24, как контрольных, так и в соответствии с изобретением, предусмотрен одновременно зазор ε2 в 10 мкм во втором материале и зазор ε1 в первом материале, при этом ε1 может принимать разные значения в зависимости от испытаний, и ε1 отличается от ε2, кроме примера 24, где ε1 = ε2 = 10 мкм. При этом следует иметь в виду, что в этих примерах ε1 и ε2 являются одинаковыми для всех элементов магнитопровода: для двух внутренних субмагнитопроводов и для наружного субмагнитопровода.
3
3
3
3
Для вычисления объемов и для определения на их основании сечений различных материалов в качестве значений плотности взяли 7900 кг/м для FeCo27, 8200 кг/м для FeCo50V2, 7650 кг/м для FeSi3, 7350 кг/м для нанокристаллического материала.
Значения Js различных материалов равны 2,00 Тл для FeCo27, 2,35 Тл для FeCo50V2, 2,03 Тл для FeSi3, 1,5 Тл для нанокристаллического материала.
(Перевод надписей в таблице:
1. Второй материал.
2. Первый материал.
3. Постоянный режим.
4. Масса и сечение.
5. Пример.
6. Материалы 2 + 1.
t
t,2
7. B материал 2 B (Тл).
8. Br материал 2 Br (Тл).
t
t,1
9. B материал 1 B (Тл).
10. Шум (дБ).
11. Показатель эффекта пуска.
12. Масса материала 1 (кг).
13. Масса материала 2 (кг).
14. Общая масса (кг).
15. % веса материала 1 (с высоким Js).
16. % сечения материала 1 (с высоким Js).
17. Трехфазная мощность (кВА).
18. Воздушный зазор материала 2 ε2 (мкм).
19. Воздушный зазор материала 1 ε1 (мкм).
20. dФ/dt (В).
21. ер2 мм. 22. ер1 мм. 23. р мм.
В номерах примеров: ref - контр; inv - изо.
Nanocristallin cycle couché ou coupé: Нанокристаллический материал, цикл низкой крутизны)
Таблица 4: Характеристики различных тестированных конфигураций магнитопроводов
Полностью нанокристаллическая цепь (контрольные примеры 10-12) позволяет, конечно, соблюдать технические требования по шуму и пуску только для массы магнитной цепи, которая может быть уменьшена до 4,6 кг, что, на первый взгляд, является удовлетворительным. Однако эта масса не включает в себя немагнитные опоры магнитной цепи, которые могут быть выполнены, например, из дерева, тефлона или алюминия и которые могут иметь массу в несколько сот граммов.
Решение только с нанокристаллическим материалом неизбежно требует использования временной или постоянной опоры для наматывания. В случае, когда она является постоянной, она утяжеляет массу нанокристаллической цепи, как было указано выше.
Во всех случаях (постоянная или не постоянная опора) эту опору необходимо выполнять, тогда как она в любом случае не участвует в электрической работе трансформатора в отличие от случая, предусмотренного изобретением. Следовательно, стоимость выполнения опоры не окупается в концепции трансформатора в отличие от изобретения. Следовательно, можно считать, что примеры 10-12 не отвечают полностью техническим требованиям изобретения и считаются контрольными.
Для уточнения этого важного пункта можно сравнить контрольный пример 12 (только нанокристаллический материал) и пример 17 в соответствии с изобретением (композитный нанокристаллический магнитопровод с циклом низкой крутизны + FeCo27). Эти два примера были выбраны, поскольку они считаются наиболее эффективными с учетом их технологического выбора и имеют одинаковый показатель эффекта пуска. Производимый шум является более низким для решения с 100% нанокристаллического материала (41 дБ против 52 дБ в решении композитного нанокристаллического магнитопровода с циклом низкой крутизны + FeCo27), но в обоих случаях шум ниже допустимого порога в 55 дБ.
В примере 12 используют массу 5,0 кг нанокристаллического материала, к которой следует добавить минимальную массу 200-300 г тефлона, алюминия или немагнитной нержавеющей стали. Для этого примера предусмотрены два возможных случая: с постоянной опорой и с не постоянной опорой.
В таблице 5 представлены последовательные операции в этих трех вариантах осуществления и сравнены порядки величины стоимости каждого этапа (от +: дешевый до +++: дорогой; 0: этап в варианте осуществления отсутствует) решений в случае выполнения функционального узла в виде только тора (типа однофазного трансформатора):
Этап №
Решение с 100% нанокристаллического материала (№12), не постоянная опора
Стоимость этапа
Решение с 100% нанокристаллического материала (№12), постоянная опора
Стоимость этапа
Заявленное решение (№20)
Стоимость этапа
1
Выполнение не постоянной опоры магнитного магнитопровода
++
Выполнение постоянной опоры магнитного магнитопровода
+
Выполнение магнитной металлической опоры FeCo
++
2
Наматывание аморфной ленты на извлекаемую металлическую опору (обечайка)
+
Наматывание аморфной полосы на извлекаемую металлическую опору (обечайка)
+
Наматывание нанокристаллической полосы на опору с прокладкой для усадки нанокристаллизации (примерно 1%), удаляемой в конце наматывания
+
3
Отжиг нанокристаллизации и усадки аморфной ленты на обечайке
+
Отжиг нанокристаллизации и усадки аморфной ленты на обечайке
+
Отжиг нанокристаллизации и усадки аморфной ленты на опоре FeCo
+
4
Снятие нанокристаллического магнитопровода с обечайки
+
Снятие нанокристаллического магнитопровода с обечайки
+
0
0
5
Нанокристаллический магнитопровод,  установленный на не постоянной опоре с минимальным зазором
+
Нанокристаллический магнитопровод,  установленный на постоянной опоре с минимальным зазором
+
0
0
6
Пропитка комплекса «магнитопровод + опора»
++
Пропитка комплекса «магнитопровод + опора»
++
Пропитка комплекса «магнитопровод + опора»
++
7
Полимеризация комплекса
+
Полимеризация комплекса
+
Полимеризация комплекса
+
8
Извлечение не скрепленной опоры
+
0
0
9
Разрезание на два равных С только пропитанного магнитопровода
++
Разрезание на два равных С пропитанного магнитопровода + опора
+
Разрезание на два равных С
+
10
Поверхностная обработка разрезанных сторон С
+
Поверхностная обработка разрезанных сторон С
+
Поверхностная обработка разрезанных сторон С
+
11
Механическое соединение с регулируемым воздушным зазором (возможно, с прокладкой)
+++
Механическое соединение с регулируемым воздушным зазором (возможно, с прокладкой)
++
Механическое соединение с регулируемым воздушным зазором (возможно, с прокладкой)
++
Таблица 5: Сравнение стоимости решений 12 (контрольное) и 17 (заявленное)
Из таблицы 5 видно, что в случае изобретения существует меньше операций, и, кроме того, некоторые из операций, общие для различных решений, стоят дешевле в случае изобретения. Действительно, во время разрезания и соединения С-образных деталей из 100% нанокристаллического материала (пример 12 без постоянной механической опоры) отсутствие придающей жесткость механической поры (случай «без постоянной опоры») вынуждает удерживать С-образные детали с осторожностью, то есть используя соответствующие зажимы-шаблоны, чтобы не деформировать и не повредить детали.
В случае контрольного примера 12 с постоянной опорой меры предосторожности являются такими же, как и для изобретения, но в этом случае конечный магнитопровод будет более тяжелым, и к каждому произведенному магнитопроводу добавляется стоимость опоры.
В случае примера 17 в соответствии с изобретением опора FeCo образует механическую сердцевину, позволяющую избегать необратимых механических деформаций и одновременно используемую функционально в электромагнитном и электрическом плане.
В конечном итоге, если сравнивать с изобретением, известное решение с 100% нанокристаллического материала (пример 12) либо стоит немного дороже по причине большего числа операций и является более тяжелым по причине массы опоры (случай постоянной опоры), либо (случай не постоянной опоры) имеет такую же или немного большую массу, но в любом случае является более дорогим в выполнении. Следовательно, в целом оно не представляет собой удовлетворительное решение проблем, которые решает изобретение.
Из таблицы 4 видно, что цепь в основном из нанокристаллического материала с дополнительной цепью из сплава Fe-27% Co в определенных ограниченных количествах позволяет добиться эквивалентных и даже немного лучших характеристик по массе (конечная масса в лучшем случае близка к 4,5 кг) и одновременно удовлетворяет техническим требованиям по эффекту пуска и шуму, если сравнить ее с решением с 100% нанокристаллического материала с не постоянной опорой (см. выше). В случае заявленных примеров этот оптимум размерности соответствует пропорции по сечению FeCo или FeSi около 9-40% и около 7-29% по массе по сравнению со всеми магнитными материалами магнитопровода. Этот оптимум соблюдается также на уровне каждого из взятых отдельно субмагнитопроводов.
Увеличив еще больше количество FeCo и, следовательно, утяжелив магнитную цепь (случай с более 30% по массе и с более 50% по сечению FeCo, примеры 19, 20 и 21), можно заметить, что эффект пуска можно намного ослабить вплоть до отрицательного показателя. В этом случае магнитная цепь достигает массы порядка 7 кг (при нулевом показателе эффекта пуска). Однако эту массу можно считать немного чрезмерной, чтобы это техническое решение принять за полностью удовлетворительное, тем более, что, кроме всего прочего, шум снижен только незначительно относительно допустимого максимума в 55 дБ (примеры 19 и 20) или превышает этот допустимый максимум (пример 21). В целом, массу порядка 6,5 кг можно было бы считать приемлемой, но только если соблюдены условия по шуму и по эффекту пуска. Этим объясняется то, что пример 21 не считается соответствующим изобретению.
Использование FeSi-G.O. (электрическая сталь Fe-3% Si с ориентированными кристаллами) вместо FeCo в предыдущем случае позволяет отметить такие же результаты по тенденции, как и предыдущий случай, но с некоторым утяжелением магнитной цепи, чтобы получить сравнимый показатель эффекта пуска.
Использование только традиционных материалов и без локализованного воздушного зазора (то есть с не разрезанной магнитной цепью) и с повышенной индукцией (FeCo27, Fe49Co49V2, FeSi3) для авиационных бортовых трансформаторов позволяет получить очень небольшие массы магнитной цепи (примеры 1, 2, 3, 6), но при этом шум является очень большим (от 92 до 115 дБ), что намного больше допустимого предела в 55дБ, и эффект пуска является очень большим (показатель эффекта пуска от 1,63 до 2,95) и может привести к нарушению работы некоторых электронных компонентов на приборной панели. Следует отметить, что если разрезать цепь, чтобы получить локализованный воздушный зазор и очень низкий остаточный магнетизм Br, то эффект пуска намного уменьшается. Однако шум остается таким же сильным, и стоимость выполнения будет намного выше.
Использование этих же кристаллических материалов отдельно, но с значительно более низкой индукцией позволяет существенно уменьшить эффект пуска и снизить шум (примеры № 4, 5, 7, 8, 9), приблизив (шум) или получив (эффект пуска) допустимые пределы из технический требований. Однако, если эта ситуация достигнута (примеры № 5 и 8), масса магнитной цепи составляет порядка 18-19 кг, то есть в три раза больше, чем масса при контрольных решениях на основе только нанокристаллического материала и с повышенной индукцией или при заявленных решениях, в которых нанокристаллический материал объединен с FeCo или FeSi.
На фиг. 3 сведены характеристики различных возможных решений магнитной цепи на графике показатель эффекта пуска-шум, где уточнены также массы трансформатора, соответствующие различным точкам.
Пунктирной линией отмечены максимальные значения шума 55 дБ и показателя эффекта пуска 1, рекомендованные вышеупомянутыми техническими требованиями. Сплошной линией обведена зона, в которой находятся примеры, отвечающие этим пунктам технических требований и, кроме того, имеющие сечение материала с высоким Js относительно общего сечения магнитных материалов, не превышающее 50%, и сечения материалов с высоким Js относительно суммы сечений магнитных материалов каждого субмагнитопровода, не превышающие 50%. Этот последний пункт, который тоже входит в технические требования, позволяет также гарантировать, что магнитопровод трансформатора имеет очень небольшой вес, порядка 6,5 кг или меньше.
Таким образом, понятно, что за счет использования нанокристаллической цепи в сочетании с FeCo или с FeSi изобретение позволяет соблюдать ограничения по шуму и по эффекту пуска, применяя магнитные цепи, намного более легкие, чем решения из традиционных кристаллических материалов (сравниваемые FeSi, FeCo), используемых самостоятельно. Что касается решений с использованием только нанокристаллического материала, их характеристики при равной массе в достаточной степени сравнимы с характеристиками изобретения с точки зрения шума и показателя эффекта пуска, но из таблицы 5 видно, что стоимость выполнения этих решений существенно выше стоимости выполнения заявленных решений.
Показатель эффекта пуска всегда является строго убывающей функцией массы магнитного ярма. Однако эта кривая не является линейной и в случае анализируемого примера позволяет определить решения магнитного ярма с достаточно небольшой массой (4-6,5 кг) при уже очень сниженном показателе эффекта пуска. С другой стороны, шум зависит не только от массы, но также от выбора используемого(ых) материала/материалов (через их магнитострикционные свойства).
Таким образом, понятно, что заявленные решения на основе нанокристаллического материала, соединенного с другим материалом (в частности, FeCo или FeSi), позволяют получить одновременно небольшую массу (4-6,5 кг), низкий шум и низкий показатель эффекта пуска при минимальной стоимости и сложности изготовления.
Можно предусмотреть различные версии изобретения.
Можно применять несколько материалов с высоким Js в одном магнитном магнитопроводе, например, сплав Fe-3%Si с текстурой Госса во внутренней намотке внутренних субмагнитопроводов и сплав Fe-50%Co в наружной намотке наружного субмагнитопровода.
s
Можно использовать несколько материалов с низкой магнитострикцией в одном магнитопроводе, например, нанокристаллический сплав FeCuNbSiB с вышеупомянутым составом во внутренней намотке внутренних субмагнитопроводов и аморфный материал на основе кобальта в наружной намотке наружного субмагнитопровода. Предпочтительно использовать одинаковый материал для двух внутренних субмагнитопроводов. Предпочтительно придерживаться правила сохранения магнитного потока «J.Сечение» между тремя частями, относящимися в материалам с низкой магнитострикцией.
Согласно изобретению, отдается предпочтение использованию нанокристаллических материалов перед использованием других материалов с низкой магнитострикцией.
Действительно, вышеупомянутые нанокристаллические материалы с составом FeCuNbSiB, которые относятся к предпочтительным, но не исключительным примерам материалов, используемых для реализации изобретения, известны возможностью регулировать их магнитострикцию на 0 путем соответствующей термической обработки, тогда как их намагниченность насыщения остается относительно высокой (1,25 Тл), то есть позволяет не утяжелять трансформатор (см. уже ранее приведенные принципы определения размерности, влияющие на dФ/dt и на эффект пуска).
Изобретение подходит не только для трехфазной структуры с двумя субмагнитопроводами, расположенными рядом друг с другом и вставленными в третий субмагнитопровод, но его можно также применять для простого магнитопровода однофазного трансформатора или для любой другой компоновки с большим числом субмагнитопроводов, например, в случае многофазных трансформаторов с числом фаз более трех. Специалист в данной области сможет легко адаптировать заявленную концепцию трансформатора к этому последнему случаю.
Разрезание завершенного магнитопровода с образованием воздушного зазора 17, чтобы наилучшим образом заполнить окно намотки и, следовательно, уменьшить массу/объем магнитопровода, не является обязательным, но все же является предпочтительным одновременно по вышеупомянутой причине, так как позволяет увеличить плотность мощности через оптимальное заполнение окна намотки, а также снизить остаточную индукцию магнитной цепи. Дополнительным преимуществом разрезания является возможность дифференцирования воздушных зазоров ε1 и ε2 двух материалов, чтобы лучше контролировать максимальный уровень намагничивания первого материала с высоким Js и с высокой магнитострикцией.
Регулирование воздушного зазора может различаться между материалами с низкой магнитострикцией и материалами с высоким Js, как видно на большинстве примеров в соответствии с изобретением из таблицы 4 и как показано на фиг. 1 и 2. Если магнитострикция является очень низкой, циклическая деформация материалов будет очень слабой, и отрегулированный воздушный зазор не будет распространять шум и усилит его лишь в незначительной степени. С другой стороны, в случае материалов с высоким Js и с очень высокой магнитострикцией даже при очень низких значениях рабочей индукции в постоянном режиме (менее 0,8 Тл и даже менее 0,4 Тл) вибрации могут оставаться еще достаточными, чтобы генерировать шум, превышающий самые высокие пределы требований. В этом случае предпочтительно механически обработать воздушный зазор для его увеличения по сравнению с материалом с низкой магнитострикцией, чтобы материалы с высоким Js не входили в контакт с прокладкой, что позволяет уменьшить шум.
В случае необходимости, можно также предусмотреть разные значения ε1 и/или ε2 для разных частей магнитопровода, иначе говоря, чтобы воздушные зазоры (ε1, ε2), разделяющие две части разных намоток (1, 2, 3, 4, 13, 14), не были одинаковыми между внутренним субмагнитопроводом и наружным субмагнитопроводом.
Поверхностная обработка разрезанных сторон магнитопровода не является обязательной, но все же желательна, так как позволяет лучше рассчитывать характеристики трансформатора. Это позволяет улучшить характеристики пуска и обеспечивать более воспроизводимое промышленное производство трансформаторов.
Калибровка воздушного зазора при помощи прокладки не является обязательной, но желательна для точной регулировки остаточной индукции (связанной, в частности, с эффектом пуска) и максимального уровня намагничивания в каждом материале, чтобы обеспечивать более воспроизводимое промышленное производство трансформаторов.
Симметрию разрезания магнитопровода соблюдать не обязательно.
В случае отказа от разрезания нет необходимости в склеивании, пропитке и скреплении различных металлических частей ярма, более жестком и более тесном, чем это обеспечивают различные виды плотного наматывания и термическая(ие) обработка(и).
Различные материалы не обязательно имеют одинаковую ширину. Например, можно намотать три полосы нанокристаллизуемого аморфного материала FeCuNbSiB шириной l каждая вокруг ранее намотанного тора внутреннего субмагнитопровода из FeSi или FeCo шириной 3l. Это позволяет получать одинаковую механическую опору для наматывания полос FeCuNbSiB, которые являются особенно легкими в изготовлении и в использовании, если они имеют ширину, меньшую 20-25 мм, тогда как потребности для магнитопроводов бортовых трансформатора намного превышают такие значения ширины.
Альтернативно предыдущему решению можно укладывать друг на друга различные магнитопроводи с одинаковой шириной материала, чтобы в конечном счете получить более широкий тор перед склеиванием, скреплением, пропиткой, механическим регулированием и т.д. и последующими разрезанием, поверхностной обработкой и монтажом предварительно изготовленных намоток.
Все материалы или только некоторые из них можно наматывать в аморфном или пластическом или в частично кристаллизованном состоянии (в зависимости от случая) или можно наматывать в состоянии нанокристаллизации (FeCuNbSiB), релаксации (аморфные материалы на основе железа или на основе кобальта) или кристаллизации (Fe-80%Ni, FeCo, FeSi, другие поликристаллические материалы).