ТРАНСФОРМАТОР
TRANSFORMER

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электромагнитных трансформаторах.
Известен индуктивный элемент (Патент Великобритании №1203948, H01F 17/04, 03.09.1970), содержащий одну или более обмоток, охваченных одним или более слоями ферромагнетика, образующего замкнутый сердечник, связывающий обмотки. Обмотки и слои ферромагнетика имеют разрывы и, благодаря этому, путем выбора соединений витков обмоток и слоев ферромагнетика возможно получение дросселей, трансформаторов и других индуктивных элементов с необходимыми параметрами. В процессе сборки индуктивного элемента используются как существующие обмотки и слои ферромагнетика, так и обмотки, слои ферромагнетика, слои изоляции и соединения, создаваемые непосредственно при этом методами химического, фотохимического, электрохимического, термического и вакуумного осаждения, травления, электрофореза, эмалирования, глазирования, вжигания металлов в изоляцию, акустической обработки, лазерной обработки, фрезерования, сварки, пайки, преднапряженного прижима, с использованием различных защитных масок и непрерывным измерением параметров элемента. Такая комбинированная технология последовательного наращивания на тонкой подложке обеспечивает плотную и, следовательно, компактную конструкцию планарных (линейных) индуктивных элементов. Плоская форма индуктивного элемента улучшает отвод тепла от обмоток и сердечника, но для снижения вихревых потерь и ослабления скин-эффекта выполнять обмотки рекомендуется проводом, вертикальный размер сечения которого больше горизонтального (Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов.: уч. пособие для вузов. - 5-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 528 с.), и объемный индуктивный элемент имеет лучшие характеристики, чем планарный (Самарин А. Технология и область применения микроконтактных соединений Claw Connect. - «Компоненты и технологии», №12, 2006 г., с.136-142). При изготовлении индуктивного элемента использовано предельно большое количество лучших технологий, однако сохранилась классическая конструкция индуктивного элемента. Это не позволяет существенно уменьшить его размеры и улучшить характеристики.
Известен преобразователь тока в напряжение (Сидиряков Е.В., Лямец Ю.Я., Козлов В.Н. Патент РФ №1347025, G01R 19/00, 23.10.1987), содержащий замкнутый сердечник, на котором размещены короткозамкнутая и измерительная обмотки. Благодаря низкому электрическому сопротивлению короткозамкнутой обмотки преобразователя можно выбирать любую точку на кривой намагничивания его сердечника, в том числе обеспечить его полное размагничивание при любом измеряемом токе во внешнем проводе, пронизывающем сердечник преобразователя. Однако рассматриваемый преобразователь имеет большие размеры и потери в обмотках, поэтому не может использоваться в качестве силовых трансформаторов.
Наиболее близким техническим решением является трансформатор (Казаков В.В., Немцев Г.А. Патент РФ №2320045, H01F 30/06, H01F 27/28, 20.03.2008), содержащий сердечник, образованный вертикальными стержнями, верхние торцы которых магнитно соединены через верхнее ярмо, а нижние - через нижнее ярмо, причем торцы стержней электрически изолированы от ярем, первичные обмотки, охватывающие стержни, причем стержни навиты в виде рулонов из эмалированной ленты ферромагнитного материала с высокой электропроводностью, магнитной проницаемостью и индукцией насыщения, например из электролитического железа с чистотой 99,998%, и совмещают функцию вторичных обмоток или их части, что позволяет существенно уменьшить размеры и улучшить характеристики трансформатора.
Необходимость увеличения толщины немагнитной электрической изоляции между стержнями и ярмами при изготовлении трансформаторов с высоким выходным напряжением приводит к ухудшению характеристик сердечника и надежности изоляции обмоток.
По причине того, что при такой конструкции трансформатора только часть сердечника, а именно его стержни, могут одновременно выполнять функцию обмоток, дальнейшее уменьшение размеров трансформатора и потерь в его обмотках и сердечнике ограничено.
сл
пр2
ж
пр2
ж
Снижение потерь в стержнях-обмотках от вихревых токов и скин-эффекта достигается тем, что они наматываются в виде рулонов лентой, содержащей большое количество одинаковых, калиброванных по ширине и электрически изолированных между собой тонких слоев, выполненных из ферромагнетика с высокой электропроводностью и высокой отрицательной магнитной резистивностью. При этом многослойность ленты не увеличивает распределенную емкость обмотки. Поскольку стержни одновременно выполняют функцию именно вторичных обмоток, то в каждом слое ленты, которой навита такая обмотка, наводится одна и та же собственная ЭДС, что исключает перераспределение тока между слоями из-за скин-эффекта. Поэтому транспонирование проводников в таких обмотках не требуется. Однако соседние слои ленты своими концами электрически соединены вместе и образуют петлю, охватывающую часть поперечного сечения сердечника, расположенную между этими слоями. Поэтому между концами этих слоев установится разность ЭДС, равная ΔU=ω·B·(l·d), где ω - циклическая частота тока в обмотках, В - индукция магнитного поля в сердечнике, l - длина ленты, d - толщина слоя, причем благодаря охваченности сечения стержня общими витками, значение В распределено равномерно по сечению стержня. Для компенсации разности ЭДС слоев в ленте внутренние витки обмотки навиваются только нижним слоем ленты, последующие витки - с поочередным добавлением следующих слоев. Такой метод компенсации требует точного расчета количества отличающихся внутренних и последующих витков, т.к. погрешность компенсации разности межслоевой ЭДС вызовет увеличение потерь во вторичной обмотке. Также усложняется конструкция выводов вторичной обмотки, что снижает их надежность.
В описании трансформатора не поясняется, каким образом внутренние концы стержней-обмоток подключаются к выходам трансформатора. Провод, которым выполняется такое соединение, может, например, проходить через торец стержня-обмотки и являться частью токовой петли, охватывающей вертикальное сечение стержня-обмотки. Такая новая электромагнитная система схожа с трансформатором тока с разорванной вторичной обмоткой. Поэтому ток, протекающий по соединительному проводу, может вызвать перпендикулярное магнитное насыщение стержня, многократно уменьшая его магнитную проницаемость в направлении рабочего магнитного потока. Аналогичное явление происходит и при любом другом расположении соединительного провода. Это ограничивает ток нагрузки трансформатора.
Задачей изобретения является уменьшение размеров обмоток и сердечника, потерь энергии в трансформаторе, увеличение жесткости сердечника, повышение надежности, увеличение диапазона токов и напряжений, улучшение характеристик сердечника и обмоток, уменьшение затрат на изготовление трансформатора.
Технический результат достигается тем, что в трансформатор, содержащий первичные обмотки, охватывающие обмотку-сердечник, провод, соединяющий внутренний контакт обмотки-сердечника с первым выводом выхода трансформатора, дополнительно введены изолированный короткозамкнутый виток, расположенный вдоль замкнутой средней линии внутри обмотки-сердечника рядом с проводом, так же образующим короткозамкнутый виток вдоль замкнутой средней линии, причем каждый виток обмотки-сердечника выполнен в виде тонких изолированных, в том числе между собой, слоев ферромагнетика с высокой электропроводимостью путем синхронного наращивания этого витка вокруг всей наружной поверхности поперечного сечения обоих короткозамкнутых витков, за исключением пространства отверстия для прохождения изолированной части провода внутрь обмотки-сердечника и других технологических отверстий; инверторы слоев обмотки-сердечника; причем, все начала слоев ферромагнетика соединены вместе на короткозамкнутой линии провода, образуя внутренний контакт обмотки-сердечника, наращивание витков обмотки-сердечника прерывается, когда их суммарная длина, определяемая в поперечном сечении обмотки-сердечника, становится равной половине общей длины витков обмотки-сердечника, и концы слоев, наращенных до прерывания, соединены со входами параллельно установленных инверторов слоев, количество которых определяется из условия максимального заполнения линии, на которой прервалось наращивание витков; начала слоев витков, наращиваемых далее, подключаются к выходам инверторов слоев; наружные концы слоев последнего витка обмотки-сердечника соединены вместе по одной замкнутой линии, образуя наружный контакт обмотки-сердечника, соединенный со вторым выводом выхода трансформатора.
Таким образом, для достижения технического результата изобретения в трансформатор внесены следующие изменения: введен короткозамкнутый виток, расположенный вплотную с короткозамкнутым витком провода вдоль средней линии обмотки-сердечника; введены инверторы для однократной перестановки слоев в витках обмотки-сердечника, подключаемые в разрыв этих слоев в том месте, где суммарная длина витков становится равной половине общей длины витков обмотки-сердечника.
Эскиз трансформатора в горизонтальном разрезе представлен на фиг.1, а в вертикальном - на фиг.2. На фиг.3 показан эскиз обмотки-сердечника, а на фиг.4 - ее вертикальный разрез. На фиг.5 показан эскиз инвертора слоев, на фиг.6 - электрическая схема инвертирования слоев, а на фиг.7 - схема подключения инвертора.
Трансформатор содержит:
1 - первичные обмотки,
2 - обмотку-сердечник,
3 - провод,
4 - изолированный короткозамкнутый виток,
5 - инверторы слоев витков обмотки-сердечника.
Первичные обмотки 1 охватывают обмотку-сердечник 2. Вся обмотка-сердечник 2 дополнительно выполняет функцию вторичных обмоток трансформатора. Внутри обмотки-сердечника 2 параллельно установлены провод 3, изолированный короткозамкнутый виток 4 и инверторы 5 для однократной перестановки слоев в витках обмотки-сердечника 2. Эскиз инвертора 5 слоев показан на фиг.5, где: I, II, III, …, n - номера слоев, или контактов инвертора, соответствующие номерам инвертируемых слоев витков обмотки-сердечника 2. Инверторы 5 представляют собой набор электропроводящих тонкостенных коаксиальных трубок прямоугольного сечения, изолированных между собой и, например, допускающих разрыв своей одной фронтальной стороны периметра, параллельный продольной оси инвертора.
c
c
Провод 3 соединяет внутренний контакт обмотки-сердечника 2 с первым выводом выхода трансформатора. Изолированный короткозамкнутый виток 4 расположен вдоль замкнутой средней линии l внутри обмотки-сердечника 2 рядом (параллельно) с проводом 3, так же образующим короткозамкнутый виток вдоль замкнутой средней линии l. Вокруг всей наружной поверхности поперечного сечения обоих короткозамкнутых витков 3 и 4 синхронно наращены витки обмотки-сердечника 2 за исключением пространства отверстия для прохождения изолированной части провода 3 внутри обмотки-сердечника 2 и других технологических отверстий. Каждый виток обмотки-сердечника 2 выполнен в виде изолированных, в том числе между собой, и полностью идентичных тонких слоев ферромагнетика с высокой электропроводимостью. Все начала слоев ферромагнетика соединены вместе на короткозамкнутой линии провода 3, образуя внутренний контакт обмотки-сердечника 2. Параллельно установленные инверторы 5 подключены в разрыв слоев ферромагнетика в витках обмотки-сердечника 2, т.е. наращивание витков обмотки-сердечника 2 прервано в том месте, где суммарная длина, определяемая в поперечном сечении обмотки-сердечника 2, становится равной половине общей длины витков обмотки-сердечника 2. Концы слоев ферромагнетика, наращенных до прерывания, соединены с вводами параллельно установленных инверторов 5 слоев обмотки-сердечника 2. Количество инверторов 5 определяется из условия максимального заполнения линии, на которой прервалось наращивание витков обмотки-сердечника 2. Начала слоев витков, наращиваемых далее, подключены к выходам инверторов 5. Наружные концы слоев последнего витка обмотки-сердечника 2 соединены вместе по одной замкнутой линии, образуя наружный контакт обмотки-сердечника 2, который соединен со вторым выводом выхода трансформатора.
Трансформатор работает следующим образом.
1
1
раб
1
1
1
1
1
c
2
2
U
2
раб
U
внеш
внутр
внеш
внутр
внеш
внутр
сл
пр2
ж
пр2
ж
При подключении переменного напряжения U сети с циклической частотой ω к выводам первичной обмотки 1 трансформатора с количеством витков N, в замкнутой магнитной цепи, образованной обмоткой-сердечником 2, наводится магнитный поток Ф=U/ωN), пропорциональный ампер-виткам I=i·Nпервичной обмотки, равномерный по поперечному сечению S обмотки-сердечника 2, благодаря тому, что оно охвачено общими витками, и наводящий в обмотке-сердечнике 2 с количеством витков N напряжение U=kωNФ, где k=(D+2D)/(3D+3D), D и D - внешний и внутренний диаметры поперечного сечения обмотки-сердечника 2. Так как электропроводное полотно обмотки-сердечника 2 в направлении протекания рабочего тока разделено на два одинаковых по длине отрезка, то между концами соседних слоев каждого отрезка многослойного полотна наводится одинаковая разность ЭДС, равная ΔU=ω·B·[l/2)·d], где ω - циклическая частота тока в обмотках; В - индукция рабочего магнитного поля в обмотке-сердечнике 2; l - длина полотна в направлении протекания рабочего тока в нем; d - толщина железа одного слоя. Однократное инвертирование расположения слоев в середине многослойного полотна ферромагнетика с высокой электропроводностью, из которого скатана обмотка-сердечник 2, обеспечивается с помощью инверторов 5. Благодаря однократной перестановке расположения соседних слоев полотна, включенных последовательно через инверторы 5 слоев, разности ЭДС слоев обоих отрезков направлены встречно и их сумма равна нулю.
Во вторичных обмотках трансформаторов, выполненных из многослойных проводов, состоящих из изолированных между собой и полностью идентичных тонких слоев, влияние скин-эффекта на распределение тока между этими слоями отсутствует, так как в этих слоях наводятся одинаковые ЭДС, и ток равномерно распределяется между слоями проводов. Поэтому инверторы 5 слоев выполняют только функцию уравнивания ЭДС слоев. Существуют два полностью эквивалентных объяснения причины возникновения межслоевой разности ЭДС: 1) наружный слой ферромагнитной обмотки охватывает большее значение магнитного потока, чем внутренние слои; 2) соседние слои такой обмотки образуют замкнутую петлю, охватывающую пронизывающий ее поток.
кз
раб
Сопротивление R короткозамкнутого витка 4 существенно меньше суммарного сопротивления соединительных проводов, обмотки-сердечника 2 и нагрузки трансформатора. Это обеспечивает обнуление любого магнитного потока, перпендикулярного к Ф, и исключает ухудшение магнитных характеристик обмотки-сердечника 2 из-за тока нагрузки трансформатора.
Таким образом, по сравнению с аналогами и прототипом достигнуты следующие преимущества:
1) весь сердечник трансформатора дополнительно выполняет функции его вторичных обмоток. Это позволяет уменьшить размеры обмоток и сердечника, а значит, потери энергии в трансформаторе, пропорциональные этим размерам;
с
2
2) благодаря сплошному сердечнику, не имеющему ярем, все точки каждого витка обмотки-сердечника 2, выстроившиеся в линию, параллельную средней линии l обмотки-сердечника 2, являются эквипотенциальными. Поэтому сняты ограничения по максимуму вторичного напряжения U трансформатора, связанные с необходимостью увеличения немагнитной изоляции между частями сердечника. Также, как и одновременное увеличение жесткости конструкции сердечника, это существенно увеличивает надежность трансформатора;
3) использование инверторов 5 слоев простой конструкции увеличивает коммерческую привлекательность, т.к. уменьшает затраты на изготовление трансформатора; при этом большое количество слоев в витках обмотки-сердечника 2, используемое для увеличения тока нагрузки и снижения потерь, улучшает характеристики сердечника и обмоток;
2
4) благодаря нейтрализации короткозамкнутым витком 4 перпендикулярного намагничивания обмотки-сердечника 2 током соединительного выходного провода 3 или иными токами, вызывающими это намагничивание, сняты ограничения по максимуму тока I нагрузки трансформатора.
2
3
26°C
max
c
Трансформатор может быть изготовлен из тех же материалов, из которых изготовлен прототип. Например, обмотка-сердечник 2 может быть изготовлена из 5-50 мкм слоев из 99,998-99,999% электролитического железа, изготовленного электрически-магнитным рафинированием на Кыштымском медно-электролитном заводе, или на Industrial metal powders {India) pvt. ltd., эмалированного 3 мкм полиимидом с красящим наполнителем AlO и имеющего следующие характеристики: удельное сопротивление ρ=0,0947 мкОм·м; относительная магнитная проницаемость µ=100000…120000; индукция насыщения В=2,66-2,70 Т; коэрцитивная сила H<2 А/м.
Обмотку-сердечник 2 можно изготовить стыковой низкотемпературной (80°С) сваркой полос фольги из ферромагнитного металла с помощью устройства ДИМЕТ (производства Обнинского центра порошкового напыления) парами меди или железа, или из предварительно отштампованных полуцилиндрических или прямоугольных деталей, стыкуя их с помощью устройства ДИМЕТ. Обмотка-сердечник 2 может быть изготовлена так же методом послойного наращивания железа по пента-карбонильной технологии и образования изоляции оксидированием с применением соответствующих масок.
Трансформатор может иметь все конструкции, присущие прототипу, и может заменять все виды измерительных и силовых трансформаторов. Так как размеры трех трансформаторов, изготовленных согласно заявляемому изобретению, существенно меньше, чем размеры стандартных трехфазных трансформаторов, то такая замена так же обеспечит повышение симметричности трансформации напряжений и токов.
Компактность, лучшие характеристики и коммерческая привлекательность трансформатора позволит использовать его вместо силовых планарных трансформаторов в электронной промышленности.