Патент на изобретение №2316841

(54) ТРАНСФОРМАТОР МАЛОЙ МОЩНОСТИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в преобразовательной и акустической технике, одними из компонентов аппаратуры которой являются трансформаторы малой мощности. Техническим результатом изобретения является улучшение удельных энергетических, а также шумовых характеристик. Трансформатор малой мощности включает броневой магнитопровод, состоящий из одинаковых витых ленточных сердечников с прямоугольным окном, сдвоенных в среднем стержне. Его охватывают изолированные, пропитанные обмотки, которые уложены непосредственно на средний стержень, образуя после пропитки с броневым магнитопроводом монолитную конструкцию. Отношение ширины среднего стержня b к его толщине а выдерживается в пределах 14. Предложены конкретные исполнения отдельных конструктивных элементов заявленного трансформатора. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электро-, преобразовательной и акустической технике, одними из компонентов аппаратуры которой являются трансформаторы малой мощности.

Трансформаторы включают в себя две функциональные части: электрическую – обмотки, и магнитную – магнитопровод. В трансформаторах малой мощности, работающих в частотном диапазоне от нескольких Гц до десятков кГц, включая трансформаторы питания на 50 и 400 Гц, широко применяются витые ленточные сердечники, образующие броневую, стержневую и тороидальную конструкции магнитопровода [1]. При этом сердечники бывают двух видов – замкнутые и разъемные, т.е. разрезные. Тороидальные трансформаторы имеют замкнутые магнитопроводы с круглым окном, и обмотки с изоляцией уложены непосредственно на магнитопровод с охватом его сечения. Стержневые и броневые трансформаторы, как правило, имеют разъемные магнитопроводы с прямоугольным окном. В этом случае обмотки с изоляцией наматываются отдельно на изоляционную гильзу или каркас, образуя катушку, которую устанавливают на стержень временно разомкнутого магнитопровода, охватывая его сечение. Затем магнитопровод смыкают.

Преимущество стержневых и броневых трансформаторов по сравнению с тороидальными заключается в простоте технологии автоматической намотки на станке.

Основным недостатком броневых и стержневых трансформаторов является пониженная эффективность использования материала магнитопровода из-за неизбежного зазора между торцами половинок разъемного стержня. Это приводит к ухудшению энергетических и электромагнитных характеристик трансформаторов: возрастают потери в магнитопроводе (соответственно уменьшается КПД и увеличивается перегрев), уменьшается индуктивность намагничивания (соответственно возрастает ток холостого хода, снижается cos, а в широкополосных трансформаторах возрастают частотные искажения). Недостаточная жесткость конструкции в целом приводит к тому, что из-за магнитострикции возникают акустические и структурные шумы. Этот фактор имеет большое значение, в частности, для акустической аппаратуры. Для снижения уровня шума приходится снижать индукцию в магнитопроводе [2, стр.197], и соответственно увеличивать массу и габариты трансформаторов.

Эти недостатки отсутствуют в тороидальных трансформаторах [1, стр.108-110]. Однако по сравнению с броневыми и стержневыми они ограничены по току в обмотках. Это обусловлено ограниченным сечением из-за необходимости сохранить гибкость круглых обмоточных проводов. Применение же гибких многожильных проводов (также ограниченного сечения) снижает коэффициент заполнения окна медью. Использование же гибких плоских проводников большого сечения, в частности медной ленты, неэффективно из-за конфигурации окна магнитопровода. Другим существенным недостатком является пониженная теплопередача в окружающую среду от закрытого обмотками магнитопровода [1, стр.216, 224]. Перечисленные факторы ограничивают токи и мощность и снижают энергетические характеристики тороидальных трансформаторов. Кроме того, круглая конструкция затрудняет плотную компоновку трансформаторов в модуле или приборе, что также является недостатком таких трансформаторов.

Указанные обстоятельства приводят к тому, что было бы целесообразно сочетать преимущества тороидальных трансформаторов и трансформаторов броневой или стержневой конструкции, имеющих магнитопровод с прямоугольным окном.

Такое решение имеет место в известном трансформаторе с вращающейся катушкой, которое является наиболее близким к предлагаемому изобретению. Этот трансформатор включает броневой магнитопровод, состоящий из двух одинаковых витых замкнутых ленточных сердечников с прямоугольным окном, сдвоенных в среднем стержне [1, стр.30] квадратного сечения, охватываемого с разных сторон двумя скрепленными половинами круглого вращающегося вокруг стержня каркаса, на который наматываются обмотки с изоляцией [1, стр.45, 46]. Существенным изъяном этой конструкции является весьма низкий коэффициент заполнения окна магнитопровода медью из-за полости между стержнем и каркасом. Недостатком является также повышенная длина витков обмоток и сама по себе необходимость квадратного сечения стержня, что также приводит к избыточной массе и объему трансформатора из-за неоптимальности такого сечения. Трансформатор с вращающейся катушкой имеет к тому же недостаточную жесткость конструкции, что приводит к повышенному уровню шума. Перечисленные недостатки существенно снижают удельные энергетические характеристики этого трансформатора, и он не получил широкого применения в силовой аппаратуре.

Задачей предлагаемого изобретения является достижение технического результата, состоящего в улучшении удельных энергетических, а также шумовых характеристик.

Для достижения указанного технического результата в трансформатор малой мощности, включающий броневой магнитопровод, состоящий из одинаковых витых ленточных сердечников с прямоугольным окном, сдвоенных в среднем стержне, и изолированные, охватывающие его пропитанные обмотки, введены новые признаки, а именно: обмотки уложены непосредственно на средний стержень, образуя после пропитки с броневым магнитопроводом монолитную конструкцию, при этом отношение ширины среднего стержня b к его толщине а выдерживается в пределах 14. Как показывают расчеты, за пределами заявленного соотношения при прочих равных условиях существенно возрастают масса и габариты предложенного трансформатора. Предлагаемое решение позволяет существенно повысить удельные энергетические характеристики трансформатора за счет увеличения коэффициента заполнения окна магнитопровода медью, уменьшения длины витков обмоток и оптимизации соотношения сторон сечения стержня и при этом обеспечить низкий уровень шума трансформатора, который пропитывается в сборе обмоток и магнитопровода, образуя жесткую монолитную конструкцию.

С целью унификации конструкции трансформатора и возможности вариации его габаритов магнитопровод может состоять из ряда сдвоенных сердечников, расположенных по одной оси симметрии и соприкасающихся друг с другом торцевыми поверхностями. Унификация конструкции достигается, в частности, применением стандартных сердечников из ряда ПЛ и ШЛ по ГОСТ 22050-76.

Для улучшения технологии укладки обмоток, заключающегося в усилении натяга проводника, что также приводит к увеличению коэффициента заполнения окна медью, на торце среднего стержня могут быть приклеены скругленные по ходу намотки и перпендикулярные ему жесткие изоляционные прокладки. Поскольку они должны обеспечивать плотность намотки по всей высоте окна, сохраняя его площадь, ширина их составляет не более толщины стержня, длина их при этом должна быть не менее высоты окна и быть не более высоты магнитопровода.

Для удобства размещения выводов обмоток и упрощения технологии их укладки по крайней мере одна из прокладок может иметь по крайней мере один перпендикулярный ходу намотки паз, в котором размещается вывод начала обмотки. При это глубина паза составляет не более толщины вывода, а ширина – не менее его ширины.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где показаны основные элементы конструкции трансформатора малой мощности.

Заявленный трансформатор малой мощности включает броневой магнитопровод, выполненный из одинаковых витых замкнутых ленточных сердечников с прямоугольным окном 1, 2, 5, 6, 7, 8, сдвоенных в среднем стержне 3 (пары 1 и 2, 5 и 6, 7 и 8). Стержень охвачен изолированными обмотками 4, уложенными непосредственно на него. Грани окна магнитопровода оклеены листовой изоляцией 9. На торце среднего стержня 3 наклеены скругленные по ходу намотки и перпендикулярные ему изоляционные прокладки 10, 11, ширина их составляет не более толщины стержня, а длина – менее высоты окна магнитопровода h и не более высоты магнитопровода Н. Одна из прокладок имеет паз 12, перпендикулярный ходу намотки. В нем размещается вывод обмотки 13 в виде шины. Глубина паза равна толщине шины, а ширина несколько превышает ширину шины. На чертеже также показано крепление трансформатора, состоящее из стяжных лент 14, приваренных к основанию 15, и шпилек с гайками 16, стягивающих ленты и весь остов трансформатора с магнитопроводом.

Для экспериментальной проверки предлагаемого изобретения были изготовлены две партии трансформаторов: низкочастотных силовых (частота 50 Гц, мощность 4500 ВА, наибольший ток в обмотке 45 А) и высокочастотных преобразовательных (частота 500-10000 Гц, мощность 2100 ВА, наибольший ток в обмотке 30 А). Броневой магнитопровод трансформаторов состоял из 4 одинаковых витых замкнутых ленточных сердечников из электротехнической стали толщиной 0,35 мм (для силовых трансформаторов) и 0,08 мм (для преобразовательных). Сердечники были из стандартного ряда ПЛ по ГОСТ 22050-76, неразрезные размером 32/64-80 для первой партии и 16/32-65 – для второй. Сердечники были сдвоены в среднем стержне, образуя ряд сдвоенных сердечников, расположенных на одной оси симметрии и соприкасающихся друг с другом торцевыми поверхностями, аналогично тому, как показано на чертеже. В результате размеры сечения среднего стержня составляли 64×128 (b/a=2) в силовых трансформаторах и 32×64 (b/a=2) в преобразовательных. Крепление последних было аналогично показанному на чертеже. Остов силовых трансформаторов скреплялся лентами и стягивающими скобами аналогично известным конструкциям трансформаторов на сердечниках ПЛ [1, стр.49]. Грани окон магнитопроводов были оклеены двумя слоями электрокартона. На торце среднего стержня были приклеены скругленные по ходу намотки и перпендикулярные ему, как показано на чертеже, текстолитовые прокладки толщиной 4 мм. Ширина их составляла соответственно 63 и 31 мм, т.е. не более толщины стержня, а длина соответственно 90 и 75 мм, т.е. превышала высоту окна и составляла не более высоты магнитопровода. Одна из прокладок в каждом трансформаторе имела один, перпендикулярный ходу намотки паз, глубина которого составляла для трансформаторов на ток 45 А 1 мм, а для трансформаторов на ток 30 А – 0,5 мм. В пазах размещали выводы первой обмотки в виде шин соответственно размером 1×15 и 0,5×10 мм. Для намотки остов трансформатора прикреплялся к монтажному столу. Намотка медной ленты в качестве проводника осуществлялась с помощью челнока, аналогично технологии намотки тороидальных трансформаторов в случае, когда невозможно применять станочную намотку. Межвитковая ленточная изоляция из пленки ПЭТ укладывалась частями, которые склеивались в области торца стержня. Изоляция между обмотками включала также ленту из бумаги БДХ, чередующуюся с пленкой. Трансформаторы после сборки подвергались стандартным технологическим операциям: вакуумной пропитке, а их поверхности – шпаклевке и эмалированию.

Такая конструкция позволила реализовать коэффициент заполнения окна магнитопровода медью, равный 0,5-0,55. Удельные массогабаритные характеристики экспериментальных трансформаторов оказались в 1,5-1,6 раз выше, чем у трансформаторов известных конструкций, а КПД на 1,5-2% выше. Уровень акустического и структурного шума, в частности, в силовом трансформаторе был на 1-1,5 порядка ниже, чем у трансформаторов известных конструкций.

Работа предлагаемого трансформатора малой мощности имеет свою специфику. Она заключается в том, что, благодаря увеличенному коэффициенту заполнения окна магнитопровода медью, при прочих равных условиях уменьшаются сопротивления обмоток и соответственно уменьшаются падения напряжения в обмотках, потери в обмотках и возрастает КПД.

Таким образом, заявляемый трансформатор малой мощности решает поставленную задачу.

Предпочтительной областью его применения являются аппаратура питания и преобразовательная техника, работающая на частоте от 50 Гц до десятка кГц.

Источники информации

1. Р.Х.Бальян. Трансформаторы для радиоэлектроники. М., “Советское радио”, 1971.

2. В.Б.Карпушин. Виброшумы радиоаппаратуры. М., “Советское радио”, 1977.

Формула изобретения

1. Трансформатор малой мощности, включающий броневой магнитопровод, состоящий из одинаковых витых ленточных сердечников с прямоугольным окном, сдвоенных в среднем стержне, и изолированные, охватывающие его пропитанные обмотки, отличающийся тем, что обмотки уложены непосредственно на средний стержень, образуя после пропитки с броневым магнитопроводом монолитную конструкцию, при этом отношение ширины среднего стержня b к его толщине а выдерживается в пределах 14.

2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что броневой магнитопровод состоит из ряда сдвоенных одинаковых витых ленточных сердечников, расположенных по одной оси симметрии и соприкасающихся друг с другом торцевыми поверхностями.

3. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что на торцы среднего стержня наклеены скругленные по ходу намотки и перпендикулярные ему жесткие изоляционные прокладки, ширина которых составляет не более толщины стержня, длина превышает высоту окна броневого магнитопровода и составляет не более высоты броневого магнитопровода.

4. Трансформатор по п.3, отличающийся тем, что по крайней мере одна из жестких изоляционных прокладок имеет, по крайней мере, один перпендикулярный ходу намотки паз, глубина которого составляет не более толщины размещенного в нем вывода обмотки, а ширина не менее ширины вывода.

РИСУНКИ