Дисковый трансформатор напряжения и тока
Изобретение относится к электротехнике, к низкочастотным (20-35 кГц) трансформаторам напряжения и тока и может быть использовано в трансформаторах звукового диапазона частот.
Технический результат состоит в упрощении, удешевлении, повышении плотности намотки, упрощении обслуживания и ремонта за счет возможности замены части поврежденных секций без перемотки всех обмоток, возможности унификации секций. Одни из наиболее трудоемких частей трансформаторов - их обмотки, выполнены на базе двухсторонних печатных плат. Проводники обмоток представляют собой спирали. Согласные стороны спиралей каждой из плат внутренними концами витков через окна изоляторов соединены проводящими перемычками. Внешние выводы спиралей соседних печатных плат через окна изоляторов также согласно соединены проводящими перемычками. Платы собраны в дисковые пакеты. Сильноточные спирали обмоток выполнены на основе вырубок из проводящего листового материала. Внешние выводы дисков пакетов обмоток выведены для соединения с другими элементами схем потребителей, электрики управления, коммутации и защиты. Для удешевления двухсторонние печатные платы могут быть заменены парами односторонних печатных плат. 2 ил.
В мире с 1900 годов и ранее постоянно совершенствовались электротехнические трансформаторы напряжения и тока. В СССР совершенствовались магнитопроводы (Работы НИИ ЧЕРМЕТ'а, г. Москва), постоянно совершенствовалось производство изолированного медного провода от его протяжки через фильеры, отжига и вторичных очисток, далее от покрытия от эмалевой до двойной эмалевой изоляциии, до дальнейшего покрытия шелковыми и другими типами нитей. Далее шла намотка на стандартизированные шпули, транспортировка и доставка на места изготовления трансформаторов.
АНАЛОГИ:
В качестве аналогов к настоящему изобретению могут быть взяты патенты России 2444076, 2444077, 2444384, 2444803, другие в том числе иностранных фирм, например US 5162685, в которых трансформаторы выполнены на базе магнитомягких сердечников, в которых обмотки выполнены, фактически, методом "ручной" намотки.
На местах намотки катушек трансформаторов производилась установка на, часто, полуавтоматические станки, катушек с проводом, намотка на заранее изготовленные и установленные катушки трансформаторов. Слои намотки перемежались со слоями, чаще всего, кабельной бумагой для изоляции слоя от слоя и выравнивания последующих слоев. Далее могли идти аналогичные слои другого диаметра провода, с другой изоляцией или шины вновь изолированные той же кабельной бумагой. В результате процесс дорогой и длительный. При повреждении одной из обмоток трансформатора, его разборка, снятие "верхних" слоев обмотки, перемотка или, что чаще всего, утилизация трансформатора. Как видим и само производство и эксплуатация и ремонт достаточно затратны по времени и относительно дороги.
ПРОТОТИП.
В качестве прототипа выбрано изобретение РФ 2462685 класса H01F 29/02, ибо оно наиболее близко к настоящему изобретению в следствии наличия одной из обмоток, намотанной в виде спирали (виток на виток) полностью изолированной прямоугольной шиной, хотя и в пределах единой катушки. Остальные обмотки намотаны традиционным методом в виде слоев изолированного провода круглого сечения.
КРИТИКА И НЕДОСТАТКИ АНАЛОГОВ И ПРОТОТИПА.
Во всех перечисленных трансформаторах, в том числе в прототипе, намотка выполнена изолированным проводом, чаще круглого сечения, намотаны слой на слой и обмотка на обмотку. В отдельных случаях на разных стержнях единого магнитопровода. Это требует изготовления круглого или, редко, прямоугольного сечения провода, процесса покрытия его поверхности изоляцией, намотки на промежуточную "несущую" катушку, установки катушки на намоточный станок, самой намотки, зачистки изоляции и т.д. Процесс не интегральный, не современный, так у нас - человечества "устоялось".
Производство трансформаторов, их трудоемкость ручного труда, не поддается крупномасштабному интегральному производству, оно индивидуально. Использование проводов круглого сечения увеличивает суммарное сечение всех обмоток, в результате увеличивается длина магнитопровода и общие потери в проводниках и в самом магнитопроводе трансформатора, снижая его КПД. Выходные обмотки большого тока, чаще всего, намотаны шиной, изолированной специальной изоляционной лентой. Трансформаторы, используемые в аппаратуре, практически, не подлежат ремонту и, при неисправности, заменяются целиком и далее утилизируются. В отдельных случаях выполняется их перемотка, что требует дополнительных затрат труда и времени на демонтаж и перемотку, восстановления изоляционных слоев. В прототипе одна из обмоток выполнена изолированной прямоугольной шиной, намотанной виток на виток с выводами у основания катушки и с ее поверхности. Остальные обмотки выполнены классически ряд на ряд, с изолированием слоев друг от друга. Все это трудоемко и дорого, не соответствует современным, интегральным технологиям производства.
ИСПРАВЛЕНИЕ НЕДОСТАТКОВ АНАЛОГОВ НАСТОЯЩИМ ИЗОБРЕТЕНИЕМ
Указанные недостатки исправляются тем, что обмотки трансформаторов выполняются методами интегральных технологий, на базе печатных плат, их сборку по отдельным обмоткам в разные компактные пакеты - диски, с возможностью изъятия и замены любого из "печатных" пакетов без замены и утилизации не поврежденных пакетов. Технология значительно проще и дешевле традиционной.
СОСТАВ ИЗОБРЕТЕНИЯ И ВЗАИМОСВЯЗЬ КОМПАНЕНТОВ.
Изобретение представляет собой трансформатор, который определен как дисковый трансформатор в силу модернизации формирования его "обмоток" и является технологически совместимым с интегральными технологиями производства на основе печатных плат и технологий, используемых в современной в микроэлектронике.
ДЕТАЛИЗАЦИЯ РИСУНКОВ К ИЗОБРЕТЕНИЮ:
На рисунке Фиг. 1:
1. - сборный пакет магнитопровода, выполненный на основе П/Ш или иных конфигураций, набранный на базе вырубок (вырезок) из листового проката, содержащего железо, никель,
2. - двухсторонняя печатная плата со спиралями печатных проводников "обмотки",
3. - переходное соединение концов внешних витков близлежащих спиралей соседних печатных плат,
4. - изолятор между соседними печатными платами,
5. - внутреннее переходное соединение спиралей сторон печатной платы,
6. -I и II пакеты спиральных печатных "обмоток",
7. - переходное соединение "вырубной" "обмотки".
8. - "вырубки" (штамповки) спиральных обмоток из листового проводящего, не магнитного материала,
9. - изолятор между "вырубными" спиралями "обмоток" трансформатора,
10. - пакет III "вырубных" спиралей "обмотки" трансформатора,
11. - изоляционные слои между пакетами I, II и III "обмоток" трансформатора,
12. - соединение внешних витков "вырубных" спиралей "обмоток",
13. - изолятор фиксации пакетов печатных и "вырубленных" обмоток трансформатора в магнитопроводе.
На рисунке Фиг. 2:
Представлено сечение трансформатора по линиям А-А и В-В. Фиг. 1, где: сечение магнитопровода - 1, одна из двухсторонних печатных плат - 2, спирали соответственно "верхней" - 14. и "нижней" - 16 сторон печатной платы - 2, внутреннее, переходное соединение спиралей "обмоток" печатной платы - 5, переходное соединение соседних, близлежащих спиралей печатных плат - 3, вывод спирали "обмотки" на верхней печатной плате первого пакета - 15. На рисунках Фиг. 1 - Фиг. 2 не отражена обойма, стягивающая магнитопровод 1, он может иметь конфигурацию, определяемую назначением трансформатора, "фантазией" и опытом разработчика.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Пример одного из вариантов изобретения представлен на рисунках Фиг. 1 - Фиг. 2. Это типовой дисковый трансформатор с тремя обмотками и пакетным магнитопроводом, собранным на базе железосодержащих пластин, с сечением соответствующим мощности трансформатора. Сечение магнитопровода ориентировочно может быть рассчитано на базе выражения: S = [Рвт/22]см2.
На Фиг. 1 представлен П/Ш образный магнитопровод 1, центральный сердечник которого охвачен двухсторонними печатными платами 2 с согласными спиральными "обмоток" сторон, с переходными соединениями внешних витков спиралей соседних согласных печатных плат 3 через изолятор 4, переходными соединениями внутренних согласных витков спиралей 5 каждой печатной платы вида 2, печатные платы каждой "обмотки" образуют компактные дисковые пакеты вида I и II номера 6; сильноточные обмотки IV, соответственно, с номером 10, выполнены на базе необходимого числа пар спиральных "вырубок" из листового проводящего не магнитного материала 8, пары разделены между собой изолятором 9, согласные пары спиралей изолированы между собой изоляционными прокладками 4, внутренние витки согласных пар "вырубных" спиралей соединены между собой переходными соединениями 7, внешние витки согласных пар соседних плат соединены проводящими переходами 12, все образуют компактный пакет III с номером 10. Пакеты зафиксированы в магнитопроводе 1 изоляционными прокладками 13.
На Фиг. 2 представлены два сечения одной из печатных плат А-А и В-В Фиг. 1, на которых дана одна из возможных конфигураций печатных спиралей соответственно "верхняя" 14 и согласная с ней "нижняя" 16 сторон печатной платы 2. Представлены переходные соединения 3 и 5, внешний вывод 15 крайней (внешней) печатной платы 2, для соединения трансформатора с поставщиком или потребителем энергии.
По пункту 2 патента.
Пакеты могут формироваться на базе пар односторонних печатных плат. В этом случае потребуются два типа печатных плат с разным направлением спиралей. Преимуществом может оказаться отсутствие промежуточных слоев изоляции между печатными платами и использование более дешевых односторонних печатных плат.
По пункту 3 патента.
Для "обмоток" трансформатора большой мощности, они могут формироваться на базе пар "вырубок" или "вырезок" из листового не магнитного материала. "Обмотки", вновь собираются парами в пакеты с изоляционными прокладками или изоляционной заливкой из теплопроводящего материала. При этом, одновременно могут формироваться две вырубки с последующим переворотом одной из них на 180°. Попарно вырубки соединяются согласно концами внутренних витков спиралей. Близлежащие, соседние пары соединяются согласно концами своих внешних витков.
При необходимости промежуточных выводов обмоток, они могут быть сформированы на базе одного из слоев печатных плат или их добавлением, радиальными выводами с переходными соединениями через окна изоляторов и точками отводов от спиралей "обмоток".
ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ ОТ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
За счет, практически, независимых пакетов каждой из обмоток, при повреждениях, обеспечивается их индивидуальная замена без утилизации всего поврежденного трансформатора, как это, чаще всего, имеет место при "проволочной" намотке. Печатные платы могут изготавливаться интегрально, большими плоскостями печатных структур с групповым формированием переходных соединением и последующей разрезкой пакетов любой совместимой технологией. Пакеты печатных и "вырубных" "обмоток" могут легко меняться местами. Число "печатных" и "вырубных" обмоток трансформатора, их расположение на стержне магнитопровода, определяется параметрами трансформатора и творчеством разработчика.
ОТДЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ.
"Обмотки" на основе печатных плат могут изготавливаться интегрально большими массивами с последующей разрезкой или вырубкой отдельных плат и окон под сердечники и переходных соединений отдельных дисковых трансформаторов.
За счет прямоугольной конфигурации сечений проводников "обмоток", каждой из печатных спиралей, обеспечивается боле плотное сечение каждого из пактов, в результате сокращается сечение каждого и всех печатных "обмоток", сокращается резистивное сопротивление проводников, в результате могут быть сокращены магнитные пути магнитопроводов, увеличено КПД трансформаторов за счет сокращения потерь, сокращен расход материалов, увеличена компактность трансформаторов в целом.
Толщина изоляционных слоев, подложки печатных плат и исходного проводящего слоя обеспечат необходимую изоляцию и, соответственно, проводимость. При необходимости, после формирования спиралей, толщина их проводников может быть увеличена, например, гальваническим способом.
При необходимости каждый из пакетов вида I, II может быть разделен на под пакеты и скомбинирован с другими пакетами на стержне магнитопровода.
Витки "вырубных" обмоток закрепляются на плоском диэлектрике без дополнительной, круговой их изоляции. Каждая вторая "вырубная" обмотка пары вида III трансформатора может устанавливаться с ее поворотом на 180° относительно первой по любому из ее диаметральных сечений.
Для измерительных трансформаторов первичная шина может быть «вырубной», а вторичные «обмотки» печатные с малым сечением шин.
Пакет "вырубных" обмоток 10 может быть пропитан и покрыт изоляционным, хорошо теплопроводящим компаундом.
За счет дополнительных "крыльев", любой из печатных плат или пакетов обмоток трансформатора, могут быть закреплены или объединены с печатной платой электрики или электроники.
Аналогичным образом могут быть изготовлены дроссели с единой печатной или "вырубной" спиральной "обмоткой".
При необходимости, в трансформаторах или дросселях, может быть сформирован зазор между магнитопроводами в месте соединения их частей.
Следует предположить, что производство, сами параметры, обслуживание и ремонт трансформаторов, по настоящему изобретению, при массовом и крупносерийном производстве, окажется значительно более дешевым, чем при технологиях ручной намотки круглым изолированным проводом или изолированными шинами, используемыми в настоящее время.
ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Настоящее изобретение может быть применено во всех приборах, в которых, в настоящее время, используются трансформаторы тока или напряжения, в том числе в измерительных трансформаторах, сетевых и трансформаторах звуковых частот.
ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ
Трансформатор, по данной технологии, был реализован в экспериментальном экземпляре и показал заявленные результаты.
Дисковый трансформатор с П/Ш-образным магнитопроводом, набранным из отдельных магнитных пластин, с первичной и вторичными обмотками, отличающийся тем, что каждая из обмоток выполнена спиральной в виде набора спиральных вырубок или вырезок из листового проводящего немагнитного материала, каждая из которых закреплена на изоляционной пластине с окнами под внутренний и внешний их конец и сечение магнитопровода; внутренние концы соседних спиральных вырубок или вырезок через внутренние или соответственно внешние концы спиральных вырубок или вырезок через окна изоляционных пластин соединены между собой проводящими переходами, все соединенные перемычками спиральные вырубки или вырезки выполнены согласно; внешние выводы крайних спиральных вырубок или вырезок выведены на своих изоляционных пластинах для соединения с внешними источниками подачи и приема энергии; каждая из сформированных таким образом спиральных обмоток выполнена в виде пакета с возможностью его замены; между пакетами, а также между крайними пакетами и магнитопроводом установлены дополнительные изоляционные пластины с окнами под сечение магнитопровода.
