Шихтованная магнитная система трансформатора

 

Изобретение относится к трансформаторостроению, Магнитная система трансформатора состоит из трех стержней, двух торцевых и двух боковых ярм. Пластины, из которых сложены указанные части системы, трапециевидные с углами 45^o при большем основании и одним обрезанным перпендикулярно оси пластин концом. В каждом отдельном слое системы все три стержня сложены одинаковым образом из широкой и узкой пластин, которые ориентированы необрезанными концами в противоположные стороны и состыкованы одна с другою по линиям больших оснований. В данной магнитной системе линии стыков пластин разнесены в четыре плоскости, что обеспечивает снижение потерь и тока холостого хода по сравнению с традиционными конструкциями, у которых пакеты пластин набраны из двух циклически повторяющихся слоев. 6 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в трансформаторостроении.

Аналогами заявляемой магнитной системы являются разновидности систем с тремя стержнями, торцевыми и боковыми ярмами, описанные, например, в патенте Японии N-63-48408, H 01 F 27/24, 1988, у всех этих систем стержни сложены из широкой и узкой пластин, все пластины трапецеидальные, стыки пластин в системах только косые.

Наиболее близким аналогом заявляемой конструкции, то есть ее прототипом, является магнитная система, описанная в а.с. СССР N 1403115, H 01 F 27/24, 1986, фиг.5.

Это шихтованная магнитная система трансформатора, состоящая из трех стержней, двух торцевых и двух боковых ярм, разделенных прямоугольными окнами, стержни и ярма собраны из пакетов стальных пластин, пластины уложены в пакеты слоями, каждый слой пакета содержит одинаковый набор пластин, в этот набор входят широкая и узкая пластины двух крайних и среднего стержней, две пластины верхнего торцевого ярма и две пластины нижнего торцевого ярма, соединяющие соответствующие концы пластин крайних стержней с концами пластины среднего стержня, а также верхняя и нижняя горизонтальные пластины с вертикальной пластиной между ними, представляющие каждое из боковых ярм в слое, боковые ярма соединяют верхний и нижний концы крайних стержней между собой, все пластины имеют форму равнобоких трапеций со скосами под углом 45^o к основаниям, причем один конец пластин обрезан на одинаковую для всех пластин пакета длину, широкая и узкая пластины стержней в слое уложены одинаково во всех трех стержнях, состыкованы по большим основаниям трапеций и в каждом следующем слое меняются местами по сравнению с предыдущим слоем, необрезанные концы широкой и узкой пластин направлены в разные стороны, необрезанный конец вертикальной пластины каждого бокового ярма направлен в сторону, противоположную той, в которую направлен в данном слое необрезанный конец ближайшей пластины крайнего стержня.

Все магнитные системы-аналогии сложены в два положения пластин, т.е. пакеты магнитных систем сложены из групп слоев по два слоя в группе, каждое следующее положение пластин в слоях этих систем получено из предшествующего, путем поворота слоя на 180^o вокруг вертикальной оси, что обеспечивает перекрытие зазоров в стыках предыдущего слоя пластинами следующего слоя.

Недостатком всех аналогов является неиспользование резерва снижения потерь и тока холостого хода за счет разнесения линий стыков пластин более чем в две плоскости.

Как известно, например, из патента США N4200854, кл. 336-217, 1980, при таком разнесении линий стыков, в зоне стыков снижается плотность магнитного потока в перекрывающих зазоры пластинах, что соответственно снижает потери и ток холостого хода.

Конструкция, раскрытая в указанном патенте, не подходит к шихтованным магнитным системам, имеющим боковые ярма, поэтому задачей, поставленной перед настоящим изобретением является создание конструкции шихтованной магнитной системы, состоящей из трех стержней, торцевых и боковых ярм, у которой линии стыков пластин стержней и ярм были бы разнесены более чем в две плоскости с целью получения технического эффекта: снижения тока и потерь холостого хода, а также некоторого снижения шума трансформатора.

Поставленная задача находит свое решение при использовании шихтованной магнитной системы трансформатора, состоящей из трех стержней, двух торцевых и двух боковых ярм, разделенных прямоугольными окнами, стержни и ярма собраны из пакетов стальных пластин, пластины уложены в пакеты слоями, каждый слой пакета содержит одинаковый набор пластин, в этот набор входит широкая и узкая пластины двух крайних и среднего стержней, две пластины верхнего торцевого ярма и две пластины нижнего торцевого ярма, соединяющие соответствующие концы пластин крайних стержней с концами пластин среднего стержня, а также верхняя и нижняя горизонтальные пластины с вертикальной пластиной между ними, представляющие каждое из боковых ярм в слое, боковые ярма соединяют верхний и нижний концы крайних стержней между собою, все пластины имеют форму равнобоких трапеций со скосами под углом 45^o к основаниям, причем один конец пластин обрезан перпендикулярно основаниям трапеций на одинаковую для всех пластин пакета длину, широкая и узкая пластины стержней в слое уложены одинаково во всех трех стержнях, состыкованы по большим основаниям трапеций и в каждом следующем слое меняются местами по сравнению с предыдущим слоем, необрезанные концы широкой и узкой пластин направлены в разные стороны, необрезанный конец вертикальной пластины каждого бокового ярма направлен в сторону, противоположную той, в которую направлен в данном слое необрезанный конец ближайшей пластины крайнего стержня, пакеты шихтованной магнитной системы сложены из одинаковых групп слоев по четыре слоя в группе, причем в каждых двух из четырех слоев группы широкая и узкая пластины стержней, а также вертикальные пластины боковых ярм сдвинуты вдоль направления оси этих пластин соответственно одна относительно другой на величину, равную длине обрезанного конца пластины, а в остальных двух слоях группы оба конца пластин каждого стержня и концы вертикальных пластин боковых ярм удалены вглубь ярм от линии наружных горизонтальных кромок пластин торцевых ярм и горизонтальных пластин боковых ярм на одинаковые расстояния, равные половине длины обрезанного конца пластин.

Отличие от прототипа заключается в том, что пакеты шихтованной магнитной системы сложены из одинаковых групп слоев по четыре слоя в группе, причем в каждых двух из четырех слоев группы широкая и узкая пластины стержней, а также вертикальные пластины боковых ярм сдвинуты вдоль направления осей этих пластин соответственно одна относительно другой на величину, равную длине обрезанного конца пластин, а в остальных двух слоях группы оба конца пластин каждого стержня и концы вертикальных пластин боковых ярм удалены вглубь ярм от линии наружных горизонтальных кромок пластин торцевых ярм и горизонтальных пластин боковых ярм на одинаковые расстояния, равные половине длины обрезанного конца пластин.

Между отличительными признаками и техническим эффектом внедрения изобретения имеет место причинно-следственная связь. Именно потому, что пакеты предлагаемой магнитной системы набраны из групп слоев по четыре слоя в группе и во всех слоях группы линии стыков пластин ярм и стержней не совпадают и получается технический эффект - снижение тока и потерь холостого хода, снижение шума трансформатора. Традиционное устройство с двумя слоями в группе, у которого стыки пластин ярма и стержня разнесены в две плоскости, заменено предлагаемым устройством, у которого в двух слоях широкая и узкая пластины стержней, а также вертикальные пластины боковых ярм сдвинут вдоль направления осей этих пластин соответственно одна относительно другой на величину, равную длине обрезанного конца пластин, а в остальных двух слоях группы оба конца пластин каждого стержня и концы вертикальных пластин боковых ярм удалены вглубь ярм от линии наружных горизонтальных кромок пластин торцевых ярм и горизонтальных пластин боковых ярм на одинаковые расстояния, равные половине длины обрезанного конца пластины, что, в совокупности с ограничительными признаками, обеспечило разнесение линий стыков пластин ярм и стержней в четыре плоскости.

Сущность изобретения поясняется чертежами и описанием.

На фиг.1 показано расположение пластин ярм и стержней в первом из четырех циклически повторяющихся слоев пакета системы, т.е. в первом слое группы из четырех слоев; на фиг.2 показано размещение пластин ярм и стержней во втором слое группы; на фиг.3 изображен третий слой группы; на фиг.4 изображен четвертый слой; на фиг.5 показаны линии стыков в узле магнитной системы при наложении друг на друга четырех слоев магнитной системы, изображенных на фиг.1, 2, 3, 4; на фиг.6 изображен в масштабе узел магнитной системы при расположении пластин в соответствии с фиг.3.

В первом слое (фиг.1) широкие стержневые пластины 1 и узкие пластины 2 во всех трех стержнях уложены одинаковым образом (узкие пластины - слева, а широкие - справа). Пластины 1 и 2 и две вертикальные пластины 3 боковых ярм смещены одна относительно другой соответственно на величину S, равную длине отрезанного от пластины конца, имеющего одни и те же размеры у всех пластин. Широкая стержневая пластина 1 кромкой обрезанного конца уложена на линию, вдоль которой расположены наружные горизонтальные кромки горизонтальных пластин 4 и 6 бокового ярма и пластин 5 торцевого ярма. В противолежащем ярме таким же образом уложены кромки обреза узких стержневых пластин 2. Необрезанные концы пластины 1 и 2 утоплены в противолежащих ярмах на вышеупомянутое расстояние S.

В Г-образном соединении левой вертикальной пластины 3 бокового ярма с верхней горизонтальной пластиной 4 бокового ярма линия стыка проходит ниже биссектрисы верхнего угла крайнего левого окна магнитной системы. В Т-образном соединении пластин стержня с пластинами ярм линия стыка пластины 2 левого крайнего стержня с верхней горизонтальной пластиной 4 бокового ярма и линии стыка пластины 2 среднего и правого крайнего стержней с пластиной 5 верхнего торцевого ярма проходят намного выше биссектрисы соответствующего угла двух центральных окон, а линии стыка широкой пластины 1 левого крайнего стержня с пластиной 5 верхнего торцевого ярма и правого крайнего стержня, с пластиной 6 бокового ярма проходят ниже биссектрисы угла соответствующего окна.

Во втором слое пластин (фиг.2) вертикальные ярмовые пластины 3 развернуты на 180^o вокруг горизонтальной оси и сдвинуты по отношению к своему положению в первом слое на половину длины отрезанного конца, причем левая пластина - вверх, а правая - вниз. Их концы утоплены в ярма на величину S/2.

Изменение положения пластины 3, а также изменение положения узкой и широкой пластин в левом стержне, относительно их расположения в первом слое, привели к образованию в Г-образном (угловом) соединении малой полости (выреза). Эта полость будет полностью перекрыта только пластинами четвертого слоя. Наличие выреза не наносит существенного ущерба прежде всего потому, что он мал, во-вторых потому, что он перекрыт пластинами четвертого и первого слоев, и, наконец, благодаря тому, что плотность магнитного потока при его циркуляции вдоль длинных наружных кромок меньше, чем при его циркуляции по более короткому пути вдоль внутренних боковых кромок. Во втором слое линия стыка пластины 3 левого бокового ярма с пластиной 6 проходит выше биссектрисы угла окна, так что зазор в стыке пластин 3 и 4 первого слоя перекрыт во втором слое пластиной 3. Широкая пластина 1 в каждом стержне расположена слева, а узкая пластина 2 - справа, т.е. они поменялись местами по сравнению с первым слоем. Необрезанный конец пластины 1 и обрезанный конец пластины 2 размещены ниже наружных кромок пластин 4, 5, 6 верхнего ярма на расстоянии S/2. Это приводит к образованию малого выреза и в Т-образных соединениях системы. Линия стыка пластины 1 левого крайнего стержня с пластиной 6 и с пластиной 5 (у остальных двух стержней) проходит ниже биссектрисы углов соответствующих окон, т.е. зазор в стыке левой пластины стержня с ярмом в первом слое перекрыт пластиной 6 (у левого стержня) и пластинами 2 у остальных стержней. В третьем слое пластин (фиг.3) вертикальные ярмовые пластины развернуты на 180^o вокруг горизонтальной оси относительно их положения во втором слое (фиг.2). Линия стыка пластин 3 и 4 в левом верхнем Г-образной соединении, как и в первом слое, проходит ниже биссектрисы угла окна, но на S/2 выше по сравнению с ее положением в первом слое, так что пластины третьего слоя перекрывают зазоры в стыках не только во втором, но и в первом слое, т. е. в трех первых слоях линии стыков располагаются в трех разных плоскостях.

Пластины 1 и 2 стержней в третьем слое поменялись местами относительно своего положения во втором слое, но оба их конца остались утопленными в ярма из-за чего соответственно изменились и очертания выреза в наружной части Т-образного соединения, вырез во втором слое перекрыт пластинами третьего слоя только частично. Линия стыка пластины 2 левого крайнего стержня с пластиной 4 проходит выше биссектрисы угла окна, но ниже, чем в первом слое, поскольку вся пластина 2 расположена ниже, чем в первом слое, на S/2. Зазоры в стыках ярм и стержней в первом и втором слоях перекрыты пластинами третьего слоя.

В четвертом слое пластины (фиг.4) пластина 3 левого бокового ярма развернута относительно своего положения в третьем слое на 180^o вокруг горизонтальной оси вверх на S/2. Благодаря этому пластина 3 в четвертом своем положении перекрывает зазоры в стыках верхнего Г-образного соединения во всех трех предыдущих слоях, т.е. линии стыков в четырех слоях расположены в четырех плоскостях.

В четвертом слое, как и во втором, широкая стержневая пластина 1 расположена слева, а узкая пластина 2 - справа, кроме того, широкая и узкая пластины сдвинуты одна вверх, а другая вниз по сравнению со своими позициями в третьем слое. Линия стыка пластины 2 левого крайнего стержня с пластиной 4 проходит ниже биссектрисы правого угла под линией стыка во втором слое, поскольку вся пластина 1 сдвига вниз относительно своего положения во втором слое на S/2. Таким образом, линии стыков с ярмом левой пластины стержня разнесены в 4 плоскости. Линии стыков пластины 4 левого крайнего стержня с пластиной 5 торцевого ярма также разнесены в 4 плоскости, поскольку в четвертом слое линия стыка проходит над биссектрисой угла окна выше, чем во втором слое.

Аналогично можно описать разнесение в четыре плоскости линий стыков во всех угловых (Г-образных) и узловых (Т-образных) соединениях пластин.

На фиг. 5 изображено расположение линий стыков в Т-образном соединении при наложении на четвертый слой (фиг.4) третьего слоя (фиг.3), затем второго слоя (фиг. 2) и, наконец, первого слоя (фиг.1). При стыковке левой пластины стержня с ярмом в верхнем Т-образном соединении линия стыка первого слоя проходит выше линий стыков в остальных трех слоях, ниже располагается линия стыка в третьем слое, еще ниже - во втором и ниже всех располагается линия стыка в четвертом слое. Обратная картина наблюдается в соединении правой стержневой пластины с ярмом. Ниже всех находится линия стыка в первом слое, а выше всех - в четвертом слое.

Размер выреза в Т-образном соединении над концами широкой и узкой пластин в третьем слое (фиг.3) показан на фиг.6. Здесь изображено в масштабе Т-образное соединение по фиг.3. Видно, что этот вырез мал по сравнению с размерами пластин.

При работе трансформатора в магнитной системе по фиг.1 - 4 магнитный поток, возбуждаемый обмотками, проходит из одних стержней в другие стержни и в боковые ярма, преодолевая магнитные сопротивления, создаваемые самим материалом пластин и зазорами в стыках. Воздушные зазоры в стыках измеряются несколькими миллиметрами, т.е. являются труднопреодолимыми участками для магнитного потока. Пластины слоев прижаты друг к другу и воздушные зазоры между ними малы (микроны). Магнитный поток при подходе к стыку пластин переходит из данной пластины в пластины соседних слоев, перекрывающие зазор. При этом плотность магнитного потока в перекрывающих стык пластин увеличивается, поскольку по этим пластинам протекает свой собственный поток. Увеличение магнитной индукции в зонах стыков резко повышает магнитные потери в этих зонах, увеличивается также и намагничивающий ток. При циклическом повторении двух слоев пластин, как у прототипа, в каждую перекрывающую стык платину поступают потоки из двух окружающих ее пластин, тогда как при разнесении линий стыков более чем в 2 плоскости в пластины, которые перекрывают зазоры, переходят потоки из одной соседней пластины.

В результате разнесения линий стыков снижается локальная плотность потока в пластине, перекрывающей зазор в стыке соседних пластин, поскольку зазор этот имеет место только с одной стороны перекрывающей пластины, зоны концентраций магнитного потока рассредотачиваются.

На АО "Запорожтрансформатор" заявляемое решение внедряется в конструкциях трансформаторов наибольшей мощности (250000 кВ·А и выше).

Данное решение позволяет сократить потери холостого хода одного изделия на несколько процентов, т.е. для трансформаторов наибольших мощностей, на десятки киловатт, что за 25-30 лет службы трансформатора вырастает в миллионы киловаттчасов экономии электроэнергии.

Снижение потерь холостого хода является также важнейшим условием повышения конкурентоспособности трансформаторов на внешнем рынке.

Формула изобретения

Шихтованная магнитная система трансформатора, состоящая из трех стержней, двух торцевых и двух боковых ярм, разделенных прямоугольными окнами, стержни и ярма собраны из пакетов стальных пластин, пластины уложены в пакеты слоями, каждый слой пакета содержит одинаковый набор пластин, в этот набор входят широкая и узкая пластины двух крайних и среднего стержней, две пластины верхнего торцевого ярма и две пластины нижнего торцевого ярма соединяют пластины крайних стержней с пластиной среднего стержня, а также верхняя и нижняя горизонтальные пластины с вертикальной пластиной между ними, представляющие каждое из боковых ярм в слое, боковые ярма соединяют верхний и нижний концы крайних стержней между собою, все пластины имеют форму равнобоких трапеций со скосами под углом 45^o к основаниям, причем один конец пластин обрезан на одинаковую для всех пластин пакета длину, широкая и узкая пластины стержней в слое уложены одинаково во всех трех стержнях, состыкованы по большим основаниям трапеций и в каждом следующем слое меняются местами по сравнению с передыдущим слоем, необрезанные концы широкой и узкой пластин направлены в разные стороны, необрезанный конец вертикальной пластины каждого бокового ярма направлен в сторону, противоположную той, в которую направлен в данном слое необрезанный конец ближайшей пластины крайнего стержня, отличающаяся тем, что пакеты шихтованной магнитной системы сложены из одинаковых групп слоев по четыре слоя в группе, причем в каждых двух из четырех слоев группы широкая и узкая пластины стержней, а также вертикальные пластины боковых ярм сдвинуты вдоль направления осей этих пластин соответственно одна относительно другой на величину, равную длине обрезанного конца пластин, а в остальных двух слоях группы оба конца пластин каждого стержня и концы вертикальных пластин боковых ярм удалены в глубь ярм от линии наружных горизонтальных кромок пластин торцевых ярм и горизонтальных пластин боковых ярм на одинаковые расстояния, равные половине длины обрезанного конца пластин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6