PL203373B1 - Sposób wytwarzania obwodu magnetycznego, zwłaszcza transformatora - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania obwodu magnetycznego zwłaszcza transformatora, ze szczególnym przeznaczeniem do pracy ciągłej w warunkach częstotliwości wyższej od częstotliwości sieciowej.

Znane sposoby wytwarzania obwodów magnetycznych transformatorowych i dławikowych polegają na wykrawaniu elementów podstawowych: blaszek lub kształtek z taśm blach zimnowalcowanych lub z taśm amorficznych. W przypadku rdzeni zaplatanych lub zwijanych toroidalnych, kierunek strumienia magnetycznego jest zgodny z kierunkiem walcowania lub odlewania taśmy.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 152343 sposób wytwarzania rdzenia kolumnowego lub płaszczowego transformatora lub dławika polegający na tym, że taśmy blachy elektrotechnicznej dzieli się bezodpadowo tak, że otrzymuje się dwie kształtki w kształcie litery U lub E oraz dwie blaszki prostokątne. Następnie z jednej kształtki E lub U składa się jedną warstwę pakietu rdzenia, tak, że skrajne ramiona kształtki tworzą kształt ramy. W tak wytworzonym transformatorze lub dławiku nie wszystkie odcinki obwodu magnetycznego posiadają zgodność kierunku walcowania i magnesowania.

Znany jest również sposób wytwarzania rdzeni przecinanych prostopadle do kierunku strumienia magnetycznego. Taśmę blachy magnetycznie miękkiej zwija się ściśle wraz z równoczesnym klejeniem międzywarstwowym. W przypadku niejednoczesności klejenia ze zwijaniem, impregnuje się zwiniętą taśmę. Utrwaloną strukturę przecina się tak, aby uzyskać elementy podkowiaste o prostokątnym przekroju poprzecznym. Kierunek namagnesowania rdzenia jest zgodny z kierunkiem nawijania taśmy.

Znany jest z izraelskiego zgłoszenia patentowego nr 348031 transformator trójfazowy oraz sposób wytwarzania transformatora trójfazowego. Obwód magnetyczny tego transformatora trójfazowego składa się z dwóch równoległych, oddalonych od siebie elementów płytkowych oraz z trzech, oddalonych od siebie elementarnych obwodów kolumnowych, z których każdy jest wyposażony w jeden układ cewkowy tworząc jedną z trzech faz transformatora. Elementarne obwody kolumnowe są zamknięte między elementami płytkowymi i prostopadłe do nich, tworząc przestrzenną strukturę transformatora, symetryczną względem centralnej osi transformatora. Każdy z elementów płytkowych ma w przybliżeniu trójkątny kształt z zaokrąglonymi krawędziami lub kołowy lub ma postać toroidu. Każdy z elementarnych obwodów kolumnowych jest zaopatrzony w promienistą szczelinę wypełnioną materiałem izolacyjnym.

Sposób wytwarzania tego transformatora trójfazowego polega na tym, że wytwarza się elementy płytkowe obwodu magnetycznego z taśm amorficznych przez owijanie wokół centralnego otworu przynajmniej jednej taśmy amorficznej do postaci toroidu o żądanym kształcie. Utworzone toroidy elementów płytkowych wygrzewa się w polu magnetycznym w temperaturze nie większej niż 550°C, a wygrzane toroidy elementów płytkowych utrwala się przez impregnację . Trzy elementarne obwody kolumnowe obwodu magnetycznego wytwarza się z taśm amorficznych, przez owijanie wokół centralnego otworu przynajmniej jednej taśmy amorficznej do postaci toroidu o żądanej wysokości. W każdym toroidzie obwodu kolumnowego tworzy się szczelinę, którą wypełnia się materiałem izolacyjnym. Na każdym toroidzie ze szczeliną obwodu kolumnowego montuje się układ cewkowy, tworzący po montażu jedną z trzech faz transformatora. Toroidalne obwody kolumnowe z układami cewkowymi montuje się równolegle między oddalonymi od siebie elementami płytkowymi do postaci przestrzennej struktury symetrycznej wokół centralnej osi transformatora. Przestrzenie między poszczególnymi częściami obwodu magnetycznego są wypełnione materiałem zawierającym proszek magnetyczny. Podczas wytwarzania elementów płytkowych taśmę mocuje się do trzpienia o trójkątnym przekroju poprzecznym, który następnie wprowadza się w ruch obrotowy wokół osi, a po uzyskaniu odpowiednich wymiarów, strukturę elementów płytkowych utrwala się w uzyskanym stanie, zaś nadmiarową część taśmy usuwa się.

Wytwarzanie obwodów magnetycznych polegające na zaplataniu blaszek w kształcie liter E, I i U wymaga blachy izotropowej lub powoduje niezgodność strumieni z kierunkiem walcowania w przypadku blachy anizotropowej. Wytwarzanie rdzeni z kształtek wyżej wymienionych blach, jest pracochłonne i trudne do zautomatyzowania. W rdzeniach wytworzonych z takich kształtek, pomimo nieznacznego zmniejszenia pracochłonności występuje nierównomierność namagnesowania, co znacznie pogarsza właściwości użytkowe obwodów magnetycznych.

Sposób znany z izraelskiego zgłoszenia patentowego nr 348031 umożliwia wytwarzanie jedynie transformatora trójfazowego o budowie kolumnowej z rdzeniem symetrycznym magnetycznie. Wytworzony transformator nie jest strukturą symetryczną względem centralnej osi, a jedynie jest znaną strukPL 203 373 B1 turą symetryczną magnetycznie. Owijanie taśmy wokół centralnego otworu nie jest możliwe do wykonania ze względu na brak wewnętrznego ogranicznika. Wypełnienie przestrzeni, między poszczególnymi częściami obwodu magnetycznego, materiałem zawierającym proszek magnetyczny uniemożliwia funkcjonowanie transformatora. Oddalenie elementarnych obwodów kolumnowych za pomocą izolacyjnych elementów dystansowych, wytworzonych z tworzywa sztucznego zawierającego proszek magnetyczny w ilości od 20% do 50%, powoduje powstanie szczeliny w obwodzie magnetycznym niekorzystnie wpływającej na działanie transformatora. Ponadto według zgłoszenia nr 348031 walcowe podstawy elementów kolumnowych pokrywa się kompozytem i szlifuje, co powoduje znaczne powiększenie szczeliny obwodu magnetycznego. Elementarne obwody kolumnowe są zamknięte między elementami płytkowymi i razem z nimi tworzą rdzeń symetryczny magnetycznie, a nie strukturę symetryczną względem centralnej osi transformatora. Kolumny i układy cewek łączy się z jarzmami za pomocą zewnętrznych elementów łączących, co sprawia, że są mało sztywne.

Istota sposobu wytwarzania obwodu magnetycznego, zwłaszcza transformatora według wynalazku, polega na tym, że taśmę nawija się w postaci luźnych zwojów tworzących walec drążony, który następnie formuje się do żądanego kształtu kierującej walca elementu kolumny lub kształtu kierującej walca jarzma, przy czym elementy kolumnowe i jarzma poddaje się obróbce termomagnetycznej w impulsowym polu magnetycznym o współczynniku wypełnienia mniejszym od 25%, a podstawy walcowych elementów kolumnowych stykające się z jarzmami leżą w jednej płaszczyźnie, przy jednoczesnym zachowaniu kąta o wartości nieprzekraczającej 90° zawartego między osią symetrii a jej rzutem poziomym na podstawę każdego z elementów kolumnowych, zaś kolumny w liczbie 2 - 5, w zależności od żądanej liczby faz rdzenia wraz z układem cewek łączy się z jarzmami za pomocą elementów łączących przechodzących przez otwory w kolumnach.

Korzystnie jest, gdy taśmę amorficzną luźno nawiniętą w postaci toroidu formuje się aż do uzyskania kształtu jarzma o przekroju objętym krzywą zamkniętą w kształcie prostokąta z zaokrąglonymi dwoma mniejszymi bokami. Korzystnie jest, gdy zachowuje się kąt o wartości równej 90° zawarty między osią elementu kolumnowego a płaszczyznami jego podstaw.

Korzystnie jest, gdy w obróbce termomagnetycznej elementów kolumnowych, po rozgrzaniu pieca do temperatury 350°C wartość maksymalna początkowego natężenia pola magnetycznego o kierunku zgodnym z osią symetrii elementu kolumnowego, zwię ksza się dwukrotnie, a po osią gnię ciu temperatury 400°C impulsy natężenia pola, trwające co najmniej 1 minutę, są powtarzane przez czas nie mniejszy niż 2 godziny, po czym natężenie pola magnetycznego zmniejsza się do początkowego i wychładza komorę pieca do 200°C, a następnie wyłącza pole magnetyczne.

Korzystnie jest, gdy elementy kolumnowe skośne o zachowanej równoległości płaszczyzn podstaw, uzyskuje się poprzez formowanie luźno nawiniętego walca wydrążonego przy kącie równym 90° zawartym między osią symetrii elementu kolumnowego a płaszczyznami jego podstaw do żądanego kształtu. Korzystnie jest, gdy osie symetrii wszystkich elementów kolumnowych leżą w jednej płaszczyźnie. Korzystnie jest również, gdy jako elementy łączące kolumny i układ cewek z jarzmami stosuje się śruby przechodzące przez środek każdej z kolumn.

Sposób według wynalazku pozwala wytwarzać obwody magnetyczne nie tylko trójfazowe. Nawijanie taśmy w postaci luźnych zwojów tworzących walec drążony, który następnie formuje się do żądanego kształtu kierującej walca elementu kolumny lub kształtu kierującej walca jarzma, umożliwia wytwarzanie rdzenia zawierającego różne kolumny. Wytwarzanie skośnych elementów kolumnowych sposobem według wynalazku umożliwia wytwarzanie rdzeni nawet o budowie stożkowej. Utrzymanie równości płaszczyzn podstaw walcowych elementów kolumnowych i jarzmowych, przy jednoczesnym zachowaniu kąta o wartości nieprzekraczającej 90°, zawartego między osią symetrii elementu a jej rzutem poziomym na płaszczyzny jego podstaw, umożliwia uzyskanie szczeliny o wielkości znacznie mniejszej, niż w rdzeniach magnetycznych wytworzonych znanymi sposobami i eliminuje konieczność wypełniania powierzchni styku poszczególnych elementów rdzenia materiałem kompozytowym zawierającym proszek ferromagnetyczny. Impulsowe pole magnetyczne znacznie usprawnia proces magnesowania elementów kolumn i jarzm. Możliwości przestrzennego usytuowania obwodów magnetycznych, w których osie symetrii wszystkich elementów kolumnowych leżą w jednej płaszczyźnie są bardzo szerokie. Dodatkowe mocowanie elementów kolumn i układu cewek pomiędzy jarzmami przy pomocy śrub przechodzących przez środki kolumn, czyni konstrukcję rdzenia sztywną, a tym samym poprawiającą znacznie jego jakość. Sposób według wynalazku pozwala na wytworzenie obwodów magnetycznych, zarówno o strukturze symetrycznej, jak i niesymetrycznej magnetycznie.

PL 203 373 B1

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania objaśniony jest na rysunku, którego fig. 1 przedstawia schemat elementu kolumnowego, a fig. 2 widok ogólny transformatora trójfazowego.

Walcowe elementy kolumnowe 1 rdzenia magnetycznego wytwarza się przez zwijanie taśmy amorficznej, a po uzyskaniu żądanych wymiarów koniec taśmy przykleja się do elementu 1, a płaszczyzny podstaw 1s wyrównuje się mechanicznie. Przy wytwarzaniu elementów kolumnowych 1 zachowuje się kąt (α) o wartości równej 90° zawarty między osią 1a elementu kolumnowego 1, a rzutem poziomym na płaszczyzny jego podstaw 1s. Elementy kolumn 1 poddaje się obróbce termomagnetycznej w specjalnym piecu, który rozgrzewa się do temperatury 350°C, a wartość maksymalną początkowego natężenia pola magnetycznego o kierunku zgodnym z osią 1a obrabianego elementu 1 zwiększa się dwukrotnie, a po osiągnięciu temperatury 400°C impulsy natężenia pola magnetycznego, trwające co najmniej 1 minutę, są powtarzane przez czas nie mniejszy niż 2 godziny, po czym natężenie pola magnetycznego zmniejsza się do początkowego i wychładza komorę pieca do 200°C, a następnie wyłącza pole magnetyczne. Po tej obróbce elementy rdzenia impregnuje się próżniowo lakierem, a nadmiar lakieru usuwa się poprzez szlifowanie. Po impregnacji elementy kolumn 1 przecina się osiowo wzdłuż całej długości promienia, a powstałą szczelinę wypełnia się materiałem izolacyjnym. Jarzma 4 wytwarza się nawijając luźno taśmę amorficzną w postaci toroidu, którą następnie formuje się aż do uzyskania kształtu jarzma 4 o przekroju objętym krzywą zamkniętą w kształcie prostokąta z zaokrąglonymi dwoma mniejszymi bokami. Koniec taśmy przykleja się do wytwarzanego jarzma 4, a płaszczyzny podstaw jarzma 4 wyrównuje się mechanicznie. Ukształtowane jarzma 4 poddaje się obróbce termomagnetycznej. Obrobione termomagnetycznie jarzma 4 impregnuje się. Na trzech kolumnach 2 powstałych z walcowych elementów kolumnowych 1 mocuje się układ cewek 3 strony pierwotnej i wtórnej. Kolumny 2 wraz z układem cewek 3 montuje się i mocuje między jarzmami 2, dodatkowo skręcając śrubami 5 przechodzącymi przez środek każdej z kolumn 2. Osie symetrii kolumn tak wytworzonego transformatora trójfazowego leżą w jednej płaszczyźnie, a rdzeń jest niesymetrycznie magnetyczny.

Claims (7)

1. Sposób wytwarzania obwodu magnetycznego, zwłaszcza transformatora o budowie modułowej, w którym każdy element wykonuje się ze zwojów materiału magnetycznie miękkiego i poddaje obróbce termomagnetycznej, a następnie impregnuje i wykonuje się szczelinę w elemencie kolumnowym, przy czym kolumny rdzenia, na których znajdują się układy cewek łączy się elementami płytkowymi, znamienny tym, że taśmę nawija się w postaci luźnych zwojów tworzących walec drążony, który następnie formuje się do żądanego kształtu kierującej walca elementu kolumny (1) lub kształtu kierującej walca jarzma (4), a elementy kolumnowe (1) i jarzma (4) poddaje się obróbce termomagnetycznej w impulsowym polu magnetycznym o współczynniku wypełnienia mniejszym od 25%, przy czym podstawy (1s) walcowych elementów kolumnowych (1) stykające się z jarzmami (4) leżą w jednej płaszczyźnie przy jednoczesnym zachowaniu kąta (α) o wartości nieprzekraczającej 90° między osią symetrii (1a) a jej rzutem poziomym na podstawy (1s) każdego z elementów kolumnowych (1), zaś kolumny (2) w liczbie 2 - 5, w zależności od żądanej liczby faz rdzenia wraz z układem cewek (3) łączy się z jarzmami (4) za pomocą elementów łączących (5) przechodzących przez otwory w kolumnach (2), przy czym elementy kolumnowe (1) i jarzma (4) poddaje się impulsowemu polu magnetycznemu o współczynniku wypełnienia mniejszego od 25%.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że taśmę amorficzną luźno nawiniętą w postaci toroidu formuje się aż do uzyskania kształtu jarzma (4) o przekroju objętym krzywą zamkniętą w kształcie prostokąta z zaokrąglonymi dwoma mniejszymi bokami.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zachowuje się kąt (α) o wartości równej 90° zawarty między osią (1a) elementu kolumnowego (1), a płaszczyznami jego podstaw (1s).

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w obróbce termomagnetycznej elementów kolumnowych (1) po rozgrzaniu pieca do temperatury 350°C wartość maksymalną początkowego natężenia pola magnetycznego, o kierunku zgodnym z osią symetrii (1 a) elementu kolumnowego (1), zwiększa się dwukrotnie, a po osiągnięciu temperatury 400°C impulsy natężenia pola trwające co najmniej 1 minutę są powtarzane przez czas nie mniejszy niż 2 godziny, po czym natężenie pola magnetycznego zmniejsza się do początkowego i wychładza komorę pieca do 200°C, a następnie wyłącza pole magnetyczne.

PL 203 373 B1

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy kolumnowe (1) skośne o zachowanej równoległości płaszczyzn podstaw (1s), uzyskuje się poprzez formowanie luźno nawiniętego walca wydrążonego o kącie (α) równym 90° zawartym między osią symetrii (1a) elementu kolumnowego (1) a płaszczyznami jego podstaw (1s), do żądanego kształtu.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że osie symetrii (1a) wszystkich elementów kolumnowych (1) leżą w jednej płaszczyźnie.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako elementy łączące (5) kolumny (2) i układ cewek (3) z jarzmami (4), i przechodzące przez środek każdej z kolumn (2) stosuje się śruby.