PL192903B1

PL192903B1 - Transformator trójfazowy oraz sposób wytwarzania transformatora trójfazowego

Info

Publication number: PL192903B1
Application number: PL348031A
Authority: PL
Inventors: Yuri Bolotinsky; Alexander Rubshtein; Michael Savulkin
Original assignee: A T T Advanced Transformer Tec; Att Advanced Transformer Technologies Ltd
Priority date: 1998-10-26
Filing date: 1999-10-25
Publication date: 2006-12-29
Also published as: US20030112111A1; RU2237306C2; WO2000025327A1; US6880228B2; AU6365199A; PL348031A1; US6792666B1; CN1328690A; IL126748A0; EP1125308A1

Abstract

1. Transformator trójfazowy, zlozony z dwóch równole- glych, oddalonych od siebie elementów plytkowych wyko- nanych z tasmy magnetycznej, z trzech obwodów kolum- nowych, równiez wykonanych z tasmy magnetycznej, rozmieszczonych prostopadle miedzy elementami plytko- wymi i symetrycznie wokól osi centralnej transformatora, oraz z trzech ukladów cewkowych, z których kazdy zamon- towany jest na jednym obwodzie kolumnowym, tworzac z nim jedna z trzech faz transformatora, znamienny tym, ze szczeliny (52,54) miedzy powierzchniami czolowymi (14A,16A) elementów plytkowych (14,16) i powierzchniami czolowymi (50,51) obwodów kolumnowych (18) wypelnione sa materialem zawierajacym proszek magnetyczny. 17. Sposób wytwarzania transformatora trójfazowego, polegajacy na wykonaniu elementów plytkowych, przez owiniecie tasmy amorficznej wokól otworu centralnego, wykonaniu obwodów kolumnowych, równiez przez owinie- cie tasmy amorficznej wokól otworu centralnego, oraz polaczeniu obwodów kolumnowych, rozmieszczonych symetrycznie wokól osi transformatora, z elementami plyt- kowymi, znamienny tym, ze elementy plytkowe (14,16) i obwody kolumnowe (18) po utworzeniu w postaci toroidów wygrzewa sie w polu magnetycznym w temperaturze nie wiekszej niz 550°C, a nastepnie utrwala sie przez impre- gnacje, po czym ………………………………… PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest transformator trójfazowy, oraz sposób wytwarzania transformatora trójfazowego.

Transformatory należą do grupy urządzeń elektrycznych przeznaczonych do przekazywania energii prądu przemiennego z uzwojenia pierwotnego do przynajmniej jednego uzwojenia wtórnego. Transformatory są zwykle wyposażone w dwa obwody elektryczne, z których każdy składa się uzwojenia pierwotnego i wtórnego, wykonanych z wielozwojowej cewki przewodzącej, oraz przynajmniej z jednego rdzenia magnetycznego, sprzęgającego cewki za pomocą rozchodzącego się między nimi strumienia magnetycznego.

Znane transformatory trójfazowe są zwykle wyposażone w kilka, połączonych ze sobą rdzeni magnetycznych rozmieszczonych w płaskiej strukturze (struktura transformatora typu E+1). W opisach patentowych Stanów Zjednoczonych A. P. nr US 4893400 i nr US 5398402 przedstawione są transformatory mające rdzenie magnetyczne wykonane z metalowej taśmy amorficznej owiniętej na trzpieniu, której jedna nóżka jest następnie odcinana, a metalowy rdzeń formowany do prostokątnego kształtu. Transformator wytwarzany jest w następujący sposób: taśma stalowa owijana jest na metalowym rdzeniu amorficznym, który jest następnie wygrzewany, oraz hermetycznie zamykany w powłoce żywicznej. Warstwy taśmy ze stopu amorficznego na dwóch krawędziach są tak zorientowane, że tworzą górną i dolną nieciągłą powierzchnię, z utworzonymi na nich szczelinami biegnącymi od powierzchni górnej do dolnej. Cewki układane są na dwóch podłużnych nóżkach, zaś ta przycięta zostaje zamknięta, acałe złącze uszczelnione.

Uszczelnienie rdzenia transformatora według opisu patentowego nr US 4893400 wykonane jest z tkaniny szklanej i żywicy utwardzanej promieniowaniem UV. Taki sposób uszczelniania rdzenia transformatora jest jednak kosztowny i pracochłonny. Transformatory z takim uszczelnieniem nie mogą być jednak naprawione bez uszkodzenia jego rdzenia.

Natomiast uszczelnienie transformatora według opisu patentowego nr US 5398402 wykonane jest z wykorzystaniem materiału porowatego, jak na przykład tkaniny bawełnianej, albo papieru. Materiał porowaty jest najpierw składany, a następnie mocowany do rdzenia transformatora. Przez okienko rdzenia wkładany jest dodatkowy kawałek materiału porowatego, który następnie owijany jest wokół rdzenia i mocowany do niego. W dalszej kolejności, wokół rdzenia transformatora zamykana jest stal o wysokich właściwościach elektrycznych, oraz szczepiana szeregiem krótkich spoin.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych A. P. nr US 5441783 przedstawiony jest sposób uszczelniania rdzenia transformatorowego, polegający na pokryciu rdzenia powłoką z materiału porowatego o lepkości większej niż 10⁵ cps, oraz z materiału spoinowego o lepkości wynoszącej przynajmniej 10⁵ cps. Materiał porowaty stanowi splot włókien, natomiast materiał spoinowy - tiksotropową żywicę epoksydową. Chociaż rdzenie pokryte takimi powłokami mają dobre właściwości magnetyczne, to jednak ich wytwarzanie jest stosunkowo złożone i kosztowne, zaś naprawa - czasochłonna.

Niedogodnością opisanych powyżej płaskich transformatorów jest to, że metal amorficzny staje się po wygrzaniu bardzo kruchy, prowadząc często do pęknięcia rdzenia pod wpływem naprężeń, na przykład w czasie konstrukcji transformatora.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych A. P. nr US 4639705 opisany jest transformator wyposażony w rdzenie magnetyczne rozłożone przestrzennie. Taka struktura ma tę zaletę w stosunku do struktur płaskich, że zawiera mniejszą ilość materiałów magnetycznych (o około 20% do 30%), mniejszą objętość, mniejsze straty magnetyczne (o około 20% do 30%), oraz zrównoważenie prądów trzech faz płynących przez uzwojenia pierwotne. Jednakże sposób wytwarzania takich transformatorów, jak i naprawa, są stosunkowo złożone.

Z europejskiego opisu patentowego nr EP 0151048 znany jest rdzeń magnetyczny do elektrycznego urządzenia indukcyjnego, zwłaszcza do transformatora trójfazowego, złożony z dwóch, oddalonych od siebie członów płytkowych w kształcie trójkątów z zaokrąglonymi narożami, z których każdy wykonany jest z ferromagnetycznej taśmy amorficznej, oraz z kolumn, również wykonanych ztaśm ferromagnetycznych. Kolumny rozmieszczone są symetrycznie wokół osi centralnej transformatora, oraz połączone obustronnie z członami płytkowymi za pomocą współpracujących ze sobą występów i wnęk, wykonanych odpowiednio w członach płytkowych i kolumnach. Wokół kolumn znajdują się cewki magnetyczne. Sposób wytwarzania rdzenia magnetycznego obejmuje wytwarzanie kolumn przez składanie taśmy ferromagnetycznej, członów płytkowych przez owijanie taśmy magnePL 192 903 B1 tycznej wokół trzpienia, przy jednoczesnym utworzeniu współpracujących ze sobą wnęk i występów, oraz połączenie ze sobą kolumn i członów płytkowych.

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych A. P. nr US 2909742 znany jest rdzeń magnetyczny, wyposażony w dwa podłużne człony płytkowe, wykonane ze zwiniętej spiralnie taśmy magnetycznej. W skład rdzenia magnetycznego wchodzą również kolumny, rozmieszczone w szeregu między członami płytkowymi, prostopadłymi do ich powierzchni czołowych. Każda kolumna składa się z kilku współosiowych, znajdujących się jedna na drugiej sekcji zwiniętej spiralnie taśmy magnetycznej. Każda sekcja ma promieniową szczelinę rozciągającą się wzdłuż kolumny, która wypełniona jest izolatorem elektrycznym. Taki sam izolator elektryczny znajduje się również między kolejnymi sekcjami kolumny, oraz między kolumnami i powierzchniami czołowymi członów płytkowych. Wokół kolumn rdzenia magnetycznego znajdują się cewki indukcyjne.

Istotę wynalazku stanowi transformator trójfazowy, złożony z dwóch równoległych, oddalonych od siebie elementów płytkowych wykonanych z taśmy magnetycznej, z trzech obwodów kolumnowych, również wykonanych z taśmy magnetycznej, rozmieszczonych prostopadle między elementami płytkowymi i symetrycznie wokół osi centralnej transformatora, oraz z trzech układów cewkowych, z których każdy zamontowany jest na jednym obwodzie kolumnowym, tworząc z nim jedną z trzech faz transformatora.

Transformator trójfazowy według wynalazku charakteryzuje się tym, że szczeliny między powierzchniami czołowymi elementów płytkowych i powierzchniami czołowymi obwodów kolumnowych wypełnione są materiałem zawierającym proszek magnetyczny.

Materiał zawierający proszek magnetyczny stanowi korzystnie pastę magnetyczną złożoną z proszku magnetycznego o właściwościach miękkiego ferromagnetyka, oraz z wiążącego materiału izolacyjnego.

Elementy płytkowe i obwody kolumnowe wykonane są korzystnie z taśmy amorficznej ze stopu miękkiego ferromagnetyka, albo z taśmy ze stali krzemowej.

Korzystnym jest, jeżeli każdy z elementów płytkowych ma w przybliżeniu obrys trójkąta z zaokrąglonymi bokami i narożami. Elementy płytkowe mogą mieć również obrys koła.

W korzystnym rozwiązaniu wynalazku, każdy z obwodów kolumnowych ma postać toroidu.

W innym, alternatywnym rozwiązaniu wynalazku, każdy z obwodów kolumnowych składa się z kilku, ułożonych współosiowo jeden na drugim toroidów.

Jeżeli obwody kolumnowe wykonane są z toroidów, wówczas korzystnym jest, jeżeli mają one promieniową szczelinę wypełnioną materiałem izolacyjnym.

Każdy toroid obwodów kolumnowych, względnie elementów płytkowych, utworzony jest korzystnie z taśm o różnych szerokościach, rozmieszczonych naprzemiennie wzdłuż osi toroidu, przy czym taśmy przyległych warstw są względem siebie przesunięte osiowo i zakrywają szczelinę między taśmami przyległej warstwy.

Korzystnie szczeliny między toroidami obwodów kolumnowych wypełnione są pastą magnetyczną złożoną z proszku magnetycznego o właściwościach miękkiego ferromagnetyka, oraz z wiążącego materiału izolacyjnego. Alternatywnie szczeliny te wypełnione są elementami dystansowymi z tworzywa sztucznego zawierającego proszek magnetyczny w ilości od 20% do 50%.

Transformator trójfazowy wyposażony jest korzystnie w zespół montażowy, złożony z członów strukturalnych rozciągających się między elementami płytkowymi, oraz z łączących ich końce demontowanych pasków, względnie śrub mocujących obwody kolumnowe do elementów płytkowych, a także z elementów dystansowych z materiału izolacyjnego, mocujących uzwojenia pierwotne i wtórne układów cewkowych do obwodów kolumnowych.

Każdy obwód kolumnowy wykonany jest alternatywnie z taśm magnetycznych zorientowanych pionowo.

Korzystnym jest, jeżeli wewnętrzne powierzchnie czołowe elementów płytkowych zaopatrzone są w pierścieniowe wnęki, zaś końce obwodów kolumnowych - we współpracujące z nimi występy, przy czym powierzchnie zestyku wnęk i występów pokryte są powłoką materiału izolacyjnego.

Istotę wynalazku stanowi również sposób wytwarzania transformatora trójfazowego, polegający na wykonaniu elementów płytkowych, przez owinięcie taśmy amorficznej wokół otworu centralnego, wykonaniu obwodów kolumnowych, również przez owinięcie taśmy amorficznej wokół otworu centralnego, oraz połączeniu obwodów kolumnowych, rozmieszczonych symetrycznie wokół osi transformatora, z elementami płytkowymi.

PL 192 903 B1

Sposób charakteryzuje się tym, że elementy płytkowe i obwody kolumnowe po utworzeniu w postaci toroidów wygrzewa się w polu magnetycznym w temperaturze nie większej niż 550°C, które następnie utrwala się przez impregnację, po czym w każdym toroidzie obwodu kolumnowego tworzy się szczelinę i wypełnia się ją materiałem izolacyjnym, a następnie, na każdym toroidzie obwodu kolumnowego montuje się układ cewkowy z wykorzystaniem elementów dystansowych, tworzący po montażu jedną z trzech faz transformatora, a tak złożone obwody kolumnowe montuje się równolegle między oddalonymi od siebie elementami płytkowymi, do postaci przestrzennej struktury symetrycznej wokół osi centralnej transformatora, a szczeliny między poszczególnymi, stykającymi się ze sobą częściami obwodu magnetycznego, to jest między powierzchniami czołowymi elementów płytkowych i powierzchniami czołowymi obwodów kolumnowych, oraz ewentualnie między toroidami obwodów kolumnowych, wypełnienia się materiałem zawierającym proszek magnetyczny.

Podczas wytwarzania elementów płytkowych do postaci toroidów, taśmę amorficzną mocuje się do trzpienia, który następnie wprowadza się w ruch obrotowy wokół osi, po czym strukturę elementów płytkowych utrwala się, korzystnie przez spawanie końcówek taśm, zaś nadmiarową część taśmy amorficznej usuwa się.

W alternatywnym, korzystnym rozwiązaniu wynalazku, podczas wytwarzania elementów płytkowych i/lub obwodów kolumnowych do postaci toroidów, wokół otworu centralnego owija się kilka taśm amorficznych o różnych szerokościach, których suma równa jest zadanej wysokości elementów płytkowych i/lub obwodów kolumnowych. W tym rozwiązaniu wynalazku, taśmy amorficzne o różnych szerokościach owija się wokół otworu centralnego naprzemiennie, przesuwając je względem siebie tak, że taśmy amorficzne jednej warstwy zakrywają szczelinę między taśmami amorficznymi przyległej warstwy.

Każdy obwód kolumnowy wytwarza się korzystnie z kilku, ustawionych współosiowo jeden na drugim toroidów.

Zaletą transformatora trójfazowego według wynalazku, oraz sposobu jego wytwarzania, jest wysoka sprawność transformatora, małe wymiary gabarytowe rdzenia, a więc i mniejsza ilość materiału przypadająca na jednostkę mocy elektrycznej, prostota montażu i demontażu, ułatwiająca konserwację i naprawę transformatora bez uszkodzenia jego części składowych. Zadane właściwości transformatora uzyskiwane są jedynie przez dobór wymiarów jego części składowych.

Wynalazek w przykładach rozwiązania konstrukcyjnego opisany jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia transformator trójfazowy z rozsuniętymi częściami, w widoku perspektywicznym, fig. 2 złożony transformator trójfazowy, w widoku perspektywicznym, fig. 3 - transformator trójfazowy w przekroju wzdłuż linii A-A na fig. 2, fig. 4 i 5 - fragment transformatora trójfazowego według fig. 1 i 2 z uwidocznionym zespołem montażowym, w widoku z boku z częściowym przekrojem, fig. 6 - obwód kolumnowy transformatora według fig. 1 i 2, uwidaczniający zasadę jego wytwarzania z taśm amorficznych o różnej szerokości, w widoku perspektywicznym i w przekroju poprzecznym, fig. 7 - obwód kolumnowy transformatora według fig. 1 i 2, wykonany z taśm amorficznych zwiniętych w toroid, w widoku perspektywicznym, fig. 8 - fragment transformatora uwidaczniający złącze między końcowymi powierzchniami elementu płytkowego i obwodu kolumnowego, w widoku z boku, fig. 9 - obwód kolumnowy transformatora trójfazowego, wykonany z taśm amorficznych zorientowanych podłużnie, a fig. 10 i 11 - obwód kolumnowy transformatora według fig. 1 i 2 w czasie montażu, w widoku perspektywicznym.

Przedstawiony na fig. 1, 2 i 3 transformator trójfazowy 10 według wynalazku wyposażony jest w obwód magnetyczny 12, utworzony przez górny element płytkowy 14, dolny element płytkowy 16, oraz przez trzy identyczne obwody kolumnowe 18. Obwód magnetyczny 12 jest tak skonfigurowany, że jego elementy płytkowe 14 i 16 podtrzymywane na obwodach kolumnowych 18, są względem siebie równoległe, tworząc klatkową strukturę symetryczną względem osi centralnej CA. W prezentowanym przykładzie wykonania wynalazku, obydwa elementy płytkowe 14 i 16 obwodu magnetycznego 12 są płaskimi toroidami wykonanymi z taśm amorficznych 22 owiniętych wokół otworu centralnego 23, oraz pokrytych powłoką ochronną 34 o wydłużonym czasie życia. Transformator trójfazowy 10 jest ponadto wyposażony w trzy układy cewkowe 20, z których każdy osadzony jest na jednym obwodzie kolumnowym 18. Każdy z układów cewkowych 20 (fig.2) składa się z uzwojenia pierwotnego 20A, oraz z uzwojenia wtórnego 20B. Każda z faz transformatora trójfazowego 10 utworzona jest przez jeden obwód kolumnowy 18, oraz przez jeden, osadzony na nim układ cewkowy 20.

Transformator trójfazowy 10 ma strukturę modułową, złożoną z elementów płytkowych 14 i 16, oraz z obwodów kolumnowych 18, które mogą być łatwo złożone i rozłożone. Na przykład, usunięcie jednego z elementów płytkowych 14 albo 16 umożliwia łatwe usunięcie uszkodzonej cewki ze struktury obwodów kolumnowych 18, oraz jej naprawę.

PL 192 903 B1

Elementy płytkowe 14 i 16 mają w ogólności kształt trójkątów z zaokrąglonymi bokami i narożami, co zwiększa skuteczność przeniesienia strumienia magnetycznego między obwodami kolumnowymi 18. Po ukształtowaniu górnego elementu płytkowego 14 do żądanego kształtu i wymiarów, nadmiarową część 22A taśmy amorficznej 22 odcina się. Taśma amorficzna 22 wykonana jest ze stopu miękkiego ferromagnetyka, jaki wymagany jest na obwody magnetyczne transformatora. Taśmy amorficzne charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami ferromagnetycznymi, przez co zastosowanie ich w strukturze transformatora według wynalazku czyni jego właściwości bardzo korzystnymi.

Każdy z obwodów kolumnowych 18 ma postać jednego, trzech, albo więcej ułożonych jeden na drugim toroidów 18A, 18B i 18C. Taka konfiguracja umożliwia uzyskanie obwodów kolumnowych 18, a więc i transformatorów o różnych wysokościach, pomimo że szerokość dostępnych taśm amorficznych jest ograniczona. Ponadto, wykonanie obwodów kolumnowych z kilku, ustawionych jeden na drugim toroidów zmniejsza opór magnetyczny dla propagacji strumienia magnetycznego, oraz zwiększa impedancję dla prądów wirowych.

Transformator trójfazowy 10 (fig. 2) wyposażony jest w trzy demontowane paski 24 (na fig. 2 uwidocznione są dwa takie paski) ze śrubą 26, względnie jarzmem służącym do ich naciągnięcia. Końce każdego demontowanego paska 24 połączone są z jednym członem strukturalnym 28, rozciągającym się między obydwoma elementami płytkowymi 14i 16. Demontowane paski 24, śruby 26 i człony strukturalne 28 tworzą zespół montażowy transformatora 10.

Działanie transformatora trójfazowego 10 według fig. 1 i 2 jest następujące. Podczas przepływu prądu przez uzwojenie pierwotne 20A układu cewkowego 20 następuje generacja strumienia magnetycznego, a następnie jego propagacja wzdłuż obwodu kolumnowego 18 między elementami płytkowymi 14 i 18. Strumienie magnetyczne generowane są wzdłuż wszystkich trzech obwodach kolumnowych 18. Propagujący się przez obwód kolumnowy 18 strumień magnetyczny indukuje napięcie w uzwojeniu wtórnym 20B tego samego układu cewkowego 20. Jeden obwód kolumnowy 18 i przyporządkowany mu układ cewkowy 20 tworzy jedną fazę transformatora trójfazowego 10 według wynalazku.

Prąd elektryczny, o częstotliwości na przykład 50 Hz, doprowadzany jest z nieuwidocznionego na rysunku źródła zasilania do końcówki cewki uzwojenia pierwotnego 20A, który płynąc przez kolejne zwoje tej cewki generuje podstawowy strumień magnetyczny 36. Poniżej opisane jest przejście strumienia magnetycznego przez jedną z faz transformatora. Wygenerowany podstawowy strumień magnetyczny 36 dzielony jest w górnym płytkowym elemencie 14 na dwa identyczne poprzeczne strumienie magnetyczne 42 i 44, które początkowo propagują się wzdłuż identycznych części tego elementu płytkowego 14, a następnie do dołu przez pozostałe dwa obwody kolumnowe 18, już jako wzdłużne strumienie magnetyczne 38 i 40. Te wzdłużne strumienie magnetyczne 38 i 40 propagują się następnie jako poprzeczne strumienie magnetyczne 46 i 48 wzdłuż równych części dolnego elementu płytkowego 16, które po wniknięciu do obwodu kolumnowego 18 tworzą propagujący się do góry zsumowany podstawowy strumień magnetyczny 36, zamykający pętlę generowanego strumienia magnetycznego. W podobny sposób propagują się strumienie magnetyczne w pozostałych fazach transformatora, które po zsumowaniu tworzą całkowity strumień magnetyczny transformatora.

Elementy płytkowe 14 i 16 mogą mieć inny kształt niż trójkątny, na przykład kołowy. W tym przypadku, ścieżki propagacji poprzecznych strumieni magnetycznych 42 i 44, oraz 46 i48 będą kołowe. Przedstawione na fig. 1 i 2 elementy płytkowe 14 i 16 mają kształt równobocznych trójkątów z zaokrąglonymi bokami i narożami, dzięki czemu uzyskano krótsze ścieżki propagacji strumieni magnetycznych przez elementy płytkowe, które są bardziej zbliżone do linii prostych. Umożliwia to uzyskanie mniejszej reluktancji (czyli oporu magnetycznego), a więc zwiększenie przewodności strumienia magnetycznego. Bardziej wydajną strukturę transformatora można uzyskać przez zastosowanie wnim rdzeni magnetycznych z materiałów o wyższej jakości.

Elementy płytkowe 14 i 16 wytwarza się przez zamocowanie taśmy amorficznej 22 do trzpienia o trójkątnym przekroju poprzecznym, a następnie na wprowadzeniu tego trzpienia w ruch obrotowy, powodując tym samym nawijanie się na nim taśmy amorficznej 22. Po uzyskaniu odpowiednich wymiarów, elementy płytkowe 14 i 16 utrwala się przez impregnację, albo spawanie, zaś nadmiarową część 22A taśmy amorficznej 22 usuwa się. W wyniku zastosowania trójkątnego trzpienia otrzymuje się trójkątne elementy płytkowe 14 i 16 z zaokrąglonymi bokami i narożami.

Każde uzwojenie układu cewkowego 20 wykonane jest z drutu miedzianego. Każdy układ cewkowy 20 wyposażony jest w uzwojenie, w osłonę izolacyjną przystosowaną do wartości napięć roboczych, oraz w układ chłodzący. Jeżeli wykorzystuje się chłodzenie powietrzem, wówczas wymagana jest stosunkowo gruba izolacja, natomiast kiedy transformator jest zanurzony w oleju chłodzącym,

PL 192 903 B1 wtedy dla takiego samego napięcia roboczego izolacja może być cieńsza. Olej może pełnić funkcję zarówno chłodzącą, jak i izolacyjną między uzwojeniami układu cewkowego 20.

Powierzchnia przekroju poprzecznego obwodu kolumnowego 18 i przyporządkowana mu powierzchnia elementów płytkowych 14 i 18 określona jest przez właściwości ferromagnetyczne stopu amorficznego, z którego wykonane są te części transformatora, jak również przez wartość napięcia roboczego. Wysokość obwodów kolumnowych 18 i odległości między nimi wynikają z wymiarów układów cewkowych 20, te zaś, zależą od powierzchni przekroju poprzecznego zastosowanego drutu miedzianego, liczby zwojów, oraz wymaganej izolacji. Wymiary elementów płytkowych 14 i 16 są z kolei tak dobrane, aby stanowiły podstawy dla obwodów kolumnowych 18 rozmieszczonych w zadanych odstępach. Umożliwia to przejście strumieni magnetycznych z obwodów kolumnowych 18 do elementów płytkowych 14 i 16.

W prezentowanym przykładzie wykonania wynalazku, toroidalne elementy płytkowe 14 i 16, oraz toroidy 18A, 18B i 18C obwodów kolumnowych 18 wykonane są z taśm amorficznych o szerokości około 2 cm i grubości około 20 μm. Toroidy 18A, 18B i 18C mogą być oczywiście wykonane z taśm amorficznych o innej szerokości, w granicach od 1cm do 10cm, w zależności od procesu wytwarzania taśm amorficznych.

Przedstawiony na fig.4 obwód kolumnowy 18 znajduje się między górnym i dolnym elementem płytkowym 14 i 16. Obwód kolumnowy 18 wyposażony jest w uzwojenie pierwotne 20A i uzwojenie wtórne 20B, które tworzą układ cewkowy 20. Struktura utrzymywana jest w całości za pomocą demontowanych pasków 24, które naciągnięte są za pomocą śrub 26. Między elementami płytkowymi 14 i16, oraz między końcami każdego paska 24 zamocowany jest człon strukturalny 28. Demontowane paski 24, śruby 26 i człony strukturalne 28 tworzą razem zespół montażowy transformatora, którego wymiary dostosowane są do wymiarów i mocy transformatora trójfazowego 10.

Wewnętrzna powierzchnia czołowa 16A dolnego elementu płytkowego 16 styka się zdolnymi powierzchniami czołowymi 50 obwodów kolumnowych 18 (w celu przekazywania między nimi strumieni magnetycznych), z utworzoną między tymi powierzchniami wąską szczeliną 52, na przykład powietrzną, o grubości około 0,2 mm. W celu poprawy właściwości ferromagnetycznych zamkniętej pętli magnetycznej, to jest w celu zmniejszenia oporu magnetycznego, wąskie szczeliny 52 wypełnia się korzystnie pastą magnetyczną. Pasta magnetyczna może się składać z proszku amorficznego owłaściwościach miękkiego ferromagnetyka, zawierającego cząsteczki o wymiarach większych od 20 μm, oraz z wiążącego materiału izolacyjnego, takiego jak olej transformatorowy, albo żywica epoksydowa. Zawartość proszku amorficznego w paście magnetycznej wynosi korzystnie od 50% do 90%. Do zminimalizowania wpływu wąskiej szczeliny 52 na pętlę magnetyczną, mogą być użyte inne stosowne środki. Ponadto, powierzchnia zewnętrzna 16B dolnego elementu płytkowego 16 może być pokryta powłoką ochronną.

Podobna wąska szczelina 54 utworzona jest między wewnętrzną powierzchnią czołową 14A górnego elementu płytkowego 14, a górną powierzchnią czołową 51 obwodu kolumnowego 18. Ta wąska szczelina 54 również winna być wypełniona pastą magnetyczną, zaś powierzchnia zewnętrzna 14B górnego elementu płytkowego 14 - pokryta powłoką ochronną.

W przedstawionym na fig.5 rozwiązaniu transformatora według wynalazku, obwód kolumnowy 18 wyposażony jest w inny zespół montażowy niż w rozwiązaniu według fig.4. Elementy płytkowe 14 i16, oraz obwód kolumnowy 18 utrzymywane są razem za pomocą gwintowanej śruby 56 albo belki, mocowanej do członów strukturalnych 28.

Podczas wytwarzania transformatorów o różnej mocy ma miejsce konflikt spowodowany brakiem taśm amorficznych o dowolnej szerokości, oraz potrzebą zastosowania elementów obwodów magnetycznych o znacznie większej wysokości niż szerokość dostępnych taśm amorficznych. Na przykład, szerokość aktualnie dostępnych taśm amorficznych wynosi około 7 cm, natomiast wysokość elementów płytkowych 14 i 16 winna wynosić 9 cm. Ten problem może być rozwiązany przez zwinięcie w toroid taśm amorficznych o różnych szerokościach, dających w sumie żądaną wysokość elementów płytkowych. Taśmy amorficzne przylegających do siebie warstw toroidu są względem siebie przesunięte, dzięki czemu taśmy jednej warstwy przykrywają szczelinę między taśmami przyległej warstwy. Dzięki takiej technice nawijania taśm amorficznych możliwe jest uzyskanie toroidów o różnych wymiarach i jednorodnym rozkładzie strumienia magnetycznego.

Przedstawiony na fig.6 toroid o wysokości 9 cm wykonany został z taśm amorficznych 22^(a)o szerokości 7 cm i taśm amorficznych 22^(b) o szerokości 2 cm. Taśmy amorficzne rozmieszczane są na nieuwidocznionych na rysunku czterech cewkach urządzenia nawijającego, z którego jedna para

PL 192 903 B1 taśm amorficznych 22^(a) i 22^(b) tworzy podczas nawijania pierwszą warstwę, natomiast druga para taśm amorficznych 22^(b) i 22^(a) - drugą warstwę toroidu elementu płytkowego. W tym przypadku, zwoje toroidu tworzone są w dwóch warstwach jednocześnie, z których każda przykrywa szczelinę między taśmami przyległej warstwy.

Przedstawiony na fig.7 obwód kolumnowy 18 składa się z trzech toroidów 18A, 18B i18C. Obwód kolumnowy 18 może oczywiście zawierać jeden toroid. Obwody kolumnowe 18 mogą być wytwarzane w podobny sposób do elementów płytkowych 14 i 16, to jest z kilku taśm amorficznych o różnych szerokościach. Toroidy 18A, 18B i 18C (albo pojedynczy toroid) zaopatrzone są w otwór centralny 32, oraz w zewnętrzne pokrycie 50A, wykonane korzystnie z materiału izolacyjnego, na przykład z laminatu tkanino-szklanego impregnowanego żywicą epoksydową. Toroidy 18A, 18B i 18C mają korzystnie promieniową szczelinę 70, która zmniejsza straty magnetyczne, oraz zapobiega indukcji wysokiego napięcia w uzwojeniach toroidów, które mogłoby uszkodzić izolację między sąsiednimi warstwami każdego toroida. Szerokość promieniowej szczeliny 70 zależy od rodzaju transformatora, imoże wynosić na przykład 1mm. Promieniowa szczelina 70 może być wykonana za pomocą nieuwidocznionego na rysunku dysku korundowego o średnicy 20 cm i grubości od 0,5 mm do 1mm, z użyciem cieczy chłodzącej, po uprzednim osadzeniu toroidu w odpowiednim uchwycie. Promieniową szczelinę 70 wypełnia się korzystnie materiałem izolacyjnym, na przykład z laminatu tkanino-szklanego. W prezentowanym przykładzie realizacji wynalazku, w otworach centralnych 32 znajdują się cylindry 74 z materiału izolacyjnego, które służą do wyrównania ze sobą toroidów 18A i 18B, oraz 18B i 18C. Cylindry 74 mają korzystnie otwór środkowy, w którym umieszczany jest nieuwidoczniony na rysunku nagwintowany trzpień.

Jednym z parametrów charakteryzujących pracę transformatora jest prąd bierny, którego wartość zależy od charakterystyki zastosowanych materiałów magnetycznych i wielkości wąskich szczelin 52 i 54 (fig.4) między oddzielnymi częściami obwodu magnetycznego 12. Niekorzystny wpływ szczelin powietrznych na strumienie magnetyczne może być zredukowany w następujący sposób. Wąskie szczeliny 52 i 54 wypełnia się pastą magnetyczną, albo elementem dystansowym wykonanym z tworzywa sztucznego zawierającego wypełniacz w postaci przewodzącego proszku magnetycznego, na przykład proszku amorficznego bazującego na żelazie. Grubość takiego elementu dystansowego wynosi na przykład od 0,1 mm do 0,2 mm. W ten sposób zredukowana zostaje indukcja w szczelinie.

Figura 8 ilustruje jeden z możliwych przykładów zastosowania elementu dystansowego. Wtym przypadku, na powierzchniach czołowych 16A i 14A elementów płytkowych 16 i14 utworzone są koncentryczne wnęki pierścieniowe R. Szerokość d wnęki pierścieniowej R wynosi 3 mm, głębokość h 6 mm, zaś skok śrubowy między sąsiednimi wnękami pierścieniowymi R wynosi 3 mm. Natomiast końce obwodów kolumnowych 18 zaopatrzone są w występy P, które wchodzą we wnęki pierścieniowe R. Powierzchnie końcowe i występy P obwodów kolumnowych 18 winny być pokryte powłoką izolacyjną, przez co między powierzchnią boczną każdego występu P, a powierzchnią boczną wnęki pierścieniowej R, utrzymywana jest szczelina powietrzna G, na przykład o szerokości 0,05 mm.

Na fig.9 przedstawiony jest przykład wykonania obwodu kolumnowego 18 transformatora trójfazowego 10 wykonanego z taśm amorficznych 22 zorientowanych podłużnie, które mogą mieć tę samą szerokość, na przykład 5 cm, albo różną. Grubość zastosowanych taśm amorficznych 22 wynosi w tym przykładzie 25 μm, chociaż może być ona inna. Obwody kolumnowe 18 mogą mieć przekrój poprzeczny wielokątny, na przykład prostokątny. Zaletą takiego rozwiązania jest to, że obwód kolumnowy 18 może być uzyskany jako pojedynczy element, bez potrzeby stosowania kilku toroidów układanych jeden na drugim, tak jak ma to miejsce w poprzednim przykładzie wykonania wynalazku. Obwód kolumnowy 18utworzony zpodłużnie zorientowanych taśm amorficznych 22, wytwarza się następująco.

Taśmę amorficzną 22 wykonaną ze stopu ferromagnetycznego tnie się na odcinki o długości równej wysokości obwodu kolumnowego 18. Dokładność cięcia taśmy amorficznej wynosi ±0,5 mm, zaś powstałe zadziory spiłowuje się. Szerokość odcinków taśmy amorficznej 22 ustawiona jest według wymagań przekroju poprzecznego obwodów kolumnowych 18. Odcinki taśmy amorficznej 22 układa się w stos w specjalnym uchwycie do postaci obwodów kolumnowych 18. Uchwyt wyposażony jest wprasę, służącą do ściśnięcia odcinków taśm amorficznych 22 i uzyskania współczynnika gęstości uzwojenia o wartości od 0,8 do 0,9. Wygrzewanie kompletnych obwodów kolumnowych 18 przeprowadza się w temperaturze od około 350°C do około 550°C, korzystnie w piecu z kontrolowaną atmosferą przez czas korzystnie mniejszy niż 1h. Wygrzewanie przeprowadza się bez, albo z zastosowaniem podłużnego, względnie poprzecznego zewnętrznego pola magnetycznego.

PL 192 903 B1

Następnie, wygrzany obwód kolumnowy 18 impregnuje się w komorze próżniowej, albo w kąpieli ultradźwiękowej, z zastosowaniem organicznych materiałów wiążących, na przykład żywicy epoksydowej. Impregnowanie może być przeprowadzone w czasie, kiedy odcinki taśmy amorficznej 22 znajdują się w uchwycie do wygrzewania. Impregnowany obwód kolumnowy umieszcza się w termostacie i spieka w temperaturze od około 80°C do około 105°C. Po obróbce cieplnej obwód kolumnowy 18 usuwa sięz uchwytu, z którego górnej i dolnej powierzchni usuwa się nadmiarową ilość materiału wiążącego.

W celu zwiększenia wytrzymałości mechanicznej, wokół powierzchni bocznej obwodu kolumnowego owija się taśmę laminatu tkanino-szklanego impregnowaną żywicą epoksydową, którą następnie spieka się w temperaturze od około 100°C do około 130°C. W celu poprawy właściwości magnetycznych obwodu kolumnowego 18, oraz dokładniejszego ustawienia części składowych (w czasie montażu), górna i dolna powierzchnia obwodu kolumnowego 18 może być frezowana i wypolerowana z dokładnością 0,1 mm. W celu uniknięcia rozwarstwienia obwodu kolumnowego 18 podczas obróbki skrawaniem, konieczne jest zamocowanie obrabianej strefy obwodu kolumnowego w specjalnym uchwycie.

Figury 10i 11 przedstawiają montaż transformatora trójfazowego 10 stanowiącego część sposobu wytwarzania całego transformatora według wynalazku. Na fig. 10 przedstawiony jest obwód kolumnowy 18 z zamocowanym na nim uzwojeniem wtórnym 20B układu cewkowego 20. Do mechanicznego zamocowania tego uzwojenia do obwodu kolumnowego 18 zastosowano wewnętrzne elementy dystansowe 80 z materiału izolacyjnego. Uzwojenie wtórne 20B ma terminale 82 przeznaczone do wykonania połączeń elektrycznych z obciążeniem transformatora. Podczas montażu układu cewkowego 20, między dolnym i górnym końcem uzwojenia wtórnego 20B (ze względu na symetrię), a dolnym i górnym końcem obwodu kolumnowego 18 utrzymywana jest określona odległość d1.

Natomiast fig. 11 przedstawia obwód kolumnowy 18 transformatora 10z zamontowanym uzwojeniem wtórnym 20B i uzwojeniem pierwotnym 20A układu cewkowego 20. Uzwojenie pierwotne 20A przymocowane jest do uzwojenia wtórnego 20B za pomocą zewnętrznych elementów dystansowych 84. Wszystkie elementy dystansowe 80 i 84 wykonane są materiału izolacyjnego. Do połączenia uzwojenia wtórnego 20B i uzwojenia pierwotnego 20A odpowiednio do źródła zasilania i obciążenia służą terminale 82 i 86.

Cała procedura montażu transformatora jest następująca. Cewkę uzwojenia wtórnego 20B osadza się na obwodzie kolumnowym 18 i mocuje do niego za pomocą wewnętrznych elementów dystansowych 80. Następnie na uzwojenie wtórne 20B nakłada się uzwojenie pierwotne 20A i mocuje do niego za pomocą zewnętrznych elementów dystansowych 84, przy zachowaniu określonych odległości d1 od obydwu końców obwodu kolumnowego 18. Uzwojenia pozostałych dwóch faz transformatora trójfazowego 10 montuje się na obwodach kolumnowych 18 w identyczny sposób.

Dolny element płytkowy 16 (fig.2) zorientowany jest w położeniu poziomym, którego wewnętrzna powierzchnia czołowa 16A zorientowana jest do góry. Powierzchnia czołowa 16A jest tą płaską powierzchnią toroidalnego elementu płytkowego 16, z której usunięto uprzednio nadmiarową ilość materiału impregnacyjnego, oraz opcjonalnie wypolerowano.

Na obszary dolnego elementu płytkowego 16, na które mają być osadzone obwody kolumnowe 18, nanosi się warstwę pasty magnetycznej o grubości około 0,2 mm. Następnie, na dolnym elemencie płytkowym 16 montuje się obwody kolumnowe 18 z zamocowanymi uprzednio (jak wyżej) układami cewkowymi 20, symetrycznie wokół osi centralnej CA. W dalszej kolejności, na górne powierzchnie obwodów kolumnowych 18 nanosi się warstwy takiej samej pasty magnetycznej, również o grubości około 0,2 mm, na których montuje się górny element płytkowy 14. Tak zestawiona struktura tworzy obwód magnetyczny 12 transformatora trójfazowego 10 według wynalazku.

Zestawione ze sobą elementy płytkowe 14 i 16 i obwody kolumnowe 18 mocuje się następnie ze sobą za pomocą demontowanych pasków 24 naciąganych śrubami 26, połączonych z członami strukturalnymi 28 rozciągającymi się międzyelementami płytkowymi 14 i16. Skręcenie śrub 26 powoduje naciągnięcie demontowanych pasków 24 i przymocowanie do siebie części składowych transformatora. Natomiast odkręcenie śrub 26 powoduje poluzowanie pasków 24, co z kolei umożliwia usunięcie obwodów kolumnowych 18 i elementów płytkowych 14 i 16. Wówczas w razie potrzeby z obwodów kolumnowych mogą być usunięte cewki.

Opisana powyżej technika umożliwia wielokrotny montaż i demontaż transformatora trójfazowego według wynalazku bez jakiegokolwiek uszkodzenia jego części składowych. Technika ta ułatwia naprawę transformatora przy zachowaniu czasu i materiałów.

PL 192 903 B1

Poszczególne części składowe transformatora mogą być wytwarzane oddzielnie i równocześnie, a następnie złożone razem w ostatnim etapie montażu. Sposób wytwarzania całego transformatora trójfazowego 10 według wynalazku jest następujący.

Naprzód ze stopu miękkich metali ferromagnetycznych wytwarza się taśmy amorficzne 22, z których wykonuje się (na przykład w postaci toroidów) części składowe obwodu magnetycznego 12, to jest elementy płytkowe 14 i 16 oraz toroidy 18A, 18B i 18C obwodu kolumnowego 18. Obwód kolumnowy 18 w zależności od żądanej wysokości i szerokości może się składać z jednego, albo kilku toroidów. W prezentowanym przykładzie rozwiązania wynalazku, obwody kolumnowe 18 skalają się z kilku toroidów. Na obwodach kolumnowych 18 montuje się układy cewkowe 20 wyposażone w uzwojenie pierwotne 20A i uzwojenie wtórne 20B, w sposób opisany powyżej. W alternatywnym rozwiązaniu wynalazku, uzwojenia układu cewkowego 20 mogą być wytworzone i zamontowane jako oddzielne jednostki. W kolejnym etapie wytwarzania transformatora, na jego części składowe i/lub uzwojenia nanosi się impregnat i/lub powłoki ochronne. Montaż końcowy transformatora z tak wytworzonych części składowych polega na osadzeniu na obwodach kolumnowych 18 układów cewkowych 20 i zamocowaniu ich uzwojeń 20A i 20B, zamocowaniu obwodów kolumnowych 18 w narożach dolnego elementu płytkowego 16, oraz zamocowaniu górnego elementu płytkowego 14 na obwodach kolumnowych 18. Wszystkie zestawione części składowe transformatora, to jest elementy płytkowe 14 i 16, oraz obwody kolumnowe 18, mocuje się razem za pomocą śrub, naciąganych pasków, albo podobnych łączników mechanicznych.

Przygotowanie toroidów z taśm amorficznych jest następujące. W celu uzyskania korzystnych właściwości magnetycznych, wytopione taśmy amorficzne poddaje się wygrzewaniu w temperaturze od około 350°C do około 550°C. Wadą tej znanej metody wytwarzania taśm amorficznych jest to, że po wygrzaniu stają się bardzo kruche, prowadząc do pęknięć w wyniku naprężeń mechanicznych, albo zwijania w toroidy. W celu wyeliminowania tej niedogodności, twórcy wynalazku opracowali następującą procedurę:

- Wytopione taśmy z amorficznego stopu metali powleka się dwustronnie warstwą izolacyjną.

Grubość tej dwuwarstwowej izolacji jest nie większa niż 5 μπ. W przypadku transformatorów niskonapięciowych, ten etap przygotowania taśm amorficznych może być pominięty.

- Taśmę amorficzną zwija się w toroid (jak na przykład toroid elementów płytkowych 14 i 16, oraz toroidy 18A do 18C obwodu kolumnowego 18). Etap zwijania przeprowadza się w sposób opisany powyżej. Toroidy elementów płytkowych 14 i 16 nawija się na trzpieniu mającym w przekroju poprzecznym kształt trójkąta, oraz grubość równą w przybliżeniu szerokości owijanej na nim taśmy. W celu wyeliminowania możliwości pęknięć owijanej taśmy, stosowany trzpień 60 winien mieć zaokrąglone naroża, o promieniu krzywizny około 1 cm. Natomiast do formowania toroidów 18A, 18B i 18C obwodu kolumnowego 18 stosuje się trzpień cylindryczny, którego średnica zależy od wymiarów wytwarzanych toroidów, i wynosi od około 1 cm do około 3 cm. Mechaniczne naciągnięcie taśmy amorficznej realizowane jest zgodnie z wymaganym współczynnikiem gęstości zwojów, który zwykle wynosi od około 0,8 do około 0,9. Do dociśnięcia do siebie warstw taśm toroidów służą znajdujące się na trzpieniu jarzma, albo ograniczniki. Za pomocą tej techniki uzyskuje się toroidy o stałej szerokości, z dokładnością ±0,2 mm.

- W celu wyeliminowania możliwości rozwinięcia się toroidu, przynajmniej jedną jego warstwę mocuje się do warstwy przyległej, na przykład przez spawanie oporowe.

- Utworzony toroid wygrzewa się w temperaturze od około 350°C do około 550°C, korzystnie wpiecu z kontrolowaną atmosferą, przez czas określony rodzajem metalu, z którego jest wytworzona taśma amorficzna. Toroid może być wygrzany łącznie ze znajdującym się w nim trzpieniem, albo bez, względnie z zastosowaniem podłużnego, albo poprzecznego zewnętrznego pola magnetycznego.

- Wygrzany toroid impregnuje się organicznym materiałem wiążącym, na przykład żywicą epoksydową, w komorze próżniowej, albo w kąpieli ultradźwiękowej. Impregnację można przeprowadzić ze znajdującym się w nim trzpieniem. Toroid po impregnacji umieszcza się w środowisku o kontrolowanej temperaturze.

- Z toroida usuwa się trzpień. Z płaskich powierzchni toroida (przynajmniej z górnego i dolnego elementu płytkowego 14 albo 16) usuwa się nadmiarową ilość materiału impregnacyjnego. Powierzchnie czołowe, służące do transferu strumienia magnetycznego, mogą być wypolerowane. Płaskie powierzchnie zapewniają bowiem mały opór propagacji strumienia magnetycznego. Równoległość powierzchni czołowych toroidu wynosi korzystnie 0,2 mm.

PL 192 903 B1

Polerowanie toroidu może być wykonane przed wygrzaniem, ale kiedy ma on już ustaloną strukturę. Polerowanie w tym stanie ma tę zaletę, że taśma amorficzna nie jest jeszcze krucha i jest bardziej podatna na obróbkę.

W toroidach 18A, 18B i 18C może być wycięta promieniowa szczelina 70 (fig.7). Promieniowa szczelina 70 może być wykonana na przykład za pomocą dysku korundowego o średnicy 20 cm i grubości od 0,5 do 1mm, z użyciem cieczy chłodzącej, po uprzednim zamocowaniu toroidu w specjalnym uchwycie. Promieniową szczelinę 70 wypełnia się następnie materiałem izolacyjnym, na przykład laminatem tkanino-szklanym.

W celu zwiększenia wytrzymałości mechanicznej, boczną walcową powierzchnię toroidu pokrywa się taśmą tkanino-szklaną, którą następnie spieka się w temperaturze od około 100°C do około 130°C.

Opisane powyżej obwód magnetyczny transformatora może być wykonany nie tylko z taśm amorficznych, ale również ze stali krzemowej. Chociaż stal krzemowa prowadzi do zwiększenia strat magnetycznych, to jednak upraszcza ona proces technologiczny, gdyż do konstrukcji transformatora mogą być wykorzystane taśmy o wymaganej szerokości. Transformator z wykorzystaniem stali krzemowej może być wykonany dla zastosowań o zmniejszonych wymaganiach sprawności transformatora.

Proces technologiczny wytwarzania obwodu magnetycznego ze stali krzemowej jest następujący:

- Toroidalne elementy płytkowe wytwarza się przez zwijanie taśm ze stali krzemowej, o szerokości odpowiadającej wysokości elementu płytkowego, oraz pokrytych powłoką izolacyjną o grubości od 3 μm do 10 μm. W tym przypadku, współczynnik gęstości zwojów wynosi od 0,8 do 0,96.

-Po zakończeniu procedury zwijania taśm, utworzone elementy płytkowe impregnuje się powłoką lakierową, próżniowo albo ultradźwiękowo. Powłokę lakierową utrwala się w temperaturze od 80°C do 105°C.

-Na obwodzie elementu płytkowego owija się taśmę szklaną, którą następnieimpregnuje się lakierową powłoką epoksydową, poddawaną później obróbce cieplnej w temperaturze od 80°C do 105°C.

- Powierzchnię czołową elementu płytkowego poddaje się obróbce, na przykład skrawaniem, w celu uzyskania płaszczyzny o chropowatości nie większej niż 10 μm.

-Wytwarza się obwody kolumnowe 18, w sposób podobny do elementów płytkowych 14 i 16, to jest w technologii toroidalnej, albo też w sposób właściwy do wytwarzania obwodów liniowych (jak na fig.9). W przypadku zastosowania technologii toroidalnej, szerokość zastosowanych taśm winna być nieznacznie większa niż wysokość obwodów kolumnowych, na przykład o około 2 mm, w celu wykonania końcowej obróbki mechanicznej. Obróbka mechaniczna obydwu końców obwodów kolumnowych 18 winna być wykonana z taką dokładnością, aby nierówności ich powierzchni nie przekraczały wielkości 10 μm, zaś nierównoległość płaszczyzn końcowych nie przekraczała 20 μm. Następnie wobwodach kolumnowych 18 tworzy się promieniową szczelinę 70 (na przykład o szerokości 1mm), w której umieszcza się płytkę z materiału izolacyjnego, na przykład szklano-włókienniczego (mająca postać laminatu z tkaniny zanurzonej w żywicy). Wokół powierzchni obwodowej obwodu kolumnowego 18 owija się taśmę tkanino-szklaną, którą impregnuje się lakierową powłoką epoksydową, poddaną następnie obróbce cieplnej w temperaturze od 80°C do 105°C.

Podczas wytwarzania obwodów kolumnowych 18 według konstrukcji przedstawionej na fig.9, taśmy ze stali krzemowej zestawia się w postaci zwartych konstrukcji o różnych szerokościach, mających w przekroju poprzecznym kształt wielokąta, albo koła. Długość użytych taśm winna być większa niż wysokość obwodów kolumnowych, na przykład o około 2 mm, w celu wykonania końcowej obróbki mechanicznej. Zestawione obwody kolumnowe impregnuje się powłoką lakierową, na przykład epoksydową, którąpoddaje się obróbce cieplnej w temperaturze od 80°C do 105°C. Na obwodzieobwodu kolumnowego owija się taśmę szklaną, którą następnie impregnuje się epoksydową powłoką lakierową, oraz suszy w temperaturze od 80°C do 105°C. W dalszej kolejności, obydwa końce obwodu kolumnowego poddaje się obróbce mechanicznej z taką dokładnością, aby nierówności ich powierzchni nie przekraczały wartości 10 μm, zaś nierównoległość płaszczyzn końcowych nie przekraczała 20 μm.

Poniżej przedstawione są parametry transformatora o mocy 400 kVA oopisanej powyżej konstrukcji, której obwód magnetyczny 12,ma następujące wymiary.

₂

-powierzchnia Sc przekroju poprzecznego obwodu kolumnowego 18 wynosi 293 cm²,

- powierzchnia S¹ występów P na końcach obwodu kolumnowego 18, mających wysokość ₂ mm, wynosi 469 cm²,

-powierzchnia S² występów P na końcach obwodu kolumnowego 18, wynosi 150 cm²,

- całkowita powierzchnia S_Σ występów, wzdłuż których przechodzi strumień magnetyczny, wynosi 469 cm².

Indukcja magnetyczna dla tego przypadku wynosi:

PL 192 903 B1

Bd = Bm^xSc^/SZ gdzie Bm jest indukcją magnetyczną w obwodzie kolumnowym. Dla Bm = 1,3 T, Bd = (1,3 x 293)/619 = 0,61 T, dzięki czemu redukuje się dwukrotnie wartość prądu. Jeżeli głębokość wnęk pierścieniowych R wynosi 12 mm, wówczas uzyska się czterokrotnąredukcję wartości prądu.

Wykonano analizę matematyczną transformatorów wykonanych zgodnie ze sposobem według wynalazku, a jej wyniki porównano z wynikami analizy przeprowadzonej dla konwencjonalnych transformatorów, których obwody magnetyczne mają płaską strukturę E+1. Analizę wykonano dla transformatorów o mocy 10 kVA, 25 kVA, 100 kVA i 630 kVA. Analiza obejmuje straty elektryczne rdzenia iuzwojeń, oraz masy. Obliczeniawykonano dla ustalonej wartości sprawności transformatorów. Wyniki obliczeń przedstawione są w tabelach od 1do 5. Występujące w tabelach stałe parametry to:

- częstotliwość robocza, f = 50 Hz,

- transformator trójfazowy,

-natomiast zmienne to:

-straty uzwojeń PW,

-straty obwodu magnetycznego PFe (W),

-masa uzwojeń Gw[kg],

-masa obwodu magnetycznego GFe[kg],

- sprawność η [%],

- wysokość transformatora Htr[mm],

-długość transformatora Ltr[mm],

-szerokość transformatora Btr[mm],

-objętość transformatora Vtr [m³],

-moc wyjściowa P2 [kVA],

-napięcie pierwotne U1[V],

-napięcie wtórne U2[V].

Tabela 1

P2= 10 kVA, U2 = 220 V, U1= 380 V.

Parametr	Typ transformatora
AMT (suchy), Izrael	TSZM- 10/0.4
Konstrukcja rdzenia	Toroid	E+1
Materiał rdzenia	Metal amorficzny	Stal krzemowa
Pw [W]	330	256
PFe [W]	12	78
Gw [kG]	26	59
GFe [kG]	58	40
Gtr [kG]	85	99
η [%]	95,7	96,7
Htr [mm]	214	465
Ltr [mm]	349	600
Btr [mm]	349	335
Vtr [m³]	0,026	0,093

Tabela 2

P2= 25 kVA, U2 = 220 V, U1= 380 V.

Parametr	Typ transformatora
AMT (suchy), Izrael	TSZM- 25/0.4
1	2	3
Konstrukcja rdzenia	Toroid	E+1
Materiał rdzenia	Metal amorficzny	Stal krzemowa
Pw[W]	697	558
PFe [W]	19,3	157
G_w [kG]	64,5	133

PL 192 903 B1 cd. tabeli 2

1	2	3
GFe [kG]	95,5	77
Gtr [kG]	160	200
D[%]	97,2	97,2
Htr [mm]	242	555
Ltr [mm]	441	706
Btr [mm]	441	463
Vtr [m³]	0,047	0,18

T ab el a 3

P2 = 100 kVA, U2 = 380 V, U1 = 22,5 kV.

Parametr	Typ transformatora
AMT (suchy), Izrael	Siblok (suchy)
Konstrukcja rdzenia	Toroid	E+1
Materiał rdzenia	Metal amorficzny	Stal krzemowa
Pw [W]	2024	1700
PFe [W]	48	440
Gw [kG]	132	160
GFe [kG]	238	405
Gtr [kG]	371	565
n[%]	97,9	97,9
Htr [mm]	706	1180
Ltr [mm]	1270	1300
Btr [mm]	1270	925
Vtr [m³]	1,13	1,41

T ab el a 4

P2 = 630 kVA, U2 = 380 V, U1 = 22,5 kV.

Parametr	Typ transformatora
AMT (suchy), Izrael	Siblok (suchy)
Konstrukcja rdzenia	Toroid	E+1
Materiał rdzenia	Metal amorficzny	Stal krzemowa
Pw [W]	7071	5600
PFe [W]	136	1600
Gw [kG]	650	570
GFe [kG]	683	1740
Gtr [kG]	1333	2310
n[%]	98,87	98,87
Htr [mm]	866	1850
Ltr [rnm]	766	1820
Btr [mm]	766	1186
Vtr [m³]	0,51	4,05

PL 192 903 B1

T ab el a 5

P2 = 630 kVA, U2 = 380 V, U1 = 22,5 kV.

Parametr	Typ transformatora
AMT (suchy), Izrael	Allied Signal (olej), USA
Konstrukcja rdzenia	Toroid	E+1
Materiał rdzenia	Metal amorficzny	Stal krzemowa
Pw[W]	5880	5835
PFe W]	148	186
Gw [kG]	537	487
GFe [kG]	739	932
Gtr [kG]	1276	1419
η [%]	99,05	99,05
Olej	-	+
Zbiornik	-	+

Przedstawione w tabelach wyniki analizy transformatorów o różnych mocach i napięciach, skonstruowanych sposobem według wynalazku, mają w stosunku do znanych transformatorów szereg zalet, wśród których należy wymienić:

- zmniejszenie całkowitej masy transformatora od około 14% do około 43%,

- zmniejszenie kosztów wytwarzania transformatora o około 3% do 20%,

- zmniejszenie objętości transformatora o około 20% do 87%.

Eksperymentalny transformator według wynalazku miał następujące parametry: P2 = 1 kVA,

U₁ = 380 V, U₂ = 220 V, f = 50 Hz, η = 92,66%, G_tr = 16,4 kg, podczas gdy konwencjonalne transformatory tego typu mają sprawność na poziomie 91% i masę 20 kg. Modułowy transformator trójfazowy według wynalazku charakteryzuje się prostotą montażu i demontażu, łatwiejszą konserwacją, a także mniejszą masą (o około 18%) przy większej sprawności.

Claims

1. Transformator trójfazowy, złożony z dwóch równoległych, oddalonych od siebie elementów płytkowych wykonanych z taśmy magnetycznej, z trzech obwodów kolumnowych, również wykonanych z taśmy magnetycznej, rozmieszczonych prostopadle między elementami płytkowymi i symetrycznie wokół osi centralnej transformatora, oraz z trzech układów cewkowych, z których każdy zamontowany jest na jednym obwodzie kolumnowym, tworząc z nim jedną z trzech faz transformatora, znamienny tym, że szczeliny (52, 54) między powierzchniami czołowymi (14A, 16A) elementów płytkowych (14, 16) i powierzchniami czołowymi (50, 51) obwodów kolumnowych (18) wypełnione są materiałem zawierającym proszek magnetyczny.

2. Transformator według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał zawierający proszek magnetyczny stanowi pastę magnetyczną złożoną z proszku magnetycznego o właściwościach miękkiego ferromagnetyka, oraz z wiążącego materiału izolacyjnego.

3. Transformator według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy płytkowe (14, 16) wykonane się z taśmy amorficznej (22) ze stopu miękkiego ferromagnetyka.

4. Transformator według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy płytkowe (14, 16) wykonane są z taśmy ze stali krzemowej.

5. Transformator według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy z elementów płytkowych (14, 16) maw przybliżeniu obrys trójkąta z zaokrąglonymi bokami i narożami.

6. Transformator według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy z elementów płytkowych (14, 16) maw przybliżeniu obrys koła.

7. Transformator według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy z obwodów kolumnowych (18) ma postać toroidu.

8. Transformator według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy z obwodów kolumnowych (18) składa się z kilku, ułożonych współosiowo jeden na drugim toroidów (18A, 18B, 18C).

PL 192 903 B1

9. Transformator według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, że każdy z obwodów kolumnowych (18) ma promieniową szczelinę (70) wypełnioną materiałem izolacyjnym.

10. Transformator według zastrz. 1 albo 7 albo 8, znamienny tym, że każdy toroid obwodów kolumnowych (18), względnie elementów płytkowych (14,16), utworzony jest z taśm (22^(a)) i (22^(b)) o różnych szerokościach rozmieszczonych naprzemiennie wzdłuż osi toroidu, przy czym taśmy przyległych warstw są względem siebie przesunięte osiowo i zakrywają szczelinę między taśmami przyległej warstwy.

11. Transformator według zastrz. 8, znamienny tym, że szczeliny między toroidami (18A, 18B, 18C) obwodów kolumnowych (18) wypełnione są pastą magnetyczną złożoną z proszku magnetycznego o właściwościach miękkiego ferromagnetyka, oraz z wiążącego materiału izolacyjnego.

12. Transformator według zastrz. 8, znamienny tym, że szczeliny między toroidami (18A, 18B, 18C) obwodu kolumnowego (18) wypełnione są elementami dystansowymi z tworzywa sztucznego zawierającego proszek magnetyczny w ilości od 20% do 50%.

13. Transformator według zastrz. 1 albo 7, znamienny tym, że wyposażony jest w zespół montażowy, złożony z członów strukturalnych (28) rozciągających się między elementami płytkowymi (14, 16), oraz z łączących ich końce demontowanych pasków (24), względnie śrub (26) mocujących obwody kolumnowe (18) do elementów płytkowych (14, 16), a także z elementów dystansowych (80, 84) z materiału izolacyjnego, mocujących uzwojenia pierwotne i wtórne (20A, 20B) układów cewkowych (20) do obwodów kolumnowych (18).

14. Transformator według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy obwód kolumnowy (18) wykonany jest z taśm magnetycznych zorientowanych pionowo.

15. Transformator według zastrz. 1, znamienny tym, że wewnętrzne powierzchnie czołowe (14A, 16A) elementów płytkowych (14, 16) zaopatrzone są w pierścieniowe wnęki (R), zaś końce obwodów kolumnowych (18) - we współpracujące z nimi występy (P).

16. Transformator według zastrz.15, znamienny tym, że powierzchnie zestyku wnęk (R) i występów (P) pokryte są powłoką materiału izolacyjnego.

17. Sposób wytwarzania transformatora trójfazowego, polegający na wykonaniu elementów płytkowych, przez owinięcie taśmy amorficznej wokół otworu centralnego, wykonaniu obwodów kolumnowych, również przez owinięcie taśmy amorficznej wokół otworu centralnego, oraz połączeniu obwodów kolumnowych, rozmieszczonych symetrycznie wokół osi transformatora, z elementami płytkowymi, znamienny tym, że elementy płytkowe (14, 16) i obwody kolumnowe (18) po utworzeniu w postaci toroidów wygrzewa się w polu magnetycznym w temperaturze nie większej niż 550°C, a następnie utrwala się przez impregnację, po czym w każdymtoroidzie obwodu kolumnowego (18) tworzy się szczelinę (70) i wypełnia się ją materiałem izolacyjnym, a nasienie, na każdym toroidzie obwodu kolumnowego (18) montuje się układ cewkowy (20) z wykorzystaniem elementów dystansowych (80, 84), tworzący po montażu jedną z trzech faz transformatora, a tak złożone obwody kolumnowe (18) montuje się równolegle między oddalonymi od siebie elementami płytkowymi (14,16), do postaci przestrzennej struktury symetrycznej, wokół osi centralnej (CA) transformatora, a szczeliny (52, 54) między poszczególnymi, stykającymi się ze sobą częściami obwodu magnetycznego (12), to jest między powierzchniami czołowymi (14A, 16A) elementów płytkowych (14, 16) i powierzchniami czołowymi (50, 51) obwodów kolumnowych (18), oraz ewentualnie między toroidami (18A, 18B, 18C) obwodów kolumnowych (18) wypełnia się materiałem zawierającym proszek magnetyczny.

18. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że podczas wytwarzania elementów płytkowych (14,16) do postaci toroidów, taśmę amorficzną (22) mocuje się do trzpienia, który następnie wprowadza się w ruch obrotowy wokół osi, po czym strukturę elementów płytkowych (14,16) utrwala się, zaś nadmiarową część taśmy amorficznej (22) usuwa się.

19. Sposób według zastrz. 18, znamienny tym, że utrwalanie struktury elementów płytkowych (14, 16) realizuje się przez spawanie końcówek taśm amorficznych (22).

20. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że podczas wytwarzania elementów płytkowych (14,16) do postaci toroidów, wokół otworu centralnego (23) owija się kilka taśm amorficznych (22^(a)) i (22^(b)) o różnych szerokościach, których suma równa jest zadanej wysokości elementów płytkowych (14, ^16). (a) (b)

21. Sposób według zastrz. 20, znamienny tym, że taśmy amorficzne (22^(a)) i (22^(b)) o różnych szerokościach tworzące elementy płytkowe (14, 16) owija się wokół otworu centralnego naprzemiennie, przesuwając je względem siebie tak, że taśmy amorficzne jednej warstwy zakrywają szczelinę między taśmami amorficznymi przyległej warstwy.

PL 192 903 B1

22. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że podczas wytwarzania obwodów kolumnowych (18) do postaci toroidów, wokół otworu centralnego owija się kilka taśm amorficznych (22^(a)) i (22^(b)) o różnych szerokościach, których suma równa jest zadanej wysokości obwodu kolumnowego (18).

23. Sposób według zastrz.22, znamienny tym, że taśmy amorficzne (22^(a)) i (22^(b)) o różnych szerokościach, tworzące obwód kolumnowy (18), owija się wokół otworu centralnego naprzemiennie, przesuwając je względem siebie tak, że taśmy amorficzne jednej warstwy zakrywają szczelinę między taśmami amorficznymi przyległej warstwy.

24. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że każdy obwód kolumnowy (18) wytwarza się zkilku, ustawionych współosiowo jeden na drugim toroidów (18A,18B,18C).