RU198445U1 - Комбинированная обмотка индукционного устройства - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к обмоткам индукционных устройств и может быть применена для трансформаторов и реакторов. Обмотка содержит N слоев, где N ≥ 2. Часть слоев, начиная с первого внутреннего слоя, в количестве 1 ≤ М ≤ (N-1) выполняется проводом многожильным, имеющим общую изоляцию и изолированные друг от друга жилы. Остальные слои N-M выполнены аналогичным многожильным проводом, жилы которого не изолированы друг от друга. Предпочтительно, слои М выполнены в количестве 0.2N ≤ М ≤ 0.5N. Все жилы провода слоев М могут иметь собственную изоляцию, или такую изоляцию может иметь часть жил. При этом достигается снижение материалоемкости и повышение технологичности провода при сниженных добавочных потерях на внутренних витках. 3 з.п. ф-лы, 1ил.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, к обмоткам индукционных устройств и может быть применена, в частности, для изготовления обмоток трансформаторов и электрических реакторов.

Конструкция обмотки и обмоточного провода оказывает значительное влияние на характеристики индукционного устройства в целом, в частности на его габариты, массу, уровень нагрузочных потерь, электрическую прочность, стойкость при коротких замыканиях и др., а также на технологические процессы его производства. Широкое распространение получило использование многожильного изолированного провода с изоляцией каждой жилы, позволяющего компенсировать некоторые нежелательные эффекты, возникающие в обмотках.

Из уровня техники известны обмотки токоограничивающего реактора [Патенты на полезную модель RU 150928, 157544, 157513], содержащие витки из многожильного изолированного провода, снабженного общей силиконовой изоляцией, а каждая жила такого провода покрыта изолирующим кремнийорганическим лаком или эмалью.

При описании недостатков известного реактора по RU107639 в описании к патенту RU150928 указано на неполное использование суммарного сечения многопроволочной жилы провода. Это связано с тем, что вследствие скин-эффекта периферийные провода многопроволочной жилы оказываются нагруженными током больше, чем центральные, что ухудшает металлоемкость и массогабаритные характеристики обмотки реактора. Между жилами многожильного провода, имеющими прямой электрический контакт и находящимися в магнитном поле, созданном совокупностью витков обмотки реактора, возникают паразитные вихревые токи, усугубляющие и без того неравномерное распределение плотности тока по сечению провода. В результате наблюдается повышенный нагрев обмотки реактора из-за значительных добавочных потерь в проводе. Это повлечет за собой необходимость использования в обмотке большего количества активного материала для снижения плотности тока и снижения нагрева путем увеличения сечения провода или числа параллельных проводов. При этом увеличивается металлоемкость и массогабаритные характеристики обмотки и индукционного устройства в целом.

Существенно компенсировать данные эффекты позволяет изготовление обмотки из многожильного провода, жилы которого изолированы друг от друга. При изоляции жил друг от друга в проводе исключается возможность циркулирования токов между контактирующими жилами. Достигается равномерное токораспределение по всему сечению провода. Однако, при использовании такого провода для всех слоев многослойной цилиндрической обмотки, значительно увеличивается материалоемкость, а, следовательно, и себестоимость обмотки.

Известна обмотка электрического трансформатора с воздушным сердечником [GB 1451842 A, приор. от 07.02.1973, SIEMENS AG, МПК H01F27/255; H01F27/28; H01F3/14; H01F38/42; H04N3/19; (IPC1-7): H01F27/28; СПК H01F27/255 (EP); H01F27/2823 (EP); H01F3/14 (EP); H01F38/42 (EP); H04N3/19 (EP)], которая выполнена многослойной и по крайней мере один ее внутренний слой выполнен из литцендрата. При этом указано, что необходимо и достаточно выполнять литцендратом только внутренние слои обмоток, так как именно они подвержены опасности перегрева в результате потерь на вихревых токах. Литцендратом выполнены те витки, которые примыкают к воздушному зазору сердечника, остальная часть катушки намотана из сплошного провода (одножильного). Таким образом снижается нагрев обмотки в сравнении с использованием только сплошного провода.

Известна также обмотка индуктора [DE1439441,приор. по IT19630039066 от 18.09.1963, SITS SOC IT TELECOM SIEMENS, МПК H01F17/04; H01F27/32; H01F27/34; H01F38/42], которая в зоне, примыкающей к воздушному зазору (внутренние витки), содержит более разделенный проводящий материал, то есть проводник с частичными проводниками (проводами) меньшего диаметра, чем во внешних витках. Соответственно внешние витки выполнены из менее разделенного материала (проводника). Две частичные обмотки соединяются между собой последовательно и могут быть выполнены из многожильного провода. Сплошной (одножильный) провод также может применяться для внешних витков.

Поскольку потери на вихревые токи тем меньше, чем меньше диаметр проводника, используется многожильный провод, жилы которого изолированы друг от друга. В большинстве известных решений такой проводник используется для всех витков катушки. В DE1439441 один и тот же провод используется только для части витков катушки. Для области, где концентрация переменного магнитного поля небольшая, используется многожильный или одножильный провод, состоящий из сравнительно небольшого количества проводников. Так достигается лучший коэффициент заполнения. Витки, которые находятся в зоне большей концентрации магнитного поля, намотаны из многожильного провода для поддержания потерь небольшими.

В обмотках аналогов используются разные типы проводов с большим количеством жил малого диаметра (в частности, литцендрат) на внутренних слоях и с малым количеством жил большего диаметра (в частности, одножильные) на внешних слоях. При этом части обмотки с разными типами проводов соединяются последовательно. В процессе работы устройства по виткам всех частей обмотки, которые соединены последовательно, протекает один и тот же ток, поэтому важно обеспечить максимально близкие значения поперечных сечений провода у каждой части обмотки для обеспечения равномерного распределения активных потерь в обмотке, то есть потерь на активном сопротивлении. Однако, учитывая, что используются провода разных типов, с разным количеством элементарных жил, разного диаметра, с разным коэффициентом заполнения поперечного сечения, при обеспечении близких величин поперечного сечения, возникает различие в геометрии проводов, зачастую значительное. Так, например, размеры одножильного провода существенно меньше размеров многожильного провода такого же сечения. Это, в свою очередь, определяет следующие проблемы: возникает необходимость в компенсации различий в геометрии путем использования дополнительных материалов, например, компенсация сбегов кольцами. Также появляются проблемы с соединением проводов между собой. Например, возможно использование сварки/пайки, но при соединении гильзами возникают сложности. Кроме того, намотка разных типов проводов может потребовать использования разной технологической оснастки. В результате, такие обмотки менее технологичны и, как правило, имеют повышенную материалоемкость.

Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели – повышение технологичности и снижение материалоемкости обмотки при сохранении сниженных добавочных потерь на внутренних слоях, то есть в зоне высокой напряженности магнитного поля.

Заявляемая комбинированная обмотка индукционного устройства, содержит N слоев, где N ≥ 2.Часть слоев, начиная с первого внутреннего слоя, в количестве М, где 1 ≤ М ≤ (N-1), выполняется проводом многожильным, имеющим общую изоляцию и изолированные друг от друга жилы. Остальные слои (N-M) выполнены аналогичным многожильным проводом, но жилы которого не изолированы друг от друга. Предпочтительно, слои М выполнены в количестве 0.2N ≤ М ≤ 0.5N.

То есть обмотка выполнена многослойной с использованием многожильного провода. Слои обмотки, которые расположены в зоне большей напряженности магнитного поля, выполнены многожильным проводом, жилы которого изолированы друг от друга, что позволит снизить потери, наиболее выраженные именно в этих слоях.

Обеспечить изоляцию жил друг от друга в проводе в слоях M можно, например, путем нанесения собственной изоляции на каждую жилу. Либо собственную изоляцию могут иметь только часть жил провода в слоях М, а оставшаяся часть жил провода выполняются без собственной изоляции и расположены таким образом, чтобы между ними отсутствовал прямой контакт. Так можно обеспечить эффективное использование материалов.

Оставшиеся слои N-M выполняют аналогичным по характеристикам многожильным проводом с общей изоляцией, но с неизолированными друг от друга жилами провода. Использование для «внешних слоев» аналогичного многожильного провода с общей изоляцией и неизолированными друг от друга жилами обусловлено необходимостью получить максимально близкие геометрические характеристики используемых проводов, а, следовательно, достичь равномерного распределения активных потерь в обмотке с сохранением геометрии слоев без использования дополнительных средств.

Сущность заявляемого решения поясняется фигурой, где схематически изображена заявляемая обмотка.

Для подтверждения возможности реализации полезной моделью своего назначения и достижения заявленного технического результата рассмотрим вариант ее исполнения.

Заявляемая обмотка выполнена многослойной и состоит из N слоев, где N ≥ 2. Часть слоев, начиная с первого внутреннего слоя, в количестве М, где 1 ≤ М ≤ (N-1), выполняется проводом многожильным, жилы которого изолированы друг от друга и имеющим общую изоляцию. Эти слои расположены в зоне повышенной концентрации магнитного поля.

Последующая часть слоев в количестве (N-M) выполняется аналогичным многожильным проводом, но жилы которого не изолированы друг от друга. То есть используется провод того же сечения, что и для внутренних слоев, имеющий общую изоляцию, с тем же количеством жил и, что важно, таких же размеров, но жилы такого провода не изолированы друг от друга.

Предпочтительно, количество слоев М, выполненных из многожильного провода с общей изоляцией и изолированными друг от друга жилами, составляет от 20 % до 50 % от общего количества слоев, то есть 0.2N ≤ М ≤ 0.5N. Такое исполнение мы видим на Фигуре, где обмотка содержит N=9 слоев, при этом M=3 слоя, то есть M=0.33N.

Как известно, скин-эффект или эффект вытеснения тока из центра проводника к наружной поверхности тем сильнее, чем выше значение напряженности магнитного поля. Для многослойной обмотки прямоугольного поперечного сечения величина напряженности магнитного поля достигает максимума в зоне некоторого количества первых внутренних слоев обмотки и значительно снижается к внешним слоям (наружному диаметру) обмотки. Таким образом, для минимизации скин-эффекта достаточно применить провод многожильный, жилы которого изолированы друг от друга, на нескольких внутренних слоях обмотки, количество которых выбирается после проведения расчета магнитного поля обмотки, с учетом эффекта вытеснения и добавочных потерь мощности в проводе. Многочисленные расчеты обмоток с различной геометрией и опытные данные при испытаниях позволили определить диапазон слоев, которые с наибольшей вероятностью попадают в зону высокой концентрации магнитного поля. Этот диапазон составляет от 20% до 50 % от общего количества слоев. Таким образом, наиболее эффективное использование многожильного провода, жилы которого изолированы друг от друга, достигается именно в этом диапазоне.

Применяя провод многожильный, жилы которого изолированы друг от друга, лишь на части начальных слоев обмотки, а остальные слои, выполняя проводом многожильным без дополнительной изоляции жил, можно минимизировать материалоемкость обмотки реактора и снизить ее себестоимость.

Изолировать жилы провода друг от друга можно путем нанесения на каждую из них собственной изоляции. Предпочтительным является вариант исполнения, когда собственную изоляцию имеют только часть жил провода слоев М, а оставшаяся часть жил выполнена без собственной изоляции и жилы расположены так, чтобы между ними отсутствовал прямой (электрический) контакт. Так жилы могут быть изолированы друг от друга за счет части жил с собственной изоляцией. Исполнение части жил неизолированными позволяет, в частности, упростить стыковку проводов, для осуществления которой необходима изоляция их концов (зачистка). То есть такие решения изоляции жил не только позволяют достичь основной цели (назначения) в виде снижения потерь, но и обеспечивают эффективность с точки зрения материалоемкости и технологичности устройства.

Следует отметить, что если для изоляции жил друг от друга применять способ нанесения изоляции на сами жилы (собственную изоляцию жил), толщина такой изоляции жилы (эмалевая, пленочная и т.п.) составляет, как правило, не более десятков микрон, и не имеет существенного влияния на общую геометрию провода. Таким образом оба провода одного сечения, один с изолированными друг от друга жилами и другой с неизолированными, могут быть выполнены с одинаковыми геометрическими размерами. Следовательно, не требуется применения прочих материалов для компенсации различной геометрии слоев после намотки, не требуется применения различной технологической оснастки, а также расширяется набор возможных способов соединения проводов между собой, в частности появляется возможность соединять провода гильзами (путем опрессовки).

Claims (4)

1. Комбинированная обмотка индукционного устройства, характеризующаяся тем, что содержит N слоев, где N ≥ 2, при этом часть слоев, начиная с первого внутреннего слоя, в количестве М, где 1≤М≤ (N-1), выполняется проводом многожильным, имеющим общую изоляцию и изолированные друг от друга жилы, остальные слои (N-M) выполнены аналогичным многожильным проводом, жилы которого не изолированы друг от друга.

2. Обмотка по п.1, отличающаяся тем, что слои М выполнены в количестве 0.2N ≤ М ≤ 0.5N.

3. Обмотка по п.1, отличающаяся тем, что жилы провода в слоях M имеют собственную изоляцию.

4. Обмотка по п.1, отличающаяся тем, что часть жил провода в слоях M имеют собственную изоляцию, а оставшаяся часть жил провода не имеют собственную изоляцию и расположены так, чтобы между ними отсутствовал прямой контакт.

Images