RU2569931C1

RU2569931C1 - 3d symmetrical magnetic core

Info

Publication number: RU2569931C1
Application number: RU2014134293/07A
Authority: RU
Inventors: Эдуард Петрович Волков; Эльдар Атамович Джафаров; Леонид Самуилович Флейшман; Виктор Васильевич Суконкин; Александр Иванович Зайцев; Заур Эльдарович Джафаров
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"; Открытое акционерное общество "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского", ОАО "ЭНИН"
Priority date: 2014-08-21
Filing date: 2014-08-21
Publication date: 2015-12-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: magnetic core is made of amorphous ferromagnetic tape-shaped material and it comprises legs and the upper and lower yokes. It is manufactured as multifaceted structure with identical side faces with outer and inner rounded edges. The legs are coupled to yokes along the middle of side edges of the upper and lower yokes. The legs are coupled to yokes along the middle of odd side edges of the upper and lower yokes. Yokes and legs are made of assembled tape packages of equal thickness and rectangular cross-section with leg packages shifted symmetrically in regard to vertical and horizontal axes of the legs and to each other thus forming in transversal cross-section a structure with edges, each of packages with less square area than the pervious one is shifted per the same distance of the previous package side. Packages of yoke legs are alternated between themselves and short and long packages placed vertically. Square areas of the short and long packages are equal and form vertical grooves between the above packages. The yokes are made of are alternating and horizontal packages inserted into grooves between packages of legs and yoke inserts, which are placed between alternating and horizontal packages. Ends of the inserts match side edges of the legs. Number of yoke inserts is equal to the number of magnet core phases. Length of horizontal packages and yoke inserts is reduced as they approach horizontal axis of symmetry of the magnet core. Outer and inner surfaces of yokes are made as continuous package placed along inner and outer side of the yokes with potential fixation of the outer package.

EFFECT: increased power, reduced energy losses to eddy current and current xx.

2 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве трехфазного или многофазного магнитопровода электрооборудования, материалом изготовления которой является аморфная электротехническая сталь.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used as a three-phase or multiphase magnetic circuit of electrical equipment, the material of manufacture of which is amorphous electrical steel.

Известна конструкция пространственной стыковой магнитной системы, описанной в изобретении, в которой ярма трехфазной магнитной системы выполнены навитыми, а стержни - в виде пластин, поочередно смещенных вдоль стержня так, что примыкают противоположными торцевыми кромками к разным ярмам (а.с. СССР №1274012, БИ, №44, 1986).A known design of the spatial butt magnetic system described in the invention, in which the yokes of the three-phase magnetic system are wound, and the rods in the form of plates, alternately offset along the rod so that opposite opposite end edges adjoin different yokes (AS USSR No. 1274012, BI, No. 44, 1986).

Однако такая конструкция за счет наличия немагнитных промежутков между стержнями и ярмам и увеличивает потери в магнитной системы и расход электрической энергии, так как требует увеличения намагничивающего тока и, следовательно, намагничивающей мощности, что существенно снижает технико-экономические показатели устройства, резкие изгибы ферромагнитной ленты на углах создают опасность возникновения повышенных напряжений и тем самым повышение тока намагничивания. В случае выполнения ярем из аморфной электротехнической стали, особо чувствительной к механическим напряжениям, значительно увеличиваются потери в ней, ухудшаются ее магнитные характеристики.However, this design, due to the presence of non-magnetic gaps between the rods and yokes, increases the losses in the magnetic system and the consumption of electric energy, since it requires an increase in the magnetizing current and, therefore, magnetizing power, which significantly reduces the technical and economic parameters of the device, sharp bends of the ferromagnetic tape on corners create the risk of increased voltages and thereby increase the magnetization current. In the case of a yarrow made of amorphous electrical steel, which is particularly sensitive to mechanical stresses, the losses in it significantly increase, its magnetic characteristics deteriorate.

Указанных недостатков лишена конструкция пространственного симметричного магнитопровода, выполненная из аморфного ферромагнитного материала, содержащая верхние и нижние навитые ярма и стержни, при этом верхние и нижние ярма выполнены соединенными друг с другом стержнями с образованием единой бесстыковой конструкции, причем стержни выполнены навитыми с квадратным поперечным сечением и соединены с серединами боковых сторон верхнего и нижнего ярем, выполненных с квадратным поперечным сечением равным площади квадратного поперечного сечения стержня, при этом наружные и внутренние ребра нижнего и верхнего ярем выполнены закрученными (пат. РФ №2380780, БИ, №3, 2010).The indicated drawbacks are deprived of the design of a spatial symmetric magnetic circuit made of amorphous ferromagnetic material containing upper and lower wound yokes and rods, while the upper and lower yokes are made by rods connected to each other with the formation of a single jointless structure, the rods being wound with a square cross section and connected to the middle of the sides of the upper and lower yoke, made with a square cross section equal to the square cross echeniya rod, wherein the inner and outer edges of the lower and upper yokes made twirled (Pat. Russian №2380780, BI, №3, 2010).

Однако такая конструкция пространственного симметричного магнитопровода ввиду ограничения ширины выпускаемой в настоящее время промышленностью аморфной ленты не может быть использована в качестве магнитной системы мощных силовых трансформаторов, и ее применение ограничивается трехфазными или многофазными системами небольшой мощности.However, such a design of a spatial symmetrical magnetic circuit, due to the limited width of the amorphous tape currently manufactured by the industry, cannot be used as a magnetic system of powerful power transformers, and its application is limited to three-phase or multiphase systems of small power.

Вместе с тем в такой конструкции пространственного симметричного магнитопровода будут иметь место потери на вихревые токи, что снижает энергоэффективность пространственного симметричного магнитопровода, увеличивает ток холостого хода в трансформаторе. Эти потери возникают вследствие того, что в сечении сплошного магнитопровода перпендикулярно магнитному потоку образуется множество замкнутых цепей с индуктируемой в каждой из них ЭДС, по каждой из этих замкнутых цепей протекает вихревой ток (ток Фуко). Величина таких токов в бесстыковой, сплошной конструкции магнитопровода значительна и влечет за собой большие потери мощности на бесполезный нагрев магнитопровода.At the same time, in such a design of a spatial symmetrical magnetic circuit, eddy current losses will occur, which reduces the energy efficiency of a spatial symmetrical magnetic circuit and increases the open circuit current in the transformer. These losses occur due to the fact that in the cross section of a continuous magnetic circuit perpendicular to the magnetic flux, many closed circuits are formed with EMF inducted in each of them, an eddy current (Foucault current) flows through each of these closed circuits. The magnitude of such currents in the continuous, continuous design of the magnetic circuit is significant and entails large losses of power for useless heating of the magnetic circuit.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является увеличение мощности пространственного симметричного магнитопровода, выполненного из аморфной электротехнической стали, снижение потерь энергии на вихревые токи и тока холостого хода. Увеличение мощности, снижение потерь энергии и тока холостого хода может быть достигнуто за счет конструктивного выполнения элементов пространственного симметричного магнитопровода - ярем и стержней из пакетов прямоугольного сечения, собранных из лент аморфной электротехнической стали. Ширина выпускаемой в настоящее время аморфной ленты допускает возможность формирования из нее пакетов, необходимых для получения заданной мощности электрооборудования с магнитопроводом из аморфной электротехнической стали.The technical result, to which the proposed technical solution is directed, is to increase the power of a spatial symmetric magnetic circuit made of amorphous electrical steel, to reduce energy losses due to eddy currents and open circuit current. The increase in power, the reduction of energy and idle current losses can be achieved due to the constructive implementation of the elements of a spatial symmetrical magnetic circuit - a jug and rods from packages of rectangular cross-section, assembled from tapes of amorphous electrical steel. The width of the currently produced amorphous tape allows the possibility of forming packages from it that are necessary to obtain a given capacity of electrical equipment with a magnetic core made of amorphous electrical steel.

Технический результат достигается тем, что пространственный симметричный магнитопровод, выполненный из аморфного ферромагнитного ленточного материала, содержащий стержни и верхние и нижние ярма, выполнен в виде многогранной конструкции с одинаковыми боковыми гранями с закругленными наружными и внутренними ребрами, а стержни соединены с ярмами вдоль середины боковых граней верхнего и нижнего ярем, при этом стержни соединены с ярмами вдоль середины нечетных боковых граней верхнего и нижнего ярем, ярма и стержни выполнены из собранных из лент пакетов равной толщины с прямоугольным поперечным сечением с симметрично сдвинутыми пакетами стержней относительно вертикальной и горизонтальной осей стержней и друг друга с образованием в поперечном сечении конструкции с ребрами, каждый из пакетов которой меньшей площади, чем предыдущий, и сдвинут на одинаковое расстояние от стороны предыдущего, при этом пакеты стержней, входящих в ярма, выполнены чередующимися между собой и вертикально расположенными короткими и длинными пакетами, площади коротких и площади длинных пакетов выполнены соответственно равными между собой с образованием между короткими и длинными пакетами вертикальных пазов, а ярма выполнены из чередующихся между собой и расположенных горизонтально пакетов, вставленных в пазы между пакетами стержней и вставок ярем, которые размещены между чередующимися горизонтальными пакетами, концы вставок состыкованы с боковыми ребрами стержней, при этом число вставок ярем равно числу фаз магнитопровода, длина горизонтальных пакетов и вставок ярем при приближении к горизонтальной оси симметрии магнитопровода уменьшается, а внешняя и внутренняя поверхность ярем выполнены в виде сплошного пакета, размещенного вдоль наружной и внутренней стороны ярем, и выполнена с возможностью крепления внешнего пакета, при этом пакеты выполнены толщиной от 10 до 15 мм, а толщина лент, входящих в пакеты, от 40 до 50 мкм.The technical result is achieved by the fact that a spatial symmetrical magnetic circuit made of an amorphous ferromagnetic tape material containing rods and upper and lower yokes is made in the form of a multifaceted structure with the same side faces with rounded outer and inner ribs, and the rods are connected to the yokes along the middle of the side faces upper and lower yoke, while the rods are connected with yokes along the middle of the odd side faces of the upper and lower yoke, yokes and rods are made of assembled of tapes of packets of equal thickness with a rectangular cross section with symmetrically shifted packages of rods relative to the vertical and horizontal axes of the rods and each other with the formation in cross section of a structure with ribs, each of the packages of which is smaller than the previous one, and shifted by the same distance from the side of the previous while the packages of the rods included in the yoke are made alternating between themselves and vertically located short and long packets, the area of short and the area of long packets made respectively equal to each other with the formation between short and long packets of vertical grooves, and the yokes are made of alternating between themselves and horizontally located packets inserted into the grooves between the packages of rods and inserts with a hole that are placed between alternating horizontal packets, the ends of the inserts are joined to the side ribs rods, while the number of inserts by the yoke is equal to the number of phases of the magnetic circuit, the length of the horizontal packets and inserts by the yoke when approaching the horizontal axis of symmetry of the magneto the gadfly is reduced, and the outer and inner surface of the yoke is made in the form of a continuous bag, placed along the outer and inner sides of the yoke, and is configured to fasten the outer bag, while the bags are made from 10 to 15 mm thick, and the thickness of the tapes included in the bags, from 40 to 50 microns.

Предложенное конструктивное решение позволит существенно увеличить мощность многофазного силового электрооборудования с магнитопроводом, материалом которого является аморфная электротехническая сталь.The proposed constructive solution will significantly increase the power of multiphase power electrical equipment with a magnetic circuit, the material of which is amorphous electrical steel.

Увеличенная толщина пакетов (от 10 до 15 мм) позволит увеличить мощность силового электрооборудования, в котором может быть использован пространственный симметричный магнитопровод из аморфной электротехнической стали, увеличит коэффициент заполнения магнитопровода (не менее 0,9), а увеличенная толщина ленты из аморфной стали от 40 до 50 мкм за счет оптимального легирования (улучшение стеклования) снизит трудоемкость изготовления как самих пакетов, входящих в состав ярем и стержней, так и самого магнитопровода.The increased thickness of the packages (from 10 to 15 mm) will increase the power of power electrical equipment, in which a spatial symmetrical magnetic core from amorphous electrical steel can be used, increase the fill factor of the magnetic core (at least 0.9), and the increased thickness of the tape from amorphous steel from 40 up to 50 microns due to optimal alloying (improved glass transition) will reduce the complexity of manufacturing as the packages themselves, which are part of the jar and rods, and the magnetic circuit itself.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 схематически изображен передний вид предложенного пространственного симметричного магнитопровода (число фаз равно трем), на фиг. 2 - его вид сверху, на фиг. 3 - сечение стержней и ярем по разрезу А-А, на фиг. 4, 5 - вид сбоку и сверху стержня магнитопровода, на фиг. 6, 7 - вид сбоку и сверху горизонтально расположенного пакета верхнего и нижнего ярем магнитопровода, на фиг. 8, 9 - вид сбоку и сверху горизонтально расположенной вставки верхнего и нижнего ярем магнитопровода, а на фиг. 10 представлена аксонометрия пространственного симметричного магнитопровода с разрезами в поперечном сечении одного из стержней и верхних ярем и с частичным разрезом в поперечном сечении другого стержня магнитопровода.The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 schematically shows a front view of the proposed spatial symmetric magnetic circuit (the number of phases is three), in FIG. 2 is a plan view thereof, in FIG. 3 - section of the rods and the yoke along section AA, in FIG. 4, 5 is a side and top view of the core of the magnetic circuit, in FIG. 6, 7 is a side and top view of a horizontally located packet of upper and lower yoke of the magnetic circuit, in FIG. 8, 9 is a side and top view of a horizontally located insert of the upper and lower yoke of the magnetic circuit, and in FIG. 10 shows a perspective view of a spatial symmetrical magnetic circuit with cuts in the cross section of one of the rods and the upper jugs and with a partial cut in the cross section of the other core of the magnetic circuit.

Пространственный симметричный магнитопровод 1, выполненный в виде многогранной конструкцию, включает в себя верхнее ярмо 2, нижнее ярмо 3, стержни 4, горизонтально расположенные длинные пакеты 5 ярем 2, 3 и короткие пакеты 6 ярем 2, 3, вертикально расположенные короткие пакеты 7 стержней 4 и длинные пакеты 8 стержней 4.Spatial symmetric magnetic circuit 1, made in the form of a multifaceted design, includes an upper yoke 2, a lower yoke 3, rods 4, horizontally arranged long packets 5 with a yoke 2, 3 and short packets 6 with a yoke 2, 3, vertically located short packets 7 of the rods 4 and long packets of 8 rods 4.

Ярма 2, 3 и стержни 4 состоят из собранных в пакеты лент, изготовленных из аморфной электротехнической стали. Пакеты имеют прямоугольное поперечное сечение равной толщины (b) (фиг. 4, 7, 9). Ярма 2, 3 выполнены с квадратным поперечным сечением и состоят из чередующих между собой горизонтально расположенных длинных пакетов 5 и коротких пакетов - вставок 6. Длинные пакеты 5 и короткие пакеты 6 имеют одинаковую ширину, равную (а) (фиг. 3, 6, 8). Длина пакетов 5 и 6 при приближении к вертикальной и горизонтальной оси симметрии пространственного симметричного магнитопровода уменьшается.The yoke 2, 3 and the rods 4 are composed of packaged tapes made of amorphous electrical steel. The bags have a rectangular cross section of equal thickness (b) (Fig. 4, 7, 9). The yokes 2, 3 are made with a square cross section and consist of alternating horizontally arranged long packets 5 and short packets - inserts 6. Long packets 5 and short packets 6 have the same width equal to (a) (Fig. 3, 6, 8 ) The length of packets 5 and 6 when approaching the vertical and horizontal axis of symmetry of the spatial symmetric magnetic core decreases.

Стержни 4 выполнены в виде чередующихся между собой длинных 8 и коротких пакетов 7, при этом все длинные 8 и все короткие пакеты 7 равны между собой, соответственно, и в совокупности образуют пазы 9 для размещения горизонтальных пакетов 5, замыкающихся наложением друг на друга наружных и внутренних прямоугольных выступов 10.The rods 4 are made in the form of alternating long 8 and short packets 7, while all long 8 and all short packets 7 are equal to each other, respectively, and together form grooves 9 to accommodate horizontal packets 5 that are closed by superimposing outer and inner rectangular projections 10.

При подключении первичной обмотки трехфазного или многофазного силового трансформатора в сеть в пространственном симметричном магнитопроводе 1 трансформатора возникает основной магнитный поток, создаваемый намагничивающей составляющей первичного тока. Конструктивное решение пространственного симметричного магнитопровода 1 позволяет получить одинаковый магнитный поток во всех стержнях 4 магнитопровода 1. Предложенная конструкция пространственного симметричного магнитопровода позволяет практически снять ограничения по мощности многофазных силовых трансформаторов с магнитопроводом из аморфной электротехнической стали, т.к. допускает любое необходимое количество пакетов заданной толщины (от 10 до 15 мм) из лент этих материалов, в настоящее время выпускаемых промышленностью. Увеличенная же толщина аморфных лент (от 40 до 50 мкм) снижает трудоемкость изготовления пакетов, входящих в состав ярем и стержней магнитопровода, и увеличивает механическую прочность пакетов, и увеличит коэффициент заполнения сечения стержневого пространства магнитным материалом.When the primary winding of a three-phase or multiphase power transformer is connected to the network in the spatial symmetrical magnetic circuit 1 of the transformer, the main magnetic flux arises, which is created by the magnetizing component of the primary current. The constructive solution of the spatial symmetric magnetic circuit 1 allows to obtain the same magnetic flux in all the rods 4 of the magnetic circuit 1. The proposed design of the spatial symmetric magnetic circuit allows to practically remove the power limitations of multiphase power transformers with a magnetic circuit made of amorphous electrical steel, because allows any necessary number of packages of a given thickness (from 10 to 15 mm) from tapes of these materials, currently produced by the industry. The increased thickness of amorphous tapes (from 40 to 50 microns) reduces the complexity of manufacturing packages that are part of the yoke and the cores of the magnetic circuit, and increases the mechanical strength of the packages, and increases the fill factor of the cross-section of the core space with magnetic material.

Пакеты для изготовления ярем и стержней пространственного симметричного магнитопровода выполняются на основе лент из аморфной электротехнической стали отечественного производства марок 7421, 7411.Bags for the manufacture of jugs and rods of a spatial symmetrical magnetic circuit are made on the basis of tapes from amorphous electrical steel of domestic production of grades 7421, 7411.

Аморфная электротехническая сталь в виде ленты толщиной от 40 до 50 мкм подается с бобины, снабженной регулируемым функциональным тормозом для обеспечения натяжения, на моталку для сматывания полученной ленты в рулон.Amorphous electrical steel in the form of a tape with a thickness of 40 to 50 microns is fed from a bobbin, equipped with an adjustable functional brake to provide tension, to a winder for winding the resulting tape into a roll.

Рулон подается на участок формирования пакетов толщиной от 10 до 15 мм для пространственного симметричного магнитопровода. Из полученного рулона на этом этапе лента разматывается, проходит лазерные или гидравлические ножницы, осуществляющие ее разрез в соответствии с заданной величиной, и укладывается на специальный настил.The roll is fed to the packet forming section with a thickness of 10 to 15 mm for a spatial symmetrical magnetic circuit. From this roll, at this stage the tape is unwound, laser or hydraulic shears are cut, cutting it in accordance with a given value, and laid on a special floor.

Из полученных аморфных лент формируются необходимые пакеты для сборки из них ярем и стержней пространственного симметричного магнитопровода. Из набранных необходимых по количеству и размерам пакетов из аморфной электротехнической стали окончательно формируется (шихтуется) пространственный симметричный магнитопровод, на нем устанавливаются бандажи, фиксирующие его форму, после чего он передается на заключительную термическую обработку. После термического и магнитного отжигов и последующего охлаждения, из полученного таким образом магнитопровода, снимается верхнее ярмо, на стержни магнитопровода устанавливаются первичная и вторичная обмотки силового трехфазного (многофазного) трансформатора.From the obtained amorphous ribbons, the necessary packets are formed for assembly from them with a jerk and rods of a spatial symmetric magnetic circuit. From the accumulated packages of amorphous electrical steel necessary in quantity and size, a spatial symmetrical magnetic circuit is finally formed (burdened), bandages fixing its shape are installed on it, after which it is transferred to the final heat treatment. After thermal and magnetic annealing and subsequent cooling, the upper yoke is removed from the magnetic circuit thus obtained, the primary and secondary windings of the power three-phase (multiphase) transformer are installed on the cores of the magnetic circuit.

Предложенный пространственный симметричный магнитопровод увеличит мощность силовых многофазных трансформаторов с магнитопроводом из аморфной электротехнической стали, увеличит коэффициент заполнения сечения стержневого пространства магнитным материалом, снизит трудоемкость изготовления магнитопровода, увеличит надежность, упростит технологию его изготовления и тем самым увеличит технико-экономические показатели силового электрооборудования, в котором он будет использован.The proposed spatial symmetrical magnetic circuit will increase the power of multiphase power transformers with a magnetic circuit made of amorphous electrical steel, increase the fill factor of the cross-section of the core space with magnetic material, reduce the complexity of manufacturing the magnetic circuit, increase reliability, simplify its manufacturing technology and thereby increase the technical and economic performance of power electrical equipment, in which it will be used.

Claims

1. A spatial symmetric magnetic circuit made of an amorphous ferromagnetic tape material containing rods and upper and lower yokes is made in the form of a multifaceted structure with the same side faces with rounded outer and inner ribs, and the rods are connected to the yokes along the middle of the side faces of the upper and lower yoke characterized in that the rods are connected to the yokes along the middle of the odd side faces of the upper and lower yoke, the yokes and the rods are made of packages of equal thickness assembled from tapes s with a rectangular cross section with symmetrically shifted packages of rods relative to the vertical and horizontal axes of the rods and each other with the formation in cross section of a structure with ribs, each of the packages of which is smaller than the previous one, and shifted by the same distance from the side of the previous one, while the packages the rods included in the yoke are made alternating between each other and vertically located short and long packets, the area of short and square long packets are respectively equal interconnected with the formation between short and long packets of vertical grooves, and the yokes are made of alternating between themselves and horizontally located packets inserted in the grooves between the packages of rods and inserts with a yoke, which are placed between alternating horizontal packets, the ends of the inserts are joined with the side ribs of the rods, the number of inserts by the jerk is equal to the number of phases of the magnetic circuit, the length of the horizontal packets and inserts by the yoke decreases when approaching the horizontal axis of symmetry of the magnetic circuit, and the external and the inner surface of the yoke is made in the form of a continuous package, placed along the outer and inner sides of the yoke, and is configured to fasten the outer package.

2. The spatial symmetric magnetic circuit according to claim 1, characterized in that the packages are made from 10 to 15 mm thick, and the thickness of the tapes included in the packages is from 40 to 50 microns.