трансформатор и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Трансформатор с расположенными на сердечнике преимущественно стержневого типа обмотками и межслойной изоляцией из диэлектрического материала, отличающийся тем, что межслойная изоляция выполнена в виде ленточной пружинной спирали, охватывающей поверхность обмотки с радиальным сжатием и фиксацией витков и выводов обмотки за счет сил упругой деформации

2. Способ изготовления трансформатора, заключающийся в намотке обмоток на сердечник и выполнении межслойной изоляции путем термообработки диэлектрического материала, отличающийся тем, что заготовку в виде отрезка упругой ленты из исходного диэлектрического материала, скрученную в рулон на время до окончания термообработки, нагревают до температуры начала пластической деформации диэлектрического материала без плавления, а после охлаждения полученную из заготовки ленточную пружинную спираль разжимают, помещают поверх ряда витков обмотки и, сняв разжимающее усилие, дают возможность ей вернуться в сжатое состояние за счет сил упругой деформации с обхватом и радиальным сжатием и фиксацией витков и выводов обмотки.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве исходного диэлектрического материала используют преимущественно полиэтилентетрафталатную пленку с температурой начала пластической деформации около 100^oC.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что для предотвращения раскручивания свернутой в рулон заготовки до окончания термообработки используют преимущественно оправку в виде отрезка термостойкой трубки, в центральное отверстие которой помещают скрученную в рулон заготовку.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и, в частности, к высокочастотным трансформаторам малой мощности, их конструированию и производству. Устройство, изготовленное по предлагаемому способу, может использоваться в радиоэлектронике и преобразовательной технике (источниках вторичного электропитания).

Известен импульсный трансформатор [1] с незамкнутым стержневым магнитным сердечником и изоляционным каркасом, на котором коаксиально размещены обмотки с межобмоточной изоляцией.

Недостатки данного трансформатора увеличенные габариты из-за применения изоляционного каркаса и низкая технологичность конструкции, обусловленная сложностью изготовления и укладки межобмоточной изоляции.

Исключение изоляционного каркаса за счет перехода к бескаркасным обмоткам дает возможность уменьшить габариты трансформатора. Такой трансформатор известен на [2, 3] Он по своей технической сущности наиболее близок к заявляемому устройству и выбран в качестве прототипа. Устройство-прототип содержит сердечник с гильзой, на которой коаксиально расположены обмотки с рядовой укладкой витков и изолирующие буртики для формования межобмоточной и межслойной изоляции, каждая из которых выполнена из полосы тонкой бумаги, либо тканевого материала (лакоткани), либо синтетической пленки (лавсана, фторопласта), намотанной поверх каждого ряда витков обмотки с фиксацией этой полосы нитками или клеющим материалом.

Недостатки устройство-прототипа низкая технологичность конструкции, обусловленная сложностью изготовления межобмоточной (межслойной) изоляции (намотка полосы диэлектрического материала поверх ряда витков обмотки с фиксацией нитками или клеющим материалом), а также низкое качество этой изоляции, связанное с необходимостью обязательного при намотке частичного перекрытия одного витка полосы другим соседним витком, что при заданной электрической прочности приводит к избыточной толщине изоляции. Если применять при намотке изоляции диэлектрическую упругую ленту, то процесс сборки трансформатора также усложняется с одновременным ухудшением качества изоляции из-за появления воздушных прослоек и неровностей между рядами намотанной ленты.

Улучшить качество межслойной (межобмоточной) изоляции можно, используя известный способ изготовления трансформаторов малой мощности [4] По своей технической сущности этот способ наиболее близок заявляемому способу и выбран в качестве прототипа. Способ-прототип заключается в намотке обмоток на магнитопровод, каркас на котором изготавливают путем намотки одного-двух витков термоплавящейся пленки, а после намотки обмоток трансформатор подвергают термообработке при температуре, обеспечивающей размягчение пленки и обволакивание ею магнитопровода, а затем охлаждают до получения жесткого каркаса.

Недостатки способа-прототипа следующие: сложность процесса изготовления межслойной (межобмоточной) изоляции в виде жесткого каркаса (имеется трудоемкая операция по намотке пленки); низкая надежность получаемой изоляции (из-за размягчения и обволакивания-растекания термоплавящейся пленки при термообработке происходит утоньшение изоляции между витками и магнитопроводом или между витками двух соседних обмоток за счет выдавливания расплава с уменьшением электрической прочности изоляции).

Цель предлагаемого изобретения повышение технологичности конструкции трансформатора за счет упрощения процесса сборки с обеспечение надежной межобмоточной (межслойной) изоляции.

Указанная цель технический результат достигается тем, что в известном трансформаторе с расположенными на сердечнике, преимущественно стержневого типа, обмотками и межслойной изоляцией из диэлектрического материала, по отношению к устройству-прототипу, межслойная изоляция выполнена в виде ленточной пружинной спирали, охватывающей поверхность обмотки с радиальным сжатием и фиксацией витков и выводов обмотки за счет сил упругой деформации, причем число витков спирали выбрано из условия обеспечения требуемой электрической прочности межслойной изоляции.

Та же указанная цель технический результат обеспечивается тем, что в известном способе изготовления трансформаторов, состоящем в намотке обмоток на сердечник, преимущественно стержневого типа, и выполнения межслойной изоляции путем термообработки диэлектрического материала, по отношению к способу-прототипу, заготовку в виде отрезка упругой ленты из исходного диэлектрического материала, скрученную в рулон на время до окончания термообработки, нагревают до температуры начала пластической деформации диэлектрического материала без плавления, а после охлаждения полученную из заготовки ленточную пружинную спираль разжимают, помещают поверх ряда витков обмотки и, сняв разжимающее усилие, дают вомозжность ей вернуться в сжатое состояние за счет сил упругой деформации с обхватом поверхности обмотки и радиальным сжатием и фиксацией витков и выводов обмотки. В качестве исходного диэлектрического материала используют, например полиэтилентеррафталатную пленку с температурой начала пластической деформации около 100^oС. Для предотвращения раскручивания свернутой в рулон заготовки до окончания термообработки используют, например оправку в виде отр езка термостойкой трубки, в центральное отверстие которой помещают скрученную в рулон заготовку.

Предлагаемая совокупность существенных признаков выполнение изоляции в виде ленточной пружинной спирали, а также последовательность действий по ее изготовлению и размещению на поверхности обмотки позволяет получить требуемый технический результат повышение технологичности конструкции трансформатора за счет упрощения процесса сборки и обеспечение надежности изоляции. Действительное упрощение процесса сборки достигается исключением таких трудоемких операций как намотка полосы или пленки из диэлектрического материала с фиксацией нитками или клеющим материалом и заменой этих операций на установку ленточной пружинной спирали на поверхность обмотки, что сокращает время сборки трансформатора. Полученная изоляция в процессе термообработки не плавится, поэтому толщина ее везде одинакова, что обеспечивает требуемую электрическую прочность в любой точке и повышает надежность изоляции.

Сущность изобретения поясняется чертежами, приведенными на фиг. 1-6. На фиг. 1 изображен чертеж предлагаемого трансформатора в сборе, а на фиг. 2-6 отражена последовательность основных действий и их результатов, характеризующих предлагаемый способ, а именно: на фиг. 2 скручивание заготовки в рулон, на фиг. 3 термообработка заготовки при температуре Т^o, на фиг. 4 ленточная пружинная спираль после охлаждения. на фиг. 5 разжимание ленточной пружинной спирали за счет усиления F для размещения ее на поверхности обмотки, на фиг. 6 размещенная на обмотке межобмоточная изоляция в виде сжатой ленточной пружинной спирали. На фиг. 1-6 приняты следующие основные обозначения: 1 сердечник (магнитопровод), 2,3 обмотки, 4, 5 межобмоточная и наружная изоляция в виде сначала заготовки, а затем ленточной пружинной спирали, 6 выводы обмоток, 7 оправка.

Предлагаемый трансформатор может иметь различные конструкции магнитопровода и обмоток. На фиг. 1 представлен в качестве примера трансформатор с магнитопроводом в виде незамкнутого стержневого магнитного сердечника 1 с коаксиально расположенными на нем обмотками 2 и 3 с рядовой укладкой витков, а также с межобмоточной 4 и наружной 5 изоляцией. Обмотки 2 и 3 имеют вывод 6. Межобмоточная или межслойная изоляция 4 (как и наружная изоляция 5) выполнена из диэлектрика в виде ленточной пружинной спирали, которая обхатывает поверхность обмотки 2 (3) или ряда витков при многорядной обмотке с радиальным сжатием и фиксацией витков и выводов 6 обмотки 2 (3), причем сжатие осуществляется за счет сил упругой деформации самой спирали. Число витков установленной на поверхность обмотки 2 ленточной пружинной спирали, образующей межобмоточную изоляцию 4, выбирается, исходя из требуемой электрической прочности изоляции. Для обеспечения надежной фиксации витков и выводов 6 обмотки 2 (3) необходимо, чтобы внутренний диаметр сжатой ленточной пружинной спирали перед установкой на поверхность обмотки 2 (3) был бы меньше наружного диаметра ряда витков. Работа предлагаемого трансформатора происходит также, как и обычного традиционного. Предлагаемое устройство может содержать одну обмотку и использоваться как индуктивный элемент типа дросселя, две и более обмотки цилиндрического одно- и многослойного типа, а также замкнутый и незамкнутый сердечник. Изоляция может использоваться в качестве межслойной (между рядами-слоями витков обмотки), межобмоточной и наружной (поверх верхней обмотки) изоляции или в качестве гильзы, размещаемой непосредственно на сердечнике.

Предлагаемый способ изготовления трансформаторов включает в себя совокупность действий, отраженных на фиг. 2-6. Осуществляют намотку на магнитопровод 1 (преимущественно незамкнутый стержневой магнитный сердечник, что позволяет достаточно просто использовать намоточный станок) одной из обмоток 2 или 3 и выполняют межобмоточную (наружную) изоляцию 4 (8) путем термообработки диэлектрического материала. Для этого заготовку 4 в виде отрезка упругой ленты (фиг. 2) скручивают в рулон и в таком состоянии удерживают до окончания термообработки (фиг. 3). В процессе термообработки заготовку нагревают до температуры Т^o, при которой начинается пластическая деформация диэлектрического материала, но без его плавления. В это время заготовка "запоминает" новую форму, то есть превращается из плоской ленты, свернутой в рулон, в ленточную спираль. Сразу после охлаждения новая форма не только "запоминается", но у спирали появляются упругие свойства. Таким образом образуется ленточная пружинная спираль 4 (фиг. 4). Полученную ленточную пружинную спираль 4 размещают и в таком состоянии помещают поверх ряда витков и выводов 6 обмотки 2 (фиг. 5). После этого разжимающее усилие F снимают (спираль отпускают) и она за счет сил упругой деформации возвращается в сжатое состояние с обхватом поверхности обмотки 2 и фиксацией витков и выводов 6 (фиг. 6). Так последовательно из заготовки получается ленточная пружинная спираль и межобмоточная изоляция, поверх которой наматывают вторую обмотку 3, фиксируемую уже другой ленточной пружиной спиралью, изготовляемой аналогичным образом и образующей наружную изоляцию 5 (фиг. 1). В качестве исходного диэлектрического материала используют, например полиэтилентеррафталатную пленку (ленту) с температурой начала пластической деформации около 100^oС. Для предотвращения раскручивания свернутой в рулон заготовки до окончания процесса термообработки используют, например оправку 7 (фиг. 3) в виде отрезка термостойкой трубы, в центральное отверстие которой помещают скрученную в рулон заготовку. Предлагаемый способ применим для изготовления трансформаторов различного типа.

Повышение технологичности конструкции предлагаемого трансформатора достигается за счет упрощения процесса сборки, из которого исключаются такие трудоемкие операции, как намотка полосы или пленки из диэлектрика на ряд витков обмотки и их фиксация нитками или клеющим материалом. В предлагаемом способе эти операции заменены более простыми и менее трудоемкими операциями: разжимание ленточной пружинной спирали, размещение ее поверх обмотки и снятие разжимающего усилия (спираль отпускают). Спираль сама за счет своей упругости сжимает обмотку и фиксирует ее витки и выводы. В результате процесс сборки существенно упрощается и сокращается по времени. Полученная изоляция не плавится, поскольку термообработку заготовки производят перед установкой на обмотку и без плавления, что исключает растекание материала изоляции и его выдавливание. Поэтому толщина изоляции получается на всей поверхности обмотки одинаковой и с требуемой электрической прочностью во всех точках. А учитывая то, что ленточная пружинная спираль устойчиво (без каких-либо перемещений) фиксирует витки и выводы обмотки, можно утверждать о повышении надежности и качества изоляции. Таким образом, в предлагаемом устройстве с учетом предлагаемого способа изготовления достигнуто повышение технологичности конструкции трансформатора за счет упрощения процесса сборки с обеспечением надежной и качественной межобмоточной (межслойной или наружной) изоляции или изоляционной гильзы.

Была проведена проверка работоспособности трансформатора, изготовленного по предлагаемому способу. Изготавливался трансформатор для высокочастотного преобразователя напряжения переменного тока 220 В в напряжение постоянного тока 5 В, с мощностью нагрузки до 4 Вт и частотой преобразования 120 кГц. Трансформатор выполнен на незамкнутом стержневом ферритовом сердечнике диаметром 4 мм и длиной 45 мм с первичной обмоткой на 360 витков (диаметр провода 0,08 мм) и вторичной обмоткой на 22 витков (диаметр провода 0,37 мм). Обе обмотки намотаны на станке в один ряд каждая. Межобмоточная изоляция выполнена из полиэтилентеррафталатной пленки толщиной 50 мкм. Заготовка в виде отрезка упругой ленты из этой пленки имела ширину 40 мм и длину 30 мм. Заготовку скрутили в рулон и поместили в отверстие оправки (отрезок металлической трубки) диаметром 3,8 мм. После нагревания до температуры около 100^o заготовку выдерживали при этой температуре 5-10 с и затем охлаждали. Полученную после охлаждения ленточную пружинную спираль извлекали из оправки, разжимали (растягивали за края) и размещали на поверхности обмотки. Ленточная пружинная спираль после отпускания образовывала 2 витка и надежно фиксировала всю обмотку за счет радиального обжатия с помощью сил упругой деформации. Среднее время сборки одного двухобмоточного трансформатора составило около 3 мин, что в 2-3 раза меньше, чем у традиционного трансформатора. Допустимое межобмоточное напряжение у трансформатора составило 4-6 кВ. Рабочее напряжение на первичной обмотке равнялось 310 В и на вторичной 20 В при напряжении между двумя соседними витками около 1,0 В. Проведенные испытания в различных условиях эксплуатации подтвердили работоспособность предлагаемого трансформатора и высокое качество и надежность его изоляции.