бронестержневая магнитная система трехфазного трансформатора

Формула изобретения

1. Бронестержневая магнитная система трехфазного трансформатора, которая собрана из пакетов стальных пластин, уложенных слоями, и которая состоит из двух крайних стержней и среднего стержня, верхнего и нижнего торцевых ярм, в каждое из которых в каждом слое пластин входят две пластины, соединяющие соответственно верхние и нижние концы пластин крайних стержней с концами пластины среднего стержня, а также из двух боковых ярм, содержащих каждое в каждом слое верхнюю и нижнюю горизонтальные пластины и вертикальную пластину между ними, пластины боковых ярм соединяют между собою концы пластин соответствующих крайних стержней, все слои каждого пакета собраны из одинаковых наборов пластин, все пластины торцевых и боковых ярм трапециевидные со вкосами под углом 45^o, а стержневые пластины пакета имеют одинаковые размеры для крайних и среднего стержней и форму прямоугольника, у которого оба противоположных конца двусторонне скошены под углом 45^o, пластина среднего стержня в каждом слое установлена со сдвигом по вертикали относительно пластин крайних стержней, отличающаяся тем, что смещения от оси стержня вершин скосов на противоположных концах пластин стержней имеют одинаковую величину, противоположны по направлению и не равны половине того расстояния, на которое в каждом слое пластина среднего стержня сдвинута по вертикали относительно пластин крайних стержней, пакеты бронестержневой магнитной системы трехфазного трансформатора состоит из следующих одна за другой одинаковых групп слоев по четыре слоя в группе, в первом слое группы вершины скосов верхних концов пластин крайних стержней расположены по линии внешних горизонтальных кромок пластин верхнего торцевого ярма, а вершина скосов нижнего конца пластины среднего стержня расположена на линии внешних горизонтальных кромок пластин нижнего торцевого ярма, пластины верхнего торцевого ярма обрезаны с одного конца на величину сдвига вдоль вертикали пластины среднего стержня относительно пластин крайних стержней и направлены своими необрезанными концами к крайним стержням, а также пластины торцевого ярма - от крайних стержней, во втором слое группы все пластины расположены как в зеркальном отображении первого слоя в плоскости, которая проходит через внешнюю вертикальную кромку вертикальной пластины бокового ярма первого слоя перпендикулярно плоскости слоя, в третьем и четвертом слоях группы пластины крайних стержней смещены в сторону нижнего торцевого ярма, а пластины среднего стержня смещены в сторону верхнего торцевого ярма по сравнению с их размещением в первом и втором слоях соответственно, а пластины торцевых ярм размещены так, что их необрезанные концы направлены в стороны, противоположные тем, в которые они направлены в первом и втором слоях.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что стержневые пластины составлены из двух частей разной ширины, состыкованных по линии, параллельной оси стержня.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в трансформаторостроении.

Одним из путей снижения потерь и тока холостого хода трансформаторов является применение новых конструкций магнитных систем с разнесенными более чем в две традиционные плоскости, линиями стыков пластин ярм и стержней.

Разнесение линий стыков в 3 - 6 плоскостей снижает магнитный поток, проходящий через зазоры в стыках, что, в свою очередь, существенно снижает ток холостого хода, а также снижает потери энергии от действия вихревых токов в зоне стыков и от выхода основного магнитного потока за пределы ярма, снижает шум трансформатора, а также позволяет трансформатору лучше переносить перевозбуждение.

Имеется несколько направлений совершенствования конструкций с целью разнесения линий стыков более чем в две плоскости.

Фирма "Вестингауз" (США) получила немало патентов на разные типы конструкций со ступенчатым перекрытием стыков, наиболее известным из которых является патент США N 4200854, кл. 336-217, 1980. Для бронестержневых магнитных систем подобное направление непригодно, поскольку ширина ярмовых пластин у бронестержневых пластин мала и не позволяет применить V-образные высечки с глубиной, близкой к половине ширины стержневой пластины, которые используются в стержневых системах со стэп-лэп структурой.

В статье "Расчет намагничивающего тока и магнитных потерь в пятистержневом магнитопроводе", Звонимир Валкович (Югославия), журнал "Электротехника" вып. 5 - 6, 1972, стр. 418 - 426, была частично раскрыта конструкция, у которой стержневая пластина состояла из двух отдельных пластин, разделенных широким каналом, а в ярмовой пластине были выполнены две высечки.

Однако из-за перерасхода материалов при малой эффективности широких каналов такие конструкции не применяются.

Второе направление описано в патенте Франции N 1597629, опубл. 1970, фиг. 7. Если у фирмы "Вестингауз" меняются все пластины в каждом слое группы, то по данному патенту только в каждом третьем слое три стержневые пластины заменяют другими. Однако, как зафиксировано в формуле изобретения, конструкция осуществима при жестком соотношении ширин пластин ярма и стержня, равном 1 : 2, то есть конструкция расчитана для использования в однофазных трансформаторах с магнитно-связанными рамами, у трехфазных трансформаторов другие оптимальные отношения ширины пластин ярма к ширине пластин стержня.

Третье направление избрано фирмой "Запорожтрансформатор" и Украинским институтом трансформаторостроения - это шихтовка в четыре положения одних и тех же пластин. Пакеты системы собирают из одинаковых групп слоев, в каждой группе - четыре слоя, в каждом набор пластин один и тот же, но расположены пластины по разному, что необходимо для разнесения линий стыков в четыре плоскости. По сравнению с патентом Франции N 1597629 даже для однофазных трансформаторов преимущество заключается в том, что при сборке следующего слоя не требуется выяснять какие из пластин предыдущего слоя не надо укладывать в следующий слой и какими пластинами их следует заменить, а это позволяет повысить бездефектность сборки.

В качестве прототипа заявляемого решения принята магнитная система, которая описана в материалах 8-й международной конференции (1987 г.) по магнитно-мягким материалам, доклад 5, 10, стр. 249 - 250, "Потери холостого хода в пятистержневых сердечниках трансформаторов с разрезными и неразрезными пластинами стержней", А.Адам и А.Бейсок (англ.).

Система-прототип является бронестержневой магнитной системой трехфазного трансформатора, которая собрана из пакетов стальных пластин, уложенных в пакеты слоями, и которая состоит из двух крайних стержней и среднего стержня, верхнего и нижнего торцевых ярм, в каждое из которых в каждом слое пластин входят две пластины, соединяющие соответствующие пластины крайних стержней с пластиной среднего стержня, а также из двух боковых ярм, содержащих каждое в каждом слое верхнюю и нижнюю горизонтальные пластины и вертикальную пластину между ними, пластины боковых ярм соединяют между собою концы пластин соответствующих крайних стержней, все слои каждого пакета собраны из одинаковых наборов пластин, все пластины торцевых и боковых ярм трапециевидные со скосами под углом 45^o, а стержневые пластины пакета имеют одинаковые размеры для крайних и среднего стержней и форму прямоугольника, у которого оба противоположных конца скошены под углом 45^o, пластина среднего стержня в каждом слое установлена со сдвигом вдоль вертикали относительно пластин крайних стержней.

Эти признаки являются общими для прототипа и заявляемого решения.

Конструкция-прототип не может быть собрана в более чем два положения пластин, то есть с разнесением линий стыков более чем две плоскости, для этого требуются принципиально новые решения. Кроме того, в конструкции использовано восемь типоразмеров пластин на пакете, тогда как теоретический минимум - это четыре типоразмера, приближение к минимуму снижает трудоемкость и даже затраты материала. У прототипа предлагается обрезка двух концов пластин торцевого ярма и широких частей пластин стержня, тогда как стандартные линии раскроя обрезают только один конец трапециевидных пластин.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании конструкции бронестержневой магнитной системы трехфазного трансформатора, которая обеспечивает снижение потерь и тока холостого хода за счет разнесения линий стыков пластин в четыре плоскости. При этом улучшаются также условия работы трансформатора в режиме перевозбуждения и снижается шум трансформатора. Дополнительно требуется снизить число используемых типоразмеров пластин, приближая его к теоретическому минимуму, а также улучшить возможность варьирования длины перекрытий пластин в стыках, и соответственно размеров вырезов в углах окон системы, что также дает полезный эффект.

Эта задача решается при использовании бронестержневой магнитной системы трехфазного трансформатора, которая собрана из пакетов стальных пластин, уложенных слоями, и которая состоит из двух крайних стержней и среднего стержня, верхнего и нижнего торцевых ярм, в каждое из которых в каждом слое пластин входят две пластины, соединяющие соответственно верхние и нижние концы пластин крайних стержней с концами пластин среднего стержня, а также из двух боковых ярм, содержащих каждое в каждом слое верхнюю и нижнюю горизонтальные пластины и вертикальную пластину между ними, пластины боковых ярм соединяют между собою концы пластин соответствующих крайних стержней, все слои каждого пакета собраны из одинаковых наборов пластин, все пластины торцевых и боковых ярм трапециевидные со скосами под углом 45^o, а стержневые пластины пакета имеют одинаковые размеры для крайних и среднего стержней и форму прямоугольника, у которого оба противоположных конца двусторонне скошены под углом 45^o, пластина среднего стержня в каждом слое установлена со сдвигом по вертикали относительно пластин крайних стержней, смещения от оси стержня вершин скосов на противоположных концах пластин стержней имеют одинаковую величину, противоположны по направлению и не равны половине того расстояния, на которое в каждом слое пластина среднего сдвинута по вертикали относительно пластин крайних стержней, пакеты бронестержневой магнитной системы трехфазного трансформатора состоят из следующих одна за другой одинаковых групп слоев по четыре слоя в группе, в первом слое группы вершины скосов верхних концов пластин крайних стержней расположены на линии внешних горизонтальных кромок пластин верхнего торцевого ярма, а вершина скосов нижнего конца пластины среднего стержня расположена на линии внешних горизонтальных кромок пластин нижнего торцевого ярма, пластины верхнего торцевого ярма обрезаны с одного конца на величину сдвига вдоль вертикали пластины среднего стержня относительно пластин крайних стержней и направлены своими необрезанными концами к крайним стержням, а такие же пластины нижнего торцевого ярма - от крайних стержней, во втором слое группы все пластины расположены как в зеркальном отображении первого слоя в плоскости, которая проходит через внешнюю вертикальную кромку вертикальной пластины бокового ярма первого слоя перпендикулярно плоскости слоя, в третьем и четвертом слоях группы пластин крайних стержней смещены в сторону нижнего торцевого ярма, а пластины среднего стержня смещены в сторону верхнего торцевого ярма по сравнению с их размещением в первом и втором слоях соответственно, а пластины торцевых ярм размещены так, что их необрезанные концы направлены в стороны, противоположные тем, в которые они направлены в первом и втором слоях.

Эта задача решается также при использовании бронестержневой магнитной системы со всеми вышеизложенными признаками, у которой стержневые пластины составлены из двух частей разной ширины, состыкованных по линии, параллельной оси стержня.

Отличие от прототипа заключается в том, что смещения от оси стержня вершин скосов на противоположных концах пластин стержней имеют одинаковую величину, противоположную по направлению, и не равны половине того расстояния, на которое пластина среднего стержня сдвинута вдоль вертикали относительно пластин крайних стержней, пакеты бронестержневой магнитной системы трехфазного трансформатора состоят из следующих одна за другой одинаковых групп слоев по четыре слоя в группе, в первом слое группы вершины скосов верхних концов пластин крайних стержней расположены на линии внешних горизонтальных кромок пластин верхнего торцевого ярма, а вершина скосов нижнего конца пластины среднего стержня расположена на линии внешних горизонтальных кромок пластин нижнего торцевого ярма, пластины верхнего торцевого ярма обрезаны с одного конца на величину сдвига вдоль вертикали пластины среднего стержня относительно пластин крайних стержней и направлены своими необрезанными концами к крайним стержням, а такие же пластины нижнего торцевого ярма - от крайних стержней, во втором слое группы все пластины расположены как в зеркальном отображении первого слоя в плоскости, которая проходит через внешнюю вертикальную кромку вертикальной пластины бокового ярма первого слоя перпендикулярно плоскости слоя, в третьем и четвертом слоях группы пластины крайних стержней смещены в сторону нижнего торцевого ярма, а пластины среднего стержня - в сторону верхнего торцевого ярма по сравнению с их размещением в первом и втором слоях, соответственно, а пластины торцевых ярм размещены так, что их необрезанные концы направлены в стороны, противоположные тем, в которые они направлены в первом и втором слоях.

Перечисленной совокупности признаков достаточно для того, чтобы выполнить чертежи заявляемой конструкции магнитной системы по обычным для проектирования исходным данным в соответствии с испрашиваемым объемом правовой защиты, то есть строением соединений стержней с ярмами (Т-образных соединений). Устройство Г-образных соединений (соединений вертикальных и горизонтальных пластин боковых ярм) может быть равным.

Между совокупностью отличительных признаков и достигаемым техническим результатом имеет место причинно-следственная связь.

Основополагающим признаком является признак "пакеты бронестержневой магнитной системы трехфазного трансформатора состоят из следующих одна за другой одинаковых групп слоев по четыре слоя в группе". Подразумевается, что слои группы неодинаковы по структуре, иначе не имело бы смысла говорить о четырех слоях.

Этот признак дает общую установку конструктору, а все остальные признаки описывают пути ее реализации с тем, чтобы в четырех слоях получить не какие-нибудь отличия в структуре, а обеспечить разнесение линий стыков пластин в четыре плоскости, что и приводит к техническому эффекту - снижение потерь и тока холостого хода, шума, а также к улучшению условий работы трансформатора при перевозбуждении. Кроме того, надо реализовать возможность использовать минимальное число типоразмеров пластин в пакете.

У прототипа группы слоев содержат всего два слоя, так что стыки пластин разнесены в две плоскости. Это следует уже из того, что концы стержневых пластин у прототипа скошены симметрично. В зеркальном отображении первого слоя в вертикальной плоскости, проходящей перпендикулярно к плоскости слоя, получим те же линии стыков стержней с ярмами, что и в первом слое. Можно из первого слоя получить только один, второй слой, смещая пластины. Пластина среднего стержня смещена в нечетных слоях в одну сторону относительно крайних стержней, а в четных слоях - в другую. Для предлагаемого технического решения одних смещений недостаточно, так что необходимо выполнить двусторонние скосы на концах стержневых пластин кососимметричными, со смещением в противоположные стороны вершин скосов от оси стержня. При этом необходимо наложить ограничение на величину указанного смещения, если смещение вершин скосов принять равным половине того расстояния, на которое пластина среднего стержня сдвинута относительно пластин крайних стержней, то получим в двух слоях из четырех слоев группы совпадение линий стыков в Т-образных соединениях.

Таким образом, реализация отличительных признаков обеспечивает осуществление разнесения стыков в четыре плоскости, линии стыков во всех четырех слоях не совпадают, а это, как было сказано, и обеспечивает основной технический эффект - снижение тока и потерь холостого хода трансформатора, улучшение условий его работы при перевозбуждении, снижение шума.

Правила построения слоев обеспечивают также снижение числа типоразмеров пластин, используемых в пакете.

У прототипа вершины скосов пластин среднего стержня не выходят на линию внешней горизонтальной кромки пластин торцевого ярма, что приводит к необходимости выполнять различную обрезку концов пластин торцевых ярм, тогда как у предлагаемого решения эти пластины в верхнем и нижнем торцевых ярмах обрезаны одинаково. Кроме того, структура слоев предлагаемого решения зависит от выбора двух параметров - величины сдвига пластин среднего стержня относительно пластин крайних стержней и величины смещения вершин двусторонних скосов на концах стержневых пластин, что дает большие, чем у прототипа возможности подбирать оптимальную структуру.

В зависимом пункте формулы изобретения сказано о том, что пластины стержней могут быть составлены из двух частей разной ширины, состыкованных по линии, параллельной оси стержня. Только этим пластины отличаются от сплошных, т. к. собранные составные пластины имеют ту же форму, что и сплошные. Используют составные пластины, если диаметр стержней магнитной системы настолько велик, что сплошные пластины невозможно изготовить из рулонов стандартной ширины.

Дальнейшее описание предлагаемого изобретения иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 - 4 показано соответственно строение четырех слоев, составляющих группу; на фиг. 5 показано размещение линий стыков при наложении слоев группы друг на друга; на фиг. 6 показан слой системы с составными пластинами, указанными в зависимом пункте формулы; на фиг. 7 показан слой системы, у которой ширина пластин торцевого ярма больше, чем ширина горизонтальных пластин бокового ярма.

В каждом слое группы из четырех слоев, (фиг. 1 - фиг. 4) использован одинаковый набор пластин. Имеется три пластины 1 крайних и среднего стержней, четыре пластины 2 верхнего и нижнего торцевых ярм, соединяющие концы пластин крайних стержней с концами пластин среднего стержня по две, верхние и нижние горизонтальные пластины 3 и 4 боковых ярм, которые, в совокупности с двумя вертикальными пластинами боковых ярм 5, осуществляют соединение концов пластин каждого из крайних стержней между собою. Пластины 2, 3, 4, 5 трапециевидные, а стержневые пластины 1 имеют вид прямоугольников, оба конца которых двусторонне скошены под углом 45^o. В слое, который принят за первый, (фиг. 1), в соответствии с отличительным признаком вершины двусторонних скосов верхних и нижних концов пластин 1 крайних и среднего стержней смещены в разные стороны на одинаковые расстояния , при этом не равно /2, где - расстояние, на которое пластина среднего стержня смещена по вертикали относительно пластин крайних стержней. Вершины двусторонних скосов на верхних концах пластин 1 крайних стержней согласно отличительному признаку расположены на линии внешних горизонтальных кромок пластин 2 верхнего торцевого ярма, а вершина двусторонне скошенного нижнего конца пластины 1 среднего стержня расположена на линии внешних горизонтальных кромок пластин 2 нижнего торцевого ярма. Пластины 2 согласно отличительному признаку имеют один обрезанный на величину конец и направлены в верхнем торцевом ярме необрезанными концами к крайним стержням, а в нижнем торцевом ярме - от крайних стержней.

Структура боковых ярм определяется, хоть и неоднозначно, структурой описанной основной части бронестержневой магнитной системы. Горизонтальные верхняя и нижняя для левого бокового ярма пластины 3 и 4, в правом боковом ярме первого слоя расположены в обратном порядке - пластина 4 сверху, а пластина 3 - снизу. Вместе с пластинами 5 пластины 3 и 4 соединяют концы левого и правого крайних стержней между собою. При показанном на фиг. 1 - 4 варианте строения боковых ярм обе пластины 3 и 4 имеют по одному обрезанному на величину концу. При одинаковой ширине пластин торцевых ярм и горизонтальных пластин боковых ярм это обязательно, иначе не обеспечить прилегания пластин в Т-образных стыках. Естественно, необрезанные концы пластин торцевых ярм и горизонтальных пластин боковых ярм могут располагаться только согласованно, если пластина торцевого ярма направлена необрезанным концом к крайнему стержню, то и горизонтальная пластина бокового ярма будет направлена к стержню.

Подобное описание первого слоя дает возможность по правилам, изложенным в формуле изобретения получить из структуры одного слоя структуры остальных слоев группы.

Второй слой группы (фиг. 2) сложен из того же набора пластин, что и первый (фиг. 1). Его структура отвечает зеркальному отображению первого слоя, если отражающая плоскость проходит перпендикулярно чертежу первого слоя через кромку одной из пластин 5. Можно также сказать, что второй слой будет представлять собою по размещению пластин фигуру, симметричную первому слою, если в качестве оси симметрии взять наружную вертикальную кромку одной из пластин 5. Например, пластина 3 на фиг. 1 расположена в верхнем ярме на левом конце ярма, а на фиг. 2 она находится справа, как она видна в зеркале.

На примере верхнего правого Г-образного соединения и прилегающего к нему Т-образного соединения рассмотрим расположение линий стыков пластин во втором слое по отношению к их расположению в первом слое. По правилам сборки (шихтовки) магнитных систем линии стыков в соседних слоях не должны совпадать, пластины следующего слоя должны перекрывать стыки в предыдущем слое.

В правом верхнем углу первого слоя (фиг. 1) линия стыков пластин 4 и 5 проходит выше биссектрисы угла прямоугольного окна системы, а во втором слое (фиг. 2) линия стыков пластин 3 и 5 в том же углу слоя проходит несколько ниже биссектрисы угла окна. Линия стыка пластин 1 и 4 в первом слое также не совпадают с линией стыка пластин 1 и 3 во втором слое, а линия стыка пластин 1 и 2 в первом слое не совпадает с линией стыка тех же пластин во втором слое, поскольку вершина скосов пластины 1 в первом слое находилась справа от оси стержня, а во втором слое, зеркально отображающем первый слой, она находится слева от оси стержня. Зазоры в стыках перекрыты, линии стыков не совпадают.

Третий слой группы показан на фиг. 3. В соответствии с формулой изобретения структура третьего слоя получена путем перестройки структуры первого слоя. Пластины 1 крайних стержней из положения, показанного на фиг. 1, сдвинуты вниз на величину , а пластина 1 среднего стержня сдвинута вверх на ту же величину. Пластины 5 боковых ярм соответственно сдвинуты вверх также на величину . Пластины 2 торцевого ярма на фиг. 3 уложены необрезанными концами в направлениях, противоположных тем, в которые они уложены на фиг. 1. Так, в верхнем торцевом ярме на фиг. 1 они направлены необрезанными концами к крайним стержням, а на фиг. 3 - от крайних стержней.

По структуре основной части бронестержневой магнитной системы определяется и структура боковых ярм, на фиг. 1 пластины 3 и 4 необрезанными концами направлены в верхнем торцевом ярме к крайним стержням, а на фиг. 3 - от крайних стержней.

Указанные преобразования обеспечили в трех слоях разнесение линий стыков в три плоскости.

Так, в правом верхнем углу третьего слоя линия стыка пластин 4 и 5 проходит выше, чем в 1 слое (фиг. 1) и выше, чем во втором слое (фиг. 2). Линия стыка пластины 1 правого крайнего стержня с пластиной 4 проходит между линиями стыков в первом и втором слоях, а линия стыка пластины 1 с пластиной 2 проходит ниже, чем в первых двух слоях.

Структура четвертого слоя группы (фиг. 4) получена путем преобразования структуры второго слоя (фиг. 4) по тем же правилам, по каким структура третьего слоя получена из структуры первого слоя.

Линии стыков в четвертом слое не совпадают с линиями стыков пластин в первом, втором и третьем слоях, т.е. линии стыков в слоях группы разнесены в 4 плоскости. Например, в верхнем правом углу слоя линия стыка пластин 3 и 5 (фиг. 4) проходит ближе к биссектрисе угла окна, чем на фиг. 1 - 3. Линия стыка пластины 1 с пластиной 3 проходит ниже биссектрисы угла окна, тогда как в первых трех слоях соответствующие линии стыков проходили не ниже биссектрисы угла окна, а линия стыка пластин 1 и 2 проходит между линиями стыков в первом и втором слоях, не совпадая с линией стыка в третьем слое.

На фиг. 5 показан результат наложения друг на друга контуров четырех слоев пакета. При построении принято, что = 0,667 (не равно 0,5). Линии стыков во всех соединениях разнесены в четыре плоскости. На фиг. 5 строение Т-образных соединений такое же, как на фиг. 1 - 4, а строение Г-образных соединений, не оговоренное формулой изобретения, несколько отличается от фиг. 1 - 4.

На фиг. 6, иллюстрирующей зависимый пункт формулы изобретения, показана структура слоя магнитной системы, которая отличается от структуры на фиг. 1 только тем, что пластины стержней составлены из двух частей; на фиг. 7 показана магнитная система, отвечающая основному пункту формулы изобретения, у которой, с целью экономии материала, пластины боковых ярм выполнены более узкими, чем пластины торцевых ярм.

При работе трансформатора магнитный поток проходит по всем пластинам пакета.

В стыковых соединениях часть магнитного потока обходит зазор, переходя в прижатые к данной пластине соседние пластины.

При разнесении линий стыков в две плоскости часть магнитного потока вынуждена преодолевать большое магнитное сопротивление и проходить через зазор в стыке, потому что соседняя пластина не в состоянии принять весь поток из данной пластины. При разнесении линий стыков в четыре плоскости поток из пластины одного слоя переходит в 3 остальные пластины группы, благодаря чему снижается магнитное сопротивление стыковых соединений, магнитный поток через зазоры в косых стыках не проходит. Снижается и рассеяние основного потока за пределы ярм. Таким образом снижаются реактивная и активная мощности, потребляемые при непрерывном перемагничивании магнитной системы.