§ 4. ТРАНСФОРМАТОР В СБОРЕ
Наиболее прост в конструктивном отношении низковольтный тороидальный трансформатор на замкнутом сердечнике. После наложения на сердечник катушек трансформатор крепится к шасси прибора путем пропускания болта в центральное отверстие,
Рис. 22. Ряд тороидальных трансформаторов.
остающееся после намотки катушек, либо с помощью наружной охватывающей гибкой ленты. На рис. 22 показана серия тороидальных трансформаторов с подобным креплением. Первые работы по широкому применению в отечественной технике силовых тороидальных трансформаторов были проведены под руководством В. Л. Бреймана.
Рассмотрение остальных типов трансформаторах малой мощности целесообразно дифференцировать по ряду признаков. При этом необходимо иметь в виду, что в каждом случае возможно одно из трех исполнений трансформатора: открытое, когда не предпринимается никаких мер для защиты катушек и сердечника (рис. 23, 28), защищенное, когда катушки частично закрыты специальными элементами конструкции (рис. 24), закрытое, когда весь трансформатор помещен в закрытый кожух (рис. 25). Все эти исполнения могут предусматривать меры по влагозащите. Закрытое исполнение может быть герметичным.
Трансформаторы на штампованных наборных сердечниках.
Рис. 23. Т. м. м. открытого исполнения с обжимной скобой.
1 — скоба; 2— катушка; 3 — сердечник
24. Т. м. м. защищенного исполнения со специальными щеками для крепления.
Броневые и стержневые трансформаторах малой мощности собираются путем шихтовки пластин магнитопровода в предварительно изготовленные катушки. Крепление трансформатора к шасси прибора осуществляется с помощью обжимной скобы с лапками (см. рис. 23) либо с помощью специальных щек с полками для крепления (см. рис. 24), либо с помощью конструктивных уголков или защитного кожуха (см. рис. 25).
Рис. 25. Т. м. м. в закрытом исполнении.
В первых двух случаях скоба и щеки одновременно спрессовывают сердечник, в последнем — сердечник стягивается шпильками.
Очень малые, так называемые миниатюрные трансформаторы, размеры которых не превосходят 1—3 см, могут крепиться за щеки прессованных или литых каркасов, сердечник же скрепляется при помощи склейки пластин лаком (рис. 26).
Такое крепление при помощи клея БФ-2 может применяться при тонких пластинах и для обычных сердечников.
Рис. 26. Ряд миниатюрных трансформаторов.
Трансформаторы на ленточных сердечниках. Рассмотрим конструктивные особенности этих трансформаторов.
Способы сочленения магнитопровода и катушек. Наиболее просто осуществляется сочленение магнитопровода и катушек в случае применения разъемных сердечников.
Рис. 27. Вставка разъемного ленточного сердечника в катушку.
1 — каркас катушки; 2 — первичная обмотка; 3—изоляционный буртик; 4— вторичная обмотка.
Когда разъем имеет каждый стержень магнитопровода, сборка трансформатора осуществляется простой вставкой половинок сердечника в заранее подготовленные катушки (рис. 27). В случае галетных катушек отдельные галеты поочередно нанизываются на сердечник. На рис. 28 изображен в сборе галетный стержневой, а на рис. 29 — галетный тороидальный трансформатор. В первом случае на галеты разбита только вторичная обмотка, первичная же обмотка является дельной, во ©тором случае на галеты разбиты обе обмотки.
Конструкция с разъемными сердечниками нашла наиболее широкое применение для броневых, стержневых и трехфазных трансформаторов. Для тороидальных трансформаторов, как правило, применяются замкнутые сердечники.
Рис. 28. Галетный стержневой трансформатор, его первичная обмотка и галета вторичной обмотки.
Некоторое распространение получила для броневых трансформаторов конструкция сердечников с одним разъемом (с одним резом), разработанная под руководством JI. Н. Габай и Н. И. Змиевского. Такой сердечник получается путем резки верхнего ярма в месте его сопряжения со средним стержнем магнитопровода (рис. 30). Для сборки трансформатора необходимо с некоторым усилием отвести боковые стержни в стороны от среднего и на средний стержень надеть катушку, после чего боковые стержни возвращаются в исходное положение. Достоинством такого способа сборки является легкость обеспечения монолитности всей конструкции, существенными недостатками — затрудненность сборки, невозможность выполнения стержневых и трехфазных трансформаторов и ограниченность технологических приемов изготовления сердечника (см. гл. IV). Кроме того, расположение зазора (стыка) вне катушки увеличивает внешнее магнитное рассеяние.
1 — сердечник; 2 — галета катушки; 8 — стяжной бандаж; 4 — клеммная плата; 5 — изоляционная щека галеты; 6 — выводной конец.
Рис. 29. Галетный тороидальный трансформатор.
При использовании замкнутых сердечников катушки наматывают на них либо вручную, либо путем использования принципа вращающейся катушки. Суть его состоит в следующем. Стержень трансформатора (квадратного сечения) охватывается с разных сторон двумя половинами каркаса (рис. 31). Половинки соединяют в замок, склеивают или, в случае использования капроновых каркасов, сваривают путем прогрева места стыка половинок. Используя фрикционное зацепление приводного валика намоточного устройства и щеки каркаса, последний можно привести во вращение вокруг стержня. Для улучшения сцепления щеки могут иметь зубчики. При вращении каркас сматывает на себя с бобины обмоточный провод. Намотка производится весьма производительно (до 5000 об/мин). Описанная конструкция применительно к силовым трансформаторах малой мощности на ленточных сердечниках практически разработана под руководством канд. техн. наук Е. И. Кисселя.
Рис. 30. Броневой трансформатор на ленточном сердечнике с одним резом
и его сборка.
Трансформатор с вращающейся катушкой (т. в. к.) в различных стадиях изготовления изображен на рис. 31. Этот способ пригоден для изготовления трансформаторов всех типов, кроме тороидальных. Преимуществом такой конструкции является простота изготовления магнитопровода и его высокое качество. Серьезные недостатки — усложнение моточных работ, трудность выполнения выводов, необходимость применения сердечников только квадратного сечения. Имеет место также увеличение средней длины витка катушки из-за несоответствия форм сечения сердечника и каркаса. Вследствие этих недостатков т. в. к. не получили широкого распространения.
Рис. 31. Броневой трансформатор с вращающейся катушкой (т. в. к.).
Кроме перечисленных возможны также способ непрерывного вматывания ленточного сердечника в готовые катушки (так называемый спиракор) и сборка сердечника в катушках последовательно вставляемыми отдельными лентами. Основным недостатком первого способа является его сложность и невозможность отжечь сердечник после вматывания. Второй способ сборки примыкает к способу шихтовки пластинчатых сердечников (см. гл. IV). Оба эти способа следует считать устаревшими.
Способы стяжки сердечника. Проблема стяжки возникает только для разъемных сердечников. Стяжка половинок сердечника должна обеспечить конструктивную цельность магнитопровода, его механическую прочность. Необходимо также свести к минимуму воздушный зазор, неизбежно появляющийся в месте стыка половинок, с целью снижения шума трансформатора и уменьшения магнитного сопротивления сердечника. Последнее необходимо для обеспечения приемлемых величин намагничивающего тока. Как показывают расчеты и опыт, для малых силовых трансформаторов можно считать приемлемым зазор на каждый стержень до 10—15 мк, для больших — до 30—50 мк.
Для трансформаторов, к которым предъявляется требование большой индуктивности обмоток, этот зазор не должен превышать нескольких микронов, особенно при использовании для сердечника материалов с высокой магнитной проницаемостью (типа пермаллоя).
Рис. 32. Стяжка разъемного броневого сердечника лентой по наружному обводу (для двух разных положений трансформатора).
Рис. 33. Стяжка разъемного сердечника прижимными планками: о — со стяжными планками (трехфазный трансформатор); б — со стяжными лентами.
Для мощных импульсных трансформаторов желательно соблюдение оптимального зазора. Его величина зависит от ряда факторов. Для микросекундных импульсов при реализации значительных приращений индукции эта величина составляет ориентировочно (2—6) X 10“4 от длины средней линии магнитной индукции.
Применяют два основных способа стяжки: металлическим бандажом (лентой), охватывающим с определенным натягом обе половинки сердечника, и прижимными планками со стяжными винтами или стяжными лентами. Очень часто стяжные элементы используют одновременно для закрепления трансформатора на плате, тогда они воспринимают все усилия, которые воздействуют на трансформатор в процессе его эксплуатации. Это является нежелательным, поскольку может привести к некоторой нестабильности зазора. Целесообразнее поэтому, особенно при тяжелых условиях эксплуатации, разделить между элементами конструкции функции стяжки сердечника и крепления трансформатора.
Рис. 34. Способы стяжки разъемного сердечника лентой: а, б, в — для малых трансформаторах малой мощности; в — для средних трансформаторах малой мощности
1 — винт натяга; 2 — опорная колодочка.
Способы стяжки лентой показаны на рис. 27, 32, 34, 35, планками— на рис. 33. Стяжка планками и стяжка лентой броневого сердечника по наружному обводу позволяют избежать введения конструктивных элементов внутрь катушки. Это несколько уменьшает среднюю длину витка катушки и позволяет избежать добавочных потерь на вихревые токи и гистерезис в этих элементах. Последнее особенно важно для трансформаторов ультразвуковых и высоких частот. Если в этих случаях используется лента, пропускаемая внутрь катушки, желательно, чтобы она была из немагнитного материала. В остальных случаях материалом ленты может служить обычная сталь Ст. 10. Толщина ленты 0,2—0,6 мм, в зависимости от веса сердечников.
Стяжка лентой по сравнению со стяжкой планками при прочих равных условиях обеспечивает лучшие результаты, особенно когда лента охватывает контур сердечника по всему обводу. В частности, при стяжке планками возможно некоторое смещение половинок сердечника в перпендикулярном к оси стержня направлении, что приводит к повышенному шуму при работе трансформатора.
С целью уменьшения эффективного зазора между половинками и повышения прочности сочленения торцы сопрягаемых половинок сердечника при сборке можно склеивать специальной пастой, например смесью эпоксидной смолы с карбонильным железом. Для малых сердечников склейка может полностью исключить необходимость механической стяжки половинок.
Рис. 35. Стержневой трансформатор на разъемном ленточном сердечнике с разделением функций стяжки сердечника и крепления трансформатора между различными элементами конструкции.
Крепление трансформатора. Опорой сердечника, несущего на себе катушки, является, как правило, литая, штампованная или иным образом изготовленная металлическая плата или рамка, при помощи которой весь трансформатор крепится к шасси прибора. При использовании элементов стяжки одновременно для закрепления трансформатора на плате возможны конструкции, представленные на рис. 32—34 и 17—18. Стяжка половинок производится при окончательной сборке трансформатора путем натяга ленты, закрепляемой на плате. В случае разделения функций стяжки и крепления для маленьких трансформаторов возможно применение такой же обжимной скобы, как было показано на рис. 23, или крепление за каркас, как на рис. 26. Более универсальный вариант показан на рис. 35.
Совершенно новые возможности крепления высоковольтных трансформаторов открылись с применением для их изоляции эпоксидных компаундов. Такие трансформаторы можно крепить не за сердечник, а за катушку. С этой целью в форме при заливке катушки компаундом армируют металлические буксы с резьбой. С помощью винтов, ввинчиваемых в эти буксы, и осуществляется крепление трансформатора. Как показали испытания, этот способ обеспечивает исключительную стойкость к тяжелым механическим воздействиям — ударам, вибрации и т. д. Тороидальный трансформатор такой конструкции показан на рис. 15, 16.
Серии стержневых и броневых трансформаторов на разъемных ленточных сердечниках показаны на рис. 36 и 37.
Рис. 36. Серия стержневых трансформаторов на разъемных ленточных сердечниках.
Рис 37 Серия броневых трансформаторов на разъемных ленточных сердечниках
Специальные конструкции трансформаторов Помимо рассмотренных вариантов основных конструкций БТ и ЗТ, базирующихся на сердечниках, конфигурация которых показана на рис. 4, возможны специальные конструкции, обладающие рядом новых качеств.
Броневой трансформатор. К. Г. Бираговым и А. Я. Финкельштейном предложена конструкция с кольцевой цилиндрической катушкой и радиально расположенными по ее периметру П-образными разъемными ленточными сердечниками (рис. 38).
Рис. 38. Броневой трансформатор с радиально расположенными ленточными сердечниками.
Достоинством такого трансформатора является сильно развитая поверхность охлаждения сердечника, что позволяет интенсивно использовать его магнитный материал на повышенных и ультразвуковых частотах. Этим целиком окупается некоторая потеря окна катушки, т. е. снижение коэффициента заполнения кс. При больших мощностях габариты и вес такого трансформатора меньше, чем при обычном исполнении. Конструкция отливается также компактностью. Особые преимущества она приобретает при применении ее для высоковольтных сухих трансформаторов.
Трехфазные трансформаторы можно выполнять на трех стержневых ленточных сердечниках, сечения которых располагаются по вершинам равностороннего треугольника. Соседние стержни вставляют в каркас, которому придается соответствующая форма (рис. 39). Для такого трансформатора проще изготовить сердечник, при этом обеспечивается компактность конструкции, полная симметрия трех фаз и некоторая экономия стали, однако изготовление каркасов несколько усложняется, увеличивается средняя длина витка катушек и при отсутствии продува ухудшается охлаждение внутренних частей катушек.
Компактная конструкция группового трехфазного трансформатора, состоящего из трех однофазных броневых трансформаторов на фигурных разъемных ленточных сердечниках, разработана А. К. Цыпкиным (рис. 40). Треугольные сердечники расположены по кругу вплотную друг к другу. Разъем делается по краям наружного ярма. Три катушки, имеющие в поперечнике форму окна сердечника, надеваются каждая на свой стержень, после чего каждый однофазный сердечник или наружный периметр всего трансформатора охватывается стягивающими лентами. В ряде случаев благодаря своей компактности и полной симметрии трех фаз такой трансформатор при нормальной частоте может оказаться наиболее приемлемым.
Рис. 39. Симметричный трехфазный трансформатор на трех разъемных ленточных сердечниках.
Рис. 40. Групповой трехфазный трансформатор на фигурных разъемных ленточных сердечниках.
1- сердечник; 2 — обмотки; 3 — межобмоточная изоляция; 4 — лента с сухариками и винтом для стяжки сердечника.
- — сердечник; 2 — катушки.
Заключительные замечания. Рассмотренные выше принципы выполнения конструкций применимы, за некоторыми оговоренными исключениями, ко всем типам трансформаторов. Отдельные из них имеют, однако, те или иные особенности, которые следует дополнительно рассмотреть.
Для двухкатушечного стержневого трансформатора важно обратить внимание на порядок расположения обмоток по стержням. Чтобы избежать недопустимо большого расстояния между обмотками, первичную обмотку всегда нужно разбивать на две равные части, располагаемые на двух стержнях и соединяемые последовательно или параллельно (см. также ниже, § 17).
Рис. 41. Стержневой трансформатор с двумя накальными обмотками. 1 — первичная обмотка; 2, 5 — накальные обмотки.
То же в общем случае справедливо и для каждой вторичной обмотки. Однако если этих обмоток две и более, можно каждую обмотку располагать целиком на одном стержне, так группируя их, чтобы суммарные мощности вторичных обмоток на каждом стержне были приблизительно одинаковы.
Рис. 42. Однокатушечные стержневые высоковольтные трансформаторы с изоляцией термореактивным компаундом.
Это упрощает конструкцию трансформатора. Стержневой трансформатор с двумя одинаковыми накальными обмотками показан на рис. 41. Это положение используется, в частности, в галетных трансформаторах. Заметим, что хотя принципиально галетные трансформаторы можно изготовлять и в броневом исполнении, Практически такие трансформаторы изготовляют обычно как стержневые, так как желательно разместить как можно большее число галет.
Если сравнить в конструктивном отношении разные типы однофазных трансформаторов, то можно сказать, что простейшим из них является однокатушечный стержневой трансформатор, особенно при использовании ленточных сердечников. Поэтому его применение рационально в ряде случаев для высоковольтных трансформаторов, где вопросы простоты конструкции выступают на первый план. Высоковольтные однокатушечные стержневые трансформаторы показаны на рис. 42. Из броневых и двухкатушечных стержневых трансформаторах малой мощности при штампованных наборных сердечниках предпочтения заслуживают первые; при ленточных сердечниках вопрос усложняется: БТ проще вследствие использования одной катушки, вместо двух у СТ, но требуют двух сердечников (см. рис. 3, 4) с соответствующим усложнением конструкции. Тороидальный трансформатор достаточно прост с точки зрения крепления, но здесь затруднено выполнение надежной слоевой и межобмоточной изоляции. Подробное сравнение различных типов трансформаторах малой мощности по ряду признаков проведено ниже, в § 22.
Для применения в качестве высоковольтных и высокопотенциальных каждый из этих типов трансформаторов может оказаться лучшим в зависимости от конкретных условий. В частности, в высокопотенциальном ТТ из-за отсутствия открытого корпуса облегчено выполнение корпусной изоляции. Так, без принятия специальных мер удается выполнять некоронирующие сухие залитые ТТ с потенциалом до 25 кВ.
В заключение отметим, что конструкции современных трансформаторах малой мощности, предназначенных для использования в специальной аппаратуре, рассчитаны на высокие требования в части механических и климатических воздействий (удары, тряска, вибрации, влажность, мороз, высотность и т. д.).
