У броневых трансформаторов (рисунок 3) средний стержень является основным, на нем помещается обмотка (обычно на каркасе). Пластины собираются вперекрышку, так чтобы зазоры в пластинах располагались поочередно с разных сторон обмотки. У пластин, показанных на рисунке 3,а, перемычка (замыкающая сторона) является отдельной деталью. У пластин, приведенных на рисунке 3,б и в, перемычка составляет одно целое с основной пластиной. Сборка всех пластин стержневого магнитопровода производится вперекрышку.
а—в — броневые Ш-образные: г—е — стержневые: П-образный, Г-образный, наборный из прямоугольных пластин; ст — стыки в магнитопроводе Рисунок - Пластины стали для магнитопроводов
Рассмотрим соотношение размеров магнитопровода. Основными размерами являются: ширина основного стержня А и толщина пакета магнитопровода В (на рисунке 3 не показан). Их произведение АВ=Sс — сечение стали магнитопровода. Ширина окна магнитопровода В, его длина D - сечение окна магнитопровода: BD=Sо.
Приведем ориентировочные соотношения остальных размеров магнитопровода. Толщину пакета обычно принимают В=(1-2)А. Для Ш-образных пластин ширина крайних стержней (и перемычек) принимается С=(0,5-0,6)А. Для стержневых магнитопроводов ширину окна для однокатушечных трансформаторов принимают В= (1-1,5)А, для двухкатушечных В= (1,5-2,5)А. Длину окна принимают D= (2-3)А. Надо иметь в виду, что эти соотношения в ряде случаев могут значительно отличаться от приведенных.
Выше было показано влияние стыков магнитопровода на сопротивление магнитного пути. Рассмотрим Ш-образные пластины. Чаще всего применяются пластины, показанные на рисунке 3,а, реже — на рисунке 3,б. Пластины, показанные на рисунке 3,в, раньше встречались часто, но в последнее время применяются редко. Магнитопровод, собранный на пластинах, приведенных на рисунках 3,б и в, имеет по два стыка на пути магнитного потока; магнитопровод, собранный на пластинах, показанных на рисунке 3,а имеет четыре стыка. При ширине крайних стержней, 0,6 среднего индукция в крайних стержнях (и в перемыкающих сторонах) снижена на 20% индукции в основном стержне. Следовательно, если в последнем индукция 1,2 тл, то в крайних стержнях 1 тл. В таком случае сопротивление в стыках с индукцией 1 тл будет примерно в 2 раза меньше сопротивления в стыках с индукцией 1,2 тл (рисунок 2, кривая 2). В магнитопроводе на пластинах, показанных на рисунке 3,б, оба стыка приходятся на участки с индукцией 1,2 тл. Сопротивление стыков не зависит от ширины крайних стержней. В пластинах на рисунке 3,в стыки приходятся на участки с пониженной индукцией. Сопротивление стыков снижается почти вдвое. На пластинах рисунка 3,а из четырех стыков два стыка приходятся на участки с пониженной индукцией. Сопротивление меньше, чем при ширине крайних стержней, равных 0,5 ширины среднего стержня, но больше, чем на пластинах рисунка 3,б, и значительно больше, чем на пластинах рисунка 3,в. Но и при ширине крайних стержней 0,5 среднего пластины рисунка 3,в имеют преимущество против пластин рисунка 4,б в более простой сборке и возможности применения каркаса нормальной длины.
Стержневые магнитопроводы (рисунок 3,г, д) имеют четыре стыка. Оба стержня выполняются обычно одинаковой ширины независимо от того, являются один или оба рабочими (имеющими обмотку). В отношении их остается в силе то, что сказано о Ш-образных пластинах. Магнитопровод из прямоугольных пластин (рисунок 4,е) имеет настолько большой ток намагничивания, что не может быть рекомендован даже для трансформаторов мощностью 1—2 кВ*А.
Следует указать на большую зависимость тока намагничивания от качества штамповки и сборки пластин. Как сказано выше, часть потока в месте стыка проходит непосредственно через зазор. При невысоком качестве штамповки и наличия заусениц, а также при некачественной сборке зазор может увеличиться, что приведет к увеличению тока намагничивания. Особенно некачественная штамповка сказывается на сборке пластин по рисунку 3,б. Так как стыки приходятся на концы гильзы каркаса, то в этих местах получается вздутие, снижающее плотность сборки пакета.
а — Ш-образные; б — П-образные Пунктиром указаны нижние пластины Рисунок 4 - Пластины стали с уширенными основаниями
Рассмотрим магнитопровод, собранный на Ш-образных пластинах, изображенных на рисунке 4,а. Эти пластины от ранее приведенных отличаются отсутствием верхней замыкающей пластины. Нижняя перемычка выполняется той же ширины, что и средний стержень. Собираются пластины вперекрышку. Сверху и снизу с торца получается решетка с продольными просветами. Сечение стали по всему магнитопроводу получается одинаковым, кроме углов, где сечение вдвое больше. Переход потока в поперечные пластины происходит по плоскости соприкосновения пластин, которая составляет для магнитного потока величину А2(n -1), где n — число пластин в пакете.
Если в пластинах по рисунку 3 переход потока в соседние пластины создавал участки повышенного сопротивления, то в магнитопроводе на пластинах по рисунку 4 индукция на участках перехода потока почти в 2 раза ниже индукции в стержнях, поэтому переход потока в соседние пластины не приводит к увеличению тока намагничивания. Аналогично выполняются и стержневые трансформаторы. При этом перемыкающие стороны должны иметь ширину, равную двойной ширине стержня, т. е. 2А. Площадь соприкосновения увеличивается по сравнению с Ш-образными магнитопроводами до величины 2А2(n—1).
Следует сказать, что пластины такой конфигурации применялись в отдельных редких случаях уже давно. Но их применение определялось стабильностью магнитопровода и постоянством тока намагничивания, практически не зависящего от качества штамповки и сборки, чем эти пластины выгодно отличаются от пластин по рисунку 3. Кроме того, значительно упрощается сборка магнитопровода.
Но преимущества магнитных характеристик этой конфигурации оставались долгое время без внимания. Конечно, когда при пластинах по рисунку 3 необходимо снижать индукцию на 20—25%, а для малых трансформаторов на 40—50% так, чтобы индукция в стыках в сквозных пластинах не превышала допустимую, характер изменения тока намагничивания остается также неизменным. Трансформатор работает удовлетворительно, по сталь используется неполноценно.
Сплавы пермаллоя
Только после появления листовых магнитных материалов с очень малыми потерями (с узкой петлей гистерезиса), с резким переходом характеристики в область насыщения начали внедряться различные устройства автоматики, магнитные преобразователи, магнитные усилители, импульсные схемы и другие устройства; при этом выявилась полная непригодность магнитопроводов, имеющих стыки на пути магнитного потока.Для выяснения возможности использования новых магнитных материалов не только в виде торроидов, но и с применением пластин стали, более удобной по технологии, проводились испытания и в России, и за рубежом. Испытания проводились на различных сталях с разными конфигурациями пластин. Выводы по испытаниям, проводимым независимо разными авторами, совпали. Торроиды для новых магнитных материалов во многих случаях оказалось возможным заменить магнитопроводами из пластин.
Листовыми материалами с очень высокой начальной проницаемостью и очень малыми потерями являются сплавы пермаллоя. Эти сплавы содержат от 40 до 80% никеля, до 10% легирующих металлов (в некоторых сплавах они отсутствуют), остальное железо. В наименование марки некоторых сплавов входит его состав, например: Н50 (никель 50%, остальное железо), Н79М5 (никель 79%, молибден 5%, остальное железо). Основным качеством сплавов (помимо высокой начальной проницаемости и малых потерь) является высокая линейность начальной части характеристики, резкий переход в насыщенную часть и малая зависимость этой части характеристики от напряженности.
Если для обычной электротехнической стали применение магнитопровода со стыками лишь снижает качество магнитопровода, то при применении таких магнитных материалов, как пермаллой, последний теряет свои основные качества, необходимые для высокоэффективных магнитных преобразователей.
То обстоятельство, что для пермаллоевых сплавов непригодность устаревшей конфигурации пластин магнитопровода была очевидна, способствовало широкому внедрению для этих материалов новой конфигурации пластин.