Технология сегментированных крышек сердечников для тороидальных аудио трансформаторов

    Типичный метод изготовления тороидального трансформатора включает создание стального сердечника, изоляцию сердечника, наматывание магнитного провода вокруг сердечника для создания первичной обмотки, изоляцию первичной обмотки, намотку магнитного провода поверх изоляции для создания вторичной обмотки и изоляцию вторичной обмотки. Для крепления трансформатора используют либо монтажную шайбу и болт, либо центр трансформатора заливают эпоксидной смолой с отверстием для болта. Операции выполняются практически всегда  в такой последовательности.Медицинский трансформатор

Разработка и изготовление сегментированных крышек сердечников

    Крышки сегментированных сердечников поддерживают первичную и вторичную обмотки в чередующихся секторах для уменьшения тока утечки. Несколько модульных электроизоляционных сегментов обычно защелкиваются или иным образом соединяются вместе с образованием кольцевых или полукольцевых крышек сердечников для покрытия или частичного покрытия кольцевого тороидального сердечника трансформатора. Сегменты или модули обычно изготавливаются из материалов Zytel® ,FR50, Rynite® FR530 или Zytel® E103HSL.

  Модули крышки сердечника изолируют медные обмотки от сердечника по всему диапазону обмоток и обеспечивают двухслойную изоляцию между соседними обмотками, что значительно снижает ток утечки по сравнению с обычными тороидальными трансформаторами. Они также обеспечивают прямое охлаждение активной зоны трансформатора окружающим или принудительным воздухом без промежуточной изоляции. Колпак сердечника также может быть собран из компонентных модулей на законченном тороидальным сердечнике  с обмоткой.

Оболочка сердечника трансформатора        оболочка для медицинского трансформатора

Сегменты каждого модуля включают в себя пару разнесенных, обычно электрически изолированных стенок, а также выступающую часть панели, разделяющий обмотки. Стенки расположены под заранее определенным углом относительно друг друга, обычно 30 градусов, 45 градусов, 60 градусов и т.п., так что каждый модульный сегмент охватывает дугу примерно 30 градусов, 45 градусов, 60 градусов и т. д. Стенки включают в себя зацепляемые, обычно охватываемые и охватывающие, соединительные части, так что расположенные рядом сегменты могут многократно зацепляться друг с другом, причем достаточное количество соединенных сегментов образует колпак кольцевого сердечника.

Защита обмоток медицинского трансформатораЗащита обмоток медицинского трансформатора

    Количество сегментов, необходимых для завершения крышки сердечника, заранее определено и обычно является функцией заранее определенного угла между стенками; например, если угол составляет 45 градусов, потребуется соединить вместе восемь сегментов, чтобы определить форму кольца. Если угол составляет 60 градусов, для того чтобы получить форму кольца потребуется только шесть сегментов. Хотя крышки сердечников обычно изготавливаются из идентичных модулей , они могут альтернативно включать в себя комбинации модулей крышек сердечников, охватывающих разные дуги, например, четыре модуля крышки сердечников, охватывающих 45 градусов каждый, и шесть модулей крышек сердечников, охватывающих 30 градусов каждый.

  Хотя модули одинакового размера и формы обычно более удобны, практически нет ограничений на комбинации размеров и форм модулей крышки сердечника, которые можно комбинировать, чтобы получить необходимую крышку ядра, имеющую желаемые свойства и характеристики.

Разделительные стенки

 При соединении (замковом зацеплении) образуются относительно плоские и  гладкие стороны (поверхности), и барьеры располагаются друг напротив друга. Барьеры определяют параметры, которыми ограничиваются чередующиеся обмотки проводов, обычно чередующиеся первичные и вторичные обмотки.

  Сегменты включают в себя одну или несколько перегородок или стенок, расположенных так, чтобы частично или полностью проходить через верхнюю часть панели, чтобы дополнительно определить параметры, между которыми направлены обмотки проводов. Одна или несколько перегородок обычно расположены на равном расстоянии между стенками и / или друг другом, соответственно. Разделители обычно ориентированы так, чтобы проходить радиально наружу от центра сердечника и / или кольцевого пространства, образованного соединенными сегментами; другими словами, каждое соответствующее разделение обычно лежит на радиусе кольцевого пространства, хотя разделительные стенки могут иметь другие удобные формы и контуры по желанию.

  Сегменты дополнительно включают в себя панель крышки с внешним диаметром D и / или панель с  внутренним диаметром сердечника D, которые проходят вниз так, чтобы, по крайней мере, частично покрывать наружный D и внутренний D, соответственно, тороидального кольца сердечника, расположенного напротив сердечника покрывают панели частично или полностью сформированного кольцевого пространства. Эти панели могут быть плоскими для покрытия сердцевинного кольца, имеющего плоские стороны внешнего и внутреннего диаметра, или изогнутыми, чтобы следовать за  кольцом ядра, имеющим закругленные или изогнутые части внутреннего и внешнего диаметра.

    Стены усечены и не проходят через панели. В некоторых из них нижние стены расположены напротив панели от соответствующей стены. Нижняя стенка также может включать в себя совмещаемые соединители для совместного соединения. Некоторые из сегментов содержат ребра, расположенные на верхней стороне панелей, чтобы создать воздушный зазор между витками проволоки и верхней стороной кольца. Создание воздушного зазора облегчает воздушное охлаждение обмоток, позволяя воздуху циркулировать между обмотками и верхней стороной крышки.

  Инструмент для намотки крышки с сегментированным сердечником

  Инструмент для намотки используется для облегчения намотки сердечника с крышкой из одной бобины. Инструмент для намотки обычно представляет собой плоское кольцо с выступающим ободом или фланцем, выходящим из внешнего диаметра. Кольцо обычно имеет прорезь, что придает ему С-образную форму. Размер кольца соответствует размеру сегмента, а размер прорези позволяет пропускать провод на сегмент. Инструмент для намотки также обычно включает в себя удлиненный дугообразный проволочный фиксатор, имеющий несколько частичных прорезей и одно или несколько фиксирующих отверстий для соединения проволочного фиксатора с одним или несколькими сегментами во время процесса наматывания проволоки.инструмент для намотки медицинских трансформаторов

  В процессе работы несколько сегментов могут быть соединены друг с другом для образования кольца. Кольцо включает часть верхней крышки кольцевого сердечника, образованную панелями отдельных сегментов. В большинстве случаев кольцо также включает (как правило) равноотстоящие радиальные выступы, образованные взаимно зацепляющимися соединителями, идущими наружу от кольца. Каждый радиальный выступ обычно является частью удлиненной стенки, расположенной на верхней стороне кольца и проходящей радиально внутрь частично или полностью через верхнюю поверхность. Некоторые стенки заканчиваются радиальными выступами, идущими внутрь от кольца. Эти радиальные выступы обычно образуются в результате соединения двух нижних стенок, хотя они могут быть сформированы отдельно.

защищенный медицинский трансформатор

Кольцо может также включать кольцевой сердечник, крышку внешнего диаметра и / или крышку внутреннего диаметра кольцевого сердечника, причем каждая крышка расположена, как правило, перпендикулярно части верхней крышки сердечника и проходит вниз.

Соответствующие крышки обычно состоят из смежных панелей крышки, когда сегменты соединены для образования кольца.

Обычно пара колец колпаков состоит из соединенных сегментов и размещается на противоположных сторонах тороидального сердечника с выровненными наружу выступами. Четное количество сегментов соединено, чтобы образовать каждое кольцо. Провод наматывается непрерывно вокруг чередующихся сегментов, чтобы определить первичные обмотки, по N витков на сегмент. Обычно все намотки могут быть выполнены с одной бобины или челнока за одну операцию непрерывной намотки шпульки, при этом провод направляется от одного сегмента к следующему через канавку или зазор между двумя противоположными крышками сердечника. Провод обычно разрезают или перерезают, чтобы изолировать первичные обмотки от вторичных обмоток, а затем намотанный сердечник можно обернуть изоляцией, как при обычной намотке тороидального трансформатора. В некоторых намотках может использоваться инструмент для облегчения намотки сердечника. Катушки, намотанные таким образом, сохраняют преимущества тороидальных трансформаторов, но при этом они легче, меньше, эффективнее и тише, чем набранные  сердечники  E-I. Намотанные таким образом сердечники демонстрируют меньший межобмоточный ток утечки по сравнению со стандартными сердечниками тороидального трансформатора.

Обычно первичные обмотки занимают сегменты с нечетными номерами, начиная с намотки первого сегмента, а вторичные обмотки занимают сегменты с четными номерами. Каждое кольцо может содержать несколько сегментов, таких как шесть, девять или двенадцать, и сердечник может быть намотан с первичной, вторичной и третичной (не показаны) обмотками, как указано выше, чтобы получить трехфазный трансформатор. Как вариант, кольцо может содержать сегменты различной конфигурации.

Изолирующий материал, такой как полоса из MYLAR, может быть расположен так, чтобы закрывать часть сердечника, открываемую зазором, или сердечник может быть частично или полностью завернут в изолирующий материал перед установкой на него крышек. В других конструкциях стены разнесены и ориентированы относительно друг друга для образования кольцевого пространства, но физически не связаны друг с другом. Все выводы имеют двойную изоляцию / оплетку и крепятся кабельными стяжками.

Медицинский трансформатор           Схема защищенного медицинского трансформатора

 

Резюме: преимущества сегментированного закрытого сердечника.

Если нужно спроектировать сегментный колпак сердечника, отвечающий требованиям безопасности в отношении утечки и зазоров, то время изготовления сокращается, поскольку:

-Нет необходимости в заземлении и межобмоточной изоляции, а также во внешней обмотке.
-Первичная и вторичная обмотки могут быть намотаны на одной машине, что сокращает время обслуживания.
-При условии, что крышка имеет монтажное отверстие, нет необходимости заполнять центр трансформатора эпоксидной смолой.
-Можно спроектировать крышку сегментного сердечника, состоящую из повторяющихся секций, которые «защелкиваются вместе», тогда затраты на инструмент и сборку крышек будут еще меньше, т.к. стоимость инструмента для меньшей детали для литья под давлением меньше, чем стоимость инструмента для большей детали.

-Сборка «защелкивающихся» деталей требует меньшего уровня навыков, чем другие методы изоляции жил. 
 

    Можно спроектировать сегментный трансформатор с крышкой сердечника, которая допускает обтекание сердечника и обмоток воздушным потоком, в итоге повышение температуры будет меньше, поскольку:

-Существует прямой путь для выхода тепла из неизолированного сердечника в окружающую среду.
-Отсутствует межобмоточная изоляция и внешняя оболочка, задерживающая тепло.
-Все обмотки имеют прямой путь для передачи тепла от них в окружающую среду.
                Если можно спроектировать крышку сегментного сердечника с монтажными отверстиями, тогда вес трансформатора будет меньше, потому что:

  • Не требуется эпоксидная смола по центру
  • Никакой монтажной шайбы не потребуется

Сегментный трансформатор с крышкой сердечника и стандартный тороидальный трансформатор-сравнение.

сравнение обычного и медицинского трансформаторовТрансформаторы с сегментными колпаками обеспечивают значительное снижение тока утечки и тепловыделения по сравнению со стандартными тороидальными трансформаторами. Теплообмен в сегментном трансформаторе с цоколем сравнительно лучше, так как конструкция крышки обеспечивает всю необходимую изоляцию. В ходе эксперимента было обнаружено, что простой разделительный трансформатор с простой схемой (коэффициент трансформации  1: 1) покрытый сегментными колпаками, имеет преимущества по нагреву-охлаждению по сравнению с обычным трансформатором на 13 ~ 17 ° C.

 

Параметры теста Стандартная тороидальная конструкция (1500ВА) Сегментная покрытая конструкция сердечника(1500ВА)
Напряжение хол.ход 240 V 239.64 V 239.60 V
Ток хол.ход 240 V 36 mA 48 mA
Потери в сердечнике 240 V 7.9 W 8.8 W
Ток холостого хода 264 V 85 mA                        85 mA
Потери в сердечнике 264 V 12.0 W 11.9 W
Максимальный ток утечки 264 V 81 µA 14 µA
Утечка (высокий потенциал)5 kV, 50 Гц, 2 сек. 1030 µA 210 µA
Сопротивление постоянному току в первичной обмотке 28°C 0.719 0.779
Сопротивление постоянному току во вторичной цепи 28°C 0.784 0.781
Выходная мощность при тепловом равновесии 1440 VA 1425 VA
Входная мощность при тепловом равновесии 1524 VA 1519 VA
Эффективность 94.49% 93.81%
Температура поверхности 111.5°C 98.6°C
Окружающая температура 29.4°C 30°C
Прирост температуры 82.1°C 68.6°C
Размер Ø200 × 90мм Ø200 × 90 мм

Весовое сравнение

   Вес Стандартная тороидальная конструкция  Сегментная конструкция сердечника
Сердечник 7.80 KG 7.80 KG
Колпачки 400 гр.  360 гр.
Медь 1.90 кг 1.95 кг
Центральная заливка 0.60 кг
Общая 10.7 кг 10.1 кг

Сравнение повышения температуры

   Мощность Прирост температуры (°C)
Стандартная тороидальная конструкция  Сегментная конструкция сердечника  Разница 
1500VA (Номинал) 82.1 68.6 13.5
1800VA 108.3 91.5 16.8

Сравнение рабочего времени

Стандартная тороидальная конструкция 
 Сегментная конструкция сердечника   Разница 
100% 66% 34%

Конструкция трансформатора с крышкой сегментного сердечника обеспечивает лучший отвод тепла, поэтому они могут быть рассчитаны на увеличенную мощность при том же объеме, что является основным преимуществом. Таким образом, они относительно меньше по размеру и легче по весу по сравнению с трансформаторами стандартной конструкции для тех же уровней мощности. Другими преимуществами являются меньший ток утечки, меньшая стоимость производства и экономичная конструкция монтажа.

     Например, ниже представлено сравнение сегментного трансформатора на 1500 ВА (расширенная мощность 1800 ВА) с нашим стандартным медицинским трансформатором на 1800 ВА стандартного тороидального исполнения.

Сравнение тестов

Параметры теста Стандартная тороидальная конструкция Сегментная конструкция сердечника
Напряжение хол.хода 240 V 247.35 V 239.60 V
Ток хол.хода 240 V 55 mA 48 mA
Ток утечки 264 V 86 µA 14 µA
Утечка при 5 кВ, 50Гц, 2 сек 1100 µA 210 µA
Сопротивление постоянному току в первичной обмотке 28°C  0.414 0.779
Сопротивление постоянному току во вторичной обмотке 28°C 0,480 0.781
Эффективность 94..48050% 93.50%
Температура поверхности 120°C 121.5°C
Окружающая температура 30°C 30°C
Прирост температуры 90°C 91.5°C
Размер Ø210 × 100 мм Ø200×90 мм

Сравнение по весовым показателям

Вес  Стандартная тороидальная конструкция  Сегментная конструкция сердечника
Сердечник 11.3 кг 7.80 кг
Колпачки 500 гр. 360 гр.
Медь 2.70 кг 1.95 кг
Центральная заливка 0.50 кг
Общая 15.0 кг 10.1 кг

Сравнение рабочего времени

Стандартная тороидальная конструкция Сегментная конструкция сердечника  Разница
100% 66%     34%

Заключение

Хотя конструкции тороидальных трансформаторов в целом являются достаточно продвинутыми, этот технический анализ показывает, что еще есть возможности для инноваций и повышения эффективности за счет использования технологии сегментированных крышек сердечников. Мы надеемся, что эта работа будет полезна производителям медицинского оборудования, разработчикам магнитных материалов и всем, кто может быть заинтересован.

К списку статей

 

Заказать или получить консультацию

Всего комментариев: 0

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован.