Как самостоятельно собрать трансформатор из Ш-образных пластин
Принцип сборки и изготовления самодельного трансформатора из набора стальных Ш-образных пластин, полезная статья конструктору и радиолюбителю. В [1, 2] были описаны трансформаторы питания на частоте 50 Гц с их конструктивной особенностью и методами расчета. Конечно, нужный сердечник после расчета трансформатора можно, например, взять от старого ненужного или сгоревшего трансформатора.
Найти необходимый провод для намотки обмоток трансформатора так же не составляет труда. А вот изготовить каркас для намотки обмоток, правильно намотать их и грамотно сделать выводы этих обмоток непросто.
Любители при изготовлении трансформаторов используют как Ш-образные сердечники, так и тороидальные. Трансформаторы на тороидальных сердечниках, конечно, имеют ряд достоинств по сравнению с трансформаторами на Ш-образных сердечниках.
Однако производить намотку обмоток на тороидальных сердечниках в практике любителя довольно сложно: необходим челнок, нужно подсчитать примерную длину провода для намотки и т.д. Поэтому чаще всего любители мотают трансформаторы на Ш-образных сердечниках.
Сердечник такого трансформатора собирают из отдельных Ш-образных пластин из трансформаторной стали (рис.1), которые складывают в определенном порядке. Необходимую толщину набора определяют расчетным путем или используют готовые данные.
Например, из расчета следует, что железо Ш85 с толщиной набора 36 мм, значит, необходимо железо из Ш-образных пластин с шириной средней части не менее 25 мм и нужно набрать сердечник с толщиной не менее 36 мм. На сердечник из трансформаторной стали обязательно надевают каркас, на который наматывают обмотки. Для силовых трансформаторов пластины из трансформаторной стали собирают, как показано на рис.2, чтобы получить замкнутый магнитопровод.
Рис. 1. Сердечник трансформатора из Ш-образных пластин из трансформаторной стали.
Когда необходимое железо подобрано, приступают к изготовлению каркаса, на который наматывают обмотки трансформатора. Каркас лучше всего изготовлять из ге-тинакса, фибры, текстолита. Начинают со снятия размеров сердечника: ширины средней пластины и толщины набора.
Затем замеряют толщину материала, из которого изготавливают каркас. Берут лист бумаги и, нарисовав на ней эскизы изготавливаемых деталей каркаса, пишут на них полученные результаты (рис.3). К ширине сердечника прибавляют удвоенную толщину материала «p», получают размер «а» на эскизе. Далее прибавляют к толщине набора сердечника удвоенную толщину материала, получится размер «б» на эскизе («в» — толщина материала).
Рис. 2. Сборка трансформатора из Ш-образных пластин
Рис. 3. Эскизы изготавливаемых деталей каркаса для трансформатора.
Потом на материал переносят полученные размеры с эскиза. Если материал тонкий, то детали вырезают ножницами, а если толстый — с помощью резака. Далее в деталях напильником (надфилем) пропиливают пазы. В первой детали рис.3 (щечки) сверлят отверстия под выводы, затем прорезают окна.
Необходимо изготовить шесть деталей каркаса. Две щечки и по две боковинки (детали 2 и 3, рис.3). Далее кладут детали на рабочий стол и собирают каркас (рис.4).
Если нужно, подгоняют (подпиливают) замки деталей каркаса. Обе щечки сначала складывают вместе и закрепляют на одной из сторон, затем, защелкнув замки, смещают их на свои места. Каркас, изготовленный таким образом, достаточно прочный, не прогибается при намотке и не деформируется.
После сборки каркаса закругляют напильником (надфилем) его острые кромки, выравнивают замки и снимают все заусенцы. Для большей прочности и лучшего округления углы гильзы каркаса промазывают клеем.
Рис. 4. Сборка самодельного каркаса для трансформатора.
Изготавливают изоляционные прокладки между обмотками, а при необходимости, и между рядами (витками) обмоток. Для изготовления изоляционных прокладок очень хорошо подходит тонкая лакоткань, калька, тонкая плотная бумага, конденсаторная или папиросная, а также плотная кабельная или оберточная бумага.
Из этих материалов делают заготовку изоляционных прокладок, нарезав ножницами полоски нужной ширины (по ширине они должны быть чуть больше, чем ширина между щечками гильзы каркаса трансформатора). Это нужно для того, чтобы крайние витки не провалились на предыдущий слой (рис.5). При намотке излишние края чуть-чуть подрезают ножницами, чтобы прокладки не пузырились. Полоски делают длиннее одного оборота примерно на 2. З см, чтобы потом заклеить.
В работе используют хлорвиниловые трубочки, кусочки лакоткани, изоленты, а также нитки для закрепления выводов обмоток. При намотке обмоток лучше всего применять специальные намоточные приспособления (станки) со счетчиком числа намотанных витков провода. Такие станки были опубликованы неоднократно в технической литературе, например в [3].
Если такого станка нет, можно воспользоваться обыкновенной ручной дрелью (рис.6). Дрель закрепляют в тисках, прикрепленных к рабочему столу. Но в этом случае число намотанных витков придется считать самостоятельно, делая отметки на бумаге. В дрель закрепляют длинную шпильку с резьбой М4-М6 и с помощью гаек закрепляют каркас для намотки обмоток трансформатора.
Для удобства изготавливают из деревянного бруска небольшую вставку (по внутреннему размеру каркаса) с просверленным по осевому центру отверстием, равному диаметру шпильки. Такая вставка позволяет отцентрировать каркас, а значит, легче и удобнее производить намотку провода.
Далее берут кусок многожильного выводного провода, зачищают его и, спаяв с намоточным проводом, делают изолированный вывод (рис.7) через изоляционную прокладку. Вывод нужно намотать на шпильку, чтобы он не мешал при намотке обмоток трансформатора. Затем производят намотку обмоток.
Левой рукой слегка натягивают намоточный провод, стараясь укладывать его виток к витку без пропусков. При необходимости сделать отвод от части обмотки, зачищают эмальпровода примерно на длину 3. 5 мм и припаивают отвод, затем соединение изолируют любым способом и продолжают намотку. Если провод намотки диаметром более 0,35 мм, то его можно использовать в качестве выводного.
Рис. 5. Укрепление каркаса для катушки трансформатора.
Между рядами для надежности через каждые 500 витков располагают изоляционные прокладки.
Рис. 6. Используем ручную дрель для намотки катушки трансформатора.
Рис. 7. Крепление и изолирование выводов катушек трансформатора.
Рис. 8. Развертка кожуха для трансформатора.
Сначала наматывают первичную (сетевую) обмотку, а потом все вторичные обмотки. Когда обмотки намотаны, собирают трансформатор (рис.2). После сборки киянкой слегка обстукивают сердечник, чтобы он выровнялся. Заключительная операция — изготовление кожуха из металлической пластинки.
Когда кожух готов, обжимают им магнитопровод трансформатора и устанавливают его на место. Как правило, последняя пластина сердечника плохо входит в пакет. Чтобы избежать повреждения гильзы каркаса, в середине пакета сердечника две пластины устанавливают с одной стороны, а в конце сборки последнюю пластину вставляют между ними с обратной стороны.
Последнюю изоляционную прокладку сверху обмоток лучше всего изготовить из белой бумаги и написать на ней, какие обмотки имеются в трансформаторе и их данные (количество витков в каждой обмотке и диаметр применяемого обмоточного провода этих обмоток).
О. Г. Рашитов, город Киев, Украина. Электрик-2004-12.
- Рошитов О.Г. Тронсформоторы питония но чостоту 50 Гц. Электрик-2002-3, 6.
- Рошитов О.Г. Росчет силовых тронсформоторов но тороидольном сердечнике с помощью таблицы. Электрик-2003-10.
- Кровченко А.В. Стонок для ручной номотки котушек тронсформоторов. Родіоамотор-2002-11.
Магнитопровод
Магнитопровода (сердечники) для производства трансформаторов по современной и экономически выгодной технологии UNICORE (эта технология магнитопроводов разработана и запатентована Австралийской компанией А.Е.М Cores).
Магнитопровод, или сердечник, представляет собой систему однофазного или трехфазного трансформатора, которая замыкает магнитный поток под действием электрического тока. Данная деталь применяется в качестве основы при установке обмоток, переключателей или других элементов. Конструкция обеспечивает более эффективное преобразование напряжения тока при уменьшении потерь.
Магнитопроводы широко используются в различных устройствах бытового назначения, статорах, якорях электродвигателей, генераторах, сглаживающих, помехоподавляющих, ограничивающих и коммутирующих дросселях, силовых трансформаторах.
Особенности конструкции и типы магнитопроводов
В целях уменьшения индуктивного сопротивления тока сердечники изготавливают из специальной электротехнической стали с улучшенными магнитными свойствами материала. Устройство собирают из отдельных тонких пластин, а затем изолируют друг от друга жаростойким покрытием.
Составляющими элементами в конструкции выступают стержни и ярмо. На стержни наматываются обмотки, а ярма обеспечивают соединение устройства а одну замкнутую систему. Переменный ток катушки возбуждает в системе магнитный поток.
В зависимости от назначения трансформатора, условий эксплуатации и способов изготовления устройства делятся на стержневые и броневые. Эти виды изготавливаются и выглядят по-разному:
- Наиболее популярны в использовании стержневые, которые имеют вид буквы П. В них обмотки нанизывают на стержни, которые потом соединяются ярмом. Данные магнитопроводы просты в обслуживании, их легко ремонтировать. Устанавливаются различных трансформаторных устройствах с высоким напряжением.
- Броневые устройства имеют вид буквы Ш, а обмотки накручиваются на средний центральный стержень. Более сложны в сборке и уходе.
- Троидальные конструкции изготовлены в виде кольца с прямоугольным сечением, где обмотки насаживаются на кольцо. Данный тип — самый энергетически энергоэффективным.
Бывают также ленточные разрезные, пластинчатые и несколько других видов.
Преимущества магнитопровода
На действии сердечника основана работа преобразования напряжения в трансформаторе, поэтому деталь должна иметь высокие характеристики. Основные преимущественные показатели:
- минимум потерь электроэнергии при максимуме напряжения;
- невысокая себестоимость и розничная цена;
- высокая магнитопроводящая способность;
- несложное производство, простая сборка;
- возможность выполнения деталей любой формы;
- наличие нескольких разновидностей конструкций;
- прочность и долгий срок службы по сравнению с другими подобными деталями.
Устройство трансформатора
Магнитопровод. Трансформаторы могут быть трех видов: стержневые, броневые и тороидальные, принадлежность к одной из групп определяет конфигурация магнитопровода.
На рис. 1а изображен стержневой трансформатор. Стержни магнитопровода 1 охватывают обмотки 2. В броневом трансформаторе, который изображен на рис. 1б, наоборот, обмотки 2 частично охвачены магнитопроводом 1, который как бы служит броней обмоткам. Обмотки в трансформаторе тороидального типа (рис. 1в) равномерно распределены по окружности магнитопровода 1.
Рис. 1. Устройство стержневого (а), броневого (б) и тороидального (в) трансформаторов
Трансформаторы, имеющие среднюю и большую мощность, как правило, изготавливают стержневыми. Их конструкция наиболее простая, что облегчает процессы осуществления изоляции и ремонтные работы на обмотках. Их плюсами можно назвать лучшее охлаждение, поэтому обмоточных проводов расходуется меньше. Маломощные однофазные трансформаторы изготавливают броневого или тороидального типа, их вес и стоимость меньше, по сравнению со стержневыми, так как уменьшается число катушек и упрощается их изготовление и сборка. Тяговые трансформаторы, в которых регулировка осуществляется на той стороне, где сопротивление меньше, делают стержневыми, если же регулировка осуществляется на стороне большего напряжения — броневыми.
Для изготовления магнитопроводов трансформаторов используется листовая электротехническая сталь с целью уменьшения потерь, вызываемых вихревыми токами (рис. 2). Берут лист, толщина которого не превышает 0,35-0,5 мм.
Рис. 2. Магнитопроводы однофазного тягового (а) и силового трехфазного (б) трансформаторов: 1 — стержень; 2 — ярмовые балки; 3 — стяжные шпильки; 4 — основание для установки катушек; 5 — ярмо
В основном, используют горячекатаную сталь с большим содержанием кремния, также может использоваться холоднокатаная сталь. Листы изолируются с использованием лака или тонкой бумаги. У среднемощного трансформатора стержни магнитопровода могут иметь сечение в виде квадрата или креста, у самых мощных сечение ступенчатое, почти круглой формы (рис. 3, а). Такое сечение позволяет сделать периметр стержня минимальным при заданной величине площади поперечного сечения, это дает возможность уменьшить длину витков обмоток и, соответственно, минимизировать расход обмоточных проводов. В наиболее мощных трансформаторах делают каналы между стальными пакетами, из которых состоят стержни.
Ширина таких каналов варьируется в пределах 5—6 мм, в них происходит циркуляция охлаждающего масла. Сечение ярма, соединяющего стержни, обычно имеет прямоугольную форму, а его площадь должна быть на 10—15% больше, чем площадь сечения стержней. Благодаря этому сталь нагревается меньше, минимизируются потери мощности.
Собирается магнитопровод для силовых трансформаторов из листов, имеющих прямоугольную форму. Ярмо и стержни сочленяются так, чтобы их листы перекрывались внахлест. Для этого листы смежных слоев сердечника собирают таким образом (рис. 3, б, г): листами ярма 3, 4 и стержней 1, 3 последующих слоев перекрываются стыки в соответствующих листах слоя предыдущего. Тем самым в местах сочленения магнитное сопротивление значительно снижается. Финишная сборка магнитопровода осуществляется после того, как катушки установлены на стержни (рис. 3 в).
В маломощных устройствах сборочный процесс магнитопроводов производится из штампованных стальных листов, имеющих Ш- и П-образную форму, либо берут штампованные кольца (рис. 4 а—в).
Широко распространены и магнитопроводы (рис. 4, г—ж), навивка которых осуществляется узкой лентой из электротехнической стали (холоднокатаной) либо из сплавов железа и никеля.
Обе обмотки, первичная и вторичная, с целью улучшить магнитную связь, располагают на самом малом допустимом расстоянии друг от друга, при этом на каждый стержень магнитопровода ставят одну или две обмотки 2 и 3.
Рис. 3 Формы поперечного сечения (а) и последовательность сборки магнитопровода (б — г)
Рис. 4. Сердечники однофазных трансформаторов малой мощности, собранные из штампованных листов (о, б), колец (в) и стальной ленты (г—ж)
Обмотки размещаются концентрически одна сверху другой (рис. 5, а). Возможно и выполнение обмоток 2 и 3 как перемежающихся секций из дисков — катушек (рис. 5, б). Для первого случая обмотки именуются концентрическими, во втором варианте — чередующимися (дисковыми). В основном, в силовых трансформаторах применяются концентрические обмотки, ближе к стержням расположена низковольная обмотка, которой требуется меньшая изоляция от магнитопровода трансформатора, высоковольтная обмотка расположена снаружи.
Бывает и так, что в трансформаторах броневого вида применяются дисковые обмотки. Тогда по краям стержня ставят катушки от низковольтной обмотки. Соединяться отдельные катушки могут последовательно или параллельно. В трансформаторах ЭПС у вторичной обмотки имеется несколько выводов, служащих для изменения напряжения, которое подается к тяговым двигателям, тогда на каждый стержень ставятся по три концентрические обмотки (рис. 5, в). Нерегулируемую часть 4 обмотки вторичной размещают ближе к стержню, а в центре размещают первичную обмотку 5 большего напряжения, над ней располагается регулируемая часть 6 вторичной обмотки. Так как регулируемая часть данной обмотки размещена снаружи, выполнение выводов от ее витков значительно упрощается.
В трансформаторах небольшой мощности применяют многослойные обмотки, провод имеет сечение круглой формы, изоляция может быть эмалевой или хлопчатобумажной. Провод накручивают на каркас, сделанный из электрокартона. Изоляция слоев производится прокладками, сделанными из специальной бумаги, также используется пропитанная лаком ткань.
Рис. 5. Расположение концентрических (а), дисковых (б) и концентрических трехслойных (в) обмоток трансформатора
В мощных трансформаторах, стоящих на ЭПС, тяговых подстанциях и т.п., применяют обмотки спиральные непрерывные (рис. 6, а) и параллельные винтовые (рис. 6, б), характеризующиеся высокой надежностью и большой механической прочностью. Непрерывная обмотка в виде спирали служит первичной (высокого напряжения) и регулируемой частью вторичной обмотки (низкого напряжения). Составляет такую обмотку ряд плоских катушек, имеющих один и тот же размер и соединенных последовательно между собой. При этом расположены они одна над другой. Разделяют их прокладки и рейки, сделанные из электрокартона. Этими деталями образованы каналы (горизонтальные и вертикальные), по каналам идет масло (охлаждающая жидкость).
Чтобы повысить электрическую прочность при воздействиях атмосферного напряжения, первые и последние пары катушек первичной (высоковольтной) обмотки изготавливают с усиленной изоляцией. Фактор усиленной изоляции ухудшает охлаждение. Чтобы избежать этого, провода этих катушек должны иметь площадь сечения больше, чем у иных катушек высоковольтной обмотки (первичной).
Винтовую параллельную обмотку применяют как нерегулируемую часть вторичной обмотки. Витки этой обмотки наматывают в направлении оси аналогично винтовой резьбе. Обмотка делается из определенного числа параллельных проводов, сечением прямоугольной формы. Эти провода друг к другу прилегают в радиальном направлении. Разделяют отдельные витки и целые группы проводов каналы с циркулирующей по ним охлаждающей жидкостью.
Рис. 6. Непрерывная спиральная (а) и винтовая (б) обмотки мощных трансформаторов электрического подвижного состава: 1 — выводы; 2,6 — каналы для прохода охлаждающей жидкости; 3 — катушки; 4 — опорные кольца; 5 — рейки; 7 — бакелитовый цилиндр; 8 — проводники обмотки
Рис. 7. Устройство трансформаторов общего назначения (а) и тягового (б) с масляным охлаждением: 1— термометр; 2 — выводы обмотки высшего напряжения; 3—выводы обмотки низшего напряжения; 4, 6 — пробки для заливки масла; 5 — масломерное стекло; 7 — расширитель; 8 — сердечник; 9, 10 — обмотки высшего и низшего напряжений; 11 — пробка для спуска масла; 12 —бак для охлаждения масла; 13 — трубы для охлаждения масла; 14 — теплообменник; 15 — воздуховоды; 16, 18 — стойки для установки переключателя выводов трансформатора; 17 — заводской щиток; 19 — насос для циркуляции масла; 20 — опорные балки
Количество параллельных проводов зависит от величины тока, который будет проходить по обмотке.
Охлаждающая система. Применяемый способ охлаждения трансформатора определяет его номинальная мощность. Чем она больше, тем интенсивнее должно производиться охлаждение трансформатора.
В трансформаторах небольшой мощности обычно применяют естественное охлаждение воздухом, называются такие устройства «сухими». Тепло от нагреваемых поверхностей магнитопровода и обмоток в них отводится прямо в окружающий воздух. Иногда маломощные трансформаторы находятся в корпусе, который заполняют термореактивными компаундами, основа которых — эпоксидные смолы либо подобные материалы.
В трансформаторах, мощность которых средняя или большая, сердечник и обмотки полностью погружены в бак с минеральным маслом (трансформаторным), его подвергают тщательной очистке (рис. 7, а). Такой способ теплоотвода называется естественное масляное охлаждение. Трансформаторному маслу свойственна более высокая теплопроводность, чем воздуху, оно лучше отводит тепло к стенкам бака от сердечника и обмоток. Площадь охлаждения у бака больше, нежели у трансформатора. А еще погружение трансформатора в бак, заполненный маслом, позволяет повысить электрическую прочность изоляции обмоток и уменьшить ее старение под воздействием атмосферных явлений. Баки для трансформаторов, имеющих мощность 20-30 кВА, изготавливают с гладкими стенками. Для трансформаторов большей мощности (к примеру, стоящих на тяговых подстанциях), с целью повысить теплоотдачу, площадь охлаждения увеличивают, используя трубчатые баки или баки с ребристыми стенками. Масло, нагревающееся в баке, поднимается вверх, а масло, охлаждающееся в трубах, спускается вниз. Создается естественная циркуляция, которая улучшает охлаждение трансформатора.
На ЭПС переменного тока ставят трансформаторы масляного охлаждения, циркуляция масла в них – принудительная, оно идет через теплообменник, который охлаждается воздухом (рис. 7, б). Подобная система охлаждения позволяет увеличить индукцию в сердечнике, в обмотках — плотность тока, таким образом уменьшают массу и размеры трансформатора. В охлаждающую систему обычно ставят струйное реле, чтобы не дать трансформатору включиться, когда в нем нет циркуляции масла.
При работающем трансформаторе масло нагревается, его объем увеличивается. Когда нагрузка уменьшается, оно остывает, и объем становится прежним. Из-за этого масляные трансформаторы комплектуют дополнительным баком — это расширитель, который соединен с внутренней частью основного бака. Как только трансформатор нагревается, масло переходит в расширитель. Использование расширителя ведет к уменьшению площади соприкосновения масла с воздухом, уменьшается загрязнение и увлажнение масла.
Когда трансформатор работает, нагретое масло разлагается и загрязняется, поэтому оно требует периодической очистки и замены. Чтобы избежать взрыва и пожара, масляные трансформаторы стоят в огражденных помещениях. Максимум допустимой температуры для обмоток — 105°С, сердечника — 110°С, верхнего слоя масла — 95°С.
Чтобы предотвратить аварийные ситуации, устройства большой и средней мощности оснащают газовыми реле, их ставят прямо в трубопроводе, между расширителем и главным баком. Если взрывоопасные газы, которые образуются при разложении масла, собираются в большом количестве, такое газовое реле выключит трансформатор в автоматическом режиме, предотвращая возможность аварии. На трансформаторы, мощность которых составляет более 1000 кВА, ставят и выхлопную трубу, закрываемую мембраной из стекла. Большое количество газов выдавит мембрану и выйдет в атмосферу, это исключает деформирование бака.
Трансформаторы многообмоточные. Самое большое распространение имеют однофазные двухобмоточные трансформаторы (рис. 8, а). Если нужно получить от одного трансформатора не одно, а несколько разных напряжений u21, u22, u23 (рис. 8, б), применяются многообмоточные трансформаторы. Их магнитопровод имеет несколько вторичных обмоток, причем все они имеют разное число витков. Например, у тяговых трансформаторов, используемых в электровозах, есть четыре обмотки: одна — высоковольтная первичная и три — низковольтные вторичные. При этом одна (тяговая) должна питать цепи тяговых двигателей через выпрямитель, в то время как вторая обеспечивает питание собственных электропотребителей (цепи вспомогательных машин, освещение, управление и т.д.), третья предназначена для обеспечения питанием электрических отопительных печей вагонов для пассажиров. Если конструкцией электровоза предусмотрено рекуперативное торможение, то применяется особая вторичная обмотка, которая служит для обеспечения электропитанием возбуждающих обмоток тяговых двигателей, работающих в этом режиме. Есть и такие модели электровозов, в которых питание для всех тяговых двигателей предусмотрено от собственного выпрямителя, при этом трансформатор делается с соответствующим числом вторичных обмоток.
Рис. 8. Схемы двухобмоточного (а) и многообмоточного (б) трансформаторов
Общие сведения о трансформаторах — Магнитная система трансформатора
Магнитопровод трансформатора изготовляют из специальной листовой электротехнической стали с толщиной листов 0,5 или 0,35 мм. При частотах выше 100 гц используют более тонкую сталь. Трансформаторная сталь должна иметь низкие потери, не возрастающие с течением времени (старение стали). Этим требованиям отвечает электротехническая сталь с присадкой кремния от 0,5 до 4,5% (легированная), по способу обработки —- горячекатаная. С увеличением содержания кремния возрастает хрупкость стали. Вместе с тем присадка кремния придает пластичность материалу, полностью устраняет старение стали, снижает потери на гистерезис и вихревые токи, повышает магнитную проницаемость в слабых магнитных полях. С увеличением содержания кремния удельное электрическое сопротивление листовой электротехнической стали возрастает.
Присутствие углерода в стальной полосе увеличивает потери энергии, снижает марку стали. Содержание углерода в листовой электротехнической стали должно быть порядка сотых долей процента. Для уменьшения потерь нужна изоляция между слоями листовой электротехнической стали. Изоляционный слой должен обладать необходимой механической прочностью, химическая стойкость изоляционного слоя при воздействии влаги, охлаждающей среды и нагрева должна быть достаточной. Листы электротехнической стали изолируют специальной тонкой бумагой (редко), оксидированием, специальными лаками, жидким стеклом, окисью хрома. Толщина лаковой пленки бывает от 6 до 8 мкм, изоляционной бумаги — 13—20 мкм. Толщина слоя изоляции влияет на коэффициент теплопроводности через сталь и изоляцию листовой стали, ухудшая отвод тепла.
В таблице 1 приведены значения удельных потерь р (потерь в одном килограмме металла) наиболее распространенных марок электротехнической стали (ГОСТ 802—58). В индексе буквы р числитель означает индукцию В в тесла, а знаменатель — частоту f перемагничивания в герцах, при которых даны эти потери. Буква Э означает — сталь электротехническая; первая за буквой цифра означает степень легированности стали кремнием; 1— слаболегированная, 2 — среднелегированная; 3 — повышеннолегированная, 4 — высоколегированная. Вторая цифра характеризует качество стали в отношении удельных потерь: 1 — потери нормальные, 2 — пониженные, 3 — низкие.
Потери на вихревые токи зависят от квадрата индукции, а потери на гистерезис — от индукции в степени, близкой к двум. Поэтому обобщенно потери в стали с достаточной для практических целей точностью можно считать зависящими от квадрата индукции.
В зависимости от частоты потери на вихревые токи изменяются пропорционально ее квадрату, а потери на гистерезис — пропорционально ее первой степени.
Удельные потери в электротехнической стали (сталь горячекатаная)
Толщина листа, мм
Удельные потери, вт/кг
Толщина листа, мм
Удельные потери, вт/кг
При частоте 50 гц и толщине листов 0,35—0,5 мм потери на гистерезис превышают потери на вихревые токи в несколько раз; вследствие этого зависимость потерь в стали от частоты ближе к первой степени. Поэтому удельные потери для значений В и f, отличных от указанных в таблице 1, можно вычислять по следующим формулам: 
где значение В подставляется в теслах (тл).
Прогресс в конструировании трансформаторов связан с применением новых материалов. В этой связи большое значение имеет использование для магнитопровода холоднокатаной текстурованной стали вместо горячекатаной. Холоднокатаная сталь с 3-процентным содержанием кремния впервые получена в 1932 г. К настоящему времени удается довести число граней куба кристаллов, ориентированных вдоль прокатки, до 95%; магнитные свойства такой стали при намагничивании вдоль направления прокатки значительно выше, чем у обычной горячекатаной стали. В таблице 2 третья за буквой цифра 0 указывает на способ обработки стали — холоднокатаная текстурованная. В поперечном к прокату направлении магнитные свойства холоднокатаной стали значительно хуже, другими словами, эта сталь обладает резкой анизотропией, поэтому ее используют главным образом при изготовлении трансформаторов.
Применение в трансформаторах холоднокатаной стали направленной структуры позволяет либо уменьшить потери при сохранении прежних размеров и индукции, либо повысить индукцию и обеспечить экономию стали и меди.
ТАБЛИЦА 2
Удельные потери в холоднокатаной электротехнической стали 
Основными частями магнитопровода трансформатора, называемого также сердечником, являются стержни и ярма. Стержни — это часть сердечника, на которой размещены обмотки, ярма — часть сердечника, не охваченная обмотками, но необходимая для того, чтобы на всех участках магнитопровода магнитная цепь была замкнутой (рис. 11). Форму сечения стержня определяют, исходя из следующих соображений. На стержне, как правило, размещают катушки обмоток круглой формы. Если для максимального заполнения сталью сечения внутри катушки форму сечения стержня принять также круглой, то, поскольку стержень набирают из отдельных листов, все листы должны были бы быть разных размеров, что практически неприемлемо. Поэтому принята ступенчатая форма сечения стержня — многоугольник, вписанный в окружность (рис. 13). Число ступеней растет с увеличением диаметра окружности и в мощных трансформаторах доходит до 10.
Рис. 13. Форма сечения стержней.
Рис. 14. Форма сечения ярем трансформатора.
Размеры ступени по высоте и ширине при принятом числе ступеней определяются решением геометрической задачи о максимальной площади многоугольника, вписанного в заданную окружность. Коэффициент заполнения сталью сечения внутри обмоток получается достаточно большим, составляя 0,786 при двух и 0,92 при девяти ступенях.
В трансформаторах средней и выше мощности в сечении стержня для улучшения охлаждения предусматриваются каналы, как бы разбивающие стержень на отдельные пакеты, омываемые циркулирующим маслом или воздухом.
Рис. 15. Остов трехфазного трансформатора.
Ярма трансформатора также набирают из отдельных листов. Для упрощения технологии изготовления ярма выбирают сечение в форме прямоугольника (в трансформаторах сравнительно малой мощности) или простой фигуры с небольшим числом ступеней (рис. 14). Для того чтобы в ярме распределение потока по сечению было таким же, как и в стержне, отношение площади сечения отдельной ступени ярма к площади сечения перекрываемой части стержня должно быть одинаковым для всех ступеней ярма. В противном случае поток при выходе из стержня в ярмо (или наоборот) будет соответственно перераспределяться, при этом силовые линии, вынужденные изменить свое направление, пойдут перпендикулярно плоскости пластин ярма, что приведет к возрастанию потерь от вихревых токов.
Рис. 16. Листы сердечника трехфазного трансформатора при сборке внахлестку.
При сборке стержней и ярем в единую конструкцию (сердечник) их соединяют встык или внахлестку (шихтовка).
При сборке встык стержни и ярма, собранные отдельно, соединяют при помощи крепежных частей, например накладок, стягиваемых болтами, вертикальными шпильками (рис. 15).
Рис. 18. Трансформатор с намотанным сердечником:
1 — обмотка; 2 — сердечник; 3 — изоляция между обмотками.
Рис. 17. Стяжка стальных листов стержня:
1 — изоляционный цилиндр: 2 — деревянная планка; 3 — деревянный стержень.
При сборке внахлестку стержни и ярма собирают из пластин, укладываемых в переплет (шихтовка) с чередованием двух видов слоев (рис. 16). После сборки сердечника листы верхнего ярма вынимают, на стержнях размещают обмотки и ярмо снова зашихтовывают.
Трансформаторы со стыковыми магнитопроводами гудят сильнее шихтованных из-за неравномерности зазоров между стержнями и ярма ми, и ток холостого хода в них больше (при индукциях в сердечнике порядка 1,4 тл относительная магнитная проницаемость стали — 600—800, поэтому каждый миллиметр стыкового зазора равноценен приблизительно 600—800 мм стальной части магнитной цепи сердечника).
При шихтовке любое место стыка в одном слое перекрывается с обеих сторон пластинами соседних слоев. Поэтому магнитное сопротивление в месте стыка заметно снижается. При этом способе сборки получается большая механическая прочность сердечника. Благодаря этим преимуществам, а также меньшему весу крепежных частей и отсутствию необходимости в прессовом оборудовании шихтовка стала практически единственным способом сборки сердечника силовых трансформаторов всех мощностей, несмотря на то, что это более длительный процесс сборки и при ремонте приходится расшихтовывать верхнее ярмо.
Стержни и ярма скрепляют шпильками, которые изолируют от листов трубками из бакелизированной бумаги или леатероидом (рис. 17,а).
Стянутые шпильками стержни применяют в трансформаторах мощностью от 2400 кВА (—1000 кВА на стержень). В трансформаторах малой и средней мощности стержни прессуют насадкой обмоток, применяя при этом деревянные планки, забиваемые между ступенями стержня и изоляционным цилиндром (рис. 17,6).
Применение холоднокатаной стали — одно из условий повышения технического уровня трансформаторостроения. Отечественными заводами освоено изготовление холоднокатаной электротехнической стали различных марок (Э310 и др.), и ее применение, в первую очередь для трансформаторов, все более расширяется. Из нее также выполняют однофазные трансформаторы (до 50 кВА) с магнитопроводом, намотанным из ленточной (рулонной) стали (рис. 18).