ГЛАВА 2

КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

2-1. -Общие технические требования, предъявляемые к импульсным трансформаторам

Импульсные трансформаторы предназначены для работы в схемах блокииг-генераторов, модуляторов, подмодулято­ ров, блоках специальной радиоаппаратуры и в ряде других импульсных устройств.

-Импульсные трансформаторы могут использоваться в самых разнообразных климатических и атмосферных усло­ виях, поэтому при их проектировании и изготовлении необ­ ходимо кроме требования передачи неискаженной формы импульса учитывать еще и условия, при которых они рабо­ тают: температуру окружающей среды, относительную влажность среды, атмосферное давление, вибрационные и ударные перегрузки и другие факторы.

При проектировании импульсных трансформаторов реко­ мендуется применять современные материалы, отвечающие требованиям: получения электрических параметров, стойко­ сти трансформатора к внешним воздействиям, получения минимального веса и габаритов, а также коэффициента полезного действия в допустимых пределах. Спроектирован­ ный трансформатор должен обладать максимальной надеж­ ностью в течение заданного срока службы.

2-2. Магнитные материалы, применяемые для сердечников

Требования, предъявляемые к форме выходного импуль­ са напряжения, в значительной степени зависят от материа­ ла, из которого изготавливается сердечник.

При конструировании импульсных трансформаторов не­ обходимо учитывать поведение магнитных материалов в

различных условиях. У магнитных материалов в условиях климатического и механического воздействий могут сущест­ венно изменяться характеристики, а следовательно, и выход­ ные параметры трансформатора.

Представляет интерес изменение динамической магнит­ ной проницаемости (р,д) в условиях повышенных темпера­ тур и механических воздействий. Магнитная проницаемость должна быть стабильной при различных климатических и механических воздействиях.

Кроме того, существенной величиной с точки зрения габаритов трансформатора является максимально допусти­ мое значение приращения индукции (АВ) за импульс.

Материал, используемый для импульсных сердечников, должен иметь малые потери на вихревые токи и перемагиичивание, чтобы сердечник не перегревался при достаточно больших индукциях.

Желательно также, чтобы магнитные материалы были дешевы и технология изготовления сердечника не требовала сложной механической и термической обработки.

Учитывая перечисленные выше специфические особенно­ сти импульсных трансформаторов, рекомендуется применять следующие магнитные материалы:

а) Холоднокатаную текстурованную ленту из электро­ технической стали.

б) Железоникелевые сплавы (пермаллои). в) Ферриты (оксиферы).

а) Холоднокатаную электротехническую сталь

марок Э340, Э350, Э360 и Э360А изготавливают согласно ГОСТ 9925—61 (табл. 4).

Буквы и цифры в марках электротехнической стали обо­ значают: Э — электротехническая; первая цифра — содержа­ ние кремния в %; вторая цифра — гарантированные электро­

таная, текстуроваиная, имеющая улучшенные магнитные свойства в направлении прокатки; буква А — особо низкие удельные потери.

В импульсных трансформаторах для блокинг-генераторов (табл. 1) применяется лента из холоднокатаной электротех­ нической стали. Сердечники, изготовленные из этой стали,

обладают достаточно стабильными магнитными характери­ стиками при различных климатических и механических воз­ действиях.

(магнитно-мягкие) обладают высокой магнитной проницае­ мостью и'малой коэрцитивной силой в определенных диапа­ зонах напряженности магнитного поля.

Сплавы (ГОСТ 10160—62) изготавливаются в виде хо­ лоднокатаных лент марок: 34НКМП, 38НС, 50НП, 50НПУ, 50НХС, 76НХД, 79НМ, 79НМУ, 80ITXC (табл. 5).

.Названия марок состоят из буквенных обозначений эле­ ментов и двузначного числа впереди, определяющего сред­ нее содержание никеля в процентах, входящего в основу сплава. Химические элементы в марках сплавов обознача­ ются следующими буквами: Д — медь, К —кобальт, М — молибден, Н — никель, С— кремний, X —хром. Буквой «П» обозначаются сплаву, обладающие прямоугольной петлей гистерезиса. Марки сплавов с улучшенными свойствами имеют в конце обозначения букву «У».

Большинство мощных импульсных трансформаторов выполшяется на сердечниках желе&омикелевой труппы. Сер­ дечники из пермаллоевых сплавов применяются в транс­ форматорах с очень жесткими требованиями к форме им­ пульса и особенно к спаду вершины импульса. Отличитель­ ной чертой сплавов железоникелевой групщл является высокая начальная и максимальная проницаемость, а также магнитная проницаемость на частном цикле, малая величи­ на коэрцитивной силы и практически неограниченные воз­ можности по уменьшению толщины проката (до 5 микрон). Намагничивание сплавов железоникелевой группы до насы­ щения 'требует весьма малых магнитных полей (5—10 э).

Так как пермаллоевые сплавы обладают малой величи­ ной коэрцитивной силы, то они с успехом применяются в режиме с размагничиванием (снижение остаточной индук­ ции В0, рис. 1-3). Режим размагничивания позволяет увели­ чить приращение индукции за импульс, что очень важно в мощных импульсных трансформаторах (габариты транс­ форматора уменьшаются). Это приводит к увеличению мак­ симальной магнитной проницаемости на. частном цикле, что благоприятно сказывается на плоской части импульса

Следует отметить как недостаток сердечников из пермаллоевых сплавов их чувствительность к механическим воздействиям. Это заставляет конструктора принимать спе­ циальные меры и помещать сердечник в коробки из изоля­ ционного материала, защищая их таким образом от меха­ нических воздействий (рис. 3-3,6). Широко применяются пермаллоевые сплавы 79НМ и 80НХС.

В трансформаторах, работающих при больших частотах повторения импульсов (до сотен килогерц), применяется сплав 50НХС. Перспективны сплавы 50НП, 76НХД и 34НКМП. Сплав 50НП при применении дополнительного размагничивающего поля позволяет достичь приращения индукции за ийпульс А5=20 000—22000 гс при высоком значении действующей магнитной проницаемости, порядка |хд=4000—7000 гс!э. Сплавы 50НП и 34НКМП обладают кристаллографической или магнитной текстурой.

Сплав 76НХД имеет довольно стабильные магнитные характеристики в широком интервале температур (—60° до +200° С).

в) Ферриты.

Ферриты обладают достаточно высокой магнитной про­ ницаемостью (400—2500 гс/э), относительно небольшой коэрцитивной силой (0,2 э) и большим удельным электриче­ ским сопротивлением рс= 102—108 'ом-см. При высоких ча­ стотах .следования-импульсов (200—300 кгц и выше) реко­ мендуется применять ферриты, так как при этих частотах магнитные потери у ферритов меньше чем у лучших нике­ левых сплавов малой толщины. Потери на вихревые токи резко снижаются вследствие высокого удельного сопротив­

ца— цинка, лития —цинка и т. д. Процентный состав ком­ понентов играет существенную роль в получении тех или иных свойств ферритов.

Процесс изготовления изделий из феррита вкратце сво­ дится к тому, что в смесь предварительно обожженных и тонко измельченных в порошок окислов металлов добавляют пластификатор (обычно поливиниловый спирт) и из полу­ ченной массы под большим давлением прессуют изделия. Эти изделия подвергают обжигу в окислительной среде (кислород) при температуре 1100—1400° С, при этом проис­ ходит спекание и образование твердого раствора феррита.

Усадка ферритов при обжиге может достигать 20%, пОэтсъ му трудно выдерживать размеры сердечника. Это является недостатком ферритов.

Ферриты — твердые и хрупкие материалы, не позволяю­ щие производить обработку резанием и допускают шлифов­ ку и полировку.

2-3. Конструкция и технология изготовления сердечников

Сердечник является одним из основных элементов транс­ форматора. Технические требования, Предъявляемые к им­ пульсным трансформаторам, привели к появлению новых конструкций сердечников, разработке новых магнитных материалов и технологии их изготовления.

В импульсных трансформаторах широко применяются навитые ленточные .сердечники. При толщине пластин мень­ ше 0,1 мм существующая конструкция шихтованных сердеч*- ииков делается нетехнологичной и- поэтому в таких случаях возможно применение только навитых ленточных сердечни­ ков. Большая скорость изменения магнитного потока в импульсных трансформаторах приводит к возникновению в сердечнике мощных вихревых токов (гл; 1, 1-3 в). Для их уменьшения необходимо изготавливать магнитную систему из очень тонкого материала (0,02—0,08 мм).

Ленточные, навитые сердечники дают возможность так­ же полностью использовать текстурованные свойства ряда магнитных материалов. При направлении магнитного пото­ ка вдоль прокатки (текстуры), уменьшаются потери в стали и намагничивающий ток. Навитые сердечники получили болыно.е распространение еще и потому, что их производ­ ство можно полностью автоматизировать, обеспечить мини­ мальные отходы стали, уменьшить габариты и вес. Все это выгодно отличает навитой сердечник от шихтованного. Лен­ точные сердечники однофазных трансформаторов по конст­ руктивному исполнению разделяются на 0-образные и то­ роидальные. Эти типы сердечников могут изготавливаться как разъемными так и неразъемными.

Сердечники изготавливаются из узкЬй длинной ленты электротехнической стали (или специальных сплавов) тре­ буемой толщины. Ширина ленты подбирается по стандарту. В случае необходимости производится ее продольная резка. Продольная резка выполняется с таким расчетом, чтобы полученные ленты использовались в других трансформато­ рах. Путем машинной навивки йа металлическую оправку

цилиндрической, квадратной или прямоугольной форМь! получают замкнутый сердечник. Замкнутые сердечники имеют малое магнитное сопротивление потоку, проходящему вдоль ленты сердечника. Но при использовании замкнутых сердечников затрудняется намотка обмотки. Обмотку нельзя изготовить заранее. Она наматывается вручную, что нетех­ нологично и мало производительно.

Однако сердечники из сплавов делают иеразрезиымй* так как магнитные свойства сплавов резко ухудшаются при механической обработке.

Готовые витые сердечники из электротехнической стали разрезают на две половинки (рис. 3-3,а). Половинки сер­ дечника вставляют в заранее намотанную на станке: катуш­ ку, а затем обе половинки стягивают стальной лентой тол­ щиной 0,25—0,5 мм. Места разъема сердечника должны быть очень хорошо подогнаны, чтобы обеспечить оптималь­ ное значение воздушного зазора (гл.. 1, 1-3 е).

Современная технология изготовления разъемных сер­ дечников из электротехнической холоднокатаной стали состоит из следующих основных операций: резка ленты по ширине (в случае надобности); снятие заусенцев; обезжи­ ривание ленты для обеспечения равномерного нанесения изоляции; навивка сердечника с одновременным нанесением

или другим составом) для обеспечения монолитности и уменьшения шума при работе трансформатора; шлифовка торцов или притирка и контроль качества.

Сердечники, изготовленные из пермаллоевых сплавов, делаются неразъемными. Технология их изготовления сво­ дится к следующим основным операциям: продольная резка ленты; обезжиривание; навивка сердечника с одновремен­ ным нанесением изоляции (3—8 микрон), после навивки конец ленты закрепляется точечной сваркой; отжиг; контроль качества изготовления и магнитных свойств сердечника.

Следует отметить, что обработка ленты из железонике­ левых сплавов, особенно резка ленты, снижает магнитную проницаемость и увеличивает потери в сердечнике.

Существует м-ного способов покрытия ленты сердечника, которые должны создавать надежную изоляцию между вит-

ками ленты, обеспечивать высокое значение коэффициента заполнения сечения стержня сталью, допускать при необхо­ димости отжиг и иметь достаточно простую чтехнологию.

Известны следующие основные способы изоляции: при­ пудривание ленты тальком, -накатывание на ленту различ­ ных суспензий (для лент толще 0,02 мм), электрофорезная изоляция, оксидирование ленты, т. е. создание на ее поверх­ ности тонкого слоя окисла.

Припудривание ленты тальком производится при навивке сердечника протягиванием ленты через камеру с молотым тальком. Тальк при этом осаждается на поверхности ленты слоем в несколько микрон, создавая надежную изоляцию.

В качестве изоляционного состава при накатывании изо­ ляции используется водная суспензия окиси алюминия и окиси магния (соотношение окислов 4:1) и др. Суспензия заливается в ванну, в которую помещен вращающийся ро­ лик. Лента плотно прижимается к выступающей из суспен­ зии поверхности ролика. При вращении ролика изоляцион­ ная суспензия накатывается на ленту.

Разработан также способ отложения изоляции на ленте методом гальваностегии (метод катафореза). К изолируе­ мой ленте подводится положительный потенциал по отно­ шению к электролитической ванне, заполненной суспензией кремниевой кислоты (НгБЮ.}) в ацетоне. На ленте в виде сухого остатка осаждается слой кремниевой кислоты (1— 2 микрона). После навивки сердечник .отжигается в водо­ роде и при этом образуется двуокись кремния ($Юг), кото­ рая и служит изоляцией.

Оксидирование ленты из холоднокатаной стали произво­ дится до иа-вивки в свободно свернутых рулонах, нагревае­ мых до 650° С с доступом воздуха.

У готовых сердечников проверяются магнитные свойства на постоянном токе (начальная проницаемость, максималь­ ная проницаемость, коэрцитивная сила и индукция насыще­ ния). В импульсном режиме при заданной длительности импульса и приращении индукции определяется действую­ щая магнитная проницаемость. Готовые сердечники прове­ ряются также на механическую прочность (удары, тряску, вибрации) и климатическое воздействие (влажность, мороз, высотность). При этих испытаниях действующая магнитная проницаемость должна изменяться в допустимых пределах.

Обычно к обмоткам трансформатора предъявляются следующие требования: электрическая прочность, механиче­ ская прочность, нагревостойкость, простота изготовления, наименьшая стоимость и др.

Обмотки импульсных трансформаторов кроме указанных требований должны обладать также минимальными .пара­ зитными параметрами (динамической емкостью и индуктив­ ностью рассеяния), чтобы обеспечить передачу трансформа­ тором неискаженного импульса напряжения.

Одной из основных характеристик, определяющих актив­ ную длительность фронта импульса является постоянная времени обмоток

(2- 1)

Из формулы (2—1) следует, что при оптимальных приве­ денных изоляционных расстояниях между обмотками, по­ стоянная времени зависит от потенциальных коэффициентов приведения статических значений междуобмоточных емко­ стей к их динамическим значениям а (приведенным к на­ пряжению U\).

Вторым важным параметром, характеризующим обмотку, является ее волновое сопротивление (приложение 4, форму­ лы Л-55, П-56)

(2-2)

Волновое сопротивление обмотки, влияющее на колеба­ тельный процесс трансформаторной цепи, существенно зави­ сит от приведенной суммарной толщины'изоляции «6».

Расчет приведенного изоляционного расстояния должен удовлетворять оптимальной величине волнового сопротивле­ ния, минимальной постоянной времени и электрической прочности изоляции между обмотками..

В импульсных трансформаторах применяются в основном обмотки двухтипов: цилиндрические (однослойные, много­ слойные) и дисковые.

Дисковые обмотки применяют в маломощных импульс­ ных трансформаторах с импульсами большой длительности

Рассмотрим более подробно влияние направления на­ мотки и маркировки обмоток на полярность импульса. На рис. 2-2 схематично изображена часть стержня сердеч­ ника трансформатора, на которой намотаны первичная и вторичная обмотки. При изменении потока взаимоиндукции

имеют одинаковые обозначения зажимов, то на диаграмме

Если в одной из обмоток (рис. 2-2,6) начало и конец поменять местами, то хотя направление э.д.с. в витках сохранится прежним, э. д. с. Е2 в этом случае будет направ­ лена от начала обмотки (а) к концу {х). На диаграмме векторы 1Э.Д.1С. Е\ и Е2 будут сдвинуты ото фазе та 180°, т. е. полярности импульсов э.д.с. будут иметь различные знаки. В случае, если э.д.с. Е\ имеет положительную полярность, э.д.с. Е2 будет иметь отрицательную полярность импульса.

Такой же сдвиг э.д.с. на 180° (рис. 2-2,в) произойдет при изменении направления намотки витков обмотки.

Очевидно, что при одновременном изменении направле­ ния намотки и маркировки обмотки полярность импульса сохраняется.