Почему нужно использовать текстолит
По стандарту обмотки силового трансформатора выполняются на специальных каркасах. Для изготовления каркасов на заводах, то есть на серийном производстве, применяют прессованные варианты из пресс порошков. Состав этих пресс порошков определяет основные химически и физические свойства, которыми будет обладать деталь в дальнейшем. Но если производство мелкосерийное или же трансформатор, в частности его каркас, изготовляется в домашних условиях, то используют слоистые пластинки, а также гетинакс, картон.
Ранее наиболее часто применяющимся вариантом служил гетинакс, который обладал средними характеристиками, но минимальной стоимостью. Потом стали использовать картон. Несмотря на его отличительные свойства и простоту использовании он не сумел прижиться, так как требовалась обязательная пропитка гигроскопичному материалу.
Особенности
Текстолит является оптимальным в плане соотношения качества, удобства и цены. Он отлично поддается любой обработке, например, механической или термической. Обрезка листов до 1,5 миллиметров проводится и в холодном состоянии, что удобно, если речь идет не о крупном серийном производстве. Используются для минимальных по толщине пластов гильотинные ножницы. А если листы немного толще, то используется циркулярная пила.
Текстолит, толщина пласта которого превышает 3 миллиметра, распиливается уже в горячем состоянии. Но можно не нагревать до температуры плавления, оптимальным будет нагрев от 80 градусов (в крайнем случае 120 градусов).
Удобный этот материал и для тех, кто занимается изготовлением каркасов в домашних условиях. Можно брать только часть, а после этого провести опиловку над профилем. Швы покрываются специальным слоем, а каркас лаком для обеспечения защиты от влажности, повышения жесткости и улучшения защиты обмоток. Также тонкий слой лака служит для обеспечения гигроскопичности, обязательно требуется выбирать качественный состав.
Дополнительные требования
Для гильзы каркаса используются гетинакс идентичной толщины. В некоторых ситуациях есть смысл брать большую по толщине катушку, чтоб получить ровную форму обмоток. Ребра гильзы делаются слегка круглой формы. Это поможет избежать излома или уменьшить его угол, что непременно проявляется при намотке на первых слоях инструмента. Но следует избегать и проявления излишней округленности. Это понизит прочность поверхности.
Размеры материала берутся в строгом соответствии с тем, каких размеров сам трансформатор и дроссель. Для минимальных по размерам устройств чаще прибегают к установке каркасов из материала толщиной от 0,2 до 0,5 миллиметров. Для больших катушек берутся варианты с толщиной от 2 миллиметров.
Отдельно стоит отметить важность использования качественного клея. Текстолитовые каркасы обязательно просто автоматически складываются и закрепляются друг с другом, но бывают ситуации, когда они соединяются между собой при помощи клея. Столярный клей или универсальный, который можно купить в любом строительном магазине, подходит только для проклейки каркаса трансформатора из картона, но для текстолита использовать его не разрешается.
Винтовые обмотки
Винтовые обмотки (рисунок 5) наматываются из ряда параллельных прямоугольных проводников (от 4 до 20), прилегающих друг к другу в радиальном направлении. При большом количестве параллельные проводники могут располагаться также в каждом витке в несколько слоев в аксиальном направлении или же обмотка выполняется многоходовой, то есть параллельные проводники разбиваются на 2 – 4 группы и каждая группа образует самостоятельный винтовой ход обмотки.
| Рисунок 6. Схемы частичной транспозиции параллельных проводников |
Когда в радиальном направлении рядом располагается несколько параллельных проводников, то ток распределяется между ними неравномерно, что вызывает увеличение потерь. Причиной неравномерного распределения тока является то, что такие элементарные витки, состоящие из одного параллельного проводника, сцепляются с разными по значению магнитными потоками и в них индуктируются разные электродвижущие силы (э. д. с.). Такая разница в потокосцеплениях обусловлена магнитными потоками рассеяния, которые проходят в пространстве, занимаемом обмотками. Иными словами, можно сказать, что причиной увеличения потерь являются вихревые токи, индуктируемые магнитным полем в проводниках обмотки и вызывающие явление поверхностного эффекта. Вследствие этого активное сопротивление обмотки увеличивается.
Для обеспечения достаточно равномерного распределения тока между проводниками необходимо произвести транспозицию (перекладку) параллельных проводников, образующих виток (рисунок 6). При полной транспозиции каждый проводник занимает в радиальном направлении поочередно все положения, возможные в пределах одного витка. Часто производится только частичная транспозиция проводников. Транспозиция осуществляется в нескольких местах по высоте стержня.
Винтовыми выполняются обмотки низшего напряжения при Sст ≥ 45 кВ×А, Iст ≥ 300 А.
Разметка
Разметка — первый этап, который проводится при наличии материалов и инструментов. Важно тщательное исследование, позволяющее определить технические характеристики.
Допустимо делать ее вручную при помощи специальных таблиц (но обратите внимание, что в таком случае придется рассчитывать все самостоятельно, используя формулы).
Можно выбрать и разметку при помощи программ — есть в бесплатном доступе такие в интернет. Но в таком случае начинающий радиолюбитель не сможет понять алгоритм расчета и научиться выполнять рамку самостоятельно, без использования компьютеризированного оборудования.
Как сделать вручную
Проверка прочности и особенностей закрепления проводится опытным путем. Берется катушка, точней ее образец, который будет не жалко выкинуть, на него накладываются 10 витков, которые будут использоваться для основного трансформатора.
Выбирается стержень с диаметром в четыре раза большим для проводов с толщиной от 0,96 миллиметров, в пять раз больше, если берутся провода до 1,56 миллиметров и в шесть раз толще, если толщина провода превышает 2,44 миллиметра. Это необходимо обязательно учитывать, подобранные инструкции есть в специальной технической литературе.
Отдельно следует рассчитывать то, что кроме определенного изгиба, который непременно образуется на первых нескольких слоях сильней, а после начнет закругляться, есть и сильное натяжение, и растяжение. Во время разметки каркаса учитывают, что кратность увеличивается в несколько раз. Например, для провода, который имеет толщину 1 миллиметров, радиус закругления будет около 5 миллиметров. Радиусы для любых по диаметру проводов также размещается в соответствующих таблицах.
Выбор класса
Проведение разметки по образцам позволяет избежать появления неплотных и неровных поверхностей в обмотке. Тонкий гетинакс используется, если требуется увеличить жесткость каркаса. Например, если мощность устройства составляет до 10 Вт, то размеры деталей маленьких будут составлять 0,5, средних — 0,7 до 1,5, а больших — от 1. Мощность до 100 Вт подразумевает использование 0,7 — 1, 2,0 — 4, 1 — 2 миллиметровых деталей соответственно. Для приборов с мощностными показателями от 100 до 500 Вт берутся до 1 до 2 мм для класса а, от 3 до 6 для б, от 1,5 до 3 для класса в.
Для последнего типа, с наибольшими показателями мощности, целесообразно увеличить радиус закругления путем приближения к оптимальным показателям значения округления. Лучше брать специальные вкладыши из материала, который используется для витых магнитных проводов. Применяют их в том случае, если по толщине магнитопровод больше в два раза, чем рабочий стержень устройства.
Дополнительно устанавливают на детали большую часть выступающей части на 3 миллиметра. Это нужно для того, чтоб щеки каркаса крепились прочно у оборудования. Гильза по размеру делается чуть больше рабочего стержня на 0,5 мм, зазоры не должны превышать этого показателя. Обязательно учитывают, получается ли каркас с помощью аппаратного воздействия или же он поставляется в комплекте устройства.
Расчет при помощи программ
В интернете есть несколько десятков программ, при этом большинство из них в бесплатном доступе, которые проводят расчет трансформатора, его каркаса. В частности, популярностью пользуется программа CARCASS, от версии 1.0, 2.0 и далее. Она работает в онлайн-режиме, но при желании можно скачать файл и установить себе на компьютере. В программу вносятся данные о:
- типе сердечника;
- толщине материала и стяжке;
- размерах сердечника А, В, С, Н.
После ввода всей информации нажимается кнопка «Ввод» или «Расчет». Появится расчет и на черте катушки, который можно распечатать и нанести на имеющийся в наличии текстолит. Есть вариант, рассчитываемый на каркас с замком.
Железо:
Из чего делать каркас? Ясно же, что из текстолита. Где его брать? Можно, конечно, и в магазине, но только мне для этого надо съездить в другой город. Зато родные и близкие пачками приносят на разборку старую радиоаппаратуру (надо только клич кинуть правильно). Одним словом, материал выбран.
Материал для каркаса:
Далее становится вопрос о разметке каркаса. Оказалось, здесь не все так просто. Для этих целей существуют разные программы. Я их тоже посмотрел. Одни хорошо считают, но не рисуют, другие рисуют, но некорректно считают. И ни одной я не нашел, что бы напечатала в размер. Может, искал плохо. Пошел, как Ленин, другим путем. Взял старую добрую линейку, штангенциркуль и произвел замеры сердечника. Потом открыл старый добрый Спринт Лэй и нарисовал вручную вертикальные стенки каркаса. Хочу обратить Ваше внимание на то, что нужно учесть толщину текстолита и зазор для установки стяжки. Каркас должен быть с таким внутренним сечением, что бы свободно мог надеваться на железо, а так же две половинки не должны мешать друг другу. Толщину линии в программе ставлю 0,3 мм.
Чертеж вертикальных стенок:
После того, как принтер все красиво напечатал, беру канцелярский нож, металлическую линейку и вырезаю напечатанное так, что бы оставалась видна линия. Потом, при доработке напильником, по этой линии хорошо ориентироваться для придания заготовкам достаточной точности. Остается вырезать по размеру текстолитовые заготовки, приклеить к ним то, что вырезал из бумаги и доработать напильником. После этого при помощи надфиля подгоняю стенки друг к другу и маркирую.
Размер горизонтальных щечек определяю после того, как подогнана и собрана основа каркаса. Здесь уже программа не нужна – достаточно штангенциркуля. Для установки выводных клемм со стороны, где «наружу», добавляю порядка 7мм. Выпиливаю заготовки, дорабатываю напильником, собираю каркас.
Собранный каркас:
На собранном каркасе скругляю напильником острые грани, что бы провод не ломался, и ложу один слой бумажного (малярного) скотча. Красота!
Следующий шаг – намотка провода и установка клемм. Или наоборот. В моем случае обмотки секционированы и выводов много. Куда какой выйдет – я заранее затруднялся определить, поэтому сначала намотал, потом установил клеммы. Не принципиально.
Вопрос про клеммы интересный. В качестве них можно применить опять-таки что угодно. Пока я чесал репу на предмет, что же выбрать мне, глаз упал на шасси от старого телевизора. А на нем блоки СКД и СКВ. И блоки эти держатся на штырьках. Вот и решение вопроса. Забегая вперед, скажу, что очень красивое решение. Ну как же себя не похвалить!
Штырьки:
Итак, выпаиваю штырьки. Их диаметр 1,5 мм, и главная ценность в том, что есть буртик. Размечаю и сверлю отверстия для штырьков сверлом диаметром тоже 1,5 мм. С внутренней стороны сверлом 3 мм вручную аккуратненько, без фанатизма, делаю конусообразное углубление. Можно не делать, но с ним лучше. Еще нужен упор. Без него никак. Мне под руки попался какой-то стерженек, в котором я доработал отверстие 1,8 мм. Но лучше 1,6 мм. Далее сам процесс: вставляю штырек паяной стороной наружу, внутри бокорезами откусываю лишнее, оставляя 1 -1,5 мм хвостик. Зажимаю упор в тиски, на него надеваю неоткусанную часть штырька и дюбкой маленького молоточка тоже аккуратненько, без фанатизма приклепываю откусанный огрызок. Приклепанный материал красиво укладывается в раззенкованное расширение, сверху остается маленький латунный бугорок, который абсолютно не мешает. Или не остается.
Хотите — верьте, хотите – нет, на установку 28 штырьков ушло минут 15 – 20.
Схема установки штырька:
Данный способ не претендует на эксклюзивность и тем более не тянет на изобретение. Наверное, и технологией это назвать сложно, однако какие-нибудь идеи кому-нибудь обязательно пригодятся, натолкнут на другие технические решения, кто-нибудь в своей практике применит этот или подобный метод целиком или какую-то его часть. Буду рад, если от этого материала кому-нибудь будет польза.
Готовое изделие:
Вырезание
Вырезание происходит после нанесения на материал чертежа катушки. Делается это при помощи обычного строительного карандаша или даже маркера.
Инструменты, которые понадобятся для вырезания, различные в зависимости от толщины текстолита. Для листов до 1,5 миллиметров, чья резка проводится в холодном состоянии, используют гильотинные ножницы. А если листы толще, то используется циркулярная пила. Текстолит с толщиной от 3 миллиметра пилят при температуре от 80 градусов по Цельсию пилой.
Расчеты
Рис. 1: принципиальная схема трансформатора
Наиболее сложный вариант, если вы будете изготавливать трансформатор своими руками с нуля. В таком случае расчет электрической машины производится в зависимости от выходной мощности. Исходя из этого параметра, рассчитывается мощность первичной обмотки. Если вы используете заводской сердечник, то можно считать эти величины одинаковыми, если вы соберете его самостоятельно, то P2 = 0,9 * P1
Это приблизительный расчет с учетом потерь в сердечнике. В зависимости от качества шихтовки своими руками, разница мощностей может находиться в пределах от 5 до 20%.
В зависимости от мощности первички определяется сечение магнитопровода, которое вычисляется по формуле: S = √P1
Следует отметить, что мощность для вычислений берется в Ваттах, а размеры сердечника получаем в квадратных сантиметрах.
Далее определяется коэффициент передачи электромагнитной энергии: k = f/S,
Где k – коэффициент передачи, f – частота сетевого напряжения переменного тока, S – площадь сечения магнитопровода.
Исходя из полученного коэффициента, определяется число витков в обмотках по величине входных и выходных напряжений: N1 = k*U1, N2 = k*U2
Это приблизительные вычисления, предназначенные для бытового применения радиолюбителями. Заводские трансформаторы имеют более сложную процедуру расчета, которая производится по справочникам и зависит от их типа и назначения (силовые, измерительные, трехобмоточные, тороидальные устройства и т.д.)
Далее рассчитывается сила тока в первичной обмотке трансформатора: I1 = P1 / U1
Соответственно, ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора, вычисляется по формуле: : I2 = P2 / U2
Исходя из величины тока в каждой обмотке, выбирается сечение жилы. Но заметьте, что проводник в обмотке значительно хуже охлаждается, поэтому запас сечения делается на 20 – 30%. Проще выполнять данную работу медными проводами, но это требование не критично.
Таблица: выбор сечения, в зависимости от протекающего тока
| Медный проводник | Алюминиевый проводник | ||
| Сечение жил, мм2 | Ток, А | Сечение жил. мм2 | Ток, А |
| 0,5 | 11 | — | — |
| 0,75 | 15 | — | — |
| 1 | 17 | — | — |
| 1.5 | 19 | 2,5 | 22 |
| 2.5 | 27 | 4 | 28 |
| 4 | 38 | 6 | 36 |
| 6 | 46 | 10 | 50 |
| 10 | 70 | 16 | 60 |
| 16 | 80 | 25 | 85 |
| 25 | 115 | 35 | 100 |
| 35 | 135 | 50 | 135 |
| 50 | 175 | 70 | 165 |
| 70 | 215 | 95 | 200 |
| 95 | 265 | 120 | 230 |
| 120 | 300 | ||
Намотка провода и установка клемм
Наматывают на катушку провода, затем устанавливают клеммы уже после полной пропитки лаком и окончательной сушки. Выводы и отводы делают поводом немного с большим сечением. Подойдет провод с изоляцией многожильный, лучше применять цветные маркировки.
Катушка зажимается между щеками, шпилька монтируется в конусах. Намоточное оборудование устанавливается как минимум на один метр. Станок вращается так, что провод ложился сверху, левой рукой придерживать по направлению. Клеммы монтируются после изоляции.
