13.11.2023
Магнитопроводы Unicore: технология распределённого зазора, преимущества и применение
Если коротко: Unicore - это запатентованная технология производства ленточных витых магнитопроводов с распределённым немагнитным зазором. В отличие от традиционных конструкций с одним сквозным срезом, стыки полос распределяются по длине стержня со смещением («внахлёст» или по принципу черепицы). Это снижает потери холостого хода (Pхх) до 42% по сравнению с шихтованными E-образными сердечниками и до 14% по сравнению с C-образными, уменьшая расход трансформаторной стали до 30%.
Технология разработана австралийской компанией A.E.M. Cores и эксплуатируется на электротехнических предприятиях более чем в 40 странах. В России магнитопроводы этой конфигурации активно вытесняют устаревшие типы шихтовки в сухом трансформаторостроении. Завод «Электромашина» (ООО «ЗЭМ») использует технологию при выпуске серийных силовых трансформаторов и реакторного оборудования. Продукция доступна в разделе «Магнитопровод Unicore».
Что такое магнитопровод Unicore и чем он отличается от классического
Если коротко: классический витой разрезной сердечник концентрирует немагнитный зазор в одной плоскости, провоцируя локальное насыщение стали и рассеяние потока. В Unicore зазор разделён на сотни микрозазоров, смещённых относительно друг друга: магнитный поток плавно перетекает в соседние цельные слои ленты, не покидая ферромагнитную среду.
Традиционный ленточный магнитопровод навивается из анизотропной электротехнической стали с ориентированной кристаллической структурой (CRGO). По направлению прокатки сталь имеет максимальную магнитную проницаемость. Однако при создании технологического зазора (необходимого для сборки обмоток или ограничения насыщения при постоянном подмагничивании) монолитный тороид разрезается поперёк.
В месте прямого разреза образуется сосредоточенное магнитное сопротивление. Магнитные силовые линии выпучиваются наружу (краевой эффект), вызывая локальный нагрев конструктивных элементов, повышение вихревых токов и резкий рост потерь мощности холостого хода. Unicore ликвидирует концентратор зазора конструктивным путём.
Физика процесса: как работает распределённый зазор
Если коротко: стержень магнитопровода компонуется из стальных полос индивидуально рассчитанной длины. Линия стыка каждого слоя смещена относительно соседнего под углом (косой стык). Поток не преодолевает воздушный барьер, а распределяется по параллельным лентам без перенасыщения участков стали.
Ограничения стандартного сосредоточенного зазора
В стыковом зазоре вектор магнитной индукции испытывает скачок на границе раздела «сталь - воздух». Локальная индукция в приграничных участках резко возрастает до величин насыщения (1,7 - 1,9 Тл и выше). Это сопровождается эмиссией акустического шума из-за усиленной магнитострикции и дополнительными тепловыми потерями.
Принцип распределения потока в Unicore (эффект перекрытия)
В конфигурации Unicore ленты раскраиваются на автоматизированных линиях с прецизионной геометрией гиба и реза. Сборка идёт по принципу «черепичного перекрытия»: в зоне зазора одного листа сверху и снизу находятся монолитные участки соседних лент. Вектор магнитной индукции не вынужден выходить за пределы стали: на стыке поток плавно перераспределяется в смежные пластины, магнитное сопротивление узла стремится к монолитному сердечнику.
| Параметр / Технология | Прямой стыковой зазор | Шихтовка Step-Lap | Unicore (распределённый зазор) |
|---|---|---|---|
| Потери холостого хода (Pхх) | Базовые (высокие) | Ниже на 15 - 20% | Ниже на 30 - 42% |
| Локальный перегрев стыков | Критический | Умеренный | Практически отсутствует |
| Коэффициент заполнения сталью | 0,95 - 0,96 | 0,96 - 0,97 | 0,97 - 0,985 |
| Уровень шума (магнитострикция) | Высокий | Средний | Снижен |
Технические и эксплуатационные преимущества
Если коротко: применение Unicore снижает материалоёмкость (сталь до −30%, медь до −10%), обеспечивает стабильный коэффициент мощности, снижает ток холостого хода и исключает ручную шихтовку при сборке трансформатора.
- Снижение удельных потерь холостого хода: устранение зон паразитного выпучивания потока гарантирует строгое соответствие нормам ГОСТ Р 52719-2007 (для силовых трансформаторов общего назначения) и требованиям СТО 34.01-3.2-011-2017 ПАО «Россети» к уровню потерь.
- Экономия электротехнической стали: оптимальная геометрия угловых сочленений исключает неработающие зоны в углах магнитной системы (в отличие от массивных перекрытий при прямой шихтовке). Масса магнитопровода для трансформатора 630 кВА снижается в среднем с 1580 до 1300 кг.
- Экономия обмоточного провода (медь / алюминий): уменьшение периметра сечения стержня позволяет сократить среднюю длину витка катушек ВН и НН. Расход меди в трансформаторе на 630 кВА падает на 45 кг.
- Снижение уровня шума: стабильное натяжение ленты и распределение стыков нивелируют вибрацию листов, вызванную магнитострикционным эффектом. Трансформатор работает тише аналогов за счёт снижения магнитострикции и вибрации пластин.
- Высокая повторяемость: раскрой на ЧПУ исключает погрешности ручной укладки пластин. Значения индуктивности и потерь идентичны во всей партии.
Классификация магнитопроводов Unicore: типы DUO, DDG, Step-Butt
Если коротко: геометрия пакета подбирается под конфигурацию обмоток. DUO формируется из двух разъёмных полуколец для свободной установки готовых катушек, DDG размыкается по одному стержню, Step-Butt оптимизирован под минимальные потери в трёхфазных силовых цепях.
Тип DUO (двухполовинный сердечник)
Наиболее востребованный тип конструкции в силовом оборудовании. Состоит из двух симметричных сопрягаемых частей («папа»/«мама»). Различается шагом перекрытия лент:
| Исполнение | Шаг перекрытия стыка | Скорость сборки | Целевое назначение |
|---|---|---|---|
| DUO 1 | Перекрытие в 1 толщину ленты | Базовая скорость | Случаи, где критичны минимальные потери |
| DUO 2 | Перекрытие в 2 толщины ленты | Быстрее на 20% | Универсальные общепромышленные сухие трансформаторы |
| DUO 3 | Перекрытие в 3 толщины ленты | Быстрее на 40% | Большинство типов трансформаторов |
Тип DDG
Сердечник с разрезом только по одному стержню. Используется в конструкциях, где обмотки расположены на одном стержне - в отдельных типах трансформаторов и реакторов.
Типы Step-Butt и Gapped
Применяются в устройствах с необходимостью контролируемого немагнитного зазора для линейности индуктивности при токах подмагничивания. Обеспечивают стабильное индуктивное сопротивление без риска насыщения стали при переходных процессах.
В каких сериях оборудования «ЗЭМ» применяется технология Unicore
Завод «Электромашина» проектирует и изготавливает магнитные системы Unicore на собственном оборудовании. Технология интегрирована в следующие линейки сухих трансформаторов:
1. ТС(З)(Д) - сухие трансформаторы с воздушно-барьерной изоляцией (100 - 3750 кВА)
За счёт магнитопроводов Unicore из холоднокатаной анизотропной стали достигается компактность активной части. Сниженные габариты и вес оборудования упрощают их интеграцию в блочно-модульные подстанции (КТП, БКТП) и промышленные электрощитовые с дефицитом площади.
Характеристики и габариты: Трансформаторы ТС(З)(Д) с воздушно-барьерной изоляцией.
2. ТСЛ(З)(Д) - сухие трансформаторы с литой эпоксидной изоляцией (100 - 3150 кВА)
Для трансформаторов с литыми обмотками критичен уровень механических вибраций: чрезмерная вибрация сердечника приводит к микрорастрескиванию компаунда в цикле нагрев-охлаждение. Unicore снижает магнитострикцию до минимальных значений, гарантируя проектный ресурс изоляции и пониженный шумовой фон (важно для ТРЦ, больниц, жилых комплексов).
Характеристики и опросные листы: Трансформаторы ТСЛ(З)(Д) с литой изоляцией.
Полный перечень выпускаемых серий представлен в разделе «Трансформаторы силовые сухие».
Марки стали и термическая обработка (отжиг)
Если коротко: основа сердечников - электротехническая сталь с высокой магнитной проницаемостью марок Т130-35S, Т120-27S, NV30S-120 толщиной 0,23 - 0,35 мм. Высокотемпературный отжиг в защитной среде требуется не всегда: для сердечников мощностью свыше 1000 кВА механические напряжения в зонах гиба практически не влияют на интегральные потери.
В отличие от тороидальных навивных магнитопроводов, где нагартовка и деформации распределяются по всей длине ленты, в технологии Unicore деформация происходит локально - строго в заданных точках углового гиба. Прямолинейные участки сохраняют исходную доменную структуру прокатной стали.
На мощностях от 630 - 1000 кВА относительная доля деформированного металла ничтожно мала (менее 1,5% от общего объёма магнитопровода). Испытания в заводской лаборатории подтверждают: отказ от термического отжига для крупных серий позволяет сократить производственный цикл без выхода параметров потерь за пределы ГОСТ.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем магнитопровод Unicore лучше классической шихтовки Step-Lap?
В технологии Step-Lap пластины шихтуются вручную или полуавтоматически, сохраняя риск воздушных зазоров из-за человеческого фактора. В Unicore лента формируется на станке с ЧПУ без заусенцев и дефектов кромки. Коэффициент заполнения сталью у Unicore выше (до 0,985 против 0,96 - 0,97 у Step-Lap), что делает трансформатор компактнее при одинаковой мощности.
Как применение Unicore влияет на уровень шума подстанции?
Уровень шума сухого трансформатора складывается из магнитострикции сердечника и резонанса кожуха. Снижение деформаций кристаллической решётки в Unicore снижает эмиссию шума магнитной системы. На практике это уменьшает субъективно воспринимаемую громкость гула трансформатора.
Устойчивы ли магнитопроводы Unicore к несинусоидальному току?
Да. Распределённый зазор предотвращает локальный перегрев пластин, вызванный высшими гармониками тока и напряжения. Это делает магнитопроводы Unicore пригодными для работы в условиях нелинейной нагрузки.
Каков срок службы сердечника Unicore?
Расчётный срок службы магнитопровода составляет не менее 30 лет. Антикоррозионные покрытия и стабильность геометрической фиксации контактной сваркой исключают расслоение пакета в процессе эксплуатации.
Требуется расчёт сухого трансформатора под проектные нагрузки?
Инженерный центр завода «Электромашина» выполнит оптимизационный электромагнитный расчёт трансформатора с магнитопроводом Unicore под требуемый класс энергоэффективности, габаритные ограничения ячейки и профиль нагрузки.
Связаться со специалистами ЗЭМ