Министерство образования и науки Украины
Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра ПЭЭА
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине: “Элементная база ЭА”
на тему
Проектирование тороидального трансформатора с заданными характеристиками
Разработал
Григорьева О.В.
2009

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Анализ ТЗ
1.1 Анализ условий эксплуатации
1.2 Обоснование дополнительных требований и параметров
2. Обзор аналогичных конструкций и выбор направления проектирования
3. Электрический и конструктивный расчет
3.1 Расчет тороидального трансформатора
3.2 Теплотехнический расчет
Паспорт
Выводы
Перечень ссылок

ВВЕДЕНИЕ
За последние годы широкое применение получила радиоэлектронная техника, характер и функции которой требуют применения десятков и сотен тысяч различных комплектующих изделий. Среди которых трансформаторы составляют весомую и неотъемлемую часть. Они выполняют ответственную функцию – преобразование посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. К примеру, идеальный трансформатор осуществляет трансформацию напряжений или токов, что позволяет получить требуемое напряжение, согласовать напряжение и ток первичной цепи с сопротивлением нагрузки вторичной цепи или дать вторичное напряжение, требующееся для создания вторичного источника питания РЭА.
Благодаря этим достоинствам трансформаторы успешно используются в таких радиоэлектронных устройствах, к которым предъявляются повышенные требования точности и стабильности электрических и эксплуатационных параметров. Трансформаторы используются в электронной аппаратуре, различных системах автоматического управления и регулирования, в электрооборудовании транспорта и измерительной технике. При помощи трансформаторов можно не только преобразовать электрическую величину, но и реализовать требуемую функциональную зависимость между этими величинами.
В этом курсовом проекте также решается задача конструирования трансформатора, предназначенного для преобразования систем переменного электрического тока. Вся трудность заключается в том, что трансформаторы имеют большие габариты, массу, что значительно ограничивает их применение в интегральных схемах.

1. АНАЛИЗ ТЗ
1.1 Анализ условий эксплуатации
Согласно технического задания необходимо спроектировать трансформатор с такими характеристиками:
U =100В - напряжение цепи питания ;
f=400Гц -частота сети питания;
U =7 В; 12 В;21 В; -напряжения вторичных обмоток;
I =1 А;1 А;0,6 А - токи вторичных обмоток;
Обеспечить минимальные габаритные размеры.
Программа выпуска 25000 шт. в год.
В условиях ТЗ не указан вид аппаратуры, в которой будет использоваться трансформатор. По ГОСТ 15150-69 он относится к первой группе исполнения УХЛ (аппаратура, работающая в жилых помещениях), категория размещения 4.2 (аппаратура, предназначенная для эксплуатации в отапливаемых помещениях). Общие нормы климатических воздействий на РЭА для исполнения УХЛ приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 – Общие нормы климатических воздействий на РЭА
В соответствии с ГОСТ 16019-78 должна выдерживать нормативные воздействия, приведенные в таблице 1.2.
Таблица 1.2 – Наземная профессиональная РЭА. Нормы климатических и механических воздействий для 1-й группы
1.2 Обоснование дополнительных требований и параметров
В некоторых случаях унифицированные трансформаторы не могут быть использованы и необходимо рассчитывать и конструировать трансформаторы частного применения. В конструкции трансформатора имеется сердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью и малым уровнем потерь и возможно большей индукцией насыщения. Обычно для трансформаторов питания применяются разрезные сердечники, полученные из набора  отдельных пластин. Разрезные сердечники требуют введения дополнительных элементов конструкции, обеспечивающих их сжатие и механическое соединение для уменьшения воздушного зазора. Сердечник обычно изготавливают из стальной ленты и пластин, а также из пермалоя и феррита для исключения контакта между слоями ленты и пластин, приводящего к увеличению потерь в сердечнике, который имеет конечную толщину. Поэтому тем большей магнитной проницаемостью обладает  сердечник, чем более тонкие ленты используется в нем. Изготовить трансформатор, одновременно удовлетворяющий требованию минимальной массы, стоимости, перегрева, и падения напряжения, невозможно. Например, если предъявляется требование минимальной стоимости, то в связи с тем, что стоимость проводов (меди) значительно выше сердечника (стали), выгоднее увеличить размеры и массу сердечника и уменьшать окно. Если же важно, чтобы трансформатор имел минимальную массу, то следует уменьшить сечение сердечника и увеличивать окно, а необходимый режим работы сердечника обеспечивать, увеличивать число витков.
Лучшие магнитные свойства имеют ленточные сердечники, у которых направление магнитных  силовых  линий совпадает с направлением проката. Кроме того, в них можно использовать очень тонкие ленты толщиной до 0,01 мм. Ленточные разрезные сердечники в настоящее время нормализованы. В миниатюрных трансформаторах большое распространение получили ленточные сердечники с уширенным ярмом, сердечники кабельного типа. Основными требованиями к магнитному материалу, применяемому в трансформаторах питания, являются высокая индукция насыщения и малые потери. Для маломощных трансформаторов, питающихся напряжением частотой 50-400 Гц, основным требованием является высокая индукция насыщения. При увеличении размеров трансформаторов объём сердечника увеличивается быстрее, чем поверхность охлаждения. При использовании ленточных проводников увеличивается коэффициент заполнения, не возникает пустот между обмотками, значительно улучшается теплоотвод, увеличивается долговечность трансформатора  и способность выдерживать перегрузки. К капсулированию прибегают, когда требуется обеспечить наименьшую массу и габариты трансформатора. Капсулирование производят, заливая трансформатор в разъёмной форме, обволакивая его или закрывая в пластмассовую коробку, При капсулировании трансформаторов используются специальные компаунды на основе тепло- и влагостойких смол, чаще всего эпоксидных и полиэфирных.
Для уменьшения массы капсулированных трансформаторов толстым слоем компаунда можно покрывать не всю поверхность, а только наиболее уязвимые места. Затем трансформатор покрывают специальной влагостойкой эмалью типа 7141 , ЭП74 или покровным лаком.

2. обзор аналогичных конструкций и выбор направления проектирования

Конструкция заданного маломощного трансформатора в большей мере зависит от заданных характеристик.  Следовательно, после анализа технического задания стало известно, что конструируемый  трансформатор должен иметь следующие исходные данные :
U =100В -напряжение цепи питания ;
f=400Гц - частота сети питания ;
U =7 В; 12 В;21 В- напряжения вторичных обмоток ;
I =1 А;1 А;0,6 А - токи вторичных обмоток;
Конструкция магнитопровода - тороидальный
Программа выпуска 25000 шт. в год.
Обеспечить минимальные габаритные размеры
Трансформатор имеет большие электромагнитные силовые потоки, а  соответственно большие размеры обмоток элемента. Для уменьшения  размеров и массы важную роль играет грамотный подбор материалов составных частей трансформатора. Аналогичной конструкцией для данного трансформатора является конструкция: ТА5-115-400.ОЮ0.71.000 ТУ-трнсформатор анодный, номер 5 из унифицированного ряда, напряжение 115В, частота 400Гц. В современных РЭА масса и габариты устройств питания составляют 0.5-0.1 общей массы и габаритов и на их долю приходится в некоторых случаях до 50% отказов. Это требует совершенствования трансформаторов питания. Основные трудности при этом определяются тем, что материалы сердечников имеют ограниченные магнитную проницаемость и индукцию насыщения и большие потери. .Прогрес  в конструкциях трансформаторов в последние годы определяется совершенствованием методов проката, что позволило получить ленты толщиной до 0,01мм, а также развитием ферритов, пригодных для использования в маломощных трансформаторах питания. На основании практических данных наиболее приемлемым при данных условиях считается  тороидальный трансформатор. Учитывая эти недостатки в существующих трансформаторах, относительно проектируемого выбираем следующие направления:
1) для стяжки трансформатора используем шайбы специальной формы ;
2) фиксация всей конструкции к основанию происходит болтовым соединением;
3) токосъем выполним в виде паяного соединения контактов трансформатора с отводящими элементами.

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ И КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ
3.1 Расчет тороидального трансформатора
1. Выбираем  конфигурацию магнитопровода
В качестве материала для магнитопровода выбираем сталь Э340 с толщиной ленты 0.15мм.
2.Определяем мощность вторичной обмотки по формуле (3.1)
Р₂= U ₂ ,                           (3.1)
Р₂=7·1+12^.1+21^.06=40.6 ВА.
3.Определение ориентировочных величин
Величины берём из таблицы 3.1, индукцию уменьшаем для того, чтобы при увеличении напряжения питающей сети в заданных пределах максимальная индукция не превышала табличное значение:
В=1.65Тл– индукция;
d=6.5А/мм - плотность тока;
k =0.17 -коэффициент заполнения окна ;
k =0.88– коэффициент заполнения сечения магнитопровода сталью.
4. По формуле (3.2) определяем произведение сечения стали магнитопровода на площадь его окна. Однозначно определяет требуемый типоразмер магнитопровода :
S S = ,                         (3.2)
Тогда, подставив значения, получили
S S = см⁴
5. Из таблицы 3.2 выбираем магнитопровод ОЛ 20/32-16;
S =0.84см²– активная площадь сечения магнитопровода ;
G = 0.052 кг- вес магнитопровода ;
= 8.1см - средняя длина магнитной силовой  линии ;
P =33.7 В·А-мощьность трансформатора
V_ст=7.77 см³-обьём магнитопровода.
Габаритные размеры:
d=20мм-внутренний диаметр магнитопровода;
a=6мм-толщина магнитопровода;
в=16мм-высота магнитопровода;
D=32мм-наружный диаметр магнитопровода;
6. По формуле ( 3.3) находим ток первичной обмотки
I  = ,                           (3.3)
I ₁= ,
где Р₂- мощность вторичной обмотки;
=0.9 берём из таблицы 1.1;
cos =1 согласно условию.
7. По формулам (3.4)-(3.6) и таблице 3.3 находим число витков обмоток:
= ,                                     (3.4)
E₁=U (1- ) – Э.Д.С. первичной обмотки ;                         (3.5)
E₂=U₂ (1- ) – Э.Д.С. вторичной обмотки ;                         (3.6)
Где U и U₂,приведены в таблице 5-10
U₁ = 2.5-3В ;
U₂ = 3В ;
тогда
= В;
= В;
= В;
= В;
 =    витков;
 =    витков;
 =    витков;
 =    витков;
8. По формуле (3.7) и таблице 3.1 находим ориентировочные значения             величины плотности тока и сечения проводов обмотки.
S = ,                                (3.7)
Где - плотность тока (по таблице 5-9 = 7-4.5А/мм ) :
=6.3А/мм ;
=5.8 А/мм
=6 А/мм
=6.5А/мм
S = мм ;  
S = мм ;
S = мм ;
S = мм ;
9. Выбираем сечения и диаметры проводов (марки ПЭВ-2)
Берём стандартные сечения и диаметры проводов ПЭВ-2 из таблицы 3.4-номинальные данные обмоточных проводов круглого сечения.[1]
Номинальный диаметр проволоки по меди, мм:
d =0.31 мм;
d = 0.47 мм;
d = 0.47 мм;
d = 0.35 мм;
Максимальный наружный диаметр, мм:
d = 0.36мм ;
d = 0.53мм ;
d = 0.53мм ;
d = 0.41мм ;
Вес одного метра медной проволоки, г:
g =0.671г/м;
g =1.54 г/м;
g =1.54 г/м;
g =0.855 г/м;
10. Определяем фактические плотности тока из формуле (3.7)
= А/мм²
= А/мм²
= А/мм²
= А/мм²
11. По формулам (3.8)-(3.9) определяем наружный и внутренний диаметры магнитопровода после изоляции его макалентой ЛМС-1 толщиной 0.1 мм с половинным перекрытием ленты.
 ,                 (3.8)
  ,                   (3.9)
толщина ленты;
коэффициент перекрытия ленты.
32+2·0,3=32.6мм;
20-2×0.32=19.36мм;
12.По формулам (3.10)-(3.14) и таблице 3.5 определяем число слоев первичной обмотки по наружному диаметру тороида:
  ,                      (3.10)
 ,                       (3.11)
  ,                       (3.12)
,                         (3.13)
      ,                  (3.14)
К_у=1.15-коэфициент укладки
l₁=338^.0.36^.1.15=140мм;
X=3,14(32.6-0.36)=101.2мм;
S=4×3.14×0.36×139=628.5мм²;
Z=2×3.14×0.36=2.26 мм;
слой.
13. По формулам (3.15) и (3.16) определяем число слоев первичной обмотки по внутреннему диаметру:
,                                  (3.15)
,                               (3.16)
у=3.14(19.36+0.36)=61.9мм;
 слоя ;
14. По формулам (3.17) и(3.18) определяем диаметры трансформатора после укладки провода первичной обмотки:
 ,                     (3.17)
 ,                      (3.18)
32.6+2×1.35×0.36×1.15=33.7мм;
19.36-2×2.3×0.36×1.15=17.4мм;
15.Находим длину среднего витка первичной обмотки по формуле (3.19)
Определяем в соответствии с рисунком 3.1
,       (3.19)

16. Изоляцию первичной обмотки производим микалентной бумагой толщиной 0.02мм в два сложения с половинным перекрытием. По формулам (3.20) и (3.21) определяем наружный и внутренний диаметры трансформатора после укладки междуслоевой изоляции:
 ;                       (3.20)
;                     (3.21)
,
,
17. По формулам (3.22)-(3.26) и табл. 3.5 определяем число вторичных слоев обмотки по наружному диаметру тороида:
,                      (3.22)
,                    (3.23)
,                          (3.24)
 ,                                              (3.25)       
 ,                       (3.26)
l₂=25×0.53×1.15=15.2мм;
l₃=43×0.53×1.15=26.2мм;
l₄=75×0.41×1.15=35.3мм;
X₂=3.14(32.6-0.52)=100.7мм;
X₃=100.7мм;
X₄=101мм;
S₂=4×3.14×0.53×14=93.2мм²;

S₃=4×3.14×0.53×24=159.7мм²;
S₄=4×3.14×0.41×33=93.2мм²;
Z₂=2×3.14×0.53=3.33мм;
Z₃=2×3.14×0.53=3.33мм;
Z₄=2×3.14×0.41=2.57мм;
слой ;
слой ;
слой ;
k =1.15;
18. По формулам (3.27) и (3.28) определяем число слоев обмоток по внутреннему диаметру.
 ,                    (3.27)
,                    (3.28)
у₁=3.14(19.36+0.36)=61.9мм;
у₂=3.14(19.36+0.52)=62.45мм;
у₃=3.14(19.36+0.52)=62.45мм;
у₄=3.14(19.36+0.38)=62мм;
 слоя;
 слоя;
 слоя;
 слоя;
19. По формулам (3.29) и (3.30) определяем диаметры трансформатора после укладки провода вторичных обмоток:
,                   (3.29)
 ,                   (3.30)
;
;



;
К_у=1.15-коэфициент укладки;
20. По формуле (3.31) находим длину среднего витка вторичных обмоток (в соответствии с рисунком 3.1)

;
;
21. По формулам (3.32) и (3.33) находим окончательные размеры трансформатора после изоляции обмотки миколентной бумагой 0,1 мм одним слоем с половинным перекрытием,
                      (3.32)
                     (3.33)


22.Окончательные габаритные размеры трансформатора с учетом коэффициента выпучивания определяем по формулам (3.34)-(3.36):   К_в=1.2 (таблица 3.5)
                              (3.34)
                           (3.35)
                                (3.36)
;          
 ;          
;
23. По формуле (3.37) определяем потери в стали (р_ст =33Вт·кг находим по рисунку  3.2):
                           (3.37)
.
24. По формуле (3.38) определяем активную составляющую тока холостого хода:
                        (3.38)
.
25. По формуле (3.39) определяем реактивную составляющую тока холостого хода (Н=3.5 А/см – определяем по рисунку 3.3):
                      (3.39)

26. По формулам (3.40)-(3.41) определяем ток холостого хода:
                      (3.40)
                      (3.41)
;                 
;
27. Определяем активное сопротивление обмоток по формуле (3.42):
 ,                          (3.42)
 ,
 


28. Определяем активные падения напряжения в обмотках трансформатора по формулам (3.43)-(3.44):
                     (3.43)
                       (3.44)   
 ,      ,
,            ,
,                ,
,           ,
29. По формулам (3.45)-(3.49) и по таблице 3.6 определяем массу проводов, потери меди и КПД трансформатора(m=2.65г – масса провода):
,                      (3.45)

гр;


                 (3.46)       
,                         (3.47)
 ,
Вт,
Вт,
,
.                          (3.48)
 ,                      (3.49)
30. По формулам (3.50)-(3.51) определяем расчётный коэффициент А
                   (3.50)
,
А=                              (3.51)
А=
3.2 Теплотехнический расчёт.
1. По формуле (3.52) определяем поверхность охлаждения трансформатора:
                            (3.52)

2. Определяем абсолютную температуру окружающей среды по формуле (3.53)
Т_о.с.=t_о.с.+273⁰С,                         (3.53)
Т_о.с=40+273=313⁰К.
3. Принимаем поверхностное превышение температуры θ_п=50⁰С и находим температуру поверхности трансформатора по формуле (3.54)
Т= θ_п+ Т_о.с                        (3.54)
Т=50+313=363⁰                                                      
4. Определяем коэффициент теплоотдачи по формуле (3.5)
                       (3.55)


 Вт/м²
5. Определяем тепловую проводимость по формуле (3.56)
σ=α· ,                         (3.56)
σ=15·10^-4·46=0.069Вт/⁰С;
6. Определяем поверхностное превышение температуры по формуле (3.57), величину β берем равной единице (для трансформаторов мощностью меньше 150В·А)
θ_п= ,                      (3.57)
где α₊=0.004 1/⁰С – температурный коэффициент для медного провода.

Примем θ_ср=62⁰С тогда средняя по объёму температура обмотки равна
t_ср= t_о.с+ θ_п,                                                      (3.58)
t_ср=40+62=102⁰С
Отсюда следует, что трансформатор будет работать при предельной температуре с запасом температуры в 3⁰С при нормальной температуре для данного провода обмотки 105⁰С,что допустимо,т.к.трансформатор будет устанавливаться на шасси обеспечивающее дополнительный отвод тепла.

ПАСПОРТ
Данный трансформатор предназначен для преобразования напряжения в зарядном устрйстве.
Электрические данные:
1. Напряжение питания                                    100 В
2. Потребляемый ток                                      0.45 А     
3. Напряжение на выходе вторичных обмоток                 7;12;21 В
4. Токи вторичной обмотки                                 1;1;0.6 А
5.Мощность вторичной обмотки                            40.6Вт
6.Рабочая частота                                         400Гц  
Условия эксплуатации:
Температура окружающей среды                            +40 град. С.
Годовой выпуск                                        25000 шт./год.
Конструкция магнитопровода                      тороидальный

ВЫВОДЫ
Стоимость конструкции не высока, т.к. для ее разработки берутся не дорогие материалы.
В процессе выполнения данного курсового проекта была разработана конструкция трансформатора питания. Определены конструкторские и технические параметры трансформатора. Произведен выбор материалов, необходимых для изготовления трансформатора и его составных частей. Выполнены необходимые расчеты по определению электрических и конструктивных параметров трансформатора. Получены определенные навыки расчета параметров и разработки технической конструкторской документации на изготовление элементов электронной аппаратуры.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. М.И. Мелопольский, Л.Г. Пикалова. Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности. - М. Энергия. 1970.
2. В.Л. Соломахо и др. Справочник конструктора — приборостроителя. Проектирование. Основные нормы. - Мн. Высшая школа. 1988.
3. В.А. Волгов. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры. -М. Энергия. 1977.