Technologie segmentovaných jader pro lékařské transformátory

Patent USA 10056184; Patent EPO 3365901; Indický patent 378739.

Typický způsob výroby toroidního transformátoru zahrnuje vytvoření ocelového jádra, izolaci jádra, navinutí magnetického drátu kolem jádra, čímž se vytvoří primární vinutí, izolaci primáru, navinutí magnetického drátu přes izolaci, čímž se vytvoří sekundární vinutí, a izolaci sekundáru, čímž se transformátor dokončí. K montáži transformátoru se použije buď montážní podložka a šroub, nebo se střed transformátoru vyplní epoxidovou hmotou s otvorem pro šroub. Mezi jednotlivými kroky výroby se s transformátorem manipuluje a přechází z jedné operace do druhé.

Návrh a konstrukce segmentových uzávěrů jádra

Segmentové krytky jádra podporují primární a sekundární vinutí ve střídavých sektorech, aby se snížil unikající proud. Několik modulárních elektricky izolačních segmentů se obvykle zacvakne nebo jinak spojí dohromady a vytvoří prstencovou nebo poloanulovou krytku jádra pro zakrytí nebo částečné zakrytí toroidního jádra transformátoru s prstencovým tvarem. Segmenty nebo moduly jsou obvykle vyrobeny ze Zytelu® FR50, Rynite® FR530 nebo Zytelu® E103HSL.

Moduly s krytem jádra izolují vinutí od jádra v celém rozsahu vinutí a umožňují dvojitou izolaci mezi sousedními vinutími, což výrazně snižuje svodový proud ve srovnání s běžnými toroidními transformátory. Umožňují také přímé chlazení jádra okolním nebo nuceným vzduchem bez zásahu do izolace. Víčko jádra může být také sestaveno z modulů součástí nad hotovým navinutým toroidním jádrem.

Segmenty každého modulu obsahují dvojici vzdálených, obvykle elektricky izolujících stěn, mezi nimiž je spojena část krycího panelu jádra. Stěny jsou vůči sobě umístěny pod předem určeným úhlem, obvykle 30 stupňů, 45 stupňů, 60 stupňů nebo podobně, takže každý modulární segment svírá oblouk přibližně 30 stupňů, 45 stupňů, 60 stupňů atd. Příslušné od sebe vzdálené stěny obsahují spojitelné, obvykle samčí a samičí, spojovací části tak, aby se sousedně umístěné segmenty mohly opakovaně spojovat, přičemž dostatečně spojené části segmentů vymezují prstencovou krytku jádra.

Počet segmentů potřebných k dokončení uzávěru jádra je předem určen a je obvykle funkcí předem určeného úhlu mezi stěnami; například pokud je úhel 45 stupňů, je třeba spojit osm segmentů, aby byl definován tvar prstence. Pokud je úhel 60 stupňů, je k vytvoření prstence zapotřebí pouze šest segmentů. Zatímco jádrové uzávěry jsou obvykle sestaveny z identických modulů jádrových uzávěrů, jádrové uzávěry mohou střídavě obsahovat kombinace modulů jádrových uzávěrů svírajících různé oblouky, například čtyři moduly jádrových uzávěrů svírající každý úhel 45 stupňů a šest modulů jádrových uzávěrů svírajících každý úhel 30 stupňů.

Přestože jsou moduly stejných rozměrů a tvarů obvykle výhodnější, neexistují žádná praktická omezení pro kombinace velikostí a tvarů modulů jádra, které lze kombinovat, aby vzniklo vlastní jádro s požadovanými vlastnostmi a charakteristikami.

Oddělující stěny

Stěny obvykle spojují panel tak, že vymezují relativně rovnou nebo zarovnanou stranu nebo povrch, na kterém se nachází jádro (vymezující spodní nebo spodní stranu segmentu a prstence), a jsou umístěny naproti překážkám vytvořeným dvěma spojenými nebo zaklesnutými stěnami (vymezujícími drátěnou segmentovou nebo horní stranu prstence). Bariéry vymezují parametry, mezi nimiž je omezeno střídavé vinutí vodiče, obvykle střídavé primární a sekundární vinutí.

Segmenty obsahují jednu nebo více separací nebo stěn umístěných tak, aby částečně nebo zcela přesahovaly horní stranu panelu a dále vymezovaly parametry, mezi kterými jsou vedena vinutí vodičů. Jedna nebo více separací jsou obvykle umístěny ekvidistantně mezi stěnami a/nebo navzájem. Separace jsou obvykle orientovány tak, aby se rozšiřovaly radiálně směrem ven ze středu jádra a/nebo prstence vymezeného spojenými segmenty; jinými slovy, každá příslušná separace obvykle leží na poloměru prstence, ačkoli stěny separací mohou mít podle potřeby i jiné vhodné tvary a obrysy.

Segmenty dále obsahují krycí desku vnějšího průměru jádra nebo krycí desku vnitřního průměru jádra nebo krycí desku vnitřního průměru jádra, které se rozšiřují směrem dolů tak, aby alespoň částečně zakrývaly vnější a vnitřní průměr toroidního jádrového prstence umístěného proti krycím deskám jádra částečně nebo zcela vytvořeného prstence. Tyto panely mohou být ploché pro zakrytí jádrového prstence s plochou stranou vnějšího a vnitřního průměru nebo zakřivené, aby navazovaly na jádrový prstenec se zaoblenými nebo zakřivenými částmi vnitřního a vnějšího průměru.

Stěny jsou zkrácené a nepřesahují přes panely. U některých z nich jsou spodní stěny umístěny naproti panelu od příslušné stěny. Spodní stěna může rovněž obsahovat matné spojovací prvky pro společné spojení. Některé segmenty obsahují žebra umístěná na horní straně panelů tak, aby vznikla vzduchová mezera mezi vinutím drátu a horní stranou prstence. Vytvoření vzduchové mezery usnadňuje chlazení vinutí vzduchem tím, že umožňuje cirkulaci vzduchu mezi vinutím a horní stranou krytu.

Nástroj pro navíjení segmentového jádra

Navíjecí nástroj se používá k usnadnění navíjení jádra s uzávěrem z jedné cívky. Navíjecí nástroj je obvykle plochý prstenec s vyčnívajícím okrajem nebo přírubou vycházející z vnějšího průměru. Kroužek obvykle obsahuje drážku, takže má tvar písmene C. Kroužek je dimenzován tak, aby pojal segment, přičemž drážka je dimenzována tak, aby na ni mohl být nasazen drát. Navíjecí nástroj obvykle obsahuje také podlouhlý obloukový drátěný zámek s několika dílčími drážkami a jedním nebo více uzamykacími otvory pro připojení zámku drátu k jednomu nebo více segmentům během procesu navíjení drátu.

V provozu lze vzájemně propojit více segmentů a vytvořit tak prstenec. Prstenec obsahuje prstencovou horní krycí část jádra vymezenou panely jednotlivých segmentů. Ve většině provedení obsahuje prstenec také (obvykle) stejně vzdálené radiální výstupky, definované vzájemně spojenými konektory, které vystupují z prstence směrem ven. Každý radiální výstupek je obvykle součástí podlouhlé stěny umístěné na horní straně prstence a vystupující radiálně dovnitř částečně nebo zcela přes horní povrch. Některé stěny jsou zakončeny radiálními výstupky vystupujícími z prstence směrem dovnitř. Tyto radiální výstupky jsou obvykle vytvořeny spojením dvou spodních stěn, mohou však být vytvořeny samostatně.

Kroužek může také obsahovat prstencovité jádro, kryt vnějšího průměru a/nebo kryt vnitřního průměru prstencového jádra, přičemž každý kryt je umístěn obecně kolmo k horní části krytu jádra a směrem dolů se rozšiřuje.

Příslušné kryty se obvykle skládají z přilehlých krycích panelů, když jsou segmenty spojeny tak, aby vymezovaly prstenec.

Obvykle je dvojice krycích kroužků zkonstruována ze spojených segmentů a umístěna na opačných stranách toroidního jádra se zarovnanými výstupky směrem ven. Každý prstenec je tvořen sudým počtem segmentů. Drát je navinut souvisle kolem střídajících se segmentů, aby se definovalo primární vinutí, přičemž na jeden segment připadá N vinutí. Kolem zbývajících segmentů je spojitě navinut drát v násobcích N vinutí na segment, čímž je definováno sekundární vinutí. Obvykle lze všechna vinutí navíjet z jedné cívky nebo člunku v rámci jedné operace souvislého navíjení cívky, přičemž drát je veden z jednoho segmentu do druhého drážkou nebo mezerou mezi dvěma protilehlými kryty jádra. Drát se obvykle přestřihne nebo oddělí, aby se primární vinutí oddělilo od sekundárního vinutí, a navinuté jádro se pak může obalit izolací, čímž se vytvoří toroidní transformátor. V některých z nich může být k usnadnění navíjení jádra použit navíjecí nástroj. Takto navinutá jádra si zachovávají výhody toroidních transformátorů a zároveň mají výhodu, že jsou lehčí, menší, účinnější a tišší než jádra z E-I laminátu. Takto navinutá jádra vykazují ve srovnání se standardně navinutými jádry toroidních transformátorů snížený svodový proud mezi vinutími.

Primární vinutí obvykle zabírá segmenty s lichým číslem, počínaje prvním navinutým segmentem, a sekundární vinutí zabírá segmenty se sudým číslem. Každý prstenec může obsahovat násobky tří segmentů, např. šest, devět nebo dvanáct, a jádro může být vinuto primárním, sekundárním a terciárním (nezobrazeno) vinutím, jak je uvedeno výše, aby vznikl třífázový transformátor. Alternativně může prstenec obsahovat segmenty s různými konfiguracemi

Izolační materiál, například pásek MYLAR, může být umístěn tak, aby zakrýval část jádra odkrytou mezerou, nebo může být jádro částečně nebo zcela obaleno izolačním materiálem před umístěním krytky (krytek) na něj. V jiných provedeních jsou stěny vzájemně vzdáleny a orientovány tak, aby vymezovaly mezikruží, ale nejsou vzájemně fyzicky spojeny. Všechny přívody jsou dvojitě izolovány/obaleny a připevněny kabelovými páskami.

Shrnutí: Výhody segmentovaného jádrového uzávěru

Pokud lze navrhnout krytku jádra segmentu, která splňuje specifikace bezpečnostních agentur pro průchodnost a vůli, zkrátí se doba výroby, protože:

• Není potřeba zemní a mezivětrná izolace a také vnější obal.
• Primární i sekundární vinutí lze navinout na jednom stroji, což zkracuje dobu manipulace.
• Pokud víčko obsahuje montážní otvory, není nutné vyplňovat střed transformátoru epoxidem.

Pokud by bylo možné navrhnout segmentový kryt jádra, který by byl vyroben z opakovatelných částí, které by se “zacvakávaly”, pak by náklady na nástroje a montáž krytů byly nižší, protože:

• Náklady na obrábění menšího dílu pro vstřikování jsou nižší než náklady na obrábění většího dílu.
• Montáž dílů “snap-together” vyžaduje méně dovedností než jiné techniky izolace jádra.

Pokud se podaří navrhnout levný nástroj, který bude držet krytku segmentového jádra na místě během primárního a sekundárního vinutí, budou výrobní náklady nižší, protože lze použít stávající výrobní zařízení.

Pokud lze navrhnout segmentový transformátor s jádrem, který splňuje specifikace bezpečnostních agentur pro průchodnost a vůli a umožňuje proudění vzduchu kolem jádra a vinutí, pak bude nárůst teploty menší, protože:

• Z neizolovaného jádra uniká teplo přímo do okolí.
• Neexistuje žádná izolace mezi vinutími a vnější obal, který zachycuje teplo.
• Všechna vinutí mají přímou cestu pro přenos tepla z nich do okolí.

Pokud lze navrhnout segmentovou krytku jádra, která obsahuje montážní otvory, bude hmotnost transformátoru nižší, protože:

• Středový epoxid není nutný
• Montážní podložka není nutná

Transformátor se segmentovým jádrem vs. standardní toroidní transformátor

Segmentové transformátory Cap nabízejí výrazné snížení unikajícího proudu a nárůstu tepla ve srovnání se systémy standardní toroidní transformátory. Výměna tepla je u segmentového transformátoru relativně lepší, protože samotná konstrukce kapslí poskytuje všechny potřebné izolace. V našem experimentu bylo zjištěno, že transformátor s jednoduchým schématem (1:1 izolační txmrs) představuje výhodu 13 ~ 17 °C oproti nárůstu teploty.

Srovnání testů / Hodnocení výkonu: 1500VA

Srovnání hmotnosti

Porovnání nárůstu teploty

Srovnání pracovní doby

Samotná konstrukce transformátoru s jádrem segmentu umožňuje lepší odvod tepla, takže je lze dimenzovat na větší výkon při stejném objemu, což je hlavní výhoda. Jsou tedy relativně menší a lehčí ve srovnání s transformátorem standardní konstrukce při stejných výkonech. Dalšími výhodami jsou menší unikající proud, nižší výrobní náklady a cenově výhodná montážní konstrukce.

Níže je například uvedeno srovnání segmentového transformátoru s kapacitou 1500 VA (rozšířený výkon 1800 VA) s naším segmentovým transformátorem s kapacitou 1800 VA. standardní lékařský transformátor 1800 VA standardní metody toroidní konstrukce 1800MD-1-003.

Srovnání testů

Srovnání hmotnosti

Srovnání pracovní doby

Schválení UL pro konstrukci se segmentovým vinutím

Společnost UL zkoumala Segmentový transformátor s vinutou konstrukcí podle norem UL60601-1 1. vydání, ANSI/AAMI ES60601-1 1. vydání, CAN/CSA C22.2 č. 601.1 M90 a CSA C22.2 NO. 60601-1 2. vydání Konstrukce a určil, že segmentový vinutý transformátor splňuje příslušné požadavky.

Číslo souboru Talema UL: E251176

Závěr

Ačkoli jsou konstrukce toroidních transformátorů obecně poměrně vyspělé, tato bílá kniha ukazuje, že stále existuje prostor pro inovace a zvýšení účinnosti díky použití technologie segmentovaných jader. Doufáme, že tato práce bude užitečná pro výrobce zdravotnických přístrojů, konstruktéry magnetů a všechny, které by to mohlo zajímat.

Další informace o technologii segmentovaného jádra nebo o jiných lékařských magnetických prvcích společnosti Talema naleznete na adrese kontaktujte nás.

---

Více informací najdete v naší bílé knize - Zdokonalení lékařských izolačních transformátorů pomocí technologie segmentované jádrové čepičky

Jméno *

Křestní jméno

Příjmení

GDPR Email Agreement

E-mail *

Souhlas se zpracováním osobních údajů *

• Souhlasím s tím, aby tyto webové stránky ukládaly mnou zadané informace, aby mohly reagovat na mé dotazy.

Přečtěte si celou bílou knihu »

---