СПОСОБ НАМОТКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЭЛЕМЕНТА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1994 года по МПК H01F41/04 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к изготовлению трансформаторов, дросселей, электромагнитов, и может быть использовано как в бытовых электрорадиоаппарах, так и в системах передачи электроэнергии, в машиностроении.

Известны индуктивный элемент, содержащий магнитную систему в виде прямолинейной трубки из магнитомягкого материала, внутри которой вдоль оси расположены проводники, изолированные друг от друга и от магнитной системы изоляционным материалом, запрессованным внутри трубки, и способ его изготовления [1] . Преимущественное применение известного индуктивного элемента - в высокочастотных трансформаторах, в трансформаторах импульсных источников питания. К недостатку известного способа можно отнести сложность технологии изготовления, а именно укладки проводников в магнитную систему, так как необходимо продевать провод сквозь трубку. Нерационально используется объем индуктивного элемента, большую его часть занимает изоляционный материал.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, реализованный при изготовлении известного низкопрофильного дросселя. По этому способу сначала изготавливают обмотку, имеющую вид меандра, путем штамповки ленточного проводника с последующим покрытием покровочным лаком и сложением в гармошку. Затем обмотку укладывают в параллельные пазы одной ферритовой пластины параллельно плоскости магнитопровода и закрывают второй ферритовой пластиной [2] .

Недостатками прототипа являются излишний расход материала обмотки, выступающий за пределы магнитопровода, и ухудшенное сцепление магнитных силовых линий с магнитопроводом этих частей обмоток, что приводит к увеличению индуктивности рассеяния; излишний расход материала магнитопровода из-за большой длины пути магнитного потока, обусловленного необходимостью охвата магнитопроводом всех витков, расположенных в его окне; неэффективный отвод тепла, выделяемого обмотками, поскольку витки обмотки сложены вместе и отвод тепла от внутренних витков осуществляется через наружные витки; невысокая конструктивная прочность обмоток, обусловленная группированием всех витков обмотки в окне магнитопровода и недостаточным механическим сцеплением обмотки с магнитопроводом; сложность формы магнитопровода, обусловленная наличием пазов для укладки в них витков обмотки, и сложность формы витков обмотки, требующая применения штамповки для вырубки из ленточного проводника и последующее покрытие лаком для изоляции витков друг от друга, раздельное изготовление обмотки и магнитопровода также ухудшает технологичность изготовления электромагнитного элемента; увеличенные вес и габариты за счет избыточного материала обмотки и магнитопровода и неоптимального их взаимного расположения.

Цель изобретения - снижение расхода материала обмоток и магнитопровода, улучшение отвода тепла от обмоток, увеличение конструктивной прочности обмоток, улучшение технологичности, снижение веса и габаритов.

Для этого по способу намотки электромагнитного элемента, осуществляемому путем укладки ленточного проводника его обмотки в виде меандра в многооконный магнитопровод с параллельными плоскими прямоугольными стержнями с поочередным охватыванием витками обмотки стержней магнитопровода, стержни магнитопровода выполняют из листового материала, ленточный проводник обмотки накладывают перпендикулярно на первый стержень магнитопровода, с другой стороны ленточного проводника накладывают следующий стержень магнитопровода, вокруг которого сгибают плоский проводник обмотки, далее последовательность перечисленных действий повторяют до получения пакета требуемой толщины, который стягивают и фиксируют.

Расход материалов обмотки и магнитопровода снижается на менее чем на 15% , отвод тепла от обмоток улучшается не менее чем на 25% , конструктивная прочность увеличивается не менее чем на 50% , снижение веса и габаритов достигает 20% .

По второму варианту предложенного способа намоткти электромагнитного элемента, осуществляемого путем укладки ленточного проводника его обмотки в виде меандра в многооконный магнитопровод с параллельными плоскими прямоугольными стержнями с поочередным охватыванием витками обмотки стержней магнитопровода, магнитопровод выполняют из ленты магнитомягкого материала, ленточный проводник обмотки накладывают перпендикулярно на ленту магнитопровода, намотку осуществляют поочередным перегибанием на 180^о лент магнитопровода и проводника относительно друг друга, последовательность перечисленных действий повторяют до получения пакета требуемой толщины, который стягивают и фиксируют.

Технологичность второго варианта способа намотки по сравнению с первым улучшается не менее чем на 20% .

По третьему варианту способа намотки электромагнитного элемента, осуществляемого путем укладки ленточного проводника его обмотки в многооконный магнитопровод, ленточный проводник обмотки охватывают со всех сторон ленточным магнитомягким материалом, после чего полученной комбинированной ленте придают требуемую форму и фиксируют.

Технологичность третьего варианта способа намотки по сравнению с первым улучшается не менее чем на 40% , форма пакета из комбинированной ленты может быть произвольной.

Во всех вариантах предложенного способа намотки предельно сближены каждый виток обмотки с магнитопроводом, что минимизирует длины одного витка и его магнитной силовой линии, которая замыкается через две прижатые к прямолинейному участку витка обмотки пластины магнитопровода и через краевые прямоугольные пластины, расположенные в плоскости витков обмотки по обеим их сторонам. Электроизоляционное покрытие, обычно наносимое на пластины магнитопровода для предотвращения вихревых токов, достаточно оставить на краевых прямоугольных пластинах, поскольку плоские обмоточные провода имеют собственную изоляцию. Это позволяет повысить заполнение обмоткой окна магнитопровода, вырожденного в узкую щель, и упростить технологию изготовления магнитопровода. Минимизация длины магнитной силовой линии и длины одного витка обмотки позволяет снизить расход материалов обмотки и магнитопровода, а также предельно снизить вес и габариты электромагнитного элемента.

Непосредственный двусторонний механический и тепловой контакт плоского проводника обмотки с пластинами стержней магнитопровода способствует эффективному отводу тепла каждого витка обмотки через магнитопровод наружу элемента и увеличить конструктивную прочность обмотки.

В первом варианте способа улучшение технологичности обусловлено заменой вырубки обмотки из плоской ленты простым перегибанием плоского проводника обмотки вокруг стержня магнитопровода и исключением операции нанесения изоляции на вырубленную обмотку. Плоский проводник используется целиком без отходов. Для намотки обмотки используют стандартный плоский провод с изоляцией. Форма пластин магнитопровода - прямоугольники, один больший, обжимающий проводник обмотки, другой меньший, замыкающий края больших пластин между собой. Витки обмотки защищены с обеих сторон от механических воздействий. Форма электромагнитного элемента - параллелепипед. Весь занимаемый элементом объем используется рационально для размещения обмотки, магнитопровода, изоляции и стягивающей их в пакет ленты.

Во втором варианте способа предусмотрена возможность изготовления элемента простым перегибанием вокруг друг друга лент магнитопровода и обмотки, что позволяет совместить изготовление обмотки и магнитопровода.

В третьего варианте способа предусмотрена возможность изготовления элемента в виде ленты, что позволяет предельно упростить его изготовление: с катушек сматываются две ленты магнитопровода и лента обмотки, сразу размещаемая между ними. Края лент магнитопровода соединиют по всей длине. После формирования и фиксации пакета с концов комбинированной ленты удаляется часть лент из магнитомягкого материала для обеспечения доступа к обмотке. Форма элемента из комбинированной ленты может быть задана произвольной, сообразуясь с компоновкой электрорадиоппарата, в который устанавливается элемент. Комбинированная лента может быть также изготовлена из одной широкой ленты из магнитомягкого материала, которая перегибается по всей длине пополам, а ленточный проводник вкладывается в сложенную ленту во всю длину, края которой соединяются.

Высота электромагнитного элемента может быть небольшой и ему может быть придана форма плоского основания для размещения на нем других компонентов устройств. Мощные электромагнитные элементы могут быть оформлены в виде вертикальных перегородок (стен) или горизонтальных перекрытий (полов) сооружений.

Индуктивность рассеяния элемента минимальна, поскольку магнитный поток обмотки практически целиком замкнут через магнитопровод. Поля рассеяния в местах стыковки элементов магнитопровода направлены встречно и компенсируют друг друга, что снижает негативное влияние на другие компоненты электрорадиоустройств. В электромагнитных элементах с несколькими обмотками вторичные обмотки вплотную прижаты по всей длине к первичной обмотке, что обеспечивает максимальную магнитную связь между ними. Одинаковая длина всех витков вторичной обмотки позволяет улучшить симметрию обмоток с отводом от середины. Электромагнитные элементы обладают хорошей повторяемостью при серийном изготовлении.

На фиг. 1 и 2 изображен дроссель, изготовленный по первому варианту способа: на фиг. 1 представлено фpонтальное сечение, на фиг. 2 - дроссель с магнитопроводом, собранным из отдельных пластин, вид сверху; на фиг. 3 и 4- трансформатор, изготовленный по первому варианту способа: на фиг. 3 представлено фронтальное сечение, на фиг. 4 - двухобмоточный трансформатор с магнитопроводом, собранным из отдельных пластин, вид сверху; на фиг. 5 и 6 - дроссель, изготовленный по второму варианту способа: на фиг. 5 представлено фронтальное сечение; на фиг. 6 - дроссель с магнитопроводом, выполненным из сплошной ленты, вид сверху; на фиг. 7 и 8 - дроссель, изготовленный по третьему варианту способа: на фиг. 7 - фронтальное сечение, на фиг. 8 - дроссель с магнитопроводом, собранным из двух сплошных лент, вид сверху; на фиг. 9 - дроссель, изготовленный по первому варианту способа, его фронтальное сечение (магнитопровод дросселя собран из отдельных пластин и с общей замыкающей пластиной); на фиг. 10 - электромагнит, изготовленный по первому варианту способа, его фронтальное сечение (магнитопровод электромагнита собран из отдельных пластин и с общей замыкающей пластиной).

Дроссель на фиг. 1 и 2 содержит плоские вертикальные стержни 1 магнитопровода. Каждый внутренний стержень 1 с обеих сторон окружен плоским проводником в изоляции обмотки 2. Обмотка 2 в виде меандра поочередно охватывает все стержни 1. Крайние участки соседних стержней 1 вне обмотки 2 замкнуты между собой пластинами 3, образуя многооконный магнитопровод. Стягивающая лента 4 плотно сжимает стержни 1 и прямолинейные участки витков обмотки 2 между собой. На боковые стороны пластины 3 нанесены изолирующие слои 5, снижающие потери в магнитопроводе от вихревых токов.

Разделительный трансформатор на фиг. 3 и 4 отличается от дросселя на фиг. 1 и 2 только наличием вторичной обмотки 6, которая прижата к первичной обмотке 2 на всем протяжении.

Дроссель на фиг. 5 и 6 содержит магнитопровод и обмотку. Магнитопровод состоит из прямолинейных участков ленты 7 из магнитомягкого материала и замыкающих ее соседние крайние участки пластин 3. Обмотка 2 в виде меандра поочередно охватывает все прямолинейные участки ленты 7, кроме крайних. На боковых сторонах пластин 3 нанесены слои 5 изоляции. Лента 4 стягивает магнитопровод и обмотку 2 в плотный пакет.

Дроссель на фиг. 7 и 8 содержит две ленты 8 из магнитомягкого материала, между которыми по всей длине уложена обмотка 2. Края лент соединены вместе. Такая комбинированная лента сохраняет хорошую гибкость, что позволяет придать электромагнитному элементу произвольную двух или трехмерную форму. Дросселю на фиг. 7 и 8 придана форма параллелепипеда путем перегибания комбинированной ленты с заданным шагом на 180^о. Пакет стянут лентой 4.

Дроссель на фиг. 9 аналогичен дросселю на фиг. 1 и 2, за исключением замыкающих пластин 3, которые выполнены общими для торцов стержней 1.

Электромагнит на фиг. 10 выполнен аналогично дросселю на фиг. 9. Верхняя замыкающая пластина 3 заменена на якорь 9, расположенный над торцами стержней 1 с зазором.

Для намотки дросселя, приведенного на фиг. 1 и 2, плоский провод обмотки 2 с изоляцией 5 накладывает перпендикулярно на крайний стержень 1. С другой стороны проводника обмотки 2 накладывают следующий стержень 1, ориентированный как и крайний стержень 1, к которому, огибая его, прижимают проводник. Между крайними участками внешнего и последующего стержней 1 вне обмотки 2 накладывают пластины 3. В дальнейшем указанные действия повторяют до получения пакета из магнитопровода и обмотки требуемой толщины. После укладки крайнего стержня 1 пакет стягивают лентой 4, устраняя все зазоры между стержнями 1 и обмоткой 2, и фиксируют. Обмотке 2 при укладке придают форму меандра. Стягивание обеспечивает прочный механический и тепловой контакт между обмоткой 2 и элементами 1, 3 магнитопровода, что и обеспечивает повышение конструктивной прочности обмотки 2 и улучшение ствола выделяемого ею тепла через элементы 1, 3 магнитопровода на его внешнюю поверхность. Минимизация длины витка обмотки 2 и длины магнитных силовых линий вокруг нее сокращает расход материалов обмотки и магнитопровода и уменьшает вес. Весь объем элемента занят элементами 1, 3 магнитопровода, обмоткой 2, стягивающей лентой 4, что обеспечивает предельное сокращение габаритов. Изготовление магнитопровода и обмотки, замена намотки обмотки на ее укладку путем перегибания проводника вокруг стержней, исключение изолирующего покрытия на стержнях, использование стандартного проводника с изоляцией для обмотки 2 повышают технологичность изготовления дросселя. Требуемая индуктивность дросселя определяет длину пакета, что позволяет выпускать нормализированный ряд дросселей без существенной переналадки оборудования.

На фиг. 3 и 4 показана возможность изготовления предложенным способом намотки трансформатора. Отличие его от дросселя на фиг. 1 и 2 состоит в том, что в окна магнитопровода уложены две плоские обмотки 2 и 6 с изоляцией 5, получаемый при этом коэффициент трансформации К = = 1/2 = 1 : 1, где 1 и 2 - соответственно число витков обмоток 2 и 6. Другие значения коэффициента трансформации получают последовательно-параллельным соединением частей обмотки 6, для чего ее разделяют на части, от которых делают отводы.

На фиг. 5 и 6 плоский провод обмотки 2 с изоляцией 5 ориентируют перпендикулярно относительно ленты 7 из магнитомягкого материала. Далее ленту 7 и обмотку 2 перегибают относительно друг друга на 180^о. После каждого перегиба ленты 7 со стороны, противоположной сгибу, устанавливают пластину 3. Таким образом, каждый прямолинейный участок обмотки 2 плотно заполняет окно магнитопровода, вырожденное в узкую щель. Описанные действия повторяют до получения пакета требуемой толщины, после чего его стягивают лентой 4.

Обмотки в описанных электромагнитных элементах можно выполнять в несколько слоев. На фиг. 6 пунктиром показаны обмотка, уложенная в два слоя. Второй слой, как и первый слой, поочередно огибает стержни, но в обратном направлении, что обеспечивает их согласованное включение.

На фиг. 7 и 8 между двумя лентами 8 размещают плоский провод 2, после чего края лент 8 соединяют по всей длине. Полученную комбинированную ленту формуют перегибанием и стягивают лентой 4.

На фиг. 9 замыкающие пластины 3 накладывают на торцы стержней 1 и обмотки 2 с двух сторон, что позволяет упростить технологию и уменьшить объем.

На фиг. 10 выполняемые действия аналогичны действиям, рассмотренным ранее. Замыкающая пластина 3 прижата к пакету из обмотки 2 и элементов 1 и 3 магнитопровода снизу. Сверху над пакетом с зазором установлен якорь 9 - подвижная часть магнитопровода, воспринимающая электромагнитное усилие и передающая его внешним исполнительным устройствам.

Таким образом способ позволяет изготавливать различные электромагнитные устройства с достижением указанных технических результатов. (56) 1. Патент ФРГ N 2707211, кл. H 01 F 17/04, 1970.

2. Шотанов Ж. Ж. и др. Силовые электронные системы и устройства маломощной преобразовательной техники. Алма-Ата, 27-30.11.90, ч. 1, Знание, РСФСР, МДНТП им. Ф. Э. Дзержинского, 1991, с. 60-68.

Использование: в электротехнике в частности при изготовлении трансформаторов, дросселей, электромагнитов, а также как в бытовых электрорадиоаппаратах, так и в системах передачи электроэнергии, в машиностроении. Сущность изобретения: намотку электромагнитного элемента осуществляют путем укладки ленточного проводника его обмотки в виде меандра в многооконный магнитопровод с параллельными плоскими прямоугольными стержнями с поочередным охватыванием витками обмотки стержней магнитопровода. Стержни магнитопровода выполняют из листового магнитомягкого материала. Ленточный проводник обмотки накладывают перпендикулярно на первый стержень магнитопровода. С другой стороны ленточного проводника накладывают следующий стержень магнитопровода, вокруг которого огибают плоский проводник обмотки. Далее последовательность перечисленных действий повторяют до получения пакета из обмотки и магнитопровода требуемой молщины, который стягивают и фиксируют. Расход материалов обмотки и магнитопровода снижается не менее чем на 15% , отвод тепла от обмоток улучшается не менее чем на 25% , конструктивная прочность обмотки увеличивается не менее чем на 50% , снижение веса и габаритов достигает 20% . Магнитопровод может быть выполнен из ленты магнитомягкого материала. Ленточный проводник обмотки накладывают перпендикулярно на ленту магнитопровода. Намотку осуществляют поочередным перегибанием на 180 лент магнитопровода и проводника относительно друг друга. Последовательность перечисленных действий повторяют до получения пакета магнитопровода и обмотки требуемой толщины, который стягивают и фиксируют. Намотку электромагнитного элемента осуществляют путем укладки ленточного проводника его обмотки в многооконный магнитопровод. Ленточный проводник обмотки охватывают со всех сторон ленточным магнитомягким материалом. Полученной комбинированной ленте придают требуемую форму и фиксируют. 3 с. п. ф-лы, 10 фиг.

1. Способ намотки электромагнитного элемента, при котором укладывают ленточный проводник обмотки в виде меандра в многооконный магнитопровод с параллельными плоскими прямоугольными стержнями и поочередно охватывают витками стержни магнитопроводов, отличающийся тем, что стержни магнитопровода выполняют из листового материала, а ленточный проводник обмотки накладывают перпендикулярно на первый стержень магнитопровода, с другой стороны ленточного проводника накладывают следующий стержень магнитопровода, который огибают плоским проводником обмотки, далее последовательность перечисленных действий повторяют до получения пакета из обмотки и магнитопровода требуемой толщины, который стягивают и фиксируют. 2. Способ намотки электромагнитного элемента, при котором укладывают ленточный проводник обмотки в виде меандра в многооконный магнитопровод с параллельными плоскими прямоугольными стержнями и поочередно охватывают витками обмотки стержни магнитопровода, отличающийся тем, что магнитопровод выполняют из ленты магнитомягкого материала, ленточный проводник обмотки накладывают перпендикулярно на ленту магнитопровода, намотку осуществляют поочередным перегибанием на 180^o лент магнитопровода и проводника одна относительно другой, последовательность действий повторяют до получения пакета требуемой толщины, который стягивают и фиксируют. 3. Способ намотки электромагнитного элемента, при котором укладывают ленточный проводник обмотки в многооконный магнитопровод, отличающийся тем, что ленточный проводник обмотки охватывают со всех сторон ленточным магнитомягким материалом, после чего полученной комбинированной ленте придают требуемую форму и фиксируют.