ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2004 года по МПК H01F27/28 H01F27/25 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к двух- или многополюсным (по числу полюсов для внутренних соединений и числу полюсов для наружного присоединения) элементам электрических цепей с доминирующими свойствами индуктивности и (или) взаимной индуктивности, в особенности для работы в цепях переменного тока промышленной частоты (50-60 Гц), например к дросселям, трансформаторам, катушкам индуктивности, элементам фильтров, линий задержки, индуктивным балластам, и т. п.

Рекомендуемый диапазон мощностей от единиц В•А до единиц кВ•А.

Такие устройства обязательно содержат в себе две основные организующие рабочий процесс части: электро- и магнитопровод. Первая служит для канализации электрического тока и выполняется, как правило, в виде электрически изолированной проволоки, ленты, полосы из материала с высокой электропроводностью (обычно из меди или алюминия), а вторая - для канализации магнитного потока и выполняется, как правило, в виде изолированных штампованных пластин, ленты, полосы, проволоки из материала с высокой магнитной проницаемостью (обычно из низкоуглеродистой стали, технически чистого железа или его сплавов).

Известны изобретения [1-4], в которых с целью улучшения рабочих, эксплуатационных и стоимостных характеристик, указанных выше устройств, предлагается единообразное выполнение их основных частей с тем, чтобы они могли одновременно выполнять обе функции: электро- и магнитопровода.

Такие устройства содержат обмотки с электрически изолированными витками из материала, обладающего одновременно электро- и магнитопроводностью, состоящие по меньшей мере из одной секции и пространственно сцепленные между собой через центральные отверстия в каждой из них.

Однако известные устройства, в которых активные материалы конструкции совмещают функции электро- и магнитопровода, обладают недостатками.

Так, конструкции катушки индуктивности [1] и индукционного устройства [3] имеют тороидальную форму, при которой удовлетворительную плотность намотки и зависящую от нее магнитную проводимость магнитопровода можно обеспечить только у кольцевой катушки. В то же время тороидальная катушка, наматываемая на кольцевую, из-за существенного различия внутреннего и наружного диаметров последней неизбежно будет иметь зазоры между витками на внешней поверхности и, как следствие, снижение ее магнитной проводимости в качестве магнитопровода. Кроме того, выполнение обмоток катушки индуктивности согласно [1] "из проводника с ферромагнитной добавкой в виде однородного сплава" приведет одновременно к резкому ухудшению его электро- и магнитопроводности, а выполнение обмоток индукционного устройства [3] "проводом, состоящим из ферромагнитной основы, покрытой медной оболочкой с изоляцией", эквивалентно созданию короткозамкнутого витка на всем протяжении его ферромагнитной основы.

Более близкими аналогами предлагаемого электромагнитного устройства являются трансформатор [2] и электромагнитное устройство [4]. В них устранен недостаток устройств [1] и [3] благодаря выполнению обмоток из биметаллических полос фольги, "один из слоев которой является ферромагнитным, а другой слой выполнен из высокопроводящего материала". Тем не менее устройства [2] и [4] также имеют недостаточные функциональные возможности, связанные с наличием только двух пространственно сцепленных и магнитно несвязанных между собой обмоток. В частности, в электромагнитных устройствах [4] с тремя и пятью пространственно сцепленными между собой обмотками только одна является магнитно независимой от остальных соответственно двух и четырех, которые по существу представляют собой электрически несвязанные друг с другом секции второй обмотки, намотанной на первой, как на магнитопровод. Соответственно, заявленное в [4] соотношение размеров Х=0,52573 D характеризует только геометрические условия заполнения внутреннего отверстия первой обмотки секциями второй и не отражает требований оптимизации электромагнитных процессов в устройстве.

Наличие только двух магнитно независимых обмоток существенно ограничивает также возможности конструирования электромагнитных устройств и адаптации их габаритных размеров к требованиям компоновки.

Предлагаемое электромагнитное устройство свободно от отмеченных выше недостатков благодаря тому, что его обмотки с электрически изолированными витками из материала, обладающего одновременно электро- и магнитопроводностью, состоящие по меньшей мере из одной секции и пространственно сцепленные между собой через центральные отверстия в каждой из них, сцеплены между собой подобно звеньям якорной цепи, каждая из них состоит из одной или нескольких концентрических электрически несвязанных между собой секций, имеющих выводы для кондуктивного соединения между собой и присоединения к внешней электрической цепи, причем для любых последовательно расположенных в цепи и смежных обмоток (звеньев), например, k-й, k+1-й, k+2-й, k+3-й... n-й отношения площадей S_k, S_k+1, S_k+2, S_k+3,... S_n центральных отверстий и средних длин L_k, L_k+1, L_k+2,...L_n их витков находятся в пределах

где k=1,2,3,...n
На фиг. 1 и 2 приведены две проекции общего вида и частичного разреза предлагаемого электромагнитного устройства, в котором сцепленные между собой обмотки расположены вдоль прямой линии, совпадающей с осями их симметрии. Там же стрелками показаны направления электрических токов и магнитных потоков в обмотках при k=1. Совершенно очевидно, что все обмотки (звенья цепи) электрически и магнитно независимы друг от друга, а их количество и абсолютные геометрические размеры практически ни чем не ограничены.

Технически и экономически целесообразное ограничение может быть наложено лишь на соотношение геометрических размеров, реализующих оптимальный режим электромагнитных рабочих процессов в обмотках. В качестве оптимального прежде всего может быть принят режим, при котором достигается постоянство физических величин, характеризующих интенсивность электрического и магнитного полей во всем рабочем объеме обмоток, а точнее их активного материала. Обычно в технических проектах такими величинами являются плотность электрического тока и напряженность магнитного поля или магнитная индукция (плотность магнитного потока).

Как известно, значения плотности j электрического тока в электрической цепи и напряженности Н создаваемого этим током магнитного поля в магнитной цепи связаны между собой законом полного тока
∫Hdl = ∫jds,
где dl и ds - соответственно элементы длины силовой линии магнитного потока и площади сечения электрического тока.

Если H_k и j_k - средние значения напряженности магнитного поля и плотности тока в k-й обмотке, то с учетом обозначений фиг.1 и 2
H_k+1L_k+1=(J_kS_k+J_k+2S_k+2)K_з, (2)
где K_з - коэффициент заполнения внутреннего отверстия обмотки активным материалом.

Если, кроме того, средние значения напряженности Н магнитного поля и плотности тока j во всех обмотках одинаковы и равны оптимальным проектным значениям, то из (2) следует условие (1), являющееся отличительным признаком предлагаемого электромагнитного устройства.

На фиг.3 приведен общий вид предлагаемого электромагнитного устройства, в котором сцепленные между собой обмотки расположены вдоль ломаной, в частности, замкнутой линии. По существу, на фиг.3 изображен общий вид трехфазного электромагнитного устройства, состоящего из 6 обмоток.

Принципиальной особенностью электромагнитных устройств с единообразным конструктивно-технологическим выполнением электро- и магнитопровода в виде витых обмоток из материала, обладающего одновременно электро- и магнитопроводностью, является необходимость применения челночной намотки для каждой второй из пары сцепленных между собой обмоток. В процессе челночной намотки обмоточный материал длиной, необходимой для выполнения одной обмотки, сначала наматывается на челнок, а затем с помощью челнока обматывается вокруг другой (других) ранее выполненных обмоток. При этом неизбежно происходит скольжение витков обмоточного материала друг о друга и возможно повреждение их межвитковой изоляции. Последнее является наиболее частой причиной снижения надежности, срока службы, а также выхода годных изделий (электромагнитных устройств) вследствие производственного брака. В предлагаемом электромагнитном устройстве отмеченный недостаток устранен благодаря тому, что обмотки выполнены из трехслойной ленты, внешние слои которой - металлические, а связующий их воедино внутренний слой - диэлектрический.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 344515 с приоритетом от 14.07.70.

2. Авторское свидетельство СССР 630654 с приоритетом от 24.05.77.

3. Авторское свидетельство СССР 1345267 с приоритетом от 24.02.86.

4. Патент США 4916425 с приоритетом от 31.08.88.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве дросселей, трансформаторов, катушек индуктивности, элементов фильтров, линий задержки, индуктивных балластов и т.п. Диапазон мощностей от единиц В•А до единиц кВ•А. Технический результат заключается в снижении стоимости, улучшении технических характеристик, упрощении конструкции и технологии производства. Обмотки выполнены с электрически изолированными витками из трехслойной ленты, внешние слои которой - из металла, обладающего одновременно электро- и магнитопроводностью. Связующий их воедино внутренний слой - диэлектрический. Слои сцеплены между собой подобно звеньям якорной цепи и расположены вдоль прямой или ломаной, в том числе замкнутой, линии, совпадающей с осями их симметрии. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электромагнитное устройство, содержащее обмотки с электрически изолированными витками из материала, обладающего одновременно электро- и магнитопроводностью, состоящие по меньшей мере из одной секции и пространственно сцепленные между собой через центральные отверстия в каждой из них, отличающееся тем, что упомянутые обмотки сцеплены между собой подобно звеньям якорной цепи, каждая из них состоит из одной или нескольких концентрических электрически несвязанных между собой секций, имеющих выводы для соединения между собой и присоединения к внешней электрической цепи, причем для любых последовательно расположенных в цепи и смежных обмоток, например, k-й, k+1-й, k+2-й, k+3-й,....., n-й отношения площадей S_k, S_k+1, S_k+2, S_k+3,..., S_n центральных отверстий и средних длин L_k, L_k+1, L_k+2,....., L_n их витков находятся в пределах

где k=1, 2, 3,...n.