ДРОССЕЛЬ С СОСТАВНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ, ИМЕЮЩИЙ НЕЛИНЕЙНУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ, И ИНДУКТИВНАЯ ВХОДНАЯ ЦЕПЬ Российский патент 2007 года по МПК H01F38/02 H01F27/24 H01F17/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение касается дросселя с составным сердечником, имеющего нелинейную характеристику, используемого с целью регулирования и управления системой энергоснабжения переменного тока, и индуктивной входной цепи, использующей дроссель.

История изобретения

В опубликованной японской патентной заявке (kokai), опубликованной под №JP10-70856, описано изобретение, которое касается индукционного устройства подачи питающего постоянного напряжения, использующего дроссель насыщения. Это устройство для передачи электроэнергии транспортному средству, движущемуся вдоль трассы, от трассы к транспортному средству, бесконтактным способом с использованием электромагнитной индукции. Индуктивная входная цепь, установленная на транспортном средстве, включает в себя, в качестве своей базовой структуры, принимающую катушку для возбуждения наведенной электродвижущей силы при помещении катушки в поле переменного тока (при постоянной частоте приблизительно 10 кГц), создаваемое оборудованием, входящим в состав трассы, резонансный конденсатор, соединенный с принимающей катушкой и формирующий резонансную цепь, настроенную на частоту магнитного поля, и преобразователь для выпрямления переменного тока, полученного из резонансной цепи, и подачи его в нагрузку, например двигателю.

В случае применения такой индуктивной входной цепи, когда нагрузка потребляет мало энергии (называемом «состоянием неполной нагрузки»), цепь разрушается, потому что наведенное напряжение принимающей катушки увеличивается без какого-либо ограничения, поскольку не действует никаких сдерживающих факторов. Поэтому вышеупомянутый предыдущий уровень техники использует конструкцию, в которой регулируется любое анормальное увеличение напряжения, т.е. напряжение поддерживается постоянным, посредством параллельного соединения дросселя насыщения с резонансной цепью, образованной принимающей катушкой и конденсатором.

Изобретатели продолжали дальнейшее изучение различных характеристик, которые должен иметь дроссель с нелинейной характеристикой, подходящий для вышеописанных целей. В случае если дроссель насыщения будет использоваться в высокочастотной области 10 кГц или выше, преимуществом является то, что потери на нагрев вихревыми токами, вызванные высокочастотным магнитным полем, меньше, когда сердечник выполнен из феррита, имеющего высокое сопротивление. Тем не менее, так как феррит значительно изменяет магнитную характеристику (плотность магнитного потока насыщения) в соответствии со своей температурой, проблемой является то, что вышеописанная характеристика постоянного напряжения, обеспечиваемая дросселем насыщения, не стабильна, когда температурные колебания окружающей среды, где используется дроссель, большие.

Так как магнитомягкий материал из аморфного сплава и нанокристаллический магнитно-мягкий материал показывают стабильную магнитную характеристику на фоне температурных колебаний, преимуществом является то, что когда используется дроссель насыщения, имеющий сердечник, выполненный из такого материала, характеристика постоянного напряжения стабильна, даже если температурные колебания окружающей среды, где используется дроссель, большие. Тем не менее, если сердечник выполнен из такого типа материала посредством наматывания материала, имеющего форму ленты, проблемой является то, что вихревые токи имеют тенденцию возникать на поверхности ленты, когда в катушке течет импульсный ток с крутыми фронтами, и поэтому сам сердечник значительно нагревается.

Касательно и того, и другого материала сердечника, в конструкции, в которой дроссель насыщения соединен с вышеописанной индуктивной входной цепью для поддержания постоянного напряжения, сердечник становится магнитно-насыщенным в окрестности вершины каждой полуволны высокой частоты 10 кГц или выше в режиме работы, поддерживающем постоянное напряжение, и поэтому импульсный ток с крутыми фронтами течет в обмотке катушки, намотанной вокруг сердечника (тем самым регулируется любое увеличение напряжения). Как известно, при использовании этого типа импульсного высокочастотного тока с крутыми фронтами серьезная проблема заключается в том, что он вызывает опасные электромагнитные помехи в окружающей среде.

Настоящее изобретение было задумано в свете вышеуказанных технических рассуждений. Задача изобретения - представить дроссель с составным сердечником, имеющий нелинейную характеристику, выполненный с возможностью устойчивого подавления любого увеличения напряжения без образования какого-либо импульсного тока с крутыми фронтами и ослабление проблем, связанных с его нагревом электромагнитными помехами, и предоставить индуктивную входную цепь, использующую такой дроссель.

Раскрытие изобретения

Аспект настоящего изобретения предлагает дроссель с составным сердечником, имеющий нелинейную характеристику, включающий в себя первую деталь сердечника, выполненную из материала с высокой магнитной проницаемостью и формирующую непрерывную кольцеобразную магнитную цепь; вторую деталь сердечника, выполненную из материала с высокой магнитной проницаемостью и формирующую кольцеобразную магнитную цепь, разорванную в определенном месте прорезью; пластину магнитного экранирования, выполненную из материала с низкой магнитной проницаемостью, имеющего высокую электропроводность и высокую теплопроводность, полностью помещенную между первой и второй деталями сердечника; и обмотку, причем кольцеобразная магнитная цепь первой детали сердечника и кольцеобразная магнитная цепь второй детали сердечника расположены бок о бок, заключая между собой пластину магнитного экранирования, причем обмотка наматывается так, что она по существу последовательно пересекает обе кольцеобразные магнитные цепи.

Другой аспект настоящего изобретения предлагает дроссель с составным сердечником, имеющий нелинейную характеристику, включающий в себя две первых детали сердечника, выполненные из материала с высокой магнитной проницаемостью, каждая из которых формирует непрерывные кольцеобразные магнитные цепи; вторую деталь, выполненную из материала с высокой магнитной проницаемостью и формирующую кольцеобразную магнитную цепь, разорванную в определенном месте прорезью; две пластины магнитного экранирования, выполненные из материала с низкой магнитной проницаемостью, имеющего высокую электропроводность и высокую теплопроводность, каждая из которых располагается на соответствующей стороне второй детали сердечника, причем каждая из двух пластин магнитного экранирования полностью помещается между первой и второй деталями сердечника соответственно; и обмотку, причем кольцеобразные магнитные цепи двух первых деталей сердечника и кольцеобразная магнитная цепь второй детали сердечника расположены бок о бок три в ряд, заключая между собой две пластины магнитного экранирования, причем обмотка наматывается так, что она по существу последовательно пересекает три в ряд кольцеобразные магнитные цепи.

Еще один аспект настоящего изобретения предлагает индуктивную входную цепь для передачи электроэнергии от резонансной цепи к нагрузке, включающую в себя принимающую обмотку, помещенную в поле переменного тока при заранее определенной частоте и для выработки наведенной электродвижущей силы; и резонансный конденсатор, соединенный с принимающий обмоткой и формирующий резонансную цепь, настроенную на частоту магнитного поля, причем обмотка дросселя с составным сердечником, имеющего нелинейную характеристику, согласно одному из вышеописанных аспектов параллельно соединяется с резонансным конденсатором.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - вид в перспективе дросселя с составным сердечником, имеющего нелинейную характеристику, согласно первому варианту выполнения изобретения.

Фиг.2 - вид спереди дросселя с составным сердечником, имеющего нелинейную характеристику, согласно второму варианту выполнения изобретения, без обмотки.

Фиг.3 - вид спереди дросселя с составным сердечником, имеющего нелинейную характеристику, согласно третьему варианту выполнения изобретения, без обмотки.

Фиг.4 - схема цепи индуктивной входной цепи, в которую встроен дроссель с составным сердечником, имеющий нелинейную характеристику, соответственно изобретению.

Осуществление изобретения

Основной вариант выполнения дросселя с составным сердечником, имеющего нелинейную характеристику, согласно изобретению показан на фиг.1. В этом варианте выполнения как первая деталь 1 сердечника, не имеющая прорези, так и вторая деталь 2 сердечника, имеющая прорезь 3, представляют собой кольцеобразные сердечники, изготовленные посредством плотного наматывания в виде трубки лентообразного материала из магнитомягкого материала из аморфного сплава или нанокристаллического магнитомягкого материала. В отношении второй детали 2 сердечника часть его кольца вырезана, чтобы обеспечить прорезь 3, как показано на чертеже.

В качестве материала пластины 4 магнитного экранирования подходит алюминий, медь или нержавеющая сталь марки SUS304. Пластине 4 магнитного экранирования варианта выполнения, показанного на фиг.1, сгибанием придается L-образная форма, чтобы использовать также в качестве кронштейна, причем ее главная торцевая поверхность больше, чем внешний диаметр деталей 1 и 2 сердечника, и сквозь нее просверливается отверстие, имеющее внутренний диаметр, по существу такой же, как внутренний диаметр деталей 1 и 2 сердечника. Первая деталь 1 сердечника и вторая деталь 2 сердечника присоединяются соответственно к каждой из сторон пластины 4 магнитного экранирования таким образом, что обе детали 1 и 2 сердечника выровнены относительно отверстия, и кольцеобразные магнитные цепи в первой детали 1 сердечника и второй детали 2 сердечника расположены бок о бок, заключая между собой пластину 4 магнитного экранирования. Обмотка 5 наматывается вокруг деталей 1 и 2 сердечника через отверстие пластины 4 магнитного экранирования так, что обмотка по существу последовательно пересекает эти две кольцеобразные магнитные цепи.

Для каждой из деталей 1 и 2 сердечника, образованной из плотно намотанного лентообразного материала, кольцеобразные плоские участки по обеим их сторонам представляют собой торцевые поверхности, где края сторон лентообразного материала объединяются, и эти поверхности имеют превосходную теплопроводность. Эти поверхности присоединяются к пластине 4 магнитного экранирования. Однако при их соединении поверхности должны быть соединены таким образом, чтобы получить хороший тепловой контакт для проведения теплоты, образующейся в деталях 1 и 2 сердечника, к пластине 4 магнитного экранирования как можно эффективнее. Для указанного соединения между ними находится изоляционная полоса, выполненная из силикона и т.д., или между ними наносится изолирующая краска, такая как эпоксидная смола, так что соединение является электрически изолированным. Благодаря этой электрической изоляции может быть предотвращено протекание по пластине 4 магнитного экранирования вихревого тока.

Пластина 4 магнитного экранирования данного варианта выполнения имеет форму, подходящую для использования в качестве крепежного кронштейна самого дросселя с составным сердечником, имеющего нелинейную характеристику, и эта функция опоры пластины 4 магнитного экранирования служит для того, чтобы оградить окружающие конструкции (главным образом, выполненные из железа) от влияния магнитодвижущей силы, выработанной обмоткой 5, а часть опоры также способствует эффективному рассеянию теплоты.

Дроссель с составным сердечником, имеющий нелинейную характеристику, показанный на фиг.1, сконструированный, как описано выше, встраивается, например, в индуктивную входную цепь, показанную на фиг.4. Цепь, показанная на фиг.4, включает в себя принимающую обмотку 41, помещенную в магнитное поле переменного тока при постоянной частоте приблизительно 10 кГц для вырабатывания наведенной электродвижущей силы, резонансный конденсатор 42, соединенный с принимающей обмоткой 41 и формирующий резонансную цепь, настроенную на частоту магнитного поля, и преобразователь 43 для выпрямления переменного тока, получаемого из резонансной цепи и передачи его к нагрузке 45, например к двигателю. Дроссель 44 с составным сердечником, имеющий нелинейную характеристику, точнее его обмотка 5, согласно изобретению соединяется параллельно с резонансным конденсатором 42.

На основе варианта применения, показанного на фиг.4, ниже описано действие дросселя с составным сердечником, имеющего нелинейную характеристику.

Первая деталь 1 сердечника, не имеющая прорези, естественно, имеет значительно меньшее магнитное сопротивление, чем вторая деталь 2 сердечника, имеющая прорезь 3. Поэтому сила намагничивания тока, текущего в обмотке 5, порождает магнитный поток исключительно в первой детали 1 сердечника в области первой детали 1 сердечника, которая не является магнитно насыщенной. В этой ситуации дроссель 44 демонстрирует высокое значение индуктивности плотности магнитного потока. Когда первая деталь сердечника становится насыщенной, тогда сила намагничивания вырабатываемого обмоткой тока начинает вырабатывать магнитный поток во второй детали 2 сердечника. Когда первая деталь 1 сердечника магнитно насыщается, связанная с этим индуктивность становится по существу нулевой. Тем не менее, так как в это время вырабатывается магнитный поток во второй детали 2 сердечника, индуктивность самого дросселя 44 сохраняет определенное значение. Поэтому импульсный ток, текущий в дросселе 44, не имеет такой крутой фронт импульса и не является чрезмерным, даже если первая деталь 1 сердечника магнитно насыщается. Т.е. операция подавления напряжения работает мягко, и проблемы нагрева и электромагнитных помех, вызванные вихревыми токами, вследствие чрезмерного импульсного тока, с крутыми фронтами, ослабляются. Более того, хотя магнитный поток проникает в окружающую среду из прорези 3 второй детали 2 сердечника, пластина 4 магнитного экранирования предотвращает проникновение магнитного потока в первую деталь 1 сердечника и связанные с этим потери на вихревые токи.

Как очевидно из описания, представленного выше, дроссель с составным сердечником, имеющий нелинейную характеристику, работает как ограничитель напряжения, т.е. ограничитель выбросов. Более того, так как импульсная энергия течет в обмотке 5 в виде тока и преобразуется в магнитную энергию и в то же время расходуется в виде омических потерь обмотки 5 и проволочных выводов, соединенных с обмоткой 5, когда прикладывается напряжение, которое вызывает насыщение первой детали 1 сердечника или более высокое напряжение, дроссель имеет высокое волновое сопротивление и эффективен для поглощения периодически повторяющихся импульсов.

Кроме того, пластина 4 магнитного экранирования выполняет быстрое рассеивание тепла, вырабатываемого в деталях 1 и 2 сердечника, и предохраняет их от перегрева. Участок, выходящий за пределы деталей 1 и 2 сердечника (участок ребра излучения), может быть сделан больше посредством выполнения пластины 4 магнитного экранирования с большим размером, чтобы усилить роль этого рассеивания. Как иллюстрируется вариантом выполнения, показанным на фиг.2 (обмотка не показана), является эффективным как для изоляции магнитного поля, так и рассеивания тепла присоединение пластин магнитного экранирования 4a и 4b полностью к внешним торцевым поверхностям деталей 1 и 2 сердечника соответственно.

Основными параметрами, определяющими характеристики дросселя с составным сердечником, имеющего нелинейную характеристику в соответствии с изобретением, являются площадь поперечного сечения первой детали 1 сердечника, площадь поперечного сечения второй детали 2 сердечника, размер прорези 3, число витков обмотки 5 и т.д., и дроссель, имеющий описанные нелинейные характеристики, может быть реализован надлежащей установкой этих параметров. Поэтому вариант конструкции, который может удовлетворить данным требованиям, проиллюстрирован как вариант выполнения, показанный на фиг.3, в котором обмотка исключена. В этом варианте выполнения две первых детали 1a и 1b сердечника, имеющие меньшую площадь поперечного сечения, соединяются в трехрядную конструкцию соответственно по обеим сторонам второй детали 2 сердечника, имеющего большую площадь поперечного сечения. 4a и 4b - пластины магнитного экранирования, такие же, как пластины, описанные выше.

Промышленная применимость

Согласно вариантам выполнения изобретения, описанным выше, в применениях, таких как введение множества дросселей с составным сердечником, имеющих нелинейную характеристику, в индуктивную входную цепь для ограничения напряжения, проблема электромагнитных помех, являющихся следствием чрезмерного импульсного тока, с крутыми фронтами, ослабляется, так как операция ограничения напряжения выполняется при стабильном уровне напряжения с большим волновым сопротивлением и, более того, мягко. Кроме того, так как дроссель трудно нагреть, разработка монтажа дросселя в устройстве становится более простой, таким образом способствуя уменьшению размеров устройств.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования и управления системой энергоснабжения переменного тока и индуктивной входной цепи, использующей дроссель. Технический результат состоит в обеспечении устойчивого подавления любого увеличения напряжения без образования какого-либо импульсного тока с крутыми фронтами и уменьшения нагрева электромагнитными помехами. Дроссель включает в себя первую деталь сердечника, выполненную из материала с высокой магнитной проницаемостью и формирующую непрерывную кольцеобразную магнитную цепь. Вторая деталь сердечника выполнена из материала с высокой магнитной проницаемостью и формирует кольцеобразную магнитную цепь, разорванную в определенном месте прорезью. Пластина магнитного экранирования выполнена из материала с низкой магнитной проницаемостью, имеющего высокую электропроводность и высокую теплопроводность, и полностью помещается между первой и второй деталями сердечника. Кольцеобразные магнитные цепи первой и второй деталей сердечника расположены бок-о-бок, заключая между собой пластину магнитного экранирования. Обмотка наматывается так, что обложка по существу последовательно пересекает обе кольцеобразные магнитные цепи. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Дроссель с составным сердечником, имеющий нелинейную характеристику, включающий в себя

первую деталь сердечника, выполненную из материала с высокой магнитной проницаемостью и формирующую непрерывную кольцеобразную магнитную цепь;

вторую деталь сердечника, выполненную из материала с высокой магнитной проницаемостью и формирующую кольцеобразную магнитную цепь, разорванную в определенном месте прорезью;

пластину магнитного экранирования, выполненную из материала с низкой магнитной проницаемостью, имеющего высокую электропроводность и высокую теплопроводность, полностью помещенную между первой и второй деталью сердечника;

и обмотку,

причем кольцеобразная магнитная цепь первой детали сердечника и кольцеобразная магнитная цепь второй детали сердечника расположены бок о бок, заключая между собой пластину магнитного экранирования, причем обмотка наматывается так, что она, по существу, последовательно пересекает обе кольцеобразные магнитные цепи.

две первые детали сердечника, выполненные из материала с высокой магнитной проницаемостью, каждая из которых формирует непрерывные кольцеобразные магнитные цепи;

вторую деталь, выполненную из материала с высокой магнитной проницаемостью и формирующую кольцеобразную магнитную цепь, разорванную в определенном месте прорезью;

две пластины магнитного экранирования, выполненные из материала с низкой магнитной проницаемостью, имеющих высокую электропроводность и высокую теплопроводность, каждая из которых располагается на соответствующей стороне второй детали сердечника, причем каждая из двух пластин магнитного экранирования полностью помещается между первой деталью сердечника и второй деталью сердечника соответственно;

и обмотку,

причем кольцеобразные магнитные цепи двух первых деталей сердечника и кольцеобразная магнитная цепь второй детали сердечника расположены бок о бок три в ряд, заключая между собой две пластины магнитного экранирования, причем обмотка наматывается так, что она, по существу, последовательно пересекает расположенные три в ряд кольцеобразные магнитные цепи.

принимающую обмотку, помещенную в поле переменного тока с заранее определенной частотой и для выработки наведенной электродвижущей силы; и

резонансный конденсатор, соединенный с принимающий обмоткой и образующий резонансную цепь, настроенную на частоту магнитного поля,

причем обмотка дросселя с составным сердечником, имеющего нелинейную характеристику, по любому из пп.1-6 соединяется параллельно с резонансным конденсатором.