КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ Российский патент 2008 года по МПК H01F27/28 

Изобретение относится к элементам электрических цепей и может использоваться в электрических сетях, сетях связи, трансформаторах распределительных цепей, в качестве соленоидов и др.

Катушки индуктивности представляют собой набор последовательных витков проволоки или ленты, выполненной из токопроводящего металла, и имеющей изоляционное покрытие. Они могут быть однослойными или многослойными, в зависимости от того, как уложены последовательные витки проволоки или ленты - в один или несколько слоев. Изоляционное покрытие токопроводящей проволоки не позволяет при работе катушки возникать току между соседними витками проволоки или слоями катушки, которое может привести к пробоям, короткому замыканию и порче катушки. В качестве изоляционных покрытий в катушках индуктивности используются, например, лаки, различные полимерные композиции [патент РФ №2264428] и др.

Например, известна катушка индуктивности высоковольтного импульсного трансформатора, содержащая изоляционный цилиндрический каркас, имеющий сквозное отверстие вдоль его оси и кольцевые канавки, в которых размещены секции обмотки, последовательно соединенные между собой и отделенные друг от друга изоляционными перегородками, причем все нечетные кольцевые канавки смещены в одном направлении относительно оси каркаса, а все четные кольцевые канавки смещены относительно оси каркаса в направлении, противоположном смещению нечетных кольцевых канавок [патент РФ №2184402].

Недостатком этой катушки является сложность конструкции, обусловленная задачей снижения вероятности возникновения пробоя между ее соседними витками.

Известна также катушка индуктивности, имеющая в прямом поперечном сечении форму квадрата или прямоугольника и содержащая набор последовательных витков, образованных металлическим проводником с изоляционным покрытием из синтетического материала, у которой витки уложены слоями продольных или радиальных витков в количестве, зависящем от толщины изоляционного покрытия металлического проводника, чтобы напряжение между двумя соседними витками, обладающими наибольшей разностью потенциалов, не превышало значения пробивного напряжения, приложенного в воздухе по закону Пашена к упомянутому металлическому проводнику, при этом остающийся в пространствах между соседними витками катушки воздух выполняет роль диэлектрика [патент РФ №2178596].

Эта катушка является ближайшим аналогом предлагаемой и принята за прототип изобретения. Недостатком прототипа является возможность нарушения изоляционного покрытия токопроводящей проволоки и вследствие этого возникновение пробоя между соседними витками катушки.

Изобретение решает задачу создания катушки индуктивности, не подверженной пробоям между соседними витками или слоям за счет изоляционного покрытия, которое практически невозможно нарушить.

Поставленная задача решается тем, что предлагается катушка индуктивности, включающая последовательные спиралеобразные витки металлической токопроводящей проволоки или ленты, имеющей изоляционное покрытие, у которой металлическая токопроводящая проволока или лента выполнена из металла вентильной группы или из его сплава, а изоляционное покрытие металлической токопроводящей проволоки или ленты сформировано путем микродугового оксидирования ее поверхности в ванне с электролитом при ее последовательном наматывании на оправку, выполненную из диэлектрического материала.

Катушка может иметь спиралеобразные витки металлической токопроводящей проволоки или ленты, расположенные в один слой, а также в несколько, два и более слоев.

Группа вентильных металлов и их сплавов включает: алюминий, титан, магний, тантал, ниобий, цирконий, бериллий.

Оксидирование (от нем. oxydieren окислять) - это в общем случае преднамеренное окисление поверхности металлов и полупроводниковых материалов химическим, электрохимическим или другим способом. Образующаяся при этом оксидная пленка играет обычно защитную, технологическую или декоративную роль. А микродуговое оксидирование - это сравнительно новый вид поверхностной обработки и упрочнения главным образом металлических материалов, берущий свое начало от традиционного электрохимического оксидирования, и соответственно относящийся к электрохимическим процессам. Однако отличительной особенностью микродугового оксидирования является участие в процессе формирования покрытия поверхностных микроразрядов, оказывающих весьма существенное и специфическое (термическое, плазмохимическое и др.) воздействие на формирующееся покрытие и электролит, в результате чего состав и структура получаемых оксидных слоев существенно отличаются, а свойства значительно выше в сравнении с обычными пленками, полученными электрохимическим путем.

Катушка индуктивности, выполненная из материала вентильной группы с изоляционным покрытием, полученным микродуговым способом, практически не подвержены пробоям, так как эти покрытия подобны керамическим и обладают хорошими электроизоляционными свойствами, а, кроме того, имеют широкий комплекс других полезных свойств - износостойкость, коррозионностойкость, теплостойкость и др.

Свойства таких изоляционных покрытий определяются их составом и структурой, которые, в свою очередь, зависят от материала основы, состава электролита и режима обработки. Например, для покрытий, получаемых на проводниках из алюминиевых сплавов, характерны следующие данные: толщина - до 400 мкм, микротвердость - до 2500 кг/мм², пробойное напряжение - до 2000 В, теплостойкость - выдерживает тепловой удар до 2500°С, коррозионная стойкость - 1-й балл по десятибалльной шкале, износостойкость - на уровне твердых сплавов.

Предлагаемая катушка может быть получена следующим способом.

В гальваническую ванну, наполненную электролитом, помещают оправку, выполненную из диэлектрика и имеющую в поперечном сечении желаемую форму: круглую, квадратную, прямоугольную и др. Проволоку или ленту, выполненную из вентильного металла, например алюминия, или его сплава, также помещают в гальваническую ванну, наполненную соответствующим электролитом. Проволоку или ленту и ванну подключают к источнику питания, например к электросети мощностью 220 В. При подаче переменного напряжения сети в положительный полупериод питающего напряжения гальваническая ванна выполняет роль катода, а расположенная в ней проволока, или лента - роль анода. Соответственно, поверхность проволоки или ленты, расположенной в гальванической ванне, при таком напряжении оксидируется, причем в процессе формирования покрытия участвуют поверхностные микроразряды, оказывающие существенное и специфическое (термическое, плазмохимическое и др.) воздействие на формирующееся покрытие и электролит. В это же время проволоку или ленту наматывают на оправку. В результате наматывания в неэластичном наружном слое уже образованного покрытия проволоки или ленты появляются трещины. Однако, поскольку процесс микродугового оксидирования продолжают, упомянутые трещины заполняются защитным слоем. В результате формируется катушка индуктивности с целостным изоляционным покрытием, толщина которого зависит от времени обработки. Например, покрытия, получаемые на алюминии и его сплавах в силикатно-щелочных электролитах, имеют, как правило, трехслойную структуру и неравномерное распределение компонентов. Они состоят из: тонкого переходного слоя; основного рабочего слоя с максимальной твердостью и минимальной пористостью, основной фазой которого является корунд, и наружного технологического слоя, обогащенного алюмосиликатами. Полученное покрытие является хорошим изолятором, обладает высокой прочностью, не подвержено растрескиванию и устойчиво к термоударам.

Пример 1

В гальваническую ванну, наполненную электролитом, содержащим КОН в количестве 2 г/л и жидкое стекло (Na₂O×3SiO₂) в количестве 25 г/л, помещают проволоку диаметром 1 мм из сплава алюминия А0 и подсоединяют ее и ванну к источнику переменного напряжения 220 В через токоограничивающий конденсатор. Также в ванну помещают оправку из эбонита в виде стержня круглого сечения, к которой прикрепляют один конец проволоки. После включения источника питания варьируют токоограничивающую емкость конденсатора, добиваясь величины протекающего тока 30 А и начинают вращать эбонитовой стержень. Под действием переменного напряжения на поверхности проволоки образуется пленка алюмосиликата в результате процесса микродугового оксидирования. В течение всего процесса микродугового оксидирования осуществляют намотку оксидируемой проволоки на эбонитовую оправку. Поскольку проволока постоянно находится в растворе электролита, происходит заполнение трещин в покрытии, образовавшихся при ее наматывании. В течение первых 15 минут осуществляют намотку первого слоя катушки слева направо, а в течение следующих 15 мин осуществляют намотку второго слоя катушки справа налево. Полученная двухслойная катушка индуктивности имеет в сумме 100 витков. Изоляционное покрытие проволоки между витками имеет толщину 30-40 мкм, а между слоями 80-150 мкм, что позволяет подавать на катушку высокочастотное напряжение амплитудой до 800 В. При этом названное покрытие имеет высокую механическую прочность, термоустойчиво, не отслаивается от проволоки, имеет, по сути, неограниченный срок годности.

Пример 2

В гальваническую ванну, наполненную электролитом, содержащим полифосфат натрия в количестве 100 г/л и жидкое стекло (Na₂O×3SiO₂) в количестве 3 г/л, помещают проволоку диаметром 1 мм из сплава алюминия А0 и подсоединяют ее и ванну к регулируемому источнику постоянного напряжения до 300 В. Также в ванну помещают оправку из эбонита в виде стержня, имеющего квадратное сечение. Одновременно с началом вращения эбонитового стержня к проволоке и ванне прикладывают напряжение, которое обеспечивает ток 30 А. В результате микродугового оксидирования на поверхности проволоки образуется пленка алюмополифосфата. Одновременно с микродуговым оксидированием проволоки осуществляют ее наматывание на оправку. Поскольку проволока при намотке подвергается дальнейшему оксидированию, происходит заполнение трещин, образующихся в покрытии при наматывании проволоки. Обработку осуществляют в течение 30 мин, причем вначале наматывают первый слой катушки слева направо, а далее наматывают второй слой катушки справа налево. Полученная двухслойная катушка индуктивности имеет в сумме 100 витков. Изолирующее покрытие проволоки между витками имеет толщину 20-30 мкм, а между слоями - 80-150 мкм, что позволяет подавать на катушку высокочастотное переменное напряжение с амплитудой до 700 В. При этом покрытие имеет высокую механическую прочность, термоустойчиво, не отслаивается от проволоки, имеет, по сути, неограниченный срок годности.

Пример 3

В гальваническую ванну, наполненную электролитом, содержащим гексаметафосфат натрия в количестве 4 г/л, кали едкое - 3 г/л, алюминат натрия - 6 г/л, помещают проволоку из сплава титана ВТ5 диаметром 2 мм и подсоединяют ее и ванну к регулируемому источнику переменного напряжения до 300 В. Также в ванну помещают оправку из эбонита в виде стержня, имеющего квадратное сечение, на которой закрепляют один конец проволоки. Далее к проволоке и ванне прикладывают напряжение, которое обеспечивает ток 30 А и начинают вращать стержень. В результате микродугового оксидирования на поверхности проволоки образуется пленка алюмофосфата. Поскольку проволока при намотке на оправку подвергается дальнейшему оксидированию, происходит заполнение трещин, образовавшихся в покрытии при ее наматывании. Обработку осуществляют в течение 30 мин, первую половину которых наматывают первый слой катушки, а вторую половину наматывают второй слой. Полученная катушка имеет общее количество витков, равное 100. Изолирующее покрытие проволоки между витками имеет толщину 15-20 мкм, а между слоями 60-100 мкм, что позволяет подавать на катушку высокочастотное переменное напряжение амплитудой до 400 В. При этом покрытие имеет высокую механическую прочность, термоустойчиво, не отслаивается от проволоки, имеет, по сути, неограниченный срок годности.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к выполнению катушки индуктивности для высоковольтного импульсного электрооборудования. Техническим результатом изобретения является изготовление катушки индуктивности с прочным однородным изоляционным покрытием, обладающим высокой прочностью и термостойкостью. Предложенная катушка индуктивности включает последовательные спиралеобразные витки металлической токопроводящей проволоки или ленты, выполненной из металла вентильной группы или из его сплава, с изоляционным покрытием, сформированным путем микродугового оксидирования ее поверхности, причем во время оксидирования проволоку или ленту наматывают на оправку, выполненную из диэлектрического материала. Изобретение решает задачу создания катушки индуктивности с таким изоляционным покрытием, которое не подвержено пробоям между соседними витками или слоями. 2 з.п. ф-лы.

1. Катушка индуктивности, включающая последовательные спиралеобразные витки металлической токопроводящей проволоки или ленты, имеющей изоляционное покрытие, отличающаяся тем, что металлическая токопроводящая проволока или лента выполнена из металла вентильной группы или из его сплава, а изоляционное покрытие металлической токопроводящей проволоки или ленты сформировано путем микродугового оксидирования ее поверхности в ванне с электролитом при ее последовательном наматывании на оправку, выполненную из диэлектрического материала.2. Катушка по п.1, отличающаяся тем, что спиралеобразные витки металлической токопроводящей проволоки или ленты расположены в один слой.3. Катушка по п.1, отличающаяся тем, что спиралеобразные витки металлической токопроводящей проволоки или ленты расположены не менее чем в два слоя.