ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИНДУКТИВНЫЙ РАЗЪЁМ Российский патент 2019 года по МПК H01F38/14 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке коммутационных устройств электрических сетей, в том числе электрических сетей повышенной эксплуатационной безопасности.

Известен электрический разъем (патент РФ №2451354; МПК H01F 38/14, H01R 13/66, опубл. в бюл. №14 от 20.05.2012) в виде двухсоставного индуктивного разъема, который состоит из двух частей, двух половин сердечника и двух фиксирующих средств, с возможностью перемещения половин между положениями фиксации и расфиксации.

Известен электрический разъем (патент РФ №2419945; МПК H02J 17/00, H01F 38/14, опубл. в бюл. №7 от 10.03.2010) в виде устройства беспроводной индукционной передачи энергии с первичной цепью, содержащей по меньшей мере одну катушку, и вторичной цепью, также содержащей по меньшей мере одну катушку, а также электрически независимый резонансный контур по меньшей мере в одном из контуров и разъемный сердечник-магнитопровод.

Известен электрический разъем (патент РФ №2419944; МПК H02J 17/00, H01F 38/14, H01F 41/02, опубл. в бюл. №15 от 27.05.2011) в виде бесконтактного разъемного устройства передачи энергии посредством электромагнитной индукции между первичной и вторичной катушками, расположенными на разных сторонах устройства, вторичная из которых дополнительно содержит магнитный слой.

Известен электрический ударный детонатор со спаренным ферритовым сердечником (патент США №4852493; МПК F42B 3/12; F42C 19/12, опубл. 01.08.1989), в котором для соединения с источником питания применен электрический разъем в виде двух отдельных изолированных круговых контуров, помещенных в ответные части разъемного ферритового окружения (корпуса, сердечника). Устройство предназначено для передачи электрического импульса килоамперного диапазона менее чем микросекундной длительности посредством электромагнитной индукции.

Известен индукционный разъем (авторское свидетельство СССР №1575247; МПК H01F 23/00, опубл. в бюл. №24 от 30.06.1990), выбранный в качестве прототипа, в котором обмотки (катушки индуктивности) помещены в проточки ответных частей ферромагнитных сердечников, выполненных в виде конуса и гнезда и при стыковке заполняющих пространство вокруг обмоток.

Общим недостатком данных устройств является то, что в них применяются сердечники и/или корпуса из ферромагнитных материалов, вследствие чего они непригодны для передачи коротких импульсов в системах передачи команд и данных или импульсов высокой мощности из-за потерь энергии и мощности сигнала на взаимодействие с материалами сердечника и корпуса. Должна учитываться длительность процесса перемагничивания материала сердечника, которая несущественна при передаче энергии в установившемся режиме, но при передаче импульса микросекундного диапазона приводит к изменению формы и увеличению длительности сигнала, к существенному снижению мгновенного коэффициента трансформации (коэффициента полезного действия при передаче энергии и мощности).

Технический результат изобретения заключается в том, что при его применении повышается безопасность работ персонала с электрическими сетями, в том числе в особых условиях, при минимальном увеличении длительности сигнала.

При применении индуктивного разъема в электрической цепи непериодического переменного тока высокой частоты в диапазоне от 10³ до 10⁹ Гц в неустановившемся режиме или импульсного тока с аналогичными периодами нарастания тока стыковка частей цепи производится не гальванически, а индуктивно, что позволяет электрически изолировать катушки индуктивности от внешней среды и друг от друга, включая часть цепи, связанную с опасными устройствами в контуре нагрузки, и защитить эти устройства от случайной подачи электричества, а также защитить персонал от поражения током при случайном прикосновении к ответной части разомкнутого индуктивного разъема, связанной с источником питания. Применение индуктивных разъемов во взрывоопасной газовой среде, например - в шахтах, защищает от опасного искрообразования при стыковке, вызванного как статическим электричеством, так и возможным ненадлежащим состоянием источника питания. Появляется возможность передачи электричества через герметичные диэлектрические немагнитные стенки, в том числе в окружении токопроводящих сред (электролиты, ионизированный газ). Исключается необходимость применения пружинных контактных электродов, испытывающих силовое воздействие и трение контактирующих поверхностей электродов при стыковке-расстыковке. Тем самым существенно повышается безопасность эксплуатации электрических систем, их защищенность и надежность.

По сравнению с разъемной электрической цепью с гальванической связью контуров питания и нагрузки низкий коэффициент трансформации индуктивного разъема (не выше 0,5) требует более мощного источника питания для сохранения необходимой амплитуды тока в контуре пассивной катушки с нагрузкой, но частично может быть скомпенсировано повышением амплитуды тока в контуре активной катушки с источником питания путем снижения полного сопротивления контура питания.

Указанный технический результат достигается тем, что в индуктивном разъеме, состоящем из выполненных в виде штыря и гнезда двух разъемных частей с катушками индуктивности, установленными концентрично, и устройства фиксации разъемных частей, внутренняя полость разъемных частей и катушек индуктивности заполнена средой, имеющей немагнитные диэлектрические свойства. Соотношение длины наружной катушки к ее диаметру может быть не менее 0,8. Количество витков катушек может быть не более 8. Катушки индуктивности выполнены из материала с удельным сопротивлением не более 0,03 Ом⋅мм²/м при нормальных условиях.

Наличие в полости катушек немагнитной диэлектрической среды исключает потери энергии генерирующего и генерируемого магнитного поля на взаимодействие со средой.

Соотношение длины катушки к диаметру не менее 0,8 обеспечивает равномерность генерирующего магнитного поля, способствующую повышению коэффициента трансформации (полезного действия) индуктивного разъема.

Количество витков катушек не более 8 обеспечивает низкое полное сопротивление катушек и, соответственно, высокую амплитуду тока в активной и в пассивной катушке. С этой же целью выбирается материал проводников катушек с удельным сопротивлением не выше 0,03 Ом-мм /м при нормальных условиях.

Конструктивная схема индуктивного разъема показана на фиг. 1, где позициями обозначены: 1, 2 - катушки, 3, 4 - немагнитные изоляторы, 5, 6 - корпуса ответных частей, 7 - элемент крепления ответных частей, 8, 9 - электрические выводы.

Устройство функционирует следующим образом.

На катушку 1 разъема из состыкованных ответных частей с корпусами 5 и 6, скрепленных элементом крепления 7, через электрические выводы 8 подается непериодический переменный (в неустановившемся режиме) или импульсный электрический ток. В катушке 1 возбуждается магнитное поле, которое беспрепятственно распространяется по немагнитным изоляторам 3 и 4 и зазорам между ними и из-за эффекта электромагнитной индукции вызывает возникновение индукционного тока в катушке 2, замкнутой цепью контура нагрузки, соединенному с выводами 9. При необходимости ответные части индуктивного разъема расстыковываются.

Разработана расчетно-теоретическая модель индуктивного разъема и рабочие чертежи, по которым изготовлен и успешно испытан опытный образец устройства.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке коммутационных устройств электрических сетей, в том числе электрических сетей повышенной эксплуатационной безопасности. Высокочастотный ндуктивный разъем состоит из выполненных в виде штыря и гнезда двух разъемных частей с катушками индуктивности, установленными концентрично, и устройства фиксации разъемных частей. Внутренняя полость разъемных частей и катушек индуктивности заполнена средой, имеющей немагнитные диэлектрические свойства. Технический результат состоит в повышении безопасности работ персонала с электрическими сетями в особых условиях. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Высокочастотный индуктивный разъем, состоящий из выполненных в виде штыря и гнезда двух разъемных частей с катушками индуктивности, установленными концентрично, и устройства фиксации разъемных частей, отличающийся тем, что внутренняя полость разъемных частей и катушек индуктивности заполнена средой, имеющей немагнитные диэлектрические свойства.

2. Высокочастотный индуктивный разъем по п. 1, отличающийся тем, что соотношение длины наружной катушки к ее диаметру не менее 0,8.

3. Высокочастотный индуктивный разъем по п. 1, отличающийся тем, что количество витков катушек не более 8.

4. Высокочастотный индуктивный разъем по п. 1, отличающийся тем, что катушки индуктивности выполнены из материала с удельным сопротивлением не более 0,03 Ом⋅мм²/м при нормальных условиях.