Ферритовый сердечник, токовая катушка взаимоиндуктивности и выключатель защиты от токов утечки Российский патент 2020 года по МПК H02H3/08 H01F17/06 

Варианты осуществления настоящего изобретения в общем относятся к магнитному сердечнику, образованному магнитным материалом, и устройству защиты от токов утечки, и, в частности, к ферритовому сердечнику, токовой катушке взаимоиндуктивности и выключателю защиты от токов утечки.

Предпосылки изобретения

[0002] Выключатель защиты от токов утечки применяется, главным образом, для обеспечения защиты при пробое устройства током утечки или при наличии опасности поражения человека электрическим током. Обладающий функцией защиты от перегрузки и короткого замыкания выключатель можно использовать для защиты цепей или обеспечения защиты при перегрузке и коротком замыкании электродвигателей. Выключатель защиты от токов утечки обычно включает в себя токовую катушку взаимоиндуктивности нулевой последовательности. Например, токовая катушка взаимоиндуктивности в выключателе защиты от токов утечки обычно использует токовую катушку взаимоиндуктивности нулевой последовательности для обнаружения нескомпенсированного тока в главной цепи, и выключатель защиты от токов утечки немедленно выключает электропитание главной цепи, как только достигается проектный порог расцепления, чтобы отключить цепь с пробоем.

[0003] В настоящее время материал для магнитного сердечника токовой катушки взаимоиндуктивности нулевой последовательности обычно выбирают из ферроникелевого сплава или материала-наносплава. Однако методы обработки этих двух материалов сложны, а особенности их исходных материалов, последующей обработки и транспортировки магнитного сердечника требуют строгого контроля. Во время изготовления конечного изделия - токовой катушки взаимной индуктивности как ферроникелевый, так и наносплавный материалы магнитного сердечника нуждаются в защите корпусом, чтобы обеспечить отсутствие снижения характеристик магнитного сердечника во время транспортировки. Кроме того, поскольку ферроникелевый и наносплавный материалы магнитного сердечника чувствительны к намагничиванию, магнитные потери в сердечнике будут значительными.

[0004] Поэтому существует потребность в обеспечении усовершенствованного магнитного сердечника, чтобы по меньшей мере частично избавиться от различных недостатков, существующих в современных магнитных сердечниках, образованных из традиционных для них материалов, и, тем самым, повысить характеристики существующих токовых катушек взаимной индуктивности и выключателей защиты от токов утечки.

Сущность изобретения

[0005] Варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают ферритовый сердечник, токовую катушку взаимной индуктивности и выключатель защиты от токов утечки.

[0006] В соответствии с первым аспектом вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается ферритовый сердечник. Ферритовый сердечник включает в себя первый участок, образованный первым ферритовым материалом, который имеет первую магнитную проницаемость, изменяющуюся с температурой, и второй участок, образованный вторым ферритовым материалом, отличающимся от первого ферритового материала, при этом второй ферритовый материал имеет вторую магнитную проницаемость, изменяющуюся с температурой. Ферритовый сердечник имеет общую магнитную проницаемость, изменяющуюся с температурой. Общая магнитная проницаемость определяется на основании первой магнитной проницаемости, второй магнитной проницаемости, первой доли первого участка в ферритовом сердечнике и второй доли второго участка в ферритовом сердечнике. Первая доля и вторая доля определены так, что общая магнитная проницаемость выше порога в пределах заданного диапазона температур.

[0007] В некоторых вариантах осуществления магнитная проницаемость первого ферритового материала может быть выше, чем у второго ферритового материала, в пределах диапазона рабочих температур. В некоторых вариантах осуществления точка Кюри первого ферритового материала может быть ниже, чем у второго ферритового материала. В данных вариантах осуществления верхний температурный предел заданного диапазона температур может быть установлен между точкой Кюри первого ферритового материала и точкой Кюри второго ферритового материала. В некоторых вариантах осуществления первый ферритовый материал и второй ферритовый материал могут включать в себя соответственно материалы Mn-Zn ферритов разных марок.

[0008] В некоторых вариантах осуществления ферритовый сердечник может включать в себя кольцевой ферритовый сердечник, а первый участок и второй участок могут образовывать два кольцевых сегмента кольцевого ферритового сердечника. В данных вариантах осуществления первая и вторая доли могут включать соответствующие доли высот двух кольцевых сегментов в высоте кольцевого ферритового сердечника.

[0009] В некоторых вариантах осуществления ферритовый сердечник может дополнительно включать в себя другой участок в дополнение к первому и второму участкам. Другой участок образован дополнительным ферритовым материалом, отличающимся от первого и второго ферритовых материалов. Общая магнитная проницаемость определяется на основании магнитной проницаемости соответствующих ферритовых материалов и соответствующих долей участков в ферритовом сердечнике. Соответствующие доли определены так, что общая магнитная проницаемость выше порога в заданном диапазоне температур.

[0010] В соответствии со вторым аспектом вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается токовая катушка взаимной индуктивности. Токовая катушка взаимной индуктивности включает в себя ферритовый сердечник в соответствии с первым аспектом. В некоторых вариантах осуществления токовая катушка взаимной индуктивности может включать в себя токовую катушку взаимной индуктивности нулевой последовательности.

[0011] В соответствии с третьим аспектом вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается выключатель защиты от токов утечки. Выключатель защиты от токов утечки включает в себя токовую катушку взаимной индуктивности в соответствии со вторым аспектом.

Краткое описание чертежей

[0012] Из последующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи станут более понятными вышеприведенные и другие задачи, признаки и преимущества примерных вариантов осуществления настоящего изобретения. Несколько примерных вариантов осуществления настоящего изобретения будут показаны в качестве примера, а не ограничения, на чертежах, на которых:

[0013] Фиг. 1 схематично иллюстрирует график кривых зависимости магнитной проницаемости нескольких ферритовых материалов от температуры;

[0014] Фиг. 2 схематично иллюстрирует ферритовый сердечник в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[0015] Фиг. 3 схематично иллюстрирует график кривой зависимости магнитной проницаемости первого ферритового материала в ферритовом сердечнике в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения от температуры;

[0016] Фиг. 4 схематично иллюстрирует график кривой зависимости магнитной проницаемости второго ферритового материала в ферритовом сердечнике в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения от температуры;

[0017] Фиг. 5 схематично иллюстрирует график кривой зависимости общей магнитной проницаемости ферритового сердечника в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения от температуры;

[0018] Фиг. 6 схематично иллюстрирует упрощенную принципиальную схему ферритового сердечника в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, используемого в токовой катушке взаимной индуктивности;

[0019] Фиг. 7 схематично иллюстрирует сравнительную диаграмму фактических результатов измерения трех ферритовых материалов и нанокристаллического материала, использованных в упрощенной принципиальной схеме, показанной на фиг. 6, и результата моделирования идеальной токовой катушки взаимной индуктивности, используемой в упрощенной принципиальной схеме, показанной на фиг. 6; и

[0020] Фиг. 8 схематично иллюстрирует график кривых зависимости моделируемого тока расцепления от температуры в том случае, когда ферритовый сердечник в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения использует два ферритовых материала с разными долями.

[0021] На всех чертежах аналогичные или сходные условные обозначения применяются для указания аналогичных или сходных элементов.

Подробное описание

[0022] Принципы и сущность настоящего изобретения описаны далее со ссылками на различные примерные варианты осуществления, изображенные на чертежах. Следует понимать, что описание данных вариантов осуществления предназначено просто для того, чтобы позволить специалистам в данной области техники лучше понять и в дальнейшем реализовать настоящее изобретение, и не предназначено для ограничения каким-либо образом раскрытого здесь объема.

[0023] Как упоминалось выше, в настоящее время токовая катушка взаимной индуктивности в выключателе защиты от токов утечки обычно принимает форму токовой катушки взаимной индуктивности нулевой последовательности, и материал магнитного сердечника токовой катушки взаимной индуктивности нулевой последовательности обычно выбирают из ферроникелевых сплавов или наносплавных материалов. Однако, методы обработки двух материалов сложны, а особенности их исходных материалов, последующей обработки и транспортировки магнитного сердечника требуют строгого контроля. Во время изготовления конечного изделия - токовой катушки взаимной индуктивности как ферроникелевый, так и наносплавный материалы магнитного сердечника нуждаются в защите корпусом, чтобы обеспечить отсутствие снижения характеристик магнитного сердечника во время транспортировки. Кроме того, поскольку ферроникелевый и наносплавный материалы магнитного сердечника чувствительны к намагничиванию, магнитные потери в сердечнике будут значительными.

[0024] По сравнению с ферроникелевым материалом и наносплавным материалом, ферритовый материал сердечника отличается своей высокой начальной магнитной проницаемостью и усложненным методом обработки. Так как магнитомягкий феррит может обеспечить высокую магнитную проницаемость даже без применения редких материалов, таких как никель, и для его массового производства пригоден метод порошковой металлургии, расходы на ферритовый материал сердечника низки. Кроме того, поскольку ферритовый материал сердечника можно спекать, он имеет значительную твердость и нечувствительность к механическим напряжениям, что удобно при применении.

[0025] Основным современным применением ферритового кольцевого магнита является фильтрация, например, синфазный дроссель. Ферритовые материалы с разной магнитной проницаемостью выбирают в зависимости от разных частот, на которых следует выполнять подавление помех. Чем выше магнитная проницаемость кольцевого магнита, тем выше будет сопротивление на низкой частоте и тем меньше будет сопротивление на высокой частоте. Он удобен в применении, так как его требуется только надеть непосредственно на кабель, подлежащий фильтрации, без необходимости в заземлении, которое требуется при других методах фильтрации, что не налагает специальных требований на конструктивное исполнение и конструкцию печатной платы. При использовании в качестве синфазной дроссельной катушки кольцевой магнит не влечет за собой искажение сигналов, что весьма ценно для проводов, которые передают высокочастотные сигналы.

[0026] Для устранения различных дефектов, существующих в традиционных магнитных сердечниках, и для повышения характеристик традиционной токовой катушки взаимной индуктивности и выключателя защиты от токов утечки, варианты осуществления настоящего изобретения предлагают формировать ферритовый сердечник из ферритового материала сердечника. Сформированный ферритовый сердечник используется в токовой катушке взаимной индуктивности нулевой последовательности и, следовательно, обеспечивает возможность более высокого соотношения характеристик и стоимости у материала магнитного сердечника токовой катушки взаимной индуктивности нулевой последовательности.

[0027] Сравнение традиционного магнитного сердечника и ферритового сердечника в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения приводит к установлению того, что для защиты магнитного сердечника, использующего ферроникелевые и наносплавные материалы магнитных сердечников, требуется корпус, чтобы исключить ухудшение характеристик магнитного сердечника во время транспортировки. Напротив, ферритовый сердечник в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения не нуждается в защитном корпусе и допускает намотку вторичных медных проводов непосредственно на эти материалы. Токовую катушку взаимной индуктивности нулевой последовательности, выполненную из ферроникелевого сплава или наносплава, можно изготавливать только круглой формы, а ферритовый сердечник в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения можно изготавливать в форме некруглой катушки взаимоиндуктивности в соответствии с конкретными требованиями к конструкции.

[0028] В то же время, современные ферроникелевые и наносплавные материалы магнитных сердечников чувствительны к намагничиванию и обладают повышенными потерями в сердечнике, а ферритовый сердечник в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения имеет более высокие характеристики в этом отношении. Ферритовый сердечник в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения и его применение в токовой катушке взаимной индуктивности и выключателе защиты от токов утечки будут подробно описаны в дальнейшем со ссылкой на чертежи.

[0029] Фиг. 1 схематично иллюстрирует график 100 кривых зависимости магнитной проницаемости нескольких ферритовых материалов от температуры. На фиг. 1 горизонтальная ось представляет температуру в градусах Цельсия (°C), а вертикальная ось - магнитную проницаемость. Хотя фиг. 1 изображает зависимость магнитной проницаемости ферритовых материалов от температуры для материала Mn-Zn феррита в качестве примера, следует понимать, что принципы вариантов осуществления настоящего изобретения можно аналогичным образом применить к ферритовым материалам других подходящих типов. Объем настоящего изобретения не ограничен в этом отношении.

[0030] Как показано на фиг. 1, кривые 110, 120 и 130 отражают зависимость магнитной проницаемости материалов Mn-Zn ферритов соответственно трех разных марок от температуры. Из графика 100 кривой можно видеть, что материал Mn-Zn феррита является магнитномягким материалом с очень низкими магнитными потерями в сердечнике, и начальная магнитная проницаемость может изменяться от 4000 до 30000 (не показано на фиг. 1). Кроме того, из кривых 110, 120 и 130 можно видеть, что материалы Mn-Zn ферритов разных марок характеризуются разными кривыми магнитная проницаемость - температура и что магнетизм материалов Mn-Zn ферритов всех марок начинает прекращаться после точки Кюри (Tc).

[0031] Например, на фиг. 1 точки (температуры) Кюри 101, 102 и 103 материалов Mn-Zn ферритов, представленных кривыми 110, 120 и 130, равны приблизительно 100°C, 120°C и 140°C соответственно. Кроме того, как можно видеть из графика кривой 100, в общем, материал Mn-Zn феррита с более высокой магнитной проницаемостью имеет более низкую точку Кюри, а материал Mn-Zn феррита с меньшей магнитной проницаемостью имеет более высокую точку Кюри. Например, магнитная проницаемость ферритового материала, представленного кривой 110, выше магнитной проницаемости ферритовых материалов, представленных кривой 120 и кривой 130 в диапазоне более низких температур, но его точка Кюри является относительно низкой.

[0032] Как упоминалось выше, ферритовый сердечник в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения должен удовлетворять различным конкретным требованиям к конструкции. Например, в случае, когда ферритовый сердечник применяется в токовой катушке взаимной индуктивности нулевой последовательности в выключателе защиты от токов утечки, может быть необходимо, чтобы ферритовый сердечник все еще имел эффективную магнитную проницаемость ниже, например, 140°C, и может потребоваться, чтобы магнитная проницаемость была достаточно высокой при более низкой температуре для обеспечения надежной работы выключателя защиты от токов утечки.

[0033] Поэтому, чтобы обеспечить приведенные требования, варианты осуществления настоящего изобретения могут решить проблемы высоких конструктивных требований по рабочим температурам окружающей среды и достаточно высокой магнитной проницаемости при более низкой температуре или т.п. посредством укладывания стопкой двух ферритовых материалов разных марок и затем намотки проводов на них с получением конечного продукта - токовой катушки взаимной индуктивности.

[0034] Фиг. 2 схематично иллюстрирует ферритовый сердечник 200 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 2, ферритовый сердечник 200 включает в себя первый участок 210, образованный первым ферритовым материалом 201, и второй участок 220, образованный вторым ферритовым материалом 202, отличающимся от первого ферритового материала 201. В некоторых вариантах осуществления ферритовый сердечник 200 может включать в себя кольцевой ферритовый сердечник (как показано на фиг. 2). В данных вариантах осуществления первый участок 210 и второй участок 220 могут образовывать два кольцевых сегмента кольцевого ферритового сердечника.

[0035] Однако следует понимать, что принципы вариантов осуществления настоящего изобретения можно аналогичным образом применить к ферритовым сердечникам других подходящих форм. Объем настоящего изобретения не ограничен в этом отношении. В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения первый ферритовый материал 201 и второй ферритовый материал 202 имеют разные характеристики того, как магнитная проницаемость изменяется с температурой. Эти характеристики первого ферритового материала 201 и второго ферритового материала 202 будут описаны ниже со ссылкой на фиг. 3 и фиг. 4.

[0036] Фиг. 3 схематично иллюстрирует график 300 кривой зависимости магнитной проницаемости 310 первого ферритового материала 201 в ферритовом сердечнике 200 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения от температуры. Фиг. 4 схематично иллюстрирует график 400 кривой зависимости магнитной проницаемости 410 второго ферритового материала 202 в ферритовом сердечнике 200 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения от температуры. На фиг. 3 и фиг. 4 горизонтальная ось представляет температуру в градусах Цельсия (°C), а вертикальная ось - магнитную проницаемость.

[0037] Хотя первый и второй ферритовые материалы 201 и 202 изображены имеющими конкретную магнитную проницаемость 310 и 410, изменяющуюся с температурой, следует понимать, что принципы вариантов осуществления настоящего изобретения можно аналогичным образом применить к ферритовым материалам с другими подходящими кривыми магнитная проницаемость-температура. Объем настоящего изобретения не ограничен в этом отношении.

[0038] Как показано на фиг. 3 и фиг. 4, первый ферритовый материал 201 имеет первую магнитную проницаемость 310, которая изменяется с температурой, а второй ферритовый материал 202 имеет вторую магнитную проницаемость 410, которая изменяется с температурой. В некоторых вариантах осуществления магнитная проницаемость 310 первого ферритового материала 201 в диапазоне рабочих температур (например, диапазоне температур примерно -40°C-90°C, показанном на фиг. 3) может быть выше магнитной проницаемости 410 второго ферритового материала 202. Поэтому ферритовый сердечник 200 может использовать характеристику первого ферритового материала 201, который имеет высокую магнитную проницаемость в пределах диапазона пониженных температур.

[0039] В некоторых вариантах осуществления точка 301 Кюри первого ферритового материала 201 (например, примерно 100°C) может быть ниже точки 401 Кюри второго ферритового материала 202 (например, примерно 150°C). Поэтому в диапазоне более высоких температур, где первый ферритовый материал 201 теряет свое свойство магнитной проницаемости, например, в диапазоне от 100°C до 150°C, ферритовый сердечник 200 может использовать, главным образом, второй ферритовый материал 202 для выполнения функции магнитной проницаемости. В некоторых вариантах осуществления первый ферритовый материал 201 и второй ферритовый материал 202 могут включать соответственно материалы Mn-Zn ферритов разных марок.

[0040] Как упоминалось выше, формирование ферритового сердечника 200 из первого ферритового материала 201 и второго ферритового материала 202 с разными характеристиками изменения магнитной проницаемости с температурой может позволяет воспользоваться преимуществом выгодных свойств двух видов ферритовых материалов соответственно в диапазоне более низких температур и диапазоне более высоких температур, вследствие чего рабочие характеристики магнитного сердечника могут быть улучшены, например, за счет расширения диапазона его рабочих температур и повышения его магнитной проницаемости, или т.п. Такое улучшение будет описано в дальнейшем со ссылкой на фиг. 5.

[0041] Фиг. 5 схематично иллюстрирует график 500 кривой зависимости общей магнитной проницаемости 510 ферритового сердечника 200 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения от температуры. Кроме того, для сравнения, фиг. 5 также показывает магнитную проницаемость 310 первого ферритового материала 201 и магнитную проницаемость 410 второго ферритового материала 202. Горизонтальная ось на фиг. 5 представляет температуру в градусах Цельсия (°C), а вертикальная ось - магнитную проницаемость. Следует понимать, что, поскольку горизонтальная ось на фиг. 5 приведена не в масштабе для ясности, то формы показанных на фиг. 5 кривых магнитной проницаемости 310 и 410 отличаются от форм кривых, изображенных на фиг. 3 и фиг. 4.

[0042] Кроме того, фиг. 5 схематично изображает кривую порога 520 магнитной проницаемости, который может быть установлен специалистами в данной области техники в соответствии с фактическими условиями и требованиями применения ферритового сердечника 200. В некоторых вариантах осуществления порог 520 может иметь разные значения при изменении температуры (как показано на фиг. 5). В примерном техническом сценарии, изображенном на фиг. 5, общая магнитная проницаемость 510 ферритового сердечника 200 должна была выше порога 520 в диапазоне температур примерно -25°C-140°C. Как можно видеть из фиг. 5, ни магнитная проницаемость 310 первого ферритового материала 201, ни магнитная проницаемость 410 второго ферритового материала 202 не могут удовлетворить данному требованию.

[0043] Как показано на фиг. 5, ферритовый сердечник 200, образованный первым участком 210 из первого ферритового материала 201 и вторым участком 220 из второго ферритового материала 202, имеет общую магнитную проницаемость 510, которая изменяется с температурой. Общая магнитная проницаемость 510 определяется на основании первой магнитной проницаемости 310, второй магнитной проницаемости 410, первой доли первого участка 210 в ферритовом сердечнике 200 и второй доли второго участка 220 в ферритовом сердечнике 200, где первая доля и вторая доля определены из такого расчета, чтобы общая магнитная проницаемость 510 была выше порога 520 в заданном диапазоне температур (например, -25°C-140°C). Тогда ферритовый сердечник 200 может удовлетворять конкретным конструктивным требованиям, таким как конкретные конструктивные параметры, предложенные при использовании токовой катушки взаимной индуктивности нулевой последовательности и/или выключателя защиты от токов утечки, например, порог расцепления. Например, ферритовый сердечник 200 способен удовлетворять конструктивным требованиям по порогу расцепления.

[0044] В варианте осуществления, в котором ферритовый сердечник 200 включает в себя кольцевой ферритовый сердечник, первая доля и вторая доля могут включать соответственно доли высот двух кольцевых сегментов в высоте кольцевого ферритового сердечника 200. В варианте осуществления, в котором первый ферритовый материал 201 и второй ферритовый материал 202 имеют разные точки 301 и 401 Кюри, верхний предел заданного диапазона температур можно устанавливать между точкой 301 Кюри первого ферритового материала 201 и точкой 401 Кюри второго ферритового материала 202. Например, в варианте осуществления, показанном на фиг. 5, верхний предел 140°C заданного диапазона температур установлен между 100°C и 150°C.

[0045] Специалисты в данной области техники смогут понять, что принципы вариантов осуществления настоящего изобретения не ограничены образованием разных участков двумя разными видами ферритовых материалов с дальнейшим формированием ферритового сердечника и что можно аналогичным образом использовать три, четыре или более видов ферритовых материалов, чтобы сформировать соответствующие им участки для окончательного формирования ферритового сердечника.

[0046] Следовательно, в некоторых вариантах осуществления ферритовый сердечник 200 может дополнительно включать в себя другие участки (не показанные), кроме первого участка 210 и второго участка 220. Другие участки выполнены из других ферритовых материалов, помимо первого ферритового материала 201 и второго ферритового материала 202. В данных вариантах осуществления общая магнитная проницаемость 510 может определяться на основании магнитной проницаемости соответствующих ферритовых материалов и соответствующих долей участков в ферритовом сердечнике 200, при этом соответствующие доли определены из расчета, чтобы общая магнитная проницаемость 510 была выше порога 520 в заданном диапазоне температуры (например, от -25°C до 140°C). По сути, полезные свойства дополнительных ферритовых материалов можно использовать для дополнительного улучшения рабочих характеристик ферритового сердечника 200 за счет повышения сложности конструкции и стоимости ферритового сердечника 200.

[0047] Как упоминалось ранее, ферритовый сердечник 200 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения применим в различных технических сценариях. В некоторых вариантах осуществления ферритовый сердечник 200 можно применять в токовой катушке взаимной индуктивности, в частности, токовой катушке взаимной индуктивности нулевой последовательности. Кроме того, токовую катушку взаимной индуктивности или токовую катушку взаимной индуктивности нулевой последовательности можно применить в выключателе защиты от токов утечки. Конкретная реализация, в которой ферритовый сердечник 200 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения можно применить в токовой катушке взаимной индуктивности, описана ниже со ссылкой на фиг. 6.

[0048] Фиг. 6 схематично иллюстрирует упрощенную принципиальную схему 600 ферритового сердечника 200 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, используемого в токовой катушке взаимной индуктивности. Следует понимать, что упрощенная принципиальная схема 600 является всего лишь концептуальной принципиальной схемой, которая просто иллюстрирует схемные модули или блоки, которые тесно связаны с настоящим описанием, а другие компоненты или блоки, которые могут быть необходимы для реализации цепи, не показаны.

[0049] Как показано на фиг. 6, упрощенная принципиальная схема 600 может включать в себя генератор 610 переменного тока, магнитный сердечник 620 и резистор 630. Кроме того, упрощенная принципиальная схема 600 дополнительно показывает напряжение 640, наводимое на резисторе 630.

[0050] Чтобы сравнить ферритовый сердечник 200 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения с существующими материалами магнитных сердечников или различными отдельными материалами Mn-Zn ферритов, разные магнитные сердечники 200, образованные материалами Mn-Zn ферритов трех марок 10k-1, 12k-1 и 15k-1 и наносплавом, измерены в упрощенной принципиальной схеме 600, и полученные результаты сведены в нижеследующую таблицу 1. Кроме того, в таблице 1 также для сравнения приводится результат моделирования с идеальной токовой катушкой взаимной индуктивности. В данной таблице 1 I1 представляет ток в упрощенной принципиальной схеме 600 (не показан), а U2 представляет напряжение 640 на резисторе 630 в упрощенной принципиальной схеме 600.

Таблица 1

I1(мА) Измеренное U2(мВ) Феррит
15k-1 Феррит
10k-1 Феррит
12k-1 нанокристаллический-1 идеальная токовая катушка взаимной индуктивности 1 0,203 0,186 0,180 0,170 0,180 3 0,519 0,527 0,531 0,520 0,539 5 0,899 0,893 0,887 0,870 0,898 7,5 1,330 1,343 1,331 1,319 1,346 10 1,805 1,772 1,776 1,732 1,795 15 2,658 2,673 2,669 2,600 2,693 20 3,541 3,561 3,545 3,460 3,590 23,5 4,194 4,178 4,172 4,058 4,218 26 4,632 4,620 4,624 4,514 4,667 30 5,342 5,339 5,322 5,202 5,385

[0051] Фиг. 7 схематично иллюстрирует сравнительную диаграмму 700 фактических результатов измерения трех ферритовых материалов и нанокристаллического материала, использованных в упрощенной принципиальной схеме, показанной на фиг. 6, и результат моделирования идеальной токовой катушки взаимной индуктивности, используемой в упрощенной принципиальной схеме, показанной на фиг. 6. Как показано на фиг. 7, кривая 710 представляет собой кривую идеальной токовой катушки взаимной индуктивности, кривая 720 - кривую ферритового материала 15k-1, кривая 730 - кривую ферритового материала 10k-1, кривая 740 - кривую ферритового материала 12k-1, а кривая 750 - кривую нанокристаллического материала.

[0052] Как можно видеть из вышеприведенных данных, кривые 720, 730 и 740 трех ферритовых материалов очень близки, что указывает на наличие у них очень близких характеристик. Кроме того, кривые 720, 730 и 740 очень близки к кривой 710 идеальной токовой катушки взаимной индуктивности, что демонстрирует, что три вида ферритовых материалов имеют очень низкие потери в сердечнике и очевидно лучше нанокристаллического материала, измеренного в то же самое время. Поэтому график 700 кривых доказывает, что ферритовые материалы разных марок с конкретной магнитной проницаемостью и одинаковым размером могут обеспечивать функцию токовой катушки взаимной индуктивности изделия для защиты от токов утечки.

[0053] Как показано на фиг. 6, варианты осуществления настоящего изобретения решают проблему потери функциональности изделием для защиты от токов утечки, вызываемой высокой температурой, посредством укладывания в сердечник двух ферритовых материалов разных марок. Это достигается регулированием долевого отношения между первым ферритовым материалом 201 и вторым ферритовым материалом 202 в соответствии с разными конструктивными требованиям (объем токовой катушки взаимной индуктивности, температура среды применения и требования к выходным характеристикам).

[0054] Теоретически можно получить, что уравнение индуктивности ферритового сердечника 200 имеет следующий вид: , где N представляет собой число витков вторичной обмотки катушки ферритового сердечника 200, l - длину замкнутого контура линии магнитной индукции, μ1 и μ2 - первую магнитную проницаемость 310 и вторую магнитную проницаемость 410 первого ферритового материала 201 и второго ферритового материала 202 соответственно, S1 и S2 - площадь поперечного сечения первого участка 210 и второго участка 220 соответственно, которые связаны с объемами первого участка 210 и второго участка 220 соответственно.

[0055] При индуктивности ферритового сердечника 200, полученной из вышеприведенного уравнения, конкретное значение 640 тока можно рассчитать по значениям элементов в принципиальной схеме 600. Путем моделирования с изменением долевого отношения между первым ферритовым материалом 201 и вторым ферритовым материалом 202 можно показать график кривой зависимости смоделированного тока расцепления от температуры на фиг. 8.

[0056] Фиг. 8 схематично иллюстрирует график 800 кривой зависимости смоделированного тока I_Δn расцепления от температуры в случае, когда ферритовый сердечник 200 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения использует два ферритовых материала с разными долями. Горизонтальная ось на фиг. 8 представляет температуру в градусах Цельсия (°C), а вертикальная ось - ток I_Δn расцепления в миллиамперах (мА). Как показано на фиг. 8, кривая 810 представляет случай, когда используют только первый ферритовый материал 201, кривая 820 представляет случай, когда используют только второй ферритовый материал 202, различные другие кривые между кривой 810 и кривой 820 представляют собой кривые в случаях с разными долевыми отношениями между первым ферритовым материалом 201 и вторым ферритовым материалом 202, и кривая 840 представляет проектный порог тока расцепления.

[0057] Проектное значение порога 840 расцепления изделия для защиты от токов утечки обычно составляет от 15 мА до 30 мА. Как можно видеть из фиг. 8, выходные результаты различны при разных долевых отношениях между первым ферритовым материалом 201 и вторым ферритовым материалом 202. Если второй ферритовый материал 202 составляет 100%, то порог расцепления будет превышать 30 мА в среде с -25°C, что не удовлетворяет требованию к конструкции. Если первый ферритовый материал 201 составляет 100%, то изделие для защиты от токов утечки может терять функциональность, когда температура достигает 90°C, что еще более недопустимо.

[0058] Поэтому, посредством регулировки долевого отношения между первым ферритовым материалом 201 и вторым ферритовым материалом 202 можно обеспечить, чтобы имел место достаточный выходной ток изделия для защиты от токов утечки в диапазоне температур от -25°C до 140°C для соблюдения требования по порогу расцепления. Как можно видеть из фиг. 8, вышеприведенное конкретное требование к изделию для защиты от токов утечки в данном конкретном примере может выполняться при представленном кривой 830 условии, что доли первого ферритового материала 201 и второго ферритового материала 202 равны 30% и 70%.

[0059] Одним словом, материал магнитного сердечника токовой катушки взаимной индуктивности нулевой последовательности, используемой в обычном выключателе защиты от токов утечки, является обычно ферроникелевым сплавом (пермаллоем) и наносплавным материалом. Варианты осуществления настоящего изобретения предоставляют новый материал магнитного сердечника (а именно, феррит) для формирования магнитного сердечника, который может служить, в свою очередь, как токовая катушка взаимной индуктивности нулевой последовательности, используемая в выключателе защиты от токов утечки. Кроме того, варианты осуществления настоящего изобретения дополнительно решают проблемы применения, обусловленные высокой магнитной проницаемостью и низкой точкой Кюри ферритового материала.

[0060] Ферритовый материал сердечника обладает высокой начальной магнитной проницаемостью и низкими потерями в сердечнике. Он характеризуется более сложным методом обработки и удобен в транспортировке, и, следовательно, он значительно более конкурентоспособен по сравнению с ферроникелевыми и наносплавными материалами по стоимости. В процессе изготовления конечного изделия - токовой катушки взаимной индуктивности ферритовый сердечник не нуждается в защитном корпусе, и провода можно наматывать непосредственно на тело магнитного сердечника. По сравнению с ферроникелевым и наносплавным материалом, это позволяет экономить материалы и повысить эффективность производства при изготовлении конечных изделий токовых катушек взаимной индуктивности. Материал магнитного сердечника можно применять для устройств защиты от токов утечки, чтобы снизить стоимость изделия для защиты от токов утечки, и экономические выгоды являются значительными.

[0061] Посредством вариантов осуществления настоящего изобретения материал магнитного сердечника токовой катушки взаимной индуктивности нулевой последовательности обеспечивает вариант с более высоким соотношением характеристик и затрат на устройство защиты от токов утечки, применяемое для распределения электроэнергии токового вывода. Ферроникелевые и наносплавные материалы магнитных сердечников, применяемые в настоящее время, нуждаются в корпусе для защиты материалов магнитных сердечников, чтобы исключить ухудшение характеристик магнитного сердечника во время транспортировки. Для сравнения, ферритовый сердечник не нуждается в защитном корпусе и допускает намотку вторичного медного провода непосредственно на тело из материала. Кроме того, токовую катушку взаимной индуктивности нулевой последовательности из ферроникелевого и наносплава можно изготавливать только круглой формы, а ферритовый сердечник можно изготавливать в виде некруглых токовых катушек взаимной индуктивности в соответствии с конкретными требованиями. И последнее, ферритовый сердечник в принципе не подвержен влиянию намагничивания, обладает низкими потерями в сердечнике и может обеспечить стабильный выходной ток во вторичной обмотке.

[0062] Варианты осуществления настоящего изобретения позволяют укладывать ферритовые материалы двух различных марок с разными характеристиками и делают возможным комбинирование ферритов для обеспечения стабильного и надежного результата в соответствии с конструктивными требованиями за счет зависимости от конкретной конструкции, при этом соблюдая требование к защите от токов утечки. При применении выключателя защиты от токов утечки токовую катушку взаимной индуктивности можно формировать намагничиванием феррита и выполнением вторичной обмотки.

[0063] Точка Кюри феррита является характеристикой материала. Когда температура превышает точку Кюри, выходная электромагнитная характеристика материала пропадает, а когда температура падает ниже точки Кюри, электромагнитная характеристика немедленно восстанавливается. У марок с разными характеристиками начальная магнитная проницаемость обратно пропорциональна точке Кюри, при этом точка Кюри высока, если начальная магнитная проницаемость низка, и точка Кюри низка, если начальная магнитная проницаемость высока. Поэтому варианты осуществления настоящего изобретения дополнительно решают проблему высокой температуры среды применения, которая может возрастать во время эксплуатации ферритового материала, чтобы гарантировать, что изделие для защиты от токов утечки все еще может обеспечивать защиту от токов утечки, когда температура среды слишком высока.

[0064] В описании вариантов осуществления настоящего изобретения термин «включает в себя» и его варианты следует читать как характеризующие открытый список термины, означающие «включает в себя, но не ограничен этим». Термин «на основании» следует читать как «на основании, по меньшей мере отчасти,». Термин «один примерный вариант осуществления» и «примерный вариант осуществления» следует читать как «по меньшей мере один примерный вариант осуществления».

[0065] Хотя настоящее изобретение было описано выше со ссылкой на различные варианты осуществления, следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. В частности, предполагается, что настоящее изобретение охватывает различные модификации и эквивалентные компоновки, входящие в пределы существа и объема прилагаемой формулы изобретения.

Использование: в области электротехники. Технический результат – уменьшение магнитных потерь в сердечнике и улучшение характеристик существующих токовых катушек взаимной индуктивности и выключателей защиты от токов утечки. Варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают ферритовый сердечник, токовую катушку взаимной индуктивности и выключатель защиты от токов утечки. Ферритовый сердечник включает в себя первый участок, образованный первым ферритовым материалом, который имеет первую магнитную проницаемость, которая изменяется с температурой. Ферритовый сердечник включает в себя также второй участок, образованный вторым ферритовым материалом, отличающимся от первого ферритового материала, при этом второй ферритовый материал имеет вторую магнитную проницаемость, которая изменяется с температурой. Ферритовый сердечник имеет общую магнитную проницаемость, которая изменяется с температурой. Общая магнитная проницаемость определяется на основании первой магнитной проницаемости, второй магнитной проницаемости, первой доли первого участка в ферритовом сердечнике и второй доли второго участка в ферритовом сердечнике. Первая доля и вторая доля установлены с таким расчетом, чтобы общая магнитная проницаемость была выше порога в заданном диапазоне температур. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Ферритовый сердечник, содержащий:

первый участок, образованный первым ферритовым материалом, имеющим первую магнитную проницаемость, которая изменяется с температурой; и

второй участок, образованный вторым ферритовым материалом, который отличается от первого ферритового материала, причем второй ферритовый материал имеет вторую магнитную проницаемость, которая изменяется с температурой,

причем ферритовый сердечник имеет общую магнитную проницаемость, которая изменяется с температурой, причем общая магнитная проницаемость определяется на основании первой магнитной проницаемости, второй магнитной проницаемости, первой доли первого участка в ферритовом сердечнике и второй доли второго участка в ферритовом сердечнике, и первая доля и вторая доля определены так, что общая магнитная проницаемость выше порога в заданном диапазоне температур, причем этот порог имеет разные значения при изменении температуры, а заданный диапазон температур является большим, чем тот диапазон температур, в котором первая магнитная проницаемость и вторая магнитная проницаемость выше упомянутого порога.

2. Ферритовый сердечник по п. 1, в котором первая магнитная проницаемость первого ферритового материала выше второй магнитной проницаемости второго ферритового материала в диапазоне рабочих температур.

3. Ферритовый сердечник по п. 1, в котором точка Кюри первого ферритового материала ниже точки Кюри второго ферритового материала.

4. Ферритовый сердечник по п. 3, в котором верхний температурный предел заданного диапазона температур установлен между точками Кюри первого и второго ферритовых материалов.

5. Ферритовый сердечник по п. 1, в котором первый и второй ферритовые материалы включают в себя соответственно материалы Mn-Zn ферритов разных марок.

6. Ферритовый сердечник по п. 1, причем ферритовый сердечник включает кольцевой ферритовый сердечник, и первый и второй участки образуют два кольцевых сегмента кольцевого ферритового сердечника.

7. Ферритовый сердечник по п. 6, в котором первая и вторая доли включают соответствующие доли высот двух кольцевых сегментов в высоте кольцевого ферритового сердечника.

8. Ферритовый сердечник по любому из пп. 1-7, дополнительно содержащий другой участок в дополнение к первому и второму участкам, причем этот другой участок образован дополнительным ферритовым материалом, отличающимся от первого и второго ферритовых материалов, а общая магнитная проницаемость определяется на основании магнитной проницаемости соответствующих ферритовых материалов и соответствующих долей участков в ферритовом сердечнике, и соответствующие доли определены так, что общая магнитная проницаемость выше порога в заданном диапазоне температур.

9. Токовая катушка взаимной индуктивности, содержащая ферритовый сердечник по любому из пп. 1-8.

10. Токовая катушка взаимной индуктивности по п. 9, причем токовая катушка взаимной индуктивности содержит токовую катушку взаимной индуктивности нулевой последовательности.

11. Выключатель защиты от токов утечки, содержащий токовую катушку взаимной индуктивности по любому из пп. 9, 10.