Спиральный сильноточный плоский частотный дроссель
HIGH-CURRENT FREQUENCY FLAT INDUCTANCE CHOKE

Изобретение относится к электротехническим компонентам силовой частотной электроники для общепромышленного, специального оборудования и технологий аэрокосмической отрасли и может быть использовано преимущественно в модульных частотных низкопрофильных генераторах с программно-регулируемыми характеристиками на мощности от 20 кВт до 2 мВт и более для систем с точным, мощным, контролируемым и компьютерно-управляемым процессом.
Предложенное техническое предложение может быть использовано также:
- в генераторах технологического тока для микросекундной размерной обработки общепромышленных и специализированных материалов;
- в мощных источниках локализованного магнитного поля высокой плотности для общепромышленных и специальных технологических схем, в том числе научных экспериментов в области ядерных исследований и нанотехнологий;
- в генераторах для технологий магнитно-импульсного упрочнения крупногабаритных сложнопрофильных деталей и узлов типа газотурбинных лопаток, в том числе крупногабаритных лопаток вентиляторов из титановых сплавов, блисков и др.;
- в генераторах для технологий сварки трением при наложении сильного магнитного поля и высокоточной термосборки композиций из специальных и других материалов;
- в генераторах для технологий неразрушающего контроля дефектов крупногабаритных заготовок и деталей из труднообрабатываемых материалов;
- в генераторах для технологий электропластической деформации, в том числе крупногабаритных заготовок и деталей из труднообрабатываемых материалов.
Известна электромагнитная система в виде катушки, изготовленной из свернутого в рулон плоского проводящего листа с изоляционной прокладкой, причем рулоны дополнительно снабжены вырезами для концентрации магнитного потока в области вмятины на обрабатываемой детали (патент US 7068134 В2, B21D 1/02, H01F 7/20, опубл. 25.07.2002).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для электромагнитной вытяжки металлических деталей и устранения вмятин на них (патент US 3998081 А, B21D 1/06, опубл. 21.12.1976). Электромагнитная система прототипа изготовлена в виде катушки, намотанной проводником электрического тока, причем ее витки изолированы друг от друга и от обрабатываемой детали. Намотка катушки может выполняться различными способами: плоская спираль, многослойная плоская спираль, спирали (в том числе, и многослойные), лежащие в нескольких плоскостях под углом друг к другу и т.д. Первичный источник тока, подключенный к электромагнитной системе, создает медленно изменяющийся импульс тока и, соответственно, первичного магнитного поля в области детали. Вторичным источником тока генерируется короткий вторичный импульс тока и, соответственно, вторичного магнитного поля. При этом полярность импульса вторичного тока противоположна первичному, поэтому создаваемое вторичное магнитное поле преимущественно противоположно по направлению первичному. Такой способ и устройство на его основе эффективны для материалов с хорошей электропроводностью при использовании сильных магнитных полей (порядка 10 Тл).
К недостаткам аналога и прототипа относятся:
- необходимость использования мощных высоковольтных импульсных источников вторичного тока;
- отсутствие возможности программного регулирования тока, не изменяя величину индуктивности, а также необеспечение работы в области сильных импульсных токов в широком диапазоне частот и длительностей, в том числе в мощных индуктивных накопителях и концентраторах энергии магнитного поля мегаваттного диапазона мощностей;
- отсутствие возможности частотно-зависимой концентрации магнитного поля вдоль оптически прозрачной магнитной оси спиралевидной обмотки дросселя с параметрическими частотными фильтрующими свойствами.
Также к недостатку конструкции спиралевидного дросселя прототипа относится неполное использование активного сечения проводника, обусловленное высоким значением коэффициента близости, а также высокая стоимость электромагнитной системы.
Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение возможности работы устройства в области импульсных токов от единиц ампер до десятков тысяч ампер с практически постоянной индуктивностью спиралевидного дросселя, достижение возможности частотно-зависимой концентрации магнитного поля вдоль оптически прозрачной для лазерного излучения магнитной оси спиралевидной обмотки дросселя с параметрическими частотными фильтрующими свойствами, снижение коэффициента близости, а также снижение себестоимости устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что сильноточный частотный дроссель, включающий катушку, обмотка которой выполнена в виде плоской спирали, согласно изобретению плоская спираль состоит из секций и изоляторов, при этом каждая секция выполнена в виде чередующихся полос из стали и меди, а изоляторы расположены через несколько секций друг от друга.
При этом в качестве изолятора может быть использован Имидофлекс.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает:
- возможность работы в области сильных импульсных токов в широком диапазоне частот и длительностей, в том числе в мощных индуктивных накопителях и концентраторах энергии магнитного поля мегаваттного диапазона мощностей;
- возможность частотно-зависимой концентрации магнитного поля вдоль оптически прозрачной для лазерного излучения магнитной оси спиралевидной композитной обмотки дросселя с параметрическими частотными фильтрующими свойствами, что, в конечном счете, позволяет осуществить сканирование мощного лазерного луча;
- автоматизацию процесса сборки, в том числе частотного токопроводящего магнитопровода с композитной структурой;
- низкую себестоимость устройства.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлен общий вид сильноточного частотного дросселя;
на фиг. 2 показан разрез А-А;
на фиг. 3 представлен вид В.
2
Спиралевидный частотный дроссель (фиг. 1) включает катушку, обмотка которой выполнена в виде плоской многослойной спирали 1, изготовленной в виде секций (пачек) и изоляторов. Каждая секция выполнена в виде чередующихся полос 2 из стали (листовой электротехнической стали Э424) и полос 3 из меди (мягкой электротехнической меди M1). Листовые изоляторы 4 расположены через несколько секций друг от друга. Толщина стальных полос 2 составляет 0,08 мм при индукции ~ 1,6 Тл, а толщина медных полос из меди M1 - 0,4 мм с удельным сопротивлением ~ 0,0175 Ом*мм/м. Общая ширина секции (пачки) из полос 2 и 3 составляет 20 мм. При подключении предлагаемого дросселя к более мощным источникам тока необходимо увеличить ширину и/или количество полос в секциях.
Полосы чередуются следующим образом - сначала наматываются пять стальных полос 2, затем одна медная полоса 3, далее пять стальных полос 2, затем одна медная полоса 3 и так далее, заканчивается набор пятью стальными полосами 2. Общее количество стальных полос 2 в секции (пачке) составляет 50 шт., а медных полос - 9 шт. Этот набор полос 2 и 3 навивают на оправку. Межвитковая изоляция достигается тем, что между секциями из стальных полос 2 и медных полос 3 проложен листовой изолятор 3, например Имидофлекс. Начало и конец навивки дросселя являются электрическими контактами для подключения к источнику тока. После сборки конструкция дросселя пропитывается кремнийорганическим лаком на основе нитрида алюминия.
Сильноточный частотный дроссель работает следующим образом.
При пропускании электрического тока через дроссель возникает сильное магнитное поле, сконцентрированное по оси дросселя.
Таким образом, использование сильноточного плоского частотного дросселя имеет следующие технические преимущества:
- обеспечивается плоская низкопрофильная конструкция (отсутствуют ограничения на размеры дросселя);
- появляется возможность работы в области сильных импульсных токов (100 А, 600 А, 10 тыс. А) при неизменной индуктивности в широком диапазоне частот и длительностей, в том числе в мощных индуктивных накопителях и концентраторах энергии магнитного поля мегаваттного диапазона мощностей;
- обеспечивается возможность регулирования магнитного поля без изменения индуктивности;
- обеспечивается возможность частотно-зависимой концентрации магнитного поля вдоль оптически прозрачной для лазерного излучения магнитной оси спиралевидной композитной обмотки дросселя с параметрическими частотными фильтрующими свойствами, что, в конечном счете, позволяет осуществить сканирование мощного лазерного луча;
- в широком частотном диапазоне существенно увеличивается полезная эффективная площадь медных проводников за счет снижения коэффициента близости до 0,06-0,1;
- обеспечивается автоматизация процесса сборки дросселя, а также относительно низкая себестоимость изделия.