СИЛОВОЕ КАТУШЕЧНОЕ УСТРОЙСТВО, СОДЕРЖАЩЕЕ ОБМОТКУ ПЕРВОЙ КАТУШКИ И ОБМОТКУ ВТОРОЙ КАТУШКИ, ОХВАТЫВАЮЩИЕ ОДИН И ТОТ ЖЕ УЧАСТОК НОЖКИ МАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА
POWER COIL DEVICE CONTAINING WINDING OF FIRST COIL AND WINDING OF SECOND COIL COVERING SAME SECTION OF MAGNETIC CORE PIN

ОБЩАЯ ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области силовой электроники и, в частности, спаренных катушек, используемых, например, в межфазной катушке индуктивности или в трансформаторе.
Классически, для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение используют преобразователь переменного тока в постоянный (AC/DC). Среди преобразователей AC/DC известен, например, показанный на фиг. 1 так называемый «двенадцатифазный» диодный выпрямитель 10, который классически содержит трансформатор 11, два диодных моста 12 и две межфазные катушки 13 индуктивности. Можно напомнить, что межфазная катушка 13 индуктивности позволяет получить среднее значение напряжений на выходе диодных мостов 12, как показано на фиг. 1. Такой преобразователь AC/DC используют, например, в качестве источника постоянного электрического питания для управления приводами и перемещения исполнительных механизмов летательного аппарата (закрылки, элементы планера).
Как показано, в частности, на фиг. 2-4, межфазная катушка 13 индуктивности классически содержит две катушки В1, В2, которые установлены последовательно и соединены между собой для создания взаимной индуктивности М, как показано на фиг.2.
Межфазная катушка 13 индуктивности классически содержит магнитный сердечник 4, образующий параллельные между собой первую ножку J1 и вторую ножку J2. Магнитный сердечник 4 выполнен замкнутым таким образом, чтобы пропускать через себя магнитный поток, показанный стрелками на фиг.4.
Первая катушка В1 содержит вокруг первой ножки J1 первую обмотку из проводников, как правило, из меди или алюминия, первый конец которой образует первую входную клемму Р1. Вторая катушка В2 содержит вокруг второй ножки J2 вторую обмотку из проводников, первый конец которой образует вторую входную клемму Р2. Обычно вторые концы катушек В1, В2 соединены между собой и образуют выходную клемму S. Иначе говоря, каждая ножка J1, J2 имеет обмотку единой катушки В1, В2, как показано на фиг. 5.
Таким образом, когда подают два напряжения соответственно на входные клеммы Р1, Р2 межфазной катушки 13 индуктивности, на выходной клемме S получают среднее значений напряжений, если катушки В1, В2 имеют одинаковое значение.
На практике каждую катушку В1, В2 моделируют при помощи идеальной катушки индуктивности L1’, L2’, последовательно соединенной с катушкой индуктивности утечки Lf, как показано на фиг.6, при этом индуктивность утечки Lf соответствует утечкам линий магнитного поля.
Например, когда межфазную катушку 13 индуктивности используют в области авиации в преобразователе AC/DC на 10 кВт, питаемом от сети с переменным напряжением 115 В, каждая межфазная катушка 13 индуктивности имеет эквивалентную индуктивность Le порядка 7 мГн на низких частотах, которая понижается при изменении частот к 100 кГц, как показано на фиг.7. Такая межфазная катушка 13 индуктивности отвечает техническим требованиям, предъявляемым в этом примере к преобразователю AC/DC.
Для диапазона работы межфазной катушки 13 индуктивности в пределах от DC до 1 МГц обычно получают индуктивность утечки Lf/2 по существу постоянного значения, равную 120 мкГн, как показано на фиг.8. Сверх частоты 1 МГц индуктивность утечки Lf входит в резонанс с паразитными емкостями межфазной катушки 13 индуктивности, затем резко снижается. Иначе говоря, индуктивность утечки Lf исчезает сверх частоты 1 МГц, которая является пороговой частотой Fs использования.
Индуктивность утечки Lf, которая существует в настоящее время для межфазной катушки 13 индуктивности, приводит к ряду недостатков. Прежде всего, ее значение на низких частотах является высоким (около 120 мкГн при 1 кГц), что может стать причиной нестабильности преобразователя AC/DC в случае соединения с шиной DC из-за явлений резонанса при объединении с конденсаторами Cbus, как показано на фиг. 13.
На высоких частотах индуктивность утечки Lf позволяет ограничить выброс тока в сеть питания в результате явлений EMI (Electro Magnetic Interference). В данном случае эта функция обеспечивается до пороговой частоты Fs в 1 МГц. Сверх этой пороговой частоты Fs индуктивность утечки Lf исчезает, что отрицательно влияет на сеть питания, и преобразователь AC/DC не может соблюдать нормы выбросов в дифференциальном режиме без добавления других компонентов.
Для ограничения этого низкочастотного резонанса, как известно, с межфазной катушкой 13 индуктивности объединяют конденсаторы с высоким значением емкости или резисторы. Однако добавление конденсаторов сказывается на габарите преобразователя AC/DC, что не допустимо в области авиации, где постоянно ведется поиск уменьшения массы и габаритов. Кроме того, недостатком добавления резисторов является увеличение энергии, рассеиваемой за счет эффекта Джоуля, чего тоже следует избегать. Наконец, добавление конденсаторов или резисторов приводит к удорожанию изготовления преобразователя AC/DC, что тоже является недостатком.
На практике, чтобы избежать отрицательного влияния индуктивности утечки Lf, применение преобразователей AC/DC связывают с значительными ограничениями, что является недостатком при проектировании сложных электронных систем, требующих использования таких преобразователей.
Лежащая в основе изобретения задача была представлена в связи с межфазной катушкой индуктивности, однако она касается в целом любого катушечного устройства, содержащего две спаренные катышки, например, трансформатора, в котором необходимо ограничить отрицательные последствия, возникающие из-за индуктивности утечки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для устранения, по меньшей мере, некоторых из недостатков изобретением предложено силовое катушечное устройство, содержащее магнитный сердечник, содержащий параллельные между собой, по меньшей мере, первую ножку и вторую ножку, при этом устройство содержит первую катушку и вторую катушку, чтобы создавать взаимную индуктивность между катушками, при этом устройство отличается тем, что:
- первая катушка содержит первую обмотку из проводников вокруг первой ножки и вторую обмотку из проводников вокруг второй ножки, соединенную с первой обмоткой, при этом свободный конец первой обмотки образует первую входную клемму, и свободный конец второй обмотки образует выходную клемму;
- вторая катушка содержит третью обмотку из проводников вокруг второй ножки и четвертую обмотку проводников вокруг первой ножки, соединенную с третьей обмоткой, при этом свободный конец третьей обмотки образует вторую входную клемму, и свободный конец четвертой обмотки соединен с выходной клеммой;
- первая и четвертая обмотки охватывают один и тот же участок первой ножки, ограничивая индуктивность утечки катушечного силового устройства;
и тем, что каждая обмотка содержит, по меньшей мере, два слоя витков, при этом слои первой обмотки чередуются со слоями четвертой обмотки на первой ножке.
Благодаря распределению обмоток одной катушки на двух ножках и благодаря охватыванию витками разных катушек, можно существенно уменьшить значение индуктивности утечки между катушками на низких частотах. Кроме того, такое выполнение обмоток позволяет уменьшить паразитную емкость катушек, что позволяет сместить пороговую частоту использования до высоких частот и ограничивает явление выброса тока в сеть питания, с которой соединено устройство.
Кроме улучшения своих характеристик, катушечное устройство сохраняет свои массу и габаритный размер, что является преимуществом. Кроме того, нет необходимости в применении дополнительных конденсаторов или резисторов для ослабления резонанса между индуктивностью утечки и емкостью Cbus, что позволяет уменьшить стоимость.
Предпочтительно вторая обмотка и третья обмотка охватывают один и тот же участок второй ножки, ограничивая индуктивность утечки силового катушечного устройства. Таким образом, достигают общего и сбалансированного ограничения индуктивности утечки.
Предпочтительно каждая катушка имеет одинаковое количество витков, что позволяет попарно укладывать друг на друга витки разных обмоток для оптимального ограничения индуктивности утечки. Предпочтительно проводник каждой обмотки имеет одинаковый диаметр и выполнен из одинакового материала.
Согласно предпочтительному варианту изобретения, поскольку каждая обмотка содержит, по меньшей мере, один слой витков, первая ножка содержит нижний слой, покрытый верхним слоем. Таким образом, линии утечки магнитного поля одного из слоев витков переходят на другой слой витков.
Предпочтительно первая ножка содержит нижний слой витков первой обмотки, покрытый верхним слоем витков четвертой обмотки, и вторая ножка содержит нижний слой витков третьей обмотки, покрытый верхним слоем витков второй обмотки. Таким образом, каждая катушка содержит нижний слой и верхний слой, что обеспечивает сбалансированное поведение катушек. Такое поведение представляет интерес при использовании катушечного устройства в качестве межфазной катушки индуктивности, например, для усреднения двух напряжений.
Предпочтительно длина проводника первой катушки равна длине проводника второй катушки, поэтому каждая катушка имеет одинаковое сопротивление, что способствует сбалансированному поведению во время применения в качестве межфазной катушки индуктивности.
Согласно отличительному признаку изобретения, поскольку каждая обмотка содержит, по меньшей мере, два слоя витков, слои первой обмотки чередуются со слоями четвертой обмотки на первой ножке, что способствует взаимодействию между катушками и ограничению индуктивности утечки.
Предпочтительно магнитный сердечник выполнен замкнутым и предпочтительно состоит из двух прилегающих друг к другу С-образных элементов или из двух прилегающих друг к другу Е-образных элементов. Таким образом, можно распределить обмотки на двух или трех ветвях магнитного сердечника.
Объектом изобретения является также преобразователь AC/DC, содержащий, по меньшей мере, одно вышеуказанное устройство для выполнения функции межфазной катушки индуктивности.
Кроме того, объектом изобретения является трансформатор напряжения, содержащий, по меньшей мере, одно вышеуказанное устройство.
ОПИСАНИЕ ФИГУР
Изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 (уже описана) - функциональная схема преобразователя AC/DC;
Фиг. 2 (уже описана) - функциональная схема межфазной катушки индуктивности;
Фиг. 3 (уже описана) - межфазная катушка индуктивности;
Фиг. 4 (уже описана) - схема межфазной катушки индуктивности;
Фиг. 5 (уже описана) - схематичный вид обмоток витков известной межфазной катушки индуктивности;
Фиг. 6 (уже описана) - функциональная схема межфазной катушки индуктивности с ее катушками индуктивности утечки;
Фиг. 7 (уже описана) - изменение эквивалентной индуктивности межфазной катушки индуктивности в зависимости от рабочей частоты;
Фиг. 8 (уже описана) - изменение индуктивности утечки межфазной катушки индуктивности в зависимости от рабочей частоты;
Фиг. 9 - схематичный вид межфазной катушки индуктивности в соответствии с изобретением;
Фиг. 10 - функциональная схема межфазной катушки индуктивности, показанной на фиг.9;
Фиг. 11 - первый схематичный вид обмоток витков межфазной катушки индуктивности в соответствии с изобретением;
Фиг. 12 - второй схематичный вид обмоток витков межфазной катушки индуктивности в соответствии с изобретением;
Фиг. 13 - изменение эквивалентной индуктивности межфазной катушки индуктивности в зависимости от рабочей частоты;
Фиг. 14 - изменение индуктивности утечки межфазной катушки индуктивности в зависимости от рабочей частоты.
Следует отметить, что на фигурах детально представлено изобретение для лучшего понимания его применения, однако, разумеется, указанные фигуры могут служить для лучшего понимания выполнения изобретения.
ОПИСАНИЕ ОДНОГО ИЛИ НЕСКОЛЬКИХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
Изобретение представлено ниже в применении для межфазной катушки 3 индуктивности преобразователя AC/DC, однако его можно применять для любого силового устройства, содержащего две спаренные катушки на одном магнитном сердечнике, например, для трансформатора или катушки индуктивности общего режима.
В этом примере, как показано на фиг.9, межфазная катушка 3 индуктивности содержит магнитный сердечник 4 кольцевой формы, образующий параллельные между собой первую ножку J1 и вторую ножку J2. Магнитный сердечник 4 выполнен замкнутым, чтобы направлять через себя магнитный поток, показанный стрелками на фиг.9. Обычно ножки J1, J2 содержат в середине зону немагнитных материалов, называемую «рабочим зазором».
В известном техническом решении межфазная катушка индуктивности содержала первую обмотку из проводников из меди или алюминия на первой ножке, образующую первую катушку, и вторую обмотку проводников на второй ножке, образующую вторую катушку. Иначе говоря, каждая катушка выполнена только на одной ножке магнитного сердечника.
Согласно изобретению, каждая катушка распределена между ножками магнитного сердечника. Иначе говоря, на каждой ножке магнитного сердечника находятся обмотки витков первой катушки В1 и обмотки витков второй катушки В2, что позволяет указанным обмоткам взаимодействовать между собой и улучшать магнитную связь, то есть ограничивать индуктивность утечки Lf межфазной катушки 3 индуктивности.
Далее со ссылками на фиг.9-11 следует описание практического примера выполнения.
Как показано на фиг.9, межфазная катушка 3 индуктивности содержит первую катушку В1, которая включает в себя первую обмотку Е1 проводников вокруг первой ножки J1 и вторую обмотку Е2 проводников вокруг второй ножки J2, соединенную с первой обмоткой Е1, при этом свободный конец первой обмотки Е1 образует первую входную клемму Р1, и свободный конец второй обмотки Е2 образует выходную клемму S.
Кроме того, межфазная катушка 3 индуктивности содержит вторую катушку В2, которая включает в себя, по меньшей мере, третью обмотку Е3 проводников вокруг второй ножки J2 и четвертую обмотку Е4 проводников вокруг первой ножки J1, соединенную с третьей обмоткой Е3, при этом свободный конец третьей обмотки Е3 образует вторую входную клемму Р2, и свободный конец четвертой обмотки Е4 соединен с выходной клеммой S, как показано на фиг.9.
В этом примере первая обмотка Е1 и вторая обмотка Е2 соединены отдельным соединительным проводником 6, однако, само собой разумеется, что обмотки Е1, Е2 могут быть образованы одним и тем же проводником. Аналогично, третья обмотка Е3 и четвертая обмотка Е4 соединены отдельным соединительным проводником 7, однако, само собой разумеется, что обмотки Е3, Е4 могут быть образованы одним и тем же проводником.
Наконец, вторая обмотка Е2 и четвертая обмотка Е4 соединены отдельным соединительным проводником 2, образующим выходную клемму S межфазной катушки 3 индуктивности.
Таким образом, показанная на фиг.9 межфазная катушка 3 индуктивности содержит первую катушку В1, образованную первой обмоткой Е1 и второй обмоткой Е2, которые распределены на двух ножках J1, J2 магнитного сердечника 4, и вторую катушку В2, образованную третьей обмоткой Е3 и четвертой обмоткой Е4, которые распределены на двух ножках J1, J2 магнитного сердечника 4. Полученная таким образом функциональная схема межфазной катушки 3 индуктивности показана на фиг. 10.
Согласно изобретению, как показано на фиг. 11, где представлен вид в продольном разрезе ветвей и обмоток, каждая ножка J1, J2 содержит наложенные друг на друга витки разных обмоток, чтобы ограничить дисперсию линий магнитного поля и уменьшить индуктивность утечки Lf.
Как показано на фиг. 11, первая ножка J1 сначала охвачена витками первой обмотки Е1, в свою очередь покрытыми сверху витками четвертой обмотки Е4. Поскольку обмотки Е1, Е4 принадлежат к разным катушкам В1, В2, линии магнитного поля одной из обмоток переходят на другую обмотку, что ограничивает утечки. Аналогично первой ножке J1, вторая ножка J2 сначала охвачена витками третьей обмотки Е3, в свою очередь покрытыми сверху витками второй обмотки Е2. Поскольку обмотки Е3, Е2 принадлежат к разным катушкам В1, В2, магнитные утечки являются незначительными.
Как показано на фиг. 11, первая обмотка Е1 и четвертая обмотка Е4 охватывают один и тот же участок первой ножки J1, тогда как вторая обмотка Е2 и третья обмотка Е3 охватывают один и тот же участок второй ножки J2.
Как показано на фиг. 11, витки обмоток одной ножки магнитного сердечника 4 наложены друг на друга. В дальнейшем витки обмотки, более близкой к магнитному сердечнику 4, будут называться нижним слоем. Точно так же витки обмотки, более удаленной от магнитного сердечника 4, будут называться верхним слоем.
В этом примере представлены ножки J1, J2, содержащие только два слоя витков, но, разумеется, на каждой ножке J1, J2 магнитного сердечника 4 можно расположить более двух слоев.
Предпочтительно каждый слой витков полностью покрывает находящийся под ним слой витков, чтобы ограничивать любую магнитную потерю.
Предпочтительно каждый слой витков имеет одинаковое число витков. Кроме того, диаметр проводника каждой обмотки является постоянным, поэтому каждая обмотка имеет одинаковое электрическое сопротивление, что позволяет получать, кроме всего прочего, сбалансированную межфазную катушку 3 индуктивности. Например, диаметр проводника составляет около 1 мм.
Предпочтительно слои витков можно менять местами в зависимости от способа изготовления и от потребностей. Так, как показано на фиг. 12, вторая ножка J2 сначала охвачена витками второй обмотки Е2, которые в свою очередь покрыты витками третьей обмотки Е3. В этом случае, поскольку обмотки Е3 и Е4 второй катушки В2 находятся снаружи, то предпочтительно диаметр проводника, используемого для выполнения первой катушки В1, должен быть меньше диаметра проводника, используемого для второй катушки В2, чтобы уравновесить сопротивления катушек В1 и В2.
Согласно варианту изобретения, один слой витков может включать в себя витки разных обмоток, которые предпочтительно чередуются, чтобы ограничивать индуктивность утечки.
Если первая ножка J1 магнитного сердечника 4 содержит более двух слоев, каждая катушка содержит одинаковое число слоев. Например, если первая ножка J1 содержит четыре слоя, то два слоя витков принадлежат к первой обмотке Е1, и два слоя витков принадлежат к четвертой обмотке Е4. Слои могут чередоваться между собой или могут быть объединены парами в зависимости от способа изготовления или от потребностей.
В данном случае был представлен магнитный сердечник 4, содержащий две параллельные ножки J1, J2, но, разумеется, изобретение можно применить для магнитного сердечника 4, содержащего более двух параллельных ножек, например, три ножки, расположенные в одной плоскости или в разных плоскостях. Согласно этому же предположению, обмотки первой катушки и второй катушки распределены в этом случае на трех ножках.
В случае магнитного сердечника 4, содержащего две параллельные ножки, его предпочтительно выполняют путем соединения двух половин, каждая из которых имеет С-образную форму. В случае магнитного сердечника 4, содержащего три параллельные ножки, его предпочтительно выполняют путем соединения двух половин, каждая из которых имеет Е-образную форму.
Как показано на фиг.3, межфазная катушка 3 индуктивности в соответствии с изобретением имеет эквивалентную индуктивность Le порядка 6 мГн на низких частотах, которая понижается при изменении частоты к 100 кГц, что соответствует общим свойствам известной межфазной катушки индуктивности и, следовательно, отвечает техническим требованиям, предъявляемым к преобразователю AC/DC, предназначенному для использования в области авиации.
Предпочтительно в случае межфазной катушки 3 индуктивности в соответствии с изобретением индуктивность утечки Lf/2 равна 6 мкГн для рабочего диапазона от DC до 1 МГц, как показано на фиг. 14. Значение индуктивности утечки Lf на низких частотах является незначительным (около 6 мкГн на 1 кГц), то есть в 20 раз ниже, чем в случае известной межфазной катушки индуктивности. Следовательно, преобразователь AC/DC является очень стабильным в случае соединения с шиной DC.
Кроме того, значение индуктивности утечки Lf снижается, только начиная от пороговой частоты Fs порядка 10 МГц на высоких частотах, то есть при пороговой частоте Fs, в 10 раз более высокой, чем в известных решениях. Таким образом, сеть питания защищена в более широком рабочем диапазоне, что ограничивает любой риск выброса тока в сеть питания по причине явлений EMI (Electro Magnetic Interference).
Кроме улучшения своих характеристик, межфазная катушка 3 индуктивности имеет габаритный размер и массу, идентичные с известными катушками, что представляет особый интерес для применения в области авиации.
Таким образом, благодаря изобретению, можно получать более эффективные трансформаторы или преобразователи AC/DC с меньшими ограничениями для использования.