УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Предполагаемая полезная модель относится к электротехнике и радиотехнике, в частности к области производства дросселей с подмагничиванием и может быть использовано как токоограничивающий элемент в блоках питания силовой электроники, для ограничения токов короткого замыкания, в балластах газоразрядных ламп и др. Устройство позволит рационально использовать материалы проводника и ферромагнетиков, увеличить коэффициент преобразования электроэнергии в энергию магнитного потока, упростить конструкцию и технологию производства.
Обычно дроссель представляет собой обтекаемую переменным током катушку с ферромагнитным сердечником. При одинаковых параметрах дроссель с ферромагнитным сердечником несравненно компактнее, чем катушка без сердечника. При прочих равных условиях индуктивное сопротивление дросселя тем выше, чем больше его магнитная проницаемость. Все характеристики дросселя обеспечиваются свойствами его сердечника. Вольтамперные характеристики дросселя могут быть близкими к линейным, а могут быть и существенно нелинейными. Индуктивное сопротивление дросселя переменному току в ненасыщенном состоянии существенно больше, чем в насыщенном. В состав дросселя любого вида и конструкции входит катушка, намотанная изолированным проводом или фольгой, и сердечник из ферромагнетика. Сердечники изготовляют наборными из отдельных штампованных плоских пластин или ленточными, состоящими из ленточной магнитомягкой стали.
Принцип подмагничивания широко применялся в магнитных усилителях. Они были хорошо известны ранее как средство управления мощностью. Работа магнитного усилителя основана на том, что создаются магнитные поля или подмагничивание в магнитных цепях индуктивных
силовых компонентов для управления током или мощностью. Существенным недостатком этого устройства являются большой вес и размеры.
Из существующего уровня техники известно устройство по патенту США №5602527 (Suenaga, 11 февраля 1997 г., МПК H01F 29/00; H01F 17/00; Н03H 7/18), в котором описан маркер с подмагничиванием магнитоупругого элемента прямолинейными участками сплошного магнитного слоя с толщиной 5-100 мкм. Слой сформирован на немагнитной подложке, имеющей толщину 10-250 мкм, а сами участки намагничены встречно.
Недостатком известного устройства является неоднородность магнитного поля в рабочей зоне, которая возникает из-за того, что кривизна магнитных силовых линий, создаваемых постоянным магнитом и катушкой, имеет разный знак.
Известно устройство по патенту США №6885272 (Piaskowski и др., 26 апреля 2005 г., МПК H01F 21/00) с катушкой и сердечником, подмагниченным постоянным магнитом, которое наиболее близко к заявляемой полезной модели. Изобретение представляет трансформатор или дроссель, в котором постоянные магниты и магнитные материалы из электротехнической стали соединены в последовательную непрерывную магнитную цепь. Кроме того, область смещения в магнитном сердечнике трансформатора может быть в линейной или нелинейной части кривой намагничивания и а постоянный магнит может быть помещен последовательно или параллельно в магнитной цепи. Магнитные компоненты, раскрытые в этом изобретении, позволяют сократить потери энергии и уменьшить размеры по сравнению с известными индуктивностями. Изобретение имеет много применений, например, защита механизма выключателя, ограничение тока, преобразование напряжения в импульсных источниках питания и для контроля тока в цепи газоразрядных ламп.
В этом устройстве используются постоянные магниты, которые выполнены в виде отдельных элементов, размещенных или в стыке между
торцами ферромагнитных частей сердечника, или на их внутренней и внешней поверхностях. Применение дискретных магнитных элементов сопровождается возникновением больших краевых областей с неоднородной намагниченностью. В этих областях при любых токах высокая магнитная проницаемость и та часть обмотки, которая расположена здесь, обладает постоянным высоким индуктивным сопротивлением. По этой причине приходится уменьшать длину обмотки и, следовательно, уменьшать эффективность использования объема устройства.
Авторами при создании нового устройства поставлены следующие задачи:
1. Увеличение точности ограничения тока за счет более эффективного использования энергии постоянного магнита,
2. Упрощение конструкции устройства для ограничения переменного тока.
Настоящее предложение обеспечивает создание более эффективного устройства для ограничения переменного тока. Оно содержит (см. рис.2) ленточный кольцевой магнитожесткий сердечник 1, состоящий из двух встречно намагниченных участков (не показано). На внешней стороне этого элемента размещен соосно ленточный кольцевой магнитомягкий сердечник 2, который намагничен до насыщения при отсутствии тока в катушке. Катушка 3 состоит из двух последовательно соединенных частей.
Отличительным признаком является непрерывность магнитожесткого и магнитомягкого сердечников в области одноименных полюсов при встречном намагничивании соседних участков. Этот признак в сочетании с кольцевой формой всей конструкции позволяет уменьшить неоднородность магнитной индукции (см. рис.1).
На рис.1 приведено распределение индукции вдоль сердечника в заявляемой модели. По оси ординат - индукция в Тл, по оси абсцисс - длина сердечника в см. Рисунок а) иллюстрирует состояние, когда магнитомягкий
сердечник устройства насыщен, в то время как рисунок б) иллюстрирует этот сердечник в ненасыщенном состоянии.
На рис.2 - общий вид устройства для ограничения переменного тока. Здесь 1 - ленточный кольцевой магнитожесткий сердечник с двумя встречно намагниченными областями, 2 - ленточный магнитомягкий кольцевой сердечник, 3 - одна из составных частей обмотки.
Предложенное «Устройство для ограничения переменного тока» обладает «новизной» так как предложенная совокупность признаков не выявлена из существующего уровня техники.
Предложенное «Устройство для ограничения переменного тока» соответствует критерию «существенные отличия», так как совокупность признаков находится в причинно - следственной связи при их взаимодействии, решает поставленные задачи и обеспечивает достижение цели с положительными результатами.
Предложенное «Устройство для ограничения переменного тока» соответствует критерию «промышленная применимость», так как все элементы устройства известны, не приносят вреда и имеется возможность неоднократного его изготовления.
Предложенное устройство, изображенное на рис.2, работает следующим образом. В исходном состоянии, при отсутствии тока через обмотку магнитомягкий материал находится в насыщенном состоянии (рис.1а) благодаря магнитожесткому сердечнику 1, причем его намагниченные встречно участки наводят магнитную индукцию противоположного знака. Индуктивное сопротивление обмотки при этом минимально. При прохождении тока (например, положительного знака, как на рис.1) одна часть магнитомягкого сердечника переходит в более насыщенное состояние и индуктивное сопротивление соответствующей части обмотки несколько уменьшается, а другая часть магнитомягкого сердечника - размагничивается и индуктивное сопротивление этой части обмотки резко увеличивается (см. Рис.1б). Поскольку обмотки соединены последовательно, то индуктивное
сопротивление обмотки в целом увеличивается. Аналогичное действие происходит при смене полярности тока, протекающего через обмотку.
При разработке, конструировании и изготовлении устройств для коррекции коэффициента мощности при управлении двигателями или балластов для газоразрядных ламп, в импульсных источниках питания применяются электромагнитные дроссели для ограничения тока.
Индуктивности, необходимые для этих целей, имеют значение в диапазоне от 300 мкГн до 300 мГн. Однако, индуктивности, производимые в настоящее время, имеют большие размеры, неудобны для монтажа, дороги и имеют большой разброс. Как правило, в существующих индуктивностях требуется сердечник, вокруг которого размещают обмотки, или катушки с медными проводами. Даже с автоматизированным оборудованием производство индуктивности дорого, а если требуются индуктивности, которые имеют очень небольшой разброс относительно их номинального значения, то они изготавливаются вручную или, по крайней мере, вручную регулируются.
у
3
Для импульсного источника питания мощностью Р=100 Вт при частоте преобразования F=50 кГц энергия импульса составляет W=P/F=2 (мДж). При использовании подмагничивания постоянным магнитом современных магнитомягких материалов с коэрцитивной силой несколько А/м объемная плотность магнитной энергии, накопленной в сердечнике W= 1,5 Тл * 0,5 кА/м = 0.75 кДж/м=0,15 Дж/кг, т.е. масса сердечника - около 100 г. Ограничиваемый дросселем ток - 20 А, а зона регулирования +/- 0,5 А.
Гибкая двойная лента заданной длины, состоящая из двух одинаковых встречно намагниченных участков из магнитомягкого материала может быть изготовлена заранее. Затем на нее наматываются проводом или проводящей лентой обмотки с зазором в области полюса. Обмотки соединены последовательно для того, чтобы обеспечить уменьшение магнитной индукции в одной из них при смене полярности протекающего тока. Затем формируется кольцевая структура. Подобная технология упрощает
изготовление насыщенного дросселя по сравнению с намоткой обмотки на тороидальный магнитный сердечник.