ПОЛЯРИЗОВАННАЯ ИНДУКТИВНОСТЬ

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и радиотехнике, в частности к области производства индуктивностей с подмагничиванием, и может быть использована как токоограничивающий элемент в блоках питания силовой электроники, как формирующий элемент в устройствах накопления энергии и т.д. Устройство позволит рационально использовать материалы проводника и ферромагнетиков, увеличить коэффициент преобразования электроэнергии в энергию магнитного потока, упростить конструкцию и технологию производства.
Индуктивные элементы, как правило, имеют линейную вебер-мперную характеристику, т.е. постоянную индуктивность. Нелинейные магнитные элементы в мощной силовой технике применяются в качестве силовых ключей, а также для формирования коротких импульсов. В обоих случаях индуктивность переходит в состояние глубокого насыщения, а подмагничивание используется для управления. Наиболее близкими по своему функциональному назначению являются магнитные усилители, работающие при менее глубоком насыщении, но они не нашли широкого применения из-за энергетических соображений.
Обычно индуктивность представляет собой обтекаемую переменным током катушку с ферромагнитным сердечником. В управляемой индуктивности обмотка подмагничивания подключена к источнику тока (авторское свидетельство СССР №310367, Ю.С.Черкашин, МПК НОЗК 3/53). Ток подмагничивания смещает рабочую точку на кривой намагничивания в область насыщения и в этом случае дроссель представляет собой индуктивное сопротивление малой величины. Полярность включения обмоток такова, что, при формировании импульса, ток, протекающий по рабочей обмотке, размагничивает сердечник. В период достижения величины тока номинального значения сердечник размагничивается, и индуктивность дросселя увеличивается настолько, что изменения и колебания напряжения вершины генерируемого импульса сглаживаются дросселем, при этом величина формируемого на нагрузке импульса определяется равенством ампер-витков рабочей и подмагничивающей обмоток. Существенными недостатками этого устройства являются большой вес и размеры, а также низкий коэффициент полезного действия из-за наличия внешнего источника питания для подмагничивания.
Наиболее близким техническим решением является реактивная катушка в виде спирали, содержащая обмотку, выполненную из проводника с изоляционным и магнитопроводящим слоями, причем магнитопроводящий слой нанесен непрерывными вдоль оси проводника участками, расположенными друг против друга (а. с.СССР №603003, А.П.Пролыгин и др., МПК Н01F 27/28). Недостаток этого устройства - уменьшение индуктивности при возрастании тока, протекающего через катушку.
Авторами при создании нового устройства поставлены следующие задачи: 1) рост индуктивности при увеличении тока через индуктивность; 2) повышение эффективности ограничения тока за счет использования энергии постоянного магнита.
Положительное решение достигается за счет того, что индуктивность исполнена в виде спирали, содержащей обмотку, выполненную из проводника с изоляционным и магнитопроводящими слоями, отличающаяся тем, что витки спирали образованы плоской лентой из магнитомягкого материала, размещенной между последовательно соединенными плоскими изолированными проводниками, причем плоская лента из магнитожесткого материала, намагниченного поперечно ее продольной оси, располагается с внутренней стороны витка, а направление магнитного поля, создаваемого проводником с током, и направление остаточной намагниченности магнитожесткого материала совпадают.
На фиг.1 без соблюдения масштаба показано строение многослойного витка поляризованной индуктивности; на фиг.2 приведена зависимость магнитной индукции магнитомягкого сердечника от величины тока, протекающего по проводнику 2; на фиг.3 изображена без соблюдения масштаба поляризованная индуктивность, образованная многослойной полосой, свернутой в спираль; на фиг.4 приведена, в качестве примера, схема, в которой поляризованная индуктивность задействована как элемент формирующей цепи; на фиг.5 представлены зависимости величины тока через обмотку от времени для поляризованной и обычной индуктивностей, иллюстрирующие возможность формирования прямоугольного импульса тока.
о
р
р
Многослойная полоса 1 состоит из изолированных плоских проводящих лент 2, с расположенной между ними плоской лентой из магнитомягкого материала 3, и ленточного постоянного магнита 4 из магнитожесткого материала. Остаточная индукция В постоянного магнита 4, создает в окружающем пространстве магнитное поле Н, которое намагничивает магнитомягкий материал ленты 3 до насыщения. Направление тока I, протекающего по проводнику 2, выбрано таким образом, чтобы создаваемое им магнитное поле Н, было направлено противоположно полю Н. На фиг.1 ток в верхнем проводнике 2 направлен внутрь, а в нижнем проводнике 2 - наружу относительно плоскости листа. Возрастание тока I приводит к перемагничиванию магнитомягкого сердечника (фиг.2) и возрастанию индуктивности. При определенном токе магнитная индукция в магнитомягкой ленте меняет знак. Дальнейшее увеличение тока может привести к размагничиванию постоянного магнита, поэтому существует «рабочая область» поляризованной индуктивности (граница области обозначена пунктиром на фиг.2). Величина этой области определяется коэрцитивной силой применяемого магнитожесткого материала.
Для уменьшения размера предлагаемого устройства многослойная полоса 1 свита в спираль (фиг.3).
Иллюстрацией возможностей поляризованной индуктивности служит схема накопителя энергии (фиг.4), которая содержит источник питания 5, соединенный через ключ 6 с накопительным конденсатором 7. После окончания процесса накопления энергии этот ключ 6 размыкается, замыкается ключ 8 и происходит разряд конденсатора 7 через индуктивность 9 и нагрузку 10. Индуктивность 9 может быть постоянной или поляризованной. На фиг.5 приведена зависимость тока 11 от времени (сплошная линия) для такой цепи при индуктивности дросселя 9 равной 1,4 нГн, емкости конденсатора 7-1000 мкФ, сопротивлении нагрузки 10-10Ом и напряжении источника питания - 3 В. При этих параметрах длительность формируемого импульса равна примерно 4 микросекундам. На этой же фигуре приведена подобная зависимость 12 (при тех же значениях емкости, напряжения и сопротивления), но для поляризованной индуктивности, вебер-амперная характеристика которой приведена на фиг.2. Здесь видно, что крутизна фронта и среза импульса 12 стала существенно больше, вершина - более плоской, а длительность уменьшилась вдвое по сравнению с импульсом 11. Для приведенного примера толщина постоянного магнита из сплава викаллой 52К13 - 200 мкм, толщина магнитомягкого сердечника из аморфного сплава 2НСР - 25 мкм, толщина проводника - 2000 мкм, причем внутренний диаметр спирали поляризованной индуктивности -50 мм, ширина ленты - 20 мм, длина ленты - 1 м.
Предложенное устройство является новым, поскольку применение поперечно намагниченного постоянного магнита в форме ленты в сочетании с ленточными проводниками и сердечником неизвестно в современном уровне техники. Применение подмагничивания постоянным магнитом гарантирует особое свойство поляризованной индуктивности - рост индуктивности при повышении тока.
«Поляризованная индуктивность» 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.
Устройство промышленно применимо, так как может быть использовано в силовой электронике для формирования импульсов прямоугольной формы.