ЭКРАНИРОВАННЫЙ ПРОВОД
SHIELDED WIRE

Изобретение относится к электрическим изоляторам и изолирующим телам, а именно к экранированному проводу, который может быть использован в качестве обмоточного провода или жилы многожильного кабеля.
Как известно, потери в проводах обмоток электрических машин или многожильных кабелях вызваны тремя основными причинами: провода обмотки обладают омическим (активным) сопротивлением; сопротивление провода обмотки возрастает с ростом частоты, что обусловлено вытеснением тока в поверхностные слои провода, вследствие чего уменьшается полезное сечение проводника и растет сопротивление; в проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии намотки, вследствие чего сечение, по которому протекает ток, принимает серповидную форму, что ведет к дополнительному возрастанию сопротивления провода. Ток, протекающий по проводнику, индуцирует ЭДС в окружающих проводниках, например в сердечнике, экране и в проводах соседних витков или жил. Возникающие при этом вихревые токи становятся источником потерь из-за увеличения сопротивления проводников. Известен ряд технических решений, в которых такие потери снижают за счет использования ферромагнитных экранов.
Известен оптоволоконный кабель с детектируемыми ферромагнитными компонентами [US7697806B2, 13.04.2010], в котором множество детектируемых ферромагнитных компонентов расположено по длине кабеля, каждый из которых отделен друг от друга. Такой кабель может содержать известные слои сердечника из волокна, плакированного покрытия, усиленных волокон и оболочки кабеля. При этом каждый детектируемый ферромагнитный компонент может быть в виде полосы ферромагнитного металла, образующей кольцо вокруг кабеля, и может располагаться на различных участках кабеля. Такая конструкция не может использоваться для экранирования тонких проводов, таких как обмоточные провода или провода для жил многожильного кабеля.
Известна электромагнитная катушка [GB806164A, 17.12.1954], которая полностью покрыта оболочкой, содержащей ферромагнитный порошок. В качестве оболочки может использоваться связующее, например эпоксидная смола, нейлон, полистирол, воск, шеллак, лак, стекло, керамика и пр. При этом оболочка может наноситься обмакиванием, распылением, покраской или любым другим подходящим способом. Оболочка такой электромагнитной катушки предотвращает распространение магнитных полей за ее пределы, но не предотвращает воздействие соседних витков обмотки друг на друга. Таким образом, сопротивление и индуктивность такой катушки относительно велико.
Также известен высокочастотный электрический кабель связи [RU71808U1, 20.03.2008], содержащий рассеиватель электромагнитной энергии, выполненный в виде ферромагнитного порошка, равномерно распределенного по объему гидрофобного заполнителя и составляющего не более 85% от его объема. Недостатком данного кабеля является относительная сложность конструкции, относительно высокая стоимость производства и невозможность использования такой конструкции для экранирования тонких проводов.
Известен силовой кабель [RU109905U1, 27.10.2011], содержащий металлическую жилу, первый электропроводящий слой, изоляционный слой, второй электропроводящий слой, полимерную ленту, наполненную ферромагнитным мелкодисперсным порошком с размером частиц 0,2-20 мкм, экран из медных проволок, разделительный слой из электроизоляционной ленты и оболочку. Недостатком является сложность конструкции и невозможность ее использования для экранирования тонких проводов.
В качестве прототипа выбран провод для снижения рассеяния электромагнитного поля при высокой частоте тока [US4079192B, 14.03.1978], в котором токопроводящая жила покрыта магнитной пленкой, содержащей ферромагнитный порошок, а магнитная пленка окружена изоляционным экраном. В этом проводе магнитная пленка прилегает к токопроводящей жиле, в результате чего между частицами ферромагнитного порошка и поверхностью токопроводящей жилы образуется гальваническая пара, что может вызывать разрушение проводника за счет коррозии, тем самым уменьшая его долговечность. Также в связи с тем, что магнитная пленка расположена в непосредственной близости от токопроводящей жилы, где высока напряженность электромагнитного поля, подлежащего экранированию, для такого экранирования требуется относительно большое количество ферромагнитного порошка, что увеличивает материалоемкость производства и, соответственно, стоимость готового провода и электротехнической продукции с его использованием.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение долговечности и снижение стоимости провода, экранированного слоем ферромагнитного материала.
Для решения поставленной технической задачи предлагается экранированный провод, включающий удлиненный проводник, изоляционный слой и экранирующий слой, окружающие удлиненный проводник, при этом экранирующий слой содержит ферромагнитный порошок и связующее из изоляционного материала. Новым является то, что изоляционный слой примыкает к удлиненному проводнику, а экранирующий слой примыкает к изоляционному слою.
За счет предлагаемого технического решения обеспечивается синергетический эффект по сравнению с прототипом:
- обеспечивается более высокая долговечность, т.к. исключен контакт ферромагнитного порошка экранирующего слоя и поверхности токопроводящей жилы, который мог бы вызывать разрушение удлиненного проводника за счет коррозии;
- обеспечивается более низкая себестоимость за счет снижения количества ферромагнитного порошка экранирующего слоя, т.к. этот слой более удален от токопроводящей жилы, а напряженность электромагнитного поля уменьшается пропорционально квадрату расстояния, другими словами требуется экранирование электромагнитного поля меньшей напряженностью.
Удлиненный проводник может иметь круглое или прямоугольное поперечное сечение.
Диаметр удлиненного проводника, имеющего круглое поперечное сечение, может составлять 0,02-2,5 мм, а размеры удлиненного проводника, имеющего прямоугольное поперечное сечение, могут составлять: высота 0,2-6,0 мм, ширина 2,12-12,5 мм.
Удлиненный проводник может быть выполнен из меди или алюминия.
В качестве ферромагнитного порошка экранирующего слоя лучше использовать мелкодисперсный ферромагнитный порошок.
Экранирующий слой может содержать ферромагнитный порошок и связующее при объемном соотношении 1:1±10%.
Изоляционный слой может быть выполнен из того же изоляционного материала, что и связующее экранирующего слоя.
В качестве связующего экранирующего слоя может использоваться электроизоляционный лак или эмаль. При этом изоляционный слой также может быть выполнен из электроизоляционного лака или эмали.
Экранированный провод по настоящему изобретению может использоваться в качестве обмоточного провода, в качестве жилы многожильного кабеля и т.п.
Далее предлагаемое изобретение будет пояснено более подробно на примерах с использованием чертежа, на котором показан вид в поперечном сечении экранированного электрического провода по настоящему изобретению.
Как показано на чертеже, экранированный провод по настоящему изобретению включает удлиненный проводник 3, изоляционный слой 2 и экранирующий слой 1. Изоляционный слой 2 окружает удлиненный проводник 3, непосредственно примыкая к нему. Экранирующий слой 1 окружает изоляционный слой 2, непосредственно примыкая к нему.
В качестве проводника 3 может использоваться токопроводящая жила из меди или алюминия. Лучше если в качестве проводника 3 используется проволока круглого поперечного сечения из мягкой отожженной меди марки ММ. Диаметр токопроводящей жилы круглого поперечного сечения предпочтительно выбирают в пределах 0,02-2,5 мм. Размеры жилы прямоугольного поперечного сечения предпочтительно выбирают в пределах a=0,2-6,0 мм, b=2,12-12,5 мм.
Изоляционный слой 2 может быть выполнен из любого подходящего электроизоляционного материала, в частности из полимерного материала. Предпочтительным является использование для изоляционного слоя 2 электроизоляционного лака, например на основе полиэфирных смол. Толщина изоляционного слоя 2 выбирается по обычной методике расчета для изолированных проводов.
Экранирующий слой 1 содержит ферромагнитный порошок, смешанный с любым подходящим связующим из изоляционного материала, для обеспечения нанесения на изоляционный слой и затвердевания на нем. Этот слой обеспечивает магнитное экранирование проводника за счет наличия ферромагнитного порошка, равномерно распределенного в связующем. Толщина экранирующего слоя 2 выбирается исходя из условия экранирования электромагнитного поля, наводимого удлиненным проводником 3, для исключения потерь в обмотках электрических машин или электротехнических устройств или в многожильных кабелях, связанных с взаимодействием электромагнитных полей соседних удлиненных проводников 3.
Здесь может использоваться ферромагнитный порошок из любого материала, обладающего ферромагнитными свойствами типа Fe, Co, Ni, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm. Лучше использовать мелкодисперсный порошок с размером частиц 0,5-25 мкм.
В качестве связующего могут использоваться любые подходящие изоляционные материалы, например полимеры, каучуки, неорганические вяжущие вещества и т.п., обеспечивающие возможность равномерного смешивания с ферромагнитным порошком, нанесения смеси на изоляционный слой 2 и затвердевания на нем.
Предпочтительно если объемное соотношение связующего и ферромагнитного порошка составляет 1:1±10%.
Связующее, смешанное с ферромагнитным порошком, может быть нанесено на изоляционный слой 2 удлиненного проводника 3 любым подходящим способом, например кистью, распылением, окунанием и пр.
Для изучения свойств экранированного провода по настоящему изобретению был проведен следующий эксперимент.
Были изготовлены два образца соленоидных катушек. Обмотка катушки первого образца была намотана обычным обмоточным проводом, а второго - экранированным проводом по настоящему изобретению, конструкция которого пояснена выше.
В качестве обычного обмоточного провода использовался медный обмоточный провод диаметром 0,12 мм с эмалевой изоляцией толщиной 8 мкм. В качестве экранированного провода использовался такой же медный обмоточный провод, на который сверху был нанесен экранирующий слой толщиной 5 мкм, состоящий из лака «Цапон» и порошка железа карбонильного (размер частиц до 1 мкм) при их объемном соотношении 1:1.
В качестве сердечника соленоидных катушек образцов использовался отрезок проволоки из стали марки Ст.2 диаметром 4 мм. Число витков в обоих образцах составляло 156.
С помощью прибора измерителя RLC E7-8 были получены следующие данные: индуктивность первого образца составила 71,6 мкГн, суммарное сопротивление составило 0,866 Ом; индуктивность второго образца составила 61 мкГн, суммарное сопротивление 0,802 Ом. Таким образом, индуктивность второго образца с экранированным проводом по настоящему изобретению была ниже на 25%, а суммарное сопротивление  ниже на 9% по сравнению с первым образцом с обычным обмоточным проводом. Как было определено далее, для достижения тех же показателей с использованием экранированного провода по конструкции в соответствии с прототипом (см. US4079192B выше), т.е. когда экранирующий слой непосредственно примыкал к медному проводу, а изоляционный слой окружал экранирующий слой, при прочих равных условиях, пришлось использовать толщину экранирующего слоя не менее 8 мкм.
В результате эксперимента было установлено, что после прохождения по экранированному проводнику электрического тока, благодаря свойству остаточной вязкости затвердевшего лака связующего, частицы ферромагнитного порошка в экранирующем слое выстраиваются по линиям электромагнитного поля, что несколько повышает экранирующие способности экранирующего слоя.
Экранированный провод по настоящему изобретению может быть применен в следующих устройствах: обмотках трансформаторов питания, магнитных пускателей, реле, электромоторов; катушках звуковых динамиков; кабелях для передачи электрических сигналов различных частотных диапазонов от постоянного тока до десятков ГГц; кабелях для передачи электрической энергии и т.п.
Следует понимать, что приведенные выше примеры использованы только для целей иллюстрации возможности осуществления настоящего изобретения и ряда его преимуществ, и эти примеры не ограничивают объем правовой охраны, представленный в формуле изобретения, при этом специалист в этой области относительно просто способен осуществить и другие варианты изобретения без отхода от сущности изобретения в рамках объема правовой охраны.