КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в мощных электромагнитных устройствах различного назначения, в частности, в силовых трансформаторах, дросселях с воздушным охлаждением.
Основными эксплуатационными требованиями, которые предъявляются к катушкам индуктивности в составе электромагнитных устройств и которые, главным образом, определяют надежность катушки индуктивности, являются ее нагревостойкость, электрическая и механическая прочность. Кроме этого, нагревостойкость определяет допустимую нагрузку катушки индуктивности. Перечисленные требования зависят от конструкции катушки индуктивности, от свойств, электрической прочности и нагревостойкости изоляции катушки.
Известно электромагнитное устройство, содержащее многовитковую обмотку в виде набора плоских элементов, изготовленных из листового проводникового материала одинаковой конфигурации, каждый из которых имеет разрез. Каждый виток обмотки образует два сложенных и соединенных вместе плоских элемента, при этом концевые участки каждого из элементов соединены посредством контактных площадок (RU 2040059, 20.07.1995 г.).
Недостатком этой конструкции является сложность изготовления и наличие многочисленных соединений единичных витков через контактные площадки в многовитковую обмотку катушки, что увеличивает активные потери (сопротивление потерь) и нагрев электромагнитного устройства за счет переходных сопротивлений.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является катушка индуктивности, включающая последовательные спиралеобразные витки металлической токопроводящей проволоки или ленты, которые выполнены из металла вентильной группы или из его сплава с изоляционным покрытием, сформированным путем микродутового оксидирования ее поверхности в ванне с электролитом, причем во время оксидирования проволоку или ленту последовательно наматывают на оправку, выполненную из диэлектрического материала (RU 2333561, 10.09.2008 г.).
Недостатком ближайшего аналога является сложность его изготовления, обусловленная совмещением двух процессов - процесса выполнения (формирования) витков катушки путем последовательной намотки металлической токопроводящей проволоки или ленты на оправку и процесса формирования изоляционного покрытия путем оксидирования поверхности проволоки или ленты в ванне с электролитом. Наряду с этим, поскольку оксидирование поверхности каждого витка катушки выполняется отдельно, по мере последовательного формирования (наматывания) каждого витка, то на оксидирование поверхности всех витков катушки индуктивности требуется достаточно большое количество времени, которое будет пропорционально увеличиваться с увеличением количества наматываемых витков.
Другим недостатком ближайшего аналога является сложность в обеспечении точности изготовления конструкции и, соответственно, обеспечении повторяемости заданных характеристик катушки индуктивности. Это связано с тем, что проволока или лента формируется в витки в то время, когда она погружена в электролит и, при этом, еще до формирования (намотки на оправку) витков на проволоке или ленте уже образовано изоляционное покрытие. Очевидно, что при таких особенностях процесса изготовления, сложно или даже невозможно контролировать параметры катушки индуктивности и, при их отклонении, корректировать их до заданных величин. Наряду с этим, трещины, образующиеся в наружном слое высокопрочного изоляционного покрытия в результате наматывания проволоки или ленты, способствуют возникновению структурной неоднородности и неравномерности изоляционного покрытия в местах изгиба, что, в свою очередь, снижает его электрическую прочность. Этот недостаток особенно опасен в случае расположения витков проволоки или ленты более чем в один слой, когда дополнительно возникают повышенные требования к межслойной изоляции.
Указанные недостатки катушки индуктивности - ближайшего аналога обуславливают низкую технологичность ее изготовления.
Недостатком ближайшего аналога является также то, что при расположении витков катушки индуктивности более чем в один слой, ухудшаются условия охлаждения нижних слоев витков. Это приводит к более сильному нагреву и, соответственно, к увеличению линейных размеров катушки индуктивности, в результате чего, изменяется ее индуктивность, которая пропорциональна линейным размерам катушки, и снижает электрическую прочность изоляции.
Все вышесказанное приводит к уменьшению вариабельности исполнения катушки индуктивности и сужению диапазона рабочих токов катушки индуктивности за счет уменьшения верхнего значения и, следовательно, к сужению области ее применения.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение технологичности изготовления катушки индуктивности, обеспечение точности заданных параметров катушки индуктивности, повышение электрической прочности катушки индуктивности, а также снижение массогабаритных показателей при обеспечении заданной электрической прочности, расширение области применения за счет повышения вариабельности исполнения катушки индуктивности и расширения диапазона рабочих токов в сторону их увеличения.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемой катушке индуктивности, содержащей последовательно соединенные спиралеобразные токопроводящие витки и изоляционное покрытие, все витки выполнены пластинчатой формы в один слой и образуют одну цельную деталь, выполненную по бесшовной технологии, а изоляционное покрытие выполнено в виде массива, сформированного одновременно на всей поверхности вышеупомянутой цельной детали.
В предлагаемой катушке индуктивности цельная деталь, образованная витками пластинчатой формы, может быть выполнена по бесшовной технологии из одного цельного куска металла или его сплава.
В предлагаемой катушке индуктивности цельная деталь, образованная витками пластинчатой формы, может быть выполнена из отдельных пластин, соединенных по бесшовной технологии, преимущественно, холодной сваркой.
В предлагаемой катушке индуктивности массив изоляционного покрытия, сформированный на поверхности вышеупомянутой цельной детали, может заполнять все межвитковое пространство.
В заявляемой катушке индуктивности все витки выполнены в один слой и образуют одну цельную деталь, выполненную по бесшовной технологии, а изоляционное покрытие сформировано одновременно на всей поверхности вышеупомянутой цельной детали. То есть, изоляционное покрытие нанесено на поверхность витков не последовательно, по мере формирования витков, а одновременно на все витки, после того, как они все уже сформированы и образуют одну цельную деталь. Такое выполнение конструкции катушки индуктивности обуславливает разделение процесса ее изготовления на две отдельные, выполняемые последовательно, операции, - операцию формирования совокупности витков катушки индуктивности в виде цельной детали и операцию нанесения на поверхность витков изоляционного покрытия. Это упрощает процесс изготовления катушки индуктивности, а также, позволяет обеспечить большую степень точности и повторяемости заданных характеристик, поскольку становится возможным выполнять операционный и межоперационный контроль техпроцесса (контролировать и, при необходимости, корректировать параметры катушки индуктивности на отдельной операции и/или между операциями). А благодаря большей степени точности выполнения и повторяемости заданных характеристик витков катушки индуктивности становится возможным выполнить изоляционное покрытие, в том числе, в межвитковом пространстве, более качественным - равномерным и однородным по структуре.
Также, благодаря такому выполнению конструкции катушки индуктивности сокращается время формирования изоляционного покрытия на поверхности ее витков, поскольку нанесению покрытия подвергаются одновременно все витки, в виде цельной детали, которую они образуют.
Все вышесказанное обуславливает более высокую технологичность изготовления предлагаемой катушки индуктивности, а более качественная структура изоляционного покрытия повышает, в свою очередь, его электрическую прочность.
Благодаря тому, что все витки выполнены пластинчатой формы в один слой, выделяемое тепло свободно переносится от центра электромагнитного устройства к его периферии (подобно конвекции радиатора). То есть, улучшается охлаждение поверхности витков, что предотвращает чрезмерный нагрев катушки, и, соответственно, повышает электрическую прочность изоляционного покрытия. Наряду с этим, такое выполнение обеспечивает снижение массогабаритных параметров катушки индуктивности, которое не связано с уменьшением толщины слоя изоляционного покрытия. Соответственно, расход материалов, необходимых для формирования изоляционного покрытия, уменьшается при обеспечении заданной электрической прочности изоляционного покрытия и катушки индуктивности в целом.
За счет того, что все витки катушки индуктивности выполнены в один слой и образуют одну цельную деталь, выполненную по бесшовной технологии, обеспечивается также более высокая жесткость конструкции.
Благодаря тому, что катушка индуктивности выполнена по бесшовной технологии в виде цельной детали, образованной витками пластинчатой формы, становится возможным обеспечить вариабельность ее исполнения в отношении вида соединения пластинчатых витков в цельную деталь. При этом вне зависимости от вида перехода витков друг в друга, исключаются активные потери (сопротивление потерь) в местах перехода одного витка к другому благодаря отсутствию контактных швов между витками. Также становится возможным обеспечить вариабельность исполнения катушки индуктивности в отношении параметров сечения пластинчатых витков, что обеспечивает расширение диапазона рабочих токов в сторону их увеличения и, следовательно, расширение области применения катушки индуктивности.
Таким образом, представленная совокупность существенных признаков, характеризующих катушку индуктивности, обеспечивает повышение технологичности изготовления катушки индуктивности, точность заданных параметров катушки индуктивности, повышение электрической прочности изоляционного покрытия и, следовательно, электрической прочности катушки индуктивности вцелом, а также снижение массогабаритных показателей при обеспечении заданной электрической прочности, расширение области применения за счет повышения вариабельности исполнения катушки индуктивности и расширения диапазона рабочих токов в сторону их увеличения.
Выполнение катушки индуктивности в виде цельной детали, выполненной из одного цельного куска металла позволяет обеспечить расширение диапазона рабочих токов в сторону повышенных значений и вариабельность исполнения за счет обеспечения возможности плавного регулирования ширины шага обмотки, например, при ее нарезке.
Выполнение катушки индуктивности в виде цельной детали, выполненной из отдельных пластин, соединенных по бесшовной технологии, преимущественно, холодной сваркой способствует расширению диапазона рабочих токов при небольших значениях токов и вариабельности исполнения за счет обеспечения возможности изготовления катушки из более тонких, чем при нарезке, пластин.
Выполнение массива изоляционного покрытия, сформированного на поверхности вышеупомянутой цельной детали так, что он заполняет все межвитковое пространство, способствует повышению жесткости конструкции и механической надежности.
На фиг.1 изображен общий вид катушки индуктивности в варианте выполнения, когда массив изоляционного покрытия, сформированный на поверхности цельной детали, заполняет все межвитковое пространство. На фиг.2 изображен вид А фиг.1 в варианте выполнения, когда массив изоляционного покрытия, сформированный на поверхности цельной детали, заполняет все межвитковое пространство. На фиг.3 изображен общий вид цельной детали, образованной витками пластинчатой формы без изоляционного покрытия. На фиг.4 изображен вид В фиг.3.
Катушка индуктивности 1 (фиг.1) содержит последовательно соединенные спиралеобразные токопроводящие витки 2 (фиг.2, 3, 4), которые выполнены пластинчатой формы в один слой и образуют одну цельную деталь 3 (фиг.3), выполненную по бесшовной технологии. Поверхность витков 2 имеет изоляционное покрытие 4 (фиг.2), которое выполнено в виде массива, сформированного одновременно на всей поверхности цельной детали 3.
Цельная деталь 3 может быть выполнена из одного цельного куска металла.
Витки 2 пластинчатой формы могут образовывать одну цельную деталь 3 из отдельных пластин, соединенных по бесшовной технологии, преимущественно, холодной сваркой.
Массив изоляционного покрытия 4, сформированный на поверхности цельной детали 3, может заполнять все межвитковое пространство (фиг.3) цельной детали 3.
Предлагаемая катушка индуктивности 1 может быть изготовлена следующим образом.
В зависимости от расчетного значения электрического тока в катушке индуктивности 1 и габаритных размеров магнитопровода электромагнитного устройства, в котором будет использоваться катушка, определяют необходимые линейные размеры катушки индуктивности, в том числе параметры сечения токопроводящих витков 2 - толщину h и ширину b (фиг.4), а также необходимое количество токопроводящих витков 2. В случае, когда толщина h витка 2 меньше 5 мм, витки 2 катушки индуктивности 1 могут быть изготовлены из листового металла, в виде отдельных пластин. Отдельные пластины витков 2 соединяют в одну цельную деталь 3 по технологии, обеспечивающей бесшовную поверхность цельной детали 3 (бесшовной технологии), преимущественно, холодной сваркой (на фиг. не показано).
В случае, когда толщина h витка 2 больше 5 мм, витки 2 катушки индуктивности 1 могут быть получены вырезанием винтовой прорези в металлическом профиле с поперечным сечением, размеры и форма которого соответствуют требуемым размерам и форме поперечного сечения катушки индуктивности 1. Для обеспечения необходимой толщины h сечения витков 2 задается шаг резания. При этом толщина h сечения витков 2 может быть выполнена переменной величины (изменяющейся в направлении оси катушки индуктивности 1, от витка к витку), для чего задается соответствующий переменный шаг резания.
Перед выполнением процесса формирования массива изоляционного покрытия 4 выполненные и последовательно соединенные пластинчатые спиралеобразные витки 2 предварительно прижимают друг к другу для того, чтобы обеспечить между витками 2 минимальный зазор, достаточный для формирования на поверхностях двух соседних (смежных) витков 2 изоляционного покрытия 4 требуемой толщины. Например, для формирования изоляционного покрытия 4 толщиной 50-100 мкм достаточным будет зазор между витками 2, равный 500 мкм.
Одновременно на всей поверхности цельной детали 3, образованной последовательно соединенными пластинчатыми витками 2, формируют изоляционное покрытие 4 в виде массива, например, способами литья, полимеризации или лакирования. Для этого могут быть использованы, соответственно, компаунды, полимерные материалы или кремнийорганические лаки, обеспечивающие требуемый класс нагревостойкости и диэлектрические свойства изоляционного покрытия 4.
В случае если витки 2 катушки индуктивности 1 выполнены из металлов вентильной группы (алюминий, титан, магний, тантал, ниобий, цирконий, бериллий) или из их сплавов, массив изоляционного покрытия 4 на поверхности витков 2 может быть сформирован способом микродугового оксидирования. Для этого все последовательно соединенные пластинчатые витки 2 в виде одной цельной детали 3, которую они образуют, помещают в гальваническую ванну с электролитом. При этом начальный или конечный (или оба сразу) виток 2 цельной детали 3 подключают к одному полюсу источника питания, а ванну подключают к другому полюсу источника питания. Выполняют микродуговое оксидирование металлической поверхности цельной детали 3 известным способом, при этом оксидные слои образуются на поверхности всех витков 2 одновременно, то есть одновременно на всей поверхности цельной детали 3, формируя, таким образом, массив изоляционного покрытия 4 цельной детали 3. При этом обеспечивается монолитность, равномерность и однородность структуры изоляционного покрытия 4, а время, затрачиваемое на формирование изоляционного покрытия 4, не зависит от количества витков 2, содержащихся в катушке индуктивности 1.
Пример.
2
2
Для изготовления катушки индуктивности 1, имеющей 100 спиралеобразных витков 2 с площадью сечения каждого витка 2, равной 20 мм, используют пластины алюминия толщиной h, равной 1 мм, из которых изготавливают витки 2 требуемой формы и с шириной поперечного сечения 20 мм. Витки 2 последовательно соединяют друг с другом холодной сваркой в одну цельную деталь 3 и на ее поверхности формируют, например, способом микродугового оксидирования, изоляционное покрытие 4 толщиной 20 мкм, которое обеспечивает требуемую электрическую прочность. Полученная катушка индуктивности 1 имеет один слой витков 2 и длину близкую к 100 мм (с учетом изолирующего покрытия толщиной 20 мкм). Рабочая плотность тока, пропускаемого через сечение витка 2 полученной катушки 1, увеличена и может составлять до 2,5 А/ мм.
2
Аналогичная катушка индуктивности, имеющая 1 слой из 100 спиралеобразных витков алюминиевой проволоки с прямоугольным сечением 4 мм × 5 мм (площадью 20 мм) и с изоляционным покрытием толщиной 20 мкм, которое сформировано микродуговым оксидированием алюминиевой проволоки при ее последовательном наматывании на оправку, имеет длину близкую к 400 мм.
2
Для получения же катушки индуктивности длиной, близкой к 100 мм, потребуется намотка витков в 4 слоя и дополнительное утолщение изоляционного покрытия между слоями до 100 мкм. При этом, для каждого последующего слоя расход проволоки будет возрастать на 10% от массы предыдущего слоя. Рабочая плотность тока, пропускаемого через сечение витка 2 такой катушки, может составлять до 2,0 А/ мм.
Таким образом, конструкция предлагаемой катушки индуктивности позволяет значительно уменьшить массогабаритные параметры и расход материалов для формирования изоляционного покрытия, обеспечив, при этом, заданную электрическую прочность изоляционного покрытия и катушки индуктивности в целом.