КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ
INDUCTANCE COIL

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в катушках индуктивности или обмотках трансформаторов, наиболее актуально в высоковольтных.
Известные варианты выполнения катушек индуктивности без межслойной изоляции характерны делением катушки на секции с целью снижения напряжений: между соприкасающимися витками до величин, не превышающих напряжение пробоя изоляции провода, и между секциями до величин, не превышающих напряжение пробоя межсекционной изоляции. Разделение катушки на секции производится изоляционными перегородками из твердого диэлектрика в виде ребер каркаса или шайб, содержащих прорези для обеспечения перехода провода из секции в секцию. По такому принципу выполнены высоковольтные катушки, например, высоковольтного трансформатора (патент РФ №2030004), а также серийно выпускаемых катушек зажигания КГМЯ.675871.001 и КЛЯЮ.675875.002.
Известна катушка индукционная высоковольтного импульсного трансформатора (патент РФ 2184402), выбранная за прототип, содержащая изоляционный цилиндрический каркас, секции обмотки, последовательно соединенные между собой и отделенные друг от друга изоляционными перегородками, в каждой из которых имеется прорезь для перемещения наматываемого провода из одной секции в другую, за исключением начала первой секции обмотки и конца последней секции обмотки. Недостатком этой конструкции является то, что в процессе изготовления необходимо изменять шаг намотки и снижать скорость намотки в моменты перемещения наматываемого провода через прорези в перегородках из одной секции в другую. При этом для сохранения приемлемого для серийного производства времени намотки катушки количество секций не превышает 5-10 (например, в серийно выпускаемой катушке зажигания КЛЯЮ.675875.002 высоковольтная катушка импульсного трансформатора содержит 9 секций). Вследствие этого напряжение между соседними секциями доходит до 10-20% от общего напряжения катушки, что, в свою очередь, ужесточает требования к электрической прочности межсекционной изоляции, снижает надежность катушки индуктивности и удорожает ее изготовление.
Кроме того, в случае провала витков в секции с верхних уровней на нижние, напряжение между соседними витками может стать больше пробивного напряжения изоляции провода, что также снижает надежность катушки индуктивности.
Технической задачей изобретения является повышение надежности, снижение габаритов, массы и времени намотки катушки индуктивности.
Для реализации технической задачи разработана катушка индуктивности, содержащая изоляционный каркас с центральной осью, разделенный изоляционными перегородками на секции, обмотку из провода в изоляции, переходящего из секции в секцию, причем высота укладки провода в секции равна высоте перегородки плюс один диаметр провода в изоляции, переход провода из секции в секцию осуществляется его намоткой по перегородке между этими секциями, при этом число витков в одной секции выбрано таким, чтобы напряжение между любыми двумя витками в одной секции не превышало допустимого пробивного напряжения изоляции провода, а шаг намотки витков постоянный по всей длине обмотки.
На фиг.1 приведена конструкция катушки индуктивности.
На фиг.2 приведен пример укладки витков в секции поочередно в направлении и против направления укладки обмотки с порядковой нумерацией витков и переход провода в следующую секцию.
Катушка индуктивности содержит обмотку 1 из провода в изоляции, размещенную на электроизоляционном каркасе 2 с центральной осью 3, содержащем секции 4 с перегородками 5 между ними, причем высота укладки провода в секции 4 равна высоте изолирующей перегородки 5 плюс один диаметр провода в изоляции, что без дополнительных переходов обеспечивает продолжение намотки этого же слоя поверх перегородки 5 до следующей секции. Последний виток 6 предыдущей секции размещен на краю перегородки 5, разделяющей соседние секции 4, так что при продолжении намотки следующий виток 7 должен наматываться уже за пределами перегородки 5, вследствие чего он сваливается в следующую секцию 4, являясь ее первым витком. Витки в пределах секции 4 могут быть расположены слоями 8, 9, что позволяет получить максимальную плотность укладки и обеспечить минимальные габариты. При этом укладка наиболее удаленного от оси 3 слоя 9 выполнена в направлении укладки обмотки 1, что обеспечивает естественный переход провода по перегородке 5 в следующую секцию 4. При заданном напряжении между концами обмотки Uобм и максимально допустимом напряжении между любыми двумя соприкасающимися витками Umax, не превышающем пробивное напряжение изоляции провода, число секций N определяется из условия
N≥Uобм/Umax.
Катушка индуктивности, например, в составе высоковольтного трансформатора в качестве вторичной обмотки работает следующим образом. При подаче тока в первичную обмотку трансформатора между концами вторичной обмотки 1 индуцируется напряжение Uобм, пропорциональное числу витков вторичной обмотки 1 и скорости изменения магнитного потока dФ/dt, которая пропорциональна скорости изменения тока в первичной обмотке и максимальна в момент прекращения тока при размыкании цепи первичной обмотки, с этого момента формируется импульс с наибольшим напряжением Uобм. При самостоятельном использовании катушки индуктивности в качестве дросселя она сглаживает ток в цепи, в которую она включена.
Выбор числа витков в одной секции осуществляется таким образом, чтобы напряжение на секции не превышало напряжения пробоя изоляции провода, что исключает межвитковый пробой и повышает надежность предлагаемой катушки индуктивности. При этом в предлагаемой катушке напряжение между крайними витками одноименных слоев соседних секций также не превышает напряжения пробоя изоляции провода, что повышает надежность и снижает требования к электрической прочности изолирующих перегородок 5, позволяя свести габариты катушки к минимуму за счет минимально возможной толщины изолирующих перегородок 5 между секциями 4. Кроме того, в процессе изготовления не требуется снижение скорости намотки при перемещении провода из одной секции в другую, что сокращает время намотки катушки.
Предложенная конструкция отличается высокой плотностью укладки витков за счет минимально возможной толщины изолирующих перегородок, что также уменьшает габариты и массу катушки, и технически реализуема на современном технологическом оборудовании.
Так, в рамках ОКР “Плазма”, выполняемой по Госконтракту, были изготовлены образцы высоковольтных преобразователей, в которых вторичная обмотка высоковольтного трансформатора имеет описанную конструкцию. Она выполнена на намоточном станке FW022, содержит 2691 виток провода в изоляции с диаметром 65 мкм, уложенный в 39 секций по 69 витков в секции. Напряжение, снимаемое с обмотки, Uобм=27 кВ, при этом на одном витке развивается напряжение 10,04 В, а максимальное напряжение между двумя соприкасающимися витками Umax≤693 В, что не превышает минимального пробивного напряжения изоляции провода. Время намотки не менее чем на 20% меньше времени намотки 9-секционной катушки с таким же числом витков.
2
2
Испытания высоковольтного преобразователя проведены в диапазоне температур от минус 45°C до плюс 90°C циклически, на ударную нагрузку 150 м/с в количестве 3000 ударов, на вибрацию в течение 2,5 часов на частотах от 50 до 250 Гц при максимальном ускорении 100 м/с. Отказов катушки индуктивности не зафиксировано, что также подтверждает достижение высокой надежности.