ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ТОРОИДАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ

Полезная модель относится к электротехнике и электронике и может быть использована при конструировании и производстве вторичных источников питания и полупроводниковых преобразовательных устройств с электромагнитными элементами тороидальной конструкции (трансформаторами и дросселями) и повышенными требованиями к допустимым уровням излучаемых радиопомех.
Поля рассеяния силовых электромагнитных элементов (трансформаторов, дросселей) оказывают паразитное влияние своими кондуктивными наводками на печатные проводники и компоненты электронных схем преобразовательных устройств, что приводит к ложному срабатыванию электронных элементов и повышению кондуктивных электромагнитных помех на входных и выходных цепях преобразователей. Как правило, электромагнитные помехи, создаваемые электромагнитными элементами, являются определяющими в общем уровне радиопомех от преобразовательных устройств.
Известно [1. Шкоркин В.В. Снижение помехоэмиссии силовых дросселей тороидальной конструкции / В.В. Шкоркин, Ю.М. Казанцев. - Изв. ТПУ. - 2010. - Т. 316, №4. - С. 107-110.], что угловое распределение напряженности внешнего магнитного поля силовых электромагнитных элементов тороидальной конструкции, например дросселей, в азимутальной плоскости имеет форму «восьмерки», которое в несколько раз превышает собственные геометрические размеры электромагнитных элементов. Минимальные и максимальные значения напряженности поля отличаются друг от друга примерно на 40 дБ. Для обеспечения устойчивой работы преобразователя и снижения уровня кондуктивных помех на входных и выходных цепях преобразователей необходимо учитывать направление максимумов напряженности внешнего магнитного поля с целью уменьшения их влияния на восприимчивые элементы схемы преобразователей, а также на входные и выходные цепи, уровень кондуктивных помех которых ограничен техническими требованиями. Особенно остро этот вопрос стоит при настройке полупроводниковых преобразовательных устройств с высокой плотностью монтажа элементов при промышленном производстве.
Из уровня техники известно техническое решение позволяющее уменьшить электромагнитные помехи в тороидальных магнитных устройствах [1. рис. 7]. В этом устройстве для уменьшения поля рассеяния электромагнитного элемента (дросселя) его обмотки уложены равномерно по всему тороидальному сердечнику магнитопровода. Из рисунка 7 [1] видно, что наименьшей напряженностью поля рассеяния обладает дроссель с равномерным распределением витков по периметру. Однако, как показали экспериментальные исследования авторов заявляемой полезной модели, азимутальное расположение максимумов поля рассеяния относительно выводов обмоток электромагнитного элемента в этом случае носит случайный характер, поскольку практически невозможно изготовить электромагнитный элемент с идеальной равномерной намоткой. При этом малейшее (случайное) отклонение намотки от равномерной приводит к появлению внешнего магнитного поля со случайным распределением напряженности магнитного поля в азимутальной плоскости. Из уровня техники также известно, что для снижения напряженности внешнего магнитного поля от силового электромагнитного элемента применяют экранирование. Экраны применяются как для отдельных элементов, функциональных узлов, блоков аппаратуры, так и для радиоэлектронных устройств в целом [2. Князев А.Д., Кечиев Л.Н., Петров Б.В. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. М.: Радио и связь, 1989. 39 с]
К недостаткам экранирования можно отнести то, что экран невозможно рассчитать теоретически и единственным способом нахождения его рациональной конструкции является эксперимент.Кроме того, использование экрана затрудняет теплоотвод и увеличивает массогабаритные показатели радиоэлектронной аппаратуры.
Из уровня техники [3. патент РФ на полезную модель №66598. МПК H01F 27/04, опубл. 10.09.2007. Бюл. №25] известна конструкция установки выводов тороидального дросселя для работы в преобразовательной технике. Эта конструкция [3] обеспечивает минимальное внешнее магнитное поле рассеивания и взята за прототип к заявляемой полезной модели. В известной конструкции [3] обмотка дросселя намотана и распределена равномерно по всему сердечнику магнитопрвода. Выводы обмотки тороидального электромагнитного элемента (дросселя) выполнены внутри тороида и радиально направлены к геометрическому центру сердечника тороидального магнитопровода, что обеспечивает снижение электромагнитных полей рассеяния на 6-10 дБ [3]. Однако, при этом азимутальное расположение максимумов внешнего магнитного поля рассеяния также носит случайный характер, как и в [1]. Известно, что для обеспечения устойчивой работы преобразователя и снижения уровня кондуктивных помех на входных и выходных цепях преобразователей необходимо так размещать силовой электромагнитный элемент в конструкции, чтобы максимумы напряженности магнитного поля не были направлены на восприимчивые элементы схемы преобразователей, а также на входные и выходные цепи. Однако при случайном азимутальном расположении внешнего магнитного поля это трудно обеспечить, поскольку каждый электромагнитный элемент будет иметь свое азимутальное расположение внешнего магнитного поля. Определение азимутального расположения внешнего магнитного поля каждого электромагнитного элемента и сведение его влияния к минимуму является важным этапом настройки полупроводниковых преобразователей, и усложняет их настройку, поскольку требует дополнительного времени на ее осуществление, что особенно важно при промышленном производстве.
Задачей предлагаемой полезной модели является упрощение настройки полупроводниковых преобразователей, содержащих электромагнитные элементы тороидальной конструкции, при их промышленном производстве без увеличения массогабаритных показателей радиоэлектронной аппаратуры.
Техническим результатом полезной модели является создание электромагнитного элемента тороидальной конструкции с заранее заданным расположением минимумов и максимумов напряженности внешнего магнитного поля в азимутальной плоскости.
Технический результат достигается следующим образом. Обмотка электромагнитного элемента тороидальной конструкции намотана на магнитопроводе и распределена на нем равномерно. В отличие от прототипа обмотка выполнена с двумя неоднородностями, расположенными друг против друга. При этом каждая из неоднородностей выполнена в виде пропуска нескольких витков обмотки по внутренней стороне магнитопровода.
В частном случае каждая из неоднородностей выполнена в виде пропуска двух или трех витков обмотки по внутренней стороне магнитопровода.
В частом случае для электромагнитного элемента дросселя одна из неоднородностей выполнена между началом и концом обмотки.
В частном случае первая неоднородность для электромагнитного элемента трансформатора создана для первичной обмотки, а вторая неоднородность - для вторичной обмотки.
В частом случае для электромагнитного элемента трансформатора обе неоднородности выполнены между началом и концом соответственно первичной и вторичной обмоток.
Техническая суть заявляемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 показан электромагнитный элемент дроссель с двумя неоднородностями обмотки, расположенными друг против друга и выполненными в виде пропуска трех витков, при этом одна из неоднородностей расположена между выводами обмотки.
На фиг. 2 показан электромагнитный элемент трансформатор с двумя неоднородностями обмоток, расположенными друг против друга и выполненными в виде пропуска трех витков, при этом первая неоднородность расположена между выводами первичной обмотки, а вторая неоднородность - между выводами вторичной обмотки.
На фиг. 3 показано экспериментально полученные авторами угловые распределения внешних магнитных полей электромагнитных элементов трансформаторов (или дросселей) в азимутальной плоскости, при равномерной намотке обмотки без неоднородностей.
На фиг. 4 показано экспериментально полученные авторами угловые распределения внешних магнитных полей электромагнитных элементов трансформаторов (или дросселей) в азимутальной плоскости, с двумя неоднородностями.
Электромагнитный элемент дроссель, представленный на фигуре 1, состоит из магнитопровода 1, на который намотана обмотка 2, между выводами которой создана первая неоднородность 3 в виде пропуска трех витков. Выполнение неоднородностей в виде пропуска одного витка может оказаться недостаточным для точного фиксирования азимутального положения внешнего магнитного поля, а пропуск более трех витков уменьшает эффективность использования магнитопровода. Вторая неоднородность 4 размещена напротив первой неоднородности 3 и выполнена также в виде пропуска трех витков. Между неоднородностями 3 и 4 обмотка 2 намотана равномерно на магнитопроводе 1. Первая неоднородность 3 совмещена с 0° в азимутальной плоскости, а вторая неоднородность 4 совмещена со 180° в азимутальной плоскости.
Электромагнитный элемент трансформатор, представленный на фиг.2, состоит из магнитопровода 1, на который намотана первичная обмотка 5, между выводами которой создана первая неоднородность 6 в виде пропуска трех витков. Вторая неоднородность 7 размещена между выводами вторичной обмотки 8, напротив первой неоднородности 6 и выполнена также в виде пропуска трех витков. Между неоднородностями 6 и 7 первичная обмотка 5 и вторичная обмотка 8 намотаны равномерно на магнитопроводе 1. Первая неоднородность 6 совмещена с 0° в азимутальной плоскости, а вторая неоднородность 7 совмещена со 180°.
На фиг. 3 позициями 9, 10 и 11 показаны полученные экспериментально угловые распределения внешних магнитных полей трех электромагнитных элементов дросселей в азимутальной плоскости, при этом обмотки дросселей выполнены с одинаковым количеством витков и равномерным распределением, без неоднородностей. Как видно из фиг. 3 угловые распределения внешних магнитных полей 9, 10 и 11 соответственно для первого, второго и третьего дросселя носят случайный характер, т.е. занимают произвольное положение 9, 10, 11 в азимутальной плоскости.
На фиг. 4 позициями 9, 10 и 11 показаны полученные экспериментально угловые распределения внешних магнитных полей трех электромагнитных элементов дросселей в азимутальной плоскости, при этом обмотки дросселей выполнены с неоднородностями. При этом витки между неоднородностями распределены равномерно. Как видно из фиг. 4 угловые распределения внешних магнитных полей 9, 10, 11 соответственно для первого, второго и третьего дросселей занимают заранее заданное положение в азимутальной плоскости и практически сливаются. В этом случае минимумы напряженности внешнего магнитного поля расположены в 0° и 180° азимутальной плоскости, а максимумы в 90° и 270°, и соответствуют расположениям неоднородностей обмоток. Аналогичные угловые распределения внешних магнитных полей наблюдаются и для электромагнитного элемента трансформатора.
При расположении электромагнитного элемента (дросселя или трансформатора) на печатной плате его внешнее электромагнитное поле влияет на восприимчивые элементы. Если обмотки электромагнитного элемента выполнены без неоднородностей, то положение максимумов и минимумов внешнего магнитного поля носит случайный характер, например, как показано на фиг. 3 позиции 9, 10, 11. При настройке полупроводниковых преобразователей содержащих такие электромагнитные элементы, необходимо минимизировать влияние их внешнего магнитного поля на чувствительные элементы схемы, входные и выходные цепи, например путем экранирования, «загрубления» чувствительных элементов или изменением их взаимного положения на печатной плате. Все это требует больших затрат времени, высокой квалификации персонала, что в целом усложняет настройку полупроводниковых преобразователей. При заранее известном азимутальном расположении внешнего магнитного поля фиг. 4, которое обеспечивается введением неоднородностей в обмотках, чувствительные элементы схемы можно заранее уже на этапе конструирования расположить на печатной плате в области минимумов внешнего магнитного поля. Это обеспечивает снижение влияния этого поля на чувствительные элементы без применения экранирования, а значит и без увеличения массогабаритных показателей радиоэлектронной аппаратуры, а также упрощает настройку при промышленном производстве, поскольку области минимумов и максимумов жестко связаны с неоднородностями обмоток электромагнитного элемента.