КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ

Заявляемое технические решение относятся к электротехнике и может быть использовано в электронных устройствах различного назначения, в частности в реакторах синусных фильтров с воздушным охлаждением, для ограничения крутизны импульсов напряжения и для устранения дополнительных шумов, зависящих от частоты импульсов.
На данный момент, в мире, подавляющую часть потребления электрической энергии приходится на асинхронные электродвигатели. В большинстве случаев возникает необходимость регулировать частоты вращения, что связано с технологическими особенностями их работы, такими как изменение режимов работы, снижение энергопотребления, которые реализуются посредством специальных устройств, таких как, станции управления, преобразователи частоты и др.
Упомянутые устройства могут оказывать негативное воздействие на двигатель. Это связано с тем, что выходное напряжение и ток имеют искаженную форму синусоиды. В таком виде искаженный ток поступает на обмотки двигателя, что приводит к быстрому износу и сокращению межремонтных сроков.
Для уменьшения отрицательного воздействия, станции управления электродвигателями оборудуют синусными фильтрами. В большинстве случаев подобные синусные фильтры, представлены в виде катушек индуктивности, соединенных с накопительными элементами, которые образуют LC-цепочку, обеспечивая сглаживание синусоиды тока, и подавление высоких частот.
Катушка индуктивности может быть обернута вокруг сердечника из феромагнитного материала, то есть железного сердечника, или может быть выполнена, в виде полого цилиндра, без магнитного сердечника внутри. Последняя группа изделий известна как катушки индуктивности с воздушным сердечником.
Такие катушки индуктивности кроме применения в конструкции синусных фильтров, также, могут используются в различных электронных устройствах, например, в качестве шунтирующих реакторов для компенсации емкостной реактивной мощности, создаваемой длинными линиями электропередач, в качестве нейтральных заземляющих реакторов, для ограничения тока заземленной сети или для ограничения токов короткого замыкания.
Обмотка реактора с воздушным сердечником, используемая в высоковольтных и сильноточных электронных устройствах, подвержена нагреву и выделяет значительное количество тепла. Поэтому для снижения температуры катушки индуктивности, необходимо соответствующее охлаждение, чтобы минимизировать потери и избежать термического износа изоляционного материала.
Охлаждение катушек индуктивности с воздушным сердечником может быть реализовано путем изоляции катушки реактора в охлаждающей жидкости или путем пропускания воздуха через обмотки катушки.
Катушки с воздушным охлаждением, также известны как реакторы сухого типа. В известных катушках с воздушным сердечником сухого типа, естественная конвекция используется для обеспечения необходимой теплопередачи.
Из патента US 8049587 B2 от 06.11.2006, МПК H01F 27/02 патентообладателем которого является (Abb Research Ltd) известна система охлаждения катушки индуктивности с сухим воздушным сердечником. Катушка содержит обмотку вокруг воздушного сердечника, которая разделена на пакеты, причем воздушный сердечник содержит первые воздушные каналы внутри обмоток пакетов для пропускания воздуха параллельно оси симметрии реактора и вторые воздушные каналы, пересекающие первые с обеспечением пропуска воздуха между обмотками, под углом по отношению к оси симметрии. Также система охлаждения содержит, вентиляционный блок, создающий поток принудительного воздуха, часть которого поступает в один из описанных воздушных каналов посредством, по меньшей мере, одного направляющего элемента.
К недостаткам данной конструкции можно отнести устройство сложного корпуса с направляющими элементами, что, тем не менее, не обеспечивает оптимальной направленности воздушного потока для охлаждения обмотки катушки.
Так же из патента на полезную модель RU 111712 U1 от 20.12.2011, МПК Н02М 1/12 патентообладателем которого является ОАО «Ижевский радиозавод», известна катушка индуктивности, которая включает обмотку из ленточного проводника и ленточного изолятора между витками проводника, закрепленную в крепежных и крепежно-установочных рамках. Чередующиеся крепежные и крепежно-установочные рамки расположены радиально и содержат вкладыши, разделяющие пакеты из N (N≥1) витков обмотки. Начало и конец ленточного проводника соединены с входным и выходным контактами соответственно посредством болтов. В качестве крепежных элементов крепежно-установочных рамок использованы уголки.
К недостаткам описанного в патенте устройства можно отнести применение ленточного проводника, что увеличивает материалоемкость, и соответственно себестоимость изделия, а также плотность намотки и отсутствие каких либо направляющих элементов для воздушного охлаждения, что может повлиять на теплопроводимость и эффективность охлаждения.
Из патента на изобретение US 4538131 A от 27.01.1983, МПК H01F 30/08, патентообладателем которого является (ВВС BROWN BOVERI & CIE) катушка индуктивности, которая выполнена с возможностью воздушного охлаждения, и включает, соленоид с по меньшей мере, одной обмоткой, содержащей множество витков проволочного проводника. Упомянутая катушка имеет внутреннее и внешнее цилиндрическое пространство. Содержит множество проходящих в осевом направлении изоляционных полос, расположенных вокруг, указанной обмотки. Каждая полоска включает в себя множество изогнутых секций, которые установлены между смежными витками, образуя воздушные зазоры. Указанные полоски обеспечивают прохождение радиального и продольного воздушного потока через указанные воздушные зазоры. Средство для создания осевого воздушного потока, которое содержит экран, ограничивающий поток воздуха через центр катушки. Жесткость описанной конструкции обеспечивается посредством предварительного осевого напряжения упомянутой, по меньшей мере, одной обмотки.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести многодетальность конструкции, что может усложнить ее изготовление, так же недостаточная направленность потока воздуха, может привести к снижению теплообмена. Также пропуск потока в осевом направлении и отсутствие внешней ограничивающей поверхности снижают плотность потока воздуха, что снижает эффективность обдува обмоток соленоида.
Указанное в приведенном патенте техническое решение, принимаем за ближайший аналог.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель является, создание катушки индуктивности упрощенной конструкции, с высокой перегрузочной способностью, в том числе, в аварийных режимах и возможностью эффективного охлаждения.
Технический результат, достигнутый от реализации, заявляемой полезной модели заключается, в упрощении конструкции катушки индуктивности, увеличении ее перегрузочной способности, в том числе, в аварийных режимах. Также в повышении эффективности охлаждения, за счет применения аэродинамических поверхностей, образованных полимерными кожухами, обеспечивающими повышение плотности и направленность потока охлаждающего воздуха у поверхности соленоида, что увеличивает коэффициент теплоотдачи и позволяет повысить индуктивность катушки, уменьшив сечение проводника, снизив, таким образом, габаритные размеры, себестоимость изделия.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что соленоид катушки индуктивности помещен между полимерными кожухами, которые образуют с ним единую жесткую конструкцию с перекрытой центральной частью. Указанная конструкция выполнена с возможностью охлаждения указанного соленоида направленным потоком воздуха, сосредоточенным в воздушных каналах, образованных между полимерными кожухами и витками соленоида посредством исключения движения указанного потока воздуха через центральную часть катушки индуктивности.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется, но не ограничивается следующими изображениями:
фиг. 1 - катушка индуктивности, общий вид;
фиг. 2 - схема охлаждения соленоида катушки индуктивности.
Заявляемое техническое решение предусматривает различные варианты и альтернативные формы реализации. Конкретный вариант осуществления показан посредством чертежей и в описании полезной модели. Описанное техническое решение не ограничивается конкретной раскрытой формой и может охватывать все возможные варианты исполнения, эквиваленты и альтернативы, в рамках существенных признаков раскрытых в формуле полезной модели.
Катушка индуктивности 1 (фиг. 1) выполнена с возможностью воздушного охлаждения и включает помещенный между внешним 2 и внутренним 3 полимерными кожухами соленоид 4 с, по меньшей мере, одной обмоткой, содержащей множество витков проволочного проводника, где количество витков зависит от заданной индуктивности соленоида.
Слои намотки фиксированы как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости полимерными пластинчатыми элементами 5. Указанные пластинчатые элементы способствуют образованию единой жесткой конструкции с соленоидом и полимерными кожухами посредством фиксации крепежными элементами 6, 7. Полимерные пластинчатые элементы также обеспечивают коаксиальность соленоида и полимерных кожухов.
Образованная полимерными кожухами и помещенным между ними соленоидом единая жесткая конструкция с перекрытой центрально частью выполнена с возможностью охлаждения указанного соленоида направленным потоком воздуха посредством аэродинамических поверхностей, образованных упомянутыми полимерными кожухами, которые обеспечивают направленность и сосредоточенность потока воздуха в воздушных каналах 8 (фиг 2), образованных между полимерными кожухами 2, 3 и витками соленоида 4.
Внутренний полимерный кожух закрыт по торцам пластиной 9, что позволяет исключить движение потока охлаждающего воздуха через центральную часть катушки. С указанной пластиной связаны остальные элементы конструкции, что позволяет обеспечить жесткость и целостность конструкции.
Фиксация катушки индуктивности во внутреннем пространстве электронного устройства, например станции управления электродвигателем, может обеспечиваться посредством монтажной площадки 10 с отверстием в центральной части. Внутрь указанного отверстия помещают катушку индуктивности, которая может быть закреплена как вертикально, так и под углом к плоскости монтажной площадки.
Такое положение катушки индуктивности по отношению к плоскости монтажной площадки обеспечивает дополнительную направленность воздушного потока и способствует более эффективному охлаждению соленоида.
Реализация заявляемой полезной модели способствует достижению указанного технического результата, обеспечивая упрощение конструкции, увеличение перегрузочной способности, в том числе в аварийных режимах за счет повышение эффективности охлаждения соленоида направленным потоком воздуха посредством аэродинамических поверхностей, образованных упомянутыми полимерными кожухами, которые обеспечивают направленность и сосредоточенность потока воздуха в воздушных каналах, образованных между полимерными кожухами и витками соленоида, что отображено на фиг. 2.