Катушка индуктивности с активным сопротивлением

Авторы патента:

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при изготовлении любых катушек индуктивности или обмоток трансформаторов, наиболее актуально высоковольтных. Катушка индуктивности, содержащая обмотку из провода в изоляции, размещенную на электроизоляционном каркасе, витки обмотки уложены под углом к оси каркаса, причем каждый из витков обмотки содержит два участка, первый из которых основной, расположен в плоскости, перпендикулярной оси каркаса, второй участок переходной, расположен в угловом секторе, достаточном для двух изгибов провода в изоляции в противоположных направлениях и служит для перехода из плоскости основного участка текущего витка в плоскость основного участка следующего витка, расположен под углом от 30° до 60° к плоскостям основных участков соединяемых витков, для предотвращения соскальзывания витков при намотке. Витки каждого слоя, кроме первого, уложены на своем основном участке строго в углублении между витками предыдущего слоя по приведенной в формуле изобретения схеме. Параметры обмотки связаны приведенными в формуле изобретения соотношениями. Провод обмотки содержит на всей наружной поверхности липкий самозатвердевающийся слой (например, самоспекающийся провод типа ПЭВТЛД). Обмотка катушки индуктивности может быть как сплошной, так и с разделением на секции, число слоев может быть переменным по длине обмотки. Предлагаемая конструкция позволяет повысить надежность обмотки катушки при эксплуатации, уменьшить габариты обмотки, обеспечить безусловную техническую реализуемость на современном намоточном оборудовании. Полезная модель практически опробована при намотке вторичной обмотки катушек зажигания для беспилотных летательных аппаратов. Результаты испытаний систем зажигания подтвердили достижение указанного положительного эффекта.

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в катушках индуктивности или обмотках трансформаторов, наиболее актуально в высоковольтных.

Известные варианты выполнения высоковольтных катушек индуктивности без межслойной изоляции характерны делением катушки на части (секции) с целью снижения напряжения между соприкасающимися витками до величин, не превышающих напряжение пробоя изоляции провода. Это разделение производится твердым диэлектриком в виде ребер каркаса катушки индуктивности, либо воздушным промежутком. При этом укладка витков обмотки производится параллельно оси каркаса, либо под углом к этой оси.

Известен обмоточный узел катушки зажигания (патент РФ 2189490), в котором вторичная обмотка катушки зажигания выполнена из двух секций, причем в начале раскладки витки вторичной обмотки уложены в кольцо, имеющее в сечении вид треугольника, а последующие ряды витков вторичной обмотки в данном сечении параллельны одной из сторон упомянутого треугольника. Недостатком такого выполнения вторичной обмотки является наличие двух секций, что увеличивает габариты катушки, а так же возможность намотки витков только в направлении от каркаса к периферии с переходом от наиболее удаленного от каркаса слоя к каркасу на длине одного витка, что приводит к наличию большого угла стягивания уже намотанных витков, катушка разваливается, условие технической реализации трудно выполнимо. Кроме того, одиночный виток в направлении от периферии к каркасу занимает столько же места в направлении намотки, что и все витки в направлении от каркаса к периферии, что увеличивает габариты катушки.

Известен способ намотки (патент США 5,305,961) электрической катушки, выбранной за прототип, плоскость наклонных витков которой расположена перпендикулярно к оси намотки, переход от одного витка к другому осуществляется смещением, полусекция катушки в плоскости, содержащей ее ось, представляет собой трапецию. Недостатком этой конструкции является то, что катушка состоит из нескольких секций, разделенных значительным воздушным промежутком, не используемым для намотки витков, что увеличивает габариты катушки. В формуле утверждается, что плоскости витков перпендикулярны оси намотки, т.е. оси каркаса катушки, а переход от одного витка к другому осуществляется смещением. Если принять к сведению, что виток (turn) - это один оборот при намотке, то получается, что смещение должно быть произведено в бесконечно малом угловом секторе, стремящемся к нулю, что недопустимо исходя из норм на изгиб провода в изоляции и снижает надежность обмотки. Более того, для перехода из плоскости текущего витка в плоскость следующего и продолжения намотки требуется произвести два изгиба в противоположных направлениях. Можно также предположить, что витки соединяются дополнительным элементом, который на чертеже не показан, но тогда невозможна непрерывная намотка провода катушки.

Технической задачей полезной модели является повышение надежности катушки, уменьшение ее габаритов, обеспечение технической реализации конструкции на современном намоточном оборудовании.

Для реализации технической задачи разработана катушка индуктивности, содержащая обмотку из провода в изоляции, размещенную на электроизоляционном каркасе в виде тела вращения относительно его оси, причем витки обмотки последовательно уложены под углом к оси каркаса так, что образуют параллельные оси каркаса слои без межслойной изоляции, причем каждый из витков обмотки содержит два участка, первый из которых, основной, расположен в плоскости, перпендикулярной оси каркаса, второй участок, переходной, расположен в угловом секторе, достаточном для двух изгибов провода в изоляции в противоположных направлениях, и служит для перехода из плоскости основного участка текущего витка в плоскость основного участка следующего витка в пределах одного слоя обмотки или с уровня текущего слоя обмотки на уровень последующего слоя с одновременным переходом в плоскость основного участка следующего витка и расположен под углом от 30° до 60° к плоскостям соединяемых основных участков указанных витков, конец переходного участка является концом текущего и одновременно началом следующего витка обмотки, витки каждого слоя, кроме первого, уложены на своем основном участке строго в углублении между витками предыдущего слоя по схеме, в соответствии с которой первые два витка обмотки расположены в первом слое друг за другом в направлении намотки с базовым смещением второго витка относительно первого на величину не меньше одного диаметра провода в изоляции, но меньше двух диаметров провода в изоляции, а начиная с третьего витка они уложены рядами, расположенными под одинаковым острым углом к оси каркаса, витки в которых удаляются от оси каркаса или приближаются к ней (при переходе на первый слой) поочередно с полуторным базовым смещением, при этом при удалении от оси каркаса смещение осуществляется в направлении, противоположном направлению намотки, а при переходе на первый слой, смещение осуществляется в направлении намотки, переход из текущего ряда укладки в последующий осуществляется на крайних слоях обмотки (первом и наиболее удаленном от оси каркаса) базовым смещением одного витка в крайнем слое в направлении намотки, число витков в каждом ряду укладки определяется по формуле:

n_i=(i+1), при i(k-1)

n_i=k при ik

где n_i - число витков в ряду укладки с номером i;

i - порядковый номер пары рядов укладки от оси каркаса и к ней;

k - число слоев обмотки;

параметры обмотки при этом связаны соотношениями:

i_maxN/2·k,

где i_max - число пар рядов укладки от оси каркаса и к ней в обмотке в целом;

N - число витков в обмотке;

L=2·i_max·d,

где L - длина обмотки,

d - базовое смещение;

U_max(2·k+1)·U_обм/N

где U_max - максимальное напряжение между любыми двумя касающимися витками обмотки;

U_обм - напряжение между концами обмотки,

причем провод содержит на всей наружной поверхности липкий самозатвердевающийся слой, а обмотка катушки индуктивности может быть как сплошной, так и с разделением на секции, число же слоев может быть переменным по длине обмотки.

На фигуре 1 приведена конструкция катушки индуктивности.

На фигуре 2 приведена схема укладки витков (развертка одного оборота катушки)

На фигуре 3 приведен разрез катушки индуктивности в зоне основного участка витков.

Катушка индуктивности содержит обмотку 1 из провода в изоляции, размещенную на электроизоляционном каркасе 2 в виде тела вращения относительно его оси 3, причем витки 4 обмотки 1 расположены на каркасе 2 в виде нескольких слоев 5 без межслойной изоляции. Каждый виток обмотки содержит два участка, первый из которых основной 6, он расположен в плоскости, перпендикулярной оси 3 каркаса. Второй участок переходной 7 расположен в угловом секторе, достаточном для двух изгибов провода в изоляции в противоположных направлениях, его длина согласно нормам на радиус изгиба провода в изоляции будет составлять несколько диаметров провода с изоляцией. Переходной участок является переходом из плоскости основного участка текущего витка в плоскость основного участка следующего витка в пределах одного слоя 5 обмотки или с уровня текущего слоя обмотки на уровень последующего слоя с одновременным переходом в плоскость основного участка следующего витка и расположен под углом от 30 до 60° к плоскостям соединяемых основных участков указанных витков. Конец переходного участка является концом текущего и одновременно началом следующего витка. Первые два витка уложены от точки начала обмотки 8 в направлении намотки, параллельном оси каркаса, с базовым смещением не меньше одного диаметра провода в изоляции, но меньше двух диаметров провода в изоляции с тем, чтобы последующие витки не проваливались между витками слоя, на котором они лежат. Остальные витки обмотки уложены рядами 9, так, что линия каждого ряда укладки расположена всегда под одинаковым острым углом к оси 3 каркаса 2, а направление укладки чередующееся от оси 3 каркаса 2 или к ней, с полуторным базовым смещением, при этом при удалении от оси каркаса 2 смещение осуществляется в направлении, противоположном направлению намотки, а при переходе витков на первый слой смещение осуществляется в направлении намотки. Переход из предыдущего ряда укладки в последующий осуществляется на крайних слоях обмотки базовым смещением одного витка в крайнем слое в направлении намотки.

Число витков в каждом ряду укладки определяется по формуле

n_i=(i+1), при i(k-1)

n_i=k при ik

где nⁱ - число витков в ряду укладки с номером i;

i - порядковый номер пары рядов укладки от оси каркаса и к ней;

k - число слоев обмотки.

Число пар рядов укладки от оси каркаса и к ней

i_maxN/2·k,

где N - число витков в обмотке.

Длина обмотки

L=2·i_max ·d,

где d - базовое смещение.

Максимальное напряжение между любыми двумя касающимися витками обмотки

U_max(2·k+1)·U_обм/N

где U_обм - напряжение между концами обмотки.

Провод имеет самозатвердевающийся наружный слой. Обмотка катушки индуктивности может быть сплошная или с разделением на секции. Число слоев может быть переменным по длине обмотки.

Катушка индуктивности используется, например, в составе высоковольтного трансформатора в качестве вторичной обмотки. При подаче тока в первичную обмотку трансформатора между концами вторичной обмотки 1 индуцируется напряжение U_обм, пропорциональное числу витков N вторичной обмотки 1 и скорости изменения магнитного потока d/dt, которая пропорциональна скорости изменения тока в первичной обмотке и максимальна в момент прекращения тока при размыкании цепи первичной обмотки, с этого момента формируется пробойный импульс. При самостоятельном использовании катушки индуктивности в качестве дросселя она сглаживает ток в цепи, в которую она включена.

Технические задачи полезной модели решены в описанной конструкции полностью. Габариты катушки сведены к минимуму за счет исключения разделения обмотки на секции, обмотка катушки индуктивности может быть сплошная от начала до конца. Это стало возможным за счет конструктивного выполнения каждого витка обмотки из двух участков, основного 6 и переходного 7, причем переходной участок, достаточный для двух изгибов провода в противоположных направлениях, по длине сравним с диаметром провода и базовым смещением. При этом пересечение витков всегда происходит в угловом секторе переходного участка 7, что в совокупности с заданием угла от 30° до 60° между переходным участком и плоскостью, перпендикулярной оси каркаса, обеспечивает угол пересечения от 60° до 120° и гарантирует отсутствие соскальзывания при намотке провода текущего слоя с провода предыдущего слоя. На основном участке, составляющем большую часть длины витка, провод текущего слоя прочно удерживается в углублении между витками предыдущего слоя, которое увеличено за счет выбора базового смещения больше диаметра провода в изоляции, как правило - до 1,5 этого диаметра. Кроме того, липкий наружный слой на проводе (например, самоспекающемся проводе ПЭВТЛД) так же препятствует соскальзыванию при намотке, а с течением времени он затвердевает и перемещение витков относительно друг друга становится невозможным, что повышает надежность катушки индуктивности в эксплуатации. Таким образом, предложенная конструкция безусловно технически реализуема на существующем технологическом оборудовании. Если учесть, что пробой изоляции провода является основной причиной отказов высоковольтных катушек индуктивности, обеспечение технической реализуемости предложенной конструкции позволит существенно повысить надежность высоковольтных трансформаторов и дросселей, перевести эти устройства в разряд высоконадежных. Предложенная конструкция отличается высокой плотностью укладки витков, что практически исключает поля рассеяния и повышает эффективность работы катушки в указанных цепях.

Были изготовлены в рамках ОКР Плазма, выполняемой по Госконтракту, образцы высоковольтных преобразователей (ПВВ) ЯКЛЮ.436516.001, в которых вторичная обмотка высоковольтного трансформатора ЯКЛЮ.687128.001 имеет описанную конструкцию. Она выполнена на намоточном станке FW022, содержит N=2000 витков провода в изоляции с диаметром 65 мкм, имеет k=7 слоев и i_max=143 пар рядов витков, длину намотки L=26 мм, базовое смещение d=91 мкм, напряжение, снимаемое с обмотки U_обм =27 кВ, при этом на одном витке падает 13,5 В, а максимальное напряжение между двумя соприкасающимися витками составляет U_max203 В, что создает запас по пробивному напряжению изоляции провода в 3,5 раза.

Испытания высоковольтного преобразователя проведены в диапазоне температур от минус 45°C до плюс 90°C циклически, на ударную нагрузку 150 м/с² в количестве 3000 ударов, на вибрацию в течение 2,5 часов на частотах от 50 до 250 Гц при максимальном ускорении 100 м/с². Отказов катушки индуктивности не зафиксировано, что так же подтверждает достижение поставленных задач полезной модели.

Катушка индуктивности, содержащая обмотку из провода в изоляции, размещенную на электроизоляционном каркасе в виде тела вращения относительно его оси, причем витки обмотки последовательно уложены под углом к оси каркаса так, что образуют параллельные оси каркаса слои без межслойной изоляции, отличающаяся тем, что каждый из витков обмотки содержит два участка, первый из которых, основной, расположен в плоскости, перпендикулярной оси каркаса, второй участок, переходной, расположен в угловом секторе, достаточном для двух изгибов провода в изоляции в противоположных направлениях, и служит для перехода из плоскости основного участка текущего витка в плоскость основного участка следующего витка в пределах одного слоя обмотки или с уровня текущего слоя обмотки на уровень последующего слоя с одновременным переходом в плоскость основного участка следующего витка и расположен под углом от 30 до 60 к плоскостям соединяемых основных участков указанных витков, конец переходного участка является концом текущего и одновременно началом следующего витка обмотки, витки каждого слоя, кроме первого, уложены на своем основном участке строго в углублении между витками предыдущего слоя по схеме, в соответствии с которой первые два витка обмотки расположены в первом слое друг за другом в направлении намотки с базовым смещением второго витка относительно первого на величину не меньше одного диаметра провода в изоляции, но меньше двух диаметров провода в изоляции, а начиная с третьего витка они уложены рядами, расположенными под одинаковым острым углом к оси каркаса, витки в которых удаляются от оси каркаса или приближаются к ней (при переходе на первый слой) поочередно с полуторным базовым смещением, при этом при удалении от оси каркаса смещение осуществляется в направлении, противоположном направлению намотки, а при переходе на первый слой смещение осуществляется в направлении намотки, переход из текущего ряда укладки в последующий осуществляется на крайних слоях обмотки (первом и наиболее удаленном от оси каркаса) базовым смещением одного витка в крайнем слое в направлении намотки, число витков в каждом ряду укладки определяется по формуле: