PL206637B1 - Element indukcyjny i sposób wytwarzania elementu indukcyjnego - Google Patents

Description

RZECZPOSPOLITA

POLSKA

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 206637 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 376572 ^{(51) Int.Cl.}

H01F 27/30 (2006.01) H01F 41/00 (2006.01) H02M 7/42 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 09.08.2005 (54) Element indukcyjny i sposób wytwarzania elementu indukcyjnego

	(73) Uprawniony z patentu:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	DTW SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Zabierzów, PL
19.02.2007 BUP 04/07	(72) Twórca(y) wynalazku:
	STEFAN DOMAGAŁA, Rząska, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
30.09.2010 WUP 09/10	(74) Pełnomocnik:
	rzecz. pat. Magońska Alina

PL 206 637 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest element indukcyjny przeznaczony do stosowania w konwerterach prądu stałego na sinusoidalny prąd przemienny i sposób wytwarzania elementu indukcyjnego.

Coraz powszechniejsze stosowanie alternatywnych źródeł energii, zainicjowało zapotrzebowanie na konwertery prądu stałego na prąd sinusoidalny o wysokiej sprawności. Ponieważ energia z alternatywnych ź ródeł energii przekazywana jest do sieci energetycznej, zadaniem konwerterów DC/AC jest przekształcenie prądu uzyskanego z alternatywnych źródeł energii na prąd przemienny o parametrach identycznych do prądu w sieci energetycznej. W układach konwerterów elementy indukcyjne stanowią, obok elementów przełączających, główne źródło strat energii elektrycznej. Zmniejszenie strat energii elektrycznej jest więc pierwszoplanowym zadaniem z dwóch istotnych powodów; większa jest ilość energii przekazanej do sieci energetycznej, natomiast mniejsza energia stracona w elemencie indukcyjnym pozwala na utrzymanie niższej temperatury tego elementu, co w konsekwencji przekłada się na dłuższy okres bezawaryjnej pracy elementu indukcyjnego. Jakość elementu indukcyjnego najczęściej określa się za pomocą parametru nazywanego „dobrocią cewki, którą definiuje się jako iloraz szczytowej energii zmagazynowanej w elemencie indukcyjnym do sumarycznej energii strat w elemencie indukcyjnym w ciągu jednego okresu. Oprócz wymienionego parametru elektrycznego istotną rolę odgrywają także parametry nieelektryczne, takie jak koszty wytwarzania, w skład których wchodzą koszty materiałów i koszty pracy, niezwykle ważna jest także niezawodność pracy, określona przez tzw. średni czas międzyawaryjny.

Optymalne rozwiązanie, będące kompromisowym wyborem, czyli preferujące wybrane parametry kosztem innych, winno uwzględniać także koszty produkcji. Ten fakt sprawia, że sposób wytwarzania traktowany jako sekwencja kroków w procesie produkcji może być przeniesiony poprzez koszty na inne parametry i tym samym decydować o finalnych parametrach wyrobu. Koszty wytwarzania, zależne od sposobu, są więc parametrem tej samej wagi co podstawowe parametry elektryczne wyrobu.

Stosunkowo duża ilość wzajemnie ograniczających się czynników decydujących o sprawności energetycznej oraz fakt, że przez pojedyncze urządzenie przekształcane są w skali roku znaczne ilości energii - rzędu dziesiątków megawatogodzin, sprawia, że wagi nabiera każde najmniejsze usprawnienie zwiększające sprawność elementu indukcyjnego przy jednoczesnym zachowaniu akceptowalnych kosztów tego usprawnienia. Z uwagi na znaczą skalę produkcji istotne jest też wyważenie najkorzystniejszych proporcji składników stanowiących koszty produkcji.

Znany jest z japońskiego opisu patentowego JP 1044535 rdzeń magnetyczny dla dławików w którym zastosowano cienki materiał magnetyczny. Rdzeń magnetyczny skł ada się z czterech bloków magnetycznych ułożonych w taki sposób, że obwód magnetyczny tworzy prostokątną ramkę. Dwa bloki magnetyczne wchodzące w skład rdzenia złożone są z wielu warstw cienkiego materiału magnetycznego i każdy z bloków zamknięty jest w otwartym prostokątnym pudełku, natomiast dwa pozostałe bloki magnetyczne, posiadające kołowe przekroje poprzeczne, zostały ustanowione poprzez zwinięcie długiego pasa cienkiego materiału magnetycznego. Bloki te zostały umieszczone w cylindrycznych otworach karkasów. Kołowe przekroje porzeczne umożliwiają najkorzystniejsze ułożenie uzwojenia na rdzeniu magnetycznym, co zapewnia minimalną indukcyjność rozproszoną.

Z amerykańskiego opisu patentowego nr 3,668,589 znany jest dławik o dużej dobroci i małej indukcyjności rozproszenia. Dławik ten zawiera prosty odcinek rdzenia o małej przenikalności magnetycznej, na którym równomiernie nawinięto uzwojenie oraz rdzeń o dużej przenikalności magnetycznej w kształ cie litery „C. Taka konstrukcja jest surogatem rdzenia toroidalnego wykonanego z materiału o małej przenikalności magnetycznej, który z zasady posiada małą indukcyjność rozproszenia. Konstrukcja pozwala na ominięcie problemów związanych z wykonaniem uzwojenia na rdzeniu toroidalnym.

W amerykańskim opisie patentowym nr 4,833,437 ujawniono dławik indukcyjny posiadają cy ferrytowy rdzeń magnetyczny, w którym centralna kolumna rdzenia ma kołowy przekrój poprzeczny. Wokół centralnej kolumny rdzenia, bez karkasu, nawinięto uzwojenie wykonane z płaskiego materiału przewodzącego. Wyprowadzenia, stanowiące przedłużenie płaskiego prostokątnego przewodu uzwojenia, zostały wcześniej wykrępowane w taki sposób, że możliwe jest ich bezpośrednie dołączenie do płytki drukowanej.

Każde z wymienionych rozwiązań dławików posiada przynajmniej jeden z parametrów, który jest korzystniejszy aniżeli w pozostałych rozwiązaniach. Ta cecha sprawia, że optymalny dławik dobrany do zadanej aplikacji zazwyczaj będzie rozwiązaniem kompromisowym, gdzie korzystniejsze wybrane parametry wymuszą akceptację degradacji innych parametrów.

PL 206 637 B1

Spośród wymienionych rozwiązań rdzeń magnetyczny według japońskiego opisu patentowego nr JP 10144535 najlepiej nadaje się do transformacji dużych energii w układzie invertera. Kołowe przekroje porzeczne bloków magnetycznych umożliwiają wykonanie uzwojenia ściśle przylegającego do rdzenia zapewniając małą indukcyjność rozproszenia. Ponieważ w bloku zwiniętej folii magnetycznej indukuje się siła elektromotoryczna, a krawędzie zwojów zwijki mogą bezpośrednio kontaktować się z przewodzącymi płytkami prostokątnego bloku magnetycznego, konieczne jest odseparowanie elektryczne obu stykających się elementów magnetycznych. Wymaga to zastosowania czterech dodatkowych podkładek izolujących, które z kolei powodują lokalne zwiększenie reluktancji magnetycznej, co w konsekwencji prowadzi do rozproszenia części strumienia magnetycznego. Wymienione rozwiązania nie obejmują zagadnień związanych z procesem montażu, zwłaszcza problemów będących skutkiem zastosowania płaskiego przewodu elektrycznego. Chociaż płaski przewód zastosowano w rozwiązaniu według amerykańskiego opisu patentowego nr 4,833,437 nie ujawniono sposobu w jaki sposób unieruchomiono uzwojenie względem obwodu magnetycznego. Niedociągnię cia te zostały usunięte w rozwiązaniu według wynalazku.

Element indukcyjny według wynalazku ma rozbieralny karkas, który stanowią dwie kształtki karkasu wyposażone w zaczepy, listwy zaczepowe, otwory karkasu oraz gniazda karkasu ustalające położenie prostopadłościennych bloków magnetycznych, natomiast uzwojenie stanowią jednowarstwowe zwojnice o zwojach w kształcie zbliżonym do owalu wykonane z płaskiego izolowanego przewodnika. Ponadto rdzeń magnetyczny zaciska, za pośrednictwem nakładek dociskających, taśmowa objemka metalowa korzystnie wykonana z materiału magnetycznego, która obejmuje cały kontur elementu indukcyjnego i jednocześnie zamyka część rozproszonego strumienia magnetycznego.

Sposób wytwarzania elementu indukcyjnego według wynalazku polega na tym, że wykonuje się bezkarkasowe jednowarstwowe zwojnice z płaskiego izolowanego przewodnika, gdzie kształt pojedynczego zwoju zbliżony jest do owalu. Następnie zwojnice unieruchamia się za pośrednictwem dwuczęściowego karkasu, w ten sposób, że zwojnice wprowadza się pomiędzy kształtki karkasu i ściska przy pomocy kształtek karkasu aż do momentu zatrzaśnięcia listew zaczepowych na zaczepach. W dalszej kolejności w prostokątnych otworach karkasu oraz gniazdach karkasu umieszcza się prostopadłościenne bloki magnetyczne. Po ułożeniu bloków magnetycznych nakłada się nakładki dociskające, które zaciska się objemką taśmową wykonaną korzystnie z materiału magnetycznego.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładzie wykonania na rysunku na którym przedstawiono widok ogólny elementu indukcyjnego w stanie rozłożonym.

Element indukcyjny pracujący w układzie konwertera napięcia stałego na prąd przemienny jest oprócz kluczujących elementów półprzewodnikowych głównym źródłem strat energii. Sprawność tego elementu decyduje o sprawności całego urządzenia. Parametrem charakteryzującym jakość elementu indukcyjnego jest tzw. „dobroć cewki, którą definiuje się jako iloraz szczytowej energii zmagazynowanej w elemencie indukcyjnym do sumarycznej energii strat w elemencie indukcyjnym w ciągu jednego okresu. Ten parametr stosunkowo łatwo można wyznaczyć dla przebiegu sinusoidalnego o stałej częstotliwości. W przypadku modulacji impulsowej, gdzie oprócz częstotliwości podstawowej występuje szereg częstotliwości harmonicznych, określenie dobroci jest znacznie trudniejsze. Wartość energii strat jest sumą energii traconej na ciepło Jule'a w przewodzie prądowym ze znacznym udziałem efektu naskórkowego dla wyższych częstotliwości harmonicznych; energii strat na prądy wirowe w rdzeniu magnetycznym z uwzględnieniem wszystkich częstotliwości harmonicznych; dyspersji przenikalności magnetycznej rdzenia oraz energii wypromieniowanej przez indukcyjność rozproszoną. Z uwagi na efekt naskórkowy w układach średniej i wielkiej częstotliwości zazwyczaj stosuje się przewody wielożyłowe tzw. „licę. Przewód tego typu będący skrętką wielu cienkich izolowanych przewodów posiada jednak znacznie mniejszy sumaryczny przekrój poprzeczny aniżeli przewód pełny. Dla ustalonej częstotliwości pracy stosunkowo łatwo jest określić, który przewód jest bardziej odpowiedni; jednakże w układzie invertera sytuacja jest bardziej złożona, ponieważ obok dominującej składowej małej częstotliwości wstępuje szereg częstotliwości harmonicznych. Z tego względu jako przewód uzwojenia w dławiku zastosowano pełny przewód płaski, który posiada małą rezystancję w zakresie małych częstotliwości i zwiększoną w stosunku do przewodu okrągłego przewodność w zakresie większych częstotliwości. W celu zmniejszenia indukcyjności rozproszenia zastosowano kształt uzwojeń zbliżony do owalu.

Przy prostokątnym przekroju rdzenia taki kształt uzwojenia pozwala na zachowanie mniejszej indukcyjności rozproszenia w stosunku do kołowego kształtu uzwojeń. Z uwagi na specyficzny kształt przewodu i występujące naprężenia mechaniczne proces formowania zwojnicy realizuje się za pomocą

PL 206 637 B1 specyficznego urządzenia. Po ukształtowaniu zwojnic 1 i dokonaniu elektrycznego połączenia, korzystnie za pomocą spawania lub lutowania, zwojnice 1 łączy się mechanicznie za pomocą dwuczęściowego karkasu 2. Wcześniej wykonane połówki karkasu 2 po wprowadzeniu zwojnic 1 łączy się ze sobą za pomocą zaczepów 3 i listew zaczepowych 4. Karkas 2 wykonany z plastycznego tworzywa nie tylko ściska i podtrzymuje sprężyste uzwojenie, lecz zapewnia także dodatkową separację elektryczną uzwojenia od rdzenia magnetycznego. Wykonane w kształtce karkasu 2 gniazda 7 precyzyjnie ustalają wzajemne położenie bloków magnetycznych 6. Ułatwia to znakomicie proces montażu i praktycznie eliminuje możliwość błędów w procesie montażu, które mogą być skutkiem nieprecyzyjnego ustawienia bloków magnetycznych 6. Dzięki zastosowaniu specyficznych kształtek karkasu 2 zmniejszono koszty montażu i poprawiono niezawodność elementu indukcyjnego.

Taśmowa objemka 9 wykonana z materiału magnetycznego nie tylko ściska, za pośrednictwem nakładek dociskowych 8 obwód magnetyczny, lecz również zamyka część rozproszonego strumienia magnetycznego.

Zastosowane w elemencie indukcyjnym bloki magnetyczne 6 w postaci plików sklejonych folii wykonane są z izotropowego materiału magnetycznego o dużej przenikalności magnetycznej, jednakże możliwe jest także stosowanie ferrytowych bloków magnetycznych, jak również kombinacji różnych typów materiałów magnetycznych.

Przedstawiony na rysunku element indukcyjny ma dwie zwojnice połączone szeregowo. W oparciu o przedstawiony element możliwe są inne wykonania elementów indukcyjnych. Przez równoległe połączenie zwojnic otrzymuje się dławik o czterokrotnie mniejszej wartości indukcyjności dla większych dopuszczalnych wartości prądów pracy. Przy braku połączeń otrzymuje się dwa dławiki sprzężone, które doskonale nadają się do pracy w mostkowych układach inverterów. Wprowadzenie trzeciej zwojnicy i trzeciej kolumny magnetycznej umożliwia realizację zespolonego elementu indukcyjnego dla konwerterów prądu stałego na przemienny prąd trójfazowy.

Claims (2)

Zastrzeżenia patentowe

1. Element indukcyjny złożony z rdzenia magnetycznego, karkasu i uzwojenia, znamienny tym, że ma rozbieralny karkas (2), który stanowią dwie kształtki karkasu (2) wyposażone w zaczepy (3), listwy zaczepowe (4), otwory karkasu (5) oraz gniazda karkasu (7) ustalające położenie prostopadłościennych bloków magnetycznych (6), natomiast uzwojenie stanowią jedno warstwo we zwojnice (1) o zwojach w kształcie zbliżonym do owalu wykonane z płaskiego izolowanego przewodnika, ponadto rdzeń magnetyczny zaciska za pośrednictwem nakładek dociskających (8) taśmowa objemka (9) metalowa, korzystnie wykonana z materiału magnetycznego, która obejmuje cały kontur elementu indukcyjnego i jednocześnie zamyka część rozproszonego strumienia magnetycznego.

2. Sposób wytwarzania elementu indukcyjnego, znamienny tym, że wykonuje się bezkarkasowe, jednowarstwowe zwojnice (1) z płaskiego izolowanego przewodnika, gdzie kształt pojedynczego zwoju zbliżony jest do owalu, następnie zwojnice unieruchamia się za pośrednictwem dwuczęściowego karkasu (2), w ten sposób, że zwojnice wprowadza się pomiędzy kształtki karkasu (2) i ściska przy pomocy kształtek karkasu (2) aż do momentu zatrzaśnięcia listew zaczepowych (4) na zaczepach (3), w dalszej kolejności w prostokątnych otworach karkasu (5) oraz gniazdach karkasu (7) umieszcza się prostopadłościenne bloki magnetyczne (6), a po ułożeniu bloków magnetycznych (6) nakłada się nakładki dociskające (8), które zaciska się taśmową objemką (9), korzystnie wykonaną z materiału magnetycznego.