PL228934B1 - Obwód magnetyczny dławika filtra elektrycznego - Google Patents

Description

RZECZPOSPOLITA

POLSKA

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12)OPIS PATENTOWY ₍i₉₎PL ₍n)228934 (13) B1 (51) Int.CI.

(21) Numer zgłoszenia: 415895 H01F 27/42 (2006.01)

H01F 27/30 (2006.01) H01F 3/10 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 25.01.2016 (54)

Obwód magnetyczny dławika filtra elektrycznego

	(73) Uprawniony z patentu: ABB SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Warszawa, PL
(43) Zgłoszenie ogłoszono: 31.07.2017 BUP 16/17	(72) Twórca(y) wynalazku:
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:	RADOSŁAW JEŻ, Żory, PL ŁUKASZ MATYSIAK, Kraków, PL ALEKSANDER POLIT, Kraków, PL ARKADIUSZ BORATYN, Zadąbrowie, PL
30.05.2018 WUP 05/18	WOJCIECH PIASECKI, Kraków, PL
	(74) Pełnomocnik: rzecz, pat. Krystyna Chochorowska-Winiarska

'St co σ>

co

CM

CM

Ω.

PL 228 934 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest obwód magnetyczny dławika filtra elektrycznego znajdujący zastosowanie w co najmniej trójfazowych dławikach filtrów elektrycznych stosowanych w przekształtnikach energoelektronicznych.

Typowe przekształtniki energoelektroniczne zawierają filtr elektryczny, którego elementem składowym jest dławik. Dławik wielofazowy zbudowany jest z rdzenia magnetycznego i co najmniej jednej cewki na każda fazę. Podstawowym problemem w dławikach z rdzeniem magnetycznym jest występowanie zjawiska nasycenia rdzenia magnetycznego. Ze względu na nieliniową charakterystykę ma gnesowania B-H, rdzeń magnetyczny ulega nasyceniu, co powoduje spadek indukcyjności dławika, wzrost strat mocy, wzrost temperatury pracy i wzrost wartości natężeń prądów płynących w uzwojeniach. Powyższych ograniczeń nie mają dławiki o konstrukcji powietrznej. Wyeliminowanie nieliniowego materiału magnetycznego powoduje, że dla takiego dławika nie występuje zjawisko nasycenia rdzenia magnetycznego.

W zgłoszeniu patentowym EP 2113928 ujawniono rozwiązanie pokazujące trójfazowy filtr elektryczny przekształtnika energoelektronicznego, w którym zastosowano oddzielne dławiki dla każdej fazy. Każdy dławik jest jednofazowy i zawiera jedną cewkę powietrzną. W zgłoszeniu tym ujawniono różne wzajemne położenia pojedynczych cewek, w tym rozwiązanie, w którym osie główn e pojedynczych cewek pokrywają się.

Wadą rozwiązań z powietrznymi rdzeniami jest występowanie znacznego rozproszenia strumienia magnetycznego, gdyż strumień magnetyczny zamyka się na dużej przestrzeni wokół dławika powietrznego, co wpływa negatywnie na sąsiadujące elementy obwodu i powoduje powstawanie zaburzeń elektromagnetycznych oraz zmianę wartości indukcyjności dławika. W szczególności, obecność rozproszonego pola magnetycznego skutkuje nagrzewaniem elementów metalowych znajdujących się w bezpośrednim otoczeniu cewek.

Istota wynalazku polega na tym, że obwód magnetyczny dławika filtra elektrycznego, w którym dławik jest wyposażony w co najmniej trzy cewki powietrzne charakteryzuje się tym, że każda cewka powietrzna jest cewką rurową o osi wzdłużnej X-X i oba końce każdej cewki powietrznej sprzężone są magnetycznie z dwoma jarzmami, równoległymi względem siebie i umieszczonymi w płaszczyznach prostopadłych jednocześnie do każdej osi wzdłużnej X-X cewek powietrznych, przy czym cewki powietrzne wraz z jarzmami tworzą zamknięty obwód magnetyczny. Korzystnie, jarzma mają postać belki, której oś wzdłużna zawiera się w płaszczyźnie czołowej dławika. Alternatywnie, jarzma mają postać płyty o kształcie wielokąta foremnego lub płyty o kształcie regularnej gwiazdy lub płyty o kształcie regularnej rozety lub płyty o kształcie koła. Korzystnie, płyta ma kształt trójkąta równobocznego lub płyta ma kształt regularnej gwiazdy trójramiennej lub płyta ma kształt rozety o czterech wierzchołkach lub płyta ma kształt koła z trzema wycięciami, które to koło ma formę obręczy z trzema równomiernie rozmieszczonymi szprychami. W innej wersji wykonania wynalazku, istota wynalazku polega też na tym, że obwód magnetyczny dławika filtra elektrycznego, w którym dławik jest wyposażony w co najmniej trzy cewki powietrzne charakteryzuje się tym, że każda cewka powietrzna jest cewką rurową o osi wzdłużnej Y-Y i oba końce każdej cewki powietrznej sprzężone są magnetycznie z dwoma jarzmami równolegle względem siebie rozmieszczonymi, a osie wzdłużne Y-Y cewek powietrznych nachylone są pod stałym kątem względem płaszczyzny każdego jarzma, przy czym cewki powietrzne wraz z jarzmami tworzą zamknięty obwód magnetyczny. W jeszcze innej wersji wykonania wynalazku, istota wynalazku polega na tym, że obwód magnetyczny dławika filtra elektrycznego, gdzie dławik jest wyposażony w co najmniej trzy cewki powietrzne, charakteryzuje się tym, że każda cewka powietrzna ma postać fragmentu cewki toroidalnej o osi wzdłużnej Z-Z i oba końce każdej cewki powietrznej sprzężone są magnetycznie z dwoma jarzmami mającymi kształt kuli, przy czym osie wzdłużne Z-Z cewek przecinają się w punkcie środkowym kuli, a cewki powietrzne wraz z jarzmami tworzą zamknięty obwód magnetyczny.

W przedstawionym wynalazku, zastosowanie jarzm sprzężonych magnetycznie z cewkami minimalizuje rozproszenie pola magnetycznego na zewnątrz cewek oraz ogranicza niekorzystne oddziaływanie strumieni magnetycznych wytwarzanych przez sąsiednie cewki. Zaletą obwodu magnetycznego według wynalazku w porównaniu do powszechnie stosowanych rozwiązań z rdzeniem jest mniejsza masa oraz redukcja materiału potrzebnego do wytwarzania dławików, co przekłada się na redukcję kosztów wytwarzania oraz uproszczenie procesu produkcyjnego. Kolejną zaletą wynalazku jest brak nasycenia porównywalny do typowych dławików bezrdzeniowych (powietrznych), czyli brak spadku inPL 228 934 B1 dukcyjności w funkcji prądu przepływającego przez uzwojenia oraz poprawiona charakterystyka częstotliwościowa w porównaniu do dławików zawierających typowy rdzeń magnetyczny. Obwód magnetyczny będący przedmiotem wynalazku zastosowany w dławiku wielofazowym czyni go łatwiejszym do wychłodzenia w warunkach pracy w porównaniu do typowego dławika zawierającego rdzeń magnetyczny.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładzie jego realizacji w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia obwód magnetyczny dławika z zaznaczeniem linii sił pola magnetycznego, fig. 2 - pierwszą odmianę pierwszego wykonania obwodu magnetycznego z trzema cewkami i jarzmami w postaci belki, w rzucie aksonometrycznym, fig. 3 - drugą odmianę pierwszego wykonania obwodu magnetycznego z trzema cewkami i jarzmami w postaci trójkąta równobocznego, w rzucie aksonometrycznym, fig. 4 - trzecią odmianę pierwszego wykonania obwodu magnetycznego z trzema cewkami i jarzmami w postaci gwiazdy trójramiennej, w rzucie aksonometrycznym, fig. 5 - inną wersję trzeciej odmiany pierwszego wykonania obwodu magnetycznego z pięcioma cewkami i jarzmami w postaci gwiazdy pięcioramiennej, w rzucie aksonometrycznym, fig. 6 - czwartą odmianę pierwszego wykonania obwodu magnetycznego z czterema cewkami i jarzmami w postaci rozety z czterema wierzchołkami, w rzucie aksonometrycznym, fig. 7 - piątą odmianę pierwszego wykonania obwodu magnetycznego z trzema cewkami i jarzmami w postaci pełnego koła, w rzucie aksonometrycznym, fig. 8 - inną wersję piątej odmiany pierwszego wykonania obwodu magnetycznego z trzema cewkami i jarzmami w postaci koła z wycięciami, w rzucie aksonometrycznym, fig. 9 przedstawia drugie wyk onanie obwodu magnetycznego z trzema cewkami skośnymi i jarzmami w postaci trójkąta równobocznego, w rzucie aksonometrycznym, i fig. 10 przedstawia trzecie wykonanie obwodu magnetycznego z czterema cewkami w postaci fragmentu cewki toroidalnej i jarzmami w kształcie kuli.

W pierwszym wykonaniu wynalazku, obwód magnetyczny dławika filtra elektrycznego zawiera co najmniej trzy jednakowe rurowe cewki powietrzne 11, korzystnie cewki cylindryczne, których osie wzdłużne X-X są równoległe do siebie. Cewki 11 są zgrupowane obok siebie tak, że ich zakończenia z jednej strony zawierają się w płaszczyźnie prostopadłej do osi X-X każdej cewki 11 i zakończenia z drugiej strony też zawierają się w płaszczyźnie prostopadłej do osi X-X każdej cewki. Na obu końcach cewek 11, prostopadle do osi X-X umieszczone są dwa jednakowe jarzma 12, których płaszczyzny główne są równoległe względem siebie. Wszystkie cewki 11 znajdują się pomiędzy jarzmami 12. Jarzma 12 są usytuowane w taki sposób, że osie X-X cewek 11 przecinają bezpośrednio jarzma 12 lub przecinają płaszczyzny główne jarzm 12 w bezpośrednim sąsiedztwie jarzm 12. Jarzma 12 wykonane są z materiału o dużej przenikalności magnetycznej, tj. μ· >1, czyli z materiału ferromagnetycznego. Cewki 11 wraz z jarzmami 12 tworzą zamknięty obwód magnetyczny. Zarówno cewki 11 jak i jarzma 12 są przytwierdzone do nieuwidocznionej na rysunku ramy wykonanej z materiału paramagnetycznego lub diamagnetycznego. Rama ta służy do zachowania stałego przestrzennego ułożenia cewek 11 i jarzm 12.

W pierwszej odmianie pierwszego wykonania wynalazku, osie X-X cewek 11 zawarte są w jednej płaszczyźnie, płaszczyźnie czołowej dławika. Odstępy pomiędzy sąsiednimi cewkami są jednakowej wielkości. W płaszczyźnie czołowej dławika, prostopadle do osi X-X cewek 11, umieszczone są dwa jednakowe jarzma 12a, każde w kształcie belki, co przedstawiono na fig. 2. W drugiej odmianie pierwszego wykonania wynalazku, jarzma 12b mają postać wielokąta foremnego, którego ilość wierzchołków jest zgodna z ilością cewek w obwodzie magnetycznym. Cewki 11 są tak usytuowane względem jarzm 12b, aby osie X-X cewek przecinały płaszczyzny główne jarzm w sąsiedztwie wierzchołków jarzm 12b. Dla obwodu magnetycznego zawierającego trzy cewki, każde jarzmo 12b ma kształt trójkąta równobocznego, co przedstawiono na fig. 3. W trzeciej odmianie pierwszego wykonania wynalazku, jarzma 12c mają kształt regularnej gwiazdy, czyli takiej, której wierzchołki pokrywają się z wierzchołkami wielokąta foremnego. Ilość wierzchołków gwiazdy jest zgodna z ilością cewek 11 w obwodzie magnetycznym dławika. Cewki 11 są tak usytuowane względem jarzm 12c, aby osie X-X cewek przecinały płaszczyzny główne jarzm w sąsiedztwie wierzchołków jarzm 12c. Dla obwodu magnetycznego zawierającego trzy cewki, każde jarzmo 12c ma kształt gwiazdy trójramiennej, co przedstawiono na fig. 4. Dla obwodu magnetycznego zawierającego pięć cewek, każde jarzmo 12c' ma kształt gwiazdy pięcioramiennej, co przedstawiono na fig. 5. W czwartej odmianie pierwszego wykonania wynalazku, jarzma 12d mają kształt regularnej rozety, czyli takiej, której wierzchołki pokrywają się z wierzchołkami wielokąta foremnego. Ilość wierzchołków rozety jest zgodna z ilością cewek 11 w obwodzie magnetycznym dławika. Cewki 11 są tak usytuowane względem jarzm 12d, aby osie X-X cewek 11 przecinały płaszczyzny główne jarzm w sąsiedztwie wierzchołków jarzm 12d. Wierzchołki rozety mogą mieć kształt kołowy i wielkość zbliżoną do przekroju poprzecznego cewek 11. Dla obwodu magnetycznego zawierającego cztery cewki, każde jarzmo 12d ma kształt rozety o czterech wierzchołkach, które to wierzchołki

PL 228 934 B1 mają postać kół o średnicy zawierającej się pomiędzy zewnętrzną a wewnętrzną średnicą przekroju poprzecznego cewki 11, a osie X-X cewek 11 przecinają te koła w ich środkach, co przedstawiono na fig. 6. W piątej odmianie pierwszego wykonania wynalazku, każde jarzmo 12e ma kształt koła. Cewki 11 są tak usytuowane, aby osie X-X cewek 11 przecinały płaszczyzny główne jarzm w sąsiedztwie obwodów jarzm 12e. Każde jarzmo 12e ma kształt koła pełnego, co pokazano na fig. 7 lub każde jarzmo 12e' ma kształt koła z wycięciami. Ilość wycięć jest zgodna z ilością cewek 11 w obwodzie magnetycznym dławika. Koło z wycięciami ma formę obręczy z równomiernie umieszczonymi szprychami, co dla układu magnetycznego z trzema cewkami 11 pokazano na fig. 8.

W drugim wykonaniu wynalazku, obwód magnetyczny dławika filtra elektrycznego zawiera co najmniej trzy jednakowe rurowe cewki powietrzne 21, korzystnie cewki cylindryczne, o osiach wzdłużnych Y-Y. Na obu końcach cewek 21, umieszczone są dwa jarzma 22 w formie płyt, których płaszczyzny główne są równoległe względem siebie. Wszystkie cewki 21 znajdują się pomiędzy dwoma jarzmami 22. Osie wzdłużne Y-Y cewek 21 nachylone są pod stałym kątem względem płaszczyzny głównej każdego z jarzm 22. Jarzma 22 wykonane są z materiału ferromagnetycznego i są sprzężone magnetycznie z cewkami 21. Jarzma 22 wraz z cewkami 21 tworzą zamknięty obwód magnetyczny dławika. Zarówno cewki 21 jak i jarzma 22 są przytwierdzone do nieuwidocznionej na rysunku ramy wykonanej z materiału paramagnetycznego lub diamagnetycznego. Rama ta służy do zachowania stałego przestrzennego ułożenia cewek 21 i jarzm 22. Jarzma 22 mogą przyjmować różne kształty, w tym kształt trójkąta równobocznego, jak pokazano na fig. 9. Inne kształty, jakie mogą przyjmować jarzma 22 są takie same jak ujawniono na fig. 4, 5, 6, 7 i 8 dla pierwszego wykonania wynalazku, co nie jest uwidocznione na rysunku.

W trzecim wykonaniu wynalazku, obwód magnetyczny dławika filtra elektrycznego zawiera co najmniej trzy jednakowe cewki powietrzne 31, każda mająca postać fragmentu cewki toroidalnej o osi wzdłużnej Z-Z. Na obu końcach cewek 31 umieszczone są dwa jarzma 32, każde mające kształt kuli. Jarzma 32 wykonane są z materiału ferromagnetycznego i są tak usytuowane, że osie Z-Z wszystkich cewek 31 przecinają się w środku każdego jarzma 32, co uwidoczniono na fig. 10. Cewki 31 są sprzężone magnetycznie z jarzmami 32, tworząc razem zamknięty obwód magnetyczny dławika. Zarówno cewki 31 jak i jarzma 32 są przytwierdzone do nieuwidocznionej na rysunku ramy wykonanej z materiału paramagnetycznego lub diamagnetycznego. Rama ta służy do zachowania stałego przestrzennego ułożenia cewek 31 i jarzm 32.

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Obwód magnetyczny dławika filtra elektrycznego, w którym dławik jest wyposażony w co najmniej trzy cewki powietrzne (11), znamienny tym, że każda cewka powietrzna (11) jest cewką rurową o osi wzdłużnej X-X i oba końce każdej cewki powietrznej (11) sprzężone są magnetycznie z dwoma jarzmami (12), równoległymi względem siebie i umieszczonymi w płaszczyznach prostopadłych jednocześnie do każdej osi wzdłużnej XX cewek powietrznych (11), przy czym cewki powietrzne (11) wraz z jarzmami (12) tworzą zamknięty obwód magnetyczny.
2. 2. Obwód magnetyczny według zastrz. 1, znamienny tym, że jarzma (12) mają postać belki (12a), której oś wzdłużna zawiera się w płaszczyźnie czołowej dławika.
3. 3. Obwód magnetyczny według zastrz. 1, znamienny tym, że jarzma (12) mają postać płyty o kształcie wielokąta foremnego (12b) lub postać płyty o kształcie regularnej gwiazdy (12c, 12c') lub postać płyty o kształcie regularnej rozety (12d) lub postać płyty o kształcie koła (12e, 12e').
4. 4. Obwód magnetyczny według zastrz. 3, znamienny tym, że płyta (12b) ma kształt trójkąta równobocznego.
5. 5. Obwód magnetyczny według zastrz. 3, znamienny tym, że płyta (12c) ma kształt regularnej gwiazdy trójramiennej.
6. 6. Obwód magnetyczny według zastrz. 3, znamienny tym, że płyta (12d) ma kształt rozety o czterech wierzchołkach.
7. 7. Obwód magnetyczny według zastrz. 3, znamienny tym, że płyta (12e') ma kształt koła z trzema wycięciami, które to koło ma formę obręczy z trzema równomiernie rozmieszczonymi szprychami.

   PL 228 934 Β1
8. 8. Obwód magnetyczny dławika filtra elektrycznego, w którym dławik jest wyposażony w co najmniej trzy cewki powietrzne (21), znamienny tym, że każda cewka powietrzna (21) jest cewką rurową o osi wzdłużnej Y-Y i oba końce każdej cewki powietrznej (21) sprzężone są magnetycznie z dwoma jarzmami (22) równolegle względem siebie rozmieszczonymi, a osie wzdłużne Y-Y cewek powietrznych (21) nachylone są pod stałym kątem względem płaszczyzny każdego jarzma (22), przy czym cewki powietrzne (21) wraz z jarzmami (22) tworzą zamknięty obwód magnetyczny.
9. 9. Obwód magnetyczny dławika filtra elektrycznego, gdzie dławik jest wyposażony w co najmniej trzy cewki powietrzne (31), znamienny tym, że każda cewka powietrzna (31) ma postać fragmentu cewki toroidalnej o osi wzdłużnej Z-Z i oba końce każdej cewki powietrznej (31) sprzężone są magnetycznie z dwoma jarzmami (32) mającymi kształt kuli, przy czym osie wzdłużne Z-Z cewek przecinają się w punkcie środkowym kuli, a cewki powietrzne (31) wraz z jarzmami (32) tworzą zamknięty obwód magnetyczny.