RU68765U1 - AC LIMIT DEVICE - Google Patents

Abstract

Предполагаемое изобретение на полезную модель относится к электротехнике и радиотехнике, в частности к области производства дросселей с подмагничиванием и может быть использовано как токоограничивающий элемент в блоках питания силовой электроники, для ограничения токов короткого замыкания, в балластах газоразрядных ламп и др.The alleged invention for a utility model relates to electrical engineering and radio engineering, in particular to the field of production of chokes with magnetization and can be used as a current-limiting element in power electronics power supplies, to limit short-circuit currents, in ballasts of discharge lamps, etc.

Предложенное устройство содержит ленточный кольцевой магнитожесткий сердечник, состоящий из двух встречно намагниченных участков. На внешней стороне этого элемента размещен соосно ленточный кольцевой магнитомягкий сердечник, который намагничен до насыщения при отсутствии тока в катушке. Катушка состоит из двух последовательно соединенных частей. Ток, протекающий через обмотку, охватывающую кольца, размагничивает соответствующую часть магнитомягкого сердечника и увеличивает степень насыщения другой части. При смене полярности тока, протекающего через обмотку, происходит обратное действие. Индуктивное сопротивление устройства резко возрастает при выходе части сердечника из насыщенного состояния.The proposed device contains a tape annular magnetically rigid core, consisting of two counter-magnetized sections. On the outer side of this element is placed coaxially tape magnetically soft ring core, which is magnetized to saturation in the absence of current in the coil. The coil consists of two series-connected parts. The current flowing through the winding covering the rings demagnetizes the corresponding part of the soft core and increases the degree of saturation of the other part. When the polarity of the current flowing through the winding changes, the opposite effect occurs. The inductive resistance of the device increases sharply when a part of the core leaves its saturated state.

Устройство позволит рационально использовать материалы проводника и ферромагнетиков, увеличить степень преобразования электроэнергии в энергию магнитного потока, повысить надежность в работе, упростить конструкцию и технологию производства.The device will allow the rational use of materials of the conductor and ferromagnets, to increase the degree of conversion of electricity into magnetic flux energy, to increase reliability in operation, to simplify the design and production technology.

Description

Предполагаемая полезная модель относится к электротехнике и радиотехнике, в частности к области производства дросселей с подмагничиванием и может быть использовано как токоограничивающий элемент в блоках питания силовой электроники, для ограничения токов короткого замыкания, в балластах газоразрядных ламп и др. Устройство позволит рационально использовать материалы проводника и ферромагнетиков, увеличить коэффициент преобразования электроэнергии в энергию магнитного потока, упростить конструкцию и технологию производства.The proposed utility model relates to electrical engineering and radio engineering, in particular to the field of production of chokes with magnetization and can be used as a current-limiting element in power electronics power supplies, to limit short-circuit currents, in ballasts of discharge lamps, etc. The device will allow rational use of conductor materials and ferromagnets, increase the coefficient of conversion of electricity into magnetic flux energy, simplify the design and production technology.

Обычно дроссель представляет собой обтекаемую переменным током катушку с ферромагнитным сердечником. При одинаковых параметрах дроссель с ферромагнитным сердечником несравненно компактнее, чем катушка без сердечника. При прочих равных условиях индуктивное сопротивление дросселя тем выше, чем больше его магнитная проницаемость. Все характеристики дросселя обеспечиваются свойствами его сердечника. Вольтамперные характеристики дросселя могут быть близкими к линейным, а могут быть и существенно нелинейными. Индуктивное сопротивление дросселя переменному току в ненасыщенном состоянии существенно больше, чем в насыщенном. В состав дросселя любого вида и конструкции входит катушка, намотанная изолированным проводом или фольгой, и сердечник из ферромагнетика. Сердечники изготовляют наборными из отдельных штампованных плоских пластин или ленточными, состоящими из ленточной магнитомягкой стали.Typically, the inductor is a ferromagnetic core streamlined around an alternating current coil. With the same parameters, a choke with a ferromagnetic core is incomparably more compact than a coil without a core. Other things being equal, the inductance of the inductor is the higher, the greater its magnetic permeability. All characteristics of the inductor are provided by the properties of its core. The current-voltage characteristics of the inductor can be close to linear, and can be significantly nonlinear. The inductive reactance of the inductor to alternating current in an unsaturated state is much greater than in a saturated state. The inductor of any kind and design includes a coil wound with an insulated wire or foil, and a core made of a ferromagnet. The cores are made of typesetting from individual stamped flat plates or tape, consisting of tape magnetic soft steel.

Принцип подмагничивания широко применялся в магнитных усилителях. Они были хорошо известны ранее как средство управления мощностью. Работа магнитного усилителя основана на том, что создаются магнитные поля или подмагничивание в магнитных цепях индуктивных The bias principle has been widely applied in magnetic amplifiers. They were well known earlier as a power control tool. The operation of a magnetic amplifier is based on the fact that magnetic fields or magnetization are created in magnetic circuits of inductive

силовых компонентов для управления током или мощностью. Существенным недостатком этого устройства являются большой вес и размеры.power components to control current or power. A significant disadvantage of this device is its large weight and size.

Из существующего уровня техники известно устройство по патенту США №5602527 (Suenaga, 11 февраля 1997 г., МПК H01F 29/00; H01F 17/00; Н03H 7/18), в котором описан маркер с подмагничиванием магнитоупругого элемента прямолинейными участками сплошного магнитного слоя с толщиной 5-100 мкм. Слой сформирован на немагнитной подложке, имеющей толщину 10-250 мкм, а сами участки намагничены встречно.The prior art device is known according to US patent No. 5602527 (Suenaga, February 11, 1997, IPC H01F 29/00; H01F 17/00; H03H 7/18), which describes a marker with the magnetization of the magnetoelastic element in straight sections of a continuous magnetic layer with a thickness of 5-100 microns. The layer is formed on a non-magnetic substrate having a thickness of 10-250 μm, and the sections themselves are magnetized counterclockwise.

Недостатком известного устройства является неоднородность магнитного поля в рабочей зоне, которая возникает из-за того, что кривизна магнитных силовых линий, создаваемых постоянным магнитом и катушкой, имеет разный знак.A disadvantage of the known device is the heterogeneity of the magnetic field in the working area, which occurs due to the fact that the curvature of the magnetic field lines created by the permanent magnet and the coil has a different sign.

Известно устройство по патенту США №6885272 (Piaskowski и др., 26 апреля 2005 г., МПК H01F 21/00) с катушкой и сердечником, подмагниченным постоянным магнитом, которое наиболее близко к заявляемой полезной модели. Изобретение представляет трансформатор или дроссель, в котором постоянные магниты и магнитные материалы из электротехнической стали соединены в последовательную непрерывную магнитную цепь. Кроме того, область смещения в магнитном сердечнике трансформатора может быть в линейной или нелинейной части кривой намагничивания и а постоянный магнит может быть помещен последовательно или параллельно в магнитной цепи. Магнитные компоненты, раскрытые в этом изобретении, позволяют сократить потери энергии и уменьшить размеры по сравнению с известными индуктивностями. Изобретение имеет много применений, например, защита механизма выключателя, ограничение тока, преобразование напряжения в импульсных источниках питания и для контроля тока в цепи газоразрядных ламп.A device is known according to US patent No. 6885272 (Piaskowski et al., April 26, 2005, IPC H01F 21/00) with a coil and core magnetized by a permanent magnet, which is closest to the claimed utility model. The invention provides a transformer or inductor in which permanent magnets and magnetic materials made of electrical steel are connected in series with a continuous magnetic circuit. In addition, the bias region in the magnetic core of the transformer can be in the linear or non-linear part of the magnetization curve and the permanent magnet can be placed in series or in parallel in the magnetic circuit. The magnetic components disclosed in this invention can reduce energy loss and size in comparison with known inductances. The invention has many uses, for example, protection of a circuit breaker mechanism, current limitation, voltage conversion in switching power supplies and for monitoring current in a circuit of discharge lamps.

В этом устройстве используются постоянные магниты, которые выполнены в виде отдельных элементов, размещенных или в стыке между This device uses permanent magnets, which are made in the form of individual elements placed or in the junction between

торцами ферромагнитных частей сердечника, или на их внутренней и внешней поверхностях. Применение дискретных магнитных элементов сопровождается возникновением больших краевых областей с неоднородной намагниченностью. В этих областях при любых токах высокая магнитная проницаемость и та часть обмотки, которая расположена здесь, обладает постоянным высоким индуктивным сопротивлением. По этой причине приходится уменьшать длину обмотки и, следовательно, уменьшать эффективность использования объема устройства.the ends of the ferromagnetic parts of the core, or on their inner and outer surfaces. The use of discrete magnetic elements is accompanied by the appearance of large boundary regions with inhomogeneous magnetization. In these areas, at any currents, high magnetic permeability and that part of the winding that is located here has a constant high inductive resistance. For this reason, it is necessary to reduce the length of the winding and, therefore, reduce the efficiency of using the volume of the device.

Авторами при создании нового устройства поставлены следующие задачи:When creating a new device, the authors set the following tasks:

1. Увеличение точности ограничения тока за счет более эффективного использования энергии постоянного магнита,1. Increasing the accuracy of current limitation due to a more efficient use of permanent magnet energy,

2. Упрощение конструкции устройства для ограничения переменного тока.2. Simplification of the design of the device to limit AC.

Настоящее предложение обеспечивает создание более эффективного устройства для ограничения переменного тока. Оно содержит (см. рис.2) ленточный кольцевой магнитожесткий сердечник 1, состоящий из двух встречно намагниченных участков (не показано). На внешней стороне этого элемента размещен соосно ленточный кольцевой магнитомягкий сердечник 2, который намагничен до насыщения при отсутствии тока в катушке. Катушка 3 состоит из двух последовательно соединенных частей.This proposal provides a more efficient device for limiting alternating current. It contains (see Fig. 2) a tape ring magnetically rigid core 1, consisting of two counter-magnetized sections (not shown). On the outer side of this element is placed coaxially tape annular magnetically soft core 2, which is magnetized to saturation in the absence of current in the coil. Coil 3 consists of two series-connected parts.

Отличительным признаком является непрерывность магнитожесткого и магнитомягкого сердечников в области одноименных полюсов при встречном намагничивании соседних участков. Этот признак в сочетании с кольцевой формой всей конструкции позволяет уменьшить неоднородность магнитной индукции (см. рис.1).A distinctive feature is the continuity of the magnetically hard and soft magnetic cores in the region of the poles of the same name in the opposite magnetization of neighboring sections. This feature, combined with the annular shape of the entire structure, allows to reduce the heterogeneity of magnetic induction (see Fig. 1).

На рис.1 приведено распределение индукции вдоль сердечника в заявляемой модели. По оси ординат - индукция в Тл, по оси абсцисс - длина сердечника в см. Рисунок а) иллюстрирует состояние, когда магнитомягкий Figure 1 shows the distribution of induction along the core in the inventive model. The ordinate axis is induction in T, the abscissa axis is the core length in cm. Figure a) illustrates the state when the magnetically soft

сердечник устройства насыщен, в то время как рисунок б) иллюстрирует этот сердечник в ненасыщенном состоянии.the core of the device is saturated, while Figure b) illustrates this core in an unsaturated state.

На рис.2 - общий вид устройства для ограничения переменного тока. Здесь 1 - ленточный кольцевой магнитожесткий сердечник с двумя встречно намагниченными областями, 2 - ленточный магнитомягкий кольцевой сердечник, 3 - одна из составных частей обмотки.Figure 2 is a general view of the device for limiting AC current. Here 1 is a tape ring magnetically rigid core with two counter-magnetized regions, 2 is a tape magnetically soft ring core, 3 is one of the components of the winding.

Предложенное «Устройство для ограничения переменного тока» обладает «новизной» так как предложенная совокупность признаков не выявлена из существующего уровня техники.The proposed "Device for limiting alternating current" has a "novelty" because the proposed combination of features is not identified from the existing level of technology.

Предложенное «Устройство для ограничения переменного тока» соответствует критерию «существенные отличия», так как совокупность признаков находится в причинно - следственной связи при их взаимодействии, решает поставленные задачи и обеспечивает достижение цели с положительными результатами.The proposed “Device for limiting alternating current” meets the criterion of “significant differences”, since the totality of signs is in a causal relationship with their interaction, solves the tasks and ensures the achievement of the goal with positive results.

Предложенное «Устройство для ограничения переменного тока» соответствует критерию «промышленная применимость», так как все элементы устройства известны, не приносят вреда и имеется возможность неоднократного его изготовления.The proposed "Device for limiting alternating current" meets the criterion of "industrial applicability", since all the elements of the device are known, do not cause harm and there is the possibility of its repeated manufacture.

Предложенное устройство, изображенное на рис.2, работает следующим образом. В исходном состоянии, при отсутствии тока через обмотку магнитомягкий материал находится в насыщенном состоянии (рис.1а) благодаря магнитожесткому сердечнику 1, причем его намагниченные встречно участки наводят магнитную индукцию противоположного знака. Индуктивное сопротивление обмотки при этом минимально. При прохождении тока (например, положительного знака, как на рис.1) одна часть магнитомягкого сердечника переходит в более насыщенное состояние и индуктивное сопротивление соответствующей части обмотки несколько уменьшается, а другая часть магнитомягкого сердечника - размагничивается и индуктивное сопротивление этой части обмотки резко увеличивается (см. Рис.1б). Поскольку обмотки соединены последовательно, то индуктивное The proposed device, shown in Fig. 2, works as follows. In the initial state, in the absence of current through the winding, the soft magnetic material is in a saturated state (Fig. 1a) due to the magnetically rigid core 1, and its magnetized counter sections induce magnetic induction of the opposite sign. The inductance of the winding is minimal. With the passage of current (for example, a positive sign, as in Fig. 1), one part of the soft magnetic core goes into a more saturated state and the inductive resistance of the corresponding part of the winding decreases slightly, while the other part of the soft magnetic core is demagnetized and the inductive resistance of this part of the winding sharply increases (see Fig. 1b). Since the windings are connected in series, the inductive

сопротивление обмотки в целом увеличивается. Аналогичное действие происходит при смене полярности тока, протекающего через обмотку.winding resistance generally increases. A similar action occurs when the polarity of the current flowing through the winding changes.

При разработке, конструировании и изготовлении устройств для коррекции коэффициента мощности при управлении двигателями или балластов для газоразрядных ламп, в импульсных источниках питания применяются электромагнитные дроссели для ограничения тока.When developing, designing and manufacturing devices for correcting power factor when controlling engines or ballasts for discharge lamps, electromagnetic chokes are used in switching power supplies to limit current.

Индуктивности, необходимые для этих целей, имеют значение в диапазоне от 300 мкГн до 300 мГн. Однако, индуктивности, производимые в настоящее время, имеют большие размеры, неудобны для монтажа, дороги и имеют большой разброс. Как правило, в существующих индуктивностях требуется сердечник, вокруг которого размещают обмотки, или катушки с медными проводами. Даже с автоматизированным оборудованием производство индуктивности дорого, а если требуются индуктивности, которые имеют очень небольшой разброс относительно их номинального значения, то они изготавливаются вручную или, по крайней мере, вручную регулируются.The inductances necessary for these purposes have a value in the range from 300 μH to 300 mH. However, the inductances currently being produced are large, inconvenient for installation, roads and have a wide spread. As a rule, existing inductances require a core around which windings or coils with copper wires are placed. Even with automated equipment, inductance production is expensive, and if inductances are required that have very little variation with respect to their nominal value, then they are made manually or, at least, manually adjusted.

Для импульсного источника питания мощностью Р=100 Вт при частоте преобразования F=50 кГц энергия импульса составляет W=P/F=2 (мДж). При использовании подмагничивания постоянным магнитом современных магнитомягких материалов с коэрцитивной силой несколько А/м объемная плотность магнитной энергии, накопленной в сердечнике W_у = 1,5 Тл * 0,5 кА/м = 0.75 кДж/м³=0,15 Дж/кг, т.е. масса сердечника - около 100 г. Ограничиваемый дросселем ток - 20 А, а зона регулирования +/- 0,5 А.For a switching power supply with a power of P = 100 W at a conversion frequency of F = 50 kHz, the pulse energy is W = P / F = 2 (mJ). When using permanent magnetization of modern magnetically soft materials with a coercive force of several A / m, the bulk density of the magnetic energy stored in the core is W _y = 1.5 T * 0.5 kA / m = 0.75 kJ / m ³ = 0.15 J / kg , i.e. the mass of the core is about 100 g. The current limited by the inductor is 20 A, and the regulation zone is +/- 0.5 A.

Гибкая двойная лента заданной длины, состоящая из двух одинаковых встречно намагниченных участков из магнитомягкого материала может быть изготовлена заранее. Затем на нее наматываются проводом или проводящей лентой обмотки с зазором в области полюса. Обмотки соединены последовательно для того, чтобы обеспечить уменьшение магнитной индукции в одной из них при смене полярности протекающего тока. Затем формируется кольцевая структура. Подобная технология упрощает A flexible double tape of a given length, consisting of two identical counter-magnetized sections of soft magnetic material can be made in advance. Then, windings are wound on it with a wire or conductive tape with a gap in the pole area. The windings are connected in series in order to reduce the magnetic induction in one of them when changing the polarity of the flowing current. Then a ring structure is formed. Similar technology simplifies

изготовление насыщенного дросселя по сравнению с намоткой обмотки на тороидальный магнитный сердечник.fabrication of a saturated inductor compared to winding a winding on a toroidal magnetic core.

Claims (1)

Устройство для ограничения переменного тока, содержащее катушку, кольцевой сердечник и постоянный магнит, отличающееся тем, что на внешней стороне ленточного кольцевого сердечника, выполненного из магнитожесткого материала в виде двух симметричных продольно-встречно намагниченных участков, размещен ленточный кольцевой магнитомягкий сердечник, а обмотка, охватывающая кольца, состоит из двух одинаковых последовательно соединенных составных частей, размещенных между полюсами.

A device for limiting alternating current containing a coil, an annular core and a permanent magnet, characterized in that on the outer side of the tape ring core made of magnetically rigid material in the form of two symmetrical longitudinally counter-magnetized sections, a tape ring magnetically soft core is placed, and a winding covering ring, consists of two identical series-connected components located between the poles.