Згладжуюча котушка індуктивності великої потужності з повітряним осердям

Реферат: Винахід стосується котушки індуктивності (20) великої потужності з повітряним осердям, утвореної намотуванням порожнистих стрижнів з електропровідного матеріалу. Котушка містить щонайменше дві обмотки (21, 22, 23), які розташовані коаксіально і розміщені одна в іншій, при цьому обмотки з'єднані послідовно, так що зберігають однаковий напрямок намотування, при цьому котушка індуктивності має середній радіус А, півсекцію (24) в площині, яка проходить поздовжньо і містить вісь котушки, яка має форму квадрата зі стороною В, так що задовольняє відношення: 2A  6B  6A . UA 107710 C2 (12) UA 107710 C2 UA 107710 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь техніки Винахід стосується високопродуктивної котушки індуктивності без феромагнітного осердя. Такі котушки індуктивності використовуються, наприклад, для електроживлення дугових печей постійного струму. Попередній рівень техніки Для електроживлення дугових печей постійного струму використовують котушки індуктивності з повітряним осердям різних значень від 100 мкГн до 1 МГн. По цих котушках може пропускатися струм до 70 кА. Для використань типу електродугових печей відомі котушки індуктивності, що складаються з одношарових соленоїдів з квадратною або шестикутною основою. З JP 60012711 A (23.01.1985), DE 2939647 A1 (23.04.1981), JP 57118613 A (23.07.1982) відомі індуктивні котушки з повітряним осердям (для великих потужностей), які утворені намоткою порожнистого електропровідного стрижневого матеріалу, причому щонайменше дві з них розташовані коаксіально і розміщені одна в іншій, при цьому котушки з'єднані послідовно, так що зберігають однаковий напрямок намотування. На фіг. 1 показана пояснювальна схема електроустановки для дугової печі постійного струму. Позицією 1 позначена дугова піч, що містить металевий матеріал 2, який підлягає обробці. Дугова піч 1 обладнана в наведеному прикладі катодом 10 і двома анодами 11 і 12. Показані два ланцюги електроживлення. Перший ланцюг містить тиристорний випрямляч 3, вихід якого підключений між катодом 10 і анодом 11 через котушку індуктивності L1. Другий ланцюг містить тиристорний випрямляч 4, вихід якого підключений між катодом 10 і анодом 12 через котушку індуктивності L2. Котушки індуктивності L1 і L2 являють собою котушки великої потужності з повітряним осердям. Збільшення в останні роки потужності встановлених електродугових печей спричиняє збільшення постійного струму, що подається, а також збільшення величини котушок індуктивності повітряним осердям. Це приводить до величезних котушок і несе з собою істотні теплові втрати. Крім того, ці котушки індуктивності дуже громіздкі. Вони створюють різні проблеми, пов'язані з їх установлення, монтажем і охолоджуванням. Короткий виклад суті винаходу Запропонований винахід розроблений для оптимізації котушок індуктивності великої потужності з метою істотного зменшення їх габаритних розмірів і пов'язаних з цим теплових втрат. Предметом винаходу є котушка індуктивності великої потужності з повітряним осердям, утворена намотуванням порожнистого електропровідного стрижневого матеріалу, яка відрізняється тим, що містить щонайменше дві обмотки, які розташовані коаксіально і розміщені одна в іншій, при цьому обмотки з'єднані послідовно, так що зберігають однаковий напрямок намотування, при цьому котушка має середній радіус А, півсекцію в площині, яка проходить поздовжньо і містить вісь котушки, яка виконана в формі квадрата зі стороною В, так що задовольняє відношення: 2А≤6В≤6А. Переважно обмотки виконані в формі багатокутних витків, наприклад, шестикутних витків. Порожнисті стрижні можуть бути з алюмінію або міді. Порожнисті стрижні утворюють канали для рециркуляції охолоджуючого середовища, при цьому кожна обмотка може мати свій власний контур охолоджування, щоб знизити втрати при навантаженні. Короткий опис креслень Для кращого розуміння винаходу і виявлення інших переваг і особливостей пропонується нижченаведений опис, що приводиться у вигляді необмежуючого прикладу і супроводжується прикладеними кресленнями, на яких: - фіг. 1 (вже описана) - являє собою пояснювальну схему електричної установки для дугової печі постійного струму, згідно з рівнем техніки, - фіг. 2 - являє собою вигляд в розрізі котушки індуктивності, при цьому розріз зроблений в площині, в якій знаходиться вісь котушки, згідно з запропонованим винаходом. Опис переважних варіантів здійснення Концепція, яка лежить в основі даного винаходу, полягає в тому, щоб взаємно зістикувати обмотки (або окремі котушки) одну з іншою і створити єдину котушку, намагаючись при цьому наблизитися до моделі Брукса. Модель Брукса запропонована в 1931 році, щоб оптимізувати багатошарові котушки, на основі круглих витків, виготовлених з проводу. Котушка індуктивності з повітряним осердям, згідно з винаходом, виготовлена на основі 2 порожнистих стрижнів великого перерізу (звичайно близько 20000 мм ). Для витка котушки 1 UA 107710 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 оптимальною є кругла форма. Запропонований винахід не виключає цю форму, однак таку геометрію важко одержати зі стрижнів великого перерізу. Тому переважним є основний виток багатокутної форми, що складається з прямих стрижнів, зістикованих торцями і зварених згідно з кутом, що відповідає вибраному багатокутнику. Виток квадратної форми простий у виконанні, але не є оптимальним. Шестикутник більше наближається до кола і не дуже складний з точки зору промислового виготовлення. Крім того, його перевага полягає в тому, що знижуються електромагнітні напруги в кутах. Можна передбачити також витки складнішої форми, наприклад, восьмикутника. При цьому вартість виготовлення буде в цьому випадку вищою через більше число зварних сполук. Виготовлення простої котушки типу соленоїда не дозволяє дотриматись коефіцієнтів форми моделі Брукса, так щоб відповідати рівнянню 2А=3С (де А - середній радіус котушки і С сторона квадрата, що утворює півсекцію котушки в площині перерізу, в якій знаходиться її вісь). Насправді це вимагало б використовувати профілі дуже сплощеного перерізу, які насилу можуть бути виконані при промисловому виробництві. Котушки типу соленоїда, коли вони виконані в формі охолоджуваних за допомогою каналів профілів (або стрижнів), виходять дуже високими і великого діаметра. Та обставина, що окремі котушки (обмотки) взаємно зістиковані одна з іншою і з'єднані послідовно, згідно з запропонованим винаходом, дозволяє теоретично наблизитися до моделі Брукса (2А=3С, як визначено вище). На практиці може бути достатнім відношення: 3А≤6В≤5А. Використовувані електропроводи виготовлені, наприклад, з екструдованого алюмінію. Може бути використана також мідь або інший електропровідний матеріал. Оскільки стрижні порожнисті, всередині є канали, які забезпечують рециркуляцію охолоджуючого середовища. Котушка згідно з винаходом може мати один контур охолоджування, загальний для кожної обмотки. Однак найкращі результати досягаються, якщо кожна обмотка має власний контур охолоджування. При цьому контури охолоджування з'єднують паралельно. Намотування може здійснюватися зверху вниз, або зсередини назовні, або також іншим способом. Важливо зберегти однаковий напрямок намотування обмоток. На фіг. 2 зображений вигляд в розрізі котушки індуктивності згідно із запропонованим винаходом, при цьому розріз проходить в площині, що містить вісь котушки. Котушка індуктивності 20 містить в представленому прикладі три коаксіальні обмотки: зовнішню обмотку 21, центральну обмотку 22 і внутрішню обмотку 23. Кожна обмотка містить в цьому прикладі п'ять витків в формі багатокутника (наприклад, шестикутника). Півсекція 24 котушки має висоту В і ширину С. Вона розташована на середньому віддаленні А відносно осі котушки. У котушці передбачені прокладки з електроізоляційного матеріалу, щоб підтримувати витки обмоток і щоб відділити обмотки одну від іншої. Щоб відповідати вимогам моделі Брукса, роблять так, що В=С, тобто півсекція 24 являє собою квадрат. Аналогічним чином підбирають А і В так, що 3А≤6В≤5А. Для котушки індуктивності згідно з запропонованим винаходом констатують зменшення на 40 % ваги котушки, зниження на 25 % теплових втрат і меншу в три рази висоту в порівнянні з котушкою, згідно з попереднім рівнем техніки, що складається з простого соленоїда, при однаковій величині індуктивності і аналогічним перерізом стрижня. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 60 1. Котушка індуктивності (20) великої потужності з повітряним осердям, утворена намотуванням порожнистих стрижнів з електропровідного матеріалу, яка відрізняється тим, що містить щонайменше дві обмотки (21, 22, 23), розташовані коаксіально і розміщені одна в іншій, при цьому обмотки з'єднані послідовно, так що зберігають однаковий напрямок намотування, при цьому котушка індуктивності має середній радіус А, півсекцію (24) в площині, яка проходить поздовжньо і містить вісь котушки, яка має форму квадрата зі стороною В, так що задовольняє відношення: 2A  6B  6A . 2. Котушка індуктивності за п. 1, в якій обмотки утворені багатокутними витками. 3. Котушка індуктивності за п. 2, в якій обмотки утворені шестикутними витками. 4. Котушка індуктивності за будь-яким з пп. 1-3, в якій порожнисті стрижні виконані з алюмінію або міді. 5. Котушка індуктивності за будь-яким з пп. 1-4, в якій котушка містить три обмотки (21, 22, 23), при цьому кожна обмотка містить п'ять витків. 6. Котушка індуктивності за будь-яким з пп. 1-5, в якій порожнисті стрижні утворюють канали для рециркуляції охолоджуючого середовища, при цьому кожна обмотка має свій власний контур охолоджування. 2 UA 107710 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3