1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) B (11) 28522
(51) H01F 37/00 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
(21) 2012/1662.1
(22) 08.06.2011
(45) 15.05.2014, бюл. №5
(31) 1054595
(32) 10.06.2010
(33) FR
(85) 30.11.2012
(86) PCT/EP2011/059429, 08.06.2011
(72) ДЕВОТУР, Джоэль (FR); ГОРБЕЛ, Юссеф (FR)
(73) АЛЬСТОМ ТЕКНОЛОДЖИ ЛТД (CH)
(74) Русакова Нина Васильевна; Жукова Галина
Алексеевна; Ляджин Владимир Алексеевич
(56) JP S6012711 A, 23.01.1985
DE 2939647 A1, 23.04.1981
JP S57118613 A, 23.07.1982
(54) СГЛАЖИВАЮЩАЯ КАТУШКА
ИНДУКТИВНОСТИ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ
БЕЗ СЕРДЕЧНИКА
(57) Изобретение относится к катушкам
индуктивности высокой мощности (20) без
сердечника, выполненных путем намотки
пустотелых шин из электропроводящего материала.
Катушка содержит по крайней мере две
коаксиальные обмотки (21, 23), помещенные одна
внутри другой. Обмотки соединены
последовательно, так, чтобы соблюдалось
одинаковое направление намотки; катушка
индуктивности имеет средний радиус А,
полусечение в плоскости, содержащей ось катушки,
имеет прямоугольную форму со стороной В, где А и
В удовлетворяют следующему соотношению:
2А ≤ 6В ≤ 6А
(19)KZ(13)B(11)28522
2. 28522
2
Изобретение относится к катушкам
индуктивности высокой мощности без сердечника.
Такие катушки индуктивности используются,
например, в электроснабжении дуговых
электропечей постоянного тока.
Предпосылки изобретения.
В источниках электропитания для дуговых печей
постоянного тока используются катушки
индуктивности без сердечника, имеющие
индуктивность, лежащую в диапазоне от 100
микрогенри (мкГн) до 1 миллигенри (мГн). Такие
катушки могут пропускать токи до 70 килоампер
(кА).
Известно, что в электрических дуговых печах
используются катушки индуктивности,
представляющие собой однослойные соленоиды,
имеющие каркас квадратной или шестиугольной
формы.
В патенте JP 60 012711 (опубл. 23.01.1985) и в
патенте JP 57 118613 (опубл. 23.07.1982) описаны
катушки индуктивности без сердечника для
установок высокой мощности, сформированнных
пустотелыми шинами обмотки из проводящего
электрический ток материала
На Фиг.1 представлена схема включения в
электросеть дуговой печи постоянного тока.
Цифрой 1 обозначена дуговая печь, содержащая
обрабатываемый металлический материал 2. В
показанном примере печь 1 снабжена катодом 10 и
двумя анодами 11 и 12. Показаны две цепи
электропитания. Первая цепь содержит тиристорное
выпрямительное устройство 3, подключенное к
катоду 10 и аноду 11 через катушку индуктивности
L1. Вторая цепь содержит тиристорное
выпрямительное устройство 4, подключенное к
катоду 10 и аноду 12 через катушку индуктивности
L2. Катушки L1 и L2 представляют собой мощные
катушки без сердечников.
Увеличение мощности электрических дуговых
печей, устанавливаемых в последнее время, привело
к возрастанию постоянного тока, необходимого для
их питания, а также к повышению индуктивности
катушек без сердечников. Это приводит к
использованию огромных катушек и к
значительным джоулевым потерям. Такие катушки
индуктивности являются довольно громоздкими.
Это приводит к возникновению проблем с их
установкой, сборкой, охлаждением и т.д.
Краткое описание изобретения
Целью настоящего изобретения является
оптимизация катушек индуктивности для нагрузок
большой мощности, в частности, увеличивающая их
компактность, а также уменьшающая возрастающие
джоулевы потери, к которым приводит их
использование.
В настоящем изобретении предлагается катушка
индуктивности высокой мощности без сердечника,
которая выполнена путем намотки пустотелых шин
из проводящего электрический ток материала;
упомянутая катушка индуктивности
характеризуется тем, что она включает по крайней
мере две обмотки, размещенные коаксиально одна
внутри другой, обмотки соединены друг с другом
последовательно таким образом, чтобы сохранить
одно и то же направление намотки; катушка
индуктивности имеет средний радиус А, и
полусечение в плоскости, содержащей ось катушки,
имеет прямоугольную форму со стороной В, где А и
В удовлетворяют следующему соотношению:
2А ≤ 6В ≤ 6А.
Предпочтительно, чтобы обмотки
образовывались витками в форме многоугольников,
например, витками в форме шестиугольника.
Пустотелые шины могут быть выполнены из
алюминия или из меди.
Каждая обмотка из пустотелых шин,
образующих каналы, по которым может протекать
охлаждающая жидкость, может иметь свой
собственный охлаждающий контур для сохранения
напора охлаждающей жидкости.
Краткое описание рисунков
Для лучшего понимания изобретения и
выявления других его преимуществ и особенностей
дано описание неограничивающего примера со
ссылкой на сопровождающие его рисунки, в
которых:
• Фиг.1, описанная выше, представляет собой
пояснительную схему известного способа
включения электрической дуговой печи
постоянного тока;
• Фиг.2 представляет собой поперечное сечение
катушки индуктивности по настоящему
изобретению, поперечное сечение взято в
плоскости, содержащей ось катушки.
Подробное описание конкретных воплощений
Идея, лежащая в основе настоящего
изобретения, заключается в том, чтобы подогнать
обмотки (или отдельные катушки), находящиеся
одна в другой, так, чтобы сформировать единую
катушку, приближающуюся по свойствам к модели
катушки Брукса.
Катушка Брукса была предложена в 1931 г. для
оптимизации формы многослойных катушек,
выполненных из провода и имеющих витки в форме
окружности.
Катушка индуктивности без сердечника по
настоящему изобретению выполнена из пустотелых
шин большой площади поперечного сечения
(обычно порядка 20000 квадратных миллиметров
(мм2
)). Для любого витка катушки оптимальной
является форма окружности. Эта форма не
исключается из настоящего изобретения. Однако
такую геометрическую конфигурацию трудно
получить при использовании пустотелых шин
большой площади поперечного сечения. Поэтому
предпочтительной основной формой витка является
форма многоугольника, выполненная из прямых
шин, соединенных встык и сваренных вместе под
углом, соответствующим выбранному
многоугольнику. Витки квадратной формы просты в
исполнении, но не являются оптимальными.
Шестиугольная форма ближе к форме окружности и
не очень сложна для промышленного производства.
Кроме того, она имеет преимущества,
заключающиеся в уменьшении электромагнитных
сил на углах. Можно вообразить себе и другие,
3. 28522
3
более сложные формы витков, такие, например, как
витки в форме восьмиугольников. Однако тогда
стоимость производства будет выше из-за
увеличивающегося числа сварных швов.
Выполнение катушки в виде единой катушки
соленоидального типа не дает возможности
удовлетворить ограничениям для форм-фактора
модели Брукса с тем, чтобы выполнить условие 2А
= 3С (где А - средний радиус катушки, а С - боковая
сторона прямоугольника, соответствующего
полусечению катушки в плоскости, содержащей ее
ось). Это обстоятельство требует использования
довольно плоских элементов конструкции
фасонного профиля, изготовление которых в
промышленном производстве является довольно
трудной задачей. Катушки соленоидального типа,
если они выполнены из элементов фасонного
профиля (или шин) и если они охлаждаются по
имеющимся в них каналам охлаждения, будут иметь
очень большую длину и большой диаметр.
Путем выполнения сборки катушек (или
обмоток) одна-внутри-другой и путем их
последовательного соединения в соответствии с
настоящим изобретением теоретически возможно
достичь условий, удовлетворяющих оптимальной
модели Брукса (2А = 3С, как указано выше). На
практике приемлемым является просто
удовлетворение следующему условию:
3А ≤ 6В ≤ 5А.
Используемые в качестве примера проводящие
шины выполнены из экструдированного алюминия.
Возможно также использование меди или другого
электропроводящего материала. Так как шины
являются полыми, их внутреннее пространство
образует каналы, по которым может протекать
охлаждающая жидкость. Катушка по настоящему
изобретению может иметь единственную цепь
охлаждения, которая является общей для всех
обмоток. Однако лучших результатов можно
достичь, если каждая обмотка будет иметь свою
собственную цепь охлаждения. Такие цепи
охлаждения затем соединяются параллельно.
Катушка может иметь направление намотки
сверху вниз, или изнутри наружу, или быть
намотана другим способом. Важным моментом при
этом является сохранение одного и того же
направления намотки для всех ее витков.
На Фиг.2 показано поперечное сечение катушки
индуктивности по настоящему изобретению.
Поперечное сечение взято в плоскости, содержащей
ось катушки.
В этом воплощении катушка индуктивности 20
содержит три коаксиальные обмотки: наружную
обмотку 21, центральную обмотку 22 и внутреннюю
обмотку 23. В этом примере каждая обмотка имеет
пять витков в форме многоугольника (например, в
форме шестиугольника). Полусечение 24 катушки
имеет высоту В и ширину С. Оно находится на
среднем расстоянии А от оси катушки. Катушка
снабжена прослойками из электроизолирующего
материала для удерживания витков обмоток и для
отделения обмоток друг от друга.
Чтобы обеспечить соответствие условиям
модели Брукса, катушка устроена так, что В = С, т.е.
полусечение 24 - есть квадрат. По этой же причине
А и В выбраны такими, что 3А ≤ 6В ≤ 5А.
По сравнению с известной конструкцией
катушки в виде единого соленоида, имеющего
такую же индуктивность и такую же площадь
сечения шины, можно видеть, что катушка
индуктивности по настоящему изобретению дает
40% снижение веса катушки, 25% снижение
джоулевых потерь и имеет в три раза меньшую
высоту.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Катушка индуктивности высокой мощности
без сердечника (20), выполненная путем
наматывания пустотелых шин из
электропроводящего материала, характеризующаяся
тем, что она включает по крайней мере две обмотки
(21, 23), размещенные коаксиально одна внутри
другой, обмотки соединены друг с другом
последовательно таким образом, чтобы сохранить
одно и то же направление намотки, катушка
индуктивности имеет средний радиус А, и
полусечение (24) в плоскости, содержащей ось
катушки, имеет прямоугольную форму со стороной
В, где А и В удовлетворяют следующему
соотношению:
2А ≤ 6В ≤ 6А.
2. Катушка индуктивности по п.1, где обмотки
образованы витками в форме многоугольников.
3. Катушка индуктивности по п.2, где обмотки
образованы витками в форме шестиугольников.
4. Катушка индуктивности по любому из пунктов
1-3, где полые шины выполнены из алюминия или
из меди.
5. Катушка индуктивности по любому из пунктов
1-4, где катушка содержит три обмотки (21, 22, 23),
каждая обмотка имеет пять витков.
6. Катушка индуктивности по любому из пунктов
1-5, где пустотелые шины образуют каналы, через
которые может протекать охлаждающая жидкость,
каждая обмотка имеет свою собственную цепь
охлаждения.
