EA029696B1 - Соединитель для использования в энергораспределительной системе - Google Patents

Abstract

В изобретении описан новый соединитель, корпус соединителя и ферритовый сердечник, а также сопутствующие элементы и концепции для использования, в частности, в системе индуктивной передачи мощности или энергораспределительной системе.

Description

изобретение относится к соединителю для использования в энергораспределительной системе, более точно, для использования в энергораспределительной системе переменного тока высокой частоты. Указанный соединитель используется как средство индуктивной подачи мощности источника питания на нагрузку.

В заявке νθ 2010/106375 описана энергораспределительная система. Соединитель, описанный в настоящей заявке, идеально применим для этой энергораспределительной системе.

В заявке νθ 2010/106375 описан соединитель для использования в описанной в ней энергораспределительной системе. Тем не менее, соединитель согласно νθ 2010/106375 имеет недостатки с точки зрения его КПД и простоты установки в указанной энергораспределительной системе. В настоящем изобретении предложен значительно усовершенствованный соединитель, различные характеристики которого оптимизированы с целью повышения КПД и, в частности, простоты установки. В нём также обеспечены другие требования, такие как чистота контактирующих поверхностей трансформатора, состоящего из двух или более частей, с целью оптимизации способности к передаче мощности.

При распределении мощности в форме переменного тока высокой частоты или напряжения желательно ограничивать индуктивность цепи переменного тока высокой частоты (переменного ТВЧ) (которая вызывает повышение напряжения цепи и затрудняет эффективное регулирование тока) и сводить к минимуму её способность к генерированию сильного переменного магнитного поля (сильного поля), являющегося источником потерь и помех. Обе эти задачи решаются, если прямой и обратный пути переменного ТВЧ являются почти идентичными. Этому требованию удовлетворяет витая пара (известная из уровня техники) с непрерывным вращением её слабого магнитного поля, за счёт чего сильное поле дополнительно ослабляется путём нейтрализации на небольшом расстоянии, и обеспечивается простое разделение проводов при эксплуатации.

В настоящее время высокоэффективными и хорошо регулируемыми соединителями являются неразделяемые сердечники трансформатора, например тороиды, которые способны гарантировать постоянную и достаточную магнитную производительность. Через их центр должен быть пропущен несущий переменный ТВЧ провод. Это не согласуется с требованиями к возможности быстрой установки и обслуживания. Особо затруднительным является удаление отказавшего элемента в цепи таких элементов связи.

Мощность, которая может передаваться соединителем с использованием в качестве первичной обмотки только одного или двух витков кабеля переменного ТВЧ, пропорциональна току в этом кабеле. Соединители обеспечивают хорошую передачу мощности за счёт использования очень сильных контурных токов. Эти сильные токи усугубляют все ранее упомянутые недостатки, связанные с потерями и помехами от переменного ТВЧ. В случае сильных рабочих токов токовым контурам присущи высокие статические потери в кабелях, что наносит дополнительный ущерб системе. Он становится ещё большим на высоких частотах, когда вследствие поверхностного эффекта потери в проводах большого диаметра увеличиваются пропорционально площади их поперечного сечения. Более слабые токи с использованием более тонких проводов обеспечивают значительно лучшее соотношение затрат и производительности кабельной сети.

При конструировании сердечников трансформаторов связи требуется решать задачу создания разделяемого сердечника трансформатора, который способен работать с витой парой и обеспечивать существенную передачу мощности лишь при умеренных контурных токах. Для достижения этих характеристик необходимы подходящие геометрические формы, материалы и технологии, обеспечивающие исключительную индуктивность и площадь поперечного сечения, а также соответствующие меры устранения загрязнения и последствий многократного использования с целью устранения несоответствий этим необходимым магнитным характеристикам.

Для облегчения понимания настоящего изобретения и его дополнительных признаков далее в качестве примера описаны варианты его осуществления со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

на фиг. 1 показана блок-схема энергораспределительной системы,

на фиг. 2 и далее показан соединитель согласно настоящему изобретению и его соответствующие компоненты.

В энергораспределительной системе, показанной на фиг. 1, используется витая пара удлинённых проводников 3А, 4А одиночного контура из изолированного провода, сложенного вдвое и скрученного в виде витой пары 2А. Свободные концы 5А, 6А проводников 3А, 4А находятся вблизи друг друга и соединены с источником 7А питания от сети переменного тока высокой частоты.

Источник 7А питания от сети переменного тока высокой частоты предпочтительно преобразует сетевое электричество с напряжением 110 или 240 В переменного тока и частотой приблизительно 50 или 60 Гц или в диапазоне от 47 до 63 Гц в мощность переменного тока высокой частоты приблизительно 50 кГц, но не ограничивается ею. Источник питания от сети переменного тока высокой частоты предпочтительно регулируется или ограничивается по току.

Источник питания от сети переменного тока высокой частоты предпочтительно обеспечивает напряжение от около 150 В до 1 кВ на рабочей частоте более 10 кГц, но не ограничивается ими. Рабочая

- 1 029696

частота предпочтительно составляет от 10 до 200 кГц, наиболее предпочтительно 50 или 60 кГц. Контур, образованный витой парой 2А, служит витком катушки трансформатора, которая соединена с источником 7А питания от сети переменного тока высокой частоты.

В энергораспределительную систему 1А входит разветвитель 10 мощности, в данном случае "соединитель", который содержит ферритовый сердечник 12 в виде разделяемого ферритового элемента, который действует как трансформатор. Особенности настоящего изобретения относятся к ферритовому элементу, соединителю и корпусу соединителя, в котором могут размещаться другие элементы.

На фиг. 2 показан соединитель 10 согласно настоящему изобретению. Соединитель 10 имеет корпус с выполненной в нем выемкой 11, в которой размещается состоящий из двух частей ферритовый сердечник 12 для использования в качестве трансформатора. Состоящий из двух частей ферритовый сердечник 12 состоит из верхней половины и нижней половины. Нижняя половина ферритового сердечника 12 предпочтительно установлена на металлическом основании. Поскольку металлическое основание с возможностью передачи тепла связано с ферритовым сердечником 12, в процессе эксплуатации ферритовый сердечник 12 отдает тепло металлическому основанию. В некоторых вариантах осуществления к металлическому основанию прикреплен теплоотвод для дополнительного отвода тепла от металлического основания. Соответственно металлическое основание и необязательный теплоотвод отводят тепло от ферритового сердечника 12, позволяя соединителю действовать на более высоком уровне мощности. На фиг. 9 проиллюстрирован один из предпочтительных вариантов осуществления состоящего из двух частей ферритового сердечника.

Контур, образованный витой парой 2А, служит одновитковой катушкой трансформатора, а в ферритовом сердечнике, размещающемся в выемке корпуса соединителя, находится пара проводов.

На состоящем из двух частей ферритовом сердечнике установлено зажимное приспособление 13, которое непосредственно размещает сердечник в выемке.

В одном из вариантов осуществления зажимное приспособление представляет собой подпружиненный металлический палец 13. В одном из вариантов осуществления указанный палец 13 предпочтительно выполнен в виде подпружиненного консольного пальца, имеющего свободный один конец и ограничивающего верхнюю поверхность фиксирующего элемента, который удерживает сердечник в выемке 11. Хотя показано, что один конец пальца является консольным, оба конца пальца 13 также могут быть прикреплены к корпусу соединителя и обеспечивать установку пружинного мостика в требуемом положении над ферритовым сердечником. Оба конца пальца 13 предпочтительно прикреплены к корпусу соединителя, а палец 13 имеет преимущественно И-образную форму в поперечном разрезе. Указанный палец 13 выполнен с возможностью к упругой деформации при прижимании его к верхней поверхности верхней части разделяемого ферритового сердечника 12.

В одном из вариантов осуществления посередине обратной стороны пальца 13 находится небольшой закругленный выступ, входящий в выемку 11. Выступ на пальце помещается в закругленной ямке 15 на верхней поверхности ферритового сердечника 12 и служит для установки ферритового сердечника точно под пальцем, сжатия вместе двух частей ферритового сердечника и его установки в выемке 11.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления обратная сторона пальца 13 представляет собой удлинённый и-образный участок, заменяющий описанный выше закругленный выступ. Удлинённый и-образный участок входит в удлинённый канал 15а на верхней поверхности состоящего из двух частей ферритового сердечника 12. Удлинённый и-образный участок распределяет упругое усилие, прилагаемое пальцем 13, по большей части длины верхней поверхности состоящего из двух частей ферритового сердечника 12. Соответственно, удлинённый И-образный участок не оказывает давления на отдельную точку ферритового сердечника 12. Соответственно, повреждение ферритового сердечника 12 со стороны И-образного участка является менее вероятным, чем в других конструкциях, в которых давление оказывается на отдельную точку ферритового сердечника. Удлинённый И-образный участок также совмещён в продольном направлении с удлинённым каналом на верхней поверхности ферритового сердечника 12 и удерживает ферритовый сердечник 12 на одной оси с пальцем 13 и корпусом. Соответственно, И-образный участок пальца 13 повышает вращательную стабильность верхней половины состоящего из двух частей ферритового сердечника 12.

Обе части ферритового сердечника 12 соединяются непосредственно друг с другом усилием, прилагаемым подпружиненным пальцем 13. В процессе работы, включая работу на высоких частотах, может происходить магнитострикция феррита, которая изменяет, иногда быстро, его форму и приводит к вибрации и в некоторых случаях к слышимому шуму, в особенности, в процессе работы или при прерывании работы на более низких частотах или более низких частотах в диапазоне высоких частот, как в случае уменьшения силы света осветительных устройств, подключенных к выходу соединителя.

Подпружиненный палец 13 прижимает друг к другу две части ферритового сердечника и предотвращает такой шум и/или вибрацию.

Ферритовый сердечник 12 имеет состоящую из двух частей конструкцию, предпочтительно содержащую Е-образный сердечник с двумя выполненными в нём предпочтительно параллельными каналами для проводов 2А первичной обмотки, а также вторичной обмотки соединителя. Е-образный сердечник покрыт Ь-образным сердечником, который установлен точно на Е-образном сердечнике, закрывает кана- 2 029696

лы и обеспечивает плоские гладкие поверхности контакта Ь-образного сердечника и вертикальных боковых стенок Е-образного сердечника. В одном из альтернативных вариантов осуществления, проиллюстрированном на фиг. 22, ферритовые части могут быть выполнены в виде И-образного сердечника и Ьобразного сердечника единой длины или с использованием только одного провода витой пары в качестве первичной обмотки. В таком альтернативном варианте осуществления шум в энергораспределительной системе обычно является более сильным, чем в варианте осуществления с использованием Е-образного сердечника и Ь-образного сердечника, в котором используются как прямой, так и обратный пути витой пары проводов в смежных положениях по длине ферритового сердечника. Такая предпочтительная конструкция с использованием Е-образного сердечника и Ь-образного сердечника обеспечивает более эффективную, менее зашумлённую и симметричную нагрузку на систему. Тем не менее, конструкция с использованием И-образного сердечника и Ь-образного сердечника повсеместно применима при очень низких скоростях передачи мощности от 0 до 5 Вт, которые могут быть выше при условии сравнительно короткого распределительного кабеля. Вместе с тем, короткий кабель потенциально уменьшает общую применимость всей энергораспределительной системы.

Для обеспечения максимальной производительности и способности передавать мощность важно, чтобы контактирующие поверхности обеих частей сердечника являлись плоскими и гладкими. В некоторых вариантах осуществления верхняя поверхность ферритового сердечника 12 содержит удлинённые каналы, боковым краям которых придана форма, облегчающая плавный вход выступа подпружиненного пальца 13 в каналы и выход из них. Например, в одном из вариантов осуществления канал или каждый канал имеет два удлинённых боковых края, один из которых расположен под более пологим углом, к плоской верхней поверхности ферритового сердечника 12, чем другой боковой край.

В дополнительных вариантах осуществления верхняя поверхность ферритового сердечника 12 не является плоской. В этих вариантах осуществления верхняя поверхность ферритового сердечника 12 имеет приподнятые и опущенные области. В одном из вариантов осуществления области верхней поверхности, снабжённые удлинёнными каналами, приподняты, а окружающие их области опущены. Участки верхней поверхности между приподнятыми и опущенными областями наклонены, что позволяет выступу подпружиненного пальца 13 скользить между приподнятыми и опущенными областями и входить в каналы. Приподнятые области деформируют подпружиненный палец 13 в большей степени, чем опущенные области, в результате чего, когда выступ опирается на приподнятую область, подпружиненный палец 13 оказывает на ферритовый сердечник 12 большее давление, чем, когда выступ опирается на опущенную область. Как станет ясно из дальнейшего описания, ферритовый сердечник 12 сконфигурирован с возможностью скольжения относительно подпружиненного пальца 13. За счёт приподнятых и опущенных областей подпружиненный палец 13 оказывает на верхнюю поверхность ферритового сердечника 12 переменное давление, которое является большим, когда верхняя половина ферритового сердечника 12 совмещена с нижней половиной ферритового сердечника 12. Подпружиненный палец 13 оказывает на верхнюю поверхность меньшее усилие, когда верхняя и нижняя половины не совмещены и могут скользить относительно друг друга. Эта конструкция в увеличенном виде проиллюстрирована на фиг. 32.

Ямка или удлинённый канал на верхней поверхности Ь-образного сердечника должны быть максимально плоскими, неглубокими и гладкими, чтоб обеспечить максимальную производительность сердечника.

На фиг. 9 показан один из примеров сердечника. На фиг. 10 показана геометрическая форма и параметры состоящего из двух частей сердечника 12.

Предусмотрен необязательный вспомогательный трансформатор, если компоненты соединителя требуют изготовления на заказ. На фиг. 12 показан один из примеров сердечника вспомогательного трансформатора, а на фиг. 13 показан и способ его подсоединения к разводке соединителя.

На фиг. 5 показан размещающийся в выемке 11 сердечник 12 без проводов 2А, представляющих собой первичную обмотку основного трансформатора/соединителя.

На фиг. 7 показана печатная плата 19, смонтированная на основании корпуса соединителя. К печатной плате может быть прикреплена пара универсальных клеммных соединений 20 для подсоединения любого провода цепи постоянного тока, такого как провод в оплётке или многожильный провод без использования инструментов или специального монтажа. К печатной плате могут быть прикреплены соединительные элементы других типов, позволяющие в конечном итоге подавать мощность на светодиоды или другие светильники или осветительное оборудование.

На печатной плате размещена вторичная обмотка основного трансформатора/соединителя, а также пару удлиненных направляющих в основании каналов Е-образного сердечника. На печатной плате также необязательно размещена другая обмотка для использования с вспомогательным трансформатором, имеющим сердечник, такой как показан на фиг. 12, который может использоваться с другими компонентами печатной платы, как показано на фиг. 6. Могут быть предусмотрены другие средства размещения или соединения с вторичной обмоткой или вспомогательной вторичной обмоткой.

На фиг. 6 показан Е-образный сердечник основного трансформатора, расположенный под вторичной обмоткой в каналах Е-образного сердечника, но не показаны провода 2А. На фиг. 6 показан Ь- 3 029696

образный сердечник, установленный поверх Е-образного сердечника и зафиксированный на месте подпружиненным пальцем 13.

Соединитель поставляется с уже смонтированным Е-образным сердечником, который закреплён на корпусе соединителя путём соединения с основанием соединителя предпочтительно как механическими средствами, так и склеиванием. Поскольку основание соединителя предпочтительно состоит из металла, оно отводит тепло от ферритового сердечника 12. Соединение склеиванием может обеспечиваться с помощью двусторонней клейкой ленты марки 3М(™), такой как Р9460РС с обратной стороны Е-образного сердечника, обеспечивающей его крепление к основанию корпуса соединителя и точное совмещение с механическими направляющими. Как показано на фиг. 7, в основании корпуса соединителя предусмотрены прорези, которые могут использоваться для подачи ленты и тем самым её крепления к основанию клеем, а также путём механической деформации язычков на ленте. Прорези также показаны на фиг. 14.

В одном из дополнительных вариантов осуществления, проиллюстрированном на фиг. 6, используется Ь-образный сердечник с тремя точно разнесёнными по верхней поверхности ямками, как показано на фиг. 9, находящимися в скользящем контакте с подпружиненным пальцем 13.

Корпус соединителя снабжен выемками 16, которые совмещены с каналами в ферритовом сердечнике 12. Такой вариант осуществления проиллюстрирован на фиг. 8. Каждая из выемок 16 предпочтительно содержит по меньшей мере один выступ 17, которые соприкасается с вставленным в выемку проводом и удерживает его. В одном из вариантов осуществления выступ или каждый выступ представляет собой зуб или шип 17, который позволяет протягивать провод через выемку только в одном направлении. В одном из предпочтительных вариантов осуществления каждая выемка содержит множество выступов в виде остроугольных зубьев или шипов. В этих вариантах осуществления выступы удерживают соединитель в положении на проводах 2А. Выступы облегчают монтаж соединителя с проводами 2А, позволяя пользователю помещать провода 2А в выемки на одном конце соединителя, а затем натягивать провода 2А до того, как провода 2А войдут в выемки на другом конце соединителя. Соответственно, пользователь может натягивать провода 2А, чтобы они распрямились внутри каналов ферритового сердечника 12. При этом выступ удерживает провода 2А в натянутом состоянии и сводит к минимуму вероятность того, что провода 2А застрянут между двумя половинами ферритового сердечника 12 при их перемещении относительно друг друга. Подробности такого варианта осуществления проиллюстрированы на фиг. 33. В нём дополнительно предусмотрено, что выемки являются суженными, и когда в них вставляют провод, требуется некоторое усилие, чтобы преодолеть сопротивление сужения и протолкнуть провод через него в выемку (при заданном диаметре провода), после чего провод удерживается в выемке за счёт определенного механического сжатия. Упомянутые выступы 17, когда они предусмотрены, усиливают это механическое сжатие. Выемки необязательно могут использоваться без выступов, как описано в настоящем описании и показано на фиг. 15.

Фиксирующие элементы 18 каналов/выемок 16 (сужение, зубья/шипы или альтернативные элементы, такие как гребни 18 или любое сочетание этих элементов) обычно выгодно облегчают пользователю монтаж провода внутри канал Е-образного сердечника. Поскольку провод непосредственно удерживается с обоих концов (участка, находящегося внутри канала), он может вставляться в канал путём сжатия, если провод является достаточно прочным или жёстким. Этот проиллюстрировано на фиг. 34. Соответственно, провод не только непосредственно удерживается в канале, но также плотно и туго запрессовывается в канал, и остается вне пути скользящего перемещения Ь-образного сердечника на протяжении остального процесса установки.

Одна из особенностей настоящего изобретения заключается в конкретных параметрах размера ферритового сердечника и преимуществах, которые обеспечивают эти конкретные параметры. Из уровня техники могут быть известны сердечники с параметрами размеров в интервалах, аналогичных описанным в настоящем изобретении, но применение таких известных сердечников ограничено исключительно индуктивной фильтрацией кондуктивного излучения кабелей. По существу, их использование приводит к более высоким потерям, чем требуется в соответствии с настоящим изобретением. В отличие от этого, в настоящем изобретении в качестве материала сердечника предпочтительно используется феррит с низким уровнем потерь. Сердечник с такими параметрами, используемый в настоящем изобретении в качестве трансформатора, у которого имеется первичная обмотка и вторичная обмотка, обладает как новизной, так и изобретательским уровнем. Для реализации сопутствующей идеи разделяемого ферритового сердечника, у которого одновитковую первичную обмотку обеспечивает один участок провода из витой пары, проходящий через каждый зазор между плечами Е-образного сердечника, требуется сердечник, геометрическая форма которого обеспечивает высокую индуктивность на виток. Это объясняется тем, что максимальное напряжение у трансформатора с несколькими индуктивными обмотками ограничено индуктивностью, доступной до насыщения потока сердечника. Соответственно, с целью максимального переноса мощности вплоть до предельного насыщения потока с одновременным поддержанием эффективного регулирования нагрузки (т.е. постоянного соотношения выходного и входного токов в широком интервале нагрузок), должна обеспечиваться максимальная индуктивность с одновременным ослаблением нежелательных эффектов такой высокой индуктивности.

Индуктивность номинально нейтрализуется путём шунтирования с помощью конденсатора, резо- 4 029696

нирующего на рабочей частоте. Тем не менее, при очень низкой индуктивности возникают затруднения. Через резонансный контур с очень низкой индуктивностью и высокой компенсирующей ёмкостью протекает сильный циркулирующий ток, что приводит к высоким омическим потерям в резонансных компонентах и их разводке. Кроме того, такое сочетание при его реализации с использованием компонентов с наиболее низкими потерями в целях преодоления указанных затруднений будет иметь высокий показатель качества, следствием чего является высокая чувствительность выхода из-за допусков на компоненты или по частоте на входе, что нежелательно в рассматриваемой системе. В силу таких потерь и допусков низкая индуктивность неприемлема с точки зрения производительности, стоимости или стабильности. Соответственно, ферритовый сердечник с высокой индуктивностью даже с малым числом витков обеспечивает эффективную, рентабельную и надежную нейтрализацию, в результате снижается показатель качества контура, он становится устойчивым к колебаниям частоты и компонентов, уменьшается циркулирующий ток и потери. Тем самым обеспечивается эффективная стабильная связь, также устойчивая к колебаниям температуры.

Желательно также свести к минимуму объём сердечника с целью сведения к минимуму потерь вследствие магнитного потока. Потери в сердечнике быстро возрастают с увеличением плотности потока (В) нередко более чем вдвое; например, ΡΙ (потери мощности) = ΚιχΒ²’⁵. Сама плотность потока обратно пропорциональна числу N витков обмотки и площади поперечного сечения (Ае) линии магнитной индукции (В = К₂хУ/ЩхАе). Следовательно, в условиях энергораспределительной системы, в которых предпочтительно реализуется настоящее изобретение, когда число N витков (первичной обмотки) равно 1 в отличие от большего числа витков, обычно принятого в случае трансформаторов, уменьшение плотности потока может достигаться за счёт увеличения площади Ае поперечного сечения линии магнитной индукции.

Кроме того, с точки зрения затрат, а также требований к удобству всей энергораспределительной системы, в целом желательно, чтобы сердечник имел небольшой объём и, соответственно, небольшой расход материала и вес.

Соответственно, согласно одной из особенностей настоящего изобретения подбираются определенные геометрические формы с целью достижения особо желаемой конфигурации, при которой оптимизируется указанная система. В качестве иллюстрации, на фиг. 22 проиллюстрированы ключевые параметры типичного прямоугольного, состоящего из двух частей сердечника трансформатора. Аи означает площадь поперечного сечения обмотки, Ье означает длину линии магнитной индукции, а Ае означает площадь поперечного сечения сердечника. Как показано на фиг. 10, ферритовый сердечник согласно предпочтительному варианту осуществления фактически представляет собой пару расположенных рядом друг с другом сердечников.

Типичный известный из техники сердечник весом приблизительно 100 г с относительной диэлектрической проницаемостью 2000 имеет индуктивность около 5 микрогенри на виток. Для использования настоящего изобретения в условиях энергораспределительной системы, в которых оно предпочтительно реализуется, когда мощность в конечном итоге используется для приведения в действие светодиодов в системе освещения, предпочтительна на порядок большая величина индуктивности. Индуктивность пропорциональна Ае/Ье. Типичный известный из техники сердечник имеет Ае/Ье 0,002 м. В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения Ае/Ье составляет около 0,01 м, что дает приблизительно в 5 раз более высокую индуктивность на виток. Дальнейшее увеличение индуктивности по сравнению с типичными сердечниками достигается за счёт использования материалов с более высокой проницаемостью (относительной проницаемостью приблизительно 3000) и за счёт полировки контактирующих поверхностей обеих частей ферритового сердечника, предпочтительно путём притирки. За счёт этого может достигаться увеличение индуктивности (на виток) на порядок величины по сравнению с известным из техники сердечником.

Следует учесть, что выражение Ае/Ье не является безразмерным. Что касается безразмерного соотношения, может быть установлено соотношение между площадью поперечного сечения линии Ае магнитной индукции и площадью Аи поперечного сечения обмотки. Типичные известные из техники сердечники имеют соотношение Ае/Аи приблизительно 1. В отличие от этого сердечник согласно настоящему изобретению может иметь соотношение Ае/Аи около 5.

Соответственно в вариантах осуществления настоящего изобретения используется ферритовый сердечник необычной формы. На фиг. 9 и 10 проиллюстрирован один из предпочтительных вариантов его осуществления. Хотя Е-образный и Ь-образный ферритовые сердечники известны, но глубина (П плюс 12) такого сочетания известных Е-образного и Ь-образного сердечников превышает его ширину. Это объясняется тем, что в предыдущих сочетаниях Е-образного и Ь-образного сердечников требовалось размещать множество первичных обмоток. В примерах настоящего изобретения в каналах Е-образного сердечника размещена только одна первичная обмотка, и авторами было обнаружено, что сочетание Еобразного и Ь-образного сердечников с нестандартным соотношением сторон, когда ширина превышает глубину, обеспечивает выгодные результаты. Соответственно, в вариантах осуществления настоящего изобретения сочетание Е-образного и Ь-образного сердечников имеет ширину V, которая превышает его

- 5 029696

глубину (11 плюс 12) согласно обозначениям, используемым на фиг. 10 сопровождающих чертежей. В одном из конкретных примеров показанный на фиг. 10 сердечник имеет глубину 15 мм и ширину 34 мм. Глубина (11 плюс 12) предпочтительно составляет приблизительно 17 мм, при этом 11 = 6 мм, а 12 = 11 мм; ширина Υ составляет приблизительно 34 мм, а длина Ь составляет приблизительно 50 мм. Зги конкретные параметры приблизительно в этих соотношениях служат примером настоящего изобретения.

Соединение соединителя согласно настоящему изобретению с витой парой проводов, такой как показана на фиг. 1, является простой операцией, которая может быть выполнена неспециалистом без использования каких-либо инструментов.

Независимо от режима подачи питания из энергораспределительной системы посредством соединителя для электрического и механического соединения используется универсальное клеммное соединение. В одном из примеров нагрузкой является светодиодное освещение. В другом варианте осуществления яркость освещение от источника постоянного тока может уменьшаться, а в регулировочное отверстие в корпусе соединителя вставлен штекер с целью его электрического соединения с компонентами внутри корпуса соединителя, смонтированными на печатной плате. В этом варианте осуществления, контакты печатной платы предпочтительно расположены с одного края для обеспечения краевого соединения с внешним устройством, которое может разъёмно подсоединяться непосредственно к краевому соединителю. В другом варианте осуществления штекером может являться шина данных для манипулирования данными в энергораспределительной системе.

Провода 2А подсоединяются к соединителю в следующей последовательности.

Из проиллюстрированного на фиг. 5 положения Ь-образный сердечник плавно перемещается из-под подпружиненного пальца, преодолевая оказываемое давление со стороны выступа подпружиненного пальца 13, находящегося в центральной ямке, в положение над контактирующими поверхностями Еобразного сердечника, в котором одна из наружных ямок расположена под выступами подпружиненного пальца, как показано на фиг. 3. В показанном на фиг. 3 положении один из каналов Е-образного сердечника открыт, и в него может быть помещён один провод из проводов 2А. Как лучше показано на фиг. 15, на боковой стенке корпуса соединителя вблизи отверстий каналов Е-образного сердечника имеется суженное отверстие для фиксации провода, позволяющее проталкивать провод в канал и зажимать его боковыми стенками корпуса, когда он находится в правильном положении. Суженное отверстие непосредственно удерживает провода 2А в каналах Е-образного сердечника каналы в правильном положении, когда Ь-образный сердечник плавно отводят от соответствующего канала Е-образного сердечника, чтобы канал раскрыть/открыть этот канал. После правильного размещения одного провода в канале Еобразного сердечника в правильном положении, показанном на фиг. 3, Ь-образный сердечник перемещают из его проиллюстрированного на фиг. 3 положения через показанное на фиг. 2 центральное положение в показанное на фиг. 4 третье положение, в котором открыт другой канал Е-образного сердечника, в котором таким же способом, как и в первом канале Е-образного сердечника через суженные отверстия в боковой стенке корпуса соединителя может быть правильно размещен второй из проводов. В положении, показанном на фиг. 4, выступ подпружиненного пальца входит в третью из ямок на верхней поверхности Ь-образного сердечника.

Затем Ь-образный сердечник возвращается в центральное положение, показанное на фиг. 2, путём скольжения по гладким контактирующим поверхностям Е-образного сердечника. Это положение является рабочим положением соединителя в процессе его эксплуатации.

Следует учесть, что соединитель имеет три положения фиксации, определяемые положением ямок на верхней поверхности сердечника 12. Ямки необязательно должны находиться на верхней поверхности сердечника, и могут находиться на боковых стенках сердечника и взаимодействовать с частями корпуса. В этом примере ямки взаимодействуют с выступом на подпружиненном пальце 13. В других примерах выступы могут находиться на верхней поверхности Ь-образного сердечника и могут представлять собой литые детали не из феррита, которые могут входить в соответствующие ямки аналогичной формы на обратной стороне подпружиненного пальца 13. За счёт взаимодействующих ямок и выступов обеспечивается фиксация Ь-образного сердечника и Е-образного сердечника в каждом из трёх положений: в рабочем положении, в котором Ь-образный сердечник установлен посередине поверх Е-образного сердечника; в первом сборочном положении, в котором в результате скольжения Ь-образного сердечника в одну сторону обнажается один канал Е-образного сердечника; и во втором сборочном положении, в котором обнажается другой канал Е-образного сердечника.

Скольжение Ь-образного сердечника относительно Е-образного сердечника более выгодно, чем использование состоящего из двух частей шарнирного или раскладного ферритового сердечника, поскольку на контактирующих поверхностях феррита может накапливаться грязь или посторонние частицы, что может снижать производительность. В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения за счёт скользящего перемещения может поддерживаться чистота поверхностей феррита. Скользящее перемещение Ь-образного сердечника относительно Е-образного сердечника обеспечивает очистку контактирующих поверхностей, в особенности в процессе установки, и тем самым повышает производительность феррита.

Общий размер соединителя, т.е. площадь основания, предпочтительно составляет около 60 на 60

- 6 029696

мм. В другом примере используется соединитель шириной 70 мм (согласно обозначениям, используемым на фиг. 10), длиной Ь 66 мм и толщиной 17,6 мм без учёта универсальных клеммных соединений. На фиг. 16-19 проиллюстрированы пример осуществления соединителя в собранном виде и готового к применению.

На фиг. 20 и 21 показан Ь-образный сердечник, смещённый к соответствующим сторонам Еобразного сердечника, чтобы продемонстрировать соответствующие каналы Е-образного сердечника, и провода 2А, правильно размещённые в соответствующих каналах.

В описанных выше вариантах осуществления настоящего изобретения зажимное приспособление представляет собой подпружиненный металлический палец. Тем не менее, в других вариантах осуществления настоящего изобретения зажимное приспособление сконструировано иначе. В одном из вариантов осуществления зажимным приспособлением является рычаг, сконфигурированный с возможностью поднятия и опускания верхней половины ферритового сердечника 12 относительно нижней половины ферритового сердечника 12. В этом варианте осуществления две половины ферритового сердечника 12 отодвигаются друг от друга в отличие от варианта осуществления, в котором одна половина плавно перемещается, продолжая соприкасаться с другой половиной. В этом варианте осуществления контактирующие поверхности обеих половин ферритового сердечника 12 открываются, когда рычаг отодвигает верхнюю половину от нижней половины. Для предотвращения загрязнения контактирующих поверхностей когда они не соприкасаются друг с другом в этом варианте осуществления необязательно предусмотрен подвижный барьер в виде неопреновых планок 14, которые защищают края ферритового сердечника 12, но позволяют пропускать между провода 2А и размещать их в каналах ферритового сердечника 12. Такой вариант осуществления проиллюстрирован на фиг. 29. Могут использоваться другие материалы, такие как резина или пластмасса при условии, что они обеспечивают хороший эффект самоочищения при проталкивании между ними провода, как показано на фиг. 29.

В одном из дополнительных вариантов осуществления две половины ферритового сердечника 12 шарнирно соединены друг с другом. В этом варианте осуществления путём поворота двух половин относительно друг друга открывают ферритовый сердечник 12, чтобы поместить провода 2А в каналы ферритового сердечника 12. В этом или других вариантах осуществления может быть предусмотрено приспособление или продукт, позволяющий пользователю очищать контактирующие поверхности двух половин ферритового сердечника 12 с целью обеспечения оптимального контакта между ними. На фиг. 30 проиллюстрирован такой конкретный вариант осуществления с элементами соответствующей механической конструкции.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления палец 13 представляет собой перемычку или прижимную планку 13а, показанную на фиг. 23, 25 26, с закрепленными обоими концами. За счёт этого обеспечивается более равномерное усилие зажима, прилагаемое по длине Ь-образного сердечника. Необходимо, чтобы усилие, требуемое для смыкания друг с другом двух частей ферритового сердечника, находилось в соответствующем интервале, отвечающем следующим требованиям: во-первых, усилие зажима на нижнем конце должно быть достаточным для уменьшения магнитострикционного шума; вовторых, усилие зажима на верхнем конце должно быть не настолько большим, чтобы боковое усилие, необходимое для инициирования скольжения Ь-образного сердечника относительно Е-образного сердечника, превышало физические возможности среднего пользователя при установке соединителя в энергораспределительной системе описанным выше способом, или не настолько большим, чтобы какой-либо из компонентов соединителя мог быть повреждён в процессе эксплуатации. Авторами настоящего изобретения было обнаружено, что для сердечника с общей площадью контактирующих поверхностей около 1200 мм² верхний предел усилия зажима составляет приблизительно 10 кг, что без сомнения находится в пределах возможностей среднего пользователя. При использовании других методов, некоторые из которых рассмотрены далее, усилие зажима может составлять всего 1 кг. Что касается давления на контактирующие поверхности, предпочтительный интервал составляет от 10 до 100 кПа. Интервал предпочтительно составляет от 60 до 100 кПа. Более предпочтительно давление составляет от 60 до 80 кПа или приблизительно 80 кПа.

В идеале способ зажима осуществляется путём приложения усилия равномерно по всей длине Ьобразного сердечника. Тем не менее, этого очень сложно добиться. В одном из упомянутых вариантов осуществления изобретения, в котором усилие зажима со стороны пальца 13 или прижимной планки 13а прилагается преимущественно в одной точке в ямке и направлено на центральную часть Ь-образного сердечника по длине, как показано на фиг. 24, на изгибающихся концах Ь-образного сердечника возникает вибрация вследствие магнитострикционного усилия. На фиг. 25 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором прижимная планка 13а установлена на месте. На практике это обычно приводит к зажиму концов Ь-образного сердечника, тогда как центральная часть Ь-образного сердечника обычно изгибается и вибрирует. Необходим усовершенствованный способ приложения усилия зажима к Ьобразному сердечнику со стороны пальца 13 или прижимной планки 13 а. Авторами было неожиданно обнаружено, что существуют две показанных на фиг. 27 точки 21 наилучшего воздействия, и, если на них сосредоточено усилие зажима, вибрация при заданном усилии зажима или давлении эффективно сводится к минимуму. В свою очередь, эти точки входят в более крупную область наилучшего воздейст- 7 029696

вия, ограниченную линией 23 на фиг. 27. Эти точки 21/область 23 наилучшего воздействия обычно находятся в пределах линий, ограничивающих 25 и 75% площади ферритового сердечника. На фиг. 26а проиллюстрирован один из предпочтительных способов достижения этого, когда между прижимной планкой и Ь-образным сердечником помещают прокладку 22, края которой достигают или перекрывают точки 21/область 23 наилучшего воздействия. На фиг. 26Б проиллюстрирован один из альтернативных вариантов осуществления, в котором прокладка составляет единое целое с прижимной планкой. В одном из дополнительных альтернативных вариантов осуществления сам Ь-образный сердечник составляет единое целое с прокладкой.

В еще одном из дополнительных предпочтительных вариантов осуществления Ь-образный сердечник содержит направляющую 25, прикрепленную к его верхней поверхности, как показано на фиг. 28. Эта направляющая может иметь множество назначений. Она может служить описанной прокладкой или может содержать её. Кроме того, она может перекрывать края Ь-образного сердечника и придавать краям Ь-образного сердечника способность скользить внутри канала, служащего для плавного перемещения Ьобразного сердечника. Это выгодно, когда края канала могут состоять из более мягкого материала, такого как пластмасса, а края Ь-образного сердечника могут быть острыми и царапать края канала под действием крутящего момента, приложенного к Ь-образному сердечнику. Такая пластмассовая направляющая способна скользить по каналу с меньшим трением и одновременно сохранять желаемое пространственное расположение Ь-образного сердечника относительно Е-образного сердечника, т.е. перпендикулярно направлению скольжения и параллельно Е-образному сердечнику. Это в особенности выгодно, когда ферритовый сердечник изготовлен путём спекания прессованной детали, и готовые ферритовые детали имеют относительно высокие допуски вследствие усадки в процессе спекания, которая обычно может достигать около 20%.

Дополнительным преимуществом направляющей 25 является то, что в этом случае верхняя часть ферритового сердечника, к которой она прикреплена, может иметь только одну поверхность скольжения, т.е. контактирующую поверхность. Все остальные поверхности, по которым требуется скольжение, могут являться частью направляющей. Соответственно, сводится к минимуму вероятность повреждения подвижной скользящей Ь-образной части ферритового сердечника.

Кроме того, направляющей 25 может являться элемент, в котором выполнены ямки или удлинённые каналы, как описано ранее, что делает излишним наличие таких элементов у самого ферритового сердечника и устраняет возможность сопутствующего снижения производительности сердечника.

Как указано в настоящем описании, предпочтительно, чтобы контактирующие поверхности сочетания Е-образного и Ь-образного сердечников были хорошо отполированы, предпочтительно притёрты и максимально плотно смыкались при контакте друг с другом с целью повышения производительности индуктора. При этом увеличивается индуктивность и ограничивается возникновение магнитострикционного шума. Одной из особенностей настоящего изобретения является эффект самоочищения, достигаемый за счёт того, что Ь-образный сердечник способен скользить по Е-образному сердечнику, что помогает обеспечивать чистоту поверхностей. Чистота контактирующих поверхностей также важна, поскольку любая грязь на поверхности создает помехи для контакта поверхностей и также снижает производительность.

Авторами было обнаружено, что одной из конкретных и отчасти неожиданных проблем являются отпечатки пальцев, оставляемые на контактирующих поверхностях. Отпечатки пальцев содержат различные вещества, включающие липиды, масляные триглицериды и восковые сложные эфиры холестерина и т.п. Эти вещества обычно не удаляются целиком даже за счёт эффекта самоочищения согласно настоящему изобретению. Было обнаружено, что восковые вещества, присутствующие на гладких притертых поверхностях, в особенности, при низких температурах окружающей среды, склеивает притертые поверхности, что может создавать особую проблему, поскольку это препятствует скольжению, которое является одним из признаков настоящего изобретения.

Известно, что сами притертые поверхности, будучи визуально гладкими, обычно не являются абсолютно гладкими в самом мелком масштабе. Типичная поверхность является гладкой, вероятно, в лучшем случае на 30%, при этом поверхность является гладкой, если глубина неровностей или пор не превышает 1 мкм. Остальная поверхность может содержать поры глубиной до 10 мкм или более.

Было неожиданно обнаружено, что предварительная обработка притертых поверхностей очень маленькими количествами маловязкого силиконового масла обеспечивает длительную защиту от загрязнения отпечатками пальцев. Масло препятствует приклеиванию содержащегося в отпечатках пальцев воска, который легко удаляется за счёт эффекта самоочищения скользящего Ь-образного сердечника. Эта защита сохраняется даже после большого числа самоочищений и даже после протирания поверхностей другими материалами, таким как ткань. Предусмотрено, что небольшое количество масла удерживается более глубокими порами "негладкой" поверхности даже после удаления масла с гладких частей поверхности. Это небольшое количество сохраненного масла служит запасом, который обеспечивает исключительную тонкую пленку масла, образующуюся на гладкой поверхности в процесс последующего самоочищения.

Было обнаружено, что в результате этой обработки также выгодно уменьшается магнитострикци- 8 029696

онный шум за счёт улучшения газонепроницаемости на периферии контактирующих поверхностей и повышения атмосферного давления закрытия, что увеличивает вязкость между поверхностями. Ещё более удивительно, что присутствие масла не снижает производительность сердечника, когда он действует как индуктор. Толщина пленки под давлением с учётом умеренного нагрева сердечника в процессе эксплуатации является достаточно малой, чтобы заметно изменять эффективную индуктивность сердечника в сборе. Эти желаемые эффекты также обеспечивают другие маловязкие масла с широким интервалом рабочих температур, такие как алканы с цепью средней длины. Также может использоваться обработка ПТФЭ или графитом.

На фиг. 31а и 31б проиллюстрирован один из альтернативных вариантов осуществления состоящего из двух частей ферритового сердечника. Видно, что в этом варианте осуществления используется пара Р-образных сердечников. Преимущества этого варианта осуществления состоят в том, что для формирования всего сердечника требуется изготовить лишь две одинаковых, а не различающихся части, что потенциально сопровождается снижением затрат. Кроме того, когда сердечник находится в открытом положении (фиг. 31б), оба провода витой пары проводов могут быть вставлены в соответствующие прорези за одну операцию, что делает излишним перемещение верхней части сердечника сначала в одну сторону, а затем в другую сторону, как описано в других вариантах осуществления изобретения, и тем самым потенциально упрощается операция установки.

На фиг. 35 проиллюстрирован один из дополнительных альтернативных вариантов осуществления состоящего из двух частей ферритового сердечника. Его можно описать как осесимметричный сердечник. Он, в частности, применим, когда части сердечника должны быть полностью разделяемыми, как показано на фиг. 30.

На фиг. 36 проиллюстрирован один из дополнительных альтернативных вариантов осуществления способов зажима. В этом конкретном варианте осуществления поверх ферритового сердечника установлена прижимная планка 26. По меньшей мере на одном конце прижимной планки имеется рычаг 28, обеспечивающий поворот планки и двух прикреплённых к ней эксцентриковых кулачков 27. Два кулачка предпочтительно расположены в упомянутой ранее зоне 21 наилучшего воздействия и внутри канала или канавки 15а на верхней поверхности Ь-образного сердечника. При нахождении рычага в рабочем положении кулачки расположены ниже прижимной планки и давят вниз своей большей частью на верхнюю Ь-образную часть ферритового сердечника. Пружина 29 давит вниз на саму прижимную планку, за счёт чего части сердечника удерживаются вместе под достаточным давлением для того, чтобы выдерживать скольжение Ь-образного сердечника и сводить к минимуму шум вследствие магнитострикции. При нахождении рычага в положении скольжения кулачки давят вниз на Ь-образный сердечник меньшей своей частью и с меньшей силой. При этом Ь-образный сердечник более восприимчив к давлению скольжения, хотя он перемещается в конкретные положения фиксации за счёт наличия дополнительных канавок или каналов на верхней поверхности Ь-образного сердечника, которые выгодно обеспечивают предпочтительные пределы перемещения Ь-образного сердечника. За счёт этого к ферритовому сердечнику может прилагаться переменное давление, которое увеличивается в процессе его использования в качестве трансформатора и уменьшается, когда система выключена и желательно выполнить монтаж или демонтаж, при этом за счёт меньшего давления пользователь может плавно перемещать верхнюю часть ферритового сердечника с сохранением определенного давления для удержания ферритового сердечника внутри соединителя и обеспечением соответствующего эффекта очистки контактирующих поверхностей за счёт перемещения, вызывающего самоочищение.

Используемые в описании и формуле изобретения термины "содержит" и "содержащий" и их разновидности означают включение конкретных признаков, стадий или целых чисел. Их не следует интерпретировать как исключающие другие признаки, стадии или компоненты.

Claims (24)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Ферритовый сердечник, состоящий из двух частей, в котором одна часть выполнена с возможностью скользить относительно другой части в одном направлении через центральное положение и открывать по меньшей мере один канал, и в другом направлении через центральное положение и открывать по меньшей мере один другой канал, при этом части непрерывно прижаты друг к другу и соприкасаются друг с другом, а при нахождении в центральном положении одна из частей сердечника перекрывает по меньшей мере два канала.
2. 2. Сердечник по п.1, в котором скольжение частей сердечника относительно друг друга обеспечивает самоочищающее и/или очищающее действие.
3. 3. Сердечник по п.1 или 2, в котором части прижимаются друг к другу и продолжают соприкасаться на протяжении перемещения одной части относительно другой части между заданными предпочтительными пределами перемещения.
4. 4. Сердечник по любому предшествующему пункту, представляющий собой Е-образный сердечник, в котором одна часть способна скользить относительно другой части и открывать один канал или другой канал в Е-образном сердечнике.

   - 9 029696
5. 5. Сердечник по любому предшествующему пункту, в котором контактирующие поверхности обеих частей притёрты и/или имеют неровности или поры глубиной не более 1 мкм.
6. 6. Сердечник по п.5, в котором притертые поверхности обработаны маловязким смазочным материалом.
7. 7. Сердечник по любому предшествующему пункту, в котором для принудительного прижатия друг к другу двух частей ферритового сердечника приложено усилие под давлением от 10 до 100 кПа, или от 60 до 100 кПа, или от 60 до 80 кПа, или приблизительно 80 кПа.
8. 8. Сердечник по любому предшествующему пункту, выполненный в виде сердечника трансформатора, в котором Ае означает площадь поперечного сечения линии магнитной индукции сердечника, а Ье означает длину линии магнитной индукции сердечника, отличающийся тем, что Ае/Ье значительно превышает 0,002 м.
9. 9. Сердечник по п.8, в котором Ае/Ье составляет от 0,005 до 0,015 м, или от 0,008 до 0,012 м, или приблизительно 0,01 м.
10. 10. Сердечник по любому предшествующему пункту, выполненный в виде сердечника трансформатора, в котором Ае означает площадь поперечного сечения линии магнитной индукции сердечника, а Аи означает площадь поперечного сечения сердечника обмотка, отличающийся тем, что Ае/Аи значительно превышает 1.
11. 11. Сердечник по п.10, в котором Ае/Аи составляет более 5, или более 10, или более 15, или приблизительно 20.
12. 12. Сердечник по любому предшествующему пункту, выполненный в виде сердечника трансформатора, в котором выполнена пара каналов, проходящих по его продольной оси, при этом длина сердечника превышает его ширину или высоту (перпендикулярно продольной оси).
13. 13. Сердечник по п.12, длина которого более чем на 10%, или более чем на 20%, или более чем на 30%, или более чем на 40%, или более чем на 50% превышает размер сердечника по другой ортогональной оси.
14. 14. Соединитель, содержащий корпус и сердечник по любому предшествующему пункту.
15. 15. Соединитель по п.14, в котором на корпусе или на одной из частей ферритового сердечника или на том и другом выполнен механизм фиксации, противодействующий перемещению одной из частей ферритового сердечника относительно корпуса.
16. 16. Соединитель по п.15, в котором механизм фиксации содержит выступ на корпусе или части сердечника и углубление на другой части сердечника или корпуса.
17. 17. Соединитель по любому из пп.15 или 16, в котором механизм фиксации расположен в заданном положении с целью точной фиксации одной части сердечника относительно другой части сердечника.
18. 18. Соединитель по п.17, в котором предусмотрено множество положений фиксации для предотвращения перемещения одной части сердечника относительно другой части сердечника из каждого из множества положений.
19. 19. Соединитель по любому из пп.14-18, который содержит пружинный механизм, прижимающий одну часть ферритового сердечника к другой части ферритового сердечника на протяжении перемещения одной части ферритового сердечника относительно другой части ферритового сердечника между двумя наиболее удалёнными из множества положений фиксации, в которых одна часть сердечника точно фиксируется относительно другой части сердечника.
20. 20. Соединитель по п.19, в котором одно перемещение одной части сердечника относительно другой части сердечника ограничено степенью открытия канала в одной части сердечника для размещения в нём обмотки, а другое перемещение ограничено степенью раскрытия другого канала в части сердечника.
21. 21. Соединитель по любому из пп.14-20, в котором корпус соединителя или часть корпуса соединителя непосредственно прижимает обе части ферритового сердечника друг к другу, когда они совмещены относительно друг друга в рабочем положении.
22. 22. Соединитель по любому из пп.14-21, в котором усилие, прилагаемое к ферритовому сердечнику, сосредоточено на точках или области наилучшего воздействия, когда части ферритового сердечника совмещены.
23. 23. Соединитель по любому из пп.14-22, в котором средство принудительного прижатия друг к другу двух частей сердечника содержит кулачковый механизм, посредством которого может прилагаться переменное усилие.
24. 24. Энергораспределительная система, содержащая по меньшей мере один соединитель по любому из пп.14-23.

    - 10 029696