PL211610B1 - Toroidalny element indukcyjny i sposób wykonania toroidalnego elementu indukcyjnego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest toroidalny element indukcyjny przeznaczony do stosowania w konwerterach DC/DC i DC/AC i sposób wykonania toroidalnego elementu indukcyjnego.

Konwertery DC/DC i DC/AC stanowią obecnie główny obszar zastosowań elementów ferrytowych. Dzięki możliwości pracy przy wielkich częstotliwościach współczesne konwertery umożliwiają transformację znacznie większych mocy na jednostkę masy konwertera aniżeli konwencjonalne transformatory z rdzeniem ferromagnetycznym. Konwertery małej mocy do 300 W są już powszechnie stosowane w sprzęcie biurowym: komputery, drukarki, kopiarki oraz sprzęcie RTV. Stymulacja przez rządy wielu krajów programów skierowanych na pozyskiwanie energii z tzw. odnawialnych źródeł energii wymusza konstrukcję wysokosprawnych konwerterów DC/AC (inverterów) przetwarzających pozyskaną energię elektryczną na trójfazowy prąd zmienny, którego parametry są kompatybilne z parametrami energii dostarczanej przez inne podmioty. Z uwagi na znaczne wartości przenoszonych mocy problem sprawności energetycznej jest szczególnie ważny i to nie tylko ze względu na straconą energię, która nie dotrze do odbiorcy, pomniejszając jednocześnie zysk dostawcy. Stracona energia w inverterze w postaci ciepła musi zostać wypompowana na zewnątrz urządzenia. Niepożądane ź ródło ciepła zwiększa gradienty temperatury wewnątrz urządzenia, co ma z kolei niekorzystny wpływ na trwałość i niezawodność urządzenia. Ponieważ transformowane moce są rzędu dziesiątek kilowatów, poprawa sprawności tylko o 1% (dla 10 KW) oznacza, że wyeliminowane zostało niepożądane źródło ciepła wewnątrz urządzenia o mocy 100 W.

Spośród znanych elementów indukcyjnych elementy z toroidalnym obwodem magnetycznym posiadają najmniejszy strumień rozproszenia. Z uwagi na kołowy kształt obwodu magnetycznego natężenie pola magnetycznego jest jednorodne. Pozwala to nie tylko na optymalne wykorzystanie właściwości materiału magnetycznego; jest również korzystne dla uzwojenia, ponieważ przy jednorodnym polu magnetycznym na uzwojenie nie działają żadne siły. Uzwojenie nie przemieszcza się, nie występują wibracje, nie występuje zmęczenie materiału uzwojenia. Elementy indukcyjne wykonane na bazie zwijanych z blachy toroidalnych obwodów magnetycznych przenoszą moce do 4 kW; ich wadą jest stosunkowo duża masa i znaczne gabaryty.

Z drugiej strony ferrytowe materiał y magnetyczne umoż liwiają proces transformacji energii przy wysokich częstotliwościach. Ponieważ transferowa moc jest iloczynem częstotliwości pracy i maksymalnej energii, którą może zgromadzić element indukcyjny uzyskuje się bardzo korzystny stosunek mocy transferowej do masy elementu indukcyjnego. Parametrem, który określa wartość przenoszonej mocy jest tzw. „współczynnik jakości” zdefiniowany jako iloczyn maksymalnej częstotliwości pracy i wartoś ci maksymalnej indukcji dla okreś lonego materiału magnetycznego, fmax x Bmax.

Zagadnieniem wymagającym szczególnej uwagi jest problem wytrzymałości elementu indukcyjnego na duże wartości prądu stałego płynącego przez uzwojenie. Zwłaszcza dławiki konwerterów DC/DC i inverterów muszą być wytrzymałe na duże wartości prąd stałego lub prądu zmiennego o niskiej częstotliwości. Zastosowanie szczeliny w obwodzie magnetycznym, powoduje zabezpieczenie obwodu magnetycznego przed nasyceniem i jednocześnie umożliwia zgromadzenie większej energii w elemencie indukcyjnym. Poprawę wymienionych parametrów uzyskuje się kosztem przenikalności magnetycznej. Wprowadzenie szczeliny w obwodzie magnetycznym jest przyczyną zaburzeń w rozkładzie pola magnetycznego, które z kolei sprawiają, że na uzwojenia będą działać dodatkowe siły, które poprzez wibracje mogą doprowadzić do zmęczenia materiału uzwojenia, uszkodzenia izolacji lub niepożądanych efektów akustycznych. Zatem obwód magnetyczny winien być tak zaprojektowany, aby obecność szczeliny nie powodowała zaburzeń w rozkładzie pola magnetycznego, zwłaszcza w otoczeniu uzwojenia, siły powstałe skutkiem niejednorodnego i zmiennego pola magnetycznego nie powinny powodować przemieszczenia lub wibracji elementów obwodu magnetycznego.

Amerykański patent nr US 4 047 138 Power Inductor and Transformer with Low Acoustic Noise Air Gap. ujawnia jeden ze sposobów rozwiązania tego problemu. Obwód magnetyczny według tego wynalazku ma zewnętrzny, prostokątny element magnetyczny, w którym w dwóch przeciwległych bokach wykonano współosiowo kołowe otwory, w których z kolei umiejscowiono końce centralnego elementu magnetycznego w kształcie walca. Wielkość szczelin w obwodzie magnetycznym określa różnica pomiędzy promieniem otworu i promieniem centralnego elementu magnetycznego w kształcie walca. Przy współosiowym ustawieniu centralnego elementu magnetycznego względem otworów siły działające na centralny element magnetyczny skompensują się, co skutecznie eliminuje wibracje akuPL 211 610 B1 styczne. Precyzyjne wzajemne ustawienie elementów magnetycznych ułatwiają dielektryczne pierścienie pozycjonujące.

Osobnym zagadnieniem jest problem odporności na udary i wibracje. Materiały ferrytowe jako spieki ceramiczne są kruche. Zazwyczaj przed uszkodzeniami kruche rdzenie magnetyczne zabezpiecza rozbudowany karkas, którego zewnętrzne wymiary przekraczają kontur materiału magnetycznego. Przykładowo podstawa karkasu w rozwiązaniu według wynalazku nr US 4 760 336 jest większa od zewnętrznych gabarytów rdzenia magnetycznego. Z kolei w rozwiązaniu według patentu nr US 4 424 504, w którym obwód magnetyczny obejmuje tylko część karkasu, zwię kszono odporność obwodu magnetycznego na udary przez zastosowanie pogrubionych profili w tych miejscach, gdzie karkas nie przekracza konturu rdzenia.

Wykonanie dużych kształtek odpowiednich do transferu mocy rzędu kilowatów stwarza dodatkowe problemy, ponieważ trudno jest utrzymać niejednorodne właściwości ceramicznego materiału ferroelektrycznego dla dużych objętości, przy liniowym skurczu ceramiki w procesie obróbki termicznej rzędu 20% i temperaturze procesu ok. 1300°C.

Istotą wynalazku jest toroidalny element indukcyjny, który ma co najmniej trzy jednakowe kształtki magnetyczne, gdzie każda kształtka magnetyczna jest wycinkiem fragmentu toroidu, a pomiędzy płaszczyznami kontaktowymi kształtek magnetycznych umiejscowione zostały przekładki separujące z materiału dielektrycznego, przy czym kształtki magnetyczne zostały dociśnięte za pomocą zacisku obwodowego z taśmy metalowej. Krawędzie obwodu magnetycznego osłonięte zostały za pomocą dwóch pierścieniowych kształtek izolacyjnych, które separują galwanicznie kształtki magnetyczne od uzwojenia. Element indukcyjny umieszczony jest w obudowie, której wolne przestrzenie wypełnia zabezpieczająca kompozycja dielektryczna.

Taśma metalowa stanowiąca zacisk obwodu magnetycznego ma przy jednym z końców dołączoną podkładkę miedzianą.

Podkładka miedziana co najmniej z jednej strony przekracza kontur zacisku obwodowego z taśmy metalowej.

Sposób wykonania toroidalnego elementu indukcyjnego według wynalazku polega na tym, że wcześniej przygotowane jednakowe kształtki magnetyczne, z których każda stanowi wycinek toroidu układa się w kształt pierścienia. Następnie, pomiędzy kształtki magnetyczne wkłada się przekładki separujące, po czym za pomocą taśmy metalowej ściska się obwodowo toroidalny obwód magnetyczny, a końce taśmy metalowej łączy się ze sobą, korzystnie, metodą zgrzewania lub spawania ponadto pomiędzy obwodem magnetycznym a ściskającą taśmą metalową, w miejscu, gdzie wykonuje się proces łączenia umieszcza się podkładkę miedzianą. Następnie, na toroidalny obwód magnetyczny nakłada się pierścieniowe kształtki izolacyjne. Po czym na tak zabezpieczony obwód magnetyczny nawija się uzwojenie, a po uzbrojeniu końców uzwojenia w niezbędne materiały izolacyjne i końcówki oraz sprawdzeniu wybranych parametrów elektrycznych, całość umieszcza się w polimerowej obudowie, a pozostałe wolne przestrzenie wypełnia się kompozycją dielektryczną.

Dzięki obecności wielu małych szczelin w obwodzie magnetycznym, których wielkość może być dobierana w celu uzyskania pożądanego oporu magnetycznego, segmentowy obwód wykonany z jednego rodzaju materiału umożliwia realizację obwodów dostosowanych do pracy przy obecnoś ci różnych wartości składowej stałej prądu. Ponieważ o wartości zadanej reluktancji obwodu magnetycznego decyduje sumaryczna długość wszystkich szczelin, zastosowanie wielu, równomiernie rozłożonych na całym obwodzie toroidu, małych szczelin umożliwia znaczne zmniejszenie zaburzeń pola magnetycznego. Zatem, siły działające na uzwojenie, będące skutkiem lokalnej niejednorodności pola są znacznie mniejsze. Ponadto, skutkiem rozłożenia wielu zaburzeń siły działające na fragmenty uzwojeń częściowo się kompensują.

Wynalazek w przykładzie wykonania uwidoczniono na rysunku przedstawiającym częściowo odkryty toroidalny element indukcyjny.

Toroidalny element indukcyjny zawiera osiem jednakowych kształtek magnetycznych 1, pomiędzy którymi umieszczono dielektryczne przekładki separujące 2. Ułożone pierścieniowo kształtki magnetyczne 1 ściska ze sobą taśma metalowa 3, której końce zostały ze sobą połączone metodą zgrzewania. Krawędzie toroidu osłaniają dwie pierścieniowe kształtki 4 polimerowe. Polimerowe kształtki 4 ułatwiają nałożenie uzwojenia 6 oraz stanowią dodatkową izolację pomiędzy kształtkami magnetycznymi 1 a uzwojeniem 6. Toroidalny element indukcyjny przed zewnętrznymi czynnikami środowiska zabezpieczają polimerowa obudowa 8 oraz wypełniająca wolne przestrzenie kompozycja dielektryczna 7.

PL 211 610 B1

Jednakowe kształtki magnetyczne 1, z których każda stanowi wycinek toroidu układa się w pierścieniowej kształtce pozycjonującej. Następnie, pomiędzy kształtki magnetyczne wkłada się przekładki separujące 2 z materiału dielektrycznego, po czym za pomocą obwodowego uchwytu przenosi się ściśnięte wraz z przekładkami kształtki magnetyczne 1 do urządzenia spinającego.

W urządzeniu spinającym za pomocą zacisku obwodowego 3 taśmy metalowej, do której wcześniej do jednego z końców metodą zgrzewania dołączono podkładkę miedzianą 5, ściska się obwodowo toroidalny obwód magnetyczny, a końce taśmy metalowej korzystnie łączy się ze sobą metodą zgrzewania. Następnie, na toroidalny obwód magnetyczny nakłada się pierścieniowe kształtki izolacyjne 4 i nawija się uzwojenie 6, a po uzbrojeniu końców uzwojenia w niezbędne materiały izolacyjne i końcówki oraz sprawdzeniu wybranych parametrów elektrycznych toroidalny podzespół umieszcza się w polimerowej obudowie 8, a pozostałe wolne przestrzenie wypełnia się kompozycją dielektryczną 7. Dociśnięcie segmentów rdzenia toroidalnego zapewnia zacisk obwodowy 3. Podkładka miedziana 5 pełni funkcję pomocniczą w procesie ściskania kształtek magnetycznych oraz w procesie zgrzewania końców taśmy metalowej. Dzięki zastosowaniu podkładki miedzianej 5 możliwa jest jednoczesna realizacja dwóch wertykalnych połączeń zgrzewanych zespalających końce taśmy metalowej. Duża przewodność elektryczna podkładki miedzianej 5 sprawia, że podczas procesu zgrzewania następuje korzystny rozkład linii prądu.

Prąd zgrzewania płynie od pierwszej elektrody wertykalnie poprzez pierwszy punkt styku końców taśmy metalowej do podkładki miedzianej 5, następnie horyzontalnie poprzez podkładkę miedzianą 5 i wertykalnie poprzez drugi punkt styku końców taśmy metalowej do drugiej elektrody. Dzięki miedzianej podkładce 5 następuje zmniejszenie rezystancji w zgrzewanym obwodzie oraz koncentracja wydzielonej energii cieplnej w dwóch, dokładnie określonych, obszarach zgrzewania.

Claims (4)

1. Toroidalny element indukcyjny, znamienny tym, że ma co najmniej trzy jednakowe kształtki magnetyczne (1), gdzie każda kształtka magnetyczna jest wycinkiem fragmentu toroidu, a pomiędzy płaszczyznami kontaktowymi kształtek magnetycznych (1) umiejscowione zostały przekładki separujące (2) z materiału dielektrycznego, przy czym kształtki magnetyczne (1) zostały dociśnięte za pomocą zacisku obwodowego (3) z taśmy metalowej, ponadto krawędzie obwodu magnetycznego osłonięte zostały za pomocą dwóch pierścieniowych kształtek izolacyjnych (4), które separują galwanicznie kształtki magnetyczne (1) od uzwojenia (6), ponadto toroidalny element indukcyjny umieszczony jest w obudowie (8), której wolne przestrzenie wypełnia zabezpieczająca kompozycja dielektryczna (7).

2. Toroidalny element indukcyjny według zastrz. 1, znamienny tym, że taśma metalowa stanowiąca zacisk obwodu magnetycznego (3) ma przy jednym z końców dołączoną podkładkę miedzianą (5).

3. Toroidalny element indukcyjny według zastrz. 2, znamienny tym, że dołączona podkładka miedziana (5) co najmniej z jednej strony przekracza kontur zacisku obwodowego (3) z taśmy metalowej.

4. Sposób wykonania toroidalnego elementu indukcyjnego, znamienny tym, że wcześniej przygotowane jednakowe kształtki magnetyczne, z których każda stanowi wycinek toroidu układa się w kształt pierścienia, następnie pomiędzy kształtki magnetyczne wkłada się przekładki separujące, po czym za pomocą taśmy metalowej ściska się obwodowo toroidalny obwód magnetyczny, a końce taśmy metalowej łączy się ze sobą, korzystnie, metodą zgrzewania lub spawania, ponadto pomiędzy obwodem magnetycznym a ściskającą taśmą metalową, w miejscu gdzie wykonuje się proces łączenia, umieszcza się podkładkę miedzianą, następnie na toroidalny obwód magnetyczny nakłada się pierścieniowe kształtki izolacyjne i na tak zabezpieczony obwód magnetyczny nawija się uzwojenie, a po uzbrojeniu końców uzwojenia w niezbędne materiały izolacyjne i końcówki oraz sprawdzeniu wybranych parametrów elektrycznych, całość umieszcza się w polimerowej obudowie, a pozostałe wolne przestrzenie wypełnia się kompozycją dielektryczną.