1. Регулируемая катушка индуктивности, включающая

первый и второй коаксиальные и концентрические трубчатые элементы, содержащие анизотропный материал, соединенные друг с другом у обоих торцов магнитными торцевыми соединительными элементами,

первую спиральную обмотку вокруг обоих магнитных трубчатых элементов и

вторую спиральную обмотку вокруг по меньшей мере одного магнитного трубчатого элемента,

где ось первой спиральной обмотки перпендикулярна оси по меньшей мере одного магнитного трубчатого элемента, а ось второй спиральной обмотки совпадает с этой осью,

где при подаче питания первая обмотка выполнена с возможностью генерации магнитного поля в первом направлении, которое совпадает с направлением первой магнитной проницаемости, а вторая обмотка выполнена с возможностью генерации магнитного поля во втором направлении, которое совпадает с направлением второй магнитной проницаемости, и где первая магнитная проницаемость существенно выше второй магнитной проницаемости.

2. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что анизотропный материал выбран из группы, состоящей из текстурированной силиконовой стали и текстурированной силиконовой стали с управляемыми доменами, обладающей высокой магнитной проницаемостью.

3. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что магнитные торцевые соединительные элементы изготовлены из анизотропного материала и выполнены с возможностью создания пути с низкой магнитной проницаемостью для магнитного поля, генерируемого первой обмоткой, и пути с высокой проницаемостью для магнитного поля, генерируемого второй обмоткой.

4. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит тонкий лист изоляции между торцами магнитных трубчатых элементов и торцевыми соединительными элементами.

5. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что объем магнитных торцевых соединительных элементов составляет 10-20% от объема магнитных трубчатых элементов.

6. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что объем магнитных торцевых соединительных элементов составляет 25-50% от объема магнитных трубчатых элементов.

7. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что направление магнитного поля, генерируемого первой обмоткой, является кольцевым направлением относительно оси по меньшей мере одного из магнитных трубчатых элементов.

8. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что направление магнитного поля, генерируемого второй обмоткой, является радиальным направлением относительно оси по меньшей мере одного из магнитных трубчатых элементов.

9. Сердечник для регулируемой катушки индуктивности, включающий первый и второй коаксиальные и концентрические трубчатые элементы, каждый из которых содержит анизотропный магнитный материал и задает ось, соединенные друг с другом у обоих торцов магнитными торцевыми соединительными элементами, причем сердечник имеет первую магнитную проницаемость в первом направлении, параллельном осям трубчатых элементов, и вторую магнитную проницаемость во втором направлении, которое является ортогональным по отношению к указанным осям, причем первая магнитная проницаемость существенно выше второй магнитной проницаемости.

10. Регулируемая катушка индуктивности по п.9, отличающаяся тем, что первый и второй трубчатые элементы изготовлены из тонколистового проката, имеющего край и покрытие из изоляционного материала.

11. Регулируемая катушка индуктивности по п.9, отличающаяся тем, что первый трубчатый элемент содержит первый слой, второй слой и зазор в третьем направлении, параллельном оси элемента, причем первый и второй слои соединены друг с другом посредством тонкого, микронной толщины, изолирующего слоя, расположенного между первым и вторым слоями.

12. Регулируемая катушка индуктивности по п.9, отличающаяся тем, что каждый из трубчатых элементов имеет воздушный зазор, расположенный в осевом направлении элементов, причем первое магнитное сопротивление первого элемента равно второму магнитному сопротивлению второго элемента.

13. Регулируемая катушка индуктивности по п.10, отличающаяся тем, что изоляционный материал выбран из группы, включающей материалы MAGNETITE-S и UNISIL-H.

14. Регулируемая катушка индуктивности по п.9, отличающаяся тем, что соединительные элементы имеют третью магнитную проницаемость в кольцевом направлении по отношению к осям элементов и четвертую магнитную проницаемость в радиальном направлении по отношению к осям элементов, причем четвертая магнитная проницаемость существенно больше, чем третья магнитная проницаемость.

15. Магнитное соединительное устройство для соединения друг с другом первого и второго коаксиальных и концентрических трубчатых элементов для создания магнитного сердечника для регулируемой катушки индуктивности, содержащее магнитные торцевые соединительные элементы, изготовленные из анизотропного материала, выполненные с возможностью создания пути с низкой проницаемостью для магнитного поля, создаваемого первой обмоткой при подаче электропитания, и пути с высокой проницаемостью для магнитного поля, создаваемого второй обмоткой при подаче электропитания.

16. Регулируемая катушка индуктивности по п.15, отличающаяся тем, что первый и второй трубчатые элементы выполнены из анизотропного материала, где магнитная проницаемость в направлении магнитного поля, генерируемого первой обмоткой, существенно выше магнитной проницаемости в направлении магнитного поля, генерируемого второй обмоткой, а магнитные торцевые соединительные элементы изготовлены из текстурированного листового металла, где поперечное направление соответствует направлению ориентации структуры трубчатых элементов в собранном сердечнике, а направление ориентации структуры соответствует поперечному направлению трубчатых элементов в собранном сердечнике для того, чтобы обеспечить насыщение торцевых элементов после трубчатых элементов.

17. Регулируемая катушка индуктивности по п.15, отличающаяся тем, что магнитные соединительные элементы выполнены из одинарного провода или из скрученного провода из магнитного материала.

18. Регулируемая катушка индуктивности по п.15, отличающаяся тем, что магнитные соединительные элементы изготовлены сворачиванием листа магнитного материала с образованием тороидальных магнитопроводов, форма и размеры которых подобраны таким образом, чтобы точно соответствовать трубчатым элементам; разделением полученных магнитопроводов на две половины вдоль плоскости, перпендикулярной направлению ориентации структуры материала; причем соединительные элементы имеют ширину, обеспечивающую возможность соединения первого и второго трубчатых элементов у их торцов посредством полученных сегментов.

19. Регулируемая катушка индуктивности по п.15, отличающаяся тем, что магнитные соединительные элементы выполнены из скрученного или одинарного провода из магнитного материала, свернутого с образованием тора и затем разделенного на две половины вдоль плоскости, перпендикулярной всем проводам.

20. Регулируемое индукционное устройство, содержащее замкнутую магнитную цепь, включающую первый и второй элементы магнитной цепи, где каждый из элементов магнитной цепи изготовлен из анизотропного материала, имеющего направление с высокой магнитной проницаемостью, первую обмотку, обернутую вокруг первого участка замкнутой магнитной цепи, и вторую обмотку, ориентированную ортогонально по отношению к первой обмотке, причем первая обмотка выполнена с возможностью генерации первого магнитного поля в направлении с высокой проницаемостью первого элемента цепи, а вторая обмотка выполнена с возможностью генерации второго поля в направлении, которое является ортогональным по отношению к направлению первого поля.

21. Регулируемое индукционное устройство по п.20, отличающееся тем, что первый элемент магнитной цепи является трубчатым, а второй элемент магнитной цепи представляет собой торцевой соединительный элемент.

22. Регулируемое индукционное устройство по п.21, отличающееся тем, что первый элемент магнитной цепи содержит два трубчатых элемента, расположенных коаксиально вокруг оси, а направление с высокой магнитной проницаемостью является кольцевым направлением относительно этой оси.

23. Регулируемое индукционное устройство по п.22, отличающееся тем, что второе направление с высокой магнитной проницаемостью является радиальным направлением относительно указанной оси.

24. Регулируемое индукционное устройство по п.20, отличающееся тем, что представляет собой катушку индуктивности.

25. Регулируемое индукционное устройство по п.20, отличающееся тем, что изготовлено из текстурированного материала.

26. Регулируемое индукционное устройство по п.25, отличающееся тем, что текстурированный материал представляет собой текстурированную силиконовую сталь с управляемыми доменами, обладающую высокой магнитной проницаемостью.

27. Регулируемое индукционное устройство по п.20, отличающееся тем, что содержит в замкнутой магнитной цепи изолирующий элемент, установленный между первым элементом магнитной цепи и вторым элементом магнитной цепи.

28. Регулируемое индукционное устройство по п.20, отличающееся тем, что второй элемент магнитной цепи имеет объем, составляющий 10-20% от объема первого элемента магнитной цепи.

29. Регулируемое индукционное устройство по п.20, отличающееся тем, что направление второго поля соответствует второму направлению с высокой проницаемостью второго элемента магнитной цепи.

 

(57) Реферат / Формула:
Регулируемая катушка индуктивности, включающая

первый и второй коаксиальные и концентрические трубчатые элементы, содержащие анизотропный материал, соединенные друг с другом у обоих торцов магнитными торцевыми соединительными элементами,

первую спиральную обмотку вокруг обоих магнитных трубчатых элементов и

вторую спиральную обмотку вокруг по меньшей мере одного магнитного трубчатого элемента,

где ось первой спиральной обмотки перпендикулярна оси по меньшей мере одного магнитного трубчатого элемента, а ось второй спиральной обмотки совпадает с этой осью,

где при подаче питания первая обмотка выполнена с возможностью генерации магнитного поля в первом направлении, которое совпадает с направлением первой магнитной проницаемости, а вторая обмотка выполнена с возможностью генерации магнитного поля во втором направлении, которое совпадает с направлением второй магнитной проницаемости, и где первая магнитная проницаемость существенно выше второй магнитной проницаемости.

2. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что анизотропный материал выбран из группы, состоящей из текстурированной силиконовой стали и текстурированной силиконовой стали с управляемыми доменами, обладающей высокой магнитной проницаемостью.

3. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что магнитные торцевые соединительные элементы изготовлены из анизотропного материала и выполнены с возможностью создания пути с низкой магнитной проницаемостью для магнитного поля, генерируемого первой обмоткой, и пути с высокой проницаемостью для магнитного поля, генерируемого второй обмоткой.

4. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит тонкий лист изоляции между торцами магнитных трубчатых элементов и торцевыми соединительными элементами.

5. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что объем магнитных торцевых соединительных элементов составляет 10-20% от объема магнитных трубчатых элементов.

6. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что объем магнитных торцевых соединительных элементов составляет 25-50% от объема магнитных трубчатых элементов.

7. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что направление магнитного поля, генерируемого первой обмоткой, является кольцевым направлением относительно оси по меньшей мере одного из магнитных трубчатых элементов.

8. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что направление магнитного поля, генерируемого второй обмоткой, является радиальным направлением относительно оси по меньшей мере одного из магнитных трубчатых элементов.

9. Сердечник для регулируемой катушки индуктивности, включающий первый и второй коаксиальные и концентрические трубчатые элементы, каждый из которых содержит анизотропный магнитный материал и задает ось, соединенные друг с другом у обоих торцов магнитными торцевыми соединительными элементами, причем сердечник имеет первую магнитную проницаемость в первом направлении, параллельном осям трубчатых элементов, и вторую магнитную проницаемость во втором направлении, которое является ортогональным по отношению к указанным осям, причем первая магнитная проницаемость существенно выше второй магнитной проницаемости.

10. Регулируемая катушка индуктивности по п.9, отличающаяся тем, что первый и второй трубчатые элементы изготовлены из тонколистового проката, имеющего край и покрытие из изоляционного материала.

11. Регулируемая катушка индуктивности по п.9, отличающаяся тем, что первый трубчатый элемент содержит первый слой, второй слой и зазор в третьем направлении, параллельном оси элемента, причем первый и второй слои соединены друг с другом посредством тонкого, микронной толщины, изолирующего слоя, расположенного между первым и вторым слоями.

12. Регулируемая катушка индуктивности по п.9, отличающаяся тем, что каждый из трубчатых элементов имеет воздушный зазор, расположенный в осевом направлении элементов, причем первое магнитное сопротивление первого элемента равно второму магнитному сопротивлению второго элемента.

13. Регулируемая катушка индуктивности по п.10, отличающаяся тем, что изоляционный материал выбран из группы, включающей материалы MAGNETITE-S и UNISIL-H.

14. Регулируемая катушка индуктивности по п.9, отличающаяся тем, что соединительные элементы имеют третью магнитную проницаемость в кольцевом направлении по отношению к осям элементов и четвертую магнитную проницаемость в радиальном направлении по отношению к осям элементов, причем четвертая магнитная проницаемость существенно больше, чем третья магнитная проницаемость.

15. Магнитное соединительное устройство для соединения друг с другом первого и второго коаксиальных и концентрических трубчатых элементов для создания магнитного сердечника для регулируемой катушки индуктивности, содержащее магнитные торцевые соединительные элементы, изготовленные из анизотропного материала, выполненные с возможностью создания пути с низкой проницаемостью для магнитного поля, создаваемого первой обмоткой при подаче электропитания, и пути с высокой проницаемостью для магнитного поля, создаваемого второй обмоткой при подаче электропитания.

16. Регулируемая катушка индуктивности по п.15, отличающаяся тем, что первый и второй трубчатые элементы выполнены из анизотропного материала, где магнитная проницаемость в направлении магнитного поля, генерируемого первой обмоткой, существенно выше магнитной проницаемости в направлении магнитного поля, генерируемого второй обмоткой, а магнитные торцевые соединительные элементы изготовлены из текстурированного листового металла, где поперечное направление соответствует направлению ориентации структуры трубчатых элементов в собранном сердечнике, а направление ориентации структуры соответствует поперечному направлению трубчатых элементов в собранном сердечнике для того, чтобы обеспечить насыщение торцевых элементов после трубчатых элементов.

17. Регулируемая катушка индуктивности по п.15, отличающаяся тем, что магнитные соединительные элементы выполнены из одинарного провода или из скрученного провода из магнитного материала.

18. Регулируемая катушка индуктивности по п.15, отличающаяся тем, что магнитные соединительные элементы изготовлены сворачиванием листа магнитного материала с образованием тороидальных магнитопроводов, форма и размеры которых подобраны таким образом, чтобы точно соответствовать трубчатым элементам; разделением полученных магнитопроводов на две половины вдоль плоскости, перпендикулярной направлению ориентации структуры материала; причем соединительные элементы имеют ширину, обеспечивающую возможность соединения первого и второго трубчатых элементов у их торцов посредством полученных сегментов.

19. Регулируемая катушка индуктивности по п.15, отличающаяся тем, что магнитные соединительные элементы выполнены из скрученного или одинарного провода из магнитного материала, свернутого с образованием тора и затем разделенного на две половины вдоль плоскости, перпендикулярной всем проводам.

20. Регулируемое индукционное устройство, содержащее замкнутую магнитную цепь, включающую первый и второй элементы магнитной цепи, где каждый из элементов магнитной цепи изготовлен из анизотропного материала, имеющего направление с высокой магнитной проницаемостью, первую обмотку, обернутую вокруг первого участка замкнутой магнитной цепи, и вторую обмотку, ориентированную ортогонально по отношению к первой обмотке, причем первая обмотка выполнена с возможностью генерации первого магнитного поля в направлении с высокой проницаемостью первого элемента цепи, а вторая обмотка выполнена с возможностью генерации второго поля в направлении, которое является ортогональным по отношению к направлению первого поля.

21. Регулируемое индукционное устройство по п.20, отличающееся тем, что первый элемент магнитной цепи является трубчатым, а второй элемент магнитной цепи представляет собой торцевой соединительный элемент.

22. Регулируемое индукционное устройство по п.21, отличающееся тем, что первый элемент магнитной цепи содержит два трубчатых элемента, расположенных коаксиально вокруг оси, а направление с высокой магнитной проницаемостью является кольцевым направлением относительно этой оси.

23. Регулируемое индукционное устройство по п.22, отличающееся тем, что второе направление с высокой магнитной проницаемостью является радиальным направлением относительно указанной оси.

24. Регулируемое индукционное устройство по п.20, отличающееся тем, что представляет собой катушку индуктивности.

25. Регулируемое индукционное устройство по п.20, отличающееся тем, что изготовлено из текстурированного материала.

26. Регулируемое индукционное устройство по п.25, отличающееся тем, что текстурированный материал представляет собой текстурированную силиконовую сталь с управляемыми доменами, обладающую высокой магнитной проницаемостью.

27. Регулируемое индукционное устройство по п.20, отличающееся тем, что содержит в замкнутой магнитной цепи изолирующий элемент, установленный между первым элементом магнитной цепи и вторым элементом магнитной цепи.

28. Регулируемое индукционное устройство по п.20, отличающееся тем, что второй элемент магнитной цепи имеет объем, составляющий 10-20% от объема первого элемента магнитной цепи.

29. Регулируемое индукционное устройство по п.20, отличающееся тем, что направление второго поля соответствует второму направлению с высокой проницаемостью второго элемента магнитной цепи.

 

---

008971
Область техники
Настоящее изобретение относится к регулируемой катушке индуктивности, более конкретно к катушке индуктивности, включающей первый и второй коаксиальные и концентрические трубчатые элементы, содержащие анизотропный материал, соединенные друг с другом у обоих торцов магнитными торцевыми соединительными элементами, первую спиральную обмотку вокруг обоих магнитных трубчатых элементов, вторую спиральную обмотку вокруг по меньшей мере одного магнитного трубчатого элемента, где ось первой спиральной обмотки перпендикулярна оси по меньшей мере одного магнитного трубчатого элемента, а ось второй спиральной обмотки совпадает с этой осью, где при подаче питания первая обмотка генерирует магнитное поле в первом направлении, которое совпадает с направлением первой магнитной проницаемости, а вторая обмотка генерирует магнитное поле во втором направлении, которое совпадает с направлением второй магнитной проницаемости, и где первая магнитная проницаемость существенно выше, чем вторая магнитная проницаемость.
Предшествующий уровень техники
В течение длительного времени существует потребность в применении управляющего поля для управления основным полем в индукционном устройстве.
В документе US 4210859 приведено описание устройства, содержащего внутренний цилиндр и внешний цилиндр, которые соединены друг с другом у своих торцов посредством соединительных элементов. В этом устройстве основная обмотка обернута вокруг сердечника и проходит через центральное отверстие цилиндра. Ось обмотки расположена вдоль периферии цилиндра. Эта обмотка создает кольцевое магнитное поле в стенке цилиндра и кольцевые поля в соединительных элементах. Управляющая обмотка намотана вокруг оси цилиндра. В результате создается поле в направлении продольной оси цилиндра. Как правило, в магнитных материалах проницаемость сердечника меняется под действием управляющего тока, приложенного к управляющей обмотке. Из-за того, что цилиндры и соединительные элементы изготовлены из одного и того же материала, степень изменения проницаемости одинакова для обоих типов элементов. Следовательно, величина управляющего поля должна быть ограничена для предотвращения насыщения сердечника и разрушения управляющего поля. В результате диапазон управления такой катушкой индуктивности является ограниченным, а устройство согласно US 4210859 имеет сравнительно малую емкость, следовательно, оно может применяться только в ограниченном диапазоне напряжений.
Другие устройства имеют управляемую проницаемость только части основного пути магнитного потока. Однако такой подход существенно ограничивает диапазон управления устройством. Например, в документе US 4393157 приведено описание управляемой катушки индуктивности, выполненной из листового анизотропного материала. Эта катушка индуктивности содержит два кольцевых элемента, соединенных перпендикулярно по отношению друг к другу, с ограниченной областью пересечения. Каждый кольцевой элемент имеет обмотку. Часть устройства, где осуществляется управление магнитным полем, ограничена областью пересечения кольцевых элементов. Эта ограниченная управляемая область представляет собой относительно малую часть замкнутых магнитных цепей основного поля и управляющего поля. Часть сердечника насыщается первой (насыщение не происходит одновременно во всех частях сердечника, так как различные поля действуют на различные зоны), в результате такого насыщения возникают потери мощности, генерируемые полями рассеяния основного пути магнитного потока.
Таким образом, в предшествующем уровне техники отсутствуют средства для управления проницаемостью сердечника для значительного диапазона напряжений при отсутствии существенных потерь мощности. Недостатки предшествующего уровня техники влияют на геометрию всех индукционных устройств, особенно изогнутых конструкций, изготовленных из листовых металлов, поскольку в этих типах устройств возникают потери мощности, вызванные сильными вихревыми токами и гистерезисом.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на преодоление указанных недостатков и может быть воплощено в регулируемой катушке индуктивности с низкими потерями мощности для применения в условиях высокого напряжения. В общем смысле, изобретение может быть использовано для управления проводимостью магнитного потока в направлении вращения посредством управляемого смещения доменов в поперечном направлении.
В одном аспекте изобретение позволяет регулировать проницаемость текстурированного материала (т.е. материала с направленной ориентацией структуры материала) в направлении ориентации структуры посредством приложения управляющего поля в поперечном направлении. В одном воплощении изобретения регулируемую катушку индуктивности из текстурированной стали намагничивают в поперечном направлении. В другом воплощении регулируемая катушка индуктивности включает первый и второй коаксиальные и концентрические трубчатые элементы. Эти элементы соединены друг с другом у обоих торцов магнитными торцевыми соединительными элементами. Первая обмотка обернута вокруг обоих магнитных трубчатых элементов, вторая обмотка обернута вокруг по меньшей мере одного магнитного трубчатого элемента. Ось первой обмотки перпендикулярна осям этих элементов, а ось второй обмотки совпадает с осями этих элементов. Первый и второй магнитные элементы изготовлены из анизотропного магнитного материала, такого, что магнитная проницаемость в направлении магнитного поля, индуци
- 1 -
008971
руемого первой обмоткой, существенно выше магнитной проницаемости в направлении магнитного поля, индуцируемого второй обмоткой. В этом воплощении анизотропный материал выбран из группы, состоящей из текстурированной силиконовой стали и текстурированной силиконовой стали с управляемыми доменами, обладающей высокой проницаемостью.
В одном воплощении изобретения магнитные торцевые соединительные элементы изготовлены из анизотропного магнитного материала и создают путь с низкой проницаемостью для магнитного поля, создаваемого первой обмоткой и путь в высокой проницаемостью для магнитного поля, создаваемого второй обмоткой. Регулируемая катушка индуктивности также может содержать тонкий лист изоляции, установленный между торцами магнитных трубчатых элементов и торцевыми соединительными элементами.
В другом воплощении изобретение представляет регулируемое магнитное устройство, содержащее замкнутую магнитную цепь. Замкнутая магнитная цепь включает первый элемент магнитной цепи и второй элемент магнитной цепи. Каждый из элементов магнитной цепи изготовлен из анизотропного материала, имеющего направление с высокой проницаемостью. Регулируемое магнитное устройство также включает первую обмотку, которая обернута вокруг первого участка замкнутой магнитной цепи и вторую обмотку, которая ориентирована ортогонально по отношению к первой обмотке. Первая обмотка генерирует первое магнитное поле в направлении с высокой проницаемостью первого элемента цепи, а вторая обмотка генерирует второе поле в направлении, которое является ортогональным по отношению к направлению первого поля, когда соответствующие обмотки находятся под напряжением (т. е. запитаны).
В одном из вариантов этого воплощения изобретения регулируемое магнитное устройство включает первый элемент цепи, который является трубчатым, и второй элемент магнитной цепи, который представляет собой торцевой соединительный элемент, который соединяет первый трубчатый элемент и второй трубчатый элемент. В одном из вариантов этого воплощения первый трубчатый элемент и второй трубчатый элемент расположены коаксиально вокруг оси, а направление с высокой проницаемостью является кольцевым направлением относительно этой оси. Кроме того, второе направление с высокой проницаемостью может быть радиальным направлением относительно этой оси. В другом из вариантов этого воплощения регулируемое магнитное устройство изготовлено из текстурированного материала. В еще одном из вариантов этого воплощения регулируемое магнитное устройство представляет собой катушку индуктивности.
В другом воплощении изобретения в замкнутой магнитной цепи предусмотрен изолирующий элемент, установленный между первым элементом магнитной цепи и вторым элементом магнитной цепи. В другом воплощении изобретения второй элемент магнитной цепи имеет объем, составляющий 10-20% от объема первого элемента магнитной цепи.
В еще одном воплощении изобретения в регулируемой магнитной катушке индуктивности предусмотрен сердечник. Сердечник включает первый и второй коаксиальные и концентрические трубчатые элементы, каждый из которых изготовлен из анизотропного магнитного материала.
Ось задается каждым трубчатым элементом, и эти трубчатые элементы соединены друг с другом у обоих торцов магнитными торцевыми соединительными элементами. Кроме того, сердечник имеет первую магнитную проницаемость в первом направлении, которое является параллельным осям указанных элементов, которая значительно выше второй магнитной проницаемости во втором направлении, которое является ортогональным по отношению к осям указанных элементов. В одном из вариантов этого воплощения первый и второй трубчатые элементы изготовлены из тонколистового проката, имеющего край и покрытие из изоляционного материала. В другом из вариантов этого воплощения первый трубчатый элемент имеет зазор в третьем направлении, параллельном осям указанных элементов, а первый и второй трубчатые элементы соединены друг с другом посредством тонкого, микронной толщины, изолирующего слоя, расположенного между первым и вторым трубчатыми элементами. В еще одном из вариантов этого воплощения каждый из трубчатых элементов имеет воздушный зазор, расположенный в направлении оси элемента, причем первое магнитное сопротивление первого элемента равно второму магнитному сопротивлению второго элемента. В одном из воплощений изобретения изоляционный материал выбран из группы, включающей материалы MAGNETITE-S и UNISIL-H. Кроме того, в соединительных элементах регулируемой катушки индуктивности имеется третья магнитная проницаемость в кольцевом направлении по отношению к осям элементов и четвертая магнитная проницаемость в радиальном направлении по отношению к осям элементов. В одном из вариантов этого воплощения четвертая магнитная проницаемость существенно больше, чем третья магнитная проницаемость.
В другом аспекте изобретения предусмотрено магнитное соединительное устройство для соединения друг с другом первого и второго коаксиальных и концентрических трубчатых элементов для создания магнитного сердечника для регулируемой катушки индуктивности. Магнитные торцевые соединительные элементы этого устройства изготовлены из анизотропного материала и обеспечивают путь с низкой проницаемостью для магнитного поля, создаваемого первой обмоткой и путь с высокой проницаемостью для магнитного поля, создаваемого второй обмоткой. В одном из вариантов этого воплощения магнитный соединительный элемент выполнен из текстурированного листового металла, где поперечное направление соответствуют направлению ориентации структуры трубчатых элементов в собран
- 2 -
008971
ном сердечнике. Кроме того, направление ориентации структуры соответствует поперечному направлению трубчатых элементов в собранном сердечнике для того, чтобы обеспечить насыщение торцевых элементов после трубчатых элементов. В одном из вариантов этого воплощения магнитные соединительные элементы выполнены из одинарного провода из магнитного материала. В другом из вариантов этого воплощения магнитные соединительные элементы выполнены из скрученного провода из магнитного материала.
Магнитные соединительные элементы могут быть изготовлены множеством способов. В одном воплощении изобретения магнитные соединительные элементы изготовлены сворачиванием листа магнитного материала с образованием тороидальных магнитопроводов. Форма и размеры тороидальных магни-топроводов подобраны таким образом, чтобы точно соответствовать трубчатым элементам, причем эти магнитопроводы разделяют на две половины вдоль плоскости, перпендикулярной направлению ориентации материала. Ширина соединительного элемента установлена таким образом, чтобы обеспечить возможность соединения первого и второго трубчатых элементов у их торцов посредством полученных сегментов. В другом из вариантов этого воплощения магнитные соединительные элементы выполнены либо из скрученного, либо из одинарного провода из магнитного материала, свернутого с образованием тора, причем тор разделяют на две половины вдоль плоскости, перпендикулярной всем проводам.
В другом воплощении изобретения представлено регулируемое индукционное устройство с низким остаточным намагничиванием, которое легко устанавливать в исходное положение между рабочими циклами при работе в переменном токе и которое обеспечивает практически линейное изменение индуктивности в большом диапазоне.
Далее изобретение описано подробно посредством примеров, проиллюстрированных следующими графическими материалами.
Краткое описание графических материалов
На фиг. 1 представлен лист магнитного материала, на котором показаны направление сворачивания (НС) и направление оси (НО).
На фиг. 2 представлен свернутый сердечник, на котором показаны направление сворачивания (НС) и направление оси (НО).
На фиг. 3 представлен лист текстурированного материала, на котором показаны направление ориентации структуры (ОС) и поперечное направление (ПН).
На фиг. 4 представлен свернутый сердечник из текстурированного материала, на котором показаны направление ориентации структуры (ОС) материала и поперечное направление (ПН).
На фиг. 5 показаны различные направления относительно друг друга на трубчатом элементе.
На фиг. 6 представлено схематическое изображение части устройства согласно одному из вариантов изобретения.
На фиг. 7 представлено устройство согласно фиг. 6.
На фиг. 8 представлен разрез устройства согласно фиг. 7.
На фиг. 9 представлено расположение тонких изолирующих листов между магнитными торцевыми соединительными элементами и цилиндрическими сердечниками устройства согласно одному из вариантов изобретения.
На фиг. 10 показано выполнение магнитных торцевых соединительных элементов из магнитного листового материала.
На фиг. 11 показан тор из магнитных торцевых соединительных элементов из проводов магнитного материала.
На фиг. 12 показан разрез сформованного магнитного материала в виде тора для изготовления магнитных торцевых соединительных элементов согласно одному из вариантов изобретения.
На фиг. 13 показаны направление ориентации структуры и поперечное направление магнитных торцевых соединительных элементов согласно одному из вариантов изобретения.
На фиг. 14 показан разрез тора для изготовления магнитных торцевых соединительных элементов, чья форма соответствует трубчатым элементам согласно одному из вариантов изобретения.
На фиг. 15 схематически показан тор из магнитного провода согласно одному из вариантов изобретения.
На фиг. 16 показан разрез тора по фиг. 15.
На фиг. 17 показана доменная структура текстурированного материала.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Для изготовления магнитных сердечников используют тонколистовой материал. Такие сердечники можно изготовить, например, путем сворачивания листа материала в форме цилиндра либо путем соединения вместе нескольких листов и затем вырезания из них элементов, которые будут образовывать сердечник. Можно определить по меньшей мере два направления в материале для изготовления "свернутых" сердечников, например направление сворачивания (НС) и направление оси (НО).
На фиг. 1 и 2 представлен лист магнитного материала и свернутый сердечник соответственно. На этих фигурах показаны направление сворачивания (НС) и направление оси (НО). Как показано на фиг. 2, направление сворачивания свернутого сердечника следует периферии цилиндра, а направление оси сов
- 3 -
008971
падает с осью цилиндра. Материал, который имеет свойства, зависящие от направления в материале, называют анизотропным. На фиг. 3 и 4 показаны направления в листе текстурированного материала (материал с направленной ориентацией структуры). Материал с направленной ориентацией структуры (ОС) изготавливают прокаткой массы материала между валками в несколько стадий с нагреванием и охлаждением полученного листа. В процессе изготовления материал покрывают изолирующим слоем, который оказывает влияние на измельчение магнитных доменов и на соответствующее снижение потерь мощности в материале. Процесс деформации материала приводит к тому, что зерна материала (и соответствующие магнитные домены) в основном ориентированы в одном направлении. В этом направлении магнитная проницаемость достигает максимума. Как правило, это направление называют направлением ориентации структуры (ОС). Направление, ортогональное направлению ориентации структуры, называют поперечным направлением (ПН). Материалы UNISIL и UNISIL-H, например, являются типами магнитных анизотропных материалов. В одном воплощении изобретения текстурированный материал обеспечивает сравнительно высокий процент доменов, которые могут вращаться в поперечном направлении. В результате такой материал имеет меньше потерь мощности и пригоден для улучшенного управления проницаемостью в направлении ориентации структуры при наложении управляющего поля в поперечном направлении (ПН).
Другим типом анизотропных материалов являются аморфные сплавы. Общим свойством всех этих типов является то, что они имеют "легкое" или "мягкое" направление намагничивания (высокая проницаемость) и "трудное" или "жесткое" направление намагничивания (низкая проницаемость). Намагничивание в направлении высокой проницаемости достигают путем движения стенки домена, а намагничивание в направлении низкой проницаемости достигают путем вращения доменной намагниченности в направлении поля. В результате получают квадратную петлю m-h в направлении высокой проницаемости и линейную петлю m-h в направлении низкой проницаемости (где m - магнитная поляризация как функция силы поля h). В другом воплощении петля m-h в поперечном направлении не проявляет коэрцитив-ность и имеет нулевую остаточную намагниченность. В данном описании термин "ОС" используют для определения направления высокой проницаемости, а термин "ПН" - для определения направления низкой проницаемости. Эти термины используют не только для описания текстурированных материалов, но также и любых анизотропных материалов, используемых в магнитопроводах согласно изобретению. В одном воплощении направления "ОС" и "НС" являются одинаковыми направлениями. В другом воплощении направления "ПН" и "НО" являются одинаковыми направлениями. В еще одном воплощении анизотропный материал выбран из группы аморфных сплавов, включающей магнитный сплав METGLAS 2605SC, магнитный сплав METGLAS 2605SA1, магнитный сплав METGLAS 2605CO, магнитный сплав METGLAS 2714А, магнитный сплав METGLAS 2826MB и Nanokristallin R102. В еще одном воплощении анизотропный материал выбран из группы аморфных сплавов, включающей сплавы на основе железа, кобальта и железо-никелевые сплавы.
Хотя выше описано применение анизотропных материалов, можно также использовать и другие материалы, которые имеют подходящую комбинацию следующих характеристик:
1) высокую пиковую магнитную поляризацию и проницаемость в направлении "сворачивания" сердечника,
2) низкие потери мощности,
3) низкую проницаемость в поперечном направлении,
4) низкую пиковую магнитную поляризацию в поперечном направлении,
5) намагничивание за счет вращения в поперечном направлении.
Таблица содержит неполный перечень материалов, из которых можно изготовить тонкие листы, и некоторые характеристики этих материалов, имеющие отношение к одному или более чем одному воплощению изобретения.
Материал
Вмакс. при 800 А/м
Потери мощности при 1,5 Тл, 50 Гц
Тип материала
Толщина
Unisil-H
1,93Тл
0,74 Вт/кг
текстурированный
0,27 мм
103-27-Р5
Unisii-H
1,93 Тл
0,77 Вт/кг
текстурированный
0,30 мм
105-30-Р5
NO 20 grade
1,45 Тл
2,7 Вт/кг
не ориентированный
0,2 мм
Unisil M
1,83 Тл
0,85 Вт/кг
текстурированный
0,3 мм
140-30-S5
Макс, проницаемость примерно 6000
Unisil 140-30-S5,
1,4 Тл
Макс.
кривая
(1,15Тл
проницаемость
намагничивания
при 120
примерно 800
в поперечном
А/м)
направлении
(перем. ток)
- 4 -
008971
На фиг. 5 показано выполнение трубчатого элемента с регулируемой индуктивностью согласно изобретению. Поскольку этот элемент выполнен путем сворачивания листа анизотропного материала, на нем можно определить направление сворачивания (НС), направление оси (НО), направление высокой проницаемости (ОС) и направление низкой проницаемости (ПН). Относительные положения этих направлений показаны на фиг. 5. Этот трубчатый элемент может иметь любое поперечное сечение, поскольку форма этого поперечного сечения будет просто зависеть от формы элемента, вокруг которого свернут лист. Если лист свернут вокруг предмета с формой параллелепипеда с квадратным сечением, трубчатый элемент будет иметь поперечное сечение в форме квадрата. Если лист свернут вокруг предмета с формой сечения в виде овала, трубчатый элемент будет представлять собой цилиндр.
На фиг. 6 схематично показана часть устройства 100 согласно изобретению. Устройство 100 содержит первый трубчатый элемент 101 и второй трубчатый элемент 102, которые соединены друг с другом у обоих торцов с помощью магнитных торцевых соединительных элементов. Чтобы не загромождать чертеж, эти магнитные торцевые соединительные элементы не показаны на этой фигуре. Первая обмотка 103 намотана вокруг элементов 101 и 102, ось этой обмотки перпендикулярна осям элементов. Магнитное поле (Hf, Bf), создаваемое этой обмоткой при подаче питания, будет иметь направление вдоль периферии элементов, т.е. круговое направление по отношению к осям элементов. Вторая обмотка 104 намотана вокруг элемента 102, ось этой обмотки параллельна осям элементов. Магнитное поле (Hs, Bs), создаваемое этой обмоткой при подаче питания, будет иметь направление, параллельное осям элементов, т.е. осевое направление по отношению к осям элементов. В одном варианте изобретения ось обмотки 104 совпадает с осями элементов. В другом варианте оси элементов не совпадают друг с другом.
Если объединить обмотки и магнитные поля по фиг. 6 с сердечником из свернутого материала по фиг. 5, получится устройство 100 согласно одному из воплощений изобретения. В одном из вариантов этого воплощения магнитная проницаемость в направлении магнитного поля (Hf, Bf), индуцированного первой обмоткой 103 (т. е. в направлении ОС и НС), будет значительно выше, чем магнитная проницаемость в направлении магнитного поля (Hs, Bs), индуцированного второй обмоткой 104 (т. е. в направлении ПН и НО).
В одном воплощении изобретения первая обмотка 103 представляет собой основную обмотку, а вторая обмотка 104 представляет собой управляющую обмотку. В одном из вариантов этого воплощения основное поле (Hf, Bf) генерируется в направлении высокой проницаемости (ОС и НС), а управляющее поле (Hs, Bs) генерируется в направлении низкой проницаемости (ПН и НО).
При использовании анизотропного материала для изготовления устройства 100 по фиг. 5 и 6 будут наблюдаться минимальные потери мощности. Эти результаты получают независимо от того, используется ли устройство 100 в линейной системе или в переключаемой системе. В линейной системе устройство 100 включают, и оно остается в цепи в качестве индуктивности. В переключаемой системе устройство 100 используют для присоединения другого устройства к источнику напряжения и отсоединения от него.
Низкие потери мощности позволяют применять устройство 100 при высоких напряжениях, например, в цепях с трансформаторами от нескольких сотен киловольт-ампер до нескольких мегавольт-ампер.
Как показано в уравнении 44) предельно допустимая мощность в сердечнике зависит от максимального запирающего напряжения Ub при высокой магнитной проницаемости и максимального тока намагничивания Im при минимальном значении управляемой проницаемости
Ps =Ub • Im 44)
Если ток намагничивания и запирающее напряжение выражены как функции плотности Bm магнитного поля, предполагаемая мощность Ps может быть выражена уравнением
Ps = 7ffBm2--V-L- 45)
Mo'Mr
где Vj - объем основного пути магнитного потока в сердечнике,
До - магнитная проницаемость вакуума,
|ur - относительная магнитная проницаемость сердечника. Уравнение 45) показывает, что предельно допустимая мощность зависит и от объема сердечника, и от относительной магнитной проницаемости сердечника. При очень высокой проницаемости ток намагничивания имеет минимальный уровень и проводится только небольшое количество энергии.
Из уравнения 45) ясно, что предполагаемая мощность Ps на единицу объема сердечника зависит от относительной магнитной проницаемости сердечника |ur. Для двух одинаковых сердечников, если минимальная относительная магнитная проницаемость первого сердечника равна половине минимальной относительной магнитной проницаемости второго сердечника, предполагаемая мощность первого сердечника будет в два раза выше, чем мощность второго сердечника. Таким образом, предельно допустимая мощность сердечника определенного объема будет ограничена минимальной относительной магнитной проницаемостью объема сердечника.
- 5 -
008971
Соответственно, в одном из воплощений изобретения объем магнитных торцевых соединительных элементов составляет примерно 10-20% от объема основного сердечника, однако объем магнитных торцевых соединительных элементов может быть дополнительно снижен на V или от указанного, в зависимости от конструкции сердечника и необходимой предельно допустимой мощности. В одном из вариантов этого воплощения объем магнитных торцевых соединительных элементов составляет примерно 510% от объема основного сердечника. В еще одном из вариантов этого воплощения объем магнитных торцевых соединительных элементов составляет примерно 2,5-5% от объема основного сердечника.
Новая феноменологическая теория кривых намагничивания и петель гистерезиса в текстурирован-ных прокатанных материалах описана в статье "Comprehensive Model of Magnetization Curve, Hysteresis Loops, and Losses in Any Direction in Grain-Oriented Fe-Si", Fiorillo с соавторами, опубликованной в IEEE Transactions on Magnetics, vol. 38, NO. 3, Май 2002 (далее - "Fiorillo с соавторами").
Fiorillo с соавторами дают теоретическое и экспериментальное обоснование тому факту, что объем, вовлеченный в намагничивание в поперечном направлении, занят для намагничивания в направлении сворачивания. Таким образом, статья демонстрирует, что можно управлять магнитной проницаемостью в одном направлении посредством поля в другом направлении.
Fiorillo с соавторами также описывают модель процессов в текстурированном материале. В частности, эта модель включает кривые намагничивания, петли гистерезиса и потери мощности в любом направлении прокатки текстурированного материала. Модель основана на приближении к монокристаллической структуре и описывает магнитные домены в комплексе при наложении поля в поперечном направлении. Согласно фиг. 17 лист с направленной ориентацией структуры содержит паттерн 180° доменных границ, главным образом направленных вдоль направления сворачивания. Размагниченное состояние (фиг. 17а) характеризуется намагниченностью Js, направленной вдоль [001] и [110]. При наложении поля в поперечном направлении (фиг. 17б) основные 180° домены преобразуются, через смещение доменных границ на 90°, в паттерн из объемных доменов, имеющих направление намагниченности, направленной вдоль [001] и [110] (т.е. под углом 45° по отношению к плоскости прокатки). Когда эта новая структура домена занимает фракционный объем образца, величина макроскопической намагниченности определяется уравнением
Л^^'^о 46)
где J90 = намагниченность в поперечном направлении, Js = намагниченность в направлении сворачивания, v90 = фракционный объем образца.
Максимальная намагниченность, которую можно получить в конце процесса намагничивания, равна J90=1,42 тесла, и дополнительное увеличение получают благодаря моментным вращениям доменов.
Fiorillo с соавторами также показали, что объем образца, занимаемого 180° доменами, уменьшается из-за роста 90° доменов. Таким образом, проницаемостью или проводимостью магнитного потока для полей, приложенных в направлении сворачивания, можно управлять управляющим полем и контролируемым смещением доменов в поперечном направлении.
Поведение текстурированной стали при намагничивании описано в статье "Magnetic Domains", Hubert с соавт., Springer 2000, pp. 416-417 и 532-533. Управление смещением доменов в поперечном направлении для регулировки магнитной проницаемости в направлении сворачивания является предпочтительным в первую очередь потому, что смещение границ 180° доменов можно избежать, если поле наложено перпендикулярно границам 180° доменов. Таким образом, основное поле не оказывает влияния на ортогональное управляющее поле в уже намагниченных объемах в поперечном направлении.
В отличие от текстурированной стали, где механизм намагничивания в направлении ориентации структуры и поперечном направлении отличаются, намагничивание стали, имеющей неориентированную структуру, заключается в основном в смещениях границ 180° доменов, следовательно, на контролируемый объем действуют непрерывно основное поле и управляющее поле.
На фиг. 7 изображен один вариант устройства 100 согласно изобретению. На фигуре показан первый трубчатый элемент 101, первая обмотка 103, магнитные торцевые соединительные элементы 105 и 106. Анизотропная характеристика магнитного материала для трубчатых элементов уже описана, она состоит в том, что материал имеет направление мягкого намагничивания (ОС) в направлении сворачивания (НС).
Трубчатые элементы изготавливают путем сворачивания листа материала с ориентированной структурой. В одном из вариантов выполнения материал с ориентированной структурой представляет собой высококачественную сталь, имеющую минимальные потери мощности, например, марки Cogent Unisil НМ105-30Р5.
Магнитная проницаемость стали с ориентированной структурой в поперечном направлении составляет примерно 1-10% от магнитной проницаемости в направлении ОС в зависимости от материала. В результате индуктивность для обмотки, которая создает поле в поперечном направлении, составляет только 1-10% от индуктивности в основной обмотке, которая создает поле в направлении ОС, при усло
- 6 -
008971
вии, что обе обмотки имеют одинаковое количество витков. Это соотношение индуктивностей позволяет обеспечить высокую степень управления проницаемостью в направлении поля, генерируемого в основной обмотке. Кроме того, при управлении магнитным потоком в поперечном направлении пик магнитной поляризации примерно на 20% ниже, чем в направлении ОС. В результате магнитные торцевые соединительные элементы в устройстве согласно изобретению не насыщаются основным магнитным потоком или управляющим магнитным потоком и способны концентрировать управляющее поле в материале в любой момент времени.
Для предотвращения потерь мощности, вызванных вихревыми токами, и вторичных замкнутых потоков управляющего поля, в одном из воплощений изобретения между примыкающими слоями листового материала устанавливают изолирующий слой. Этот слой применяют в виде покрытия листового материала. В одном из воплощений изобретения изоляционный материал выбран из материалов MAGNETITE и MAGNETITE-S. Однако также можно применять другие изоляционные материалы, такие как С-5 и С-6, производимые Rembrandtin Lack GmbH, и подобные при условии, что они являются достаточно механически прочными, чтобы выдержать производственный процесс и не создавать коротких замыканий между соседними слоями листового материала. Кроме того, предпочтительными свойствами изоляционных материалов являются возможность их отжига для снятия напряжений и сваривания жидким алюминием. В одном из воплощений изобретения изоляционный материал выбран из органических/неорганических смешанных систем, не содержащих хрома. В другом из воплощений изобретения изоляционный материал выбран из термически стабильного органического полимера, содержащего неорганические наполнители и пигменты.
На фиг. 8 представлен разрез одного из вариантов устройства 100 согласно изобретению. В этом варианте первый трубчатый элемент 101 имеет зазор 107 в осевом направлении элемента, этот зазор находится между первым и вторым слоями первого трубчатого слоя. Основная функция зазора 107 - это приспособить предельно допустимую мощность и объем материала для специального применения. Наличие воздушного зазора в продольном направлении сердечника приводит к снижению остаточного магнетизма в сердечнике. Это в свою очередь приводит к уменьшению гармонической составляющей тока в основной обмотке, когда проницаемость сердечника снижают действием тока в управляющей обмотке. В зазоре 107 между двумя частями элемента 101 помещен тонкий изолирующий слой. В одном из воплощений изобретения магнитные торцевые соединительные элементы не разделены на две части.
Фиг. 9-16 относятся к различным вариантам магнитных торцевых соединительных элементов. В одном из воплощений изобретения материал, из которого изготавливают магнитные торцевые соединительные элементы, является анизотропным. В одном из вариантов этого воплощения магнитные торцевые соединительные элементы обеспечивают путь с жестким намагничиванием (с низкой проницаемостью) для магнитного поля Hf, создаваемого первой обмоткой 103. Управляющее поле Hs, создаваемое второй обмоткой 104 (не показана на фиг. 7), будет иметь путь с высокой проницаемостью в магнитных торцевых соединительных элементах и с низкой проницаемостью в трубчатых элементах.
Магнитные торцевые соединительные элементы или соединяющие элементы управляющего потока могут быть изготовлены из листового металла с направленной ориентацией структуры или из проводов магнитного материала с управляющим полем в направлении ориентации структуры (ОС) и основным полем в поперечном направлении. Провода могут быть одинарными или скрученными.
В одном из воплощений изобретения магнитные торцевые соединительные элементы изготовлены из стали с направленной ориентацией структуры, причем эти соединительные элементы не достигают насыщения раньше, чем трубчатые элементы или цилиндрические сердечники в поперечном направлении, а, наоборот, концентрируют управляющий магнитный поток в трубчатых элементах. В другом воплощении магнитные торцевые соединительные элементы изготовлены из чистого железа.
Далее поясняется поведение магнитного поля в торцевых соединительных элементах в устройстве согласно фиг. 7. Сначала, когда вторая обмотка или управляющая обмотка 104 еще не активирована, только небольшая часть (примерно 0,04-0,25%) основного поля Hf входит в объем магнитных торцевых соединительных элементов из-за очень низкой проницаемости в направлении основного поля (поперечном направлении) в магнитных торцевых соединительных элементах. Проницаемость в направлении основного поля Hf (поперечном направлении) составляет 8-50 через соединительный элемент, в зависимости от конструкции элемента и материала, из которого он изготовлен. В результате, основной поток Bf входит в объем трубчатых элементов или цилиндрических сердечников 101 и 102. Кроме того, концентрация основного потока позволяет отрегулировать (понизить) проницаемость основных сердечников 101 и 102 до значения 10.
Управляющий магнитный поток (Bs на фиг. 6 и 7) направлен аксиально вверх внутри стенки одного из трубчатых элементов 101, 102 и вниз внутри стенки другого из трубчатых элементов и замыкается с помощью магнитных торцевых соединительных элементов на каждом торце концентрических трубчатых элементов 101, 102.
На пути управляющего потока (В) имеются очень малые воздушные промежутки, образованные тонкими изолирующими листами 108 между магнитными торцевыми соединительными элементами 105, 106 и торцевыми участками цилиндрических сердечников (фиг. 9). Это важно для предотвращения обра
- 7 -
008971
зования замкнутой цепи тока для работы трансформатора от первой обмотки 103 через "обмотку", создаваемую первым и вторым трубчатыми элементами 101, 102 и магнитными торцевыми соединительными элементами 105, 106.
Как уже сказано выше, магнитные торцевые соединительные элементы согласно одному из воплощений изобретения могут быть выполнены из нескольких листов магнитного материала (слоями). Это воплощение показано на фиг. 10-14.
На фиг. 10 показан вид сверху на магнитный торцевой соединительный элемент 105 из листа тек-стурированной стали и трубчатые элементы 101 и 102. Каждый сегмент торцевого соединительного элемента 105 (например, сегменты 105а и 105b) расширяется в радиальном направлении от внутреннего конца 110 к внешнему концу 112, причем внутренний конец 110 уже внешнего конца 112. На фиг. 10 показаны направление ориентации структуры (ОС) и поперечное направление (ПН) применительно к каждому из сегментов 105а и 105b соединительного элемента. На фиг. 10 не изображены части соединительного элемента 105 справа и слева для того, чтобы показать внутренний сердечник 102 и внешний сердечник 101.
На фиг. 11 показан торообразный элемент 116, который при его разделении на две части образует магнитные торцевые соединительные элементы.
На фиг. 12 показан поперечный разрез торообразного элемента и относительное положение листов (слоев) 105' магнитного материала.
На фиг. 12 и 13 показано направление ориентации структуры (ОС) в магнитных торцевых соединительных элементах, которое совпадает с направлением основного поля.
На фиг. 14 показано как подогнаны размеры и форма сегмента 105а магнитного торцевого соединительного элемента, чтобы обеспечить соединение первого трубчатого элемента 101 (наружный цилиндрический сердечник) со вторым трубчатым элементом 102 (внутренний цилиндрический сердечник) с помощью этого соединительного элемента. На фиг. 14 внутренний в радиальном направлении участок 110 уже внешнего в радиальном направлении участка 112.
В другом воплощении изобретения, показанном на фиг. 15, представлены сегменты того же типа, изготовленные из магнитного провода. Для изготовления торцевых соединительных элементов можно использовать одинарный или скрученный магнитный провод. Элемент тороидальной формы, образованный магнитным материалом, можно разрезать на две половины, как показано на фиг. 15 линией А-А. На фиг. 16 показано, как торцы магнитных проводов образуют входную и выходную области для магнитного поля Hf. Каждый провод является магнитопроводом для магнитного поля Hf.
Для того чтобы можно было повышать мощность, при которой может работать регулируемое индукционное устройство, сердечник можно изготовить из ламинированного листового материала. Это также будет иметь преимущества при включении в цепи, где требуется быстрое изменение магнитной проницаемости.
Любые изменения, модификации и другие воплощения того, что приведено в данном описании, будут понятны для специалистов в данной области техники в рамках заявленного изобретения. Соответственно, данное изобретение следует определять не предшествующим иллюстративным описанием, а духом и объемом следующей формулы изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Регулируемая катушка индуктивности, включающая
первый и второй коаксиальные и концентрические трубчатые элементы, содержащие анизотропный материал, соединенные друг с другом у обоих торцов магнитными торцевыми соединительными элементами,
первую спиральную обмотку вокруг обоих магнитных трубчатых элементов и вторую спиральную обмотку вокруг по меньшей мере одного магнитного трубчатого элемента, где ось первой спиральной обмотки перпендикулярна оси по меньшей мере одного магнитного трубчатого элемента, а ось второй спиральной обмотки совпадает с этой осью,
где при подаче питания первая обмотка выполнена с возможностью генерации магнитного поля в первом направлении, которое совпадает с направлением первой магнитной проницаемости, а вторая обмотка выполнена с возможностью генерации магнитного поля во втором направлении, которое совпадает с направлением второй магнитной проницаемости, и где первая магнитная проницаемость существенно выше второй магнитной проницаемости.
2. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что анизотропный материал выбран из группы, состоящей из текстурированной силиконовой стали и текстурированной силиконовой стали с управляемыми доменами, обладающей высокой магнитной проницаемостью.
3. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что магнитные торцевые соединительные элементы изготовлены из анизотропного материала и выполнены с возможностью создания пути с низкой магнитной проницаемостью для магнитного поля, генерируемого первой обмоткой, и пути с высокой проницаемостью для магнитного поля, генерируемого второй обмоткой.
- 8 -
008971
4. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит тонкий лист изоляции между торцами магнитных трубчатых элементов и торцевыми соединительными элементами.
5. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что объем магнитных торцевых соединительных элементов составляет 10-20% от объема магнитных трубчатых элементов.
6. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что объем магнитных торцевых соединительных элементов составляет 25-50% от объема магнитных трубчатых элементов.
7. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что направление магнитного поля, генерируемого первой обмоткой, является кольцевым направлением относительно оси по меньшей мере одного из магнитных трубчатых элементов.
8. Регулируемая катушка индуктивности по п.1, отличающаяся тем, что направление магнитного поля, генерируемого второй обмоткой, является радиальным направлением относительно оси по меньшей мере одного из магнитных трубчатых элементов.
9. Сердечник для регулируемой катушки индуктивности, включающий первый и второй коаксиальные и концентрические трубчатые элементы, каждый из которых содержит анизотропный магнитный материал и задает ось, соединенные друг с другом у обоих торцов магнитными торцевыми соединительными элементами, причем сердечник имеет первую магнитную проницаемость в первом направлении, параллельном осям трубчатых элементов, и вторую магнитную проницаемость во втором направлении, которое является ортогональным по отношению к указанным осям, причем первая магнитная проницаемость существенно выше второй магнитной проницаемости.
10. Регулируемая катушка индуктивности по п.9, отличающаяся тем, что первый и второй трубчатые элементы изготовлены из тонколистового проката, имеющего край и покрытие из изоляционного материала.
11. Регулируемая катушка индуктивности по п.9, отличающаяся тем, что первый трубчатый элемент содержит первый слой, второй слой и зазор в третьем направлении, параллельном оси элемента, причем первый и второй слои соединены друг с другом посредством тонкого, микронной толщины, изолирующего слоя, расположенного между первым и вторым слоями.
12. Регулируемая катушка индуктивности по п.9, отличающаяся тем, что каждый из трубчатых элементов имеет воздушный зазор, расположенный в осевом направлении элементов, причем первое магнитное сопротивление первого элемента равно второму магнитному сопротивлению второго элемента.
13. Регулируемая катушка индуктивности по п.10, отличающаяся тем, что изоляционный материал выбран из группы, включающей материалы MAGNETITE-S и UNISIL-H.
14. Регулируемая катушка индуктивности по п.9, отличающаяся тем, что соединительные элементы имеют третью магнитную проницаемость в кольцевом направлении по отношению к осям элементов и четвертую магнитную проницаемость в радиальном направлении по отношению к осям элементов, причем четвертая магнитная проницаемость существенно больше, чем третья магнитная проницаемость.
15. Магнитное соединительное устройство для соединения друг с другом первого и второго коаксиальных и концентрических трубчатых элементов для создания магнитного сердечника для регулируемой катушки индуктивности, содержащее магнитные торцевые соединительные элементы, изготовленные из анизотропного материала, выполненные с возможностью создания пути с низкой проницаемостью для магнитного поля, создаваемого первой обмоткой при подаче электропитания, и пути с высокой проницаемостью для магнитного поля, создаваемого второй обмоткой при подаче электропитания.
16. Регулируемая катушка индуктивности по п.15, отличающаяся тем, что первый и второй трубчатые элементы выполнены из анизотропного материала, где магнитная проницаемость в направлении магнитного поля, генерируемого первой обмоткой, существенно выше магнитной проницаемости в направлении магнитного поля, генерируемого второй обмоткой, а магнитные торцевые соединительные элементы изготовлены из текстурированного листового металла, где поперечное направление соответствует направлению ориентации структуры трубчатых элементов в собранном сердечнике, а направление ориентации структуры соответствует поперечному направлению трубчатых элементов в собранном сердечнике для того, чтобы обеспечить насыщение торцевых элементов после трубчатых элементов.
17. Регулируемая катушка индуктивности по п.15, отличающаяся тем, что магнитные соединительные элементы выполнены из одинарного провода или из скрученного провода из магнитного материала.
18. Регулируемая катушка индуктивности по п.15, отличающаяся тем, что магнитные соединительные элементы изготовлены сворачиванием листа магнитного материала с образованием тороидальных магнитопроводов, форма и размеры которых подобраны таким образом, чтобы точно соответствовать трубчатым элементам; разделением полученных магнитопроводов на две половины вдоль плоскости, перпендикулярной направлению ориентации структуры материала; причем соединительные элементы имеют ширину, обеспечивающую возможность соединения первого и второго трубчатых элементов у их торцов посредством полученных сегментов.
- 9 -
008971
19. Регулируемая катушка индуктивности по п.15, отличающаяся тем, что магнитные соединительные элементы выполнены из скрученного или одинарного провода из магнитного материала, свернутого с образованием тора и затем разделенного на две половины вдоль плоскости, перпендикулярной всем проводам.
20. Регулируемое индукционное устройство, содержащее замкнутую магнитную цепь, включающую первый и второй элементы магнитной цепи, где каждый из элементов магнитной цепи изготовлен из анизотропного материала, имеющего направление с высокой магнитной проницаемостью, первую обмотку, обернутую вокруг первого участка замкнутой магнитной цепи, и вторую обмотку, ориентированную ортогонально по отношению к первой обмотке, причем первая обмотка выполнена с возможностью генерации первого магнитного поля в направлении с высокой проницаемостью первого элемента цепи, а вторая обмотка выполнена с возможностью генерации второго поля в направлении, которое является ортогональным по отношению к направлению первого поля.
21. Регулируемое индукционное устройство по п.20, отличающееся тем, что первый элемент магнитной цепи является трубчатым, а второй элемент магнитной цепи представляет собой торцевой соединительный элемент.
22. Регулируемое индукционное устройство по п.21, отличающееся тем, что первый элемент магнитной цепи содержит два трубчатых элемента, расположенных коаксиально вокруг оси, а направление с высокой магнитной проницаемостью является кольцевым направлением относительно этой оси.
23. Регулируемое индукционное устройство по п.22, отличающееся тем, что второе направление с высокой магнитной проницаемостью является радиальным направлением относительно указанной оси.
24. Регулируемое индукционное устройство по п.20, отличающееся тем, что представляет собой катушку индуктивности.
25. Регулируемое индукционное устройство по п.20, отличающееся тем, что изготовлено из тексту-рированного материала.
26. Регулируемое индукционное устройство по п.25, отличающееся тем, что текстурированный материал представляет собой текстурированную силиконовую сталь с управляемыми доменами, обладающую высокой магнитной проницаемостью.
27. Регулируемое индукционное устройство по п.20, отличающееся тем, что содержит в замкнутой магнитной цепи изолирующий элемент, установленный между первым элементом магнитной цепи и вторым элементом магнитной цепи.
28. Регулируемое индукционное устройство по п.20, отличающееся тем, что второй элемент магнитной цепи имеет объем, составляющий 10-20% от объема первого элемента магнитной цепи.
29. Регулируемое индукционное устройство по п.20, отличающееся тем, что направление второго поля соответствует второму направлению с высокой проницаемостью второго элемента магнитной цепи.
Фиг. 1
Фиг. 2
- 10 -
008971
Фиг. 3
|пн, но
ОС, НС
Фиг. 7
- 11 -
008971
Фиг. 12
- 12 -
008971
Фиг. 13
/ИВ
Фиг. 16
Фиг. 17b
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
- 13 -