RU2553455C1

RU2553455C1 - Inductance coil

Info

Publication number: RU2553455C1
Application number: RU2014101604/07A
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Пунгин; Александр Сергеевич Ионов; Александр Владимирович Петров; Алексей Александрович Соловьев; Александр Николаевич Цветков; Геннадий Викторович Чернов
Original assignee: Открытое акционерное общество "ОКБ-Планета" ОАО "ОКБ-Планета"
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2015-06-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: inductance coil comprises an insulating frame with the central axis divided by insulating partitions into sections, and a winding made of an insulated wire passed from section to section. The height of wire laying to sections is equal to the height of the partition plus one diameter of the insulated wire. The passage of the wire from section to section is made by its coiling over the partition between the sections. The number of turns in one section is selected so that voltage between any two turns in one section does not exceed the permitted breakdown voltage of the wire insulation. The coil pitch is permanent for the turns along the whole length of the winding.

EFFECT: reduced time of coiling, reduced weight and dimensions due to the increased density of turns laying and improved operational reliability.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в катушках индуктивности или обмотках трансформаторов, наиболее актуально в высоковольтных.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in inductors or transformer windings, most importantly in high voltage.

Известные варианты выполнения катушек индуктивности без межслойной изоляции характерны делением катушки на секции с целью снижения напряжений: между соприкасающимися витками до величин, не превышающих напряжение пробоя изоляции провода, и между секциями до величин, не превышающих напряжение пробоя межсекционной изоляции. Разделение катушки на секции производится изоляционными перегородками из твердого диэлектрика в виде ребер каркаса или шайб, содержащих прорези для обеспечения перехода провода из секции в секцию. По такому принципу выполнены высоковольтные катушки, например, высоковольтного трансформатора (патент РФ №2030004), а также серийно выпускаемых катушек зажигания КГМЯ.675871.001 и КЛЯЮ.675875.002.Known embodiments of inductors without interlayer insulation are characterized by dividing the coil into sections in order to reduce stresses: between contacting turns to values not exceeding the breakdown voltage of the wire insulation, and between sections to values not exceeding the breakdown voltage of the intersection isolation. The separation of the coil into sections is carried out by insulating partitions from a solid dielectric in the form of frame ribs or washers containing slots to ensure the transition of the wire from section to section. According to this principle, high-voltage coils are made, for example, a high-voltage transformer (RF patent No. 2030004), as well as commercially available ignition coils KGMYA.675871.001 and KLAYu.675875.002.

Известна катушка индукционная высоковольтного импульсного трансформатора (патент РФ 2184402), выбранная за прототип, содержащая изоляционный цилиндрический каркас, секции обмотки, последовательно соединенные между собой и отделенные друг от друга изоляционными перегородками, в каждой из которых имеется прорезь для перемещения наматываемого провода из одной секции в другую, за исключением начала первой секции обмотки и конца последней секции обмотки. Недостатком этой конструкции является то, что в процессе изготовления необходимо изменять шаг намотки и снижать скорость намотки в моменты перемещения наматываемого провода через прорези в перегородках из одной секции в другую. При этом для сохранения приемлемого для серийного производства времени намотки катушки количество секций не превышает 5-10 (например, в серийно выпускаемой катушке зажигания КЛЯЮ.675875.002 высоковольтная катушка импульсного трансформатора содержит 9 секций). Вследствие этого напряжение между соседними секциями доходит до 10-20% от общего напряжения катушки, что, в свою очередь, ужесточает требования к электрической прочности межсекционной изоляции, снижает надежность катушки индуктивности и удорожает ее изготовление.A known induction coil of a high-voltage pulse transformer (RF patent 2184402), selected as a prototype, containing an insulating cylindrical frame, winding sections connected in series with each other and separated from each other by insulating partitions, each of which has a slot for moving the winding wire from one section to another, except for the beginning of the first section of the winding and the end of the last section of the winding. The disadvantage of this design is that during the manufacturing process it is necessary to change the winding pitch and reduce the winding speed at the moments when the winding wire moves through the slots in the partitions from one section to another. At the same time, in order to maintain coil winding time acceptable for mass production, the number of sections does not exceed 5-10 (for example, in a commercially available ignition coil KLAYu.675875.002 a high-voltage pulse transformer coil contains 9 sections). As a result, the voltage between adjacent sections reaches 10-20% of the total voltage of the coil, which, in turn, toughens the requirements for the electric strength of intersection isolation, reduces the reliability of the inductor and increases the cost of its manufacture.

Кроме того, в случае провала витков в секции с верхних уровней на нижние, напряжение между соседними витками может стать больше пробивного напряжения изоляции провода, что также снижает надежность катушки индуктивности.In addition, in the case of failure of the turns in the section from upper to lower levels, the voltage between adjacent turns can become greater than the breakdown voltage of the wire insulation, which also reduces the reliability of the inductor.

Технической задачей изобретения является повышение надежности, снижение габаритов, массы и времени намотки катушки индуктивности.An object of the invention is to increase reliability, reduce the size, weight and time of winding the inductor.

Для реализации технической задачи разработана катушка индуктивности, содержащая изоляционный каркас с центральной осью, разделенный изоляционными перегородками на секции, обмотку из провода в изоляции, переходящего из секции в секцию, причем высота укладки провода в секции равна высоте перегородки плюс один диаметр провода в изоляции, переход провода из секции в секцию осуществляется его намоткой по перегородке между этими секциями, при этом число витков в одной секции выбрано таким, чтобы напряжение между любыми двумя витками в одной секции не превышало допустимого пробивного напряжения изоляции провода, а шаг намотки витков постоянный по всей длине обмотки.To accomplish the technical task, an inductance coil was developed, containing an insulating cage with a central axis, divided by insulating partitions into sections, a winding of insulated wire passing from section to section, the height of the wire laying in the section being equal to the height of the partition plus one diameter of the wire in isolation, transition the wires from section to section is carried out by winding it along the partition between these sections, while the number of turns in one section is chosen so that the voltage between any two turns in one section did not exceed the permissible breakdown voltage of the insulation of the wire, and the step of winding coils is constant along the entire length of the winding.

На фиг.1 приведена конструкция катушки индуктивности.Figure 1 shows the design of the inductor.

На фиг.2 приведен пример укладки витков в секции поочередно в направлении и против направления укладки обмотки с порядковой нумерацией витков и переход провода в следующую секцию.Figure 2 shows an example of laying the turns in the section alternately in the direction and against the direction of laying the winding with serial numbering of the turns and the transition of the wire to the next section.

Катушка индуктивности содержит обмотку 1 из провода в изоляции, размещенную на электроизоляционном каркасе 2 с центральной осью 3, содержащем секции 4 с перегородками 5 между ними, причем высота укладки провода в секции 4 равна высоте изолирующей перегородки 5 плюс один диаметр провода в изоляции, что без дополнительных переходов обеспечивает продолжение намотки этого же слоя поверх перегородки 5 до следующей секции. Последний виток 6 предыдущей секции размещен на краю перегородки 5, разделяющей соседние секции 4, так что при продолжении намотки следующий виток 7 должен наматываться уже за пределами перегородки 5, вследствие чего он сваливается в следующую секцию 4, являясь ее первым витком. Витки в пределах секции 4 могут быть расположены слоями 8, 9, что позволяет получить максимальную плотность укладки и обеспечить минимальные габариты. При этом укладка наиболее удаленного от оси 3 слоя 9 выполнена в направлении укладки обмотки 1, что обеспечивает естественный переход провода по перегородке 5 в следующую секцию 4. При заданном напряжении между концами обмотки Uобм и максимально допустимом напряжении между любыми двумя соприкасающимися витками Umax, не превышающем пробивное напряжение изоляции провода, число секций N определяется из условияThe inductor contains a winding 1 of the wire in insulation, placed on an insulating frame 2 with a central axis 3, containing sections 4 with partitions 5 between them, and the stacking height of the wire in section 4 is equal to the height of the insulating partition 5 plus one diameter of the wire in isolation, which without additional transitions ensures the continuation of the winding of the same layer over the partition 5 to the next section. The last turn 6 of the previous section is placed on the edge of the partition 5 separating adjacent sections 4, so that when winding continues, the next turn 7 should be wound already outside the partition 5, as a result of which it falls into the next section 4, being its first turn. The coils within section 4 can be arranged in layers 8, 9, which allows to obtain the maximum stacking density and to ensure minimum dimensions. In this case, the laying of the layer 9 most distant from the axis 3 is made in the direction of laying the winding 1, which ensures a natural transition of the wire along the partition 5 to the next section 4. At a given voltage between the ends of the winding Uobm and the maximum allowable voltage between any two contacting turns Umax not exceeding breakdown voltage of the insulation of the wire, the number of sections N is determined from the condition

N≥Uобм/Umax.N≥Uobm / Umax.

Катушка индуктивности, например, в составе высоковольтного трансформатора в качестве вторичной обмотки работает следующим образом. При подаче тока в первичную обмотку трансформатора между концами вторичной обмотки 1 индуцируется напряжение Uобм, пропорциональное числу витков вторичной обмотки 1 и скорости изменения магнитного потока dФ/dt, которая пропорциональна скорости изменения тока в первичной обмотке и максимальна в момент прекращения тока при размыкании цепи первичной обмотки, с этого момента формируется импульс с наибольшим напряжением Uобм. При самостоятельном использовании катушки индуктивности в качестве дросселя она сглаживает ток в цепи, в которую она включена.The inductor, for example, as part of a high voltage transformer as a secondary winding works as follows. When a current is applied to the transformer primary winding between the ends of the secondary winding 1, a voltage Uobm is proportional to the number of turns of the secondary winding 1 and the rate of change of the magnetic flux dF / dt, which is proportional to the rate of change of current in the primary winding and is maximum at the time the current ceases when the primary winding opens , from this moment a pulse with the highest voltage Uobm is formed. When using the inductor as an inductor on its own, it smoothes the current in the circuit into which it is connected.

Выбор числа витков в одной секции осуществляется таким образом, чтобы напряжение на секции не превышало напряжения пробоя изоляции провода, что исключает межвитковый пробой и повышает надежность предлагаемой катушки индуктивности. При этом в предлагаемой катушке напряжение между крайними витками одноименных слоев соседних секций также не превышает напряжения пробоя изоляции провода, что повышает надежность и снижает требования к электрической прочности изолирующих перегородок 5, позволяя свести габариты катушки к минимуму за счет минимально возможной толщины изолирующих перегородок 5 между секциями 4. Кроме того, в процессе изготовления не требуется снижение скорости намотки при перемещении провода из одной секции в другую, что сокращает время намотки катушки.The choice of the number of turns in one section is carried out in such a way that the voltage on the sections does not exceed the breakdown voltage of the wire insulation, which eliminates inter-turn breakdown and increases the reliability of the proposed inductance coil. Moreover, in the proposed coil, the voltage between the extreme turns of the same layers of neighboring sections also does not exceed the breakdown voltage of the wire insulation, which increases reliability and reduces the requirements for the electric strength of the insulating partitions 5, allowing minimizing the dimensions of the coil due to the minimum possible thickness of the insulating partitions 5 between the sections 4. In addition, during the manufacturing process, a decrease in the winding speed is not required when moving the wire from one section to another, which reduces the winding time of the coil.

Предложенная конструкция отличается высокой плотностью укладки витков за счет минимально возможной толщины изолирующих перегородок, что также уменьшает габариты и массу катушки, и технически реализуема на современном технологическом оборудовании.The proposed design is characterized by a high density of stacking turns due to the minimum possible thickness of the insulating partitions, which also reduces the dimensions and weight of the coil, and is technically feasible on modern technological equipment.

Так, в рамках ОКР “Плазма”, выполняемой по Госконтракту, были изготовлены образцы высоковольтных преобразователей, в которых вторичная обмотка высоковольтного трансформатора имеет описанную конструкцию. Она выполнена на намоточном станке FW022, содержит 2691 виток провода в изоляции с диаметром 65 мкм, уложенный в 39 секций по 69 витков в секции. Напряжение, снимаемое с обмотки, Uобм=27 кВ, при этом на одном витке развивается напряжение 10,04 В, а максимальное напряжение между двумя соприкасающимися витками Umax≤693 В, что не превышает минимального пробивного напряжения изоляции провода. Время намотки не менее чем на 20% меньше времени намотки 9-секционной катушки с таким же числом витков.So, within the framework of the Plasma R&D carried out under the State Contract, samples of high-voltage converters were made in which the secondary winding of the high-voltage transformer has the described design. It is made on a winding machine FW022, contains 2691 turns of wire in insulation with a diameter of 65 μm, laid in 39 sections of 69 turns in section. The voltage removed from the winding is Uobm = 27 kV, while a voltage of 10.04 V develops on one turn, and the maximum voltage between two contacting turns is Umax≤693 V, which does not exceed the minimum breakdown voltage of the wire insulation. The winding time is at least 20% less than the winding time of a 9-section coil with the same number of turns.

Испытания высоковольтного преобразователя проведены в диапазоне температур от минус 45°C до плюс 90°C циклически, на ударную нагрузку 150 м/с² в количестве 3000 ударов, на вибрацию в течение 2,5 часов на частотах от 50 до 250 Гц при максимальном ускорении 100 м/с². Отказов катушки индуктивности не зафиксировано, что также подтверждает достижение высокой надежности.The tests of the high-voltage converter were carried out in the temperature range from minus 45 ° C to plus 90 ° C cyclically, for an impact load of 150 m / s ² in the amount of 3000 shocks, for vibration for 2.5 hours at frequencies from 50 to 250 Hz at maximum acceleration 100 m / s ² . There are no failures of the inductor, which also confirms the achievement of high reliability.

Claims

An inductor containing an insulating frame with a central axis, divided by insulating partitions into sections, a winding from a wire in insulation passing from section to section, characterized in that the stacking height of the wire in the section is equal to the height of the partition plus one diameter of the wire in the insulation, the wire transition from section into section is carried out by winding it along the partition between these sections, while the number of turns in one section is chosen so that the voltage between any two turns in one section does not exceed the permissible breakdown voltage of the insulation of the wire, and the step of winding the turns is constant along the entire length of the winding.