Rdzenie w technologii wieloszczelinowej CoreECO™

Dławiki pracujące w obwodach energoelektronicznych, w których występuje szerokie widmo harmonicznych napięcia i prądu, są elementami, w których powstają duże i trudne do ograniczenia straty mocy. Przykładem tego typu aplikacji są dławiki pasywnych i aktywnych filtrów, oraz dławiki silnikowe pracujące na wyjściu przemiennika częstotliwości [1,2]. Klasyczny rdzeń dławika budowany jest z pakietów anizotropowych blach transformatorowych. Konstrukcja rdzenia zakłada występowanie kilku szerokich szczelin powietrznych pomiędzy blokami materiału magnetycznego w każdej kolumnie. Elementy konstrukcyjne rdzenia takie jak kątowniki czy szpilki, wykonane są ferromagnetycznego metalu. Ze względu na rodzaj zastosowanych do budowy dławika materiałów, powstają straty histerezowe w elementach ferromagnetycznych oraz straty wiro-prądowe we wszystkich przewodzących elementach dławika [3]. Intensywność strat podstawowych powstających w rdzeniu dławika zależy od amplitud i częstotliwości występujących w obwodzie prądów harmonicznych oraz wartości indukcji maksymalnej w rdzeniu. Straty wiro-prądowe ponadto zależą silnie od grubości blach magnetycznych oraz od kierunku przebiegu strumienia magnetycznego w rdzeniu. Wielkość strat histerezowych uzależniona jest od stratności zastosowanego materiału magnetycznego.

Ciągły rdzeń magnetyczny – magnetowód skupia strumień magnetyczny wytworzony przez uzwojenia dławika oraz definiuje kierunek jego przebiegu. Rdzeń magnetyczny najczęściej jest pakietowany lub zwijany z blach o możliwie małej grubości w kierunku przebiegu strumienia. Pozwala to uzyskać niskie straty gdy przewidywalny jest kierunek przebiegu strumienia w rdzeniu. W rdzeniach dławików występują nieciągłości w postaci poprzecznych szczelin powietrznych w kolumnach. Szerokie szczeliny powietrzne w rdzeniu powodują zmianę kierunku przebiegu strumienia w obszarach przy-szczelinowych oraz wywołują zewnętrzny strumień rozproszenia. Zmiana kierunku przebiegu strumienia powoduje wzrost strat podstawowych histerezowych z powodu anizotropii materiału rdzenia oraz silny wzrost strat wiro-prądowych w rdzeniu. Zasięg oddziaływania magnetycznego strumienia rozproszenia zależny jest od wartości indukcji w rdzeniu i szerokości szczelin powietrznych. Strumień rozproszenia wywołuje wiroprądowe straty dodatkowe w uzwojeniu oraz dodatkowe straty wiro-prądowe i histerezowe w ferromagnetycznych metalicznych częściach konstrukcyjnych dławika [4,5]. Ograniczenie strat histerezowych w rdzeniu realizowane jest poprzez zastosowanie transformatorowych blach krzemowych o obniżonej stratności lub amorficznych i nano-krystalicznych materiałów magnetycznych o bardzo wąskiej pętli histerezy. W konstrukcji wielo-szczelinowej rdzenia zmniejszenie zasięgu działania strumienia rozproszenia wokół szczelin powietrznych uzyskuje się ograniczając szerokość pojedynczej szczeliny w rdzeniu. Szeroką szczelinę powietrzną zastępuje się kilkoma lub kilkunastoma  wąskimi szczelinami, które zmniejszają odkształcenie drogi strumienia w rdzeniu i zmniejszają strumień rozproszenia w przestrzeni wokół rdzenia.

 

Rys1. Przekrój kolumny dławika w technologii wieloszczelinowej CoreECOTM

 

Rdzenie w technologii CoreECOTM budowane są z cienkich transformatorowych blach krzemowych o obniżonej stratności lub amorficznych i nano-krystalicznych materiałów magnetycznych. Cięte blachy lub taśmy materiału magnetycznego są następnie klejone wysokotemperaturowymi klejami epoksydowymi w moduły, z których budowana jest kolumna dławika (Rys. 1). Odpowiednia ilość modułów kolumnowych oddzielonych przekładkami szczelinowymi umieszczona jest między aluminiowymi płaskownikami kolumnowymi. Pozwala to na stabilizację konstrukcyjną kolumn rdzenia. Na klejonych modułowych kolumnach bezpośrednio nawijane jest uzwojenie dławika. Kolumny rdzenia wraz z uzwojeniami łączone są z górnym i dolnym jarzmem oraz uzupełniane o elementy konstrukcyjne (Rys. 2 ). Technologia budowy wielo-szczelinowych, modułowych rdzeni dławikowych CoreECOTM dzięki jednoczesnemu wprowadzeniu zmian materiałowych, konstrukcyjnych i technologicznych. skuteczne ogranicza straty w rdzeniu, uzwojeniu oraz w częściach konstrukcyjnych dławika.

 

Rys2. Ilustracja konstrukcji trójfazowego dławika wieloszczelinowego z rdzeniem w technologii CoreECOTM

 

[1]. Łukiewski M., Elementy indukcyjne dla energoelektroniki, Urządzenia dla Energetyki  5/2018

[2]. Łukiewski M., Zastosowanie sinusoidalnych filtrów typu SinECOTM w przekształtnikowych układach napędowych, Urządzenia dla Energetyki 4/2017

[3]. Dąbrowski M., Analiza obwodów magnetycznych. Straty mocy w obwodach., PWN Poznań 1981.

[4]. Roshen W. A. Fringing Field Formulas and Winding Loss Due to an Air Gap, IEEE Trans.on Magn., vol.43, no.8 (2007)

[5]. Bossche A., Cekov Valchev V., Improved calculation of winding losses in gapped inductors, Jurnal of Applied Physics 97, 10Q703 (2005)