ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИНДУКТИВНЫЙ РАЗЪЁМ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке коммутационных устройств электрических сетей, в том числе электрических сетей повышенной эксплуатационной безопасности.

Известен электрический разъем (патент РФ №2451354; МПК H01F 38/14, H01R 13/66, опубл. в бюл. №14 от 20.05.2012) в виде двухсоставного индуктивного разъема, который состоит из двух частей, двух половин сердечника и двух фиксирующих средств, с возможностью перемещения половин между положениями фиксации и расфиксации.

Известен электрический разъем (патент РФ №2419945; МПК H02J 17/00, H01F 38/14, опубл. в бюл. №7 от 10.03.2010) в виде устройства беспроводной индукционной передачи энергии с первичной цепью, содержащей по меньшей мере одну катушку, и вторичной цепью, также содержащей по меньшей мере одну катушку, а также электрически независимый резонансный контур по меньшей мере в одном из контуров и разъемный сердечник-магнитопровод.

Известен электрический разъем (патент РФ №2419944; МПК H02J 17/00, H01F 38/14, H01F 41/02, опубл. в бюл. №15 от 27.05.2011) в виде бесконтактного разъемного устройства передачи энергии посредством электромагнитной индукции между первичной и вторичной катушками, расположенными на разных сторонах устройства, вторичная из которых дополнительно содержит магнитный слой.

Известен электрический ударный детонатор со спаренным ферритовым сердечником (патент США №4852493; МПК F42B 3/12; F42C 19/12, опубл. 01.08.1989), в котором для соединения с источником питания применен электрический разъем в виде двух отдельных изолированных круговых контуров, помещенных в ответные части разъемного ферритового окружения (корпуса, сердечника). Устройство предназначено для передачи электрического импульса килоамперного диапазона менее чем микросекундной длительности посредством электромагнитной индукции.

Известен индукционный разъем (авторское свидетельство СССР №1575247; МПК H01F 23/00, опубл. в бюл. №24 от 30.06.1990), выбранный в качестве прототипа, в котором обмотки (катушки индуктивности) помещены в проточки ответных частей ферромагнитных сердечников, выполненных в виде конуса и гнезда и при стыковке заполняющих пространство вокруг обмоток.

Общим недостатком данных устройств является то, что в них применяются сердечники и/или корпуса из ферромагнитных материалов, вследствие чего они непригодны для передачи коротких импульсов в системах передачи команд и данных или импульсов высокой мощности из-за потерь энергии и мощности сигнала на взаимодействие с материалами сердечника и корпуса. Должна учитываться длительность процесса перемагничивания материала сердечника, которая несущественна при передаче энергии в установившемся режиме, но при передаче импульса микросекундного диапазона приводит к изменению формы и увеличению длительности сигнала, к существенному снижению мгновенного коэффициента трансформации (коэффициента полезного действия при передаче энергии и мощности).

Технический результат изобретения заключается в том, что при его применении повышается безопасность работ персонала с электрическими сетями, в том числе в особых условиях, при минимальном увеличении длительности сигнала.

При применении индуктивного разъема в электрической цепи непериодического переменного тока высокой частоты в диапазоне от 10³ до 10⁹ Гц в неустановившемся режиме или импульсного тока с аналогичными периодами нарастания тока стыковка частей цепи производится не гальванически, а индуктивно, что позволяет электрически изолировать катушки индуктивности от внешней среды и друг от друга, включая часть цепи, связанную с опасными устройствами в контуре нагрузки, и защитить эти устройства от случайной подачи электричества, а также защитить персонал от поражения током при случайном прикосновении к ответной части разомкнутого индуктивного разъема, связанной с источником питания. Применение индуктивных разъемов во взрывоопасной газовой среде, например - в шахтах, защищает от опасного искрообразования при стыковке, вызванного как статическим электричеством, так и возможным ненадлежащим состоянием источника питания. Появляется возможность передачи электричества через герметичные диэлектрические немагнитные стенки, в том числе в окружении токопроводящих сред (электролиты, ионизированный газ). Исключается необходимость применения пружинных контактных электродов, испытывающих силовое воздействие и трение контактирующих поверхностей электродов при стыковке-расстыковке. Тем самым существенно повышается безопасность эксплуатации электрических систем, их защищенность и надежность.

По сравнению с разъемной электрической цепью с гальванической связью контуров питания и нагрузки низкий коэффициент трансформации индуктивного разъема (не выше 0,5) требует более мощного источника питания для сохранения необходимой амплитуды тока в контуре пассивной катушки с нагрузкой, но частично может быть скомпенсировано повышением амплитуды тока в контуре активной катушки с источником питания путем снижения полного сопротивления контура питания.

Указанный технический результат достигается тем, что в индуктивном разъеме, состоящем из выполненных в виде штыря и гнезда двух разъемных частей с катушками индуктивности, установленными концентрично, и устройства фиксации разъемных частей, внутренняя полость разъемных частей и катушек индуктивности заполнена средой, имеющей немагнитные диэлектрические свойства. Соотношение длины наружной катушки к ее диаметру может быть не менее 0,8. Количество витков катушек может быть не более 8. Катушки индуктивности выполнены из материала с удельным сопротивлением не более 0,03 Ом⋅мм²/м при нормальных условиях.

Наличие в полости катушек немагнитной диэлектрической среды исключает потери энергии генерирующего и генерируемого магнитного поля на взаимодействие со средой.

Соотношение длины катушки к диаметру не менее 0,8 обеспечивает равномерность генерирующего магнитного поля, способствующую повышению коэффициента трансформации (полезного действия) индуктивного разъема.

Количество витков катушек не более 8 обеспечивает низкое полное сопротивление катушек и, соответственно, высокую амплитуду тока в активной и в пассивной катушке. С этой же целью выбирается материал проводников катушек с удельным сопротивлением не выше 0,03 Ом-мм /м при нормальных условиях.

Конструктивная схема индуктивного разъема показана на фиг. 1, где позициями обозначены: 1, 2 - катушки, 3, 4 - немагнитные изоляторы, 5, 6 - корпуса ответных частей, 7 - элемент крепления ответных частей, 8, 9 - электрические выводы.

Устройство функционирует следующим образом.

На катушку 1 разъема из состыкованных ответных частей с корпусами 5 и 6, скрепленных элементом крепления 7, через электрические выводы 8 подается непериодический переменный (в неустановившемся режиме) или импульсный электрический ток. В катушке 1 возбуждается магнитное поле, которое беспрепятственно распространяется по немагнитным изоляторам 3 и 4 и зазорам между ними и из-за эффекта электромагнитной индукции вызывает возникновение индукционного тока в катушке 2, замкнутой цепью контура нагрузки, соединенному с выводами 9. При необходимости ответные части индуктивного разъема расстыковываются.

Разработана расчетно-теоретическая модель индуктивного разъема и рабочие чертежи, по которым изготовлен и успешно испытан опытный образец устройства.