Магнитный сердечник

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в уменьшении потерь на гистерезис и повышении надежности за счет уменьшения магнитного потока через магнитотвердый материал в нормальных рабочих условиях. Магнитный сердечник (10а) ограничителя выбросов тока содержит по меньшей мере один первый магнитный элемент (12) и по меньшей мере один второй магнитный элемент (14). Магнитные элементы (12, 14) расположены таким образом, чтобы формировать по существу параллельную решетку магнитных элементов (12, 14). Каждый первый магнитный элемент (12) содержит магнитно-мягкий материал. Каждый второй магнитный элемент (14) содержит магнитно-твердый материал. Каждый магнитно-мягкий материал в ненасыщенном состоянии имеет более высокую магнитную проницаемость, чем каждый магнитно-твердый материал. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Настоящее изобретение относится к магнитному сердечнику ограничителя выбросов тока и его использованию в магнитном ограничителе выбросов тока.

При работе электрического устройства электрический ток, протекающий через устройство, обычно поддерживают в пределах заданного рабочего тока электрического устройства. Однако неисправность или иные ненормальные условия эксплуатации электрического устройства могут привести к большому выбросу тока, превышающему рабочий ток электрического устройства. Например, во время работы сетей передачи энергии преобразователи энергии уязвимы из-за неисправностей со стороны постоянного тока, представляющих собой короткое замыкание с низким полным сопротивлением линий передачи постоянного тока или кабелей. Такие неисправности могут возникать из-за повреждения и пробоя изоляции, замыканий из-за перемещения проводов или других случайных замыканий проводов посторонними объектами.

Возникновение выбросов тока может приводить не только к повреждению компонентов электрического устройства, но также может вызывать отключение электрического устройства на длительный период времени. Это приводит к увеличению стоимости ремонта и обслуживания аппаратных средств электрического устройства и неудобствам для конечных пользователей, работающих с электрическим устройством.

Неблагоприятные эффекты можно предотвратить путем ограничения величины выбросов тока с помощью ограничителей тока.

Известным решением для ограничителя тока является использование магнитного ограничителя выбросов тока. Магнитный ограничитель выбросов тока ведет себя как переменная индуктивность, представляющая собой небольшое полное сопротивление в нормальных рабочих условиях и высокое полное сопротивление в условиях неисправности, приводящей к возникновению больших выбросов тока во взаимодействующей системе электропитания. В магнитных ограничителях выбросов тока, использующих материал постоянного магнита, магнитный поток проходит через материал постоянного магнита в нормальных рабочих условиях, когда взаимосвязанная система электропитания находится в исправном состоянии, и в условиях неисправностей.

Прохождение магнитного потока через материал постоянного магнита вызывает наведенные токи Фуко и магнитный гистерезис. Это приводит не только к потерям энергии в ограничителе тока, но также вызывает повышение температуры материала постоянного магнита, которое недопустимо в силу того, что у материалов постоянного магнита снижается эффективность при превышении определенной температуры.

Сила наведенных токов Фуко может быть уменьшена путем деления единого блока материала постоянного магнита на множество тонких пластин. Каждая из таких пластин может быть покрыта тонким электроизолирующим материалом и затем соединена с другими пластинами с помощью механического и (или) клеящего средства. Относительно небольшое поперечное сечение каждой пластины снижает циркуляцию наведенных токов Фуко и тем самым минимизирует силу наведенных токов Фуко.

Магнитный поток, проходящий через материал постоянного магнита, может поддерживаться на относительно низком уровне для уменьшения потерь на гистерезис, т.к. материал постоянного магнита проявляет магнитный гистерезис в большей степени при увеличении плотности магнитного потока. Данное обстоятельство, однако, означает, что магнитные ограничители выбросов тока непригодны для использования выше определенной силы тока, что ограничивает рабочий диапазон ограничителя.

Влияние нагрева на потери от гистерезиса в материале постоянного магнита может быть снижено путем оснащения магнитного ограничителя выбросов тока охлаждающей системой. Однако охлаждающая система не только является дополнительным источником потерь мощности, но также снижает надежность устройства из-за возможных выходов из строя самой системы охлаждения и ее различных компонентов, таких как оборудование обнаружения и управления и вспомогательное устройство электропитания. Наличие охлаждающей системы также ведет к увеличению стоимости аппаратных средств, габаритов и веса.

Альтернативно, материал постоянного магнита может быть изготовлен с использованием такой топологии, как большая площадь поверхности, которая способствует естественному охлаждению. Однако в таком случае материал постоянного магнита будет занимать значительный объем пространства, чтобы достаточно охлаждаться во время работы магнитного ограничителя выбросов тока.

В документе JP 2003-197436 А описан магнитный сердечник ограничителя выбросов тока, содержащий первый магнитный элемент, включающий в себя магнитно-мягкий материал, и второй магнитный элемент, включающий в себя магнитно-твердый материал. Магнитные элементы расположены таким образом, чтобы образовывать по существу параллельную решетку магнитных элементов.

Документ GB 2415833 А относится к использованию постоянных магнитов в магнитных цепях, таких как ограничители выбросов тока для переменных токов. Компоновка постоянных магнитов включает в себя множество постоянных магнитов, соединенных параллельно друг с другом.

В статье «Design and Construction of Magnetic Fault Current Limiter» J.-L. Rasolonjanahary и др. раскрыт ограничитель выбросов тока на постоянных магнитах. Статья касается идеального ограничителя тока для последовательного соединения, имеющего малое полное сопротивление для рабочих токов цепи, но высокое полное сопротивление для выбросов тока.

Документ US 2004/0 134 565 относится к процессу самосборки многокомпонентных или структурированных магнитных наночастиц типа ядро-оболочка в нанокомпозиты. В частности, он касается процесса самосборки магнитных нанокомпозитов, включающего в себя магнитно-мягкую и магнитно-твердую фазы, которые обменно связаны и обладают высоким энергетическим произведением, существенно более высоким, чем однофазные материалы.

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предлагается магнитный сердечник ограничителя выбросов тока, содержащий по меньшей мере один первый магнитный элемент и по меньшей мере один второй магнитный элемент, магнитные элементы расположены таким образом, чтобы формировать по существу параллельную решетку магнитных элементов, причем каждый первый магнитный элемент включает в себя магнитно-мягкий материал, а каждый второй магнитный элемент включает в себя магнитно-твердый материал, в котором каждый магнитно-мягкий материал в ненасыщенном состоянии имеет более высокую магнитную проницаемость, чем каждый магнитно-твердый материал.

Применение по существу параллельной решетки из первого и второго магнитных элементов позволяет создать магнитный сердечник ограничителя выбросов тока с уменьшенными потерями на гистерезис благодаря тому, что доля магнитного потока, проходящего через магнитно-твердый материал во время нормальной работы магнитного ограничителя выбросов тока, минимизирована.

При использовании, когда катушка намотана вокруг сердечника с целью создания магнитного ограничителя выбросов тока, по существу параллельное расположение первого и второго магнитных элементов и более высокая магнитная проницаемость ненасыщенного магнитно-мягкого материала позволяют большей части магнитного потока проходить преимущественно через магнитно-мягкий материал в нормальных рабочих условиях взаимосвязанной электрической цепи. Это означает, что в нормальных рабочих условиях через магнитно-твердый элемент проходит минимальный магнитный поток. Это приводит к снижению потерь на гистерезис в сердечнике, т.к. магнитно-мягкий материал обладает меньшим уровнем гистерезиса, чем магнитно-твердый материал.

В случае неисправности или иного ненормального режима работы, приводящего к большому выбросу тока во взаимосвязанной электрической цепи, переключение пути прохождения магнитного потока на магнитно-твердый материал приводит к высокому полному сопротивлению катушки, что ограничивает выброс тока. Хотя это изменение пути магнитного потока и приводит к высоким уровням магнитного гистерезиса, магнитный поток проходит через магнитно-твердый материал в течение короткого периода времени. Соответственно, суммарные потери на гистерезис в магнитно-твердом материале остаются на минимальном уровне.

Поэтому по существу параллельное расположение первого и второго магнитных элементов минимизирует долю магнитного потока, проходящую через магнитно-твердый материал в нормальных рабочих условиях магнитного ограничителя выбросов тока, и тем самым снижает потери на гистерезис в магнитном сердечнике ограничителя выбросов тока.

Дополнительно, по существу параллельное расположение первого и второго магнитных элементов также означает, что управление магнитным потоком через магнитный ограничитель выбросов тока является по своей природе пассивным и не требует дополнительного оборудования для обнаружения и (или) переключения. Это не только минимизирует габариты, вес и стоимость аппаратных средств, но и повышает надежность ограничителя тока, снижая риск выхода из строя связанного с ним оборудования обнаружения и (или) управления.

Предпочтительно по меньшей мере один первый магнитный элемент отделен по меньшей мере от одного соседнего магнитного элемента изолятором. Каждый изолятор может быть выполнен в виде воздушного промежутка или твердого неэлектропроводящего материала, такого как клей, лак, слюда или тому подобного материала.

В вариантах осуществления настоящего изобретения магнитный сердечник ограничителя выбросов тока может дополнительно включать в себя множество первых магнитных элементов и (или) множество вторых магнитных элементов, при этом магнитные элементы расположены таким образом, чтобы формировать чередующиеся первичные слои первого и второго магнитных элементов.

В других вариантах осуществления по меньшей мере один первый магнитный элемент и (или) по меньшей мере один второй магнитный элемент могут включать в себя множество вторичных слоев магнитного материала, причем каждый вторичный слой отделен от соседнего вторичного слоя или каждого соседнего вторичного слоя изолятором.

Использование первичных и (или) вторичных слоев магнитных элементов помогает создать магнитный сердечник ограничителя выбросов тока, в котором потери мощности, возникающие из-за наведения токов Фуко, снижены. Сила любых токов Фуко, наведенных в магнитных элементах, когда изменяющийся поток проходит через магнитные элементы, значительно уменьшена благодаря относительно небольшому поперечному сечению каждого первичного и (или) вторичного слоя первого и (или) второго магнитных элементов и их электрической изоляции друг от друга, что в совокупности ограничивает циркуляцию токов Фуко.

Магнитный сердечник ограничителя выбросов тока может включать в себя по меньшей мере один магнитный элемент с осевым отверстием, в котором часть по меньшей мере одного первого магнитного элемента помещена в осевое отверстие второго магнитного элемента, имеющего осевое отверстие, и (или) часть по меньшей мере одного второго магнитного элемента помещена в осевое отверстие первого магнитного элемента.

Магнитный сердечник ограничителя выбросов тока также может включать в себя по меньшей мере один магнитный элемент, имеющий полую и герметичную внутреннюю часть, в котором по меньшей мере один первый магнитный элемент помещен в полую герметичную часть второго магнитного элемента и (или) по меньшей мере один второй магнитный элемент помещен в полую герметичную внутреннюю часть первого магнитного элемента.

В одних вариантах осуществления настоящего изобретения каждый магнитный элемент может быть стержнем или брусом. В других вариантах осуществления поперечное сечение магнитного элемента может быть круглым, овальным или многоугольным.

Конструкция магнитного сердечника ограничителя выбросов тока может меняться в зависимости от требований применения магнитного ограничителя выбросов тока.

Предпочтительно в сердечнике ограничителя выбросов тока, в котором по меньшей мере один первый магнитный элемент отделен по меньшей мере от одного соседнего второго магнитного элемента воздушным промежутком по меньшей мере один такой воздушный промежуток заполнен электроизоляционным материалом.

Такое использование электроизоляционного материала не только обеспечивает электрическую изоляцию соседних магнитных элементов, но также формирует поддерживающую структуру для удержания соседних магнитных элементов на месте.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается магнитный ограничитель выбросов тока, содержащий магнитный сердечник ограничителя выбросов тока в соответствии с любым из вышеупомянутых вариантов осуществления и по меньшей мере один электрический проводник, намотанный вокруг части сердечника или каждого сердечника, тем самым формируя катушку.

Конструкция ограничителя тока проста в изготовлении и легко адаптируема для установки в любое устройство, требующее одного или более ограничителей тока.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения электрический провод или каждый электрический провод может быть намотан вокруг первого и второго магнитных элементов.

Намотка электрического провода или каждого электрического провода вокруг как первого, так и второго магнитных элементов позволяет создаваемому магнитному полю оказывать большее влияние на магнитные элементы и тем самым повышает эффективность ограничителя тока при управлении путем прохождения магнитного потока и при ограничении выбросов тока.

Предпочтительно во время работы по электрическому проводу или по каждому электрическому проводу проходит переменный ток.

Катушка или каждая катушка во время работы предпочтительно соединена с одной или более электрических цепей. В таких вариантах осуществления катушка или каждая катушка представляет собой полное сопротивление для минимизации выбросов тока, возникающих из-за неисправности при работе электрической цепи.

Ограничитель тока может использоваться для минимизации выбросов тока в одной или нескольких связанных электрических цепях при неисправности или при других ненормальных условиях работы, чтобы предотвращать повреждение связанной электрической цепи или каждой связанной электрической цепи.

В других вариантах осуществления катушка или каждая катушка может быть выполнена в виде соленоида или тороида для создания однородного и управляемого магнитного поля.

Далее будут описаны предпочтительные варианты осуществления на примерах, не имеющих ограничительного характера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - магнитный сердечник ограничителя выбросов тока в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения; и

Фиг.2 - магнитный сердечник ограничителя выбросов тока в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.

Магнитный сердечник 10 ограничителя выбросов тока в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения показан на Фиг.1.

Магнитный сердечник 10 ограничителя выбросов тока содержит первый магнитный элемент 12 и второй магнитный элемент 14, расположенные таким образом, чтобы создать по существу параллельную решетку магнитных элементов 12,14.

Каждый первый магнитный элемент 12 включает в себя множество вторичных слоев магнитно-мягкого материала. Предпочтительно магнитно-мягкий материал является сталью, имеющей высокую магнитную проницаемость и малые потери на гистерезис.

Каждый вторичный слой может быть покрыт тонким электроизолирующим материалом для обеспечения электрической изоляции между соседними вторичными слоями. Эти покрытые вторичные слои могут быть соединены вместе механически и (или) с использованием клея, чтобы сформировать первый магнитный элемент 12. Предусмотрено, что в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый вторичный слой может быть отделен от каждого соседнего вторичного слоя воздушным промежутком и в некоторых случаях один такой воздушный промежуток может быть дополнительно заполнен электроизолирующим материалом.

Наличие вторичных слоев снижает потери мощности, связанные с токами Фуко, наводимыми в магнитном сердечнике ограничителя выбросов тока. Это происходит из-за того, что сила токов Фуко, наводимых в магнитных элементах, когда изменяющийся поток проходит через магнитный сердечник ограничителя выбросов тока, существенно ограничена относительно малым поперечным сечением каждого вторичного слоя, что значительно ограничивает циркуляцию токов Фуко.

Дополнительно, электрическая изоляция вторичных слоев друг от друга ограничивает циркуляцию токов Фуко.

Второй магнитный элемент 14 выполнен из магнитно-твердого материала и отделен от первого магнитного элемента 12 воздушным промежутком, который в других вариантах осуществления может быть заполнен электроизолирующим материалом.

Магнитный сердечник 10b ограничителя выбросов тока в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения показан на Фиг.2.

Магнитный сердечник 10b ограничителя выбросов тока содержит множество первых магнитных элементов 12 и множество вторых магнитных элементов 14, эти магнитные элементы расположены таким образом, чтобы формировать чередующиеся первичные слои первого и второго магнитных элементов 12, 14.

Каждый первичный слой может быть покрыт электроизолирующим материалом, чтобы обеспечивать электрическую изоляцию соседних первичных слоев. Как отмечено выше, эти покрытые первичные слои могут быть объединены вместе механически и (или) с использованием клея, чтобы сформировать магнитный сердечник ограничителя выбросов тока. Предусмотрено, что в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый первичный слой может быть отделен от каждого соседнего первичного слоя воздушным промежутком и в некоторых случаях по меньшей мере один такой воздушный промежуток может быть дополнительно заполнен электроизолирующим материалом.

Толщина каждого из вторых магнитных элементов 14 может быть больше, чем толщина каждого из первых магнитных элементов 12 из-за большей глубины проникновения электромагнитного поля в магнитно-твердых материалах.

Предусмотрено, что в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения магнитный сердечник ограничителя выбросов тока может содержать любое количество первых и вторых магнитных элементов 12, 14 и (или) по меньшей мере один из первого и (или) второго магнитных элементов 12, 14 может содержать множество вторичных слоев соответствующего магнитного материала.

В других вариантах осуществления по меньшей мере один либо оба из первого и второго магнитных элементов 12, 14 могут иметь осевое отверстие, так что часть по меньшей мере одного первого магнитного элемента 12 размещают в осевом отверстии второго магнитного элемента 14, имеющего осевое отверстие, и (или) часть по меньшей мере одного второго магнитного элемента 14 размещают в осевом отверстии первого магнитного элемента 12.

В прочих вариантах осуществления по меньшей мере один или оба из первых и вторых магнитных элементов 12, 14 могут иметь полое герметичное внутреннее пространство, в котором по меньшей мере один первый магнитный элемент 12 помещен в полое герметическое внутреннее пространство второго магнитного элемента 14 и (или) по меньшей мере один второй магнитный элемент 14 помещен в полое герметическое внутреннее пространство первого магнитного элемента 12.

Предпочтительно каждый магнитный элемент представляет собой стержень или брус и (или) поперечное сечение каждого магнитного элемента имеет круглую, овальную или многоугольную форму.

Для создания магнитного ограничителя выбросов тока можно намотать один или более электрических проводников, например электрических проводов, вокруг части или всего магнитного сердечника 10а, 10b ограничителя выбросов тока, чтобы сформировать одну или более катушек. Предпочтительно электрический провод или каждый электрический провод наматывают вокруг первого и второго магнитных элементов, чтобы магнитный гистерезис магнитно-твердого материала имел большее влияние на полное сопротивление катушки и тем самым повышал эффективность ограничителя тока.

Катушка или каждая из катушек и сердечник 10а, 10b образуют магнитный ограничитель выбросов тока, который при использовании ограничивает или гасит выбросы тока в связанной электрической цепи в случае неисправности или иных ненормальных рабочих условий.

При работе через катушку или каждую из катушек протекает переменный ток, который может иметь синусоидальную форму или другие виды форм. Как таковой ограничитель тока может быть функционально связан с одной или более электрическими цепями, по которым проходит переменный ток, такими как силовые преобразователи и электродвигатели.

Во время работы связанной электрической цепи ток протекает через связанную электрическую цепь и через катушку, намотанную на сердечнике 10а, 10b. Протекание тока через катушку приводит к возникновению магнитного потока, проходящего через сердечник 10а, 10b внутри катушки, который вызывает намагничивание и размагничивание магнитных материалов первого и второго магнитных элементов 12, 14 по мере прохождения переменного тока через катушку.

Для целей данного описания термины положительный и отрицательный относятся к направлению намагничивающей силы и магнитной индукции.

Для создания первого магнитного поля вокруг катушки переменный ток течет через катушку в прямом направлении. Увеличение значения переменного тока в прямом направлении приводит к соответствующему увеличению намагничивающей силы в положительном направлении, что в свою очередь приводит к созданию положительной магнитной индукции в магнитном материале сердечника 10а, 10b. Положительная магнитная индукция достигает своего максимума на пике значения переменного тока в прямом направлении.

После достижения своего пикового значения в прямом направлении переменный ток начинает уменьшаться до нулевого значения, что ведет к соответствующему уменьшению намагничивающей силы в положительном направлении. При нулевом токе намагничивающая сила имеет нулевое значение.

Уменьшение намагничивающей силы в положительном направлении приводит к уменьшению положительной магнитной индукции в магнитном материале. Однако магнитный материал может сохранять положительную магнитную индукцию при нулевом значении тока и намагничивающей силы. Это происходит из-за того, что приложение намагничивающей силы к магнитному материалу приводит к намагничиванию магнитного материала, который может оставаться в намагниченном состоянии даже после полного исчезновения намагничивающей силы. Остаточный магнетизм магнитного материала после снятия намагничивающей силы известен как стойкий остаточный магнетизм.

Для создания второго магнитного поля вокруг катушки переменный ток течет через катушку в обратном направлении. Увеличение значения переменного тока в обратном направлении приводит к соответствующему увеличению намагничивающей силы в отрицательном направлении. Однако стойкий остаточный магнетизм магнитного материала приводит к тому, что магнитная индукция в магнитном материале остается положительной до тех пор, пока намагничивающая сила в отрицательном направлении не станет достаточно большой, чтобы размагнитить магнитный материал.

После того как магнитный материал размагничен, дальнейшее увеличение значения переменного тока в обратном направлении и, следовательно, намагничивающая сила в отрицательном направлении приводит к созданию отрицательной магнитной индукции в магнитном материале. Отрицательная магнитная индукция в магнитном материале достигает своего максимального отрицательного значения при пиковом значении переменного тока в обратном направлении.

Во время смены направления переменного тока с обратного направления на прямое направление магнитный материал сохраняет отрицательную магнитную индукцию до тех пор, пока намагничивающая сила в положительном направлении не станет достаточно большой, чтобы размагнитить магнитный материал. После размагничивания магнитного материала дальнейшее увеличение значения переменного тока в прямом направлении и тем самым намагничивающей силы в положительном направлении приводит к созданию положительной магнитной индукции в магнитном материале, которая достигает своего максимального значения при пиковом значении переменного тока в прямом направлении. Описанный выше циклический процесс определяет замкнутую петлю гистерезиса, которая описывает соотношение между намагничивающей силой и магнитной индукцией. Форма и размер петли магнитного гистерезиса влияют на полное сопротивление, вносимое катушкой в связанную электрическую цепь.

Полное сопротивление катушки является функцией активного сопротивления и реактивного сопротивления.

Для преодоления магнитного гистерезиса магнитного материала требуется дополнительная энергия. Расходование этой дополнительной энергии способствует увеличению сопротивления катушки. Поэтому сопротивление катушки увеличивается в зависимости от уровня магнитного гистерезиса в сердечнике.

Реактивное сопротивление является функцией индуктивности, которая в свою очередь пропорциональна магнитной проницаемости магнитного материала. Магнитная проницаемость равна скорости изменения магнитной индукции при изменении намагничивающей силы, которая зависит от формы и размера петли магнитного гистерезиса. Широкая петля гистерезиса приводит к более крутой зависимости скорости изменения магнитной индукции от изменения намагничивающей силы и тем самым к большим значениям магнитной проницаемости по мере приближения переменного тока к его пиковому положительному или отрицательному значению. Более высокие значения магнитной проницаемости приводят к увеличению индуктивности катушки и тем самым ее реактивного сопротивления.

В нормальных рабочих условиях магнитно-мягкий материал первого магнитного элемента или каждого первого магнитного элемента 12 имеет более высокую магнитную проницаемость, чем магнитно-твердый материал второго магнитного элемента или каждого второго магнитного элемента 14, если магнитно-мягкий материал находится в ненасыщенном состоянии. Благодаря этой разнице в магнитной проницаемости большая часть магнитного потока проходит преимущественно через магнитно-мягкий материал первого магнитного элемента или каждого первого магнитного элемента 12 сердечника 10а, 10b и тем самым минимизирует долю магнитного потока, проходящего через магнитно-твердый материал второго магнитного элемента или каждого второго магнитного элемента 14 сердечника.

Это приводит к снижению потерь энергии, связанных с гистерезисом сердечника 10а, 10b, во время нормальной работы связанной с ним электрической цепи, т.к. магнитно-мягкие материалы обладают низкими уровнями магнитного гистерезиса и поэтому более узкими петлями гистерезиса, чем магнитно-твердые материалы. Низкие уровни магнитного гистерезиса, присущие магнитно-мягким материалам при относительно низких уровнях токов, также приводят к низкому полному сопротивлению катушки или каждой катушки, вносимому в соответствующую электрическую цепь, и поэтому оказывают минимальное влияние на протекание переменного электрического тока в нормальных условиях работы соответствующей электрической цепи.

В случае неисправности или других ненормальных рабочих условий, приводящих к выбросам тока в электрической цепи, уровни магнитного потока в сердечнике 10а, 10b будут расти. Магнитный поток будет продолжать течь преимущественно через первый магнитный элемент или каждый первый магнитный элемент 12 до тех пор, пока магнитно-мягкий материал первого магнитного элемента или каждого первого магнитного элемента 12 не достигнет насыщения. Насыщение магнитно-мягкого материала или каждого магнитно-мягкого материала приводит к падению относительной магнитной проницаемости соответствующего первого магнитного элемента 12 до 1.

На этом этапе магнитно-твердый материал второго магнитного элемента или каждого второго магнитного элемента 14 имеет более высокую магнитную проницаемость, чем насыщенный магнитно-мягкий материал первого магнитного элемента или каждого первого магнитного элемента 12. Это побуждает магнитный поток, создаваемый катушкой, по которой протекает электрический ток, проходить преимущественно через магнитно-твердый материал второго магнитного элемента или каждого второго магнитного элемента 14. Такое изменение среды прохождения магнитного потока с первого насыщенного магнитного элемента или каждого первого насыщенного магнитного элемента 12 на второй магнитный элемент или каждый второй магнитный элемент 14 приводит к изменению полного сопротивления катушки, которое ограничивает выброс тока в связанной с ней электрической цепи.

Это происходит из-за того, что более высокие уровни магнитного гистерезиса в магнитно-твердом материале в совокупности с относительно высокими уровнями выбросов тока приводят к более широкой петле магнитного гистерезиса и поэтому к большей скорости изменения плотности магнитного потока с изменением намагничивающей силы по мере приближения мощных выбросов тока к своему положительному или отрицательному пиковому значению. Это приводит к увеличению активного сопротивления катушки и реактивного сопротивления катушки, как это подчеркивалось выше. Как таковая катушка представляет собой большое полное сопротивление, вносимое в связанную с ней электрическую цепь, и ограничивающее пиковое значение выброса тока в случае неисправности или других ненормальных условий работы.

Наличие магнитно-твердого материала в сердечнике 10а, 10b повышает эффективность магнитного ограничителя выбросов тока, когда он начинает ограничивать выброс тока, благодаря более высокому полному сопротивлению катушки, являющемуся следствием более высоких уровней магнитного гистерезиса в магнитно-твердом материале по сравнению с магнитно-мягкими материалами. В противном случае отсутствие магнитно-твердого материала второго магнитного элемента или каждого второго магнитного элемента 14 и наличие магнитно-мягкого материала первого магнитного элемента или каждого первого магнитного элемента 12 приводят к низкому полному сопротивлению катушки, которое может оказаться недостаточным для ограничения выброса тока.

Предпочтительно высокое полное сопротивление, вносимое в электрическую цепь в условиях неисправности, таково, что пиковое значение выброса тока удерживается в пределах максимального рабочего тока соответствующей электрической цепи, чтобы обеспечить защиту компонентов электрической цепи.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения ограничитель тока может быть предназначен для ограничения величины выброса тока на короткий период времени до того момента, пока внешние автоматические выключатели не разомкнут цепь и тем самым прекратят выброс тока.

Ввиду того что магнитный поток проходит через магнитно-твердый материал второго магнитного элемента или каждого второго магнитного элемента 14 в течение короткого промежутка времени, суммарные потери на гистерезис и рост температуры в магнитно-жестком материале сводятся к минимуму.

Как таковое наличие по существу параллельной решетки из первого и второго магнитных элементов 12, 14 обеспечивает создание магнитного сердечника 10а, 10b ограничителя выбросов тока, обладающего пониженными потерями на гистерезис и малым ростом температуры во время работы магнитного ограничителя выбросов тока, и поэтому он может быть использован в комбинации с электрическими цепями, работающими при больших уровнях тока. Это в свою очередь приводит к снижению стоимости аппаратных средств, габаритов и веса, т.к. нет необходимости устанавливать систему охлаждения или использовать топологию сердечника, позволяющую учитывать потери на гистерезис и рост температуры сердечника.

Такая компоновка также обеспечивает пассивное управление магнитным потоком в магнитном сердечнике 10а, 10b ограничителя выбросов тока. Это позволяет исключить необходимость в устройстве обнаружения и (или) переключения, чтобы обеспечить активное управление прохождением магнитного потока через магнитный сердечник 10а, 10b. Пассивная природа ограничителя тока означает, что можно минимизировать или исключить использование устройства обнаружения и (или) управления, обычно используемого для контроля и управления током в электрической сети.

Предпочтительно магнитно-твердый материал второго магнитного элемента или каждого второго магнитного элемента 14 выбирают таким образом, чтобы намагничивающая сила, требуемая для достижения насыщения магнитно-твердого материала, была выше, чем намагничивающая сила, возникающая при выбросе тока. Для магнитно-твердого материала второго магнитного элемента или каждого второго магнитного элемента 14 может оказаться нежелательным достижение насыщения, т.к. это приводит к снижению его магнитной проницаемости, что ведет к уменьшению полного сопротивления катушки и тем самым к ненадлежащей работе магнитного ограничителя.

1. Магнитный сердечник (10b) ограничителя выбросов тока, содержащий первые магнитные элементы (12) и вторые магнитные элементы (14), причем магнитные элементы расположены таким образом, чтобы формировать по существу параллельную решетку магнитных элементов, при этом каждый первый магнитный элемент (12) содержит магнитно-мягкий материал, а каждый второй магнитный элемент (14) содержит магнитно-твердый материал, магнитные элементы расположены таким образом, чтобы формировать чередующиеся первичные слои первого и второго магнитных элементов, причем магнитно-мягкий материал в насыщенном состоянии имеет более низкую магнитную проницаемость, чем магнитно-твердый материал, и каждый магнитно-мягкий материал в ненасыщенном состоянии имеет более высокую магнитную проницаемость, чем каждый магнитно-твердый материал.

2. Магнитный сердечник ограничителя выбросов тока по п.1, в котором по меньшей мере один первый магнитный элемент (12) отделен по меньшей мере от одного соседнего второго магнитного элемента (14) изолятором.

3. Магнитный сердечник ограничителя выбросов тока по п.1, в котором по меньшей мере один первый магнитный элемент (12) и/или по меньшей мере один второй магнитный элемент (14) включают в себя множество вторичных слоев магнитного материала, при этом каждый вторичный слой отделен от каждого соседнего вторичного слоя изолятором.

4. Магнитный сердечник ограничителя выбросов тока по п.1, в котором по меньшей мере один магнитный элемент имеет полость, причем часть по меньшей мере одного первого магнитного элемента размещена в полости второго магнитного элемента, имеющего полость, и/или часть по меньшей мере одного второго магнитного элемента размещена в полости первого магнитного элемента.

5. Магнитный сердечник ограничителя выбросов тока по п.1, в котором по меньшей мере один магнитный элемент имеет полое и герметичное внутреннее пространство, при этом по меньшей мере один первый магнитный элемент размещен в полом и герметичном внутреннем пространстве второго магнитного элемента и/или по меньшей мере один второй магнитный элемент размещен в полом и герметичном внутреннем пространстве первого магнитного элемента.

6. Магнитный сердечник ограничителя выбросов тока по п.1, в котором каждый магнитный элемент является стержнем или брусом.

7. Магнитный сердечник ограничителя выбросок тока по п.1, в котором поперечное сечение каждого магнитного элемента имеет форму круга, овала или многоугольника.

8. Магнитный сердечник ограничителя выбросов тока по п.1, в котором по меньшей мере один первый магнитный элемент отделен по меньшей мере от одного соседнего второго магнитного элемента воздушным промежутком, причем по меньшей мере один такой воздушный промежуток заполнен электроизолирующим материалом.

9. Магнитный ограничитель выбросов тока, содержащий один или более магнитных сердечников ограничителя выбросов тока по любому из пп.1-8, и по меньшей мере один электрический проводник, намотанный вокруг части каждого сердечника, чтобы сформировать катушку.

10. Магнитный ограничитель выбросов тока по п.9, в котором каждый электрический проводник намотан вокруг первого и второго магнитных элементов.

11. Магнитный ограничитель выбросов тока по п.10, в котором при его использовании по каждому электрическому проводнику протекает переменный электрический ток.

12. Магнитный ограничитель выбросов тока по п.9, в котором каждая катушка функционально соединена при использовании с одной или более электрическими цепями.
13 Магнитный ограничитель выбросов тока по п.12, в котором каждая катушка представляет собой полное сопротивление для минимизации выброса тока, возникающего в результате неисправности электрической цепи.

14. Магнитный ограничителя выбросов тока по п.9, в котором каждая катушка имеет вид соленоида или тороида.