Применение литцендрата

Elektrisola поставляет высокочастотный литцендратный провод для следующих применений, включая сертификаты и требования в соответствии со стандартами каждого сектора.

1. Автомобильный

В ответ на растущий мировой спрос на автомобили с нулевым уровнем выбросов автомобильные компании вложили огромные средства в разработку электромобилей. Сегодня усилия по развитию продолжаются, поскольку неустанные требования к более быстрому времени зарядки и повышению эффективности требуют творческих решений из литцендрата.

1.1 Компоненты электромобиля, содержащие многожильный провод

• Бортовое зарядное устройство (OBC)
• Преобразователь постоянного тока в постоянный
• Беспроводное зарядное устройство (туалет)
• Зарядная станция
• Электрический тяговый двигатель

Литцендрат необходим перечисленным компонентам для снижения потерь в меди на более высоких частотах с целью повышения КПД.

Электромобиль с дополнительными системами зарядки

Возможно повышение эффективности, увеличение плотности тока, а соответственно, снижение массы, за счет использования высокочастотного многожильного провода. Можно использовать более легкие и дешевые конструкции, что приводит к увеличению запаса хода аккумуляторов для электромобилей. Кроме того, возможно удешевление производства за счет экономии материалов.

1.1.1 Бортовое зарядное устройство (переменного/постоянного тока)

Общий

Электромобиль с подключенным бортовым зарядным устройством

Бортовое зарядное устройство (OBC) передает энергию из сети в тяговую батарею. Зарядное устройство преобразует переменный ток в постоянный, который поступает в аккумулятор.

При зарядке от внешнего высоковольтного зарядного устройства постоянного тока для очень быстрой зарядки встроенное зарядное устройство не используется.

Входное напряжение является результатом особенностей локальной сети в соответствии со следующими соображениями:

Технические детали бортового зарядного устройства

Бортовая система зарядки

Встроенное зарядное устройство в основном состоит из каскада коррекции коэффициента мощности (PFC) и каскада преобразователя постоянного тока, показанных на рисунке выше.

До и после этапов применяются два фильтра помех для электромагнитной совместимости (ЭМС).

Ступень коррекции коэффициента мощности

Ступень PFC обеспечивает потребление синусоидального тока из сети общего пользования.

Повышающий преобразователь выполняет коррекцию коэффициента мощности.

Важным элементом эффективности на этом этапе является высокочастотная катушка, которая может быть реализована как одинарная или двойная катушка, в зависимости от топологии.

Частоты переключения обычно ниже 50 кГц.

Возможно оптимизировать все литцендраты, предназначенные для использования в OBC, с целью достижения максимальной эффективности.

Стадия высоковольтного преобразователя постоянного тока

Главный преобразователь передает энергию через трансформатор с гальванической развязкой. Этот высокочастотный преобразователь является ключевым элементом OBC. Он передает требуемую мощность от первичной обмотки к вторичной через воздушный зазор с максимально возможной эффективностью.

Индуктивные высокочастотные компоненты

Высокочастотная катушка для коррекции коэффициента мощности

Эта катушка является центральным элементом повышающего преобразователя. Частоты переключения до 50 кГц, в зависимости от топологии преобразователя.

Дроссель PFC с обмотанной лентой литцендратом

Дроссель PFC с усиленным литцендратом

ВЧ-трансформатор и дроссель PFC, обмотанный ленточным литцендратом

Дроссель PFC с армированной литцендратом

Высокочастотный трансформатор с гальванической развязкой

Трансформатор состоит как минимум из двух катушек для первичной и вторичной обмотки.

Гальваническая развязка реализуется путем преобразования передачи электрической энергии в электромагнитную. Таким образом, мощность передается через воздушный зазор без механической связи.

Для электромобилей требуется гальваническая развязка, чтобы удерживать потенциал сети отдельно от потенциала автомобиля из соображений безопасности.

Комбинация нескольких изоляционных материалов с определенными воздушными путями и путями утечки обеспечивает заданный уровень защиты от напряжения пробоя.

Примеры конструкции ВЧ трансформатора:

ВЧ трансформатор с двухкамерной катушкой

ВЧ трансформатор с двухкамерной катушкой

ВЧ трансформатор с промежуточной ленточной изоляцией

ВЧ трансформатор с литцендратом и промежуточной ленточной изоляцией

1.1.2 Преобразователь постоянного тока в постоянный

Общий

Электромобиль с преобразователем постоянного тока высокого напряжения в постоянный

Электромобили имеют как минимум две сети с разным напряжением: одна с низковольтной батареей для всех автомобильных периферийных устройств, а другая с высоковольтной батареей для компонентов трансмиссии. Преобразователь постоянного тока в постоянный обеспечивает двунаправленную передачу энергии между обеими сетями путем преобразования напряжения с гальванической развязкой.

Технические детали преобразователя постоянного тока в постоянный

Система преобразователя постоянного/постоянного тока высокого/низкого напряжения

Сеть электромобилей низкого напряжения обычно основана на свинцово-кислотных батареях с уровнем напряжения от 12 В до 48 В.

Сеть высокого напряжения электромобиля часто включает литиевую батарею, а уровень напряжения варьируется от 200 В до 1000 В.

Типичная мощность DC/DC преобразователей составляет от 1,5 кВт до 5 кВт.

В силовой электронике обычно используются топологии мягкого переключения с каскадом резонансного трансформатора с гальванической развязкой. Двунаправленный поток энергии реализуется топологиями buck/boost между двумя каскадами.

Индуктивные высокочастотные компоненты

Эффективность преобразователя DC/DC является ключом к обеспечению минимального объема конструкции и малого веса. Высокие частоты переключения помогают уменьшить размеры катушки индуктивности и трансформатора. Современные полупроводниковые технологии делают возможными более высокие частоты, что позволяет использовать катушки индуктивности и трансформаторы еще меньшего размера.

Частоты переключения находятся в диапазоне от 100 кГц до 550 кГц. Высокочастотные литцендратные изделия оптимизированы для применения, чтобы гарантировать высокий коэффициент заполнения для высокой эффективности, а также сохранение долговечности при высоких напряжениях.

Широко используемый диаметр одиночных жил проволоки составляет 0,05 - 0,1 мм.

Обычно значения температурного класса варьируются от B(130°C) до F(155°C).

Распространены изделия из литцендрата с оклейкой, экструзией и сервировкой.

Какой из них выбрать, зависит от индивидуальных параметров применения, например, доступного пространства и требований к напряжению пробоя.

См. примеры ВЧ-трансформаторов на следующих рисунках:

ВЧ трансформатор с промежуточной ленточной изоляцией

ВЧ трансформатор с разделительным барьером обмотки

ВЧ трансформатор с армированным литцендратом

1.1.3 Беспроводное зарядное устройство

Общий

Электромобиль с подключенным беспроводным зарядным устройством

Беспроводная зарядка (WC) или индуктивная зарядка (IC) — это один из нескольких методов беспроводной передачи энергии (WPT). Это очень удобный способ зарядки электромобиля, так как мощность может передаваться через большие воздушные зазоры без какого-либо кабельного соединения при высоких коэффициентах полезного действия.

Зарядное устройство использует две плоские катушки индуктивности для передачи энергии через изменяющееся во времени электромагнитное поле.

Существует два основных типа беспроводной зарядки:

Статическая беспроводная зарядка

Принцип статической беспроводной зарядки

Транспортное средство заряжается, пока оно находится на стоянке. Катушка приемника устанавливается на днище автомобиля, а передатчик устанавливается на землю или в землю. Для процесса зарядки приемник должен быть выровнен по передатчику во время процесса парковки.

Динамическая беспроводная зарядка

Принцип динамической беспроводной зарядки

Благодаря этой технологии будущего транспортное средство получает питание во время движения над линией из нескольких стационарных передающих площадок.

Технические подробности

Беспроводная система зарядки

Существует два основных типа индуктивной зарядки:

Индуктивная беспроводная зарядка (IWC), также называемая индуктивной передачей мощности (IPT)

Принцип IWC — «закон индукции Фарадея» — впервые был использован в 18 веке. IWC выпустила первый электромобиль в 1970-х годах.

Подобно бортовому зарядному устройству, упомянутому выше, первая ступень зарядного устройства представляет собой ступень PFC для обеспечения синусоидального потребления тока. Беспроводная передача энергии осуществляется за счет взаимной индукции магнитного поля между катушкой передатчика и приемника. В первичной обмотке переменным током создается изменяющееся во времени магнитное поле, которое индуцирует напряжение на вторичной обмотке и перемещает электроны. Затем ток протекает через вторичную обмотку, где переменный ток выпрямляется и фильтруется для зарядки тяговой батареи.

Поскольку напряжение индуцируется только при изменении магнитного поля, требуется переменный ток высокой частоты. Типичные рабочие частоты IWC лежат между 20 и 90 кГц.
IWC работают как трансформатор с воздушной катушкой вместо металлического сердечника.

Резонансная индуктивная система беспроводной зарядки (RIWC)

Катушка с резонансным управлением намного эффективнее, потому что полное сопротивление уменьшается на резонансной частоте. В результате коэффициент качества очень высок, подробнее см. Основы электромагнитного поля.

Кроме того, при резонансной работе мощность может передаваться на большие расстояния. Более слабые магнитные поля могут передавать такую ​​же мощность, как конструкции IWC.

Для максимальной передачи мощности резонансные частоты первичной и вторичной катушек должны совпадать. К катушкам добавлены дополнительные цепи компенсации. Эти электрические схемы еще больше повышают эффективность.

Типичные рабочие частоты RIWC составляют от 10 кГц до 150 кГц.

Стандарты беспроводной зарядки

SAE J2954, определяет WC для легких подключаемых электромобилей и методологию выравнивания. Дополнительные сведения см. в следующей таблице:

В разработке распространены зарядные мощности 50 кВт. Для тяжелых условий эксплуатации несколько зарядных устройств мощностью 50 кВт объединяются для достижения мощности до 500 кВт на транспортное средство.

Кроме того, SAE J2954 предопределяет минимальный КПД 85 % при правильном выравнивании катушек.

Необходимая гальваническая развязка подразумевается беспроводной передачей, где передатчик работает как первичная катушка, а приемник как вторичная катушка.

Различные расстояния воздушного зазора классифицируются в соответствии со следующей таблицей:

Требования к плоским катушкам с литцендратом

• Одиночный провод

Типичные конструкции литцендрата основаны на одиночных проволоках диаметром от 0,030 мм до 0,071 мм.

• Температурный класс одиночной нити

Температура катушки не должна превышать 100°С, поэтому для одиночных проводов достаточны низкотемпературные классы.

• Изоляция

Из-за высокого напряжения часто используются ленты.

• Профильный литцендрат

Катушки намотаны как плоские катушки для равномерного распределения напряженности магнитного поля.

Профилированный литцендрат — распространенный способ поддержания высокого коэффициента заполнения при сохранении хорошо распределенного магнитного поля.

1.1.4 Зарядная станция (переменный/постоянный ток)

Общий

Электромобиль с подключенным зарядным устройством постоянного тока

Зарядные станции поставляют электроэнергию для процесса подзарядки тяговой батареи электромобилей plug (H)EV. Таким образом, доступны два различных типа зарядных станций для преобразования переменного тока из электросети в постоянный для батареи электромобиля:

Несколько зарядных станций

Зарядная станция переменного тока, которая служит источником энергии для OBC.

Зарядная станция постоянного тока, которая выступает в качестве прямого источника энергии для аккумулятора электромобиля. Таким образом, зарядное устройство является частью зарядной станции.

Технические детали зарядных станций

Зарядная станция переменного тока

Для процесса зарядки переменным током зарядные устройства устанавливаются на борт электромобиля (OBC), и подробности описаны в главе 1.1.1. Специальной версией зарядных станций переменного тока являются беспроводные зарядные устройства, описание которых приведено в главе 1.1.3.

Бортовое зарядное устройство можно подключить для подключения к электросети как на общественных зарядных станциях, так и на бытовых зарядных станциях.

Общественная зарядка

Общественные зарядные станции часто совмещают с общественными парковками. Они принадлежат коммерческим или частным предприятиям, иногда в партнерстве с владельцем парковки. В следующей таблице представлен обзор различных зарядных станций.

Частные зарядные станции

Частные зарядные станции, часто называемые настенными зарядными устройствами, представляют собой домашние зарядные станции, которые могут быть установлены владельцем электромобиля на частных объектах для зарядки автомобиля дома, но они часто ограничены выходной мощностью как более высокое напряжение розеток нет или ток ограничен.

Сравнение различных вариантов зарядки можно увидеть в следующей таблице:

Зарядная станция постоянного тока

Зарядная станция с вилкой типа 2

Зарядные станции постоянного тока могут достигать мощности более 43 кВт, поскольку нет ограничений по пространству и весу внутри зарядного устройства, как в случае OBC, установленного в автомобиле.

Зарядное устройство встроено в зарядную станцию ​​постоянного тока, а технология силовой электроники во внешних зарядных устройствах такая же, как и в OBC.

Часто модульные конструкции используются в зарядных устройствах постоянного тока. Таким образом, мощность может быть легко увеличена путем добавления модулей в параллельную цепь к зарядной станции.

Сравнение различных вариантов зарядки можно увидеть в следующей таблице:

Индуктивные высокочастотные компоненты для зарядных станций

Для будущих типов электромобилей промышленность планирует зарядку мощностью до 450 кВт при напряжении 800 В. Современные технологии в области разработки силовой электроники делают возможными уровни напряжения до 1000 В. Эти высокие уровни напряжения обеспечивают более быструю и эффективную зарядку.

Эти тенденции приводят к высоким требованиям к изоляции высокочастотного многожильного провода в индукторах и трансформаторах зарядных устройств.

Внешние зарядные устройства постоянного тока, по сравнению с бортовыми зарядными устройствами, могут обеспечивать более высокую зарядную мощность, поскольку доступное пространство не ограничено. Мощность бортовой зарядки ограничена весом и пространством компонентов.

Типичные конструкции многожильных проводов высокочастотных трансформаторов в зарядных устройствах постоянного тока используют одиночные провода диаметром 0,07–0,1 мм, оптимизированные для частот переключения от 50 до 100 кГц.

1.1.5 Электродвигатель

Общий

Электромобиль с тяговым электродвигателем

Электродвигатели являются основой трансмиссии электромобиля. Большим преимуществом электродвигателей является высокий крутящий момент, доступный с нулевой скорости во всем диапазоне скоростей.

Электродвигатели уже имеют более высокий КПД по сравнению с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), но все еще имеют потенциал для оптимизации эффективности. Двигатель приводится в действие инвертором с высокой мощностью при частоте коммутации до 50 кГц. Возникающие в результате такой частоты потери в меди в катушках можно уменьшить, используя высокочастотный литцендратный провод вместо традиционных однопроволочных конструкций.

Существует множество различных концепций двигателей, которые различаются электромагнитным принципом, а также механической конструкцией и различными концепциями трансмиссии.

Formula Student Racer с электрическим тяговым двигателем

Для электромобилей двигатели должны выбираться в соответствии с автомобильными требованиями. Основной целью является увеличение удельной мощности, что приводит к повышению экономической эффективности на протяжении всего жизненного цикла электромобиля.

Гонщик World Solar Challenge с электрическим тяговым двигателем

Formula Student Racer с электрическим тяговым двигателем

Двигатель ступицы колеса

Технические детали электрических двигателей

Электрическая двигательная установка

В своей самой базовой форме электродвигатель состоит из динамической части, ротора, который вращается вокруг статической части, статора. Обе части состоят из листов магнитной стали, которые служат путями магнитного потока. Между обеими частями небольшой воздушный зазор обеспечивает возможность вращения.

Листы статора имеют геометрию зубьев (аналогичную шестерне) по внешнему кругу, через который намотаны витки изолированных проводников.

Для привода двигателя инвертор управляет током, протекающим через катушки, чтобы создать круг магнитного потока от листов статора через воздушный зазор к листам ротора и обратно. Благодаря этому крутящий момент создается электромагнитной силой, которая преобразует электрическую энергию в энергию вращения.

Компоненты катушки для электродвигателей

Основное отличие катушек и процесса намотки заключается в разделении статоров на два типа:

1. Статор с распределенными обмотками, в котором несколько зубцов делят одну катушку.
2. Статор с сосредоточенными обмотками, где на каждый зубец приходится своя катушка.

Оба типа статора имеют разные свойства и разные методы производства.

В классических промышленных двигателях обмотка состоит только из одного магнитопровода, что достаточно для меньшей мощности. Для более высокой мощности в электромобилях необходимы более высокие сечения меди. Этого можно добиться с помощью параллельных магнитных проводов или толстых медных стержней, называемых шпильками или и-пинами. Оба решения имеют недостаток, заключающийся в высоких потерях на вихревые токи. Вместо этого литцендраты достигают желаемого поперечного сечения меди с высоким коэффициентом заполнения, а также компенсируют потери на вихревые токи.

Высокочастотный многожильный провод может быть разработан практически для любого уровня мощности двигателя путем добавления соответствующего количества жил для достижения целевого сечения меди.

Статоры с концентрированными зубчатыми обмотками с самоклеящейся многожильной проволокой

При преобразовании электрической энергии в мощность вращения возникают тепловые потери. В первую очередь это потери в меди, которые делятся на потери постоянного тока и потери переменного тока.

Потери по постоянному току можно уменьшить за счет увеличения поперечного сечения меди.

Причиной потерь переменного тока являются вихревые токи от кожи и эффекты близости.

Различные типы профилированного многожильного провода для распределенных обмоток статора

Высокочастотный многожильный провод компенсирует вихревые токи, тем самым повышая эффективность двигателей.

Еще одним преимуществом высокочастотного литцендрата в двигателях является улучшенная теплопроводность, которая улучшает рассеивание тепла и в то же время снижает высокочастотные потери.

Тяговые двигатели EV могут иметь высокий риск частичного разряда из-за высокого уровня напряжения в сочетании с коротким и почти прямоугольным режимом переключения инверторов. Высокочастотный литцендратный провод может быть спроектирован с сопротивлением частичному разряду для обеспечения долговечности.

Для распределенных обмоток профилированный многожильный провод является хорошим решением для высокого коэффициента заполнения и оптимального использования пазов.

Самонесущая катушка с помощью самоклеящейся литцендратной проволоки

Двигатель ступицы колеса с самонесущими катушками с помощью самоклеящейся литцендратной проволоки

Обмотки также могут быть изготовлены в виде самонесущих катушек с использованием литцендрата с самоклеящейся эмалью. Литцендрат сначала наматывается на катушку, на втором этапе сжимается, а затем приклеивается для фиксации проволоки на катушке с возможностью повторного размягчения.

Катушки двигателя обычно должны иметь прямоугольную форму, чтобы поместиться в слот с высоким коэффициентом заполнения. Литцендрат может быть спроектирован с высокой механической гибкостью для достижения малого радиуса намотки без повреждения изоляции, как у толстого одиночного провода.

Частоты в двигателях должны различаться между частотой коммутации инвертора и частотой статора. Основная частота статора оказывает наибольшее влияние на потери на вихревые токи и обычно составляет до 3 кГц в зависимости от скорости. Высокочастотный многожильный провод рассчитан на это значение.

1.1.6 Основные взаимосвязи между литцендратом и силовой электроникой

Связь частот переключения и размера катушки индуктивности

Размер катушки в трансформаторах, катушках индуктивности и дросселях может быть значительно уменьшен за счет более высоких частот переключения.

Частоты переключения ограничены тепловыми потерями, возникающими в процессе переключения. Вот почему скорость переключения пришлось сократить, чтобы свести к минимуму потери при переключении в силовой электронике и уменьшить размеры катушек для более высокой плотности мощности и уменьшения громкости.

Развитие технологий силовых транзисторов привело к значительному изменению скорости переключения и диапазона напряжений благодаря новым полупроводниковым материалам.

Более короткое время переключения означает, что фронты нарастания напряжения становятся выше в соответствии со следующей таблицей:

Обзор полупроводниковых разработок

Взаимосвязь тенденций высокого напряжения и изоляционных материалов для многожильных проводов

Тенденция все более высоких напряжений предъявляет высокие требования к изоляционным материалам литцендрата. Кроме того, высокий потенциал между отдельными витками трансформатора требует неизменно высокой изоляции от близлежащих витков.

Это вызвано высокими частыми коммутируемыми напряжениями, особенно в топологиях преобразователей с резонансными цепями.

Возможна разработка литцендрата индивидуально для каждого силового трансформатора, обеспечивая оптимальную эффективность, защиту от высокого напряжения, теплопроводность и коэффициент заполнения.

Связь методов коммутации, напряжения пробоя и частичного разряда

Напряжение контролируется полупроводниковыми переключателями, чтобы подавать ток на катушки индуктивности во всей силовой электронике. Они состоят в основном из литцендрата для высокочастотных применений. Методы переключения различаются в зависимости от применения между жестким переключением и мягким переключением.

Жесткое переключение означает, что операция переключения выполняется в то время, когда ток и напряжение не равны нулю. Таким образом, коммутационные потери высоки, а долговечность низка. Риск частичного разряда высок из-за значительного увеличения напряжения на катушках индуктивности.

Мягкое переключение означает, что операция переключения выполняется в то время, когда ток и напряжение равны нулю. Коммутационные потери внутри транзисторов низки и повышают эффективность и долговечность силовой электроники и индуктивных компонентов. Риск частичного разряда низкий.

1.2 Отопление салона

Общий

Автомобильное сиденье с подогревом литцендрата

Для обогрева сидений применяются литцендратные провода с эмалированными одинарными проводами, чтобы избежать «горячих точек» на сиденьях. Так же применяются различные сплавы и экструзия снаружи для дальнейшего улучшения литцендрата.

Наряду с подогревом сидений все большую популярность приобретает подогрев руля. Первоначально использовавшийся в автомобилях более высокого класса, электрический обогрев салона теперь стал стандартным для многих классов автомобилей.

Обычные автомобили с двигателями внутреннего сгорания используют отработанное тепло двигателя для обогрева салона автомобиля.

В электромобилях это невозможно. Следовательно, необходимы эффективные способы отопления с меньшим потреблением энергии, например:

• нагрев поверхностей прямого контакта таких как: сиденья, подлокотники или рулевое колесо;
• излучение от панелей рядом с пассажирами как эффективный вариант дизайна.

Различные варианты обогрева салона

Для многих применений в области отопления литцендрат стал современным решением, позволяющим решать технические, механические и электрические задачи.

Индивидуально разработанные литцендраты позволяют разработчикам достигать точных температурных профилей, а также избегать «горячих точек» в случае обрыва отдельных прядей внутри литца из-за высокого напряжения изгиба или неправильного обращения.

Несущий элемент обогрева сиденья с литцендратом

Деталь несущего элемента обогрева сиденья с литцендратом

Технические подробности

Наиболее важными техническими аспектами эмалированного литцендрата для обогрева являются:

• Нет «горячих точек» (как объяснялось выше);

• Стойкость к изгибам.

Нагревательные литцендраты должны сильно выдерживать механические нагрузки, вызванные изгибом и растяжением в течение всего срока службы, так как сиденья обычно подвергаются сильным механическим воздействиям в повседневной эксплуатации. Боковые валики являются особенно механически требовательными областями. Оптимизированные диаметры проволоки, использование сплавов, специальные конструкции пучков и опциональные экструзионные оболочки являются основными факторами, влияющими на конструкцию, которые значительно увеличивают срок службы при изгибе. Компоненты для снятия натяжения также могут поддерживать очень маленькие и тонкие конструкции из литцендрата, где это необходимо.

• Сопротивление нагреванию

Оптимальное сочетание сечения проводника и сплава обеспечивает точное конечное сопротивление и температурный профиль в зоне нагрева. Удельное сопротивление многожильного провода в Ом/м и температурный коэффициент определяют конечную мощность нагрева по отношению к общей длине нагревательного провода.

• Удобство применения

Использование высокопрочного, но менее гибкого материала из сплава приводит к потенциально большему количеству петель в пучках литцендратной проволоки, вызывающих перегибы или узлы. Это может привести к повреждению в процессе шитья. Специальные конструкции пучков, оптимальное обращение с проволокой и методы связывания сводят этот эффект к минимуму. Дополнительное внешнее выдавливание положительно влияет на поведение петли.

• Пинхолы

При термических и механических воздействиях изоляция эмалированных проводов может страдать от проколов. Это микроскопические трещины эмалирующего слоя. Проколов можно избежать, правильно выбрав тип эмали, обращение с проволокой в ​​процессе ее производства и оптимизировав методы скрутки.

• Химическая устойчивость

Такие жидкости, как пот, безалкогольные напитки, молоко, кофе, чистящие средства и другие, могут повлиять на срок службы нагревательного провода. В результате диффузии изоляция может пострадать, что приведет к коррозии и преждевременному выходу из строя нагревательного элемента. Сочетание правильного типа эмали, сорта и опционального экструзионного покрытия повышает химическую стойкость и защищает нагревательный провод от таких воздействий.

1.3 Электроника салона

Общий

Беспроводная зарядка сотовых телефонов становится все более распространенным дополнением к пассажирскому салону, поскольку избавляет клиента от необходимости обращаться с зарядным шнуром.

Автомобильная интегрированная система беспроводной зарядки

На этом рынке широко используются две технологии беспроводных зарядных систем:

Индуктивная беспроводная система зарядки

Беспроводная передача энергии осуществляется за счет взаимной индукции магнитных полей между катушкой передатчика и приемника. В катушке передатчика переменный ток создает изменяющееся во времени магнитное поле, которое излучается во всех направлениях. Наивысшая эффективность передачи энергии в этой системе достигается, когда приемная катушка с такими же размерами, что и передающая катушка, расположена точно сверху и на расстоянии нескольких миллиметров от передающей катушки.

Основным преимуществом индуктивных систем беспроводной зарядки является относительно высокая эффективность, когда передатчик и приемник тесно связаны.

Это предпочтительнее, когда требуется высокая эффективность системы зарядки.

Резонансная система беспроводной зарядки

Эта система по-прежнему является «индуктивной» в том смысле, что магнитное поле, создаваемое катушкой передатчика, индуцирует ток в катушке приемника. Однако принцип передачи энергии осуществляется на более высоких частотах, чем в индуктивных системах, и основан на том, что катушки передатчика и приемника работают на одной и той же резонансной частоте. В резонансной системе беспроводной зарядки между катушками создается своего рода энергетический туннель, который позволяет передавать энергию на большие расстояния, между несколькими катушками и в нескольких направлениях.

В системе наблюдается некоторая потеря эффективности из-за утечки потока даже при близком расположении катушек.

Поэтому эта система предпочтительнее, когда от системы требуется удобство легкого позиционирования.

Существует 2 основных стандарта беспроводной зарядки бытовой электроники:

• Qi

(Разработано консорциумом Wireless Power Consortium «WPC»)

Технология: Индуктивная и резонансная

Рабочая частота: 85 кГц - 205 кГц

Уровни мощности передатчика: 5–15 Вт

• Rezence

(Разработано Альянсом по беспроводному питанию «A4WP»)

Технология: резонансная

Рабочая частота: 6,78 МГц

PTU (Power Transmitter Unit) Уровни мощности: 2 Вт - 70 Вт

PRU (Power Receiver Unit) Уровни мощности:

3,8 Вт - 50 Вт

Компоненты беспроводного зарядного устройства в стандарте Qi

Передатчики мощности в стандарте Qi имеют типы конструкции от A1 до A34 (имеющие одну или несколько первичных катушек) и типы конструкции от B1 до B7 (имеющие массив первичных катушек). Различные типы конструкции отличаются друг от друга, среди прочего, размером и формой витков (круглые, овальные и квадратные), все они имеют литцендраты с разным количеством (от 24 до 180) отдельных проводов 0,08 мм.

Несмотря на то, что приемники мощности не определены стандартом Qi, он устанавливает некоторые примеры использования таких же конфигураций многожильных проводов, что и передатчики мощности.

Типичные изделия из литцендрата

Типичные изделия из литцендрата для беспроводных зарядных устройств

Планарные катушки Litz Wire, встроенные в печатную плату системы беспроводной зарядки

Планарная катушка с самоклеящимся литцендратом в системе беспроводной зарядки смартфона

2. Промышленность

2.1 Импульсный источник питания

Общий

Импульсные источники питания (SMPS) питают электрические и электронные устройства специальным пониженным постоянным током (DC). Благодаря высокому КПД, компактной и легкой конструкции, а также широкому диапазону входного напряжения, SMPS используются во многих промышленных приложениях.

Примеры:

• системы зарядки
• лабораторное и испытательное оборудование
• технология сварки
• медицинские и ИТ-системы

Технические подробности

Источником питания является общественная сеть переменного тока, мощность которой преобразуется в мощность высокой частоты (ВЧ) с использованием полупроводниковых топологий с быстрым переключением, см. рисунок 1 ниже. Для преобразования высокочастотного входного напряжения в более низкий уровень переменного напряжения необходим высокочастотный трансформатор. Его размеры можно уменьшить, увеличив рабочую частоту (30 кГц - 500 кГц).

Импульсная система питания

Обычно высокочастотные трансформаторы работают со слоистой обмоткой и малым числом витков. Использование высокочастотных литцендратов необходимо для эффективного снижения высокочастотных потерь на более высоких частотах. Из соображений безопасности первичная (входная) сторона трансформатора должна быть отделена от вторичной (выходной).

Типичные изделия из литцендрата

ВЧ трансформатор с разделенными катушками

Элементы конструкционной изоляции, такие как разделительные перегородки и фланцы, могут быть реализованы для сохранения электрических воздушных и воздушных расстояний.

ВЧ трансформатор с разделительным барьером обмотки

Более компактным и экономичным техническим решением является использование армированных изолированных литцендратов. В этом случае воздушные пути и пути утечки могут быть уменьшены, могут быть реализованы меньшие и легкие конструкции с более высокой удельной мощностью.

2.2 Датчики

Общий

Оптимальные характеристики эмалированного литцендрата на высоких частотах (ВЧ) и широкий спектр возможностей для уникальных конструкций делают литцендрат оптимальным материалом для датчиков и антенн.

Примеры

• Индуктивные датчики приближения
• Датчики обнаружения металла
• Катушки для RFID-систем
• Катушки для связи ближнего поля

Технические подробности

Радиочастотная идентификация (RFID)

Считывающее устройство создает поле высокой частоты, такое как строб, который воздействует на антенну транспондера. В антенне индуцируется напряжение; чип активируется и создает индивидуальный отклик по затуханию поля. Ответ получает считыватель.

Планарная катушка в транспондере RFID

Считыватель RFID-чипов

Связь ближнего поля (NFC)

NFC определяет различные протоколы связи для связи между двумя электронными устройствами на расстоянии 4 см.

Низкоскоростное соединение можно использовать для следующих примерных приложений:

• Бесконтактные платежные системы
• Обмен информацией
• Маркеры идентификации и доступа
• Автоматизация смартфона
• NFC-теги

Автомат по продаже билетов NFC

Индуктивные бесконтактные переключатели

В основе работы датчика лежит колебательный контур, состоящий из катушки и емкости, характеризуемой добротностью. Сама катушка создает электромагнитное поле, которое охватывает зону обнаружения. При наличии в зоне проводящего элемента добротность изменяется за счет потерь на вихревые токи.

Потеря энергии поля обнаруживается электронными схемами бесконтактного переключателя, и элемент подтверждается.

Устройства RFID и бесконтактные выключатели используются в логистике, автоматизации процессов и железнодорожной технике.

Антенна (или катушки, создающие поле) обычно выполняется без каркасов катушек или несущих элементов. В этих воздушных змеевиках, основанных на технологии самоскрепления, используются армированные или экструдированные литцендраты.

Бесконтактный переключатель

3. Медицинский

3.1 Слуховые аппараты (соединительные кабели)

Общий

Слуховые аппараты должны быть как можно меньше и легче, чтобы повысить комфорт пользователя и минимизировать видимость. Традиционные соединительные кабели обычно заменяются гораздо более легкими гибкими проводами, поскольку отдельные провода изолированы и могут использоваться в качестве кабеля.

Различные типы слуховых аппаратов

Слуховой аппарат с литцендратом

Микрокабель для слухового аппарата

Общие требования

• Серебряное покрытие как защита от воздействия окружающей среды
• Яркие цвета благодаря серебристой поверхности под ним
• Очень стабильная паяемость
• Высокая производительность на изгиб
• Очень прочный с дополнительными армирующими волокнами
• Очень гладкая экструдированная поверхность
• Высочайшие требования к жестким допускам на диаметр (округлость и размер)
• Идеальная способность зачистки электрического контакта

Микрокабель для слухового аппарата с цветной маркировкой проводов

3.2 Другие применения

Диагностическая система с пьезоэлектрическим преобразователем для ультразвука

Вторичные катушки для магнитно-резонансной томографии

Беспроводное зарядное устройство для медицинских устройств

Беспроводное зарядное устройство для медицинских устройств

Хирургические инструменты и инструменты

4. Бытовая техника

4.1 Индукционное приготовление пищи

Общий

Электромагнитное переменное поле индуцируется на дне кастрюли или сковороды и преобразуется в тепловую энергию за счет потерь на вихревые токи. Тепловые потери в передающей катушке очень малы, поэтому время нагрева мало, а поверхность варочной панели остается холодной.

Технические подробности

Диапазон рабочих частот: 20 кГц - 60 кГц

Индуктивная варочная панель с планарной катушкой, создающей поле, и ВЧ-трансформатором

1. Дно кастрюли из черного металла
2. Стеклокерамика (варочная поверхность)
3. Переменное электромагнитное поле
4. инвертор
5. Индуктивная катушка из литцендратного провода
6. Электрическая сеть

Индуктивные компоненты для приготовления пищи

Планарная катушка с носителем

Планарная катушка с самоклеющейся литцендратом

Требования к индуктивному проводнику

• Высокотемпературный класс
• Высокое напряжение пробоя
• Механическая сила
• Высокий коэффициент заполнения (сжатая обмотка)

Типичная многожильная проволока для индукционных плит

• Высокочастотные планарные катушки с основным литцендратом
• Основные материалы: медь, алюминий и алюминий, плакированный медью.
• Диаметр одиночной проволоки от 0,18 мм до 0,4 мм
• 20 - 120 нитей (в зависимости от размера варочной панели и частоты включения)
• Высокотемпературные эмали без запаха (≥ 200 °C).
• Дополнительное профилирование: можно использовать для увеличения коэффициента заполнения (профилированный литц)

5. Возобновляемая энергия

5.1 Солнечный инвертор

Солнечные панели с инверторными блоками

Общий

Солнечный инвертор является сердцем солнечной энергосистемы. Он преобразует постоянный ток от солнечных батарей в переменный ток сети.

В то же время электронное управление в инверторе контролирует всю систему солнечной энергии и сеть.

Солнечный инвертор выполняет следующие задачи:

1. Эффективное преобразование энергии из постоянного тока с более низким напряжением в переменный ток с более высоким напряжением
2. Оптимизация мощности
3. Мониторинг данных о мощности и температуре
4. Связь с интеллектуальными энергетическими системами
5. Управление температурой для предотвращения перегрева солнечных панелей

Технические детали солнечных инверторов

Сетевая солнечная инверторная система

Солнечные инверторы можно разделить на категории в зависимости от трех свойств:

1. Мощность

Мощность варьируется от нескольких кВт до МВт. Типичные значения для частных домохозяйств составляют 5 кВт, для промышленных 10-20 кВт и 500 кВт и выше для солнечных электростанций.

1. Соединение модулей

на стороне постоянного тока солнечные инверторы могут быть подключены к цепочке, многоцепочке или центральной топологии, в зависимости от требований к мощности и эффективности.

1. Топология цепи

Инвертор может быть спроектирован для однофазной сети переменного тока или для трехфазной сети переменного тока и может быть как с гальванической развязкой, так и без нее.

Гальваническая развязка реализована с помощью трансформатора между сторонами постоянного и переменного тока. При этом пакет модулей можно соединить с землей, чтобы предотвратить появление потенциалов переменного напряжения, что является обязательным в некоторых странах.

Инверторы без гальванической развязки имеют электрически соединенные стороны постоянного и переменного тока, что дает преимущество более высокой эффективности, но недостаток потенциалов переменного напряжения относительно земли, что ограничивает срок службы.

Требования к литцендрату для солнечных инверторов

ВЧ трансформатор с отдельными катушками и усиленным литцендратом

• Температурный индекс TI = 155 °C
• Высокая механическая прочность
• Хорошая гибкость
• Высокое напряжение пробоя диэлектрика

6. Бытовая электроника

6.1 Импульсный источник питания

Общий

Импульсные источники питания (SMPS) питают электрические и электронные устройства специальным понижающим постоянным током (DC). Ключевым элементом для операции понижения напряжения является высокочастотный (ВЧ) трансформатор.

Благодаря высокому КПД, компактной и легкой конструкции, а также переменному входному напряжению, импульсные источники питания получили широкое распространение не только в промышленности, но и в потребительской сфере.

Примеры:

• Зарядное устройство для смартфона
• Зарядное устройство для ноутбука
• Персональный компьютер
• Аудио и мультимедийные системы
• телевизоры
• Бытовая техника
• Системы зарядки

Технические подробности

Обычно есть два места для размещения блока SMPS на потребительском устройстве:

Внешний (кабельный)

SMPS во внешних зарядных устройствах для ноутбуков

SMPS в зарядных устройствах для смартфонов и ноутбуков

Внутренний, где электронные устройства и индуктивные компоненты монтируются непосредственно на основной плате.

Печатная плата с ИИП

Смотрите примеры высокочастотных трансформаторов SMPS на следующих рисунках:

ВЧ трансформатор с усиленным литцендратом

ВЧ-трансформатор с гибким проводом и экраном EMV

ВЧ трансформатор с усиленным литцендратом

ВЧ трансформатор с усиленным литцендратом

Для получения более подробной технической информации и информации о продукции из литцендратной проволоки см.

Промышленное применение SMPS.

(см. пункт 2.1)

6.2 Умный текстиль

Литцендрат используется для специальных применений в умном текстиле. Как правило, используется очень тонкая литцендратная проволока, так как проволока должна сливаться с тканью и не нарушать текстуру основы. В то же время грубое обращение при ежедневном использовании, а также стирка или чистка создают очень требовательную среду.

Общий

• Спортивная и повседневная одежда
• Защитное снаряжение для силовых структур, RFID-идентификация
• Технология безопасности зданий
• Праздничная одежда/униформа
• Машиностроение/мониторинг мультиматериальных систем, медицинская техника

Технические подробности

• Малый внешний диаметр литцендрата
• Текстильные характеристики, тонкая структура
• Высокая прочность на растяжение, соединение и долговечность при изгибе
• Химическая стабильность
• Сохранение цвета

Для использования в текстильной промышленности необходимы специальные эмалированные провода, см. https://www.textile-wire.ch/en/home.html

Типичные характеристики смарт-текстильных проводов

• Диаметр одной проволоки: 0,02 мм - 0,071 мм
• Количество одиночных проводов: 2 - 100
• Материал проводника: медь и сплавы с серебрением и без него
• Изоляция: Эмали на основе полиуретана, экструзионные покрытия с низкой температурой плавления.
• Дополнительно: оголенные одиночные провода
• Дополнительно: компенсаторы натяжения
• Дополнительно: нейлон или шелк для механической поддержки

6.3 Беспроводная зарядка

Общий

Смартфон на беспроводном зарядном устройстве

Беспроводные зарядные устройства представлены на рынке в виде беспроводных зарядных устройств, встроенных беспроводных зарядных устройств для мебели или в виде док-станций USB с беспроводным зарядным устройством. Зарядному устройству нужен приемник на электронике пользователя, такой как смартфон, часы и т. д.

Беспроводные зарядные устройства предлагают следующие преимущества для бытовой электроники:

• Нет кабелей
• Нет необходимости иметь правильный разъем
• Уменьшенный износ зарядного порта

На этом рынке широко используются две технологии беспроводных зарядных систем:

Индуктивная беспроводная система зарядки

Беспроводная передача энергии осуществляется за счет взаимной индукции магнитных полей между катушкой передатчика и приемника. В катушке передатчика переменный ток создает изменяющееся во времени магнитное поле, которое излучается во всех направлениях. Наивысшая эффективность передачи энергии в этой системе достигается, когда приемная катушка с такими же размерами, что и передающая катушка, расположена точно сверху и на расстоянии нескольких миллиметров от передающей катушки.

Основным преимуществом индуктивных систем беспроводной зарядки является относительно высокая эффективность, когда передатчик и приемник тесно связаны.

Это предпочтительнее, когда требуется высокая эффективность системы зарядки.

Резонансная система беспроводной зарядки

Эта система по-прежнему является «индуктивной» в том смысле, что магнитное поле, создаваемое катушкой передатчика, индуцирует ток.

в приемной катушке. Однако принцип передачи энергии осуществляется на более высоких частотах, чем в индуктивных системах, и основан на том, что катушки передатчика и приемника работают на одной и той же резонансной частоте. В резонансной системе беспроводной зарядки между катушками создается своего рода энергетический туннель, который позволяет передавать энергию на большие расстояния, между несколькими катушками и в нескольких направлениях.

В системе наблюдается некоторая потеря эффективности из-за утечки потока даже при близком расположении катушек.

Поэтому эта система предпочтительнее, когда от системы требуется удобство легкого позиционирования.

Технические стандарты

Существует 2 основных стандарта беспроводной зарядки бытовой электроники:

• Qi (разработано консорциумом Wireless Power Consortium «WPC»)
• Технология: Индуктивная и резонансная
• Рабочая частота: 85 кГц – 205 кГц
• Уровни мощности передатчика: 5–15 Вт

• Rezence (разработан Alliance for Wireless Power «A4WP»)
• Технология: резонансная
• Рабочая частота: 6,78 МГц
• PTU (Power Transmitter Unit) Уровни мощности: 2 Вт - 70 Вт
• PRU (Power Receiver Unit) Уровни мощности:
• 3,8 Вт - 50 Вт

Компоненты беспроводного зарядного устройства в стандарте Qi

Передатчики мощности в стандарте Qi имеют типы конструкции от A1 до A34 (имеющие одну или несколько первичных катушек) и типы конструкции от B1 до B7 (имеющие массив первичных катушек). Различные типы конструкции отличаются друг от друга, среди прочего, размером и формой катушек (кругло-овальная и квадратная), все они имеют литцендраты с разным количеством (от 24 до 180) одиночных проволок 0,08 мм.

Несмотря на то, что приемники мощности не определены стандартом Qi, он устанавливает некоторые примеры использования конфигураций гибких проводов, аналогичных конфигурациям передатчиков мощности.

Типичные изделия из литцендрата

Типичные изделия из литцендрата для беспроводных зарядных устройств

Планарные катушки, встроенные в печатную плату системы беспроводной зарядки

Планарная катушка с самоклеющейся литцендратом

Планарная катушка с самоклеящимся литцендратом в системе беспроводной зарядки смартфона

7. Специальные кабели

Общий

Литцендрат можно использовать так же, как и кабель, поскольку отдельные жилы эмалированного провода имеют очень прочную изоляцию. Экструзия литцендрата может быть использована для дальнейшего усиления механических и электрических свойств, но также увеличивает вес и объем. В некоторых случаях литцендраты с эмалированными жилами используются непосредственно в качестве кабеля, что дает преимущества по диаметру, весу и объему. Отдельные цветные проволоки помогают различать отдельные нити литцендрата для дальнейшей обработки.

Типичные компоненты литцендрата

Примеры специальных жил и кабелей из литцендратной проволоки:

• Высокочастотные литцендраты со сверхтонкой и очень сложной конструкцией пучков, например, 600 х 0,010 мм или 25 000 х 0,20 мм.
• Микрокабели с наименьшими возможными внешними диаметрами в несколько миллиметров, например, 7 x 0,010 мм.
• Диагностические кабели с термофиксированными самоклеящимися эмалированными проводами. Например, витая пара (например, 2 x 0,020 мм) или плоские многожильные провода.
• Висячие тросы с максимальной гибкостью, конструкцией с низким коэффициентом трения и эмалевым покрытием.
• Вибростойкая сигнальная линия с проводниками из специальных сплавов (например, 7 x 0,04 мм).
• Гибкая проволока для кабелей гарнитуры, которая экструдируется вместе, чтобы получить тонкий легкий кабель.
• Высокочастотный многожильный провод со специальной цветовой маркировкой.

Микрокабель с экструдированным покрытием