三相電抗器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種三相電抗器。
【背景技術(shù)】
[0002]在目前大功率變頻器、UPS以及新能源的應(yīng)用領(lǐng)域，高達(dá)數(shù)千赫茲的開關(guān)頻率使傳統(tǒng)硅鋼片電抗器的損耗急劇增加而不能適應(yīng)這些高頻應(yīng)用領(lǐng)域。于是這類大功率高頻電抗器通常采用塊狀金粉芯或非晶材料制成的磁芯(鐵芯)，近年來日本JFE采用氣相滲透沉積工藝生產(chǎn)的硅含量6.5%的超級(jí)硅鋼也是不錯(cuò)的選擇。
[0003]非晶材料制成的鐵芯通常由帶材層壓而成，而超級(jí)硅鋼也是片狀疊制，它們和銅箔鋁箔一樣，都是連續(xù)的平面或曲面導(dǎo)體，這一特性導(dǎo)致一旦有與該導(dǎo)體平面或曲面法線方向一致或接近的交流磁通就會(huì)產(chǎn)生極大的渦流損耗。
[0004]根據(jù)磁路中磁通、磁阻和磁壓之間的關(guān)系:磁壓在磁路上的分配與該磁路上的磁阻成正比，通常磁壓的計(jì)算公式如下:
[0005]ΝΙ = Φ.R1+……+ Φ.Rn=CD.Iel/ ( μ el.Ael) +……+ Φ.Ien/ ( μ en.Aj
[0006]這里，NI表示磁壓；φ表示磁通洱表示磁阻；1表示磁路長(zhǎng)度；μ表示磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率；Α表示磁芯的截面積。
[0007]常用的磁芯都是有形的固體，受視覺因素的影響，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)磁路的時(shí)候經(jīng)常只考慮固體磁芯本身或與固體磁芯串聯(lián)的氣隙，而忽略整個(gè)無形的空間其實(shí)都是導(dǎo)磁路徑。這些無形的磁路與固體磁芯或并聯(lián)或串聯(lián)，并且對(duì)整個(gè)磁路的性能影響極大。由于空間相對(duì)磁導(dǎo)率很低，只有1，所以在離激勵(lì)源(繞組)稍遠(yuǎn)的空間里，頻率小于射頻的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)很快衰減至一個(gè)極低值而可以忽略不計(jì)。在激勵(lì)源附近的空間中，這些被稱做近場(chǎng)輻射的磁場(chǎng)只要遇到導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生損耗。
[0008]目前應(yīng)用于數(shù)千赫茲以上開關(guān)頻率場(chǎng)合的合金粉芯電抗器通常是由多塊合金粉芯塊體拼疊成規(guī)整的四方型閉合磁路，如圖1所示。圖1中合金粉芯疊塊I包括橫向的磁芯1-1和縱向的磁芯1-2，2是繞組(例如由銅鋁箔等制成的繞組)纏繞于縱向磁芯1_2(即芯柱)，其中橫向的磁芯1_1(也即軛鐵)沒有繞組纏繞。這種拼疊成的合金粉芯與環(huán)形合金粉芯一樣具有磁阻均勻的磁路，不同的是由環(huán)形合金粉芯制作的電感器的繞組可以均勻地沿著芯柱周長(zhǎng)分布。這樣，環(huán)形合金粉芯電感器繞組產(chǎn)生的磁壓均勻地沿著芯柱磁路分布，正好可以被芯柱的均勻磁阻消耗，而不會(huì)出現(xiàn)磁壓的局部集中于部份磁路。而由于采用拼疊成的合金粉芯如圖1的合金粉芯疊塊1，其繞組通常只能繞在平行的兩柱上，另外兩柱(如圖1中和橫向磁芯1-1)沒有繞組，這樣繞組產(chǎn)生的磁壓不能沿著磁路均勻分布，這些局部集中的磁壓會(huì)導(dǎo)致磁通擴(kuò)散形成嚴(yán)重的近場(chǎng)輻射。
[0009]在圖1中，上下軛鐵兩端的磁壓等于NI.b/(2a+2b)，其中a為圖1中虛線所示的矩形磁路的橫向邊長(zhǎng)，b為矩形磁路的縱向邊長(zhǎng)，這些輻射出來的磁通(如圖1中3、4、5、6所示的磁力線)遇到導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生損耗，當(dāng)這些磁通的方向與平面或曲面狀導(dǎo)體的法線方向一致或接近的時(shí)候損耗尤為嚴(yán)重。在圖1中磁力線4、5就與繞組2的法線方向接近或一致，這些近場(chǎng)磁通會(huì)導(dǎo)致繞組2上產(chǎn)生嚴(yán)重的渦流損耗。
[0010]另外，在目前大功率變頻器、UPS以及新能源的應(yīng)用中，通常采用的是三相電抗器。由于三相一體電抗器(例如三相三柱或三相五柱電抗器)的軛鐵必須是相對(duì)磁導(dǎo)率很高的材料，否則會(huì)導(dǎo)致三相電感量不平衡，而粉芯材料相對(duì)磁導(dǎo)率不高，所以僅使用合金粉芯一種材料是不能制作三相一體電抗器的。而在電氣性能相同的情況下，三個(gè)單相電抗器本身就比一個(gè)三相電抗器體積大，在對(duì)尺寸有要求的應(yīng)用場(chǎng)合，不能采用三個(gè)單相電抗器來替代一個(gè)三相電抗器。
[0011]當(dāng)使用硅鋼片或者非晶納米晶等高導(dǎo)磁材料制作用于三相電的電抗器時(shí)，由三相電的對(duì)稱性可以制作三相三柱(或三相五柱)電抗器。這種電抗器的軛鐵是沒有氣隙的整體，磁通分布在軛鐵內(nèi)部不會(huì)造成額外的損耗。但為了防止芯柱飽和，需要在芯柱上開氣隙。由于硅鋼片這種材料的相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣，所以在鐵芯和空氣的交界處磁通是垂直進(jìn)出鐵芯的。
[0012]舉例來說，圖2示出了在高相對(duì)磁導(dǎo)率材料制成的芯柱上開氣隙的電抗器，所述芯柱為片狀磁芯層疊組成。在該磁芯中有如圖2所示的磁通10、20。磁通20進(jìn)出的磁芯平面由多片相互絕緣的片狀磁芯層疊組成，該平面內(nèi)不會(huì)形成大的渦流；磁通10進(jìn)出的磁芯平面則是一塊整體，該平面內(nèi)會(huì)感應(yīng)出很大的渦流(如圖2中的30和40所示)，造成嚴(yán)重的額外渦流損耗，而且這些擴(kuò)散磁通對(duì)附近的導(dǎo)體(繞組、機(jī)構(gòu)件等)損耗影響很大。
[0013]為了克服上述缺點(diǎn)，就需要把這兩種相對(duì)磁導(dǎo)率不同的芯柱材料混合應(yīng)用，消除與面狀導(dǎo)體法線方向一致的磁通，極大地降低渦流損耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的在于提出一種三相電抗器，能夠提供滿足大功率的使用要求并且降低渦流損耗。
[0015]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0016]一種三相電抗器，包括:一上軛部和一下軛部，所述上軛部和下軛部包含第一材料；至少三個(gè)第一芯柱，所述第一芯柱包含第二材料，且所述第一芯柱的兩端分別與所述上軛部和下軛部連接；所述第一材料的相對(duì)磁導(dǎo)率高于所述第二材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，并且每個(gè)第一芯柱設(shè)有至少一個(gè)氣隙。
[0017]其中，還包括圍繞所述第一芯柱的繞組，所述繞組與所述第一芯柱之間的最小距離為所述氣隙厚度的3-5倍。
[0018]其中，所述第一材料的相對(duì)磁導(dǎo)率大于所述第二材料的相對(duì)磁導(dǎo)率的10倍。
[0019]其中，所述第一材料的相對(duì)磁導(dǎo)率大于所述第二材料的相對(duì)磁導(dǎo)率的20倍。
[0020]其中，所述第一材料為非晶鐵基合金或納米晶鐵基合金。
[0021 ] 其中，所述第一材料為坡莫合金或硅鋼片。
[0022]其中，所述第二材料的初始相對(duì)磁導(dǎo)率大于等于40。
[0023]其中，所述第二材料為合金粉芯。
[0024]其中，所述合金粉芯為非晶鐵基合金粉芯、非晶鈷基合金粉芯、納米晶鐵基粉芯或納米晶鉆基粉芯。
[0025]其中，所述合金粉芯為鐵硅粉芯、鐵硅鋁粉芯或鐵鎳粉芯。
[0026]其中，所述氣隙在所述第一芯柱上均勻分布。
[0027]其中，所述氣隙在所述第一芯柱上不均勻分布。
[0028]其中，所述繞組為銅箔、鋁箔、銅線或鋁線。
[0029]其中，所述第一芯柱和所述上軛部的交界處，以及所述第一芯柱和所述下軛部的交界處均不設(shè)氣隙。
[0030]本發(fā)明還提供了一種三相五柱電抗器，包括:一上軛部和一下軛部，所述上軛部和下軛部包含第一材料；三個(gè)第一芯柱和兩個(gè)第二芯柱，所述第一芯柱和第二芯柱的兩端分別與所述上軛部和下軛部連接；其中，所述第一芯柱包含第二材料，且所述第一材料的相對(duì)磁導(dǎo)率高于所述第二材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，并且每個(gè)第一芯柱設(shè)有至少一個(gè)氣隙；所述第二芯柱包括第三材料，且所述第三材料的相對(duì)磁導(dǎo)率高于所述第二材料的相對(duì)磁導(dǎo)率。
[0031]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的三相電抗器，采用不同的材料制成軛部與芯柱并且在芯柱中開氣隙，能夠極大地降低渦流損耗，滿足大功率的使用要求。
【附圖說明】
[0032]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的電抗器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖2為現(xiàn)有技術(shù)中的另一種電抗器的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0034]圖3為本發(fā)明實(shí)施例一中的電抗器的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖4為圖3中A部分的局部放大示意圖。
[0036]圖5為兩種磁芯材料的BH關(guān)系曲線圖。
[0037]圖6為三種磁芯材料的磁化曲線。
[0038]圖7為兩種磁芯材料的Ii H關(guān)系曲線圖。
[0039]圖8為本發(fā)明實(shí)施例二中的電抗器的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖9為本發(fā)明實(shí)施例三中的電抗器的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]其中，附圖標(biāo)記說明如下:
[0042]1、合金粉芯疊塊；1-1:橫向磁芯；1-2:縱向磁芯；3、4、5、6:磁力線；a:矩形磁路中的橫向邊長(zhǎng)；b:矩形磁路中的縱向邊長(zhǎng)；10、20:高相對(duì)磁導(dǎo)率材料制成的鐵芯柱中的磁通=30,40:渦流;101、201、301:上軛部;102、202、302:繞組;103、203、303、芯柱;104、204、304、氣隙；105、205、305:下軛部；206、306、第二磁芯；
[0043]I’:飽和磁通密度為Bsl的磁芯材料的磁化曲線；2’:飽和磁通密度為Bs2的磁芯材料的磁化曲線；3’:飽和磁通密度為Bs3的磁芯材料的磁化曲線；4’ =Sendusty 125的BH曲線，5’:Sendust μ 的BH曲線；6’:Sendust μ 125開氣隙至初始磁導(dǎo)率