一种基于磁通分流原理的混合磁路铁心的工频电抗器

技术领域

本发明属于电抗器技术领域，具体涉及一种基于磁通分流原理的混合磁路铁心的工频电抗器。

背景技术

干式铁心电抗器常见的结构形式为三相三芯柱，包括上轭、下轭与芯柱，芯柱包括两只边柱与一只中柱。目前，电网在工频使用的干式铁心电抗器的上轭、下轭与芯柱材质均为硅钢，由于硅钢磁导率较高易被磁化饱和，因此通常在芯柱中的不同位置以及上下轭与芯柱之间设置一些较大的气隙来提高硅钢铁心的抗饱和能力，但气隙处的漏磁会产生额外的损耗，同时气隙两端铁心的电磁力还会引起铁心振动产生很大的噪声。为了降低电抗器的损耗与振动噪声，可以减小气隙，但单一减小气隙会降低磁阻，易造成电抗器初始电感量过高而负载电感量又过低的问题。

铁硅软磁复合材料具有较高的饱和磁通密度，同时具有远高于硅钢的电阻率与抗饱和能力，已在高频大功率应用领域替代硅钢作为电抗器铁心，大幅减小了铁心气隙，降低了电抗器漏磁与振动噪声。但在工频条件下，由于铁硅软磁复合材料的磁导率不高，一般最高只能达到90μ，因此单一使用该材料替代硅钢制作电抗器铁心，会遇到初始电感量过低且同等磁通密度下的铁心磁滞损耗远高于硅钢的问题。因此，如何在保证电感量满足设计要求的前提下，有效降低铁心损耗与振动噪声，是目前工频电抗器面临的难题，研究人员尚没有找到很好的解决办法。

发明内容

为了在一定程度上解决工频电抗器噪声大，损耗高的问题，本发明提供一种基于磁通分流原理的混合磁路铁心的工频电抗器。

本发明基于磁通分流原理，将硅钢与铁硅软磁复合材料并联组成电抗器铁心芯柱，通过调节硅钢与铁硅软磁复合材料区域的体积占比与气隙大小来调控硅钢与铁硅软磁复合材料区域的有效磁导率与磁通密度并减小铁心的总气隙，从而在满足电感量设计要求的前提下，实现同时降低电抗器损耗与噪声的目的。

一种混合磁路铁心的工频电抗器包括上轭、下轭、三根均布在上轭和下轭之间的三根芯柱，三根芯柱分别为中间芯柱和两根边芯柱，且横截面积相同，三根芯柱上分别绕制有铜线圈，所述上轭和下轭的材料均为硅钢；

每根芯柱包括铁硅软磁柱和硅钢管，铁硅软磁柱的材料为铁硅软磁复合材料，硅钢管套设于铁硅软磁柱，并通过环氧树脂胶固定粘接，且铁硅软磁柱和硅钢管均为绝缘状态，使铁硅软磁柱和硅钢管形成并联结构；

每根铁硅软磁柱沿长度方向分为三段铁硅软磁柱段，相邻铁硅软磁柱段之间设有气隙片，上轭、下轭与三根铁硅软磁柱的连接端之间均设有气隙片，且均通过环氧树脂胶固定粘接。

进一步限定的技术方案如下：

所述铁硅软磁柱的横截面积为芯柱总截面积的20～40%。

所述相邻铁硅软磁柱段之间的气隙片的厚度为0.4～0.8mm。

位于芯柱两端的铁硅软磁柱与上轭、下轭之间的气隙片的厚度为1～2mm。

气隙片的面积小于芯柱的横截面积。

所述铜线圈分别居中位于在中间芯柱和两根边芯柱上。

所述铁硅软磁复合材料的磁导率为26～90μ。

所述硅钢管的材料为牌号35WW300的无取向硅钢。

所述工频电抗器在额定电压220V、额定电抗14.5Ω的条件下，依据GB/T1094.10—2003测试的噪音为55～61dB，损耗为118～123W。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

（1）本发明中创造性地采用磁通分流原理，在铁心磁路中将硅钢与铁硅软磁复合材料并联，一方面，利用铁硅软磁复合材料的高抗饱和能力弥补硅钢易磁化饱和的缺陷，提升铁心整体抗饱和能力，实现减小铁心中总气隙的目的，从而为降低电抗器振动噪声和减小漏磁奠定基础；另一方面，利用硅钢的高磁导率低磁滞损耗弥补铁硅软磁复合材料磁导率低磁滞损耗高的缺陷，通过调节气隙片厚度灵活调整芯柱的硅钢区域与铁硅软磁复合材料区域的有效磁导率，合理调控电抗器的电感量以及芯柱在两种材质区域所分担的磁通量大小，适当让更多的磁力线分流进入具有高饱和磁通密度的硅钢区域，从而降低铁硅软磁复合材料区域的工作磁通密度，进而实现有效降低铁硅软磁复合材料区域的磁滞损耗，为在满足电抗器电感量设计要求的前提下降低铁心的总损耗奠定基础。

（2）本发明的混合磁路铁心芯柱由硅钢包裹铁硅软磁复合材料并加入气隙片的形式组合粘接而成，这种组合形式简单易操作，能将两种材质的铁心材料十分紧凑地组合在一起，并可以很方便地通过调节气隙片厚度灵活调整两种材质区域的有效磁导率与工作磁通密度，从而灵活调节电抗器的电感量与损耗。

（3）将本发明的工频电抗器与常规硅钢铁心电抗器在额定电压220V、额定电抗14.5Ω的条件下进行噪声（依据GB/T 1094.10—2003）和损耗对比测试，对比测试数据如表1所示。其中，1号电抗器为牌号35WW300的硅钢铁心电抗器，2号电抗器为采用本发明方法制作的混合磁路铁心电抗器。可见，在电抗器上轭、下轭及线圈完全相同的情况下，本发明制作的工频电抗器噪声和损耗均低于硅钢铁心电抗器，其中，噪声降低9dB，损耗降低约15%，详见实施例2。

附图说明

图1为工频电抗器的结构示意图。

图2为工频电抗器混合磁路铁心芯柱的截面结构示意图。

图3为工频电抗器铁心与气隙的结构示意图。

图4为实施例1混合磁路铁心的工频电抗器仿真截面磁密分布示意图。

图1中序号：上轭1、下轭2、中间芯柱3、边芯柱4、铜线圈5、硅钢管6、铁硅软磁柱7。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

参见图1，一种基于磁通分流原理的混合磁路铁心的工频电抗器包括上轭1、下轭2、三根均布在上轭1和下轭2之间的三根芯柱，三根芯柱分别为中间芯柱3和两根边芯柱4，且三根芯柱横截面积相同，三根芯柱上分别绕制有铜线圈5。上轭1和下轭2均为无取向硅钢35WW300，尺寸均为300mm×80mm×60mm。

参见图2，每根芯柱由铁硅软磁柱和硅钢管构成，铁硅软磁柱的材料为铁硅软磁复合材料，磁导率为26μ，硅钢管的材料为无取向硅钢35WW300；硅钢管包裹住铁硅软磁柱，并通过环氧树脂胶固定粘接，且铁硅软磁柱和硅钢管均为绝缘状态，使铁硅软磁柱和硅钢管形成并联结构。每根芯柱的单段尺寸为80mm×60mm×80mm，芯柱总截面积为4800mm²。

参见图3，每根铁硅软磁柱沿长度方向分为三段铁硅软磁柱段，相邻铁硅软磁柱段之间设有气隙片，上轭1、下轭2与三根铁硅软磁柱的连接端之间均设有气隙片，且均通过环氧树脂胶固定粘接。

参见图2，每段铁硅软磁柱的尺寸为32mm×30mm×80mm，共3段，横截面积为960mm²，占芯柱总截面积的20%，其余为硅钢管截面积。相邻铁硅软磁柱段之间的气隙片尺寸为75mm×55mm×0.4mm。芯柱的两端与上轭1、下轭2之间的气隙片尺寸为75mm×55mm×1mm。将224匝铜线圈5分别居中位于中间芯柱3和两根边芯柱4上。

参见图4，利用ANSYS软件对建模完成的工频电抗器进行仿真，混合磁路铁心的工频电抗器仿真截面磁密分部清晰可见，磁通分流效果明显。

本实施例1的工频电抗器在额定电压220V、额定电抗14.5Ω的条件下进行噪声（依据GB/T 1094.10—2003）和损耗测试，测试噪音为58dB，损耗为130W。

实施例2

与实施例1不同在于：

铁硅软磁柱的材料的磁导率为60μ。

参见图2，每段铁硅软磁柱的尺寸为40mm×36mm×80mm，横截面积为1440m²，占芯柱总截面积的30%，其余为硅钢管截面积。相邻铁硅软磁柱段之间的气隙片尺寸为75mm×55mm×0.6mm。芯柱的两端与上轭1、下轭2之间的气隙片尺寸为75mm×55mm×1.5mm。

参见图4，利用ANSYS软件对建模完成的工频电抗器进行仿真，混合磁路铁心的工频电抗器仿真截面磁密分部清晰可见，磁通分流效果明显。

本实施例2的工频电抗器在额定电压220V、额定电抗14.5Ω的条件下进行噪声（依据GB/T 1094.10—2003）和损耗测试，测试噪音为55dB，损耗为118W。

实施例3

与实施例1不同在于：

铁硅软磁柱的材料的磁导率为90μ。

参见图2，每段铁硅软磁柱的尺寸为48mm×40mm×80mm，横截面积为1920m²，占芯柱总截面积的40%，其余为硅钢管截面积。相邻铁硅软磁柱段之间的气隙片尺寸为75mm×55mm×0.8mm。芯柱的两端与上轭1、下轭2之间的气隙片尺寸为75mm×55mm×2.0mm。

参见图4，利用ANSYS软件对建模完成的工频电抗器进行仿真，混合磁路铁心的工频电抗器仿真截面磁密分部清晰可见，磁通分流效果明显。

本实施例3的工频电抗器在额定电压220V、额定电抗14.5Ω的条件下进行噪声（依据GB/T 1094.10—2003）和损耗测试，测试噪音为61dB，损耗为123W。

本领域技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。