三相电抗器的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种三相电抗器。
【背景技术】
[0002]在目前大功率变频器、UPS以及新能源的应用领域，高达数千赫兹的开关频率使传统硅钢片电抗器的损耗急剧增加而不能适应这些高频应用领域。于是这类大功率高频电抗器通常采用块状金粉芯或非晶材料制成的磁芯(铁芯)，近年来日本JFE采用气相渗透沉积工艺生产的硅含量6.5%的超级硅钢也是不错的选择。
[0003]非晶材料制成的铁芯通常由带材层压而成，而超级硅钢也是片状叠制，它们和铜箔铝箔一样，都是连续的平面或曲面导体，这一特性导致一旦有与该导体平面或曲面法线方向一致或接近的交流磁通就会产生极大的涡流损耗。
[0004]根据磁路中磁通、磁阻和磁压之间的关系:磁压在磁路上的分配与该磁路上的磁阻成正比，通常磁压的计算公式如下:
[0005]ΝΙ = Φ.R1+……+ Φ.Rn=CD.Iel/ ( μ el.Ael) +……+ Φ.Ien/ ( μ en.Aj
[0006]这里，NI表示磁压；φ表示磁通洱表示磁阻；1表示磁路长度；μ表示磁芯的相对磁导率；Α表示磁芯的截面积。
[0007]常用的磁芯都是有形的固体，受视觉因素的影响，设计者在设计磁路的时候经常只考虑固体磁芯本身或与固体磁芯串联的气隙，而忽略整个无形的空间其实都是导磁路径。这些无形的磁路与固体磁芯或并联或串联，并且对整个磁路的性能影响极大。由于空间相对磁导率很低，只有1，所以在离激励源(绕组)稍远的空间里，频率小于射频的磁场强度会很快衰减至一个极低值而可以忽略不计。在激励源附近的空间中，这些被称做近场辐射的磁场只要遇到导体就会产生损耗。
[0008]目前应用于数千赫兹以上开关频率场合的合金粉芯电抗器通常是由多块合金粉芯块体拼叠成规整的四方型闭合磁路，如图1所示。图1中合金粉芯叠块I包括横向的磁芯1-1和纵向的磁芯1-2，2是绕组(例如由铜铝箔等制成的绕组)缠绕于纵向磁芯1_2(即芯柱)，其中横向的磁芯1_1(也即轭铁)没有绕组缠绕。这种拼叠成的合金粉芯与环形合金粉芯一样具有磁阻均匀的磁路，不同的是由环形合金粉芯制作的电感器的绕组可以均匀地沿着芯柱周长分布。这样，环形合金粉芯电感器绕组产生的磁压均匀地沿着芯柱磁路分布，正好可以被芯柱的均匀磁阻消耗，而不会出现磁压的局部集中于部份磁路。而由于采用拼叠成的合金粉芯如图1的合金粉芯叠块1，其绕组通常只能绕在平行的两柱上，另外两柱(如图1中和横向磁芯1-1)没有绕组，这样绕组产生的磁压不能沿着磁路均匀分布，这些局部集中的磁压会导致磁通扩散形成严重的近场辐射。
[0009]在图1中，上下轭铁两端的磁压等于NI.b/(2a+2b)，其中a为图1中虚线所示的矩形磁路的横向边长，b为矩形磁路的纵向边长，这些辐射出来的磁通(如图1中3、4、5、6所示的磁力线)遇到导体就会产生损耗，当这些磁通的方向与平面或曲面状导体的法线方向一致或接近的时候损耗尤为严重。在图1中磁力线4、5就与绕组2的法线方向接近或一致，这些近场磁通会导致绕组2上产生严重的涡流损耗。
[0010]另外，在目前大功率变频器、UPS以及新能源的应用中，通常采用的是三相电抗器。由于三相一体电抗器(例如三相三柱或三相五柱电抗器)的轭铁必须是相对磁导率很高的材料，否则会导致三相电感量不平衡，而粉芯材料相对磁导率不高，所以仅使用合金粉芯一种材料是不能制作三相一体电抗器的。而在电气性能相同的情况下，三个单相电抗器本身就比一个三相电抗器体积大，在对尺寸有要求的应用场合，不能采用三个单相电抗器来替代一个三相电抗器。
[0011]当使用硅钢片或者非晶纳米晶等高导磁材料制作用于三相电的电抗器时，由三相电的对称性可以制作三相三柱(或三相五柱)电抗器。这种电抗器的轭铁是没有气隙的整体，磁通分布在轭铁内部不会造成额外的损耗。但为了防止芯柱饱和，需要在芯柱上开气隙。由于硅钢片这种材料的相对磁导率远大于空气，所以在铁芯和空气的交界处磁通是垂直进出铁芯的。
[0012]举例来说，图2示出了在高相对磁导率材料制成的芯柱上开气隙的电抗器，所述芯柱为片状磁芯层叠组成。在该磁芯中有如图2所示的磁通10、20。磁通20进出的磁芯平面由多片相互绝缘的片状磁芯层叠组成，该平面内不会形成大的涡流；磁通10进出的磁芯平面则是一块整体，该平面内会感应出很大的涡流(如图2中的30和40所示)，造成严重的额外涡流损耗，而且这些扩散磁通对附近的导体(绕组、机构件等)损耗影响很大。
[0013]为了克服上述缺点，就需要把这两种相对磁导率不同的芯柱材料混合应用，消除与面状导体法线方向一致的磁通，极大地降低涡流损耗。
【发明内容】
[0014]本发明的目的在于提出一种三相电抗器，能够提供满足大功率的使用要求并且降低涡流损耗。
[0015]为达此目的，本发明采用以下技术方案:
[0016]一种三相电抗器，包括:一上轭部和一下轭部，所述上轭部和下轭部包含第一材料；至少三个第一芯柱，所述第一芯柱包含第二材料，且所述第一芯柱的两端分别与所述上轭部和下轭部连接；所述第一材料的相对磁导率高于所述第二材料的相对磁导率，并且每个第一芯柱设有至少一个气隙。
[0017]其中，还包括围绕所述第一芯柱的绕组，所述绕组与所述第一芯柱之间的最小距离为所述气隙厚度的3-5倍。
[0018]其中，所述第一材料的相对磁导率大于所述第二材料的相对磁导率的10倍。
[0019]其中，所述第一材料的相对磁导率大于所述第二材料的相对磁导率的20倍。
[0020]其中，所述第一材料为非晶铁基合金或纳米晶铁基合金。
[0021 ] 其中，所述第一材料为坡莫合金或硅钢片。
[0022]其中，所述第二材料的初始相对磁导率大于等于40。
[0023]其中，所述第二材料为合金粉芯。
[0024]其中，所述合金粉芯为非晶铁基合金粉芯、非晶钴基合金粉芯、纳米晶铁基粉芯或纳米晶钻基粉芯。
[0025]其中，所述合金粉芯为铁硅粉芯、铁硅铝粉芯或铁镍粉芯。
[0026]其中，所述气隙在所述第一芯柱上均匀分布。
[0027]其中，所述气隙在所述第一芯柱上不均匀分布。
[0028]其中，所述绕组为铜箔、铝箔、铜线或铝线。
[0029]其中，所述第一芯柱和所述上轭部的交界处，以及所述第一芯柱和所述下轭部的交界处均不设气隙。
[0030]本发明还提供了一种三相五柱电抗器，包括:一上轭部和一下轭部，所述上轭部和下轭部包含第一材料；三个第一芯柱和两个第二芯柱，所述第一芯柱和第二芯柱的两端分别与所述上轭部和下轭部连接；其中，所述第一芯柱包含第二材料，且所述第一材料的相对磁导率高于所述第二材料的相对磁导率，并且每个第一芯柱设有至少一个气隙；所述第二芯柱包括第三材料，且所述第三材料的相对磁导率高于所述第二材料的相对磁导率。
[0031]与现有技术相比，本发明提出的三相电抗器，采用不同的材料制成轭部与芯柱并且在芯柱中开气隙，能够极大地降低涡流损耗，满足大功率的使用要求。
【附图说明】
[0032]图1为现有技术中的电抗器的结构示意图。
[0033]图2为现有技术中的另一种电抗器的结构示意图，
[0034]图3为本发明实施例一中的电抗器的侧视结构示意图。
[0035]图4为图3中A部分的局部放大示意图。
[0036]图5为两种磁芯材料的BH关系曲线图。
[0037]图6为三种磁芯材料的磁化曲线。
[0038]图7为两种磁芯材料的Ii H关系曲线图。
[0039]图8为本发明实施例二中的电抗器的侧视结构示意图。
[0040]图9为本发明实施例三中的电抗器的侧视结构示意图。
[0041]其中，附图标记说明如下:
[0042]1、合金粉芯叠块；1-1:横向磁芯；1-2:纵向磁芯；3、4、5、6:磁力线；a:矩形磁路中的横向边长；b:矩形磁路中的纵向边长；10、20:高相对磁导率材料制成的铁芯柱中的磁通=30,40:涡流;101、201、301:上轭部;102、202、302:绕组;103、203、303、芯柱;104、204、304、气隙；105、205、305:下轭部；206、306、第二磁芯；
[0043]I’:饱和磁通密度为Bsl的磁芯材料的磁化曲线；2’:饱和磁通密度为Bs2的磁芯材料的磁化曲线；3’:饱和磁通密度为Bs3的磁芯材料的磁化曲线；4’ =Sendusty 125的BH曲线，5’:Sendust μ 的BH曲线；6’:Sendust μ 125开气隙至初始磁导率