立體全對稱鐵芯三相電抗器的制造方法
【專利摘要】立體全對稱鐵芯三相電抗器，是中大型電抗器制造領(lǐng)域中的重大技術(shù)進(jìn)步，新磁路結(jié)構(gòu)可以有效解決電抗器磁路不對稱所引起的電壓電流不平衡，其中有以零間隙磁路作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)，以鐵心鐵軛分別制造而獲得最低鐵損和最低工時制造成本構(gòu)成的各種疊片型、卷繞型甚至混合型的鐵心、鐵軛的具體結(jié)構(gòu)、工藝處理和制造方法，具有開創(chuàng)性和實用性相結(jié)合的特點，技術(shù)成熟，將很快進(jìn)入生產(chǎn)領(lǐng)域。
【專利說明】立體全對稱鐵芯三相電抗器發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電學(xué)中的電抗器技術(shù)領(lǐng)域，涉及電抗器的磁路結(jié)構(gòu)和制造工藝，具體地說，是創(chuàng)建一大類立體新結(jié)構(gòu)新工藝的三相電抗器。
【背景技術(shù)】
[0002]電抗器是一種重要的電氣裝置，狹義上通常指能提供感抗的器件。在電力系統(tǒng)、電力電子系統(tǒng)、電子電路中廣泛應(yīng)用，是一類不可缺或的電工器件和電子元件。
[0003]電抗器的基本原理是通過電磁感應(yīng)，對交流電流呈現(xiàn)一種阻抗或起限流作用。當(dāng)一定頻率的交流電流進(jìn)入電抗器時，電抗器即產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓抵抗感應(yīng)電流，起著限流的作用。使電流的絕大部分只是產(chǎn)生著電磁能量的轉(zhuǎn)換，并不作有用功，所以是一種無功電流，或稱感性電流。作功的部分僅為繞組電阻產(chǎn)生的損耗，稱為銅損，以及磁體渦流和磁滯等引起的鐵損。
[0004]作為一種電磁感應(yīng)器件，為了得到更大的電感量，做得更緊湊，或為了使繞組磁通限制在一定空間內(nèi)，常常需要在繞組內(nèi)設(shè)置鐵芯，這就成了鐵芯電抗器，加鐵芯的電抗器極大地減少了電抗器的用銅量和銅損，也降低了制造成本，因此獲得廣泛應(yīng)用。
[0005]傳統(tǒng)大功率平面型三相電抗器的結(jié)構(gòu)，中間相的磁路短、間隙少，而兩個邊相的磁路長，間隙也多，造成三個相在磁路結(jié)構(gòu)上的先天不對稱，引起三相勵磁電流的不平衡，不平衡的三相電流又會招致負(fù)序電流，對電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)產(chǎn)生不良影響，成為正常電力供應(yīng)的一個重大制約因素。
[0006]為減少磁能損耗，達(dá)到三相平衡，小型三相變壓器已由疊片平面型改進(jìn)為立體R型卷繞鐵心結(jié)構(gòu)，解決了磁路結(jié)構(gòu)的先天不對稱。但電抗器往往需要抗飽和的磁路，R型卷繞鐵心結(jié)構(gòu)恰恰缺乏這一能力。而疊片型仍沿用精細(xì)的疊裝工藝保證磁路的最小間隙，但是該工藝的工時效率低，質(zhì)量嚴(yán)重依賴人為工藝水平、無法很好得到保障，必須采取新思路、新結(jié)構(gòu)加以根本性的解決?？磥?，電抗器如何從平面型改進(jìn)為立體型，為徹底解決電抗器的三相平衡問題，特別是在大功率、特大功率應(yīng)用方面，現(xiàn)有產(chǎn)品和技術(shù)尚有相當(dāng)距離、任重道遠(yuǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的，是通過電抗器磁路結(jié)構(gòu)的改革，找到一條更好的途徑，來解決磁路不對稱問題；通過新結(jié)構(gòu)，來解決電抗器的省能增效問題；同時簡化立體卷繞電抗器工藝，來降低電抗器的制造成本。本發(fā)明涉及電抗器的磁路結(jié)構(gòu)的重大改進(jìn)，疊片和卷繞工藝的創(chuàng)新性簡化，并拓展出一類新立體電抗器結(jié)構(gòu)一一全對稱混合型磁路。
[0008]本發(fā)明是在對多種變壓器磁路改革的基礎(chǔ)上，將變壓器磁路的結(jié)構(gòu)知識運用于有類似磁路結(jié)構(gòu)的電抗器。其基礎(chǔ)技術(shù)是零間隙磁路結(jié)構(gòu)技術(shù)和工藝，該技術(shù)的技術(shù)核心是將磁路分成鐵心和鐵軛兩大部分，使傳統(tǒng)的疊片型磁路和卷繞型磁路工藝得到簡化，成本降低，性能優(yōu)化；同時進(jìn)一步創(chuàng)建了介于疊片型磁路和卷繞型磁路之間的新型三相電抗器立體磁路結(jié)構(gòu)和工藝，將兼有二者優(yōu)勢互補所產(chǎn)生的新一類更新結(jié)構(gòu)電抗器鐵芯稱為混合型磁路電抗器。
[0009]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種主要由繞組、鐵心和鐵軛三大部件組成的立體鐵芯三相電抗器，其特征是，電抗器具有立體全對稱的零間隙磁路結(jié)構(gòu)；鐵心與鐵軛作為二大獨立單元分體制造疊裝。
[0010]在本發(fā)明中，不管采用疊片結(jié)構(gòu)、卷繞結(jié)構(gòu)還是混合結(jié)構(gòu)，都能在磁路結(jié)構(gòu)上獲得全對稱條件，使三相磁路達(dá)到立體化，解決了電氣相間平衡的問題；零間隙磁路結(jié)構(gòu)在使電抗器全對稱化的同時，又具有制造容易、成本低廉，質(zhì)量保證、省工省時的特點；此外，零間隙磁路結(jié)構(gòu)還減少了疊片空氣隙數(shù)量以及磁阻，達(dá)到節(jié)能效果。使新型立體結(jié)構(gòu)鐵芯為電抗器向大功率、特大功率三相平衡發(fā)展開辟了一條全新道路，創(chuàng)造出一批易于產(chǎn)業(yè)化的多系列新廣品品種。
【附圖說明】
[0011]圖1、現(xiàn)有傳統(tǒng)平面型無氣隙鐵芯三相電抗器疊片形狀圖。
[0012]圖2、現(xiàn)有傳統(tǒng)平面型無氣隙鐵芯三相電抗器磁路分析圖。
[0013]圖3、本發(fā)明的不帶氣隙的零間隙磁路平面型鐵心三相電抗器疊片形狀圖。
[0014]圖4、現(xiàn)有傳統(tǒng)立體R型三相變壓器整體磁路結(jié)構(gòu)簡圖。
[0015]圖5、現(xiàn)有傳統(tǒng)立體R型三相變壓器磁路分體圖。
[0016]圖6、現(xiàn)有傳統(tǒng)立體R型鐵芯繞制方向圖。
[0017]圖7、本發(fā)明的立體疊片型電抗器的鐵心視圖。
[0018]圖8、立體疊片型電抗器的矩形截面鐵軛視圖。
[0019]圖9、立體疊片型電抗器弧形截面鐵軛視圖。
[0020]圖10、本發(fā)明的鐵心疊片與鐵軛疊片方向關(guān)系圖。
[0021]圖11、卷鐵心產(chǎn)生渦電流的原因分析圖。
[0022]圖12、本發(fā)明的制造完成的卷鐵心示意圖。
[0023]圖13、圓環(huán)形卷繞鐵軛的電抗器頂視圖。
[0024]圖14、外圓環(huán)形內(nèi)側(cè)三角形卷繞鐵軛的電抗器頂視圖。
[0025]圖15、本發(fā)明的帶有凹形圓槽卷繞鐵軛的頂視圖。
[0026]圖16、帶有凹形圓槽鐵軛的磁體局部縱剖圖。
[0027]圖17、現(xiàn)有商品卷料中硅鋼帶磁流取向與裁剪線關(guān)系示意圖。
[0028]圖18、使用板材的開料方向與磁流取向之間的關(guān)系。
[0029]圖19、“卷繞鐵心+疊片鐵軛”組成的立體混合型三相電抗器磁體外形圖。
[0030]圖20、“疊片鐵心+卷繞鐵軛”組成的立體混合型三相電抗器磁體外形圖。
[0031 ]圖21、“上疊片鐵軛+下卷繞鐵軛+卷繞鐵心”立體混合型三相電抗器磁體外形圖。
【具體實施方式】
[0032]鐵芯電抗器與變壓器在磁路上具有共同性和相似性。零間隙磁路的研究目標(biāo)的本意是減少變壓器磁路間隙，以降低磁阻、提高變壓器效率。但創(chuàng)新一年多的實踐證明，這樣一種將磁路分成鐵心和鐵軛的結(jié)構(gòu)改革和工藝方案，對變壓器結(jié)構(gòu)、制造工藝創(chuàng)新方面所起的促進(jìn)作用，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其對能效提高所作的貢獻(xiàn)。
[0033]鐵芯電抗器對減小磁路間隙的要求不高，實踐中為限制鐵芯電抗器進(jìn)入飽和，鐵芯電抗器還往往需要增設(shè)一定的磁路間隙，但零間隙磁路思路對鐵芯電抗器的立體化，卻具有與變壓器同樣重要的技術(shù)意義。
[0034]為此，本發(fā)明的電抗器磁路結(jié)構(gòu)定義與傳統(tǒng)電抗器不同，為不產(chǎn)生混淆，必須另作如下規(guī)定。
[0035]在本發(fā)明書中:
[0036]鐵心(I):僅指處于繞組中的磁性器件。
[0037]繞組⑵:指變壓器的電鏈，是電抗器交流電流進(jìn)入的器件。
[0038]鐵軛(3):指電抗器中使鐵心中的磁流相互連通、完成回路的磁性器件。
[0039]磁路:指電抗器的磁鏈，是電抗器中包括鐵心、鐵軛的整個磁體的總稱。
[0040]在傳統(tǒng)電抗器中:
[0041]心部:也稱芯部、心柱、芯柱，相當(dāng)于本發(fā)明的鐵心(I)。
[0042]軛部:也稱磁軛，指電抗器中使鐵心完成磁鏈的器件，包括上軛、下軛，可能還有旁軛，相當(dāng)于本發(fā)明的鐵軛(3)。
[0043]鐵芯:也稱鐵心，是指電抗器的磁鏈，包括電抗器芯部和軛部的整個磁體的總成，相當(dāng)于本發(fā)明的磁路。
[0044]繞組(2):也稱線圈，與本發(fā)明的繞組(2)定義相同。
[0045]為適應(yīng)業(yè)內(nèi)人士習(xí)慣，本發(fā)明的名稱中仍沿用“鐵芯”字樣，按本發(fā)明的定義，實際上指磁路。
[0046]采用重新定義，目的是為了清晰區(qū)別本發(fā)明結(jié)構(gòu)概念上與現(xiàn)有技術(shù)的不同，防止混淆。本發(fā)明中的繞組(2)定義與傳統(tǒng)電抗器相同，但鐵心的名稱與傳統(tǒng)大相徑庭，傳統(tǒng)的鐵芯指全部磁性器件，包括了心部和軛部。傳統(tǒng)的三相電抗器，雖然也像變壓器一樣，由許多疊片疊裝而成，但心部與軛部連成共同磁路，不可分割，所以鐵芯也成為電抗器心部和軛部的總稱。而本發(fā)明中鐵心的定義僅指處于繞組中的磁性器件，相當(dāng)于傳統(tǒng)定義中的心部，之所以要重新定義，目的是在于完全不同的工藝思維，因為將傳統(tǒng)定義中的鐵芯拆分成為本定義中的鐵心加上鐵軛二大部件，就可以將原有傳統(tǒng)電抗器的心部和軛部合在一起的疊裝過程，改進(jìn)為本發(fā)明的鐵心和鐵軛分體制造疊裝，從而將傳統(tǒng)工藝操作中的難度，和質(zhì)量上不能確保精度的二大弊端，都能通過本發(fā)明中所謂零間隙磁路結(jié)構(gòu)技術(shù)加以克服改進(jìn)。所以本發(fā)明的電抗器工藝和結(jié)構(gòu)，是屬于開創(chuàng)性的發(fā)明創(chuàng)造，故必須以不同的結(jié)構(gòu)定義以示區(qū)別。
[0047]以廣為使用中的疊裝式電抗器而論，傳統(tǒng)思路總認(rèn)為將電抗器心部和軛部連接在一起考慮，可以通過疊片層面的交叉換位疊裝，相互彌補接縫間隙降低磁阻。但在具體實踐中，這一觀念既不可能大幅減少間隙磁阻，又造成疊裝工藝的繁瑣復(fù)雜、費工費時。
[0048]以已經(jīng)過實踐證實的小型變壓器為例，小型E型殼式變壓器從有間隙磁路向C型心式變壓器的零間隙磁路的進(jìn)化，其實質(zhì)是將裁片和疊裝過程中無法控制的磁路間隙，向磁路結(jié)合面精加工的轉(zhuǎn)化，是典型的零間隙磁路，代表著新技術(shù)結(jié)構(gòu)和工藝發(fā)展的方向，啟示著大型電抗器也同樣可以從人工精細(xì)工藝疊裝向零間隙磁路的改進(jìn)。為了使鐵心與鐵軛結(jié)合面零間隙緊密配合，除了需要對結(jié)合面精加工處理外，如何才能在實際電抗器中減少甚至消除鐵心與鐵軛結(jié)合面的磁路間隙，如何利用零間隙磁路的特有結(jié)構(gòu)，與原來疊片結(jié)構(gòu)無法采用的新結(jié)構(gòu)相結(jié)合，既要結(jié)構(gòu)簡單合理，又要施工簡便易行，當(dāng)然更重要的和最終結(jié)果，還是要達(dá)到電抗器的更高技術(shù)性能和降低材料、裝配成本的目標(biāo)。
[0049]圖1為現(xiàn)有傳統(tǒng)平面型無氣隙鐵芯三相電抗器疊片形狀圖。
[0050]圖1中，三種規(guī)格尺寸的裁片，拼成一層疊片，先用左邊的二片疊，然后用右邊的二片疊，直至疊到規(guī)定的厚度，當(dāng)然這種鐵心是矩形截面，所需繞組也為矩形。但是，矩形繞組的用銅量大于圓形繞組，很不經(jīng)濟(jì)，用銅量多更意味著繞組電阻值增加，所以負(fù)載損耗大。再加上疊片間隙大，磁阻高，空載電流增加，所以空載損耗也大，電抗器的效率降低，所以芯部一般不采用矩形而多數(shù)采用圓形。關(guān)鍵是圓形鐵心的芯部需要采用寬度不同的多種尺寸裁片疊制，這樣裁剪和疊裝工時將大大增加，疊裝的難度更是大許多倍。
[0051]在圓形截面芯部的制作過程中，涉及鐵心疊片疊裝過程要求很高，首先是提高組裝精度，以保證產(chǎn)品具有最小的磁路間隙，其次，還要保證芯部疊成一個準(zhǔn)確的似圓截面。為了防止出現(xiàn)變形、歪斜等情況的發(fā)生，每疊一層，甚至每一疊都需要進(jìn)行疊層部位的校正、修整、測量。在疊裝過程中，為了保證一定的疊裝速度，必須有疊片人和遞片人，至少要多人共同參與一臺鐵芯的疊裝工作，才能保證工作效率，勞動力浪費很大，最后，還有綁扎、起立、插片、烘干、退火、絕緣、封固等等過程，都很費工耗時。
[0052]傳統(tǒng)的三相電抗器，雖然由許多疊片疊裝而成，但芯部與軛部連成共同磁路，一起疊裝，不可分割，所以鐵芯也成為電抗器芯部和軛部的總稱，二者一起疊裝，難度當(dāng)然比二者分開單獨疊裝大了很多。
[0053]在上述三個芯柱上安裝三個繞組，就成為一臺三相心式電抗器，它比同功能的三臺單相電抗器節(jié)省磁路材料，所以在全球三相電系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。
[0054]圖2為現(xiàn)有傳統(tǒng)平面型無氣隙鐵芯三相電抗器磁路分析圖。圖中，三個鐵心(I)為矩形截面，上面套入繞組(2)后，由鐵軛(3)將三個鐵心柱連接成為封閉磁路。
[0055]為方便起見，就以圖2中最簡單的矩形鐵心為例來分析傳統(tǒng)三相電抗器的磁路特點。首先發(fā)現(xiàn)，磁路上每層疊片有7個之多的空氣間隙，這些磁路間隙都存在磁阻，為減少磁阻，除了將上下層采用圖右的一層疊片，以交錯疊裝的方式，減小間隙處的磁阻，還是必須盡量用精細(xì)疊裝加以間隙控制，一共有多少層疊片，磁路間隙就乘上多少倍，得化多么大精力放在精細(xì)疊裝上。
[0056]假如在自左到右的三個芯柱中分別放進(jìn)A、B、C三個繞組產(chǎn)生磁流，可以發(fā)現(xiàn)，從A柱流到B柱的磁流需越過4個間隙，而從A柱流到C柱的磁流需越過6個間隙，且其流動的磁路長度也比B相磁流大了一倍，所以在AC柱間磁流的阻力明顯高于AB柱，同時也可發(fā)現(xiàn)，B柱磁流的阻力最小，路徑也最短。所以說，現(xiàn)有傳統(tǒng)平面型鐵心三相變壓電抗器磁路是先天不對稱的，那么三相繞組的感應(yīng)電壓和電流也是不平衡的。
[0057]圖3為零間隙磁路平面型鐵心三相電抗器疊片形狀圖。
[0058]零間隙磁路三相電抗器的磁路，其實要比傳統(tǒng)電抗器更簡單，首先它將鐵心和鐵軛分別疊裝，心歸心，軛歸軛，各自疊裝，而且是分3個鐵心和2個鐵軛的5塊分開疊裝，比起5塊一起疊裝的現(xiàn)有工藝當(dāng)然容易得多。其次，其鐵心和鐵軛結(jié)合面經(jīng)過精加工、實現(xiàn)零間隙磁路，其磁阻、勵磁電流和磁損自然就比較低，可以達(dá)到更高的產(chǎn)品能效。
[0059]相較于普通平面型三相電抗器，從對稱性上比較，零間隙磁路每個相柱流到它相柱都是相等的4個間隙，對稱性上比傳統(tǒng)電抗器優(yōu)秀，雖然AC間的磁路還是比較長，但至少從磁路間隙相等這一角度衡量，它們間的磁阻差值還是比傳統(tǒng)疊片型結(jié)構(gòu)小，對稱程度提高，平衡性也較好。這一優(yōu)點不可抹殺，這些優(yōu)越改進(jìn)的合理性來源于零間隙磁路，所以說，零間隙磁路是本發(fā)明結(jié)構(gòu)的技術(shù)基礎(chǔ)。
[0060]雖然電抗器不必為增加的磁路間隙操心，因為它本身就需要靠磁路間隙避免鐵芯的飽和，但零間隙磁路對改善鐵芯電抗器的對稱性貢獻(xiàn)已經(jīng)體現(xiàn)在上述說明中。
[0061]無氣隙的零間隙磁路電抗器，在某些不受磁場飽和影響的電抗器中，例如部分并聯(lián)電抗器中仍具有減少磁阻、增加電感量的節(jié)能效果。如果需要增加氣隙寬度，只要在鐵心鐵軛間墊上所需厚度的環(huán)氧絕緣板即可如愿以償?shù)氐玫浇鉀Q，是輕如易舉的。
[0062]但上述對平衡性的結(jié)構(gòu)，畢竟還不是全對稱的磁路結(jié)構(gòu)，只是零間隙磁路所帶來的一個積極效果。
[0063]下面需進(jìn)一步說明展開的，是如何通過零間隙磁路方案產(chǎn)生一條通向全對稱電抗器的捷徑。為了更好引入這條捷徑，先以現(xiàn)有的立體卷繞式R型三相變壓器的磁路作為引線加以說明展開。
[0064]圖4為現(xiàn)有傳統(tǒng)立體R型三相變壓器整體磁路結(jié)構(gòu)簡圖。
[0065]圖5為現(xiàn)有傳統(tǒng)立體R型三相變壓器磁路分體圖。
[0066]平面型的R型變壓器磁路，即R型單相變壓器磁體，相當(dāng)于一個圓形截面、外形為方框的對稱結(jié)構(gòu)磁體，從寬度較小的卷帶到圓直徑寬的卷帶，再回復(fù)到寬度較小的卷帶，截面成圓形，幾何圖形簡單直觀，卷繞的算法也很簡單。
[0067]但是，從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，立體R型三相變壓器的磁路體型和構(gòu)造都很不簡單，它有三塊形狀尺寸完全相同的、帶有復(fù)雜立體形狀的半個圓截面的鐵芯合圍而成。其單個鐵心是一個立體不對稱幾何結(jié)構(gòu)圖形，芯柱是兩個半圓截面的鐵心，半圓面不在同一平面內(nèi)，半圓平面之間的夾角為120°。上下兩鐵軛也應(yīng)該是個斜的半圓，且其截面積與半個鐵心截面積相等。這樣的鐵心似應(yīng)按圖6的卷繞方式制作，是較難設(shè)計和制作的。
[0068]圖6為現(xiàn)有傳統(tǒng)立體R型鐵心繞制方向圖。繞制按垂直于鐵軛水平線的鐵心截面垂直方向設(shè)計，以最內(nèi)端的a點開始，按30°角傾斜的半圓向最外端繞到z，并在上端形成平面而下端形成半圓形截面。
[0069]也就是說，既然已有現(xiàn)成的立體R型三相變壓器實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，就可以參照該結(jié)構(gòu)形狀，采用其它更簡潔易行的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)同一立體全對稱電抗器磁路的目標(biāo)，這個全對稱新結(jié)構(gòu)立體電抗器磁路的共同特征包括:
[0070]1、電抗器的三個鐵心呈三角形立體分布，相間鐵軛等距離；
[0071]2、磁路為疊片結(jié)構(gòu)、卷繞結(jié)構(gòu)或混合結(jié)構(gòu)中的一種；
[0072]3、鐵心與鐵軛的磁結(jié)合平面采取特殊磁路結(jié)構(gòu)和連接結(jié)構(gòu)。
[0073]根據(jù)圖5、圖6的R型三相變壓器磁體圖，如果按本發(fā)明零間隙磁路鐵心和鐵軛分開制造的方法，采用疊片結(jié)構(gòu)分別制造鐵心和鐵軛，那就非常地簡單容易。即按圖4和圖5的的磁路結(jié)構(gòu)，將磁路分解為鐵心和鐵軛二大部件，總共為9塊，即3個鐵心、6個鐵軛塊的思路去制作裁片，分別疊裝，最后組裝制造成為一臺立體全對稱疊片型三相電抗器的磁路。
[0074]圖7為立體疊片型電抗器的鐵心視圖。圖中，根據(jù)現(xiàn)有傳統(tǒng)圓截面鐵心的裁片方式，裁剪出長度相同、寬度不等的一組裁片，依照圓形截面的外形形狀疊制，通常采用水平疊裝方式疊裝。對于撓度較高的裁片，甚至可以采用垂直疊裝。垂直疊裝時，裁片重力作用在安裝平臺上，校正挪移均十分方便，顯然這一工藝比現(xiàn)有的變壓器鐵心鐵軛一起的整體疊裝容易得多。三個鐵心可以分體獨立疊裝，互不相干；而傳統(tǒng)三相電抗器的三個鐵心必須連同鐵軛一起共同疊裝。
[0075]圖8為立體疊片型電抗器的矩形截面鐵軛視圖。上下二鐵軛也分成3段，共計6段單塊鐵軛分別制造疊裝，每個鐵軛的形狀尺寸完全一樣。
[0076]圖9為立體疊片型電抗器弧形截面鐵軛視圖。圖9中上半部分為鐵軛頂視圖，可以看出圖例中的單塊由11種寬度相同、長度不同的疊片構(gòu)成成為能聯(lián)接并覆蓋二個剛好為半圓鐵心的一塊鐵軛單元。鐵軛必須全部覆蓋到鐵心圓弧面，以防止鐵心漏磁向空間發(fā)散，但在半圓的直徑處，超過半圓直徑的疊片，將與另半邊的鐵軛產(chǎn)生沖突，所以在疊制完成并固形后，必須切削加工去除多余部分，成為半圓形。圖9的下部為鐵軛的側(cè)視圖，該分多少級，每個分級的寬度為多少，應(yīng)視具體產(chǎn)品而定，分級越多，所疊成的半圓越精確，也可能不需要再加工切割。圖9所示鐵軛為矩形截面結(jié)構(gòu)，覆蓋半個鐵心，鐵軛截面也相當(dāng)于半個鐵心截面積。
[0077]由于在矩形截面結(jié)構(gòu)的鐵軛中，每片軛疊片的寬度是相等的，而它們所處于鐵心半圓中的弦長是不等的，例如在圖示中將它們所處于半圓部分的弦長分標(biāo)示為bl-bll總共11檔，bll最短而b4最長。假設(shè)由繞組電流在鐵心柱中的產(chǎn)生的磁流是均勻的，那么由鐵心傳導(dǎo)到鐵軛b4層中的磁流一定大于傳導(dǎo)到bll中的磁流，但是圖10矩形等截面鐵軛結(jié)構(gòu)中的包括b4到b 11所有鐵軛疊片的寬度是相同的，磁阻相同，不同的磁流這就會在鐵軛不同層疊片間產(chǎn)生磁勢差，在該磁勢差的推動下，部分磁流會在疊片層間轉(zhuǎn)移而達(dá)到相對平衡，當(dāng)然層間磁流會產(chǎn)生額外的磁損。為此，必須采用圖10的弧形截面結(jié)構(gòu)，采用不同長度和寬度的鐵軛裁片，使每片鐵軛裁片的寬度等于與其接觸的鐵心疊片在半圓中的弧長，這樣就可達(dá)到磁勢、磁流的自然平衡，消除層流，減小磁損，提高電抗器效率。圖9中的上部為鐵軛疊片俯視圖，下部為鐵軛的側(cè)視圖。
[0078]本發(fā)明的立體疊片型三相電抗器可以采用上下鐵軛都為弧形截面的結(jié)構(gòu)，但是考慮到下軛不平的弧形會對總裝和今后安裝產(chǎn)生不利影響，也可以在上軛中采用弧形截面結(jié)構(gòu)，而下軛仍采用穩(wěn)性較高的矩形截面結(jié)構(gòu)?？紤]到圖9矩形鐵軛層流影響，可以適當(dāng)放大截面積。不論是上鐵軛還是下鐵軛，弧面可以朝上放置，也可以朝下放置。
[0079]矩形截面鐵軛疊片開料時，通過剪裁機(jī)得到幾種不同尺寸的鐵軛裁片，鐵軛裁片為同一寬度但不同長度的一組硅鋼片，疊裝綁扎成型后可成為矩形截面的鐵軛；如需要弧形截面的鐵軛，裁片為不同寬度和不同長度的一組硅鋼片；由于鐵軛單獨疊裝，比傳統(tǒng)的鐵心和鐵軛共同疊裝簡單方便得多了。
[0080]傳統(tǒng)疊裝為水平疊裝，裁片為水平放置，層層疊疊，上面的壓著下面的，即使發(fā)現(xiàn)疊裝偏差，調(diào)整也難，重度偏差除了返工外并沒有其它手段加以糾正。
[0081]本發(fā)明的疊裝則容易采用垂直疊裝，特別是鐵軛，裁片的重力作用在平臺上，相互間不會壓著，只要將不同長度的裁片按序插入組裝平臺上的鐵軛組裝框內(nèi)，框的尺度大于裁片寬度，所以插入非常容易，待全部裁片插入后，也可加以整理調(diào)整。然后將組裝框的垂直推板水平推進(jìn)，逐步向裁片推擠，如發(fā)現(xiàn)裁片有不整齊疊放的情況，可以隨時松開調(diào)整，直至達(dá)到設(shè)計所需要的形狀，所以本發(fā)明的鐵軛疊裝可以達(dá)到比傳統(tǒng)疊裝更精密和致密的程度。
[0082]最后，鐵軛裁片緊密疊合成為一個兩頭為圓弧形加直線相切的立體幾何形體，并綁扎粘合封固。綁扎的方法與傳統(tǒng)相似，不作敘述，粘合有多種方法，其中一個實例是采用熱固膠或稱熱固漆，在疊裝結(jié)束成型后，通過加熱使膠融化成粘糊狀，冷卻后將鐵軛固化。
[0083]將三個鐵軛單元(如圖5?圖9所示)拼接成一個三角形的鐵軛(如圖4所示)，一臺變壓器需要二個鐵軛一一上鐵軛和下鐵軛，二個鐵軛的尺寸、外形可以相同也可以不同。
[0084]圖10所不為鐵心置片與鐵輒置片方向關(guān)系圖。
[0085]為使鐵心疊片中的磁流均衡流入相鄰二塊鐵軛疊片中，二者的疊片方向關(guān)系的原則為:使每片鐵心疊片都能與任一鐵軛疊片相連通，便于使鐵心每一疊片中產(chǎn)生的磁流很方便直接從一個相轉(zhuǎn)移到另一個相。如圖11所示的方向關(guān)系為:鐵心疊片層面與任一相間鐵軛疊片層面保持60°交角。
[0086]為減小磁阻、增加磁流流通，二片鐵軛單元結(jié)合面之間均形成零間隙磁路結(jié)構(gòu)，使三塊鐵軛單元間保持低磁阻連接，任一鐵心的磁流既可通過直連鐵軛進(jìn)入一個鐵心相，也可越過第三相上的鐵軛進(jìn)入鄰近相的鐵心。
[0087]從上面所敘述的疊片型立體全對稱三相電抗器結(jié)構(gòu)構(gòu)思中可以看出，采用零間隙磁路的結(jié)構(gòu)后，疊片型工藝同樣能實現(xiàn)立體化，并不是非得采取卷繞型不可。從而，可以在傳統(tǒng)大型疊片結(jié)構(gòu)成熟的工藝、工業(yè)基礎(chǔ)上，開創(chuàng)出大型、特大型電抗器的全對稱磁路、三相平衡的新結(jié)構(gòu)思路的產(chǎn)品。
[0088]下面探討在立體全對稱三相電抗器中采用卷繞式鐵心和鐵軛的更簡單的結(jié)構(gòu)，當(dāng)然，這種探討的前提仍然是零間隙磁路結(jié)構(gòu)。
[0089]首先介紹已有的卷繞鐵心。
[0090]根據(jù)廠家資料，卷繞式鐵芯用于中小型電抗器有如下優(yōu)點:
[0091]I)在條件相同的情況下，卷繞式鐵芯與傳統(tǒng)疊裝鐵芯相比，空載損耗下降7%?10% ;空載電流可下降50%?75% ；
[0092]2)卷繞鐵芯可采用很薄的高導(dǎo)磁冷乳硅鋼片，可以生產(chǎn)更低損耗的變壓器；
[0093]3)卷繞鐵芯工藝性好，沒有剪切廢料，利用率幾乎是100%;還可采用機(jī)械化作業(yè)，免除了疊裝工序，生產(chǎn)效率比疊裝鐵芯提高5?10倍；
[0094]4)卷繞式鐵芯自身是一個整體，不需支持件夾緊固定，又沒有一個接縫，因此在與疊裝鐵芯同樣條件下，電抗器噪聲可降低5?10dB。
[0095]本發(fā)明將有可能在更大容量電抗器中使用卷鐵心結(jié)構(gòu)。
[0096]當(dāng)然，已經(jīng)使用的卷繞式鐵芯與本發(fā)明的卷鐵心既有相同之處也有不同之處，相同之處在于基本材料一樣，都采用取向帶料采取卷繞工藝；而不同之處是在于傳統(tǒng)中的卷繞鐵芯常做成封閉磁路，鐵心鐵軛一起繞，所以繞組難以放進(jìn)鐵心，而本發(fā)明中的卷鐵心，鐵心鐵軛分別繞制制造，并沒有封閉的磁路，僅起本發(fā)明定義的鐵心單一作用，還必須配以鐵輒，才能完成磁鏈路。
[0097]此外，本發(fā)明所述的三相電抗器，功率可以遠(yuǎn)大于原有使用卷繞式鐵芯的中小型電抗器。
[0098]但是，不能忽略的是，本發(fā)明的卷鐵心存在一個很大缺陷，那就是鐵心中的渦電流問題。所以，首先必須解決卷鐵心的渦電流問題，才能使卷鐵心達(dá)到實用化的要求。
[0099]圖11為卷鐵心產(chǎn)生渦電流的原因分析圖。從圖中可以看出，具有金屬性的卷鐵心也相當(dāng)于繞組纏繞在鐵心上，而磁場就在它內(nèi)部所圍的鐵心部分，這時的鐵心不僅允許磁流上下流動，它本身也是一種“繞組”導(dǎo)體，“繞組”所耦合的磁流就是該圈“繞組”圓內(nèi)所封閉的磁流，越向外層，封閉的磁流越多，感應(yīng)的電壓也越高。對于最外層的那圈卷鐵心，IMVA三相電抗器卷繞鐵心的每匝電壓可能達(dá)到甚至超過10V，由于串聯(lián)連接，假如采用厚度為0.20mm的娃鋼片，鐵心外層2mm層間的電壓就可能高達(dá)上百伏，而整個連續(xù)的卷鐵心從里到外層的感應(yīng)電壓就可能高達(dá)上萬伏，這么高的電壓，都得靠鐵心卷片的層間絕緣加以阻隔，萬一層間絕緣不夠而形成電連接，就會產(chǎn)生大量渦電流，使電抗器鐵心本身發(fā)熱損毀。所以渦電流問題是卷鐵心結(jié)構(gòu)必須事先解決克服的重大制約因素。
[0100]本發(fā)明對于克服渦電流的解決方法，就是在卷制成的鐵心的外表開軸向槽，軸向槽一直開到絕緣芯棒，就相當(dāng)于將全部串聯(lián)的線匝切斷，感應(yīng)電壓就無從串聯(lián)積累增大，從而消除產(chǎn)生渦電流的電壓源。
[0101]對于功率更大的大型鐵心，還可以按不同徑向位置，開出多條軸向槽，軸向槽呈發(fā)散狀均勻分布，使每段感應(yīng)電壓不超過10V，甚至更低。這樣，產(chǎn)生渦電流的可能性將非常小。軸向槽與磁流同方向，因此不阻礙磁流的流動。由于開槽所損失的鐵心截面積有限，可以忽略或適當(dāng)增大鐵心直徑，以補償因開槽所致有效截面積的損失。
[0102]圖12為制造完成的卷鐵心示意圖。其外形呈發(fā)散狀，類似于砸整流器中所用的菊花片，當(dāng)然卷鐵心的尺寸要比菊花片大得多，且形狀是圓柱體形，這是不同之處。總的說來，可發(fā)現(xiàn)本發(fā)明卷鐵心的其特征是，在卷鐵心中有一條或數(shù)條軸向槽，以消除卷鐵心的渦電流。
[0103]為了加強(qiáng)大型電抗器的散熱，也可將絕緣槽留存作為通風(fēng)散熱的熱氣流或熱油流通道。其特征是，變壓器鐵心中有一條或數(shù)條由軸向絕緣槽構(gòu)成的散熱通道。
[0104]下面接著對卷繞型電抗器的鐵軛加以說明。
[0105]圖13為圓環(huán)形卷繞鐵軛的電抗器頂視圖。該鐵軛為圓環(huán)外形的簡單幾何體形狀，類似于單相環(huán)形電抗器的鐵芯。鐵軛的內(nèi)圓與鐵心圓外切，鐵軛的外圓與鐵心圓內(nèi)切，截面為矩形。圖中，大圓部分均為可見，是圓環(huán)形的鐵軛(3);小圓部分均不可見，是虛線標(biāo)示的圓柱體的鐵心(I);中圓部分，則是部分可見、部分不可見的繞組(2)。
[0106]每個卷鐵軛一次卷繞結(jié)可以制成，工藝簡單效率高，不必像疊片型那樣需要由三個單元體拼合。
[0107]在本發(fā)明的卷鐵心中，磁力線是按軸向流動的，即圖中的垂直方向。而在本發(fā)明的鐵軛中，磁力線是按圓周方向流動的，即圖中的水平方向，所以發(fā)生在鐵心中的嚴(yán)重渦電流問題并不存在于鐵軛中。如按圓柱形狀設(shè)計鐵心，按圓環(huán)形狀設(shè)計卷鐵軛，分別卷繞制造，相比于立體R型變壓器的整體磁體繞制來說，是非常容易操作的工藝。
[0108]圖13中的鐵軛采用純圓形，使各相間的鐵軛長度大、磁路長，磁損增加，同時材料用量也不盡節(jié)約。為此，可嘗試改用三角形內(nèi)孔的辦法開始卷繞，以縮減磁性材料用量和降低磁路損耗。
[0109]圖14為外圓環(huán)形內(nèi)側(cè)三角形卷繞鐵軛的變壓器頂視圖。首先，要把內(nèi)三角的頂角改為圓弧形，這樣才符合卷繞內(nèi)芯模具的要求。由于轉(zhuǎn)角處鐵軛的厚度必須達(dá)到鐵心直徑，才能使鐵軛全部覆蓋到鐵心磁體，而如果鐵軛外圍也成為直線的話，那么其轉(zhuǎn)角處厚度肯定小于鐵心直徑，那是不可能的。按繞制矩形線圈的規(guī)律，轉(zhuǎn)角處線圈的厚度必定小于直線處線圈的厚度，從鐵心的內(nèi)圓處開始繞制，一直繞到鐵心的外圓處。按卷繞的規(guī)律，銳角處總是比鈍角處繞得更緊密，所以雖然開始繞的時候大部分還有接近三角形的直線段，但繞到外面，就變成弧線了，再繼續(xù)繞下去，就會變成圓形。這一規(guī)律在電抗器的矩形繞組中是最常見的現(xiàn)象，里圈還是矩形的線框，繞到最外面，就變成圓形線包了。也就是說，從內(nèi)線框為直線部分向外測量的厚度應(yīng)該大于小角度處向外測量的厚度。這樣就會產(chǎn)生非鐵心位置鐵軛片間的膨脹松散的現(xiàn)象，招致鐵軛產(chǎn)生嚴(yán)重噪聲。為此，可在這直線段內(nèi)框部分鐵軛中增設(shè)散熱導(dǎo)管(30)，以解決膨脹松散的問題。散熱導(dǎo)管的個數(shù)，可根據(jù)設(shè)計計算確定，少則三個，多則六個、九個，或更多，反正只要是三的倍數(shù)，都可以，目的是對稱分布，散熱均勻。圖中為屬于九個散熱導(dǎo)管的設(shè)計(圖中僅畫出三個，另二處的六個未標(biāo)出)。增加散熱導(dǎo)管后，既可減省磁材用量，又可減少鐵軛部分的損耗和熱量，可謂一舉三得。
[0110]外圓為環(huán)形、內(nèi)側(cè)為三角形的卷繞鐵軛，可以用于上軛和下軛中，或者用于上軛或下軛中之一。其特征為，采用圓弧形內(nèi)三角的鐵軛中，可以增設(shè)散熱導(dǎo)管(30)。
[0111]上述兩種不同形狀的卷繞型鐵軛都為矩形截面，矩形截面的優(yōu)點是繞制比較容易，磁材利用率高，很適合用作為下鐵軛，因為下鐵軛承受整個變壓器的重力，底部為平面的矩形截面鐵軛承重能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好。
[0112]但是由于在矩形截面結(jié)構(gòu)的鐵軛中，每層片中導(dǎo)磁軛片的寬度是相等的，而它們所處于鐵心圓位置中的弦長是不等的，中間位置較長的弧段從鐵心流入的磁流量大，而兩邊磁流量卻小得多。假設(shè)由繞組電流在鐵心柱中所產(chǎn)生的磁流是均勻的，那么由鐵心傳導(dǎo)到鐵軛中段的磁流一定大于傳導(dǎo)到鐵軛兩邊中的磁流量，但是矩形等截面鐵軛結(jié)構(gòu)中的所有鐵軛磁片的寬度是相同的，磁阻基本相同，不同的磁流就會在鐵軛不同層間產(chǎn)生磁勢差，在該磁勢差作用下，部分磁流會在片層間轉(zhuǎn)移而達(dá)到相對平衡，層間磁流轉(zhuǎn)移會產(chǎn)生額外的磁損。為此，必須采用弧形截面結(jié)構(gòu)的鐵軛，鐵軛環(huán)的中間部分隆起而兩邊凹下，形如環(huán)形山?；⌒谓孛骅F軛在傳統(tǒng)的疊片平面型大型電抗器中也廣泛應(yīng)用，比較容易理解。采用弧形截面鐵軛，就可達(dá)到鐵軛導(dǎo)流層間磁勢、磁流的自然平衡，降低或消除層流，減小磁損，提尚電抗器的能效。
[0113]弧形截面鐵軛也適合于上、下鐵軛，特別是上鐵軛。但弧面朝上的下鐵軛的穩(wěn)定性也同樣好，而且更利于繞組間熱流的對流散熱。
[0114]綜上所述，卷繞鐵軛分為純圓形和外圓環(huán)形內(nèi)側(cè)三角形兩種外形結(jié)構(gòu)；以及矩形和弧形兩種截面結(jié)構(gòu)；可用于上軛和/或下軛，加上弧面朝向不同，總共約有多達(dá)32種結(jié)構(gòu)組合，可見本發(fā)明產(chǎn)品品種的多樣性。
[0115]用于卷鐵心的材料有高導(dǎo)磁率超薄冷乳硅鋼帶材、坡莫合金軟磁帶材和非晶鐵心帶材等軟磁材料。
[0116]硅鋼帶的厚度為0.18?0.30 ;坡莫合金帶的厚度為0.03?0.1Omm ;非晶鐵心帶厚度為0.03mm。
[0117]非晶鐵心可由鐵基非晶合金、鐵鎳基非晶合金、鈷基非晶合金或納米非晶合金等材料構(gòu)成，其中鐵基非晶合金價格低、產(chǎn)量高，比較適合工頻變壓器使用。
[0118]鐵基非晶合金是由80% Fe及20% S1、B類金屬元素所構(gòu)成，它具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(1.54T)，磁導(dǎo)率、勵磁電流和鐵損等各方面都優(yōu)于硅鋼片的特點，特別是鐵損低(為取向硅鋼片的1/3-1/5)，代替硅鋼做配電變壓器可節(jié)能60-70%。鐵基非晶合金的帶材厚度為0.03mm左右，廣泛應(yīng)用于配電變壓器、大功率開關(guān)電源、脈沖變壓器、磁放大器、中頻變壓器及逆變器鐵芯，適合于1kHz以下頻率使用。
[0119]由于超急冷凝固，合金凝固時原子來不及有序排列結(jié)晶，得到的固態(tài)合金是長程無序結(jié)構(gòu)，沒有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在，稱之為非晶合金，被稱為是冶金材料學(xué)的一項革命。這種非晶合金具有許多獨特的性能，如優(yōu)異的磁性能、耐蝕性、耐磨性、高的強(qiáng)度、硬度和韌性，高的電阻率和機(jī)電耦合性能等。由于它的性能優(yōu)異、工藝簡單，從80年代開始成為國內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開發(fā)重點。
[0120]非晶鐵心通常也由冶金材料廠帶材卷繞而成，與卷繞型鐵心的制造方法相同。今后大量生產(chǎn)有可能按變壓器廠要求的尺寸規(guī)格，由冶金材料廠直接采取粉末壓縮或粉末冶金方式制造。
[0121]本發(fā)明所用的磁性材料為鐵硅系合金、鐵鋁系合金、鐵硅鋁系合金、鎳鐵系合金、鐵鈷系合金、羰基鐵、軟磁鐵氧體、非晶態(tài)軟磁合金、超微晶軟磁合金、鐵基非晶合金、非晶納米晶合金軟磁復(fù)合材料。
[0122]上文所提渦電流是本發(fā)明的零間隙磁路立體電抗器所需要解決的第一個技術(shù)問題，而結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)度是本發(fā)明需要解決的第二個具體技術(shù)問題。例如，本發(fā)明中的鐵心柱容易水平滑移，剛度也不及R型變壓器。
[0123]加強(qiáng)本發(fā)明電抗壓器剛度的方法之一是采用帶有凹形圓槽的鐵軛。
[0124]圖15為帶有凹形圓槽卷繞鐵軛的頂視圖。
[0125]所謂凹形圓槽，就是在與鐵心相接觸的鐵軛部分，挖出一段底部為平面的柱形槽，槽的直徑大于鐵心直徑，以便讓鐵心嵌入槽內(nèi)，防止鐵心水平移動，而在槽內(nèi)加注適量粘結(jié)固化膠，也起著加固磁體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度的作用。
[0126]從圖中可以看出，鐵軛上的圓形凹槽的直徑應(yīng)大于鐵心的截面圓尺寸，才能使鐵心放入槽中。在這樣一個細(xì)微的圓形環(huán)內(nèi)剛好能容納粘結(jié)固化膠和磁性顆粒。同時可以發(fā)現(xiàn)，帶有凹形圓槽的鐵軛的設(shè)計寬度必然大于鐵心寬度，才能蓋住鐵心、形成圓槽型小池，才能容納槽內(nèi)的粘結(jié)固化膠和磁性顆粒，不易溢出。這樣，可以更多地減少磁阻和漏磁。上下兩個鐵軛，寬度大于鐵心，恰如帽子和鞋子，蓋住三個立體鐵心，外形也比較美觀。但是，這樣的設(shè)計需增加一定的鐵軛寬度，從而增加成本，所以，是否采用凹形圓槽鐵軛，以及凹形圓槽鐵軛的設(shè)計深度、寬度，應(yīng)根據(jù)具體產(chǎn)品的性價比權(quán)衡利弊，作出恰當(dāng)判斷。本發(fā)明鐵軛的特征是，鐵軛上帶有凹形圓槽的加固兼導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)。
[0127]加強(qiáng)本發(fā)明電抗器剛度的方法之二是采用上軛夾板與下軛夾板間用長螺桿拉緊的構(gòu)件，夾板與螺桿必須與磁路之間采取電氣絕緣和磁性隔離，防止漏磁和雜散磁場作用產(chǎn)生的渦流。
[0128]本發(fā)明需要解決的第三個具體技術(shù)問題，就是取向性磁性材料使用中所帶來的新問題。
[0129]眾所周知，取向性硅鋼片或卷件的導(dǎo)磁率高、磁損耗小于非取向性硅鋼片。在傳統(tǒng)三相電抗器中，為了增加磁路的導(dǎo)磁率，降低磁阻和磁損，以提高電抗壓器的效率，普遍采用取向性硅鋼片。例如，疊片平面型的鐵心和鐵軛采用45°斜接的疊片，R型立體變的整體磁路按卷片的彎曲使磁流跟著轉(zhuǎn)向，都已解決了磁流在取向性磁材中的轉(zhuǎn)向問題。
[0130]但在本發(fā)明中的鐵心鐵軛中，鐵心中高導(dǎo)磁方向與磁力線流向均為軸向，即垂直方向；而鐵軛中的磁流為水平方向。如兩者都按上述零間隙磁路結(jié)構(gòu)直接采用取向磁材的話，在上述疊片型鐵心鐵軛或卷繞型鐵心鐵軛連接處，將會遇到磁流轉(zhuǎn)向時的額外磁損耗問題。
[0131]由于磁流在鐵心中是垂直方向流動的，而在鐵軛中會成為水平方向流動，也就是說，磁流在從鐵心轉(zhuǎn)移到鐵軛流動時，流向發(fā)生變化，在取向性硅鋼片磁流轉(zhuǎn)向時會產(chǎn)生晶間流動損耗。
[0132]為解決這一問題，本發(fā)明在鐵心與鐵軛之間兩者中擇一采用非取向性磁材，也就是說，或者鐵心采用取向磁材而鐵軛采用非取向磁材，或者鐵心采用非取向磁材而鐵軛采用取向磁材，只能舍棄魚與熊掌兼得的目標(biāo)，使鐵心與鐵軛，兩者中擇一采用非取向磁材，就不再存在磁流轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向磁損耗問題。其特征是，鐵心和鐵軛其中之一為取向性磁性材料，另一為非取向性磁性材料。
[0133]其實施方法是，為減小整個電抗器的磁損，可以采用較長的取向鐵心，繞組厚度變小，鐵軛縮短減少鐵軛損耗的方案；或者反之，鐵心采用非取向而鐵軛采用取向磁材，同樣不再存在磁流轉(zhuǎn)向時磁損耗大的問題，為減小整個電抗器的磁損，可以采用較短的鐵心的大直徑繞組，增加鐵軛尺寸的方案。這些方案的目標(biāo)是盡量減少非取向磁材的使用量，以降低磁損。
[0134]另一個比較徹底解決鐵心與鐵軛間磁流轉(zhuǎn)向損耗的結(jié)構(gòu)，是在鐵心與鐵軛間增加一層磁流過渡層，也可以減小磁流轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的額外損耗。磁流過渡層為非取向性磁性材料，其直徑可以與鐵心相同或稍大，先使其將鐵心流入的磁流擴(kuò)散轉(zhuǎn)向，然后它與鐵軛的接觸面成橢圓形延伸，使磁流更容易多角度滲透進(jìn)鐵軛，減小磁流轉(zhuǎn)向時的損耗，這時，本發(fā)明的鐵心和鐵軛就都可以采用取向性磁材了。
[0135]磁流過渡層不必太厚就可以達(dá)到磁流轉(zhuǎn)向的目的，所以過渡層內(nèi)的附加磁損并不大。在采用磁流過渡層后，如過渡層為剛性磁材，則過渡層分別與鐵軛鐵心結(jié)合處都須精加工，如過渡層為柔性磁材，則因過渡層的存在，對鐵心鐵軛結(jié)合面就都不需要作加工處理，因為粗糙的結(jié)合面既增加了磁流的接觸面積降低了磁阻，有利于磁流擴(kuò)散轉(zhuǎn)移、克服磁阻力，還利于通過粘結(jié)固化劑增加電抗器整體結(jié)構(gòu)的剛度強(qiáng)度，可謂一舉兩得。而不作加工處理也能節(jié)省磁體的制造成本。
[0136]磁流過渡層更適合于與凹形圓槽相結(jié)合，將凹形圓槽適當(dāng)開深開大些，甚至開成橢圓形，將磁流過渡層墊于槽內(nèi)，輔以含有納米或非納米細(xì)磁粉的粘合固化劑灌入槽內(nèi)，磁流過渡層沿鐵軛片方向延伸，磁流轉(zhuǎn)向效果更好，這樣就可解決本發(fā)明中所遇到的磁流轉(zhuǎn)向損耗增加的問題。其特征是，鐵心和鐵軛二者都為取向性磁性材料，且凹形圓槽內(nèi)有剛性或柔性的磁流過渡層。
[0137]圖16為帶有凹形圓槽鐵軛的磁體局部縱剖圖。
[0138]圖中，凹形圓槽(31)的深度和寬度明顯增加，先在槽內(nèi)灌入少量含有磁粉的粘結(jié)固化膠(33)，再放一層磁流過渡層(32)，過渡層的尺寸小于槽直徑而大于鐵心直徑，再次灌入含有磁粉的粘結(jié)固化膠，直至溢出，任其沿鐵軛向卷帶方向漫溢。
[0139]圖16顯示，凹形圓槽鐵軛具有兩大功能:首先，它像一個結(jié)構(gòu)性榫坑，將鐵心牢固地插入坑內(nèi)，防止鐵心水平方向移動，容納粘結(jié)固化膠留存在槽內(nèi)，達(dá)到鐵心與鐵軛的牢固結(jié)合，彌補零間隙磁路強(qiáng)度剛度的不足，這是它的結(jié)構(gòu)性功能。
[0140]其次，凹形圓槽的第二個功能是導(dǎo)磁功能，表現(xiàn)在:一方面，即使做到在宏觀上的零間隙磁路，間隙仍將存在并直接影響到結(jié)合面磁阻的大小。即使結(jié)合面磨得像鏡面一樣光滑，如果用顯微鏡觀察，仍可能會看到表面留下的一些不平整間隙，凹坑會阻滯磁流，增加磁阻和鐵損。
[0141]為了更好地降低結(jié)合面的磁阻，可以在粘接固化劑中加入導(dǎo)磁性微粒，這些導(dǎo)磁微?？赡苁菬o機(jī)導(dǎo)磁體，也可能是有機(jī)導(dǎo)磁體，特別是納米導(dǎo)磁體，性能更好，納米導(dǎo)磁體由于顆粒微小，只能在粘接固化劑凝固前流入凹坑，增加磁導(dǎo)，使結(jié)合面的磁阻更小，不可能嵌在平面中增加間隙寬度。
[0142]第二方面，較大較深的凹形圓槽內(nèi)可以容納磁流過渡層，磁流過渡層為非取向性導(dǎo)磁體，處于鐵心、鐵軛的磁性中介地位，經(jīng)過磁流過渡層的過渡，磁流由鐵心內(nèi)的垂直流向平滑過渡到鐵軛內(nèi)的水平流向，又減少了轉(zhuǎn)向磁損耗。其特征是，鐵心和鐵軛二者都為取向性磁性材料，且凹形圓槽內(nèi)有磁流過渡層。
[0143]此項結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使本發(fā)明鐵心鐵軛中所使用的硅鋼片、硅鋼帶都可采用磁損耗較小的取向性軟磁材料。
[0144]零間隙磁路結(jié)構(gòu)提出的原始目的，是為減少電抗器磁路空氣間隙的磁阻，降低磁損，提高電抗器的效率，達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。而該結(jié)構(gòu)提出一年多時間后的技術(shù)進(jìn)展表明，零間隙磁路結(jié)構(gòu)更大的創(chuàng)新，是將鐵心和鐵軛分離操作所帶來的結(jié)構(gòu)、工藝方法的創(chuàng)新潛力。例如，采用了零間隙磁路結(jié)構(gòu)，就很容易制造立體全對稱的三相電抗器，正如本說明書前面部分所介紹的卷繞型鐵心和鐵軛，都很方便制造，不再存在任何工藝難題或操作困難。同時，相比于R型變壓器，磁材的利用率也得到提高。
[0145]在裁剪或沖剪取向性材料時，應(yīng)注意材料的取向特性應(yīng)與變壓器部件中的磁流方向一致。在鐵心中，磁流是垂直流動的，而在鐵軛中，磁流是水平流動的。
[0146]尤其要注意，現(xiàn)有成品硅鋼帶主要用于制造環(huán)型變壓器、C型變壓器和R型變壓器等的需要，所以磁流取向與展帶方向一致，可以沿展帶方向采用縱裁卷繞，如圖18所示，但在本發(fā)明的鐵心中，這樣的商品卷材必須采用橫裁取帶。
[0147]圖17為現(xiàn)有商品卷料中硅鋼帶磁流取向與裁剪線關(guān)系示意圖。
[0148]本發(fā)明中的鐵心，為保證磁流在鐵心中按軸向流動，如采用現(xiàn)有商品取向硅鋼卷帶，應(yīng)采用橫裁切成小段，然后拼接成長段卷繞，在拼接時，可以使前后段料帶作電氣隔離連接，即不讓前后金屬帶接觸，相當(dāng)于在料帶間增加絕緣，則有利于消除渦電流，在該情況下，是否還需要開槽絕緣，則可視具體情況而定。
[0149]或者采用沿與展帶方向相垂直的硅鋼帶，這就同樣可以采取縱裁制取料帶，不需要拼接，不過這樣制成的鐵心一定要開絕緣槽。
[0150]圖18為使用板材的開料方向與磁流取向之間的關(guān)系。從圖中可見，裁剪線總與磁流方向保持垂直關(guān)系。
[0151]采用零間隙磁路結(jié)構(gòu)后，就很容易制造立體全對稱的三相電抗器，正如本發(fā)明前文所介紹的，不管采用疊片型還是卷繞型，幾何圖形簡單工整，都很方便制造，不再存在任何工藝難題或操作困難。
[0152]在上面的分析說明中可以發(fā)現(xiàn)，由于零間隙磁路結(jié)構(gòu)解放了電抗器對于鐵心鐵軛的結(jié)構(gòu)束縛，所以鐵心鐵軛可以采用不同的結(jié)構(gòu)形式，例如卷繞型鐵軛配疊片型鐵心，或者卷繞型鐵心配疊片型鐵軛，成為本發(fā)明中的第三大類稱為混合型的電抗器磁路新結(jié)構(gòu)。
[0153]如果感到立體全對稱卷繞型鐵軛的硅鋼帶用量較大，材料費用較高，那就可以采用疊片型鐵軛代替卷繞型鐵軛，成為卷繞型鐵心配疊片型鐵軛的混合型結(jié)構(gòu)的立體全對稱三相電抗器。當(dāng)然，考慮到卷繞型鐵心的制造難度高于疊片型鐵心，也可以采用卷繞型鐵軛配疊片型鐵心的混合型電抗器，卷繞型鐵軛的優(yōu)點是一個鐵心的磁流可以從卷繞環(huán)的二個方向流通到鄰近的鐵心，相當(dāng)于二個并聯(lián)電阻在電路中可以降低總電阻的值，有利于減少磁阻。甚至于下軛用卷繞型而上軛用疊片型，都可以實現(xiàn)。任何一種混合型產(chǎn)品都可以按不同功能的特殊需要很容易制造出來，本發(fā)明不可能例舉所有不同類型，只能代表性地介紹幾種典型結(jié)構(gòu)。
[0154]疊片型電抗器的特點是產(chǎn)品多且廣，功率大電壓高，工藝技術(shù)成熟。卷繞型的特點是工時成本低，能效指標(biāo)高，體積重量小。但是，兩者在立體化電抗器方面都還不很完善成熟，所以二者在電抗器立體化進(jìn)程中，都可以借鑒零間隙磁路的優(yōu)勢，實現(xiàn)互容貫通，優(yōu)勢互補，成為一代系列新品。之所以這么說，因為如果沒有零間隙磁路的基礎(chǔ)技術(shù)，就不可能將鐵心與鐵軛分別制造組合，要么鐵心鐵軛都是疊片型的結(jié)構(gòu)，要么都是卷繞型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)和品種單一，基本磁路的變化很少。只有在本發(fā)明中，才存在將二種不同大類的結(jié)構(gòu)混合選配、優(yōu)勢互補的空間。
[0155]顧名思義，所謂立體混合型電抗器，就是在電抗器磁體中，既有疊片型結(jié)構(gòu)，也有卷繞型結(jié)構(gòu)，這又是本發(fā)明電抗器的一大類型磁路新結(jié)構(gòu)。試舉幾個典型案列如下。
[0156]混合型方案之一卷繞鐵心+疊片鐵軛
[0157]卷繞鐵心具有機(jī)械化加工生產(chǎn)效率高，卷繞的工藝質(zhì)量高于人為疊裝的優(yōu)點，而置片鐵輒具有最短的磁路路徑，最尚的材料利用率，兩者相結(jié)合，將卷繞鐵心和設(shè)計有凹形圓槽內(nèi)帶磁流過渡層的疊片鐵軛結(jié)構(gòu)結(jié)合構(gòu)成的混合型電抗器，采用凹形圓槽內(nèi)填充粘結(jié)固化劑帶納米磁粉的結(jié)構(gòu)和工藝后，使鐵心鐵軛牢固結(jié)合，兩者均可采用取向性磁材，是一種制造容易、結(jié)構(gòu)優(yōu)良的高效立體混合型磁路的三相電抗器。
[0158]圖19為“卷繞鐵心+疊片鐵軛”組成的立體混合型三相電抗器磁體外形圖。圖中，上鐵軛為弧形截面疊片型，無凹形圓槽，鐵軛與鐵心間留有由樹脂板厚度決定的空氣隙。下鐵軛為矩形截面疊片型，帶凹形圓槽(31)，供3個鐵心插入其中。3個鐵心為卷繞型，上有6個軸向槽。
[0159]凹形圓槽(31)開得比較深比較大，采用由非取向性磁粉粉末冶金燒結(jié)或粘接材料制成的剛性缽形磁流過渡層，下鐵軛精加工以配合鐵軛鐵心組成零間隙磁路結(jié)構(gòu)件。
[0160]安裝時，將裝配有夾板夾件絕緣板的下鐵軛平放在電抗器座臺上，凹形圓槽朝上，先在凹形圓槽內(nèi)和磁流過渡層外表面涂抹含磁粉的粘結(jié)固化劑，再將磁流過渡缽放入凹形圓槽內(nèi)。
[0161]接著，將含磁粉的粘結(jié)固化劑灌入磁流過渡缽內(nèi)，把鐵心插入磁流過渡缽內(nèi)，測量定位準(zhǔn)確后任含磁粉的粘結(jié)固化劑溢流到缽?fù)鈬⒌却袒?br>[0162]下面各步驟為:在鐵心上安裝繞組并固緊、與下鐵軛類似方法安裝上鐵軛，夾緊、輔助件安裝等。
[0163]混合方案之二
[0164]由于疊片鐵心按傳統(tǒng)工藝結(jié)合零間隙磁路技術(shù)后，只需要裁剪成長度相等、寬度不同的一組裁片，單個鐵心疊裝也比較方便，比卷繞鐵心的工藝成熟。相反地，卷繞鐵軛的加工還是比較方便的，卷繞的鐵軛工藝只相當(dāng)于環(huán)形變壓器鐵芯的制作，也不存在環(huán)形變壓器困難的繞線問題。所以，將兩者結(jié)合，優(yōu)勢互補，組合成“疊片鐵心+卷繞鐵軛”的混合方案。
[0165]圖20為“疊片鐵心+卷繞鐵軛”組成的立體混合型三相電抗器磁體外形圖。
[0166]圖中，3個鐵心⑴為由取向性疊片疊裝固化而成。鐵軛為取向性卷帶繞制，上鐵軛為弧形截面、外圓環(huán)形內(nèi)側(cè)三角形的卷繞鐵軛，下軛為矩形截面、圓環(huán)形卷繞鐵軛。
[0167]下軛也可以采用弧形截面，弧面朝上放置利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)性，也利于散熱流體進(jìn)入繞組，將繞組熱量迅速帶出，下鐵軛上有3個凹形圓槽(31)。
[0168]本方案中采用由較密集的非取向性磁粉粉末調(diào)制的柔性磁流過渡層。有兩種方案，一種是采用以柔性有機(jī)材料作為載體，將密集高導(dǎo)磁磁粉參入其中，按凹形圓槽和鐵心尺寸做成有形的柔性過渡體，墊充于槽內(nèi)；另一方案是將密集高導(dǎo)磁磁粉均勻滲雜在粘結(jié)固化劑中的無形方案，粘結(jié)固化劑固化后形成導(dǎo)磁過渡層。在本方案中，鐵心、鐵軛和凹形圓槽都無須加工或精加工。
[0169]混合方案之三上疊片鐵軛+下卷繞鐵軛+卷繞鐵心
[0170]本方案是方案之一的變種，就是將混合方案之一中的下鐵軛換成卷繞鐵軛。
[0171]卷繞鐵軛一體卷繞制作，特別是具有增量導(dǎo)磁矩形截面的鐵軛，作為下鐵軛具有穩(wěn)固的基礎(chǔ)，電抗器剛度強(qiáng)度都較理想，且開槽也比較容易。而上鐵軛采用磁路最短、磁損最少、磁材利用率最高的疊片型，也是一項輕量化的改進(jìn)。
[0172]圖21為“上疊片鐵軛+下卷繞鐵軛+卷繞鐵心”立體混合型三相電抗器磁體外形圖。
[0173]或者，磁體也可以是“下疊片鐵軛+上卷繞鐵軛+卷繞鐵心”組成的立體混合型。
[0174]根據(jù)以上所舉實例可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明有由許許多多的不同構(gòu)造部件組合方案所構(gòu)成的立體混合型全對稱三相電抗器。不同方案各具特色，適用于不同場合，形成形形色色種類繁多的立體全對稱磁路的三相電抗器，將很快進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品制造領(lǐng)域。
【主權(quán)項】
1.一種主要由繞組、鐵心和磁軛三大部件組成的立體三相鐵芯電抗器，其特征是，電抗器具有立體全對稱的零間隙磁路結(jié)構(gòu)；鐵心與鐵軛作為二大獨立單元分體制造疊裝。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體三相鐵芯電抗器，其特征是，電抗器的三個鐵心呈三角形立體分布，相間鐵軛等距離；磁路為疊片結(jié)構(gòu)、卷繞結(jié)構(gòu)或混合結(jié)構(gòu)中的一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的立體三相鐵芯電抗器，其特征是，鐵心和鐵軛為疊片型結(jié)構(gòu)或卷繞型結(jié)構(gòu)；鐵心為圓截面，鐵軛為矩形截面或弧形截面。4.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的立體三相鐵芯電抗器，其特征是，鐵心和鐵軛為卷繞型結(jié)構(gòu)；在卷鐵心中有一條或數(shù)條軸向槽。5.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的立體三相鐵芯電抗器，其特征是，鐵軛上帶有凹形圓槽的加固兼導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)。6.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的立體三相鐵芯電抗器，其特征是，鐵心和鐵軛其中之一為取向性磁性材料，另一為非取向性磁性材料。7.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的立體三相鐵芯電抗器，其特征是，鐵心和鐵軛二者都為取向性磁性材料，且凹形圓槽內(nèi)有剛性或柔性的磁流過渡層。8.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的立體三相鐵芯電抗器，其特征是，磁體為“卷繞鐵心+疊片鐵軛”組成的立體混合型。9.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的立體三相鐵芯電抗器，其特征是，磁體為“疊片鐵心+卷繞鐵軛”組成的立體混合型。10.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的立體三相鐵芯電抗器，其特征是，磁體為“上疊片鐵軛+下卷繞鐵軛+卷繞鐵心”組成的立體混合型；或者為“下疊片鐵軛+上卷繞鐵軛+卷繞鐵心”組成的立體混合型。
【文檔編號】H01F27/24GK105990002SQ201510087505
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月25日
【發(fā)明人】於岳亮, 雷雪
【申請人】上海穩(wěn)得新能源科技有限公司