CN1351752A - 具有分布气隙的电感装置 - Google Patents

Abstract

一种用于电力系统中的电感装置的分布气隙材料,用来减小铁芯中边缘效应损耗、机械损耗、振动和噪声的。该分布气隙材料占据该铁芯的选定部分并由电介材料母体的细分磁线材料形成。该气隙材料有一过渡区,在该过渡区中,该气隙材料中的磁导率值变动。

Description

具有分布气隙的电感装置

发明背景

本发明涉及电感装置，特别涉及发电、用电中使用的、其铁心中形成有一个或多个分布气隙的较大电感装置。一般该分布气隙为电介材料母体的磁粒材料形成，该电介材料可包括气体、液体、固体、半固态材料或其组合。

电感装置如电抗器在电力系统中用来补偿造成开路高压的远距架空电力线或延伸电缆系统或轻载电力线中的Ferranti效应。有时需用电抗器提供远距电力线系统的稳定性。在轻载条件下它们还可用来控制电压和接入接出系统。同样，电力系统中使用变压器把电压升压和降压到使用电压。

这类装置用相似元件制成。一般来说，一个或多个线圈套在一叠片铁心形成绕组，绕组可按需要的方式与电力线或负载连接和接入接出电路。一静电电感装置的相当磁路包括与该铁心的磁阻串联的磁动势源，磁动势为绕组匝数的函数，铁心可包括铁和一气隙，如使用气隙的话。尽管气隙严格说并非必需，但没有气隙的电抗器和变压器在高磁场密度下会饱和。从而控制的精度降低，漏电会造成灾难性故障。

图13所示的局部形式的铁心可看成一具有一闭合磁路、例如一对腿和互连磁轭的支架。把两腿之一可切通以形成气隙。铁心可支撑绕组，绕组通电时在铁心中生成延伸过气隙的磁场。在大电流密度下，磁场强度大。

尽管有用和需要，但气隙在铁心结构中表示弱的耦合。铁心会以输入交流电的两倍频率振动。这就是在这类装置中的振动噪声和应力源。

与气隙有关的另一个问题是磁场Φ发生边缘效应、向外散开、限制较少。因此，磁力线趋向进入和离开铁心，非零分量与铁心叠片横交，在铁心中造成不利涡流的集中和发热点。

通过在设计以稳定结构、从而减小振动的气隙中使用一个或多个插入物，使这些问题有所减缓。此外，该结构或插入物由设计来减小气隙中边缘效应的材料形成。但是，这些装置很难制造，成本高。

北卡罗莱那州立大学Arthur W.Kelly和F.Peter Symonds的一篇题为“塑铁粉分布气隙磁性材料”的文章讨论分离和分布气隙电感器铁心技术以及在制作特殊形状部件如气隙磁性材料以及在制作雷达吸收材料时使用金属细粉。

在Kelly文章中，在所公开的各种应用中，磁导率是固定且具体的。本发明涉及一具有过渡区的气隙插入物，该过渡区的磁导率取小于铁心自身的磁导率、大于气隙材料磁导率的某一中间值。

Kelly文章给出的解决方案只适用于处理高频、小电流信号的处理，在大功率、低频电子装置领域未必管用。

具有气隙的大功率、低频电感器的使用会产生各种与越过气隙的强烈的机械力和电子装置的噪声和振动有关的问题。这类装置由于磁通边缘效应还容易在邻接铁心上发生能量损耗和过热。大功率、低频装置的这些问题部分是由于这些装置的物理结构过大引起的，而这在Kelly讨论的电力电子装置中是不存在的。因此，这些问题的解决需用于满足电力电子的较小装置的不同解决方案。

一典型插入物包括一布置成楔形型式的径向分层铁心钢板的圆柱段。这些分层段在环氧树脂中模制成一固体件或模件。模件表面上有陶瓷垫片与铁心间隔，或者，当使用多个模件时，与邻接模件间隔。在后一种情况下，模件和陶瓷垫片精确相叠后粘结在一起以制成该装置的固体铁心腿。

铁心中的磁场在所有气隙上产生脉动力，在用于电力系统中的装置中，该脉动力可高达成百千牛顿(kN)。铁心必须是刚性的，以足以消除这些不利振动。模件中的径向叠片减小了进入铁心钢的平坦表面的边缘磁通，从而使电流过热和发热点减小。

这些结构很难制作，需要精确对准许多专门设计的楔形叠片，以形成圆形模件。机加工必需精确，陶瓷垫片的尺寸和位置也很难精确。因此，这些装置相对昂贵。从而，希望生产成本比现有装置较便宜的一体化结构的气隙垫片。

发明概述

本发明基于下述发现：可为电力系统中的电感器提供分布气隙插入物或区域，其中，该插入物包括以电介材料为母体的磁性粒子，这些磁性粒子的大小和体积百分比足以生成边缘效应减小的气隙。该电介材料可为气体、液体、固体、半固体或它们的组合。

在一形式中，分布气隙包括使其形状与气隙尺寸相符的一整体。

在另一实施例中，磁性材料形成在一有机聚合物母体中。

可选地，磁性粒子也可涂有电介材料。

在另一实施例中，分布气隙包括一电介容器，其填充有电介材料母体的磁性粒子。该容器可呈柔性。

在另一形式中，铁心由一圈或多圈磁线或磁带形成或为用粉末冶金技术形成的体部。

在本发明的另一实施例中，将气隙描述为有磁导率的过渡区。

整个或部分铁心可以是分布气隙形式。此外，形成分布气隙的粒子的密度，可通过在其上加力来改变，以调节该装置的磁阻。

在一示例性实施例中，粒子材料的粒子大小约为1nm-1mm、最好约为0.1μm-200μm，粒子材料的体积百分比约为60％。电力材料的磁导率约为1-20。通过改变作用在柔性容器上的可变各向同性压力，即可把该磁导率调节成约2-4倍。

附图说明

下面结合附图说明本发明，附图中：

图1示出按照本发明的具有分布气隙的电力变压器或电抗器的电感装置的绕组周围的电场分布；

图2为电缆的局部透视图，其可用在按照本发明的示例性实施例的电力系统大功率静电电感装置绕组中；

图3为图2所示电缆的剖面视图；

图4为大功率电感装置的示意透视图，其具有按照本发明的实施例的分布气隙；

图5为本发明的分布气隙的实施例的局部剖视图；

图6A为本发明的另一实施例的侧视剖视图，使用其内填充有电介材料母体的磁性粒子的电介容器；

图6B为图6A的分布气隙的可选实施例的局部透视图，在其端部，使用成段磁线；

图7为由粉末冶金框架和分布气隙形成的电感器的示意图；

图8为用于分布气隙的粉末粒子的示意图；

图9A为由一圈或多圈电介管形成的铁心的局部剖视图，电介管含有电介材料母体的磁性粒子；

图9B为本发明的实施例的局部详视图，使用其内充填有电介母体的磁性粒子的管子；

图9C-9E为具有本发明的分布气隙的铁心的示意图；

图9F为形成电感器的分布气隙的铁心部分的剖视图；

图10为形成分布气隙的一圈示例性铁心的示意图；

图11A和11B为铁之类导磁粒子的各种体积百分比的磁滞和功率损耗的示例性曲线图；

图12为磁路的局部剖视图，该磁路有一过渡区，该过渡区具有不止一个磁导率值；图13为一现有气隙的局部视图。

发明说明

下面结合附图详细说明本发明。图1简示出包括一个或多个绕组2和一铁心3的电感装置如电力变压器或电抗器1的绕组周围的电场分布。等电位线E示出电场强度相同的部位。假设绕组底部为接地电位。铁心3具有本发明的一分布气隙4和一窗口5。铁心可由硅钢之类导磁材料的叠片形成，或也可由磁线、磁带或粉末冶金材料形成。磁通Φ的方向如箭头所示。一般来说，限制在铁心3之内或大部分限制在铁心3中的磁通Φ是连续的，如图所示。

电位分布决定着绝缘系统的组成，在大功率系统中更是如此，因为绕组的邻接匝之间和每一匝与地线之间必需足够绝缘。在图1中，绕组的顶部受到最大电介应力。因此绕组相对于铁心3的设计和位置基本由铁心窗口5中的电场分布确定。绕组Z可由如图所示的普通多匝绝缘线形成，或也可是如下所述大功率输电电缆形式。在前一种情况下，该装置可工作在一般用于公知发电系统中的这类装置的功率水平上。在后一种情况下，该装置可工作在对这类装置非典型的功率高得多的功率水平上。

图2和3例示出用来制造在本发明实施例的高电压、强电流、大功率电感装置中使用的绕组Z的电缆6。这种电缆6包括至少一导体7，该导体7可包括许多股线8，并带有环绕该导体7的盖罩9。在所示实施例中，盖罩9包括一绕着股线8放置的半导体层10。固体主绝缘层11环绕半导体内层10。半导体外层12如图所示环绕主绝缘层11。内外层10和12的热膨胀系数与主绝缘层11相似。电缆6可设置用于特定目的的另加层(图中未示)。在本发明大功率静电导体装置中，电缆6的导体面积约在30-3000mm²之间，电缆外径可在约20-250mm之间。各股线8可分别绝缘，视应用场合而定。在导体7与半导体内层10界面附近的少量股线可不绝缘，用于与其形成良好电接触。

在根据本发明制造的发电、输电、配电的大功率应用场合使用的装置的额定功率可从10kVA直到1000MVA以上，电压可从约3-4kV直到极高输电电压如400kV-800kV或更高。

将导体7布置成它与半导体内层10电接触。因此，沿导体的长度上固体绝缘的最内部与周围半导体内层之间的边界层上不会产生有害电位差。

不同层的类似热特性导致结构可一体化，使得邻近绝缘层的半导体层呈现良好接触，而与在电缆的不同部分产生的变动和温度无关。绝缘层与半导体层形成为整体结构，不会产生由绝缘层和周围层的不同温度膨胀造成的缺点。

设计半导体外层以起静电屏蔽作用。增加外层电阻即可减小由感应电压造成的损耗。由于不能把半导体层的厚度值降低至低于一最小值，因此主要靠选择具有较高电阻率的层材料来增加电阻。但是，如半导体外层的电阻率太高，受控电位如接地电位上的相邻但间隔点之间的电位会高到发生电晕放电的程度，结果绝缘层和半导体层遭电蚀。因此半导体外层须在低电阻、感应电压损耗大、但容易保持在所需受控电位如接地电位上的导体与高电阻、感应电压损耗小、但沿其长度难于保持在受控电位上的绝缘体之间取得平衡。因此，半导体最外层的电阻率ρ的范围应为ρ_min＜ρ_s＜ρ_max，其中，ρ_min决定于由涡流损耗造成的可容许功率损耗和由磁通感应的电压造成的电阻损耗，ρ_max决定于不发生电晕或辉光放电的需要。最好但并非必需，10＜ρ_s＜100Ωcm。

半导体内层10呈现足够高的电导率，以均衡电位方式起作用，从而均衡内层外部的电场。在这方面，内层10具有这样的特性，即使导体7表面的任何不规则得到平衡，内层10形成等电位表面，最高电位表面在固体绝缘11的边界。因此内层10可由可变厚度形成，但确保有相对导体7和绝缘层11的均匀表面，其厚度一般为0.5-1mm。

图4为本发明的实施例的电感装置20的简示图，其包括铁心22和至少一个具有N匝的绕组24。铁心22呈由有窗口28的绝缘叠片26形成的长方体形式。铁心也可由导磁的带、线或粉末冶金物质形成。铁心22具有由相对磁轭部分34连接的肢部或腿30和32。例如，绕组24可缠绕在固体腿或肢部30上。肢部32形成有一气隙36，气隙中有如图所示的磁阻较大的分布气隙插入物38。

图4的装置在使用第二绕组25时可用作变压器。如图所示，绕组25可绕着铁心22缠绕。在所示装置中，绕组25与绕组24同心地绕在一起。

按照本发明，铁心肢部32在绕组24-25任一通电时生成的磁通Φ呈现有较大的磁阻。插入物38用作分布气隙，且其一般不饱和，从而允许装置20可在许多电力应用中用作控制器或变压器装置。

图5为分布气隙插入物38的局部剖视图。插入物38可包括含有导磁粒子42的电介材料40的母体。

电介材料40可以是环氧树脂、聚酯、聚酰胺、聚乙烯、交联聚乙烯、杜邦公司销售的商标名为Teflon的PTFE和PFA、橡胶、EPR、ABS、聚醛、聚碳酸酯、PMMA、聚亚苯基砜、PPS、PSU、聚砜、聚醚酰亚胺PEI、PEEK等。如结合图8详述，电介材料40也可涂在粒子42上。磁性粒子42可由铁、非晶铁基材料、Ni-Fe合金、Co-Fe合金和基于Mn-Zn、Ni-Zn、Mn-Mg的铁素体形成。

在图5所示实施例中，气隙36的相对面45和插入物38的对应面对表面45可形成为平面或曲线弧形面对表面。插入物38可具有凸起表面，铁心的面对表面45可下凹，以使该结构机械地稳定。可选地，铁心的表面45可凸起，插入物的表面可下凹以改变场边缘效应。但是一般来说，在所示结构中，铁心22中的磁通Φ趋向于更好地限制在分布气隙插入物或区域38之内。这发生的原因是，粒子42提供穿过插入物38的用于磁通Φ的绝缘磁路，该磁通趋向于使界面45上的边缘效应最小化，从而使铁心22和插入物38中的涡流减小。

图6A示出本发明另一实施例，在该实施例中，由磁线或叠片51形成的铁心50有一气隙52并使用一分布气隙插入物54，该插入物包括充填有电介材料母体的磁粉粒子56的电介容器55或涂层磁性粒子，如下所述。铁心50可卷成螺旋形的如图所示的磁线或磁性材料带或粉末冶金材料，如下所述。铁心50的相对面对自由端或表面58埋在粉末中，形成与插入物54的界面。自由端58可不规则或呈锯齿状，以在该界面上生成一更好过渡区，磁导率在该过渡区中从铁心50向气隙插入物54逐渐变化。在所示实施例中，叠片51的端部53也可在该界面处交错地偏移，以产生不规则或锯齿状端部58。

可选地，如图6B所示，插入物54也可有一多元件结构，其中，中央部55C充填有电介材料57母体的磁性粒子56，端部55E充填有较短的成段磁线59，其可存在但没有期望的电介材料母体57，以提供与铁心50的良好电接触，还提供转入气隙插入物54和从其转出的平稳磁过渡。该界面可按需要呈平面或曲线。

图6A和6B所示的气隙插入物例示出本发明一实施例，在该实施例中，提供有过渡区的磁路，过渡区中的磁导率存在不止一个值。即，气隙材料中一区的磁导率值可变动，如气隙的磁导率值较小，铁心的磁导率值较大。使用这类过渡区，电感器的部分气隙材料的中间磁导率值大于气隙材料本身的其余部分的磁导率值而小于铁心的磁导率值。例如，在图6A中，在磁路中，铁心50具有一磁导率值，埋在粉末56中的面对自由端或表面58有一磁导率值，气隙插入物54有一磁导率值。在所示实施例中，铁心50的磁导率值大于面对表面58的磁导率值，面对表面58的磁导率值大于气隙插入物54的磁导率值。各分立区域的磁导率值的这一差别在铁心50与气隙插入物54之间形成过渡区。

图6B更清楚示出过渡区这一概念的一个例子，在该例中，气隙插入物54的中央部55C的磁导率值小于含有成段磁线59的端部55E的磁导率值，而端部55E的磁导率值小于铁心50的磁导率值。从气隙插入物54的中央部55C到铁心50的这一磁导率值梯度递增在该磁路中形成磁导率过渡区。

示出过渡区概念的另一例见图6C，在该例中，气隙插入物52的中央部56的磁导率值小于含有成段磁线50c的端部的磁导率值，而端部的磁导率值小于全部用磁线形成的铁心50的磁导率值。从气隙插入物52的中央部56到铁心50的磁导率值梯度递增在该磁路中形成磁导率过渡区。

在图6A所示装置中，在柔性容器55上施加压力或力，从而改变其内粒子56(图6B)的密度即可改变分布气隙54的磁阻。力F一般各向同性或均匀分布，从而磁阻的改变均匀并可预知。在所示实施例中，磁阻改变约2-4倍。在其它不同实施例中也可采用改变粒子密度。

实现分布气隙的另一种方法是，使用图7所示的静电电感装置70中涂覆的磁性粒子，该电感装置包括一有一分布气隙插入物76的铁心框架72。该装置70有一窗口78，该窗口78中至少缠绕有一个绕组。如在上述各结构中，绕组可以是绝缘涂覆线或上述电缆。

分布气隙插入物76由粉末粒子90形成，粉末粒子90包括由电介母体涂层94(图8)包住的磁性粒子92。整个粉末粒子90的直径为D_O，粒子直径为D_P，涂层厚度为D_C，如图所示。插入物76可通过将粒子90模制、均匀热压或其他合适方法形成或成形。例如，如烧结工艺不破坏涂层的电介特性的话，母体可烧结。

如上所述，粒子，如涂覆的，有外径为D_O，涂层厚度为D_C。确定比率D_C/D_O时考虑的因素有电阻率和磁导率。电阻率是为了减小涡流，磁导率是为了确定气隙的磁阻。

可选地，可使用有涂层的粒子90充填如上所述容器、软管或管子。如磁性粒子92的电阻率足够大，也可单独使用而没有涂层，还可与气体、液体、固体或半固体电介母体组合。

图9A和9B示出静电电感装置100，其具有环形缠绕软管104形式的铁心102，软管的中空内部充满图6A所示装置中的磁性粉末106。应该理解，图9A的铁心也可用磁线或磁带制成。

在图9C所示装置中，若整个铁心102为一充填的软管，则整个铁心为一分布气隙。此外，如图9D所示，铁心110可为充填有磁性粒子114(图9F)的一段缠绕软管段112形成。图9D和9F所示插入物116可由充填有电介母体的磁性粒子120或下文详述的涂覆的磁性粒子的软管段118形成。

图9E示出一长方形铁心122，该铁心可形成在此所述的完全分布气隙，或可如图所示带有一插入物124。尽管与图4装置类似，但图9A-9F的结构的几何形状不同。图4的电介材料是固体，而在图9A-9F中，磁性粒子可分布在空气之类流体电介质中。

在图10实施例中，所示铁心130为直径为r的磁带、磁线卷筒132或厚度为D1的软管。软管中可充填有上述磁性粉末或电介涂覆磁性粉末。卷筒132在低磁导率材料如空气μ₂中卷成螺旋形，其间有一厚度为D2的隔离层或间隔层134。为清楚起见，将各部分尺寸夸大。

其值远低于饱和的感应磁通Φ在该卷筒方向上形成一典型的闭合圈的磁力线136。对于单根螺旋卷筒来说，任何穿过高磁导率区132的磁力线136为使其自身闭合必需通过低磁导率区134。设比率μ₂/μ1足够小，磁力线136横过隔离层或空间134的部分几乎与卷筒的方向垂直，其长度稍大于距离D2。在离中心点P距离r＞＞D1，D2处，从横过一段宽度D1+D2的磁力线136看到的总磁阻近似为，铁心在卷筒方向上的磁阻和穿过隔离层134上的总磁阻之和：

R近似等于C(L/(μ₁D1)+(D2/Lμ₂))

L＝2πr

C为常数

图11A示出用于各种磁性粒子的磁感H及施加的磁场B。图11B示出用于各种粒子体积百分比密度的磁场强度B与功率损耗P的关系。

图12示出磁路的一部分170，该磁路中，导线172的一部分插入一片分布气隙材料171中，从而在该分布气隙材料171中形成磁导率值不止一个的过渡区。导线172在分布气隙材料171中的分布，使得磁导率在气隙材料中渐变，从而某一中间值的磁导率小于铁心的磁导率而大于气隙材料本身的磁导率。

尽管以上用当前看来是示例性的实施例说明了本发明，但本领域普通技术人员可显然看出，可对其作出种种改动和修改而不超出本发明的范围。因此，后附权利要求覆盖在本发明真正精神和范围内的这些改动和修改。

Claims (27)

1、一种具有铁心和分布气隙的电感装置，其包括：

一在所述气隙中提供磁阻的气隙插入物；

所述气隙插入物为一电介容器；以及

所述电感装置有一过渡区，该过渡区有多个磁导率值。

2、按权利要求1所述的电感装置，其特征在于：

所述铁心有相对自由端，该自由端与所述气隙插入物形成一界面；

所述气隙插入物有一磁导率值；

所述铁心的所述相对自由端有一磁导率值；

所述气隙插入物的所述磁导率值小于所述相对自由端的所述磁导率值；以及

所述相对自由端的所述磁导率值小于所述铁心的所述磁导率值，

从而所述磁导率值的所述差异形成所述过渡区。

3、按权利要求2所述的电感装置，其特征在于：

所述气隙插入物为一充填有磁性粒子的电介容器。

4、按权利要求3所述的电感装置，其特征在于：

所述磁性粒子为电介母体的磁性粉末粒子。

5、按权利要求4所述的电感装置，其特征在于：

所述磁性粒子被涂覆。

6、按权利要求3所述的电感装置，其特征在于：

所述容器呈柔性；以及

一作用在所述气隙插入物上的力改变所述磁性粒子的密度，从而改变所述气隙中的磁阻。

7、按权利要求6所述的电感装置，其特征在于：

所述磁性粒子的所述密度可选择地调节至2-4倍的上述磁导率，以响应施加于所述气隙插入物上的力。

8、按权利要求7所述的电感装置，其特征在于：

所述铁心由下述至少之一构成：

a)磁线，

b)磁材料带，以及

c)磁性粉末冶金材料。

9、按权利要求3所述的电感装置，其特征在于：

所述界面为平面。

10、按权利要求3所述的电感装置，其特征在于：

所述界面为曲面。

11、按权利要求3所述的电感装置，其特征在于：

所述界面呈锯齿形。

12、一种具有铁心和分布气隙的电感装置，其包括：

一在所述气隙中提供磁阻的气隙插入物，所述气隙插入物为多元件结构；以及

所述电感装置有一不止一个磁导率值的过渡区。

13、按权利要求12所述的电感装置，其特征在于：

所述多元件结构有中央部和端部。

14、按权利要求13所述的电感装置，其特征在于：

所述中央部有一磁导率值；

所述端部有一磁导率值；

所述铁心有一磁导率值；

所述中央部的所述磁导率值小于所述端部的磁导率值；以及

所述端部的所述磁导率值小于所述铁心的所述磁导率值，

从而所述磁导率值差形成所述过渡区。

15、按权利要求14所述的电感装置，其特征在于：

所述中央部充填有电介材料母体的磁性粒子；所述端部充填有成段磁线。

16、按权利要求14所述的电感装置，其特征在于：

所述中央部充填有电介材料母体的磁性粒子；以及

所述端部充填有电介材料母体的成段磁线。

17、按权利要求14所述的电感装置，其特征在于：

所述铁心由下述至少之一构成：

a)磁线，

b)磁材料带，以及

c)磁性粉末冶金材料。

18、一种具有铁心和分布气隙的电感装置，其包括：

一在所述气隙中提供磁阻的气隙插入物；

所述铁心有多根导线，所述多根导线的一部分插入所述气隙插入物中；以及

所述电感装置有一不止一个磁导率值的过渡区。

19、按权利要求18所述的电感装置，其特征在于：

所述气隙插入物有一磁导率值；

所述多根导线的所述部分有一磁导率值；

所述铁心有一磁导率值；

所述气隙插入物的所述磁导率值小于所述多根导线的所述部分的所述磁导率值；以及

所述多根导线的所述部分的所述磁导率值小于所述铁心的所述磁导率值，

从而所述磁导率值差形成所述过渡区。

20、在电感装置中，使用按权利要求1所述的装置来调节电力供应的电特性。

21、一种形成有铁心的电感装置，该铁心在其选定部位有一磁导率减小的区域，该电感装置包括：

分布气隙材料，其位于由电介材料母体的细分磁性粒子形成的铁心的选定部分。

22、按权利要求21所述的装置，其特征在于，该电介材料包括气体、液体、固体及其组合的至少之一。

23、按权利要求21所述的装置，其特征在于，这些粒子的大小和体积百分比足以提供带有减小的边缘效应的气隙。

24、按权利要求21所述的装置，其特征在于，粒子大小的范围为约1nm-1mm。

25、按权利要求21所述的装置，其特征在于，粒子大小的范围为约0.1μm-200μm。

26、按权利要求21所述的装置，其特征在于，这些粒子占据母体的体积百分比约为60％。

27、在电感装置中，使用按权利要求21所述的装置来调节电力供应的电特性。

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