[发明专利]具有分布气隙的电感装置

说明书

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。