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首页 > 技术研究 > 磁组合电抗器的研发创新

1.概述

磁组合电抗器的研究目标是实现光伏及风能逆变器、变频器、UPS、智能电网等高频化和小型化生产,推动技术产业的转型和能源节约。项目主要研究不同磁性材料在不同场合的应用及选择,电抗器在不同环境下的工艺要求,不同设备应用中及不同环境下电抗器参数的设计,电抗器结构的设计等。

磁组合电抗器采用低损耗铁芯设计,铁芯损耗比传统电抗器的铁芯损耗降低了30%,同时采用立绕工艺,提高了产品的散热面积和散热能力。传统电抗器整体效率一般为97%左右,而磁组合电抗器可以使效率达到98.5%以上,极大的提高了产品的市场竞争力。同时,组合磁性材料的使用使电抗期噪音大大降低,传统电抗器一般噪音管控在75dB以内,而磁组合电抗器噪音可以控制在50dB以内;采用立绕工艺使产品绕之只有一层,同时省略了绝缘纸的使用,降低了绕组的杂平均匝长,使产品温升降低,有优异的EMI、EMC效果,采用立绕技术成本比传统工艺降低5~10%;产品结构设计主要保持产品风道的循环,选用不导磁的结构件,提高产品的性能和可靠性。

 

2.项目涉及的技术领域、工艺范畴

磁组合电抗器广泛的运用于光伏发电、风能发电、电力谐波治理、变频器、智能电网、电子信息、UPS等领域,研究涉及电磁学、电机学、电子电路、机械结构等多个技术学科领域。

磁组合电抗器是电抗器的一种,涉及原材料加工制造工艺范畴。磁组合电抗器的制作工艺重点为线包的绕制,铁芯的拼装、线包组装、支架固定等。

在绕制线包时需要重点管控线包的尺寸和安全距离,线材的折角以及线材的绝缘保护等。组合电抗器使用的铁芯个数会很多,所以在铁芯拼装时必须使用可靠的治工具、使用优越的粘合剂以确保铁芯拼装后的尺寸、可靠性及产品的电气性能。在组装线包和支架固定时必须确保产品平整、线包和铁芯固定紧密、防震良好及安装可靠。

磁组合电抗器属于新型元器件技术领域,是一种高频器件。属于“十二五”国家政策重点支持产业之一,是深圳重点支持的战略领域之一。

 

3.拟解决的关键技术问题

磁组合电抗器设计和研究主要解决的关键技术问题有:

(1) 效率的提高

效率是电力电子产品必须考核的重要指标之一,也是节能环保的主要依据。影响电抗器的效率主要有两个,一是电抗器的铁芯损耗,二是电抗器的导体损耗。

a)铁芯损耗的降低

 传统电抗器采用硅钢片设计,产品工作在5KHz,0.1T时,目前市场上最好的铁芯损耗为8W/kg。磁组合电抗器经过精密的设计、电磁仿真技术及工艺设计可以使用铁氧体、铁硅铝、铁硅等磁性材料,在同等条件下,铁氧体、铁硅铝、铁硅的损耗分别为0.4W/kg、4.03W/kg、6.4W/kg,因此在很大程度上降低了整个产品的损耗,提高产品的效率。

b)导体损耗的降低

影响电抗器导体损耗主要因素有绕组匝数、导体的面积、温升高低。绕组的匝数受铁芯影响,在高频率状态下,采用磁组合设计因为具有更低的损耗,所以可以选用略少的匝数,因此即使在使用同等面积的导体时会具有更低的损耗。同时,因为磁组合电抗器具有更小的铁损,因此产品的温升会更低,在更低的温度时,根据导体的物理特性,导体具有更低的损耗。

 

(2)噪音问题

产品的应用频率、发热大小、分布参数、固定的可靠性是影响噪音的主要因数。

a)应用频率的影响

应用频率在20KHz以下时,产品声音人们容易,尤其在3~10KHz是人最敏感的频率范围。在采用磁组合设计电抗期时,可以把产品产品应用频率提高到20KHz以上或避开人们对声音最敏感的频率范围,这样就可以大大降低噪音。

b)发热的大小

产品损耗大时,设备发热也大,高热量会使空气对流加速引起震动,同时由于损耗加大影响产品温度提高导致产品结构强度减弱,从而导致噪音加大。磁组合电抗器具有更优的损耗和更加优异的散热效果,能够有效的降低噪音。

 

(3)温升

产品的温升取决于其效率(即损耗大小)、产品的散热面积和散热能力、电抗器气隙的状况。

a)效率的提升可以改善噪音

如上第1点所述,采用磁组合设计能有更高的效率,因此产品温升会更低。

b)增大散热面积和散热能力可以改善噪音

磁组合电抗器在工艺方面多采用立绕的方式,取消了绝缘纸的使用,使绝缘导体和空气直接接触,加大了散热的能力;同时采用多风道设计,增加了散热面积,起到减小噪音的效果。

c)气隙的状况影响噪音

传统电抗器一般采用空气气隙,气隙一般达到2mm以上,气隙的大小直接影响产品的损耗,同时边缘磁通、散磁增大,造成噪音增加。磁组合电抗器可以采用金属合金磁粉芯,其气隙均匀分布,基本没有边缘磁通和散磁,从而改善噪音。

 

(4)EMI和EMC

传统电抗器采用箔绕,层数较多,散热效果差,产品分布电容大,邻近效应严重。而磁组合电抗器采用扁线立绕方式绕线,绕组只有一层,大大降低了产品的分布电容,减小了邻近效应,使产品有优异的EMI、EMC效果。


4.项目的主要技术创新点

本项目主要技术创新有:

(1)组合磁材的应用

考虑产品的效率和成本,组合磁材的应用可以降低产品的损耗,提高产品的应用频率,而且组合方式多元化,根据电磁理论及磁仿真可以安全可靠的使产品具有极佳的性能。

磁组合电抗器采用低损耗铁芯设计,铁芯损耗比传统电抗器的铁芯损耗降低了30%,同时采用立绕工艺,提高了产品的散热面积和散热能力。

传统电抗器整体效率一般为97%左右,而磁组合电抗器可以使效率达到98.5%以上,极大的提高了产品的市场竞争力。同时,组合磁性材料的使用使电抗期噪音大大降低,传统电抗器一般噪音管控在75dB以内,而磁组合电抗器噪音可以控制在50dB以内。

 

(2)线圈立绕技术的应用

传统箔绕产品散热效果不佳,层数多,分布参数大,绕组平均匝长大,从而会影响产品的效率、品质及成本。立绕工艺的采用使产品绕之只有一层,同时省略了绝缘纸的使用,降低了绕组的杂平均匝长,使产品温升降低,有优异的EMI、EMC效果。采用立绕技术成本比传统工艺降低5~10%

 

(3)选用不导磁的结构件进行结构设计

为了提高产品的性能和可靠性,产品结构设计主要保持产品风道的循环,选用不导磁的结构件。在设计结构时降低其他材料的使用。传统电抗器尤其是小功率器件很多采用外壳加灌封的模式,散热不佳,成本高。

5. 主要产品展示

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