CN104124036B - 磁耦合电抗器 - Google Patents

Abstract

一种磁耦合电抗器，在不同的工作模式下具有不同的用途。该磁耦合电抗器在第一种工作模式下相当于一个具有较小电感值且能通过较大电流的电抗器，可以用于地铁车辆牵引系统的车控型主电路。该磁耦合电抗器在第二种工作模式下相当于能同时使用的数个电感值较大电抗器，可以用于地铁车辆牵引系统的架控型主电路。该磁耦合电抗器包括：线圈组件，包括由若干异名端串联的线圈堆叠而成的同轴且相邻两端为异名端的至少两个线圈组，线圈组包含输入线头和输出线头；铜排组件，包括分别与各个线圈组的输入线头相连和与各个线圈组的输出线头相连的引出铜排，以及能接通或断开与各输入线头相连的引出铜排和与各输出线头相连的引出铜排的短接铜排。

Description

磁耦合电抗器

技术领域

本发明涉及一种电抗器，特别涉及一种磁耦合电抗器。

背景技术

目前地铁车辆牵引系统中主电路主要有两种：车控型主电路及架控型主电路。车控型主电路中需要安装一个线路电抗器，而架控型主电路中需要安装两个线路电抗器，且两电抗器在车辆正常运行情况下同时工作。地铁车辆牵引系统中需要一种既能用于车控型主电路也能用于架控型主电路的多用途电抗器，以减少电抗器数量和型号，从而降低成本。但没有一种结构简单的电抗器既能当作一个具有较小电感值且能通过较大电流的电抗器——用于车控型主电路，又能当作能同时使用的数个电感值较大的电抗器——用于架控型主电路。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种能实现多用途的的磁耦合电抗器。另外，本发明还希望提供一种体积小、漏磁小、磁损耗少的磁耦合电抗器。

根据本发明提供的一种磁耦合电抗器，包括线圈组件和铜排组件。铜排组件包括由若干异名端串联的线圈堆叠而成的同轴且相邻两端为异名端的至少两个线圈组，线圈组包含输入线头和输出线头。铜排组件，包括分别与各个线圈组的输入线头相连和与各个线圈组的输出线头相连的引出铜排，以及能接通或断开与各输入线头相连的引出铜排和与各输出线头相连的引出铜排的短接铜排。该磁耦合电抗器有两种工作模式，即短接铜排都处于接通模式和短接铜排都处于断开模式。两种工作模式对应具有的两种功能是：一、被当作一个具有较小电感值且能通过较大电流的电抗器使用；二、被当作能同时使用数个电感值较大电抗器使用。

在一些实施方案中，短接铜排都处于接通状态，使得所述电抗器用于地铁车辆牵引系统的车控型主电路。

在一些实施方案中，短接铜排都处于断开状态，使得所述电抗器用于地铁车辆牵引系统的架控型主电路。

在一些实施方案中，所述磁耦合电抗器还包括容纳所述线圈组的导磁壳体。这样设置的好处在于约束漏磁向外扩散，几乎无磁漏，并且提高增磁耦合效率。另外的，这种设计还能屏蔽磁场，阻止变化的磁场影响电抗器邻近的导体部件发热，还起到加固线圈组件的作用。

在一些实施方案中，所述导磁壳体包括多个铁心片单元叠合而成的铁心壳体，以及安装在铁心壳体的敞开端上的由铁轭片叠合而成的铁轭，各铁心片单元包括若干相同的铁心片组件，各铁心片组件包括：第一铁心片；垂直于第一铁心片放置的第二铁心片，所述第二铁心片的一个顶边与所述第一铁心片的一个端边对接，且其一个端边与所述第一铁心片的一个顶边平齐；垂直于第一铁心片放置的第三铁心片，所述第三铁心片的一个端边与所述第一铁心片的一个顶边对接，且其一个顶边与所述第一铁心片的一个端边平齐；其中，同一个铁心片组件中的三种铁心片平放在同一个平面，相邻两个铁心片单元的第一铁心片彼此相邻，而第二铁心片和第三铁心片分别与另一个铁心片单元的第三铁心片和第二铁心片相邻，每个铁心片包括导磁本体以及覆盖在导磁本体外表面的绝缘层。这样设置的好处在于，能够使铁心壳体的导磁材料形成的磁路更加完好，使整个电抗器的磁损耗更小。同时，铁心壳体与铁轭装配而成的导磁壳体相当于一个磁屏蔽装置，一方面起到防漏磁的功效，另一方面可使导磁壳体内的线圈的电感增大。同时不需要在电抗器中另外加设屏蔽板，这样就大大减小了整个系统的重量。另外，铁心壳体还对安装在其中的线圈起支撑作用。该导磁壳体为两端开口的箱体，这样还能增加散热能力。同时，还能降低铁磁壳体上的形成涡流损耗，阻止导磁壳体发热。

在一些实施方案中，所述铁心片单元包括两个铁心片组件。两个铁心片组件叠合的铁心片单元使铁心壳体最稳固，磁损耗最小。

在一些实施方案中，第三铁心片靠近第一铁心片的一端的端部设置一个安装孔，第一铁心片靠近第二铁心片一端的端部设置一个安装孔，每个铁心片还另外至少设置一个叠合时互相对齐形成通道的安装孔。各个铁心片单元用套装有绝缘垫圈的螺杆穿过叠合安装孔的螺杆连接方式进行固定。这种设计的好处在于，螺杆连接能降低缝隙带来的磁损耗，这样能只用垂直于铁心片的螺杆将铁心壳体装配好而不需要设置其他方向的夹件来紧固铁心壳体。

在一些实施方案中，所述线圈为饼式线圈。饼式线圈易于装配和维修。

在一些实施方案中，所述铜排组件还包括连接铜排，同一个线圈组中相邻的两个饼式线圈之间通过连接铜排连接。设置连接铜排的好处在于便于安装和更换线圈。

在一些实施方案中，所述线圈组件还包括设置在饼式线圈之间以及饼式线圈与导磁壳体之间的绝缘垫块。设置绝缘垫块的好处在于能支撑饼式线圈并防止饼式线圈绝缘层损坏后向相邻的部件导电。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明一种实施方式的磁耦合电抗器的结构示意图；

图2为本发明一种实施方式的第一个饼式线圈构件的结构示意图；

图3为本发明一种实施方式的铜排组件与饼式线圈构件的引线装配示意图；

图4为本发明一种实施方式的电路原理示意图；

图5为本发明一种实施方式的两个相邻的铁心片单元的结构对比示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面将对本发明的一种具体实施方式进行详细说明。

图1示意性地表示出了本发明一种实施方式的磁耦合电抗器的结构。在本实施方式中，磁耦合电抗器100包括线圈组件20。线圈组件20包括上线圈组21和下线圈组22。上线圈组21包括依次排列的5个饼式线圈构件1～5，下线圈组包括线5个依次排列的饼式线圈构件6～10。这10个饼式线圈构件1～10同轴线堆叠。

图2示意性地表示出了该实施方式中饼式线圈构件1的结构。在本实施例中，饼式线圈构件1包括饼式线圈16以及包裹着饼式线圈16的绝缘膜17。饼式线圈16由外面覆盖着绝缘层的导线19绕制而成。导线19具有输入引线端L1、输出引线端P1。导线19输出引线端P1沿着圆柱体的侧面，向某一周向绕线形成饼式线圈16，该方向为绕线方向。优选地，线圈组件20还包括设置在饼式线圈构件1～10两端面的绝缘垫块11，这样设置的好处在于绝缘垫块11可以加固饼式线圈16。饼式线圈构件2～10的结构与饼式线圈构件1的结构一样。饼式线圈构件1～10的输入引线端的标号对应为L1～L10，饼式线圈构件1～10的输出引线端的标号对应为P1～P10。线圈组件20中，输出引线端P1～P10的绕线方向相同。这样设置后，饼式线圈构件1～10中相邻的两个饼式线圈的异名端相向。

图3示意性地表示出了该实施方式的铜排组件30的装配结构。在本实施例中，磁耦合电抗器100还包括铜排组件30。铜排组件30包括由绝缘材料制成的铜排支撑件38，以及设置在铜排支撑件38上的八个连接铜排37。在本实施例中，连接铜排37将上线圈组21中的相邻饼式线圈构件1～5的输出引线端与输入引线端相连，即将输出引线端P1与输入引线端L2、输出引线端P2与输入引线端L3、输出引线端P3与输入引线端L4、输出引线端P4与输入引线端L5相连，从而实现饼式线圈构件1～5串联。输入引线端L1和输出引线端P5分别为上线圈组21的输入线头和输出线头。这样设置的好处在于，饼式线圈构件1～5中相邻的两个饼式线圈的异名端相向串联，这5个饼式线圈内部产生的磁通方向相同，从而这5个饼式线圈增磁耦合。所以上线圈组21中单个饼式线圈的自感加上与自感值正负号相同的互感得到的电感值比独立设置的同一饼式线圈的电感值要大，进而相当于组成上线圈组21的5个饼式线圈的电感值都增加了。下线圈组22的结构与上线圈组21的结构一样，通过连接铜排37将输出引线端P6与输入引线端L7、输出引线端P7与输入引线端L8、输出引线端P8与输入引线端L9、输出引线端P9与输入引线端L10相连，则输入引线端L6和输出引线端P10分别为下线圈组22的输入线头和输出线头。显而易见的，本发明可以省略连接铜排37而将相邻线圈的输入引线端与输出引线端直接相连。

铜排组件30还包括与各线圈组的每个输入线头和每个输出线头分别相连的若干个引出铜排。在本实施例中，引出铜排31～34依次连接着输入引线端L1、L6以及输出引线端P5、P10。引出铜排31～34可以设置在铜排支撑件38上。引出铜排31～34为电抗器的外接线端口。

铜排组件30还包括能将所有输入线头接通或断开的一个短接铜排35以及能将所有输出线头接通或断开的另一个短接铜排36。在本发明中，短接铜排35、36可以替换为一个有开关电路功能的装置。在本实施例中，短接铜排35以可拆卸的方式跨接在引出铜排31、32上，短接铜排36以可拆卸的方式跨接在引出铜排33、34上。

图4示意性地表示了该实施方式的电路原理。当短接铜排35、36都拆卸着的时候，两个线圈组的两个输入线头(输入引线端L1、输入引线端L6)之间断开，两个输出线头(输出引线端P5、输出引线端P10)之间断开，这样上线圈组21和下线圈组22可以接入两个不同的直流电路。两输入线头分别连接两个直流电路的高压端，这样连接后，这两线圈组内部产生的磁通方向一致，从而两线圈组增磁耦合，这时每个线圈组的电感不仅包括自感还包括与自感同正负号的互感，也就是说每个线圈组电感值等于自感值加上与自感值正负号相同互感值。所以磁耦合电抗器100的短接铜排35、36都拆卸下来后得到两个能接到不同直流电路的线圈组，每个线圈组都比同一线圈组本身自感值大的电感值，这两个线圈组的作用相当于两个电抗器。一般情况下，多个直流电路同时接入多个电感值较大的电抗器时，这些电抗器所占空间大。而短接铜排35、36都拆卸时的磁耦合电抗器100的好处在于能同时为不同的直流电路提供电感值较大的感抗，而且该电抗器所占空间小。这时磁耦合电抗器100可用于地铁车辆牵引系统的架控型主电路。

当短接铜排35、36都安装着的时候，两个线圈组的两个输入线头(输入引线端L1、输入引线端L6)接通，两个输出线头(输出引线端P5、输出引线端P10)接通，这样上线圈组21和下线圈组22同名端并联，并联后的电抗器的电感值远小于单个线圈组的电感值。输入线头和输出线头外接电源时，虽然两线圈组之间增磁耦合，但是增磁耦合增加的电感值远小于并联线圈组21、22减小的电感值。所以短接铜排35、36都处于接通状态时，磁耦合电抗器100构成一个能承受最大的电流值比其中一个线圈组大的并且具有比其中一个线圈组的电感值小的电抗器。短接铜排35、36都安装时的磁耦合电抗器100的好处在于能为电路提供一个电感值较小的感抗，并且该电抗器能够通过较大电流。这时磁耦合电抗器100可用于地铁车辆牵引系统的车控型主电路。

在本实施例中，设置饼式线圈构件1～10的好处在于便于维修。例如某一个饼式线圈构件内的线圈断开，则只需要检测每个饼式线圈构件中线圈的输入引线端与输出引线端是否能导通，从而快速确定该饼式线圈构件并更换该饼式线圈构件。饼式线圈构件和连接铜排的配合能更方便且快速地装配线圈组件，例如，先装配好饼式线圈构件，再将饼式线圈构件的引线与连接铜片焊接起来。

本发明中的线圈不局限于饼式线圈。每个线圈的绕线方向也可以根据需要来确定。当线圈同轴堆叠的位置固定时，为保证线圈异名端串联，可以用以下方式将相邻线圈依次连接。线圈由一根具有绝缘层的导线向某一周向绕制而成，导线包括A线端和B线端，从A线端到B线端线经过的周向为走线方向。若相邻的两个线圈走线方向相同，则这两个相邻线圈的A线端与B线端接通。若相邻的两个线圈走线方向不同，则这两个相邻线圈的A线端和A线端或B线端与B线端接通。当按上述方式连接而成的同轴线的线圈组位置固定时，为保证相邻线圈组的相邻端为异名端，则需要通过依次确定每个线圈组的输入线头和输出线头来保证相邻线圈组的相邻端为异名端。没有与其他线圈相连接的线端为自由线端。每个线圈组的一端上的自由线端为输入线头，则位于该线圈组另一端的自由线端为输出线头。若相邻线圈组中最靠近的两个线圈走线方向相同时，这两相邻端上的一个自由线端为输入线头另一个自由端为输出线头，若相邻线圈组中最靠近的两个线圈走线方向相反时，这两相邻的端上自由线端均为输入线头或均为输出线头。这时，只需先指定其中一个自由端为输入线头即可推导出其他自由线端属于输入线头还是输出线头。

本发明中的引出铜排、连接铜排和短接铜排上的导体材料不仅限于铜，还可以是铝、铁等导电材料。在本实施例中，用带绝缘层的硬质导线绕制成形的线圈还可以省略绝缘垫块11。

如图1所示，磁耦合电抗器100还包括容纳线圈组件20的导磁壳体13。线圈组件20工作时，约束线圈组件20外部的磁通链从导磁壳体13穿过，这样就约束漏磁向外扩散，几乎无磁漏，并且提高增磁耦合效率。磁导壳体13还能屏蔽磁场，阻止变化的磁场影响电抗器邻近的导体部件发热，还起到加固线圈组件20的作用。优选地，导磁壳体13的导磁部分由硅钢制成，尤其是型号为30QG120的硅钢。

在本实施例中，导磁壳体13包括铁心片单元40叠合而成的铁心壳体15和安装在铁心壳体15的敞开端上的由长条矩形薄板状铁轭片叠合而成的铁轭14。图5中示意性的表示出了两个相邻的铁心片单元40的结构。铁心片单元40包括若干个重叠的铁心片组件50，优选的，一个铁心片单元40包括两个铁心片组件50。铁心片组件50包括水平放置的的第一铁心片41以及均竖直放置的第二铁心片42和第三铁心片43。铁心片内部为导磁本体，导磁本体外部覆盖了一层绝缘层。三种铁心片都为长条矩形薄板，将矩形的短边设为顶边，矩形的长边设为端边。优选的，三种铁心片具有相同的厚度。第二铁心片42的一个顶边与所述第一铁心片41的一个端边对接，且第二铁心片42一个端边与所述第一铁心片41的一个顶边平齐。第三铁心片43的一个端边与第一铁心片41的一个顶边对接，且第三铁心片43的一个顶边与第一铁心片41的一个端边平齐。铁心片单元40堆叠时，相邻两个铁心片单元40的第一铁心片41彼此相邻，而第二铁心片42和第三铁心片43分别与另一个铁心片单元40的第三铁心片43和第二铁心片42相邻。第三铁心片43靠近第一铁心片41的一端的端部设置第一安装孔44，第一铁心片41靠近第二铁心片42一端的端部设置第二安装孔46，每个铁心片还另外设置至少一个叠合时互相对齐形成通道的安装孔45。各个铁心片单元用套装有绝缘垫圈的螺杆穿过叠合安装孔的螺杆25连接方式进行固定。这样设置后，用螺杆25穿过该通道将所有铁心片相互紧固，能牢固地将三种铁芯片互锁固定住，从而装配好铁心壳体15。相邻的铁轭片上设置对齐的安装孔，铁轭片叠合，用套装有绝缘垫圈的螺杆25穿过该安装孔，用螺母固定成铁轭14。将线圈组件20放置到铁心壳体15内且其一端朝向铁心壳体15由第一铁心片41叠合而成的底部，在线圈组件20另一端放置调整垫块12，然后在调整垫块12上方放置铁轭14。再用夹件24与双头带螺母的双头螺杆23配合，将铁轭14、调整垫块12、线圈组件20与铁心壳体15之间压紧。这样，铁心壳体15与铁轭14组成了导磁壳体13。显而易见的，技术人员也可以选用其他方式将铁轭片与这三种铁心片组合成导磁铁壳13并省略调整垫块12。

这样设置的好处在于，能够使铁心壳体15的导磁材料形成的磁路更加完好，使整个电抗器的磁损耗更小。同时，铁心壳体15与铁轭14装配而成的导磁壳体13相当于一个屏蔽装置，一方面起到防漏磁的功效，另一方面还能增加电抗器的电感值。不需要在电抗器中另外加设屏蔽板，这样就大大减小了整个系统的重量。另外，铁心壳体15还对安装在其中的线圈起支撑作用。该导磁壳体13为两端开口的箱体，这样还能增加散热能力。优选的，铁心片和铁轭片内部为导磁材料，例如，高电阻的导磁材料硅钢，外部有一层绝缘材料，使铁心片组件之间或铁轭片之间绝缘。同时，这样设置的好处在于能降低导磁壳体上的形成涡流损耗，阻止导磁壳体13发热。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种磁耦合电抗器，包括：

线圈组件，包括由若干异名端串联的线圈堆叠而成的同轴且相邻两端为异名端的至少两个线圈组，线圈组包含输入线头和输出线头；

铜排组件，包括分别与各个线圈组的输入线头相连和与各个线圈组的输出线头相连的引出铜排，以及能接通或断开与各输入线头相连的引出铜排和与各输出线头相连的引出铜排的短接铜排。

2.根据权利要求1所述的磁耦合电抗器，其特征在于，所述短接铜排都处于接通状态，使得所述电抗器用于地铁车辆牵引系统的车控型主电路。

3.根据权利要求1所述的磁耦合电抗器，其特征在于，所述短接铜排都处于断开状态，使得所述电抗器用于地铁车辆牵引系统的架控型主电路。

4.根据权利要求1、2或3所述的磁耦合电抗器，其特征在于，所述磁耦合电抗器还包括容纳所述线圈组的导磁壳体。

5.根据权利要求4所述的磁耦合电抗器，其特征在于，所述导磁壳体包括多个铁心片单元叠合而成的铁心壳体，以及安装在铁心壳体的敞开端上的由铁轭片叠合而成的铁轭，各铁心片单元包括若干相同的铁心片组件，各铁心片组件包括：

第一铁心片；

垂直于第一铁心片放置的第二铁心片，所述第二铁心片的一个顶边与所述第一铁心片的一个端边对接，且其一个端边与所述第一铁心片的一个顶边平齐；

垂直于第一铁心片放置的第三铁心片，所述第三铁心片的一个端边与所述第一铁心片的一个顶边对接，且其一个顶边与所述第一铁心片的一个端边平齐；

其中，同一个铁心片组件中的所有铁心片平放在一个平面，相邻两个铁心片单元的第一铁心片彼此相邻，而第二铁心片和第三铁心片分别与另一个铁心片单元的第三铁心片和第二铁心片相邻；

每个铁心片包括导磁本体以及覆盖在导磁本体外表面的绝缘层。

6.根据权利要求5所述的磁耦合电抗器，其特征在于，每个铁心片单元包括两个铁心片组件。

7.根据权利要求6所述的磁耦合电抗器，其特征在于，第三铁心片靠近第一铁心片的一端的端部设置一个安装孔，第一铁心片靠近第二铁心片一端的端部设置一个安装孔，每个铁心片还另外设置至少一个叠合时互相对齐形成通道的安装孔，

各个铁心片单元用套装有绝缘垫圈的螺杆穿过叠合的安装孔的螺杆连接方式进行固定。

8.根据权利要求5所述的磁耦合电抗器，其特征在于，所述线圈为饼式线圈。

9.根据权利要求8所述的磁耦合电抗器，其特征在于，所述铜排组件还包括连接铜排，同一个线圈组中相邻的两个饼式线圈之间通过连接铜排连接。

10.根据权利要求9所述的磁耦合电抗器，其特征在于，所述线圈组件还包括设置在饼式线圈之间以及饼式线圈与导磁壳体之间的绝缘垫块。