CN106653279B - 一种电控磁磁芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电控磁磁芯及其制备方法，电控磁磁芯包括磁路基本单元和电路基本单元；磁路基本单元连接外部磁芯进行导磁，或者与外部器件配合流通感应磁通；电路基本单元包括垂直或相交于磁路基本单元的磁通路径上布置的N极电导材料，N极电导材料与可调电源两极相连；电导材料中流过的电流能够流过磁路基本单元，或者电导材料中的电势能够施加于磁路基本单元；N为大于等于1的正整数。本发明在软磁材料制备的磁路基本单元总设置电路基本单元，电路基本单元中流过的电流能够流过磁路基本单元，或者电势能够施加于磁路基本单元；通过调节电路基本单元的电流或者电压，能够实现磁路基本单元中磁通的平滑调节。

Description

一种电控磁磁芯及其制备方法

技术领域

本发明涉及电磁设备技术领域，特别涉及一种电控磁磁芯及其制备方法。

背景技术

电磁设备广泛应用于工业、交通、军事、航天等各方面，渗透于国民经济的各领域，磁通的调节直接影响到该设备的应用范围。扩大磁通的可调节范围，且可对磁通大小进行柔性调节，是对整个电磁设备的应用大有裨益的。

现有的应用于磁通调节的手段大体有两种，一是通过调节产生磁动势回路中电流的大小或导体匝链在磁芯上的匝数从而改变其磁动势，进而改变磁通大小；二是通过调节磁通闭合回路磁阻的大小来对磁芯的磁通进行调节，譬如加大空气隙的长度，使用不同导磁特性的导磁材料等。

分析上述调节磁通的手段，可知其调节手段都是从入手，通过调节导体匝链数N，导体电流大小i，或者磁阻大小R来对磁通进行调节。其调节的不足之处主要在于：①调节的方式非常的机械性：调节磁通是以改变其结构为代价，或者要以牺牲电磁回路中某些特性为代价；②受其他电气量的制约，调节范围是有限的，且调节磁阻是分段调节，不能实时的根据实际工况进行平滑调节；③调节方式十分繁琐：在设计和应用这些调节方式对磁通进行调节时，需要进行前期较为准确的计算分析，这导致设计和应用起来并不是那么的方便；④应用具有局限性：例如永磁体的磁通，就无法通过调节励磁电流i对其磁通进行调节，或者是一些机械设备应用磁通对其工况进行控制，这时候上述的调节手段应用起来就显得十分繁琐，且很难做到较为精确的控制。

因此当调节磁通方式受到制约时，或传统调节磁通手段不能很好地对需要调节的磁芯磁通进行调节时，若强行利用传统调节方式，不仅会使整个电磁器件工效下降，而且会使其耗能增大，寿命降低。另一方面，随着工业进程的推进，电磁器件紧凑、磁通调节范围广、可利用小时数高已经成为衡量一个电磁器件是否优良很重要的因素。因此需要采取措施改变现有调节磁通的手段，进一步增大电磁器件的磁通调节范围，简化调节的方式，优化调节的机理，提高可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电控磁磁芯及其制备方法，以解决上述技术问题。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种电控磁磁芯，包括磁路基本单元和电路基本单元；

磁路基本单元连接外部磁芯进行导磁，或者与外部器件配合流通感应磁通；

电路基本单元包括垂直或相交于磁路基本单元的磁通路径上布置的N极电导材料，N极电导材料与可调电源两极相连；电导材料中流过的电流能够流过磁路基本单元，或者电导材料中的电势能够施加于磁路基本单元；N为大于等于1的正整数。

进一步的，磁路基本单元中还制备有用于形成基准磁通的基准磁通产生单元，基准磁通产生单元的两端连接外加电源。

一种电控磁磁芯的制备方法，包括以下步骤：

1)制备磁路基本单元；磁路基本单元连接外部磁芯进行导磁，或者与外部器件配合流通感应磁通；

2)将步骤1)中成型好的磁路基本单元，在垂直于或相交于磁路基本单元的磁通路径上布置N极电导材料，用于电导材料中流过的电流能够流过磁路基本单元，或者电导材料中的电势能够施加于磁路基本单元；N为大于等于1的正整数；N极电导材料与可调电源两极相连，形成电路基本单元。

进一步的，磁路基本单元采用相对磁导率为10³～10⁵数量级的导体制备而成。

进一步的，磁路基本单元采用铁镍软磁合金、铁钴软磁合金、铁镍基非晶软磁材料或铁基纳米晶软磁材料制备而成。

进一步的，电导材料的布置使得电流流经磁路基本单元时电流方向或电压施加时电势矢量方向不与磁路基本单元中流通的磁通方向平行。

进一步的，磁路基本单元中还制备有用于形成基准磁通的基准磁通产生单元，基准磁通产生单元的两端连接外加电源。

进一步的，磁路基本单元为以下结构中一种：

a)、经压接或焊接工艺制成平面二维结构；

b)、绕制形成的三维空间环形结构，或螺线结构；

c)、将薄片磁芯材料通过叠压工艺形成的带空气隙三维空间结构；

d)、浇铸形成的不带空气隙三维空间结构。

进一步的，所述的铁镍软磁合金采用的牌号为1J76、1J46；所述的铁钴软磁合金采用的牌号为1J22；所述的铁镍基非晶软磁材料的化学式为Fe₄₀Ni₃₈Mo₄B₁₈；所述的铁基纳米晶软磁材料的化学式为Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉。

进一步的，磁路基本单元的磁通变化量，由电路基本单元注入到磁路基本单元中的电流或施加在磁路基本单元上的电压大小所控制。

进一步的，根据所要设计器件磁芯尺寸要求，制成相应磁路基本单元，其中，磁路基本单元不必完全由所述材料组成，但是整个磁路的构成中，磁通至少要有一部分通过该材料。

进一步的，当该电流或电压是交流时，想要改变磁芯中的磁通量，可通过控制交流电流或交流电压的大小：交流电流或交流电压有效值越大，磁芯中的磁通改变越大；也可通过控制交流电流或交流电压的频率：交流电流频率越大，磁芯中的磁通改变越小。

进一步的，当该电流是直流时，想改变磁芯中的磁通量，只可通过控制直流电流或直流电压的大小：直流电流或直流电压越大，磁芯中的磁通改变越大。

进一步的，当该电流或电压矢量方向与磁通矢量垂直时，对磁通影响最大；当该电流或电压矢量方向与磁通矢量平行时，不对磁通产生影响。

进一步的，当磁芯上施加的是电压时，其影响磁通的效应会比施加的是电流少1～2个数量级。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明综合目前磁通调节方法的现状，从两方面入手改进出更优良的磁通调节的方法：(1)磁芯采用软磁材料，且软磁材料具有较高的磁导率和电导率，其耐温特性良好；(2)磁芯中磁通的控制采用的方法是：在磁芯中与磁通呈一定角度的方向上施加可调节电流或电压，电流方向或电压方向与磁通方向角度的范围是0°到360°，不包括0°、180°和360°，且当角度为90°或270°时调节效果最强，可调节可以是电流或电压有效值可调，也可以是电流或电压频率可调。这两种调节方式都可以平滑的调节磁芯中磁通的大小。

本发明中，所通电流可以是直流也可以是交流；所通电压可以是直流也可以是交流。直流影响较为显著；交流频率越高，对整个磁路磁通大小的影响越小。电流影响较电压影响会高1～2个数量级，这种方法可以柔性平滑调节磁路磁通，可用于调节电机磁路的磁通、断路器的吸合、电感线圈或者电抗器的磁通、电力线路无功补偿器件出力的调整、变压器变比的柔性调节等。

附图说明

图1为本发明原理图；

图2为本发明采用电镀方式，将软磁材料与电导材料镀在树脂板材上形成的电控磁器件的结构图；

图3为本发明采用的磁芯是空心圆柱制成的电控磁磁芯的结构图。

图4为本发明采用四级电机定子进行适当改造后形成的电控磁磁芯结构图。

图5为本发明采用变压器软磁铁芯叠片进行适当改造后形成的电控磁磁芯结构图。

图6为环形铁芯形式电控磁磁芯结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1所示，为本发明的原理图，magnetic flux in和magnetic flux out是磁路基本单元1的进出口端子，磁路基本单元1构成磁通的流通路径，流通着基准磁通；current in和current out是电路基本单元2的进出口端子，电路基本单元2构成电流的流通路径。当磁路基本单元1中有基准磁通流过时，当磁路基本单元1中的磁通适量和电路基本单元2中的电流矢量不平行时，通过改变电路基本单元2中所流通的电流大小，即可实现磁路基本单元1中磁通的平滑改变。

实施例一

如图2所示，采用软磁材料铁基纳米晶Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉，未饱和时相对磁导率为100000，用电镀的方法将铁基纳米晶以盘曲的形态镀在树脂板上，形成磁路基本单元1，该磁路基本单元1的一端接外磁路需要改变磁通的元件磁芯的一端，该磁路基本单元1的另一端接外磁路需要改变磁通的元件磁芯的另一端；在磁路基本单元1垂直于磁路流通方向布置多条电导材料，再将这些电导材料并联起来接到外电路，形成电路基本单元2。当该元件连接外磁芯，磁芯和磁路基本单元1构成物理回路，当外部元件工作时，外部元件磁芯中的磁通会通过磁路基本单元1，那么就可以通过改变电路基本单元2中的电流，就能平滑改变磁路基本单元1中以及外部元件磁芯中流通的磁通大小。

实施例二

如图3所示，采用软磁材料铁基纳米晶薄带Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉，未饱和时相对磁导率为100000，缠绕成一个多层空心圆柱体形成磁路基本单元1；在相邻两层薄带间缠绕多匝导线形成基准磁通产生单元12，例如：共计有100层薄带，可以在50和51层薄带间缠绕多匝带外绝缘的导线；在该磁路基本单元1的内表面加上正电势，外表面接地，具体做法就是在两表面引出两条电导材料接外电路形成电路基本单元2。当该元件工作时，其上下两个表面与需要改变磁通的元件形成物理连接，连接形成的物理回路可以流通磁通，因此此时当基准磁通产生单元12通电，就形成基准磁通，该基准磁通方向为空心圆柱体的轴向，基准磁通根据外部元件所需磁通的磁通量来定，这样就可以减免了外部元件所需的励磁单元；当外部元件需要改变其所流通磁通的大小时，仅需通过改变电路基本单元2中的电流大小，即可平滑地改变外部元件磁芯磁通的大小。上述空心圆柱结构的铁基纳米晶材料可根据实际需要用其他软磁材料代替，磁路基本单元1的层数，基准磁通产生单元12的匝数都可以根据实际需要调节。

实施例三

如图4所示，采用软磁材料铁基纳米晶Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉，未饱和时相对磁导率为100000，按照电机定子制造工艺制成四级电机定子形成磁路基本单元1；在磁路基本单元1的内表面，加上正电势，外表面接地，具体做法就是将两表面引出两条电导材料接外电路形成电路基本单元2。当该电机正常工作时，磁路基本单元1中有磁通流过，若需改变磁路基本单元1中所流通磁通的大小，可通过改变电路基本单元2中的电流，就能改变磁路基本单元1中流通的磁通大小，从而可以实现电机电势、转差等参量的平滑调节。上述电机的极对数、电机的大小、电机铁芯的尺寸，都可通过实际需要改变。

实施例四

如图5所示，采用软磁材料铁基纳米晶薄片Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉，未饱和时相对磁导率为100000，按照三相五柱式变压器制造工艺叠压成变压器铁芯形成磁路基本单元1；在磁路基本单元1的内表面，加上正电势，外表面接地，具体做法就是将两表面引出两条电导材料接外电路形成电路基本单元2。当该变压器正常工作时，磁路基本单元1中有磁通流过，若需改变磁路基本单元1中所流通磁通的大小，可通过改变电路基本单元2中的电流，就能改变磁路基本单元1中流通的磁通大小，从而可以实现变压器电势、有功无功等参量的平滑调节。上述变压器的尺寸、变压器的叠片数、变压器的规格，等都可通过实际需要改变。

实施例五

如图6所示，采用软磁材料铁基纳米晶Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉，未饱和时相对磁导率为100000，按照环形铁芯制造工艺形成磁路基本单元1；在磁路基本单元1上缠绕一定匝数的线圈形成基准磁通产生单元12，基准磁通产生单元12的两头接入直流电源；在环形铁芯上包裹绝缘材料，内外侧的绝缘材料连接到外电压源形成电路基本单元2。当基准磁通产生单元12有电流流过时时，磁路基本单元1中有磁通流过，若需改变磁路基本单元1中所流通磁通的大小，可通过改变电路基本单元2中的电压，就能改变磁路基本单元1中流通的磁通大小，因为电压调制改变磁通的量级不如电流调制，所以比较适合于微调磁通。从而可以实现环形磁芯中磁通的微调，该电压控制磁通方法适合于要求磁通变化较小的场合。

Claims (10)

1.一种电控磁磁芯，其特征在于，包括磁路基本单元(1)和电路基本单元(2)；

磁路基本单元(1)连接外部磁芯进行导磁，或者与外部器件配合流通感应磁通；

电路基本单元(2)包括垂直或相交于磁路基本单元(1)的磁通路径上布置的M极电导材料，M极电导材料与可调电源两极相连；电导材料中流过的电流能够流过磁路基本单元(1)，或者电导材料中的电势能够施加于磁路基本单元(1)；M为大于等于1的正整数；

磁路基本单元(1)的磁通变化量，由电路基本单元(2)注入到磁路基本单元(1)中的电流或施加在磁路基本单元(1)上的电压大小所控制。

2.根据权利要求1所述的一种电控磁磁芯，其特征在于，磁路基本单元(1)中还制备有用于形成基准磁通的基准磁通产生单元(12)，基准磁通产生单元(12)的两端连接外加电源。

3.权利要求1所述的一种电控磁磁芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制备磁路基本单元(1)；磁路基本单元(1)连接外部磁芯进行导磁，或者与外部器件配合流通感应磁通；

2)将步骤1)中成型好的磁路基本单元(1)，在垂直于或相交于磁路基本单元(1)的磁通路径上布置M极电导材料，用于电导材料中流过的电流能够流过磁路基本单元(1)，或者电导材料中的电势能够施加于磁路基本单元(1)；M为大于等于1的正整数；M极电导材料与可调电源两极相连，形成电路基本单元(2)。

4.根据权利要求3所述的一种制备电控磁磁芯的方法，其特征在于，磁路基本单元(1)采用相对磁导率为10³～10⁵数量级的导体制备而成。

5.根据权利要求3所述的一种制备电控磁磁芯的方法，其特征在于，磁路基本单元(1)采用铁镍软磁合金、铁钴软磁合金、铁镍基非晶软磁材料或铁基纳米晶软磁材料制备而成。

6.根据权利要求3所述的一种制备电控磁磁芯的方法，其特征在于，电导材料的布置使得电流流经磁路基本单元(1)时电流方向或电压施加时电势矢量方向不与磁路基本单元(1)中流通的磁通方向平行。

7.根据权利要求3所述的一种制备电控磁磁芯的方法，其特征在于，磁路基本单元(1)中还制备有用于形成基准磁通的基准磁通产生单元(12)，基准磁通产生单元(12)的两端连接外加电源。

8.根据权利要求3所述的一种制备电控磁磁芯的方法，其特征在于，磁路基本单元(1)为以下结构中一种：

a)、经压接或焊接工艺制成平面二维结构；

b)、绕制形成的三维空间环形结构，或螺线结构；

c)、将薄片磁芯材料通过叠压工艺形成的带空气隙三维空间结构；

d)、浇铸形成的不带空气隙三维空间结构。

9.根据权利要求5所述的一种制备电控磁磁芯的方法，其特征在于，所述的铁镍软磁合金采用的牌号为1J76、1J46；所述的铁钴软磁合金采用的牌号为1J22；所述的铁镍基非晶软磁材料的化学式为Fe₄₀Ni₃₈Mo₄B₁₈；所述的铁基纳米晶软磁材料的化学式为Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉。

10.根据权利要求3所述的一种制备电控磁磁芯的方法，其特征在于，磁路基本单元(1)的磁通变化量，由电路基本单元(2)注入到磁路基本单元(1)中的电流或施加在磁路基本单元(1)上的电压大小所控制。