CN214753298U - 磁集成电抗器和电力电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种磁集成电抗器和电力电子设备，其中，磁集成电抗器包括采用多个顶板以及设置于相邻顶板之间的三个磁柱以及三相绕组堆叠形成磁集成电抗器，减少磁材用量，降低设计成本，相邻顶板之间的三个磁柱构成3*3矩阵绕制方式，设置于同一磁柱上的三段绕组的瞬态矢量电流一致，抑制铁粉芯的直流偏置特性，缩小感量波动，降低高频损耗，优化电抗器品质因数。

Description

磁集成电抗器和电力电子设备

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域，尤其涉及一种磁集成电抗器和电力电子设备。

背景技术

在常规的逆变器、变频器应用中，LCL滤波电路已得到了广泛的应用，其中网侧电抗器和母线侧电抗器作为核心磁性器件，其损耗、成本、电气性能都是设计的重点之一。

现有技术中已有将两个电抗器设计成电抗器组的方案，但这种电抗器组普遍使用硅钢片作为磁芯，对应绕线方式为绕线走向平行于磁柱，该电抗器组存在高频下损耗很高、品质因数低的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种磁集成电抗器，旨在解决现有电抗器组高频损耗高、品质因数低的问题。

本实用新型实施例的第一方面提供了一种磁集成电抗器，磁集成电抗器包括多个顶板，多个所述顶板平行设置；

N根磁柱，其中，N＝3i，i大于等于2，相邻所述顶板之间设置三根所述磁柱，相邻三根所述磁柱两两轴线对齐；

第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组，分别具有N个绕线段，每一绕线段绕设至一所述磁柱上，相邻两个顶板之间的同一相绕组分别在三个磁柱上的绕制匝数相等；

相邻两个顶板之间的三根磁柱上的每一所述相绕组的进线端和出线端均位于不同的磁柱上，且相邻两个顶板之间的三根磁柱上的每一所述相绕组在绕设至其进线端所在的所述磁柱的绕制方向与绕设在其它两个所述磁柱的绕线方向相反。

在一个实施例中，每一所述磁柱上设置为第一绕制区、第二绕制区和第三绕制区，所述第一相绕组绕制于每一所述磁柱的第一绕制区，所述第二相绕组绕制于每一所述磁柱的第二绕制区，所述第三相绕组绕制于每一所述磁柱的第三绕制区，相邻两个顶板之间的同一相绕组在三个相同绕制区的绕制匝数相等。

在一个实施例中，位于同一顶板两侧的磁柱上的同一相绕组的绕制区位置相同或者不同。

在一个实施例中，所述磁柱的材料为铁粉芯材料。

在一个实施例中，各所述磁柱均呈圆柱形。

在一个实施例中，相邻两个所述顶板之间的三根磁柱等高等距构成等边三角形。

在一个实施例中，各所述顶板的中心区域设置有用于散热的通孔。

在一个实施例中，N等于6，所述顶板包括平行设置的上顶板、下顶板、位于上顶板和下顶板之间的中顶板、设置于所述上顶板和所述中顶板之间的等高等距的三个第一磁柱和设置于所述中顶板和所述下顶板之间的等高等距的三个第二磁柱，所述三个第一磁柱的轴线与所述三个第二磁柱的轴线两两齐平。

在一个实施例中，所述磁集成电抗器还包括与所述顶板和所述三相绕组适配的封装壳体。

本实用新型实施例的第二方面提供了一种电力电子设备，包括如上所述的磁集成电抗器。

本实用新型通过采用多个顶板以及设置于相邻顶板之间的三个磁柱以及三相绕组堆叠形成磁集成电抗器，减少磁材用量，降低设计成本，相邻顶板之间的三个磁柱构成3*3矩阵绕制方式，设置于同一磁柱上的三段绕组的瞬态矢量电流一致，抑制铁粉芯的直流偏置特性，缩小感量波动，降低高频损耗，优化电抗器品质因数。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的磁集成电抗器的第一种结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的磁集成电抗器的第二种结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的磁集成电抗器的第三种结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的磁集成电抗器的第一磁路示意图；

图5为本实用新型实施例提供的磁集成电抗器的第一波形示意图；

图6为本实用新型实施例提供的磁集成电抗器的第二磁路示意图；

图7为本实用新型实施例提供的磁集成电抗器的第二波形示意图；

图8为本实用新型实施例提供的磁集成电抗器的等效电路示意图；

图9为本实用新型实施例提供的磁集成电抗器的结构分解示意图；

图10为本实用新型实施例提供的磁集成电抗器的第四种结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本实用新型实施例的第一方面提供了一种磁集成电抗器。

如图1所示，图1为本实用新型实施例提供的磁集成电抗器的第一种结构示意图，本实施例中，磁集成电抗器包括：

多个顶板，多个顶板平行设置；

N根磁柱，其中，N＝3i，i大于等于2，相邻顶板之间设置三根磁柱，相邻三根磁柱两两轴线对齐；

第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组，分别具有N个绕线段，每一绕线段绕设至一磁柱上，相邻两个顶板之间的同一相绕组分别在三个磁柱上的绕制匝数相等；

相邻两个顶板之间的三根磁柱上的每一相绕组的进线端和出线端均位于不同的磁柱上，且相邻两个顶板之间的三根磁柱上的每一相绕组在绕设至其进线端所在的磁柱的绕制方向与绕设在其它两个磁柱的绕线方向相反。

本实施例中，三相绕组用于连接电网侧和母线侧，同时，绕制在N根磁柱上形成多个电抗器，顶板作为磁轭在磁路中起到磁力线传输的功能，磁柱每三个一组设置于两个顶板之间，其中，设置于同一顶板两侧的磁柱共用一个中间顶板12，形成共轭电抗器，减少用材，降低了设计成本。

每一磁柱上的各相绕组可通过分区绕制或者层叠绕制，如图3所示，在一个实施例中，每一磁柱上设置为第一绕制区、第二绕制区和第三绕制区，第一相绕组绕制于每一磁柱的第一绕制区，第二相绕组绕制于每一磁柱的第二绕制区，第三相绕组绕制于每一磁柱的第三绕制区，相邻两个顶板之间的同一相绕组在三个相同绕制区的绕制匝数相等。

同时，为了使中间顶板12的磁密全部抵消，位于顶板一侧的三个磁柱与位于顶板另一侧的三个磁柱两两齐平，例如如图1所示，位于中顶板12一侧的磁柱分别包括第一子磁柱21、第二子磁柱22、第三子磁柱23、位于顶板另一侧的磁柱分别为第四子磁柱31、第五子磁柱32和第六磁柱33，即第一子磁柱21 与第四子磁柱31的轴线齐平，第二子磁柱22和第五子磁柱32的轴线齐平，第三子磁柱23和第六子磁柱33的轴线齐平，中顶板12的磁密全部抵消，同时进一步减小中顶板12的厚度，节省中顶板12的成本以及节省两个电抗器的装配结构和空间。

位于同一顶板两侧的磁柱上的同一相绕组的绕制区位置相同或者不同，例如，位于中顶板12一侧的第一子磁柱21、第二子磁柱22、第三子磁柱23的第一绕制区、第二绕制区和第三绕制区均为磁柱的上部、中部、下部，用于分别绕制第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组，而位于中顶板12另一侧的第四子磁柱31、第五子磁柱32和第六磁柱33的第一绕制区、第二绕制区和第三绕制区均为磁柱的上部、中部、下部，用于分别绕制第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组，或者均为磁柱的下部、中部、上部，用于分别绕制第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组。

各相绕组分别具有N个绕线段，每一绕线段绕设至一磁柱上，绕线段依次连接，相邻两个顶板之间的同一相绕组分别在三个磁柱上的绕制匝数相等，使得磁集成电抗器的感量平衡，相邻两个顶板之间的三根磁柱上的每一相绕组的进线端和出线端均位于不同的磁柱上，如图1所示，第一相绕组包括六段绕线段，绕线段从第一子磁柱21上进线，依次经过第二子磁柱22和第三子磁柱23 后出线，进线端在第一子磁柱21上，出线端在第三子磁柱23上，然后经过第四子磁柱31、第五子磁柱32和第六子磁柱33，同理，第二相绕组包括六段绕线段，绕线段从第二子磁柱22上进线，依次经过第三子磁柱23和第一子磁柱 21后出线，进线端在第二子磁柱22上，出线端在第一子磁柱21上，然后经过第五子磁柱32、第六子磁柱33和第四子磁柱31，同理，第三相绕组包括六段绕线段，绕线段从第三子磁柱23上进线，依次经过第一子磁柱21和第二子磁柱22后出线，进线端在第三子磁柱23上，出线端在第二子磁柱22上，然后经过第六子磁柱33、第五子磁柱32和第四子磁柱31，出线端和进线端在位于顶板同一侧上的三个磁柱分别不同，且相邻两个顶板之间的三根磁柱上的每一相绕组在绕设至其进线端所在的磁柱的绕制方向与绕设在其它两个磁柱的绕线方向相反，如图1所示，第一相绕组在第一子磁柱21上的绕制方向为从上到下，而绕制在第二子磁柱22和第三子磁柱23上的绕制方向均为从下到上，中间顶板12的场强会得到最大程度的抵消，如图4和图6所示，中间顶板12只存在母线侧电抗器的载频场强，可根据散热条件适量降低中间顶板12的厚度。

同时，位于顶板之间的三个磁柱两两等距等高排布，构成等边三角形结构，各子磁柱的形状可为圆柱形、方柱形等，在此不做具体限制，如图2所示，在一个实施例中，为了方便装配和绕制线圈，各磁柱均呈圆柱形，磁柱的数量可等于6、9、12等，对应地，顶板数量则分别为3、4、5等。

在一个实施例中，N等于6，顶板包括平行设置的上顶板11、下顶板13、位于上顶板11和下顶板13之间的中顶板12、设置于上顶板11和中顶板12之间的等高等距的三个第一磁柱和设置于中顶板12和下顶板13之间的等高等距的三个第二磁柱，三个第一磁柱的轴线与三个第二磁柱的轴线两两齐平，每一相绕组包括两段子绕组，其中一段子绕组依次绕制在第一磁柱上，另一段子绕组依次绕制在第二磁柱上。

如图1所示，第一相绕组包括相连接的第一子绕组L1和第四子绕组L4，第二相绕组包括相连接的第二子绕组L2和第五子绕组L5，第三相绕组包括相连接的第三子绕组L3和第六子绕组L6，第一子绕组L1从第一子磁柱21上的第一段绕制区进线，依次经过第二子磁柱22的第一段绕制区和第三子磁柱23 的第一段绕制区后出线，第二子绕组L2从第二子磁柱22上的第二段绕制区进线，依次经过第三子磁柱23的第二段绕制区和第一子磁柱21的第二段绕制区后出线，第三子绕组L3从第三子磁柱23上的第三段绕制区进线，依次经过第一子磁柱21的第三段绕制区和第二子磁柱22的第三段绕制区后出线，同理，第四子绕组L4、第五子绕组L5和第六子绕组L6依照相同的绕制区以及进线、出线方式对应绕制在第四子磁柱31，第五子磁柱32和第六子磁柱33上，其中，第四子绕组L4可从第四子磁柱31，第五子磁柱32和第六子磁柱33进线以及出线，并不限于从第四子磁柱31上。

各磁柱的材料为铁粉芯材料，铁粉芯包括铁硅、铁硅铝，铁粉芯材料适用于高载频场合，顶板的形状不限，可为圆形顶板、方形顶板等形状，在一个实施例中，如图2和图3所示，为了方便装配和运输，各顶板为相同尺寸的圆形顶板。

同时，为了使得磁集成电抗器的感量平衡，同一子磁柱上的各段绕组的绕制匝数相同，例如绕制在第一子磁柱21上的第一子绕组L1、第二子绕组L2 和第三子绕组L3的匝数相等，绕制在第四子磁柱31上的第四子绕组L4、第五子绕组L5和第六子绕组L6的匝数相等，进一步地，为了实现顶板的磁路平衡，第一磁柱的各子磁柱上的同一相的绕组的绕制匝数相同，第二磁柱的各子磁柱上的同一相的绕组的绕制匝数相同，绕制在第一磁柱和第二磁柱同相的绕组的绕制匝数可相等可不等，例如第一子绕组L1和第四子绕组L4的圈数可相等可不等，具体根据电路需求设定。

如图3所示，三相绕组以3*3的绕制方式绕制在三个第一磁柱上和第二磁柱上，形成磁集成电抗器，同时，磁集成电抗器的周边预留电容的装配空间，以形成LCL电抗器结构，如图8所示，图8为本实用新型实施例提供的磁集成电抗器的等效电路示意图，通过装设磁芯、三相绕组以及三个并联电容形成LCL 电抗器结构，第一子绕组L1、第二子绕组L2和第三子绕组L3用于连接电网侧，第四子绕组L4、第五子绕组L5和第六子绕组L6用于连接母线侧，三个电容分别并联在两段绕组之间的不同绕组之间，两段绕组之间的三个电容可以以图8所示的星形连接方式连接，也可以以三角形方式连接。

为了提高中顶板12的场强抵消程度，在一个实施例中，第一子绕组L1的进线端和第四子绕组L4的进线端位于平齐的两个磁柱上，第二子绕组L2的进线端和第五子绕组L5的进线端位于平齐的两个磁柱上，第三子绕组L3的进线端和第五子绕组L5的进线端位于平齐的两个磁柱上。

通过将各相的绕组进线端始终设置同一轴线上以及绕制方向相同，中顶板 12的场强会得到最大程度的抵消，如图4和图5所示，中顶板12只存在母线侧电抗器的载频场强，可根据散热条件适量降低中顶板12厚度。

根据三相磁集成矩阵式绕制的电抗器的特性，典型工作点只分为2种工况： 1.任意一相的瞬态电流在过零点；2.任意一相的瞬态电流在峰值点。因此图4 和图5列出了5ms，图6和图7列出了6.667ms时刻的磁路分析，就可以确定全工作周期的场强分布。

由图4至图7所示，上、中、下三个顶板的磁路均在任意两个子磁柱圆心的连线上，经过一个20ms工频周期内的叠加，可以在顶板上得到一个由磁路构成的三角形。场强主要集中在三角形的三个边上，而三角形的内部和外部场强都很小(理论上为0)。

同时，通过实际制成测试，此绕法在1kHz附近的品质因数大幅提升，由常规的14左右提升至90左右，如表1所示，其中，第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组分别为U相、V相和W相绕组。

通过实际制成测试，发现此绕法在整机应用中的截止频率大幅降低，在具体的案例中由6400Hz降至4900Hz，同时，实现LCL等多电抗器电路的集成模块化，便于调试、维修、更换等多种操作，解决了现有电抗器组无法适用于高载频电路、成本高、体积大等问题，同时优化了电抗器组的品质因数、提高了电抗器组的纹波抑制能力，降低了高频损耗。

表1

由于在等边三角形的磁柱排列方式中，上、中、下顶板13的圆心均不位于最短磁路上，反之上、中、下顶板13的中心区域对于电抗器的散热影响很大，为了提高散热性能和灌封，在一个实施例中，各顶板的中心区域设置有用于散热的通孔，用于灌封导热、自然风冷、主动风冷、管道水冷、油汀降温等措施。

同时，为了避免绕组和磁芯裸露导致触点危险，在一个实施例中，如图9 所示，在一个实施例中，磁集成电抗器还包括与磁芯和三相绕组适配的封装壳体40，封装壳体40根据磁芯和绕组绕制后的形状对应设置，同时，为了实现 LCL电路的模块化，在一个实施例中，封装壳体40内还设有用于装配三个电容的装配区，三个电容用于分别连接在第一子绕组L1、第二子绕组L2和第三子绕组L3的其中的两个出线端，LCL电路的电容一并灌封/装配到对应的封装壳体40中。

输入线缆和输出线缆由磁集成电抗器侧面汇总引出，最终通过灌封口接至电路中。

进一步地，为了方便磁集成电抗器的装配，在一个实施例中，如图10所示，封装壳体40还包括用于固定安装的安装孔位41，安装孔位41的个数和大小可根据需求对应设置。

本实用新型通过采用多个顶板以及设置于相邻顶板之间的三个磁柱以及三相绕组堆叠形成磁集成电抗器，减少磁材用量，降低设计成本，相邻顶板之间的三个磁柱构成3*3矩阵绕制方式，设置于同一磁柱上的三段绕组的瞬态矢量电流一致，抑制铁粉芯的直流偏置特性，缩小感量波动，降低高频损耗，优化电抗器品质因数，适用所有载频范围。

本实用新型还提供了一种电力电子设备，该电力电子设备包括磁集成电抗器，该磁集成电抗器的具体结构参照上述实施例，由于本电力电子设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述，其中，电力电子设备可为逆变器、变频器等。

以上所述实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁集成电抗器，其特征在于，包括：多个顶板，多个所述顶板平行设置；

N根磁柱，其中，N＝3i，i大于等于2，相邻所述顶板之间设置三根所述磁柱，相邻三根所述磁柱两两轴线对齐；

第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组，分别具有N个绕线段，每一绕线段绕设至一所述磁柱上，相邻两个顶板之间的同一相绕组分别在三个磁柱上的绕制匝数相等；

相邻两个顶板之间的三根磁柱上的每一所述相绕组的进线端和出线端均位于不同的磁柱上，且相邻两个顶板之间的三根磁柱上的每一所述相绕组在绕设至其进线端所在的所述磁柱的绕制方向与绕设在其它两个所述磁柱的绕线方向相反。

2.如权利要求1所述的磁集成电抗器，其特征在于，每一所述磁柱上设置为第一绕制区、第二绕制区和第三绕制区，所述第一相绕组绕制于每一所述磁柱的第一绕制区，所述第二相绕组绕制于每一所述磁柱的第二绕制区，所述第三相绕组绕制于每一所述磁柱的第三绕制区，相邻两个顶板之间的同一相绕组在三个相同绕制区的绕制匝数相等。

3.如权利要求1所述的磁集成电抗器，其特征在于，位于同一顶板两侧的磁柱上的同一相绕组的绕制区位置相同或者不同。

4.如权利要求1所述的磁集成电抗器，其特征在于，所述磁柱的材料为铁粉芯材料。

5.如权利要求1所述的磁集成电抗器，其特征在于，各所述磁柱均呈圆柱形。

6.如权利要求1所述的磁集成电抗器，其特征在于，相邻两个所述顶板之间的三根磁柱等高等距构成等边三角形。

7.如权利要求6所述的磁集成电抗器，其特征在于，各所述顶板的中心区域设置有用于散热的通孔。

8.如权利要求1～7任一项所述的磁集成电抗器，其特征在于，N等于6，所述顶板包括平行设置的上顶板、下顶板、位于上顶板和下顶板之间的中顶板、设置于所述上顶板和所述中顶板之间的等高等距的三个第一磁柱和设置于所述中顶板和所述下顶板之间的等高等距的三个第二磁柱，所述三个第一磁柱的轴线与所述三个第二磁柱的轴线两两齐平。

9.如权利要求1所述的磁集成电抗器，其特征在于，所述磁集成电抗器还包括与所述顶板和所述三相绕组适配的封装壳体。

10.一种电力电子设备，其特征在于，包括如权利要求1～9中任一项所述的磁集成电抗器。

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