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气隙铁芯参数优化设计

作者:威博特铁芯   发布时间:2016-07-09 21:34      浏览次数:132
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    双气隙铁芯的误差增大,一方面是由于气隙的磁导率低,在气隙中建立磁场导致励磁电流增大;另一方面是,铁芯开口后,线圈的漏阻抗增大,导致励磁电势的增加,也增加了励磁电流。两方面的原因使得双气隙铁芯的误差比同尺寸下闭合铁芯的误差要大。
    为了减小误差,一个简单易行的办法就是增加铁芯的截面积,但是这样会导致铁芯质量的提高和互感器成本的增加。为了在铁芯制造的经济性和铁芯测量的准确性之间取得一个良好的平衡,本文针对这点进行了参数优化的计算,合理地确定了铁芯的参数。
    一般而言铁芯截面的宽和高的比例一般在(1:1.5)~(1:2)之间,这个范围内的铁芯内磁通密度值比较均匀并且铁芯机械强度较好。这里按照固定比例1:2 进行参数优化设计的计算。
    首先,根据二次绕组电流密度的大小确定二次绕组直径为1 mm。然后根据二次绕组绕6 层,一层500 匝,确定铁芯内直径300 mm。铁芯截面宽设为ε ,则铁芯高度 h = 2ε ,铁芯的外直径d2 = d1 + 2ε 。计算铁芯各参数随ε 的变化关系。
    然后计算二次电势。计算过程如下所述:
二次绕组平均匝数长二次绕组平均匝数长度,二次绕组匝数二次绕组匝数,二次绕组导线截面积导线截面积,铜的电阻率铜的电阻率,二次绕组内阻抗内阻抗
假定二次侧带4Ω标准电阻标准电阻,则二次侧的总电阻总电阻,总电抗 总电抗铁芯线圈电抗为铁芯线圈电抗。总阻抗总阻抗总阻抗
在有效值为3 000 A 的额定正弦一次电流下,额定二次电流额定电流额定电压。再次计算磁感应强度。铁芯有效截面积有效截面积 ,η 为叠片系数,电流频率f = 50 Hz,磁感应强度
    选用的材料要求初始磁导率>16 000,计算中按照铁芯材料初始磁导率磁导率进行计算。钢片部分的磁场强度磁场强度
然后根据气隙铁芯误差的计算中讨论的3 个步骤计算出双气隙铁芯的励磁电流,就得到了双气隙铁芯的比差 比差和角差δ的计算值。在单个气隙计算长度为2 mm的情况下,计算出ε在20~100 mm 内变化时双气隙铁芯线圈的比差和δ随ε变化的关系如图1和图2所示。由图可见,在ε>40 mm后,比差和δ减小的速率就比较小了。
    为了能够合理地确定铁芯参数,同时需要关注铁芯参数变化时,铁芯制造的经济性和准确度之间的关系。经过一些尝试后,选择增加单位质量铁芯时角差的下降率这个参数作为指标。铁芯质量M 随ε 的变化关系如图3所示。增加单位质量铁芯时角差的下降率λ和M 的关系如图4 所示。
    由图4可见,在M 超过20 kg 后,增加M 所能够带来的角差下降收益是非常低的,且与20 kg 之前相比差距非常明显。因此,本文设计的M 控制在20 kg 之内。由图3可见,M 控制在20 kg 之内,ε应该控制在35 mm 之内。
    根据上面的计算结果,结合生产实际,最后确定的铁芯的参数为:内直径300 mm,外直径370 mm,高度60 mm。这些参数符合上面的计算结论,是合理的。

双气隙铁芯线圈变化
图1  随ε 变化的关系

双气隙铁芯线圈变化
图2 δ 随ε变化的关系

铁芯质量变化
图3   M 随ε变化的关系

铁芯质量变化

图4  λ随M变化的关系