浅谈箔式电抗器电磁的研究 一、引言
箔式电抗器是由宽度等于电抗器高度的箔纸卷绕而成。在交流情况下．由于涡流效应使流过箔纸的电流趋于箔纸边缘．出现挤流现象⋯ 挤流效应使箔片的交流电阻远大于直流电阻交流功耗远大于直流功耗。为减小箔式电抗器的挤流效应．实际设计中通常是在电抗器高度方向上进行分裂．再进行串并联组合。上述措施往往需要特殊的工艺来完成。但随着分裂段数的增加．虽然在一定程度上减小了挤流效应．却使制动电阻成倍增大．并没有起到降低功耗的作用 以上原因使箔式电抗器在制造及应用方面受到极大的限制。
考虑箔式电抗器的挤流效应．以往采用分割电抗器的方法【2】来计算其制动电阻、电感及功率损耗．计算量很大。此外．由于电抗器每个包封在磁场中所处位置不同使各箔片上的挤流情况不同．因而计算的准确度受分割方式影响很大．难以进行优化设计 本文应用Ansoft2D有限元涡流场分析软件。对空心、半铁心、半封闭、全封闭4种结构的箔式电抗器进行了电磁场仿真分析，研究了造成挤流效应的因素．提出了一种低功耗箔式电抗器结构，对箔式电抗器的工程实际应用具有重要的意义。
二、有限元模型及仿真参数
分析的箔式电抗器由6个包封构成．线圈由O．5 mm的铜箔绕成。见图l(a)。每个包封由7层箔纸构成。为了考虑问题的方便．忽略铜箔绕组在三维结构上细小的不对称性．采用二维轴对称模型模拟电抗器结构。为了寻求合理的箔式电抗器结构．对空心、半铁心、半封闭、全封闭4种结构的箔式电抗器进行了仿真计算分析 所有情况下在箔片中加载同样大小的工频电流(100A)：假设铁心是理想的叠片式。不考虑铁损。取铜箔电导率or=5．7xl07。计算得出磁场分布B和电流密度分布J后根据:
可以计算出功率损耗P(铜耗)和磁场能量 ，进而可以评估交流电阻R和电感L己的大小.
三、仿真结果及分析
1、空心箔式电抗器仿真分析
电抗器加直流载荷时．计算得各铜箔中电流呈均匀分布。电流密度峰值约为500 000 A／m2。铜箔损耗P0=32．444 7 W。加交流载荷时，计算得电抗器中的磁场分布见图1(a)。磁场在铜箔中央区域比较均匀．以轴向分量B 为主，在端口区域径向磁场分量B增大 取绕组上半部区域考察漏磁B 沿轴向的分布见图1(b)，(c) 图1(b)说明空心结构时，越靠近铜箔上端部径向磁场B 越大，图1(c)表明，在第3，第4绕组位置，B 值达到最大，约为0．005 2T。各箔片中电流密度沿轴向分布见图2 图中曲线1为第1个包封中第1层铜箔中的电流分布．曲线2为第3个包封中最后一层铜箔中的电流分布，曲线3为第6个包封中最外层铜箔中的电流分布(后面规定相同)．各曲线的D点都取各片铜箔中部位置 由图可以看出各片铜箔中均出现挤流现象，中间包封的箔片中电流密度分布最不均匀．最大电流密度峰值达l 010 000 A／m。计算得铜箔交流损耗Pl=41．220 8 W，交流与直流损耗之比为：K~=P1／ 1．270。
2、 半铁心箔式电抗器仿真分析
半铁心结构见图3(a)．计算得磁力线分布及径向磁场B 分布见图3(a)，(b)，(C)。图3(a)说明，磁力线主要集中在铁心中，在铜箔端口处， 分量增大。图3(b)和3(C)表明，最大位于第一个包封处，B 最大峰值达0．022T，为空心结构时的5倍左右箔片中电流密度沿轴向分布见图4．可以看出第1个箔片中的电流密度分布最不均匀(曲线1)，峰值达3 200 kA／m。计算得交流损耗P2=120．922 W．交流与直流损耗之比为：K Pn=3．727。
3、 半封闭铁心电抗器仿真分析
半封闭铁心结构见图5(a) 计算得磁场分布及径向磁场B 分布见图5(b)，(C)。图5(b)和(C)表明，磁力线主要集中在铁心中，B 分量最大值在外层箔片端口处，但相对半铁心情况减小了许多，B 的峰值只有0．007 T。箔片中电流分布见图6．最外层箔片中电流密度分布最不均匀(曲线3)，峰值达1 500 kA／m2。计算得交流损耗只=63．563 4 W．交直流损耗之比为： =P3／Po=63．563 4／32．444 7=1．959。即使采用全封闭铁心结构(计算图省略)，计算得交流损耗尸4=51．3543 W，交流与直流之比为：=4 F5 1．354 3／32．444 7=1．583。
三、仿真结果讨论
综合分析以上计算结果可以得出：
(1)铜箔片中电流密度分布与交变磁场的径向分量 的分布密切相关， 越大的地方，挤流现象越严重。说明日，是造成挤流的主要原因，因此减小分量是减小电抗器交流损耗的有效途径。
(2)半铁心、半封闭铁心及全封闭铁心结构都不能减小挤流效应和交流损耗．因此这些结构不适用于箔式电抗器。 |
