一種電控磁磁芯及其制備方法與流程

本發明涉及電磁設備技術領域，特別涉及一種電控磁磁芯及其制備方法。

背景技術：

電磁設備廣泛應用于工業、交通、軍事、航天等各方面，滲透于國民經濟的各領域，磁通的調節直接影響到該設備的應用范圍。擴大磁通的可調節范圍，且可對磁通大小進行柔性調節，是對整個電磁設備的應用大有裨益的。

現有的應用于磁通調節的手段大體有兩種，一是通過調節產生磁動勢回路中電流的大小或導體匝鏈在磁芯上的匝數從而改變其磁動勢，進而改變磁通大小；二是通過調節磁通閉合回路磁阻的大小來對磁芯的磁通進行調節，譬如加大空氣隙的長度，使用不同導磁特性的導磁材料等。

分析上述調節磁通的手段，可知其調節手段都是從入手，通過調節導體匝鏈數N，導體電流大小i，或者磁阻大小R來對磁通進行調節。其調節的不足之處主要在于：①調節的方式非常的機械性：調節磁通是以改變其結構為代價，或者要以犧牲電磁回路中某些特性為代價；②受其他電氣量的制約，調節范圍是有限的，且調節磁阻是分段調節，不能實時的根據實際工況進行平滑調節；③調節方式十分繁瑣：在設計和應用這些調節方式對磁通進行調節時，需要進行前期較為準確的計算分析，這導致設計和應用起來并不是那么的方便；④應用具有局限性：例如永磁體的磁通，就無法通過調節勵磁電流i對其磁通進行調節，或者是一些機械設備應用磁通對其工況進行控制，這時候上述的調節手段應用起來就顯得十分繁瑣，且很難做到較為精確的控制。

因此當調節磁通方式受到制約時，或傳統調節磁通手段不能很好地對需要調節的磁芯磁通進行調節時，若強行利用傳統調節方式，不僅會使整個電磁器件工效下降，而且會使其耗能增大，壽命降低。另一方面，隨著工業進程的推進，電磁器件緊湊、磁通調節范圍廣、可利用小時數高已經成為衡量一個電磁器件是否優良很重要的因素。因此需要采取措施改變現有調節磁通的手段，進一步增大電磁器件的磁通調節范圍，簡化調節的方式，優化調節的機理，提高可靠性。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種電控磁磁芯及其制備方法，以解決上述技術問題。

為達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的：

一種電控磁磁芯，包括磁路基本單元和電路基本單元；

磁路基本單元連接外部磁芯進行導磁，或者與外部器件配合流通感應磁通；

電路基本單元包括垂直或相交于磁路基本單元的磁通路徑上布置的N極電導材料，N極電導材料與可調電源兩極相連；電導材料中流過的電流能夠流過磁路基本單元，或者電導材料中的電勢能夠施加于磁路基本單元；N為大于等于1的正整數。

進一步的，磁路基本單元中還制備有用于形成基準磁通的基準磁通產生單元，基準磁通產生單元的兩端連接外加電源。

一種電控磁磁芯的制備方法，包括以下步驟：

1)制備磁路基本單元；磁路基本單元連接外部磁芯進行導磁，或者與外部器件配合流通感應磁通；

2)將步驟1)中成型好的磁路基本單元，在垂直于或相交于磁路基本單元的磁通路徑上布置N極電導材料，用于電導材料中流過的電流能夠流過磁路基本單元，或者電導材料中的電勢能夠施加于磁路基本單元；N為大于等于1的正整數；N極電導材料與可調電源兩極相連，形成電路基本單元。

進一步的，磁路基本單元采用相對磁導率為10³～10⁵數量級的導體制備而成。

進一步的，磁路基本單元采用鐵鎳軟磁合金、鐵鈷軟磁合金、鐵鎳基非晶軟磁材料或鐵基納米晶軟磁材料制備而成。

進一步的，電導材料的布置使得電流流經磁路基本單元時電流方向或電壓施加時電勢矢量方向不與磁路基本單元中流通的磁通方向平行。

進一步的，磁路基本單元中還制備有用于形成基準磁通的基準磁通產生單元，基準磁通產生單元的兩端連接外加電源。

進一步的，磁路基本單元為以下結構中一種：

a)、經壓接或焊接工藝制成平面二維結構；

b)、繞制形成的三維空間環形結構，或螺線結構；

c)、將薄片磁芯材料通過疊壓工藝形成的帶空氣隙三維空間結構；

d)、澆鑄形成的不帶空氣隙三維空間結構。

進一步的，所述的鐵鎳軟磁合金采用的牌號為1J76、1J46；所述的鐵鈷軟磁合金采用的牌號為1J22；所述的鐵鎳基非晶軟磁材料的化學式為Fe₄₀Ni₃₈Mo₄B₁₈；所述的鐵基納米晶軟磁材料的化學式為Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉。

進一步的，磁路基本單元的磁通變化量，由電路基本單元注入到磁路基本單元中的電流或施加在磁路基本單元上的電壓大小所控制。

進一步的，根據所要設計器件磁芯尺寸要求，制成相應磁路基本單元，其中，磁路基本單元不必完全由所述材料組成，但是整個磁路的構成中，磁通至少要有一部分通過該材料。

進一步的，當該電流或電壓是交流時，想要改變磁芯中的磁通量，可通過控制交流電流或交流電壓的大小：交流電流或交流電壓有效值越大，磁芯中的磁通改變越大；也可通過控制交流電流或交流電壓的頻率：交流電流頻率越大，磁芯中的磁通改變越小。

進一步的，當該電流是直流時，想改變磁芯中的磁通量，只可通過控制直流電流或直流電壓的大小：直流電流或直流電壓越大，磁芯中的磁通改變越大。

進一步的，當該電流或電壓矢量方向與磁通矢量垂直時，對磁通影響最大；當該電流或電壓矢量方向與磁通矢量平行時，不對磁通產生影響。

進一步的，當磁芯上施加的是電壓時，其影響磁通的效應會比施加的是電流少1～2個數量級。

相對于現有技術，本發明具有以下有益效果：本發明綜合目前磁通調節方法的現狀，從兩方面入手改進出更優良的磁通調節的方法：(1)磁芯采用軟磁材料，且軟磁材料具有較高的磁導率和電導率，其耐溫特性良好；(2)磁芯中磁通的控制采用的方法是：在磁芯中與磁通呈一定角度的方向上施加可調節電流或電壓，電流方向或電壓方向與磁通方向角度的范圍是0°到360°，不包括0°、180°和360°，且當角度為90°或270°時調節效果最強，可調節可以是電流或電壓有效值可調，也可以是電流或電壓頻率可調。這兩種調節方式都可以平滑的調節磁芯中磁通的大小。

本發明中，所通電流可以是直流也可以是交流；所通電壓可以是直流也可以是交流。直流影響較為顯著；交流頻率越高，對整個磁路磁通大小的影響越小。電流影響較電壓影響會高1～2個數量級，這種方法可以柔性平滑調節磁路磁通，可用于調節電機磁路的磁通、斷路器的吸合、電感線圈或者電抗器的磁通、電力線路無功補償器件出力的調整、變壓器變比的柔性調節等。

附圖說明

圖1為本發明原理圖；

圖2為本發明采用電鍍方式，將軟磁材料與電導材料鍍在樹脂板材上形成的電控磁器件的結構圖；

圖3為本發明采用的磁芯是空心圓柱制成的電控磁磁芯的結構圖。

圖4為本發明采用四級電機定子進行適當改造后形成的電控磁磁芯結構圖。

圖5為本發明采用變壓器軟磁鐵芯疊片進行適當改造后形成的電控磁磁芯結構圖。

圖6為環形鐵芯形式電控磁磁芯結構圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。

請參閱圖1所示，為本發明的原理圖，magnetic flux in和magnetic flux out是磁路基本單元1的進出口端子，磁路基本單元1構成磁通的流通路徑，流通著基準磁通；current in和current out是電路基本單元2的進出口端子，電路基本單元2構成電流的流通路徑。當磁路基本單元1中有基準磁通流過時，當磁路基本單元1中的磁通適量和電路基本單元2中的電流矢量不平行時，通過改變電路基本單元2中所流通的電流大小，即可實現磁路基本單元1中磁通的平滑改變。

實施例一

如圖2所示，采用軟磁材料鐵基納米晶Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉，未飽和時相對磁導率為100000，用電鍍的方法將鐵基納米晶以盤曲的形態鍍在樹脂板上，形成磁路基本單元1，該磁路基本單元1的一端接外磁路需要改變磁通的元件磁芯的一端，該磁路基本單元1的另一端接外磁路需要改變磁通的元件磁芯的另一端；在磁路基本單元1垂直于磁路流通方向布置多條電導材料，再將這些電導材料并聯起來接到外電路，形成電路基本單元2。當該元件連接外磁芯，磁芯和磁路基本單元1構成物理回路，當外部元件工作時，外部元件磁芯中的磁通會通過磁路基本單元1，那么就可以通過改變電路基本單元2中的電流，就能平滑改變磁路基本單元1中以及外部元件磁芯中流通的磁通大小。

實施例二

如圖3所示，采用軟磁材料鐵基納米晶薄帶Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉，未飽和時相對磁導率為100000，纏繞成一個多層空心圓柱體形成磁路基本單元1；在相鄰兩層薄帶間纏繞多匝導線形成基準磁通產生單元12，例如：共計有100層薄帶，可以在50和51層薄帶間纏繞多匝帶外絕緣的導線；在該磁路基本單元1的內表面加上正電勢，外表面接地，具體做法就是在兩表面引出兩條電導材料接外電路形成電路基本單元2。當該元件工作時，其上下兩個表面與需要改變磁通的元件形成物理連接，連接形成的物理回路可以流通磁通，因此此時當基準磁通產生單元12通電，就形成基準磁通，該基準磁通方向為空心圓柱體的軸向，基準磁通根據外部元件所需磁通的磁通量來定，這樣就可以減免了外部元件所需的勵磁單元；當外部元件需要改變其所流通磁通的大小時，僅需通過改變電路基本單元2中的電流大小，即可平滑地改變外部元件磁芯磁通的大小。上述空心圓柱結構的鐵基納米晶材料可根據實際需要用其他軟磁材料代替，磁路基本單元1的層數，基準磁通產生單元12的匝數都可以根據實際需要調節。

實施例三

如圖4所示，采用軟磁材料鐵基納米晶Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉，未飽和時相對磁導率為100000，按照電機定子制造工藝制成四級電機定子形成磁路基本單元1；在磁路基本單元1的內表面，加上正電勢，外表面接地，具體做法就是將兩表面引出兩條電導材料接外電路形成電路基本單元2。當該電機正常工作時，磁路基本單元1中有磁通流過，若需改變磁路基本單元1中所流通磁通的大小，可通過改變電路基本單元2中的電流，就能改變磁路基本單元1中流通的磁通大小，從而可以實現電機電勢、轉差等參量的平滑調節。上述電機的極對數、電機的大小、電機鐵芯的尺寸，都可通過實際需要改變。

實施例四

如圖5所示，采用軟磁材料鐵基納米晶薄片Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉，未飽和時相對磁導率為100000，按照三相五柱式變壓器制造工藝疊壓成變壓器鐵芯形成磁路基本單元1；在磁路基本單元1的內表面，加上正電勢，外表面接地，具體做法就是將兩表面引出兩條電導材料接外電路形成電路基本單元2。當該變壓器正常工作時，磁路基本單元1中有磁通流過，若需改變磁路基本單元1中所流通磁通的大小，可通過改變電路基本單元2中的電流，就能改變磁路基本單元1中流通的磁通大小，從而可以實現變壓器電勢、有功無功等參量的平滑調節。上述變壓器的尺寸、變壓器的疊片數、變壓器的規格，等都可通過實際需要改變。

實施例五

如圖6所示，采用軟磁材料鐵基納米晶Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉，未飽和時相對磁導率為100000，按照環形鐵芯制造工藝形成磁路基本單元1；在磁路基本單元1上纏繞一定匝數的線圈形成基準磁通產生單元12，基準磁通產生單元12的兩頭接入直流電源；在環形鐵芯上包裹絕緣材料，內外側的絕緣材料連接到外電壓源形成電路基本單元2。當基準磁通產生單元12有電流流過時時，磁路基本單元1中有磁通流過，若需改變磁路基本單元1中所流通磁通的大小，可通過改變電路基本單元2中的電壓，就能改變磁路基本單元1中流通的磁通大小，因為電壓調制改變磁通的量級不如電流調制，所以比較適合于微調磁通。從而可以實現環形磁芯中磁通的微調，該電壓控制磁通方法適合于要求磁通變化較小的場合。