一种双功率输出的取能磁芯的制造方法与流程

本发明属于电学领域，涉及输电线路检测装置的取电技术，具体涉及根据工程应用实际情况计算、制造取能磁芯的方法。

背景技术：

近年来，随着配网的规模越来越庞大，网架结构越来越复杂，这对配网电能质量及供电可靠性等提出了越来越高的要求。在高压输电线路上需要安装线路监测设备以保证高压输电线路的正常安全运行。高压侧测量设备如光电式电流互感器、输电线路温度测量设备等直接测量高压侧信息，然后通过光纤或无线网络把采集信息传送至安装在接地端的设备，简化了对绝缘的要求，提高了采集信号的精度。但是由于输电线路杆塔附近并没有合适及现成的电源可直接对监测装置进行供电，所以供电问题是其可靠运行的关键。

目前，对监测装置供电的主要方式有太阳能-蓄电池混合供电、激光供电、感应取能供电等。太阳能-蓄电池供电主要受天气、使用寿命和运行维护成本的限制；激光供电主要受供电功率、成本和使用寿命的影响；感应取能是利用电磁感应方式将高压电线上的能量转化为电能输出，以作为高压侧测量设备的取能电源，对这些高压侧测量设备供电。感应取能方式与高压线路不存在实质性接触，自身具有隔离作用，解决了与高压线路电气绝缘问题；感应取能设备体积小，易于安装，输出功率只和高压线路电流有关，不受天气和环境的影响，成本低，具有良好的应用前景。

感应取能供电常用的取电电源功率控制方法是：取能磁芯输出端并联双向可控硅，电压检测模块检测取能磁芯输出电压，当其大于预设值时，触发模块触发双向可控硅使之导通，取电线圈副边短路，不对外输出功率，当取能磁芯输出过零点时，可控硅自动关断，取能线圈自动恢复对外输出功率。这种使用感应磁芯取能方式进行取能供电方法，并未将输出功率进行定量化处理，只是将输出功率调整在较大点，通过功率控制电路对功率进行调整，电路结构复杂，故障率高，后期维护成本高昂。而且不同的工程应用环境，对磁芯匝数的调控一般采用数值算法进行计算，计算过程复杂不利于工程应用。

技术实现要素：

本发明为了解决取能磁芯输出功率不准确、取能磁芯参数设计复杂，实际使用稳定性差的问题，提供了一种根据工程应用的实际情况，在饱和工作状态下，引入系数的简化设计算法和验证校准步骤。

本发明的技术方案为：一种双功率输出的取能磁芯的制造方法，包括参数计算、试绕制、匝数调整步骤，所述参数计算步骤包括如下步骤：

a、获取电网环境参数：获取电网的母线电流i1、电网频率f，输出功率p1时二次滤波电路电压uc1、二次电路负载r1，输出功率p2时二次滤波电路电压uc2、二次电路负载r2，其中p1＜p2；

b、预选取能磁芯的各项参数：磁导率μ、饱和磁感应强度bs、叠片系数λ、内径d3、外径d3、高度h3，计算其有效截面积s3＝(d3-d3)·h3·λ，磁路长度

由于卷铁心磁力线方向与电工钢片的碾压方向一致，能够达到比较理想的磁性能，所以取能磁环优选卷铁心。在卷铁心加工的过程中，环形卷铁心无需二次开模定型，加工便利，成本低，且在后期取能磁环绕线中对绕线机要求较低，因此，取能磁环优选环形卷铁心。为便于描述及推算取能磁芯各项参数，定义厚度h，外径d，内径d，其截面图如图2所示。根据电缆直径、用电的检测设备需要的功率及设计电路空间体积、绕线预留体积，结合实际经验，综合确定取能磁芯尺寸限值：内径d＝[d1,d2]、外径d＝[d1,d2]、高度h＝[h1,h2]，根据取能磁芯尺寸限值可得到：取能磁芯截面积s＝[s1,s2]，其中s1＝(d1-d2)·h1，s2＝(d2-d1)·h2；取能磁芯磁路长度l＝[l1,l2]，其中由此，选取内径d3、外径d3、高度h3在限值范围内的环形卷铁心。

c、求取预选取能磁芯工作在不饱和状态下的最大输出功率、最大励磁电流：磁芯最大输出功率最大励磁电流

pmax、im的选取依据为：

当磁芯工作在饱和状态时，随着母线电流i1进一步增大，在零点附近将会产生峰值很大的尖峰输出，若不采用电能控制策略则会损坏后续电路元件，若采用输出电能控制策略，则增加了系统的复杂性，给产品后续维护带来了复杂度。当磁芯工作在深度饱和状态时，磁芯铁损较高，发热过多，易烧坏磁芯及绕组，因此应尽量避免磁芯工作在饱和状态。当取能磁芯工作在不饱和状态时，磁芯工作在线性区，由于磁芯电阻阻抗、漏感抗压降、磁芯磁滞损耗和涡流损耗较小在计算中可以忽略，磁芯输出功率表达式为

式中，e2——磁芯感应电压(v)，f——电网频率(hz)，μ——磁芯磁导率(h/m)，n2——磁芯二次匝数，s3——磁芯截面积，i1——母线电流，i2——磁芯感应电流，l3——磁芯磁路长度，θ——i1、i2夹角

其中磁芯磁导率μ等于真空磁导率μ0和材料相对磁导率μr乘积即μ＝μ0μr，μ0＝4π×10^-7h/m

对磁芯输出功率表达式取最值，得到磁芯最大输出功率

根据磁路欧姆定律，磁芯刚进入饱和状态的最大励磁电流

d、调整预选磁芯各项参数：根据调整磁芯各项参数：磁导率为μ1、饱和磁感应强度为bs1、叠片系数为λ1、内径为d4、外径为d4、高度为h4，则有效截面积s4＝(d4-d4)·h4·λ1，磁路长度

为使磁芯工作在不饱和状态且补偿计算中忽略磁芯电阻阻抗、漏感抗压降、磁芯磁滞损耗和涡流损耗带来的影响及补偿理论计算与实际生产的差异，引入设计系数1.2，则磁芯各项参数需满足为确保磁芯工作在不饱和状态下，需要满足磁环最大输出功率小于磁环在不饱和状态下能输出的最大功率，磁环的母线电流小于磁环在不饱和状态下的最大励磁电流，引入设计系数1.2，补偿了理论计算与实际工程应用的差异，确保磁环工作状态不会由于理论计算误差导致工作状态的改变。若不满足该关系式，则根据a中截面积s＝[s1,s2]，其中s1＝(d1-d2)·h1，s2＝(d2-d1)·h2，磁芯此路长度l＝[l1,l2]，其中调整磁芯参数，以满足磁芯输出功率需求。最终确定满足的磁芯各项参数为：磁导率μ11、饱和磁感应强度bs1、叠片系数λ1、内径d4、外径d4、高度h4，则有效截面积s4＝(d4-d4)·h4·1，磁路长度

e、求取取能磁芯输出功率p1、p2下匝数n21、n22：通过不饱和状态下磁芯输出功率表达式求得匝数n21、n22；表达式中，输出功率为p1时，uc为二次滤波电路电压uc1，n2为取能磁环二次匝数n21，输出功率为p2时uc为二次滤波电路电压uc2，n2为取能磁芯二次匝数n22。

然后试绕制取能磁芯：其中取能磁芯总匝数n22，在匝数n21处做抽头处理。为方便修正功率值，抽头处及绕线尾端需留有可绕制磁芯20匝以上长度的漆包线。

接着调整取能磁芯匝数：测试试绕制的取能磁芯实际输出功率p'1、p'2，并调整匝数n21、n22，以满足功率输出需求。匝数调整过程中遵循边调整边测试的原则，直至满足输出功率为p1、p2要求，此时匝数为n'21、n'22。

最后，批量试绕制取能磁芯，进一步验证输出功率：绕制10只，取能磁芯总匝数n'22，在匝数n'21处做抽头处理。测试输出功率，并验证取能磁芯输出功率批量一致性。

本发明的有益效果为：1、该取能磁芯制造方法实现了单只取能磁芯电源提供两种输出功率，开拓了取能磁芯的应用，并对磁芯输出功率进行定量化处理，输出可直接应用于后级电路，无需添加功率控制电路，降低了生产成本，提升了生产效率，节省了电路空间。同时，提升取能磁芯产品稳定性、可靠性，降低了运行故障率，减少了工程人员后期维护工作量，从根本上降低了产品成本。2、常规数值算法以理论为基础，计算较为复杂，大多需要仿真软件进行计算，通过计算结果指导工程应用。本发明根据工程应用的实际情况，对数值算法进行简化。首先对磁芯工作状态进行预判，通过步骤c求取取能磁芯工作在不饱和状态下的最大输出功率和最大励磁电流、步骤d调整磁芯各项尺寸参数满足磁芯工作在不饱和状态的要求，略去工程实际中不适用的不饱和工作状态的计算过程，引入系数简化计算，对数值算法中磁芯电阻阻抗、漏感抗压降、磁芯磁滞损耗和涡流损耗等过程量的影响，理论计算及工程应用的差异，用系数进行补偿，形成完整的输出功率计算方法，方便简洁，便于应用。

附图说明

图1是实施例中取能磁芯的结构示意图；

图2是实施例中取能磁芯的截面结构示意图；

图3为输出功率p1的波形图；

图4为输出功率p2的波形图；

附图中，1代表磁芯，2代表磁芯护盒，3代表绕线层，4代表航插，4-1代表输出公共端，4-1、4-2代表输出线，4-1与4-2构成输出功率1端，4-1与4-3构成输出功率2端。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

一种双功率输出取能磁芯的制造方法，具体包括以下步骤：

a、获取电网环境参数并确定磁芯限值：母线电流i1＝3a、电网频率f＝50hz、输出功率p1＝0.03w时二次滤波电路电压uc1＝1.2v，输出功率p2＝0.05w时，二次滤波电路电压、uc2＝1.5v。

取能磁芯选择环形卷铁心。取能磁芯尺寸限值为：内径d＝[0.065,0.075]m、外径d＝[0.08,0.09]m、高度h＝[0.01,0.003]m。根据取能磁芯尺寸限值可得到：取能磁芯截面积s＝[s1,s2]＝[5×10-⁵,7.5×10-⁴]m²。取能磁芯磁路长度l＝[l1,l2]＝[0.22765,0.25905]m。

b、预选取能磁芯各项参数：选取北京高科康纳厂家生产的1k107超微晶材料制作磁芯，其性能参数为：磁导率μ＝μ0μr＝4π×10^-7×50000＝0.0628h/m，饱和磁感应强度bs＝0.75t，叠片系数λ＝0.75。

尺寸参数为：内径d3＝0.07m、外径d3＝0.085m、高度h3＝0.02m，则有效截面积s3＝(d3-d3)·h3·λ＝2.25×10^-4m²，磁路长度

c、求取预选取能磁芯最大输出功率及最大励磁电流：

磁芯最大输出功率

最大励磁电流

d、调整预选磁芯各项参数：根据输出功率与最大输出功率、母线电流与最大励磁电流关系式得知，预选满足预定要求，无需对磁芯参数进行调整。

e、求取取能磁芯输出功率p1、p2下匝数数n21、n22：根据

得n21＝120匝，n22＝90匝

f、试绕制取能磁芯：其中取能磁芯总匝数120匝，在90匝处做引出抽头。为方便修正功率值，抽头处及绕线尾端需留有可绕制磁芯5匝以上长度的漆包线。

g、取能磁芯匝数调整：测试得到取能磁芯实际输出功率p'1＝0.0306w、p'2＝0.052w，比预定输出功率略大。遵循边调整边测试的原则对磁芯匝数进行微调，得到以下结果当n”21＝122时p”1＝0.0301w，当n”22＝93时p”2＝0.0498w满足预定输出功率要求。将该取能磁芯装入无功率控制的故障指示器中，其输出波形如下所示。图3为p1的波形图，图4为p2的波形图。从图中可看出，取能磁芯可获得较为稳定的输出功率。

h、封装取能磁芯：取能磁芯结构参见图1，包括磁芯1、装配在磁芯1上的护盒2、在磁芯护盒2上的绕线层3、二次绕线输出线连接至航插4后作为取能磁环的输出接口。其中4-1为输出公共端，4-1与4-2端构成输出功率1端，4-1与4-3端构成输出功率2端。图2为取能磁芯的截面结构示意图。

i、批量试绕制取能磁芯，进一步验证输出功率：绕制10只，取能磁芯总匝数122匝，在匝数93处引出抽头。测试输出功率如表1所示。

表1

根据表1数据可知，10只绕制磁芯各项参数均满足设计需求。本实施例中，所有参量单位均采用国际单位制。