正3n(n≥1)边形截面立体卷铁芯液用三相电磁感应加热方法

本发明涉及一种三相电磁感应加热方法，就是正3n(n≥1)边形截面立体卷铁芯液用三相电磁感应加热方法

目前用于液体加热的电磁感应加热方法，主要有高频和工斌两种。中国专利ZL200810022997.5和ZL201010113132.7是高频电磁感应加热法；欧洲专利EP0383272A2和中国专利ZL97106984.4都是工频加热法；中国专利ZL0111341874和中国专利ZL201110340219.2是三相工频电磁感应加热法；这两项专利及其开发的产品，在高效、寿命、环保和安全性能等方面优于现有的同类产品。但是这两项专利及其产品也存在以下两个严重缺陷：(1)加热装置的铁芯为EI结构，各相磁路的长度不同，无论如何设置一、二绕组和各个附件，都无法保证结构上的三相对称，都无法得到三相对称的电磁场分布，因而不能在节能、高效、寿命、安全性能等方面达到最优。(2)加热装置包围铁芯和各相一次绕组的二次绕组，既是加热装置的主发热体，又是铁芯和各相一次绕组的保护外壳及散热体。这种结构，使铁芯、一次绕组与主发热体以及被加热液体之间，存在直接的热交换，输出热液的温度就会直接影响铁芯和一次绕组的温升，甚至造成铁芯和一次绕组的加速老化。当配电网出现非全相运行或出口短路等不良工况时，这种结构可能造成某相铁芯或绕组的过热。

本发明公开了一种正3n边形截面立体卷铁芯液用三相电磁感应加热方法。该方法的正3n(n≥1)边形截面的立体卷铁芯结构，与ZL0111341874和ZL201110340219.2和其它电磁感应加热装置的铁芯结构构完全不同，如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示。这种立体卷铁芯可采用常用的冷轧硅钢片也可以采用非晶合金，甚至可以采用磁特性更优异的非晶纳米晶软磁合金材料。

这种3n边形截面的立体卷铁芯结构保证了加热装置三相磁路完全对称，在此基础上，一次绕组的安装，铁芯和一次绕组的液内冷管线的安装和引出，全封闭二次绕组(一匝)的安装固定，圆柱筒状外壁的安装固定，甚至一次绕组电源线的引出等，都可以保证三相完全对称。因而保证了这种加热方法和装置总体电磁场的三相完全对称。这种三相完全对称的立体卷铁芯结构，在低损耗，低噪音，体积小，强过载能力等方面，与EI和其它结构的铁芯相比具有显著的优势，励磁电流甚至可降低92％，降损可达25-35％(冷轧硅钢)。

本发明的加热装置：在3n边形截面的立体卷铁芯上装配一次绕组，由包围铁芯和一次绕组的封闭不锈钢壳为加热容器的内壁，也是匝数为1的二次绕组，如图7、图8所示；双层圆柱筒状不锈钢壳为加热容器的外壁，如图1、图2、图4、图5所示。本发明的加热原理：加热容器的内壁和外壁的内层集中加热，加热容器内部的液体自身分布加热。这种加热方式与现有的高频和工频感应加热法基本相同。本发明的最大特和技术优势，是采用了正3n边形截面立体卷铁芯，并三相对称地设置各个附件(包括各固定安装点)，保证了加热装置整体结构上的三相对称性，从而保证了整个加热装置三相电磁场完全对称分布。这也是本发明与现有的同类发明专利和产品的本质区别。这是本发明高效、节能、安全、环保、占地少等一系列优点的基石。

本发明的铁芯和一次绕组采用液体内冷的冷却方式。本发明的铁芯和一次绕组，被不锈钢材料组成的筒状结构全封闭包起来，这个筒状全封闭的闭曲面壳，是等效匝数为1的3n个二次绕组，既是加热容器的内壁，也是一个加热液体的集中发热体，如图7、图8所示；加热装置的另一个集中加热体是双层圆柱筒状全封闭外壳的内壁如图1、图2、图4、图5所示。在正3n(n≥1)边形的各棱处和(或)每边中线处设置铅直方向的液内冷管线，铁芯和一次绕组及其冷却系统用隔热材料与二次绕组隔离。铁芯和一次绕组的冷却管线带走的热量仍加热低温保温容器中的液体。铁芯和一次绕组与二次绕组隔离的结构，是本发明与专利ZL0111341874和ZL201110340219.2的另一个根本性的区别。本发明的这种结构，大大提高了加热装置输出热液体的温度范围。这正是制约专利ZL0111341874和ZL201110340219.2输出热液体的温度的决定性因素。因为两部分存在直接的热交换，输出热液的温度直接影响铁芯和一次绕组的温升，甚至造成铁芯和一次绕组的加速老化，减少使用寿命。加热装置接在配电网的二次侧，当配网二次出现电压或电流波动时，由于现有的三相工频感应加热装置无法保证三相磁路的完全对称，会造成某相或多相磁路的饱和，部分铁芯和一次绕组的损耗会急剧增加，而此时高温液体容器中的温度已经处于额定温度，无法通过高温液体容器快熟散热，因而会造成部分铁芯和一次绕组温度快速上升，造成绝缘热击穿危害整个加热装置，甚至会诱发恶性安全事故。这正是本发明把二者分开的根本原因。为了充分利用所有热能，本发明需要设置至少低、高温两个液题保温容器，其中低温保温容器与铁芯和一次绕组的冷却系统热交换，可为高温加热液保温容器提供有一定温度的入口液体。本发明的这种铁芯、一次绕组与二次绕组的热隔离，是本发明的重要特。这种铁芯、一次绕组与发热体、加热容器的隔离技术，有两个重要作用：(1)使得加热装置的输出温度可以在一定的围内调节；(2)解决了铁芯和一次绕组系统的散热问题，从根本上保证了铁芯和一次绕组的安全和寿命。当配电网出现电压和电流波动时，自动调节系统还可以调节铁芯和一次绕组冷却液体的温度，在安全与节能之间，本发明从加热装置的工作原理上保证了安全第一。

本发明可以根据一次绕组不同的抽头实现输出液体温度的调节。设置一次绕组的对应不同匝数的抽头并且引出端子。由于一次绕组的匝数越少，输出功率越大，若一次最高电压按400V(有效值)设计，一次绕组全匝数对应最低输出功率。把一次绕组分成几部分，以抽头的形式引出，每一组抽头对应一个需要输出的热液温度。采用一个简单的智能控制器，就可以实现输出液体温度、安全和节能的自动调节。

本发明具有一定的消化配电网谐波的功能。与现有的各类工频和高频电磁感应液体加热装置的电源不同，本发明允许三相电源中含有一系列的高次谐波，而且当电源中含有高次谐时，加热效率更高。这是因为现有高频加热装置的高频电源是二次变换的，必有损耗，而本发明的电源直接取自配电网；高频的电磁感应加热效率更高，但铁损和铜损也更高，直接影响铁芯和一次绕组的安全和寿命，本发明的铁芯和一次绕组有独立的冷却系统与发热体和高温液体容器是隔离的，因而可以充分利用配电网的高次谐波，既高效又安全。这是ZL200810022997.5、ZL201010113132.7、ZL0111341874、ZL201110340219.2等等，都无法利用的。随着谐波负荷的增加和各种清洁能源的入网，配电网的谐波含量大增且低压侧有源，而消化配电网的谐波甚至会得到供电部门的奖励。

本发明可以高效利用各种清洁能源(以太阳能光伏发电系统为例)。本发明的一次绕组电源端有一套并联电源切换装置，可以直击切换到太阳能光伏发电系统直接供电。现有的几乎所有的液体电磁感应加热装置，均需要逆变成(三相)工频电源或调制成高频电源，这个中间过程必然会有一定的能量损失(逆变器的效率约为80％、高频变换器的效率更低)。本发明的太阳能光伏供电系统只需要6个晶闸管和简单的延迟控制电路，如图9所示，输出电压波形如图10所示，其中E为太阳能光伏供电系统的直流电压，T为人为选定的基波周期，例如可以选T＝0.02秒，通常根据光伏供电系统的直流电压E和输出液体的温度综合选定。图10的Fourier级数为

$u_A\left(t\right)=\frac{4E}{T}\underset{k=1}{\overset{\infty }{\Sigma }}\frac{1}{2k-1}\sin \frac{2(2k-1)\mathrm{\pi t}}{T}---\left(1\right)$

$u_B\left(t\right)=\frac{4E}{T}\underset{k=1}{\overset{\infty }{\Sigma }}\frac{1}{2k-1}\sin \frac{2(2k-1)\pi (t-\frac{T}{3})}{T}---\left(2\right)$

$u_B\left(t\right)=\frac{4E}{T}\underset{k=1}{\overset{\infty }{\Sigma }}\frac{1}{2k-1}\sin \frac{2(2k-1)\pi (t-\frac{2T}{3})}{T}---\left(3\right)$

这是一组对称的三相非正弦电压，没有直流分量。这种三相电压对本发明的加热效果比只有基波时更好。当清洁能源的直流中含有较大的纹波时，本发明的发热效率更高。可见本发明的供电系统十分灵活便捷，与其它需工频或高频电源供电的电磁感应式加热装置相比，大大减小了供电系统的附加损耗，提高了清洁能源系统的供电效率。

本发明可实现液体自身的分布式加热。本发明在加热容器内部产生了空间对称和三相完全对称的时变电磁场分布。这种三相完全对称的时变电磁场，可以通过液体的反复磁化损耗和极化损耗，实现液体自身的分布式加热，提高了加热装置的加热效率。

本发明能有效地抑制水垢或其它积炭、污垢的形成。本发明在加热容器内部产生了空间对称和三相完全对称的时变电磁场分布，使液体分子和杂质的分子(原子)在多个方向上快速反复磁化和极化，有效地防止了水垢、积炭和污垢的形成。

本发明的加热装置的铁芯和一次绕组，被加热容器的内壁完全密封，形成了三相完全对称的二次绕组(一匝)如图7、图8所示。二次绕组的电流有两个，一个是环绕各柱(包括铅直和水平的所有柱面)轴线的环流；一个是在垂直于底面的各个闭合回路中的环流，在平行于底面的上下两个回路中各边电流的代数和恒等于零。空间上三相对称的二次绕组(加热容器的外壁为圆筒状)，产生了三相对称的漏磁场分布，如图11所示。图11是某一时刻加热容器内部的空间漏磁场分布示意图。在时变电磁场中磁场和电场是相互依存的，受绘图工具的限制，图11中与磁感强度线正交的电场强度线(电力线)没有画出。

从图11可以看出，漏磁场以铅直中心线为轴三相对称；关于垂直于中心线的中分面上下对称的平面上，漏磁场上下对称；在每一水平面上的3n边旁的漏磁场三相对称。同理每个位置与磁场正交的感应电场分布三相对称。这是一种堪称完美的对称电磁场分布。本发明的这种空间和三相完全对称的电磁场分布有两个重要作用：(1)使液体自身在空间和三相对称的电磁场中加热。与加热容器内外壁的集中加热不同，这是一种分布式加热。通过液体的极化损耗和磁化损耗给液体自身加热，进一步提高了加热效率。(2)使液体的分子、杂质的分子或原子，在空间完全对称和三相完全对称的电磁场中，几乎全方位反复磁化和极化，有效地防止了水垢、积炭或污垢的形成。在时变电磁场中，液体分子或杂质分子(原子)，受到两种力矩的作用，磁偶极子的力矩和电偶极子的力矩，这两种力矩在空间上正交，在时间上相差(对基波)，在多个方向上快速变动(磁化与极化交替)，杂质很难被吸附形成水垢、积炭或污垢。

本发明的加热装这种特殊形状的加热容器的内壁(二次绕组，也是主加热体)，面积大、空间和三相完全对称，产生的时变电磁场也是空间和三相完全对称的，加热面积大，加热均匀，加热效率高，明显优于现有的三相电磁感应加热方法和装置。

本发明加热容器的外壁采用双层圆柱筒状结构，层间可以抽真空，也可以填充隔热材料，以减小热损失。

本发明的最大技术优势是采用了正3n边形截面立体卷铁芯。例如当n＝1时，相序顺时针A、B、C；当n＝2时，相序顺时针A、B、C、A、B、C；当n＝3时，相序顺时针A、B、C、A、B、C、A、B、C；……。由于3n边形截面立体卷铁芯和圆柱筒状的容器外壁，保证了整体结构上的三相对称性。这种铁芯和外壁结构，保证了加入铁芯和一次绕组的内冷系统、各种附件、固定位置和焊件、引线和出口等，仍能保持三相结构上的完全对称。结构上的三相对称保证了电气上的三相对称。保证了加热装置的三相电磁场的完全对称分布。这是本发明的最大特，也是高效、节能、安全、占地少等一系列优点的根本保证和理论依据。

图1为本发明基于正3n边形截面立体卷铁芯的液用三相电磁感应加热方法(装置)的示意图(n＝1)。

图2为本发明基于正3n边形截面立体卷铁芯的液用三相电磁感应加热方法(装置)的示意图(n＝1)，图2中部有填充的部分为立体卷铁芯。

图3为图2的俯视图。

图4为本发明基于正3n边形截面立体卷铁芯的液用三相电磁感应加热方法(装置)的示意图(n＝2)。

图5为本发明基于正3n边形截面立体卷铁芯的液用三相电磁感应加热方法(装置)的示意图(n＝2)，图5中部有填充的部分为立体卷铁芯。

图6为图5的俯视图。

图7为本发明把铁芯和一次绕组全部包裹起来的不锈钢筒状闭曲面壳示意图(n＝1)，它是本发明的等效二次绕组(1匝)，也是加热容器的内壁。

图8为本发明把铁芯和一次绕组全部包裹起来的不锈钢筒状闭曲面壳示意图(n＝2)，它是本发明的等效二次绕组(1匝)，也是加热容器的内壁。

图9为本发明与配电网供电并列的清洁能源供电系统。

图10为图9的输出电压(波形)。

图11为本发明加热容器内部空间完全对称、三相完全对称的漏磁场分布，受绘图工具的限制，与漏磁场处处正交的电场分布没有画出。

图1、图2或图4、图5的示意图，说明了本发明基于正3n(n≥1)边形截面立体卷铁芯液用三相电磁感应加热方法的实施方式。在3n边形截面的立体卷铁芯的3n个铅直芯住上装配三个完全相同的一次绕组，由包围铁芯和一次绕组的封闭不锈钢壳为加热容器的内壁，也是匝数为1的二次绕组，如图7所示；双层圆柱筒状不锈钢壳为加热容器的外壁，如图1、图2所示。加热容器的内壁和外壁的内层集中加热，加热容器内部的液体自身分布加热。本发明采用了正3n边形截面立体卷铁芯(图2中深部分)，并三相对称地设置各个附件(包括各固定安装点和出口)，保证了加热装置整体结构上的三相对称性，从而保证了整个加热装置三相电磁场的完全对称分布，保证了加热方法(装置)的高效、节能和安全。加热方法(装置)的电源可接成星形也可接成三角形，可以直接接配电网(380/220V)，也可以与图9电路配合使用清洁能源。