无源功率因数校正电感制造

摘 要:本文介绍了无源PFC电感制造过程中的几个重要问题。并对之进行了详细的分析，提供了解决方案。
关键词：电流总谐波失真 功率因数校正 稳态 钨极电弧惰性气体保护焊


1 引言
随着经济和技术的大力发展，人们生活水平的不断提高，越来多的电气设备接入电网，产生大量的谐波分量又经电网对其它的电子设备产生严重的电磁干扰，危及到电网的正常工作，并使电网输送线上的损耗剧增，浪费大量的电能。西方发达国家已率先强制推行国际标准IEC555-2，EN60555-2等，限制入网电气设备的电流谐波值。

功率因数校正的主要方法有两种：一是无源PFC技术，即采用电感和电容滤波器来提高功率因数；二是有源PFC技术。相对无源PFC技术，采用功率因数校正专用集成电路的有源PFC技术主要优点是体积小、PF值高、但其电路结构复杂、可靠性差、成本高。因此在家电和工业领域中使用的主要是无源PFC技术。随着人类对绿色能源的重视，特别在家电领域中，无源功率因数校正电感的需求必将大幅度的增长，对线圈、变压器行业应是一个好消息。特别是空调、微波炉、电磁炉、电视机等家电的需求在逐年增长；工业领域中变频调速器+三相交流感应电机的高效、节能、低故障、易于实现自动控制等优点正渐渐被人类接受，在电力传动领域中的占有率越来越大。而这些设备中部分感性负载使功率因数比较低。所以无源功率因数校正电感在未来一段时间必有很大的市场，有必要对其作介绍。功率因数校正电感的设计相对简单，其重点应是制造。即如何在保证质量的前提下提高生产效率。下面介绍其制造过程中的几个重要问题。

2 产品的结构选择
这类产品一般不采用底筒或骨架，而采用无框架结构（具体结构会考虑到安装结构，制造成本，加工工艺，有时会有骨架或底筒）。绕线要求紧密整齐有规则的一层靠一层地排列。
下面是一个功率因数校正电感的成品图

这种无框架结构不但能提高线圈绕线的占空系数，最大程度的利用绕线空间，便于产品的散热，而且有利于保证产品电感量L和Q值的一致性。采用E、I片铁心结构主要是方便线圈的绕制。对于体积、重量较小的电感可利用其引脚直接焊接在PCB上。体积、重量及通过电流较大的电感，一般有安装底座和引线，如上图。为保证电感量等电气参数的稳定性会在磁路中开气隙。其结构似乎比一般的变压器要简单得多， 但由于这类产品所用漆包线的线径都比较大，通常在Φ1.0-Φ3.0之间，实际上要保证图示的要求便非易事，其中线圈的绕制，线圈的脱模成型，氩弧焊接等工艺都有一定的难度和特别之处。而且设备的投资大，不适合小型线圈和变压器企业批量生产。因而这类产品目前的附加值比普通电感和变压器要高出许多。

3 线圈的绕制及力学分析
我们在试制过程中首先遇到的就是线圈的绕制，因为这类产品无论是否有骨架，在设计上没有绕线空间余量。只能排列整齐且一层紧靠一层。绕圈绕制完成后如图2:


因为线圈的线径较大，如果第二层或第三层即使有一圈排线不良，要想在之后的几层排好，是没有可能的。绕完也无法装配到铁心片中而成为废品。如果你在制造类似的产品，当有上述不良时，请你立即停止绕线，减少漆包线的浪费。
下面以一具体电感线圈的绕制加以说明。电感的绕线参数如下：
理论告诉我们绕好的线圈应如图3：有规则的一圈接一圈，一层靠一层。
开始我们把绕线机的主要参数设置如下：

实际绕出的线圈几乎全是不良品。不良主要出现在第二层和第二层以上的每层第一和第二圈，及第二层最后一圈与起绕线交叉。层数越多线圈越乱。为解决第二层的最后一圈与起绕线的交叉问题，我们对绕线专用胎具进行了修改，增加了起绕线的放线槽，这个问题得到了解决。对于各层第一，二圈的不良，因有叠线现象，所以分析是由于控制与主轴同步的步进电机是通过同步带传动，再与滚珠螺杆联接带动漆包线在径向上移动的，这样在每层更换排线方向时，先消除同步带与同步带轮之间的间隙，引起了排线的滞后。第一圈与第二圈很容易重叠，绕第三圈时由于径向力的作用，处于暂态的第二圈的空间位置出现不确定性，而导致不良。于是我们对绕线机的绕线参数修改如下：
此时成品率在25%左右。增加起绕慢车圈数到2圈，成品率上升到35%。感到一丝希望：说明我们的分析思路是正确的。全用慢车生产显然是没有意义。于是对理论绕线排线图是否适合线径较大的线圈开始产生疑问。对容易产生不良位置的漆包线进行力学分析。受力分析见图4：

如果各层的第一，第二圈处于稳态那么问题就迎刃而解。下面是漆包线的稳态图：
图5是高成品率，高效率的绕线排线图。为防止H1位置的漆包线移位，在胎具上增加了防滑挡块。
综合各种因素最终修改绕线参数如下：

这样不仅生产效率上去了，而且每天很少出现不良品。

4 线圈的脱模成型
为了控制线圈的外型尺寸，在绕制线圈时会根据设定好的主轴转速调整相应的张力，要想把五层紧密排线的线圈从胎具上取下，而且保证外型不变，就得在胎具上作点修改。因漆包线较大且有一定的弹性，所以漆包线与胎具不可能完全接触。实际线圈与胎具接触主要是四个转角处。如果能把胎具的中心柱上下分成两块，绕线时合成一整体，绕线完再分开，在其自重、线圈的压力和外力作用下很容易变位。如下图所示脱模就简单方便了。为保证脱模后线圈的外型，在胎具的前后两面中间处开有两条尼龙自锁扎带的穿线槽。图6是通用无框架线圈绕线脱模结构图：


5 钨极电弧惰性气体保护焊
为了减少铁心片在工作时产生的噪音，铁心片之间一般采用直流钨极电弧惰性气体保护焊。常用的惰性气体为氩气，所以一般简称氩弧焊接。焊道通常分布在E片和I片之间及各I片之间。如果有底座，在铁心和底座之间也要焊接牢固。详细见前面功率因素校正电感图。各处的焊道要求光滑平整；E片和I片之间焊接良好。铁心片不得有变形或松散。这就不仅要求焊接专用胎具设计完善，而且对熔接的电流大小；熔接速度；氩气的流量；钨棒距起弧铜片和铁心的距离等都有一定的要求。甚至钨棒前端的几何形状对焊接的质量都有影响。下面介绍的是日本HITACHI的DP-NPS 200A直流TIG熔接机的常用参数：
具体应以焊道的质量为依据作相应的调整。如熔接电流过小：则焊道宽度变窄、深度变浅、焊接不够牢固，工作时产生的噪音大；熔接电流过大：则焊道宽度变宽、深度变深、焊道容易起波浪甚至有裂纹，铁心的损耗会增大。因此通常在焊接完后要进行空载电流的检测。起弧铜片不应忽视：太脏或距钨棒距离太远不容易起弧，距离太近容易损坏起弧铜片，材料一般用紫铜。焊接移动的速度应保持均匀。最好能采用交流伺服电机+编码器+高精密的滚珠螺杆形成一个闭环系统。保证焊道质量的一致性。专用的焊接胎具要求能保证焊接后铁心的变形在允许范围内和焊接质量的一致性，并能方便实现焊接的自动化，进行批量生产。

6 绝缘处理
特别是采用无框架结构的电感，首先应考虑线圈与铁心之间的绝缘问题。通常用绝缘纸。绝缘纸的厚度和层数等选择主要依绝缘要求、空间尺寸和成本进行综合考虑。经绝缘油中抽真空再烘干。有条件的可用隧道式烘房。注意不要有漆瘤。经过上述的绝缘处理不仅线圈之间结合紧密，而且固定了线圈与铁心的相对位置。有利于防潮、防湿和线圈的散热。

7 结论
我公司生产的无源功率因数校正电感被广泛地应用在空调、微波炉、电磁炉和电视机等行业，收到了很好的社会效应和经济效应。本文虽然主要介绍的是无框架结构功率因素校正电感的制造，如产品的结构选择、线圈的绕制、线圈的脱模成型、钨极电弧惰性气体保护焊、绝缘处理。大部分工艺对有框架电感同样适用。通过对理论绕线排线模型的力学分析，找出了产生不良品的原因。得出了稳态高效、高成品率绕线排线图。并给出通用无框架结构电感线圈绕制的专用胎具，其分析思路和设计思想对其它线圈产品仍有一定的参考价值。并提供了一个实例，和绕线参数供大家参考。