专利名称：利用线圈感应装置的能量变换系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及能量变换系统领域，更具体地说，涉及采用金属线芯感应装置的电源、变换器和镇流器。
对于便携式系统而言，可以采用电池。但是更经常的是，电子电路由利用至少一个变压器或感应装置将从电源线接收的交变电流波形(例如在美国为110伏至220伏，60Hz的正弦波)变换成恒定幅度的直流电压的电路或电源来供能。往往这些系统为该装置供能并且同时给电池充电。
低频应用变压器和其它感应装置一般来说由包含多片钢板的磁芯构成，这些钢板被冲切并堆叠在一起，以形成所要求厚度的磁芯。选定厚度的单块板涂覆有氧化物、涂有漆或者相互电绝缘，以便使在磁芯中的涡流减小/最小化。许多年来，冲压的厚度(因此所需要的片数)是由涡流的限制幅度对所需片数的严格关系来确定的。
变压器等的磁芯通常穿过电绕组的中心并且在自身上关闭，以提供封闭的磁路。由于该磁芯支撑着电绕组，所以该磁芯自然也被用作变压器的支撑件。也就是说，人们将该磁芯连接在容器或底板上，以便支撑该变压器。
当采用一叠金属片作为感应装置的磁芯时，它通常形成例如E字形形状，并且电绕组缠绕在该E字形的中心腿上。在绕组安装好之后，安装另外一叠通常呈I形结构的金属片，以将E形磁芯的端部连接起来，从而完成该磁路。可以理解的是，采用这样一种技术，绕组必须单独缠绕并最后安装在磁芯上。因此，这些绕组必须足够大，以便能滑到磁芯上。
另外，这些绕组的形状必须为矩形而不是圆形，否则会影响最佳操作。这种结构导致感应装置和必要的能量变换装置存在内在噪音，因为这些电绕组在磁芯上必须稍微松弛。因此，当交变电压施加在该电绕组上时，组成磁芯的金属片会随着交变磁场而振动或者在分谐波中共鸣。电组件和磁组件之间的任何形成的间隙和空间还会降低耦合和作用的效率。
变压器和其它感应装置在内部产生出电磁场。该装置外面的这些电磁场会降低效率并且会对周边环境造成干扰。虽然这些电磁场的强度随着离变压器的距离增大而减小，但是往往需要对该电磁场源和受到影响的组件进行屏蔽。由于当前电子设备中的部件做得更加灵敏并且它们的组装更加密集，因此对电磁相互作用的敏感度大大增加。为了确保这些部件的最优性能，杂散电磁场必须最小化，这往往需要相当大的成本。如上所述，使这些电磁场最小化的一种方法在于在电磁源周围设置屏蔽，以便容纳该电磁场并且防止来自外部能源的干扰。
因此，需要一种改进的能量变换系统，该系统可以以一种有效且成本节约的方式制成并且该系统利用了具有高效并且优异屏蔽能力的变压器或其它感应装置。
本发明的另一个目的在于提供一种能量变换系统，该系统尤其适用于利用一种具有由多根金属线形成的磁芯的感应装置。
本发明还有一个目的在于提供一种能量变换系统，该系统具有优异的屏蔽能力。
本发明还有一个目的在于提供一种能量变换系统，该系统将其所有部件都装在感应装置的磁芯内。
本发明的另一个目的在于提供一种通过利用多根金属线形成磁芯来制作能量变换系统的方法。
本发明的其它目的、优点和其它新颖特征的一部分将在下面的说明书中被提到，而另一部分将对于本领域的普通技术人员来说，在阅读了下面说明书后是显而易见的或者可以通过本发明的实践学习到。本发明的目的和优点可以通过在附属权利要求中所具体指出的装置和组合来实现和获得。
为了实现上述和其它目的，根据如这里所述的本发明用途，提供一种改进的能量变换系统，该系统利用一种具有包括多根金属线的磁芯的感应装置。该能量变换系统可以是任意电路，该电路从具有与负载不相容的特征的外部电源中提供具有负载所需要的特征的电源，即该电路使得负载可以与可得到的外部电源相容。因此，该能量变换系统可以是任意类型的电源，包括但不限于模拟电源或开关式电源、变换器、镇流器等。
取决于该感应装置的一个电绕组或多个电绕组直接缠绕在形成磁芯的多根金属线上。形成磁芯的这些金属线的端部伸展开并且形成在这些电绕组上面，从而这些金属线的两个端部接触以形成完整的磁路。条带或其它连接装置将这些金属线的端部固定在一起。优选的是，这样形成的金属线包裹着这些电绕组和磁芯，以形成基本上容纳这些由该系统发出的电磁场并且减小来自外部能源的电磁场的侵入的屏蔽。可以通过将这些金属线的至少一部分绑在一起从而用横向缠绕的金属线代替条带形成屏蔽来提供其它屏蔽。
根据本发明的一个重要方面，感应装置的磁芯可以形成用于能量变换系统其余部件的一些或优选所有的外壳。例如，典型的模拟电源可以包括其它部件例如保险丝、通断开关、整流器、滤波器和/或稳压器(调整器)。根据本发明，这些部件将装在由磁芯形成的外壳内。这样。感应装置以及能量变换系统的部件在物理上受到保护和屏蔽，从而不会受到来自外部电源的电磁场的侵入或无线电频率干扰。通过用屏蔽板封装该变压器和电子部件的内部可以实现进一步屏蔽。
该感应装置可以包括限制在形成磁芯的多根金属线内并且从中延伸出来以用于可支撑地安装该能量变换装置的安装支柱。该安装支柱可以随意地从磁芯的一侧或两侧延伸出。磁芯的组成可以显著地改变。可以使用各种直径的金属线来实现该更高密度的磁芯；可以将几根大直径金属线分开缠绕在该磁芯上以提供刚性；并且可以将一根或多根管插入该磁芯，这些管子带有空气或流体，以用来冷却该感应装置和能量变换装置。这些冷却管优选由非磁性和非导电材料构成。
在本发明的另一个方面中，根据其目的和用途，提供一种制造能量变换系统的方法，其包括以下步骤形成多根金属线的磁芯；沿着磁芯的长度设置至少一个电绕组；将该电绕组连接在该能量变换系统的其余部件上；并且通过将磁芯的金属线形成在所述至少一个电绕组上面以包裹这该绕组并且形成完整的磁路的方式屏蔽该感应装置。
从下面说明书中，本领域的普通技术人员将了解本发明的其它目的，其中简单地以最适用于实施本发明的一些模式的说明的方式显示并描述了本发明的优选实施例。在实现它时，在不脱离本发明的情况下，本发明可以有其它不同的实施例，并且其各细节可以在各个显而易见的方面上进行改进。因此，这些附图和说明被认为是示例性的而不是限制性的。
图5为用于能量变换系统的感应装置的透视图，显示出由磁芯形成的外壳；图6为用于能量变换系统的感应装置的剖视图，显示出由磁芯和电绕组形成的外壳，根据本发明这些金属线包裹着这些电绕组和磁芯；图7a显示出通过将从线轴架中拉出的多根金属线聚集在一起形成束，用条带固定这些金属线并且切断这些成束金属线的步骤；图7b显示出将电绕组直接形成在磁芯上的步骤；图7c和7d显示出通过将一根或多根金属线缠绕在轴上并且切断这些缠绕的金属线的方式形成磁芯的可选方法；并且图7e显示出通过将磁芯的多根金属线形成在这些电绕组上面以包裹着这些绕组并且形成完整的磁路来屏蔽变压器的步骤。
现在将详细参照本发明的优选实施方案，该实施方案的一些实施例显示在附图中。
如图2中所示，例如当前优选实施例的变换装置11是一种变压器20，它具有用来将电源P(未示出)连接在变压器20的初级绕组上的导线21以及用来将次级绕组连接在负载L(未示出)上的导线22。本领域的普通技术人员将认识到，初级和次级绕组的指定在某种程度上是随意的，并且人们可以将导线22连接在电源P上并且将导线21连接在负载L上。因此“初级”和“次级”的指定在这里仅仅是为了方便描述，并且应该理解的是，这些绕组可以倒过来。
如在图3中最清楚地所示一样，变压器20的磁芯23由多根金属线24而不是传统的金属片构成。但是，通常电绕组25和26安装在磁芯23上。用来形成磁芯23的多根金属线24从中向外延伸并且进一步形成在电绕组25和26周围并且包裹着它们。多根金属线24的端部接触并且通过条带27紧固在一起，从而形成完整的磁路。导线21和22在多根金属线24之间经过从而分别连接在电绕组25和26上。
重要的是，更细芯线24的使用和由这些金属线端部接触所带来的非常小但是分散的间隙使得本发明的变压器20或其它变换装置11能够以比通常片型磁芯装置更高的频率操作。优选的是，变压器20或其它变换装置11可以用在开关式电源和其它需要更高频率的装置中。例如，该变换装置11可以包括用于控制输出的相位和频率的转换装置(未示出)，所述频率从低于3Kz的极低频率至包括30至100Kz或更高的低频。
根据本发明的另一个重要方面，金属线24形成基本上容纳着从变压器20中发出的电磁场并且降低了包括电磁干扰和/或来自外部来源的磁通量的电磁场的侵入的屏蔽28。如图4中所示可以通过将形成屏蔽28的至少一部分金属线与横向缠绕的金属线29绑在一起的方式提供额外的屏蔽。优选的是，金属线29是一种细铁丝或钢丝，用来将金属线23的端部或至少一部分屏蔽28绑在一起，从而代替条带27。
回过来参照图3，优选带有螺纹的安装支柱30从变压器20的底部延伸出来，从而为变压器20提供一种方便的安装装置。在磁芯23的中心处，安装支柱30简单地通过嵌在形成磁芯23的多根金属线24内而被固定不动。当然，安装支柱30可以从下面支撑变压器20，如在图2和3中所示一样，或者可以从变压器32的顶部延伸出来，并且变压器32悬挂在该安装支柱30上(未示出)。
如图4中所示，根据本发明用于能量变换系统10的变压器32的可选实施例与变压器20类似，但是电绕组33和34在磁芯35上彼此相邻地设置而不是和在变压器20中一样一个位于另一个上面。另外，安装支柱36从变压器32的顶部和底部延伸出来。当然，该变压器可以安装在顶部或底部上，或者安装在这两者上。
虽然安装支柱的使用提供了一种容易且简便的安装变压器的方式，但是人们可能希望在一种传统的环境中利用本发明的变压器，其中安装支柱是不方便的。传统的变压器通常由它们的磁芯结构支撑。由于本发明优选实施例的变压器20的磁芯不适用于提供类似的支撑，所以人们会利用安装支柱30或36来将变压器固定在能够与传统变压器一样安装的托架上。或者，磁芯区域可以没有双头螺栓，但是仅仅填充有芯线，并且通过其它装置例如外部皮带材料安装固定。
根据本发明的另一个重要方面，感应装置20的磁芯23可以形成外壳40，用来容纳该能量变换系统10的剩下部件的一些或者全部(参见图5)。例如，典型的模拟电源可以包括另外的部件(未示出)例如保险丝、通断开关、整流器、电容滤波器和/或稳压器。根据本发明，这些部件或者至少一部分装在由磁芯23形成的外壳40内。这样，感应装置20以及包括能量变换系统10的其余部件在物理上受到保护和屏蔽，从而不会受到来自外部能源的电磁干扰和磁通量的侵入。
根据本发明的最广义的教导，外壳40可以大体上形成任意尺寸和形状。为了便于阐述和说明，当前优选的外壳40是一种大体上为在两端向周围环境打开的圆柱形外壳。如图6中所示，在其开口上可以固定有板41、42，以提供额外的物理保护和屏蔽，从而不受来自外部能源的电磁干扰和磁通量的侵入。
如上所述，在
图1中所示的能量变换系统10的其余部件包括整流器12、电容滤波器13和稳压器14。这些部件中的每一个在本领域都是公知的并且可以根据该能量变换系统10的规定设计参数以及根据本发明的教导以任意已知的形式或组合使用。例如，整流器12可以是一种采用了单个二极管的半波整流器，用来将正弦输入波形变换成一种单向但不恒定的波形，或者该整流器可以是一种包括两个半波整流器的全波整流器。同样，电容滤波器13可以是一种分开跨接负载L的简单电容器，以便降低脉动电压，或者是一种更有效的电容输入滤波器或者扼流圈输入滤波器，其中采用了一个以上无源元件。稳压器14可以是齐纳二极管、包括差动放大器和通过晶体管的分散部件的组合、单片稳压器例如固定电压稳压器的摩托罗拉MC7800C系列或者许多不同开关稳压器中的一种。这些实施例只是用来举例说明可以与根据本发明的教导的感应装置结合来形成新颖的能量变换系统的许多类型整流器、滤波器和稳压器中的一小部分，而不是穷举。
在本发明另一个方面中，一种制作能量变换系统的方法包括以下步骤形成多根金属线的磁芯；沿着磁芯的长度设置至少一个电绕组；将该电绕组连接在外部电源和至少一个无源元件上；并且将该无源元件连接在外部负载上。
根据该方法，图7a显示出通过将从线轴架(未示出)中拉出的多根金属线51聚集在一起形成束52并且用刀K等将该金属线束切成预定长度的步骤。通过条带53等将所得到的磁芯50紧固在一起。要知道的是，从线轴架中拉出的多根金属线51可以具有相同的直径或者可以是不同直径的组合。如上所述，不同直径金属线的使用使得磁芯能够更加密集地组装，从而提高了其磁特性。
根据当前优选的方法，随后将至少一个电绕组54设置在该磁芯50上。该电绕组可以通过根据现有技术将金属线卷缠绕在心轴上以便滑落在磁芯上来形成。但是，根据当前优选实施例的重要方面，电绕组54直接缠绕在磁芯50上，如在图7b中的箭头A所示一样。优选的是，该电绕组54以圆形的方式在磁芯50上的这种直接设置由于消除了在现有技术制造方法中的步骤，所以提供了一种更加有效且更加经济的制造方法。
另一个优点在于，通过将电绕组54直接缠绕在磁芯50上，从而该电绕组有助于将形成该磁芯的金属线牢牢地绑在一起，从而提供多种机械和电子方面的优点。这些优点包括磁电耦合更紧、效率更高并且来自磁芯50的振动噪音降低。
图7c显示出根据本发明形成磁芯的一可选方法。在该可选方法中，磁芯55是将一根和多根金属线56输送给绕线器W来形成的。由于这种类型的绕线器W可以具有非常高的速度，所以实际上就可以使用细金属线来形成磁芯55。但是，人们也可以使用具有不同直径的多种金属线，这些金属线被设计成一定尺寸，被布置成紧密地组装并且同时被拉伸成所需形状。从绕线器W中拆除多根金属线56，切割成预定长度并且如图7d中所示拉直。通过在切断之前使缠绕的金属线适当地变形，从而这些端部将是基本上方形的，或者该绕组套箍可以具有基本上形成三角形横断面的直边。如在图4a中所示的优选方法中一样，条带53等将多根金属线56紧固在一起，从而形成磁芯55。
随着电绕组54在该优选磁芯50上固定，在该优选方法中的下一步是通过将从磁芯50中延伸出的多根金属线形成在电绕组54周围，以包裹着该绕组并且形成完整的磁路从而屏蔽该导电装置。图7e显示出形成多根金属线51的一种方式，例如通过使用一对锥体C来使这些金属线大体上径向地伸展。然后使用传统的装置来使这些金属线51完全形成在电绕组54周围上，从而形成大体上如图2中所示的屏蔽。
本领域的普通技术人员将认识到，感应装置的磁芯优选形成完整的磁路。如在图2和3中所最清楚地所示一样，从磁芯23中延伸出来的多根金属线在电绕组25、26周围上的成形使得金属线的端部接触。根据本发明的方法，这些金属线24优选被制备成具有清洁的端部；然后当金属线的端部接触时，它们通过条带27被紧固在一起。或者，该条带27可以与横向缠绕在装置20周围的细铁丝或钢丝结合或由它代替，或者通过涂有环氧树脂或胶水的磁性金属被加强。
除了提供所要求的完整磁路之外，可以看出，整个感应装置例如变压器20因此由形成屏蔽28的金属线24所覆盖。因此，根据本发明的方法制成的装置可以用于电嘈杂环境中而不会对周围部件造成负面影响或者受到周围部件的负面影响。
因此要理解的是，本发明提供一种用于制作能量变换系统10的高效方法，该系统具有带有由多根金属线24形成的磁芯23的变换装置20。应该理解的是，本发明的变换装置20的芯线24可以由基本上相同的硅钢和其它用于传统磁芯的钢制成。另外，如在当前例如希望使用晶粒取向硅钢的冲压板中所发现的一样，拉伸该金属线的过程产生出相同理想的并且沿着正确方向的晶粒结构。本发明的金属线将涂有涂层以相互电绝缘，从而降低涡流，并且这些金属线的直径可以选择以便降低涡流。
为了阐述和说明已经给出了本发明优选实施例的以上说明。上述说明并不打算穷举或者将本发明限制在所披露的精确形式上。在上述教导的启示下，可以有许多显而易见的改进或变化。所选的并且所描述的优选实施例提供了本发明原理及其实际应用的最佳说明，从而使得本领域的普通技术人员能够以各种实施例使用，并可采用适用于所考虑的具体用途的各种改进来利用本发明。所有这些改进和变化都包含在由附属权利要求限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种能量变换系统，包括与一外部交变电流源相连的输入端；变换装置，具有由多根金属线形成的磁芯，每根金属线具有第一和第二端部，所述变换装置与所述输入端电连接；以及至少一个与所述变换装置电连接并用来接纳至少一个外部负载的输出端。
2.如权利要求1所述的能量变换系统，其特征在于，所述变换装置包括具有至少两个包围着所述磁芯的电绕组和至少一个整流器的变压器；并且所述多根金属线的所述第一和第二端部围绕着所述至少两个电绕组延伸并且连接在一起，从而包裹着所述磁芯以及所述至少两个电绕组并形成完整的磁路。
3.如权利要求2所述的能量变换系统，其特征在于，还包括至少一个用于使所述至少一个整流器的输出平滑的滤波器。
4.如权利要求3所述的能量变换系统，其特征在于，还包括至少一个稳压器，用于与所述至少一个外部负载或所述交变电流源中的变化无关地将所述至少一个滤波器的输出基本上保持在预定的电压电平处。
5.如权利要求4所述的能量变换系统，其特征在于，所述磁芯形成一外壳；并且所述至少一个整流器、滤波器或稳压器中的至少一个设置在所述外壳内。
6.如权利要求2所述的能量变换系统，其特征在于，所述磁芯形成外壳；并且所述至少一个整流器中的至少一个设置在所述外壳中。
7.如权利要求6所述的能量变换系统，其特征在于，所述外壳在第一和第二端部处向周围环境打开；并且第一和第二板覆盖所述端部，由此从所述变压器中发出的磁通量基本上接纳在其中并且显著减小了来自外部来源的电磁干扰和磁通量的侵入。
8.如权利要求7所述的能量变换系统，其特征在于，还包括横向缠绕在所述多根金属线的至少所述第一和第二端部上的金属线，从而进一步接纳从该系统中发出的磁通量并且减小来自外部来源的电磁干扰和磁通量的侵入。
9.如权利要求2所述的能量变换系统，其特征在于，所述变换装置包括用于控制输出的相位和频率的开关装置，所述频率从极低的频率至低频无线电频率。
10.一种能量变换系统，包括与一外部交变电流源相连的输入端；变压器，具有由具有第一和第二端部的多根金属线形成的磁芯和两个包围着所述磁芯的电绕组，所述变压器与所述输入端电连接；与所述变压器连接的整流器；以及与所述整流器电连接并用来接纳至少一个外部负载的输出端。
11.如权利要求10所述的能量变换系统，其特征在于，所述多根金属线的所述第一和第二端部在所述电绕组上延伸并且连接在一起，从而包裹并屏蔽所述磁芯和所述电绕组并且形成完整的磁路，由此从所述变压器中发出的磁通量就基本上接纳在其中并且显著减小了来自外部来源的电磁干扰和磁通量的侵入。
12.如权利要求11所述的能量变换系统，其特征在于，还包括用于使所述整流器的输出平滑的滤波器。
13.如权利要求12所述的能量变换系统，其特征在于，还包括有稳压器，用于与所述外部负载或所述交变电流源中的变化无关地将所述滤波器的输出基本上保持在一定程度上。
14.如权利要求13所述的能量变换系统，其特征在于，所述磁芯形成外壳；并且所述整流器、滤波器或稳压器中的至少一个装在所述外壳内。
15.如权利要求10所述的能量变换系统，其特征在于，所述磁芯形成外壳；并且所述整流器中设置在所述外壳中。
16.如权利要求15所述的能量变换系统，其特征在于，所述外壳在第一和第二端部处向周围环境打开；并且第一和第二板覆盖在所述端部上，从而进一步接纳从该系统中发出的磁通量并且减小电磁干扰和来自外部来源的磁通量的侵入。
17.如权利要求16所述的能量变换系统，其特征在于，还包括横向缠绕在所述多根金属线的至少所述第一和第二端部上的金属线。
18.一种制造能量变换系统的方法，包括以下步骤形成多根由金属线组成的磁芯；沿着磁芯的长度设置至少一个电绕组；将所述至少一个电绕组连接在外部交变电源和至少一个无源或有源元件上；将所述至少一个无源或有源元件连接在至少一个外部负载上；将所述多根金属线形成在所述至少一个电绕组上，以包裹该绕组并且形成完整的磁路。
19.如权利要求18所述的用于制造能量变换系统的方法，其特征在于，形成多根金属线的磁芯的步骤包括使第一组金属线聚集；并且将所述第一组金属线绑成基本上平行的金属线束，从而所述金属线束形成外壳。
20.如权利要求19所述的用于制造能量变换系统的方法，其特征在于，还包括将所述至少一个无源元件安装在所述外壳内的步骤；并且其中沿着所述磁芯的长度安装所述至少一个电绕组的步骤包括将所述至少一个电绕组直接缠绕在所述磁芯上。
全文摘要
一种能量变换系统，它利用了一种感应装置，该装置具有由多根延伸穿过该感应装置并延伸到器电绕组外面的金属线形成的磁芯。这些金属线的端部围绕着所述电绕组接触并且连接在一起，从而包裹着所述磁芯和绕组，以形成完整的磁路。感应装置可以为用在电源变换器和其它具有两个或多个绕组的装置中的变压器，用在镇流器、电源、变换器或其它感应装置中并仅具有一个绕组的扼流圈。该能量变换系统还可以包括整流器、滤波器和稳压器、所谓的模拟系统或如在开关模式系统中一样的部件。在该能量变换系统的一个实施例中，可以将整流、过滤或稳压部件或其它部件中一个或全部设置在由磁芯形成的外壳中，从而提供物理保护和屏蔽，以防止来自外部能源的电磁干扰的侵入。
文档编号H01F3/00GK1415111SQ00817994
公开日2003年4月30日 申请日期2000年12月27日 优先权日1999年12月28日
发明者哈里·R·巴斯韦尔 申请人:哈里·R·巴斯韦尔