电流变压器单元的制作方法与工艺

本发明涉及高压电流变压器单元。在具体应用中，本发明涉及在用于测量高压环境中的电气参数的传感器中使用的变压器单元。

背景技术：
在高压环境中存在许多需要高度绝缘但精确且快速地测量电气参数(诸如电压、电流、频率和功率)的应用，以进行控制和驱动或者简单地用于监控。一种示例是用于铁路机车的电气设备，该机车被供应以处于3000V左右的电压下的电流。在许多这些应用中，测量信号需要被传送到处于低压环境下的电气回路，以进行控制和/或显示。在某些应用中还期望从位于低压环境中的电源向传感器提供电力。功率和信号从高压环境向低压环境的传送需要与最大可能压差和可适用标准相当的在高压回路与低压回路之间的绝缘，以避免局部放电并且在一些情况下电跟踪。在欧洲专利申请1659413中描述了包括用于高压应用的变压器的传感器，其中测量信号经由光纤传输从高压至低压传送，而用于传感器的电源通过绝缘变压器系统进行传输。该绝缘变压器包括三个变压器铁芯，该三个变压器铁芯由导体绕组/线圈互连，所述导体绕组/线圈通过U形端子形成，该U形端子安装在具有导电回路迹线的电路板，该导电回路迹线将U形端子的端部互连，以闭合绕组环，因此形成线圈。在欧洲专利申请2144070中描述了另一传感器，该传感器用于在高压环境下测量电气参数，该传感器包括用于高压应用的绝缘变压器。变压器通常包括磁芯和变压器线圈。在许多变压器中，存在第一线圈和第二线圈，该第一线圈和第二线圈绕磁芯卷绕，这些线圈借助绝缘层与磁芯分离。绝缘层不仅防止因磁芯的尖锐角部或者粗糙边缘而对线圈线上的绝缘层造成损害，而且提供介电分离，该介电分离将耐受因变压器要采用的压差而导致的电介质故障。在高压应用中，可能存在局部放电的现象，该局部放电会最终导致电介质故障或者具有对变压器的性能的负面影响，诸如对于从一个变压器线圈到另一个变压器线圈的电信号传输的保真度，所述高压应用可被考虑为压差大于1000伏的应用，即使在线圈和磁芯之间无介电分离的故障的情况下也是如此。局部放电的问题随着变压器线圈之间或者线圈和磁芯之间的压差的增大而增大。在高压变压器的通常构造中，介电层(诸如塑料层)抵靠磁芯定位并且围绕该磁芯，并且变压器线圈在介电层的正上方卷绕磁芯。然而这导致在线圈绕组的部分和介电层之间的小空间或空隙的存在，借此介电层中的小空隙是容易产生局部放电的部位。克服该问题的一种方式是利用具有与介电层的特性类似特性的介电材料填充小空隙。这通过以下方式来实现，即：在卷绕变压器的环境中施加真空以抽出空气，然后绕线圈注射聚合物或其它介电材料，所述材料在绕组之间被引导并且基本上填充所述空隙。然而，该过程的执行困难且成本高。克服局部放电的问题的另一方式是增加介电层厚度，然而，这导致装置具有更大的体积、质量和成本。而且，在许多应用中，可能存在有限的空间和鉴于它们在产品中的组装而需要减小某些部件的尺寸。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于高压应用的变压器单元，该变压器单元经济、紧凑并且在经过一定的时间和应用中呈现出稳定和可靠的性能。有利的是提供一种用于高压应用的变压器单元，该变压器单元容易生产和组装。有利的是提供一种变压器单元，该变压器单元紧凑以用于有限的空间应用中，但仍能可靠地承受高压差。有利的是提供一种变压器单元，该变压器单元能够以紧凑的构造传送电力和数据。本发明的目的通过提供一种电流变压器来实现。本文公开了一种变压器，该变压器包括介电壳体、磁芯以及在所述壳体周围卷绕的变压器线圈。所述壳体限定磁芯收纳腔，所述磁芯安装在所述磁芯收纳腔中。所述壳体还包括定位部，所述定位部从所述壳体的壁突出到所述磁芯收纳腔中，所述定位部构造成将所述磁芯定位在所述磁芯收纳腔中，以在所述磁芯和所述变压器线圈之间形成介电空间。该介电空间构造为用于消除或者减小局部放电。在有利的实施方式中，所述磁芯和所述变压线圈之间的通过所述介电空间的最小空气距离具有这样的长度，该长度大至足以将该空间中的电场强度限制至小于2.5kV/mm的值。在有利的实施方式中，所述定位部在所述磁芯收纳腔中设置在所述线圈绕组区域的外部。所述定位部可以抵靠定位在所述磁芯收纳腔中的所述磁芯被弹性压缩。所述定位部可以与所述壳体一体地形成。所述定位部可以包括布置在所述内侧壁和所述外侧壁上的侧壁间隔件、布置在所述底壁上的底壁间隔件、以及布置在所述顶壁上的顶壁间隔件。所述线圈绕组区域优选地在一扇形角的范围内围绕所述磁芯延伸，所述扇形角小于180°，优选地小于120°。在有利的实施方式中，所述定位部可以包括以可弹性偏转的悬置臂或其它可弹性偏转元件形式位于顶壁和/或底壁上的间隔件。所述悬置臂可以有利地包括构造成当抵靠所述磁芯接触和被偏压时沿预定方向偏转所述臂的倒圆末端和/或倾斜度。所述定位部还可以包括呈轴向延伸肋形式的侧壁间隔件。所述肋可以有利地包括渐缩或倒圆的插入进入部。所述壳体可以有利地包括绝缘壁部，所述绝缘壁部定位在中央通道中并且构造成使所述第一线圈与所述第二线圈电绝缘。在特定实施方式中，本发明还包括一种变压器单元，所述变压器单元包括第一变压器和第二变压器，其中所述壳体是包括第一芯收纳腔和第二芯收纳腔的单个壳体，所述第一芯收纳腔和所述第二芯收纳腔由内分离壁分离，每个腔收纳相应的磁芯。在具体应用中，所述变压器单元可以构造成使用在用于高压应用的电流或电压传感器中，借此，所述第一变压器构造成传送数据或信号，并且所述第二变压器构造成传送用于电流或电压传感器的电力。附图说明从所附的权利要求书、详细说明以及附图将清楚本发明的其它目的和有利特征，其中：图1是根据本发明的变压器单元的实施方式的立体图；图2是根据图1的变压器单元的壳体的基部的立体图；图3是根据图1的实施方式的变压器单元的俯视图；图4是根据图1的实施方式的变压器单元的端视图；图5是沿着图3的线Ⅴ-Ⅴ的剖视图；图6是沿着图3的线Ⅵ-Ⅵ的剖视图；图7是图2的基部的俯视图，还示出了绕圈绕组区域；图8是沿着图7的线Ⅷ-Ⅷ的剖视图；图9是沿着图7的线Ⅸ-Ⅸ的剖视图；图10是根据图1的实施方式的壳体的盖部的俯视图，还示出了线圈绕组区域；图11是图10的盖部的侧视图；图12是沿着图10的线Ⅻ-Ⅻ的剖视图；以及图13是图10的盖部的下侧的立体图。具体实施方式参照附图，根据本发明的具体实施方式的变压器单元1包括两个变压器3、3’。其中一个变压器3用于从高压侧向低压侧传送呈信号形式的数据，并且另一个变压器3’用于从低压侧向高压侧传递电力。所示的具体实施方式可以有利地用于电流感测应用中，以测量高压系统中的电流或电压，其中用于传送电力的变压器3’用于向位于高压侧的测量传感器回路供应电力。然而本发明不局限于所示的具体实施方式的双重变压器构造。两个变压器3、3’在所示的实施方式中结合成单个单元，然而，在变型例中，每个变压器均能够与另一个变压器形成分离单元，具体地通过提供用于每个变压器铁芯的分离壳体或隔离支撑件来进行分离。本发明还包括用于电力传送或数据传送的单个变压器构造。除了本发明的针对所示的双重变压器构造的方面之外，还应理解参照附图的下列详细说明适用于单个变压器。变压器3、3’包括壳体6、磁芯10、10’以及变压器线圈12、12’，如在图5和图6中最佳可见的。变压器线圈12、12’至少包括第一线圈34、34’和第二线圈36、36’。第一线圈34、34’和第二线圈36、36’均覆盖壳体6上的线圈绕组区域或者扇区(CH1、CL1、CH2、CL2)，如图3、7和10所示的。各线圈34、34’、36、36’均包括由导电材料制成的线37。壳体6包括盖部14和基部16，所述盖部14和基部16组装在一起并且通过固定装置以闭合构造附接，所述固定装置可以包括以闩锁的方式彼此接合的闩锁件13a、13b，或者可以包括诸如粘合结合或焊接的其它装置。所述壳体在其内侧包括芯定位部8。所述壳体还可包括单元固定部9，所述单元固定部例如呈闩锁臂的形式，以将所述单元固定在电路板上或者其它外部支撑件或装置上。所述壳体还可包括线圈端部固定柱11，以用于固定线圈的端部，从而形成变压器线圈12、12’。所述壳体的部分14和16可以形成为分离部件或者形成为单个部件，具体地通过注射成型而形成。在后一变型中，所述部分可以借助一个或多个一体形成的柔韧的或可折断腹板保持在一起，以允许所述部分从打开位置移动到关闭组装位置，在所述打开位置，磁芯能够被插入壳体中。在图中所示的实施方式中，壳体6被设计成双壳体6，该双壳体构造成收纳两个磁芯10、10’，然而，如以上所提及的，在本发明的范围内，壳体6能够构造成仅收纳一个单个磁芯10、10’。盖部14包括顶壁26，如图13所示。在组装电流变压器1的第一步骤期间，磁芯10、10’定位在基部16中。在第二步骤期间，盖部14经由固定装置13a、13b附接到基部16，如图6所示。在附接盖部14之后，形成第一和第二线圈34、34’、36、36’的线在壳体6周围进行卷绕，其中线圈线的端部被固定在线圈端部固定柱11上。所述壳体包括磁芯收纳腔20、20’。磁芯收纳腔20、20’由底壁24、内侧壁28、28’、外侧壁30、分离壁32以及顶壁26限定，所述内侧壁还限定中央通道22、22’。磁芯收纳腔20、20’具有构造成收纳磁芯10、10’的形状，在所示的实施方式中，所述磁芯呈圆环的形状。然而磁芯和对应的收纳腔可以具有其它规则或非规则闭合形状，例如，椭圆、矩形、方形、多边形和类似形状。单元固定部9、固定装置13a、13b以及线圈端部固定柱11可以有利地与壳体一体地形成，具体地与基部16一体地形成，例如通过注射成型一体地形成。单元固定部9可以例如接合在互补固定部(例如孔)中，所述互补固定部设置在电路板上或者其它外部支撑件或装置(未示出)上。磁芯10、10’抵靠定位部8定位在壳体收纳腔20、20’内。定位部有利地从壳体的壁一体地延伸，该定位部8包括侧壁间隔件40、底壁间隔件42和顶壁间隔件44，如在图2、6、7、8、9、12和13中最佳可见的。在变型例中，定位部8可以形成为分离部件或者元件，并且包括侧壁间隔件40、底壁间隔件42和顶壁间隔件44，这些间隔件在将磁芯插入收纳腔中之前组装在壳体收纳腔中或者能够安装在磁芯上。在另一变型例中，分离的部件或者元件可以包括两个构件，第一构件包括侧壁间隔件40和底壁间隔件42，第二构件包括顶壁间隔件44。这样的分离部件将间隔件40、42、44互连并且在磁芯10、10’和盖部14安装之前被放置在磁芯收纳腔20、20’内。在本发明的实施方式中，侧壁间隔件40和底壁间隔件42与基部16一体地形成，并且顶壁间隔件44与盖部14一体地形成。间隔件40、42、44由与盖部14和基部16相同的材料制成。在变型例中，例如，在两个部件注射成型过程中，可以使用不同的材料来形成间隔件40、42、44以及基部16/盖部14。侧壁间隔件40呈轴向延伸肋的形式，该轴向延伸肋具有渐缩或倒圆插入端部35，当盖部14未被安装在基部16上时，所述插入端部35朝向盖部14或者基部16的敞开端。圆形插入端部35在图2和8中最佳可见。圆形端部35引导磁芯10、10’在磁芯收纳腔22、22’中的插入。轴向延伸A是指与中央通道22、22’的轴线对应的方向，或者是垂直于顶壁26或底部24的方向。在变型例中，轴向延伸肋可以具有渐缩形状，并且构造成在所述磁芯10、10’被安装在磁芯收纳腔20、20’中并且将盖部组装到基部时以楔形的方式接合所述磁芯10、10’。外侧壁30优选地包括至少三个侧壁间隔件40(每个磁芯)，但可能包括四个或更多，这些侧壁间隔件有利地呈轴向延伸肋的形式。当被插入磁芯收纳腔20、20’中时，磁芯10、10’安放抵靠着底臂间隔件42和顶壁间隔件44。在有利的实施方式中，位于顶壁和/或底壁上的至少一组间隔件呈具有倒圆末端39的倾斜或渐缩悬置臂37的形式，如图6、8和13所示。位于顶壁和/或底壁上的一组间隔件对于每个磁芯优选地包括至少三个间隔件。在所示的实施例中，顶壁26和底壁24包括六个顶壁间隔件44，这六个顶壁间隔件相对于穿过中央通道22、22’的中央轴线轴向对称地布置。底壁24包括六个底壁间隔件42，这六个底壁间隔件相对于穿过中央通道22、22’的中央轴线轴向对称地布置。清楚的是，能够选择不同数量间隔件42、44，以将磁芯10、10’固定地定位在磁芯收纳腔20、20’中。在有利的实施方式中，底壁24和顶壁26对于每个接纳腔均包括分别对应于三个顶壁间隔件44的至少三个底壁间隔件42。磁芯10、10’以压力配合或弹性夹持的方式定位在磁芯收纳腔20、20’中。底壁间隔件42和/或顶壁间隔件44的倒角末端39有利地便于在这些间隔件与磁芯10、10’接合时使这些间隔件弹性弯折，倒圆末端构造成在被组装在壳体中时在磁芯10、10’上施加弹性偏压力以消除游隙并吸收冲击和震动。定位部8可以具有构造成以弹性压力配合或夹持方式接合磁芯10、10’以消除游隙并且将磁芯10、10’布置在收纳腔中的其它形状。取代以弹性方式成形定位部8，该定位部可以包括诸如弹性体的弹性可压缩材料。定位部8确保供变压器线圈12、12’被形成抵靠和围绕的磁芯10、10’和壳体壁之间的空气空间15、15’的形成。在磁芯和变压器线圈之间非常大的空间(以在常规变压器中发现的不想要的小空隙相对的措施)的设置消除或减小了局部放电的出现，局部放电原本地会存在于位于铁芯和线圈之间的固体介电材料通道中的小气隙中。常规系统中的这样的局部放电恶化材料的使用和/或不利地影响变压器信号。在本发明中，磁芯10、10’和变压器线圈12、12’之间的通过所述介电空气空间15、15’的最小空气距离具有这样的长度，该长度大至足以将所述空间中的电场强度限制为小于2.5Kv/mm的值，如由变压器的第一和第二线圈34、34’、36、36’之间的压差、外壳的壁部的厚度以及外壳材料的相对介电常数来限定。在有利的实施方式中，在由线圈绕组区域(CH1、CL1、CH2、CL2)围绕的不间断的空间区域中，设置在磁芯收纳腔20、20’内的介电空气空间15、15’完全和连续地围绕磁芯10、10’，如在图5中最佳可见的。在该区域中的介电空气空间15、15’没有间断部，定位部8(即顶壁间隔件44、底壁间隔件42和侧壁间隔件40)设置在线圈绕组区域(CH1、CL1、CH2、CHL2)的外部。线圈绕组区域以扇形角β1、β2、β3、β4绕闭合环磁芯延伸，所述扇形角可以小于180°，优选地小于120°。在有利的实施方式中，不间断的空间区域绕磁芯延伸超过线圈绕组区域(CH1、CL1、CH2、CL2)，这对于圆形构造意味着由不间断的空气空间区域占据的扇形角度大于相应的覆盖线圈绕组区域(CH1、CL1、CH2、CHL2)的角度。第一和第二线圈34、34’、36、36’由绝缘壁部18、18’分离。绝缘壁部18、18’可以有利地与壳体一体地形成并且延伸经过中央通道22、22’。绝缘壁部18、18’在分别连接到高压和低压的第一和第二线圈34、34’、36、36’的最接近定位部分之间提供良好限定的固体介电分离。在图5和6中所示的实施方式中，磁芯具有大体上矩形的横截面形状。在本发明的范围内，磁性回路还可以包括其它截面形状，诸如方形、圆形、椭圆形、卵形、多边形或不规则形状。壳体的基部和盖部能够具有不同的形状，或者具有相同或类似的形状，例如绕磁芯夹持在一起的两个类似或相同壳体部。定位元件或间隔元件还可以因而具有不同的形状并且绕磁芯收纳腔定位在不同位置中以将磁芯稳固地保持和定位在壳体内，使得在磁芯和壳体壁之间在供变压器线圈所围绕的区域中产生介电空间。