半混合变压器芯的制作方法

本公开涉及变压器芯，特别是将部分非晶钢与部分晶粒取向钢结合的半混合变压器芯。

背景技术：

在过去的几十年中，全世界社会已经共同努力来降低全球变暖的风险。不幸的是，这个问题没有唯一解决方案。因此，在未来几十年，能量效率将会是降低碳排放和对抗全球变暖的关键因素。发电工业和输配电工业(t&d)产生了社会中的大部分能量损耗。仅在t&d系统中的损耗就是所传输的t&d能量的全球平均值的10％。

因此，存在对于能量高效使用、电力基础设施的能量效率和可再生资源的投资的需要。开发一种使用电力的高效系统可以使得与目前情况相比能够更大规模地使用呈电能形式的一次能源。

占据总t&d损耗的至少三分之一的变压器和分流电抗器通常是电力系统中最昂贵的部件，并且因此这些电力装置的高效设计可以降低t&d损耗。

ep2685477公开了一种混合变压器芯。该混合变压器芯包括非晶钢的第一轭和非晶钢的第二轭。该混合变压器芯还包括在第一轭与第二轭之间延伸的至少两个晶粒取向钢的支柱。有利的是，该混合变压器芯提供了针对细化磁畴钢(domainrefinedsteel)的改进，从而允许比目前使用的钢板更薄的钢板。在变压器中的非晶各向同性芯材料与高度各向异性和细化磁畴钢的结合是能量高效的。

然而，仍然需要一种改进的变压器设计。

技术实现要素：

鉴于上述内容，本发明的目的是提供一种导致低损耗的改进的变压器设计。

根据第一方面，提供了一种变压器芯。变压器芯包括第一轭和第二轭。变压器芯包括在第一轭与第二轭之间延伸的至少两个支柱。第一轭由晶粒取向钢制成。以下中的至少一个由非晶钢制成：第二轭、以及该至少两个支柱中的一个支柱。

有利的是，与两个轭均由非晶材料制成的变压器芯相比，该变压器芯具有更简单的制造工艺。

有利的是，与两个轭和所有支柱均由晶粒取向钢制成的传统变压器芯相比，该变压器芯具有10-15％量级的损耗减少。损耗的减少主要是由于两个原因；首先，在变压器芯的某些部分中使用非晶钢，并且其次是由于与轭和支柱之间的接头均由晶粒取向钢制成相比，在轭和支柱之间的接头中的一个接头由晶粒取向钢制成并且另一个接头由非晶钢制成的情况下，轭和支柱之间的接头中具有更好的通量分布。非晶钢通常具有相对低的损耗，与晶粒取向钢相比约为30％。

有利的是，该变压器芯与轭和所有支柱均由晶粒取向钢制成的变压器芯相比具有更高的效率，并且与两个轭均由非晶材料制成的变压器芯相比具有更低的生命周期成本和直接成本。

根据第二方面，提供了一种用于制造根据第一方面的变压器芯的方法。该方法包括：放置第二轭，并且以水平取向将至少两个支柱附接到第二轭，以形成初始布置。该方法包括：将初始布置提升到竖直取向，并且将绕组放置在至少两个支柱中的至少一个支柱上，以形成中间布置。该方法包括将第一轭附接到至少两个支柱。

有利的是，这是用于根据第一方面的处理器芯的有效制造过程。

一般而言，在权利要求中使用的所有术语应当根据本技术领域中的普通含义来解释，除非本文另外清楚地限定。所有术语“一/一个/该元件、设备、部件、装置、步骤等”应当被开放地解释为表示该元件、设备、部件、装置、步骤等的至少一个示例，除非明确地相反声明。在此公开的任何方法的步骤不必以公开的确切顺序执行，除非明确地声明。

附图说明

现在将参考附图、通过实施例来描述本公开，其中：

图1至图8示出了根据实施例的变压器芯；以及

图9是用于图1至图8中任何一个图中的变压器芯的制造方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图来更全面地描述本公开，在附图中示出了本公开的某些实施例。然而，本公开可以以许多不同的形式实施，并且不应解释为限于本文阐述的实施例；相反，这些实施例以示例的方式提供，使得本公开将是彻底和完整的，并且将本公开的范围完全传达给本领域的技术人员。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的部件。

一般而言，变压器通常用于通过电感耦合导体从一个电路向另一个电路传递电能。电感耦合导体由该变压器的线圈限定。第一绕组或初级绕组中的变化的电流在变压器的芯中产生了变化的磁通量，并且因此产生通过次级绕组的变化的磁场。

一些变压器、诸如用于工频或音频的变压器，通常具有由高磁导率的硅钢制成的芯。这种钢的磁导率是自由空间的磁导率的许多倍，并且因此该芯用于显著减小磁化电流以及将通量限制到与绕组紧密耦合的路径。

图1是根据实施例的变压器芯1a的透视图。变压器芯1a的竖直部分(绕组被缠绕在该竖直部分上)通常称为支柱(limbs)或腿(legs)3a、3b，而且变压器芯1a的顶部和底部通常称为轭2a、2b。

在常见的混合变压器芯中，轭2a、2b由非晶钢制成，而支柱3a、3b由晶粒取向芯钢制成。通常，磁芯包括薄硅钢叠片的堆叠。对于50hz变压器，叠片典型地在约0.17-0.35mm厚的量级。

本公开的实施例涉及变压器芯，特别是这种将非晶钢的部分与晶粒取向钢的部分结合的变压器芯。现在将更详细地描述图1的变压器芯1a。

该变压器芯1a包括第一轭2a和第二轭2b。第一轭2a由晶粒取向钢制成。第二轭2b由晶粒取向钢或非晶钢制成。

变压器芯1a包括至少两个支柱3a、3b。至少两个支柱3a、3b在第一轭2a与第二轭2b之间延伸。也就是说，支柱3a、3b被耦合到轭2a、2b。特别地，支柱3a、3b中的每个支柱的第一端4a、4b被耦合到第一轭2a的第一表面5a。支柱3a、3b中的每个支柱的第二端6a、6b被耦合到第二轭2b的第二表面5b。支柱3a、3b由晶粒取向钢或非晶钢制成。

特别地，以下中的至少一个由非晶钢制成：第二轭2b、以及至少两个支柱3a、3b中的一个支柱。因此，变压器芯1a可以被认为是半混合芯。

现在将公开第一轭2a的各方面。

正如上面公开，第一轭2a由晶粒取向钢制成。根据实施例，第一轭2a包括由晶粒取向钢制成的多个堆叠的支柱板。

根据实施例，第一轭2a是顶部轭(并且因此第二轭2b是底部轭)。也就是说，在变压器芯1a的操作期间，变压器芯1a被定向，使得第一轭2a被定位成竖直地高于第二轭2b。

现在将公开第二轭2b的各方面。

根据实施例，第二轭2b由非晶钢制成。

优选地，第二轭2b进一步由至少一个轭梁组成，每个轭梁包括由非晶钢制成的多个堆叠的轭板8，如图4所示。作为非限制性示例，取决于例如在设计中使用的轭板8的厚度，呈5至10个量级的轭板8(每个轭板8由非晶带限定)可以用于大致将叠片的厚度匹配晶粒取向钢的厚度。

堆叠的多个轭板8可以被胶合在一起。因此，第二轭2b可以被认为是胶合的封装，其中机械强度通过胶合获得。根据实施例，第二轭的尺寸根据它的饱和通量极限来确定。备选地，第二轭2b由晶粒取向钢制成。第二轭2b可以进一步包括由晶粒取向钢制成的多个堆叠的支柱板。

现在将公开支柱3a、3b的各方面。

可以有不同的方式来选择支柱3a、3b的材料。例如，支柱3a、3b可以由非晶钢或晶粒取向钢制成；支柱3a、3b中的至少一个支柱可以由非晶钢制成，并且支柱3a、3b中的至少另一个支柱可以由晶粒取向钢制成。也就是说，根据实施例，该至少两个支柱中未由非晶钢制成的那些支柱由晶粒取向钢制成。然而，备选地，所有支柱3a、3b都由晶粒取向钢制成。

支柱3a、3b的数目可以变化。此外，一些支柱可以被缠绕，并且一些支柱可以未被缠绕。图2示出了变压器芯1b，其中两个支柱3a、3b各自具有绕组11a、11b，从而形成被缠绕的支柱3a、3b。一般地说，变压器铁芯1b可以具有至少两个被缠绕的支柱3a、3b。图3示出了包括三个支柱3a、3c、3d的变压器芯1c。支柱3a放置在支柱3c、3d之间。因此，支柱3c、3d可以被认为是侧支柱。支柱3a具有绕组11a，从而形成缠绕的支柱3a。支柱3c、3d不具有任何绕组，因此形成未被缠绕的支柱3c、3d。一般而言，变压器芯1c可以具有设置在两个未被缠绕的支柱3c、3d之间的至少一个被缠绕的支柱3a。

可以有不同的方式来选择支柱3a、3b、3c、3d中的哪个支柱由非晶钢制成，以及支柱3a、3b、3c、3d中的哪个支柱由晶粒取向钢制成。支柱是由非晶钢制成还是由晶粒取向钢制成可以取决于该支柱被缠绕还是未被缠绕。例如，被缠绕的支柱3a、3b可以由晶粒取向钢制成。因此，根据至少两个支柱3a、3b、3c、3d中的至少一个支柱被缠绕的实施例，被缠绕的所有支柱3a、3b都由晶粒取向钢制成。例如，未被缠绕的支柱3c、3d可以由非晶钢制成。因此，根据至少两个支柱3a、3b、3c、3d中的至少一个支柱未被缠绕的实施例，未被缠绕的所有支柱3c、3d都由非晶钢制成。例如，侧支柱3c、3d可以由非晶钢制成。因此，根据至少两个支柱3a、3b、3c、3d中的两个支柱是侧支柱3c、3d的实施例，侧支柱3c、3d由非晶钢制成。然而，使用由非晶钢和晶粒取向钢制成的支柱3a、3b、3c、3d的其它组合也是可能的。

例如，由晶粒取向钢制成的每个支柱3a、3b可以包括由晶粒取向钢制成的堆叠的多个支柱板10。图5示出了具有多个支柱板10的支柱3a、3b。多个支柱板10优选地被胶合或结合。

在图2和图3的图示中，在每个被缠绕的支柱3a、3b上存在单个绕组11a、11b。然而，如本领域技术人员所理解的，在每个被缠绕的支柱3a、3b上可以存在至少两个绕组11a、11b(诸如三个绕组11a、11b)。因此，每个绕组11a、11b应当被解释为表示至少一个绕组。

现在将公开支柱3a、3b、3c、3d到轭2a、2b的附接的各方面。

可以存在将支柱3a、3b、3c、3d附接到轭2a、2b的不同方式。

根据实施例，所有支柱3a、3b、3c、3d使用阶叠型接头(step-lapjoint)被附接到轭2a、2b中的至少一个轭。通过进行接头的逐步移位，由于通量的交叉流动的最小化，可以减小支柱3a、3b、3c、3d与轭2a、2b之间的接头中的磁化损耗。在us4200854中和s.v.kulkarni,s.a.khaparde的"transformerengineering:designandpractice",crcpress,2004.2,chapter2,page39-41中提供了使用阶叠型接头将支柱3a、3b、3c、3d附接到轭2a、2b的示例。阶叠型接头可以被设计为使由晶粒取向钢制成的单叠片抵靠由非晶钢制成的单个带束，或者阶叠型接头可以具有抵靠由非晶钢制成的多个带束的、由晶粒取向钢制成的多个单叠片。

根据另一实施例，所有支柱3a、3b、3c、3d使用对接搭接接头(butt-lapjoint)被附接到轭2a、2b中的至少一个轭。在s.v.kulkarni,s.a.khaparde的"transformerengineering:designandpractice",crcpress,2004.2,chapter2,page39-41中提供了使用对接搭接接头将支柱3a、3b、3c、3d附接到轭2a，2b的示例。

可以是所有的支柱3a、3b、3c、3d使用阶叠型接头被附接到轭2a、2b两者，或者所有的支柱3a、3b、3c、3d使用对接搭接接头被附接到轭2a、2b两者。备选地，所有支柱3a、3b、3c、3d使用阶叠型接头被附接到轭2a、2b中的一个轭，并且使用对接搭接接头被附接到轭2a、2b中的另一个轭。一般而言，在性能损失方面，阶叠型接头可以优于对接搭接接头。然而，对于晶粒取向钢与非晶钢之间的接头以及对于非晶钢与非晶钢之间的接头，相比于晶粒取向钢与晶粒取向钢之间的接头而言，该差异是较小的。

现在将参照图9的流程图来公开用于制造根据以上公开的任何实施例的变压器芯1a、1b、1c的方法。平行参照图6、图7和图8，图6、图7和图8示出了变压器芯1a、1b、1c的示意性组装顺序。

该方法包括：放置(步骤s102)第二轭2b，并且将至少两个3a、3b、3c、3d中以水平取向附接到第二轭2b，以形成初始布置12a。

图6示出了由非晶钢制成的(底部)第二轭2b，第二轭2b设置在水平表面上、诸如在桌面13上。第二轭2b与水平表面上的由晶粒取向钢制成的三个支柱3a、3b、3c堆叠在一起，以形成初始布置12a。

该方法包括：将初始布置12a提升(步骤s104)到竖直取向，并且将绕组11a、11b放置在至少两个支柱3a、3b、3c、3d中的至少一个支柱上，以形成中间布置12b(即，绕组11a、11b被放置在待被缠绕的所有支柱3a、3b、3c、3d上)。

图7示出了在已经被提升(如由箭头14所示)以具有竖直取向之后的图6的初始布置12a。初始布置12a可以借助于芯保持装置15而被提升。然后，绕组11a被组装在支柱3a上以形成中间布置12b。

该方法包括将第一轭2a附接(步骤s106)到至少两个支柱3a、3b、3c、3d。

图8示出了当被提供(如由箭头16所示)有(顶部)第一轭2a以形成完整布置12c时的图7的中间布置12b。然后，从芯保持装置15移除完整布置12c。所示出的完整布置12c因此对应于图3的变压器芯1c。

本文公开的变压器芯可以设置在电抗器中。由此提供了一种电抗器，该电抗器包括如本文公开的至少一个变压器芯。

因此，根据图1-图8示意性示出的实施例的变压器芯同样可以是电抗器芯。一般而言，关于电抗器(电感器)，它们包括基本上仅设置有一个绕组的芯。在其它方面，如上文陈述的关于变压器的内容本质上也与电抗器相关。

电抗器可以是分流电抗器或串联电抗器。根据一个实施例，本文公开的变压器芯可以应用于具有利用空气作为支柱而没有电芯钢的电抗器。这种电抗器优选适用于kvar(无功伏安)至几mvar区域内的无功功率。根据另一个实施例，本文公开的变压器芯可以应用于具有带有空气间隙的(电)芯钢的电抗器支柱。这种电抗器优选适用于几mvar区域内的无功功率。

已经参照以上几个实施例大体描述了本公开。但是，正如本领域技术人员容易认识到的，不同于上述实施例的其它实施例同样可能在所附专利权利要求限定的本公开的范围内。例如，一般而言，由于非晶轭可以由平行宽度的现有非晶带构成，因此所公开的变压器芯不限于任何最大尺寸。