专利名称：用于固定的电磁设备的磁芯的制作方法
背景技术：
本发明的领域涉及变压器和/或电感器磁芯。变压器和/或电感器磁芯可以被廉价地制造并提供低功耗。另外，可以使用在高频时提供提高了效率的磁性材料容易地设计磁芯。
通常的现有技术的变压器和电感器磁芯包括装配成形成磁路环的铁磁性材料的层叠结构。这些磁路可以完全闭合或者可以包括空气隙。很多现有技术的变压器和电感器磁芯可以认为是叠积磁性材料的离散矩形片，离散的矩形片一起形成磁芯的整个形状。例如，磁芯可以采用由五个离散矩形磁芯件(具有闭合开口隙的片)构成的“E”型形式或者由四片离散矩形磁芯件(具有闭合开口隙的片)构成的“U”型。形成磁芯的替换方法是将磁性金属带卷绕到螺旋管形的环或者椭圆环。线圈绕组放置在磁芯上以完成电感器或者变压器。在图1A-D中示出现有技术的变压器和电感器磁芯的例子。
在构成变压器和电感器的磁芯中，磁芯的所有腿(包括连接两个线圈卷绕腿的任何连接部分)通常是相同的横截面积。这允许磁通线以尽可能小的损耗同等地穿过磁芯。不幸地是，这还意味着磁芯的连接部分大了且增加了磁芯的体积。因此有利的是提供这样的变压器和/或电感器磁芯，将其布置成使得可以减小电感器或者变压器的总尺寸。
对于非晶金属前期的和随后的研究已经使得很多人相信，和常规变压器和电感器相比，由非晶金属磁芯构成的变压器和电感器具有提供基本上较高效率和功率密度的潜力。尤其是，非晶金属显示出有希望的低损耗特性，使得很多人相信非晶金属的磁芯将产生具有增加效率的变压器或者电感器。然而，已经证明很难高效地制造单相或者多相非晶金属变压器和电感器磁芯。尤其是，非晶金属容易碎并且很难处理和制成所需的形状。将非晶金属制成带状，在制造过程中通常将非晶金属缠绕成螺旋管环的带。因此，当用非晶金属磁芯构成变压器或者电感器时使用的最好实际形状是带缠绕的椭圆形状。将有利的是，为变压器和电感器提供替换形状的非晶金属磁芯。还将有利的是提供由非晶金属装配的电感器和/或变压器磁芯，使得磁芯具有低损耗特性并可以以低成本容易地制造。
发明内容
在电感器或者变压器中使用的可通电的磁芯包括从后轭(backyoke)延伸的多个腿。以布置成提供磁路的环来形成后轭。在一个实施例中，后轭由带缠绕的非晶金属材料构成。多个腿的每一个具有和后轭相邻的第一端和从后轭向外延伸的第二端。可以通过从后轭去除掉材料或者将材料附着到后轭形成多个腿。例如，如果后轭是非晶金属，则可以通过切割到后轭中并去除材料以形成腿或者将非晶材料的带缠绕部分附着到后轭形成腿，来形成每个腿。具有放置在后轭上的腿，和多个腿的每一个相邻地放置盖轭(cover yoke)。盖轭是由可通电的磁性材料构成的，例如非晶金属。盖轭还形成为环形，使得将盖轭布置成提供磁路。线圈放置在可通电的磁芯的腿上面。在一个实施例中，线圈形成用于单相或者三相电感器的绕组。在另一个实施例中，线圈形成用于单相或者三相变压器的初级和次级绕组。
可通电的磁芯部件可以由除了非晶金属之外的多种材料构成。例如，可通电的磁芯可以由除了非晶金属之外的传统铁磁材料或者改进的材料构成。而且，磁芯可以采用多种不同的形式。例如，可以在后轭、腿、盖轭或者和后轭、盖轭或者腿之间的连接中引入空气隙以增加磁芯中的磁阻。而且，后轭、腿和盖轭可以由材料的叠积条构成，如带缠绕材料，或者由铸模构成。在另一公开的实施例中，后轭和盖轭包括从轭延伸的腿和彼此相邻设置的腿的终端以形成完整的磁芯。
因此，公开一种和电感器或者变压器一起使用的可通电的磁芯。可通电的磁芯在尺寸上比传统的电感器和变压器小并获得了显著的成本节约。而且，在磁芯的构成中可以使用改进的材料，并提供具有小功耗的高效率的电感器或者变压器。
图1A-1D示出了用于变压器和电感器磁芯的多种典型现有技术的形状；
图2示出了用于电感器或者变压器的可通电磁芯的透视图，包括后轭和磁芯的腿；图3示出了图2的包括盖轭的磁芯的透视图；图4示出了图3的具有设置在磁芯的腿上的绕组的磁芯的透视图；图5示出了图4的具有设置在齿上的单相电感器绕组的磁芯的一部分的透视图；图6示出了图4的具有设置在齿上的三相电感器绕组的磁芯的一部分的透视图；图7示出了图4的具有设置在齿上的单相变压器绕组的磁芯的一部分的透视图；图8示出了图4的具有设置在齿上的三相变压器绕组的磁芯的一部分的透视图；图9示出了图4的具有设置在后轭上的相邻线圈的磁芯的一部分的透视图；图10示出了在0.4kHz时，多种软磁材料的磁芯损耗相对磁通密度的曲线图；图11示出了在1.0kHz时，多种软磁材料的磁芯损耗相对磁通密度的曲线图；图12示出了在2.0kHz时，多种软磁材料的磁芯损耗相对磁通密度的曲线图；图13示出了在0.5特斯拉时，多种软磁材料的磁芯损耗相对磁通密度的曲线图；图14示出了在1.0特斯拉时，多种软磁材料的磁芯损耗相对磁通密度的曲线图；图15示出了在1.5特斯拉时，多种软磁材料的磁芯损耗相对磁通密度的曲线图；图16示出了和图4的磁芯一起使用的几个典型腿。
具体实施例方式
用于固定的电磁设备的磁芯的一般描述这里公开一种和固定的电磁设备例如电感器和变压器一起使用的可通电磁芯。参考图4，示出了具有设置在磁芯上的至少一个绕组28的卷绕磁芯20。磁芯包括后轭22和通常平行于后轭设置的盖轭26。多个腿24在后轭22和盖轭26之间延伸。该至少一个绕组包括围绕多个腿24的每一个缠绕的多个独立线圈30。当电流流过至少一个绕组时该至少一个绕组28可以布置在磁芯20上以提供电感器或者变压器。
后轭22由可通电的软磁材料构成。例如，后轭可以由铁磁材料构成或者具有高磁导率的的其它材料构成。在一个实施例中，后轭由非晶金属或者其它改进的磁性材料(如随后在这里定义的)构成。如前面所讨论的，通常将非晶金属材料制造成环形缠绕的材料带。后轭的形状允许它便利地由这种非晶金属以带缠绕的环形形式构成。如图2所示，后轭22通常是盘状的，其具有外表面32和内表面34并限定了内腔36。后轭22形成完整的环并且，由于它的高磁导率，所以将它设计成提供保持磁通量的磁路。这里使用的术语“环”指的是能够提供磁路的磁性材料的环路布置。在一个实施例中，通过后轭提供的环可以在一些地方断开(例如，可以在后轭中找到空气隙)，和由此添加到磁路的磁阻。然而，即使在这种情形中，通过后轭22提供的环是环路的，使得它提供了磁路。后轭22还可以被称作“后板”或者“后铁(back iron)”。
继续参考图2，多个腿24从后轭的内表面34延伸。这些腿24在这里还被称作“齿”。槽23设置在多个腿24的每一个之间。腿24通常是盘形的并且每个腿24包括第一端40和第二端42。每个腿24的第一端40和后轭22相邻，并通常从后轭去除掉第二端42。在一个实施例中，后轭和腿是整体的并且在结构上是单一的。在另一个实施例中，后轭和腿由独立的片构成，并使用粘接剂、焊接、夹紧或者本领域已知的连接方法连接在一起。在另一个实施例中，可以在后轭和从后轭延伸的腿之间设置小的空气隙。每个腿还包括内圆周侧44、外圆周侧46和两个径向侧48。尽管这里已经公开了盘形腿，但是任何数量不同形状的腿也是可以的。在图16中示出了不同形状的腿的几个例子。例如，如图16A-16F中所示的，腿可以是通过将非晶金属带缠绕成环形形状制成的多种形状。而且，如图16G和16H所示，腿可以是由铁磁性材料、非晶金属或者其它改进材料的叠积带独立制造的。如前面所述的，当制造磁芯20时这些独立制造的腿可以和后轭22的内表面36相邻布置。
现在参考图3，和多个腿24的每一个的第二端42相邻地设置盖轭26(这里其还被称为“桥”，“盖铁(cover iron)”或者“盖板”)，使得盖轭26盖住多个腿的每一个的第二端。盖轭26可以物理地接触并连接到多个腿24的每一个的第二端42，或者可以在盖轭26和多个腿24的每一个的第二端42之间引入小的空气隙。例如，可以使用小于等于0.001英寸的空气隙以给磁芯增加磁阻。就像后轭22，盖轭26是盘状并包括外表面52，以及内表面54并限定内腔36。盖轭26的表面一般平行于后轭22的表面。还有，盖轭26和后轭22同轴。就像后轭22，盖轭26也是由可通电的软磁材料，例如铁磁材料、改进的磁性材料或者具有高磁导率的其它材料构成的。在一个实施例中，盖轭26通常由非晶金属以带缠绕环的形式构成。盖轭26形成完全的环，并因为它的高磁导率，所以将它设计成提供保持磁通的磁路。在一个实施例中，由后轭提供的环可以在某些地方是断开的(例如，可以在后轭中找到空气隙)，并由此增加磁路的磁阻。
图4示出了具有设置在磁芯的腿24上的一个或者多个绕组28的磁芯20。绕组28包括围绕磁芯的每个腿缠绕的一个或者多个独立线圈。根据这些线圈的布置和线圈之间的连接，磁芯和绕组组合使得该电设备用作变压器或者电感器。而且，该设备容易适合作为单相或者多相变压器或者电感器。
作为第一个例子，图5示出了当该设备用作单相电感器时图4的磁芯20的两个缠绕腿。在这个实施例中，在具有多个绕组的磁芯20上设置单相绕组。缠绕在每个腿上的线圈和相邻腿上的线圈串联或者并联连接。线圈的串联或者并联连接是主要的设计选择。当电流流过绕组时，以通过磁芯20保持的磁场的形式将能量存储在电设备中。因此，该设备充当电感器。通过改变盖轭26和腿24之间的空气隙来调节由设备提供的总电感。
作为第二个例子，图6示出了当设备用作三相电感器时图4的磁芯20的三个缠绕腿。在该实施例中，在具有多个线圈的磁芯上设置三个独立的绕组。每个线圈承载和它的两个相邻线圈不同的相，每隔两个线圈承载相同的相。因此，假设图4的磁芯22包括十八个齿，其中的六个齿可能是被承载相A的线圈缠绕，其中的六个齿可能是被承载相B的线圈缠绕，以及其中的六个齿可能是被承载相C的线圈缠绕。再一次，当电流流过绕组时，以通过磁芯20保持的磁场的形式将能量存储在电设备中。因此，该设备充当三相电感器。
在图7中示出可以使用图3的磁芯提供电设备的第三个例子，其中示出了图3的磁芯的两个腿24。在该例子中，设备是单相变压器。因此，初级绕组60和次级绕组62设置在磁芯的每个腿24上。包括初级绕组的一部分的每个线圈和也包括初级绕组的一部分的相邻腿上的线圈串联或者并联连接。线圈串联或者并联是设计选择的问题。同样，包括次级绕组的一部分的每个线圈和也包括次级绕组的一部分的相邻腿上的线圈串联或者并联连接。如所示的，初级和次级线圈在每个腿上可能是隔开的或者在每个腿上可能是相互缠绕的。当电流流过初级绕组时，能量以磁芯保持的磁场的形式存储在电设备中。当然次级绕组也经历了由磁芯保持的磁场，在次级绕组中感应出电流。这是本领域技术人员已知的，在次级绕组中感应出的电流量依赖于初级和次级绕组的匝数。因此，根据变压器的所需特性特征可以改变变压器的设计，包括初级和次级绕组的匝数。
在图8中示出了使用图3的磁芯的电设备的第四个例子，其中示出了三相变压器。在该实施例中，在具有多个线圈的磁芯上设置三个独立的相绕组。每个线圈承载和它的相邻线圈不同的相，以及每隔两个线圈承载相同的相。因此，假设图4的磁芯22包括十八个齿，其中的六个齿可能是被承载相A的线圈缠绕，其中的六个齿可能是被承载相B的线圈缠绕，以及其中的六个齿可能是被承载相C的线圈缠绕。再一次，当电流流过绕组60A、60B和60C时，以通过磁芯20保持的磁场的形式将能量存储在电设备中。次级绕组62A、62B和62C也经历由磁芯保持的磁场，并在次级绕组中感应电流。当然，根据变压器的所需特性特征可以改变变压器的设计，包括初级和次级绕组的匝数。因此，该设备充当三相变压器。
本领域技术人员将可以理解的是，这里公开的磁芯允许制造成尺寸显著小于现有技术的电感器和变压器的变压器和电感器。通常，变压器或者电感器磁芯的横截面积必须基本上和连接腿的轭的横截面积相同。使用磁路的相似方法，其原因对于单相设备是显而易见的。尤其是，对于高效的设备，由磁芯保持的磁通应当在轭和腿之间以最小的磁阻自由流动。如果轭的横截面积显著小于腿的横截面积，则设备将经受显著的磁阻，降低了设备的效率。这里公开的磁芯的轭具有明显小于现有技术的轭的横截面积。其原因是在通过轭连接的每个设备中存在多个相对薄的腿。因此，这里公开的磁芯的轭在尺寸上与腿的成比例，并显著小于现有技术的轭。因此，这里公开的电设备的尺寸显著小于现有技术设备，而没有牺牲效率。
对于三相设备，可以稍微不同于上面关于单相提供的基本理论解释同样用于腿和轭的横截面积的基本理论。在三相设备中，在每个相绕组中流动的电流是与时间有关的并通常是正弦曲线。因此磁通的磁力线是与时间有关的且是类似的正弦曲线。在通常的现有技术的E型磁芯中，存在绕组电流和中心腿中的磁通为100％时的时间点。在该时间中，外部腿中的磁通分别为50％。在该时间点，实际上连接腿的两个轭可能准确地是中心腿的横截面的一半，因为在两个相对方向的每一个中盖轭只能承载腿磁通的50％。然而，当外部腿的任一个是100％绕组电流和磁通时，那么一半的横截面积是无效的。这是因为磁通的100％以一个方向流动，50％的磁通从外部流向中心腿，以及50％从外部腿流向更远的外部腿。为此原因，在E磁芯设备中，轭通常具有和腿精确相同的横截面积。这里所示的电磁芯是不同的。尤其是，由于采用了环型的后铁，所以不存在来自任何腿的磁通的100％必须以一个方向行进的任何时间点。无论什么时候对于100％磁通选择任何腿，磁通将总是以两个相反的方向行进。因此和通常的现有技术的轭相比这里公开的磁芯的优点是后铁和盖铁提供一半横截面积的轭。
在图3中可以清楚地看出的是，磁芯包括限定内直径(d)的内圆周和限定磁芯20的外直径(D)的外圆周。内和外圆周在开槽部分上是不连续的。相反，横断槽的内圆周在设置槽的地方有间隙。磁芯内圆周的每一个剩余部分(也就是，从后铁22的单独延伸)形成腿24。图2示出了齿21的内宽度(w)和外宽度(W)以及齿的高度(h2)。图2还示出了后轭22的高度(h1)，其通常和盖轭的高度相同。在图3中示出了磁芯的整个高度。如在前面的段落中提到的，后轭22和盖轭24的高度接近于齿的宽度。当然，在图2所示的实施例中，腿24的宽度从磁芯的内圆周变化到外圆周。因此，轭22或者26的高度(h1)通常大于腿的内宽度(w)，并小于腿的外宽度(W)。在一个实施例中，腿的最窄部分(w)小于0.100英寸。沿着适当的绕组，可以用灌注和/或清漆混合物填充当开槽后铁时去除的区域。
改进的低损耗材料相对于在使用常规磁芯材料，例如Si-Fe合金的常规设备显示的大量增加，将非晶、纳米晶、最佳的Si-Fe合金、晶粒取向的Fe基或者非晶粒取向的Fe基材料引入到磁芯中能够使设备的频率增加到高于300Hz，而只具有相对小的磁芯损耗增加。在磁芯中的这些低损耗材料的使用允许研制能够高效运行和低损耗的高频电设备。
非晶金属非晶金属还被称为金属玻璃并存在于很多不同的合成物中。金属玻璃由可以被快速淬火而不结晶的合金构成。非晶金属不同于其它金属，因为材料非常薄，也就是厚度等于2密耳(两个千分子一英寸)或更少并且相当易碎，由此使得材料很难控制。可应用于本发明的适当非晶材料是Metglas2605SA1，由Hitachi Metals America有限公司所拥有的Metglas Solutions出售。(参见http://www.metglas.com/products/page5_1_2_4.htm关于Metglas 2605SA1的信息)。
相对于常规Si-Fe合金，非晶金属具有很多已确认的缺点。非晶金属显示出比常规Si-Fe合金更低的饱和磁通密度。较低的磁通密度产生具有较低功率密度的电设备(根据常规方法)。非晶金属的另一个缺点是它们比常规Si-Fe合金拥有更低的热传递系数。因为热传递系数确定怎样可以容易地将热量传导到冷的位置，当冷却电设备时，为了带走浪费的热量(由于磁芯损耗)，较低的热系数值可能导致更大的问题。常规的Si-Fe合金显示出比非晶金属更低的磁致伸缩系数。在磁场的影响下，具有较低磁致伸缩系数的材料经受更小的尺寸变化。另外，以节约成本的方式，非晶金属比常规Si-Fe合金的情况更难处理，也就是更难冲压、钻孔或者焊接。
尽管非晶材料的这些缺点，但是可以使用这些非晶金属成功地提供电设备，例如以高频(也就是，高于大约300Hz的频率)运行的电感器或者变压器。这可以通过在常规Si-Fe合金上采用非晶金属的良好性质来实现。在高频时非晶金属显示出非常低的磁滞损耗，这导致了更低的磁芯损耗。导致更低振幅的涡流的非晶金属的非常低的电导率还导致了更低的磁芯损耗。而且，非晶金属带或者片的厚度通常远远小于常规Si-Fe合金的，其还降低了涡流和磁芯损耗。通过补偿非晶金属的缺点，同时采用非晶金属的优良性质，例如较低的磁芯损耗，非晶金属的使用可以成功地提供在高频运行的电设备。
硅-铁合金如这里使用的，常规的Si-Fe指的是硅含量的重量百分比为大约等于或小于3.5％的硅铁合金。由于具有较高硅含量的Si-Fe合金的不良金属加工材料特性，所以通过工业强加上硅为3.5重量百分比的限制。因运行在频率大于大约300Hz的磁场导致的常规Si-Fe合金等级的磁芯损耗大概是非晶金属的十倍，导致常规Si-Fe材料加热到通过任何可接受到的手段都不能冷却常规设备的点。然而，一些等级的硅铁合金，这里还被称为最佳Si-Fe，将直接可用于制造高频设备。
将最佳Si-Fe合金定义为包括硅的重量百分比大于3.5％的硅-铁合金级。优选的最佳Si-Fe合金包括重量百分比大约为6.5％+/-1％的硅。最佳处理的目标是获得具有最小化磁芯损耗的硅含量的合金。这些最佳Si-Fe合金级的特征在于类似于非晶金属的磁芯损耗和磁饱和。最佳Si-Fe的缺点是它们稍微易碎，并且还没有证实大多数常规的金属加工技术在处理材料中是可行的。然而，围绕Si-Fe的易碎和可加工性问题稍微类似于非晶金属的，非晶金属的应用中使用的设计方法非常接近于最佳Si-Fe中使用的。
用于制造常规Si-Fe的常规辊压技术通常不用于制造最佳Si-Fe。然而，将本领域已知的其它技术用于制造最佳Si-Fe。例如，通过本领域已知的铣削(milling)技术可以制造铣削的最佳Si-Fe。然而，还没有证实这对于批量生产是可行的。还通过由日本JFE Steel公司专有的真空气相沉积工艺制造最佳Si-Fe合金。在真空条件下用硅蒸汽涂敷铁或者硅-铁的混合物，并允许硅迁移到材料中。控制真空气相沉积工艺以获得Si的重量百分比为6.5％的最佳含量。尽管从气相沉积得到的最佳Si-Fe合金比常规SiFe更容易碎，但是它不比铣削的最佳Si-Fe容易碎。最佳Si-Fe可以从JFE买到如“特级E型磁芯”，并作为高性能的6.5％硅的磁钢板售出。
纳米晶金属纳米晶金属是粒径高达大约100纳米的多晶材料。与常规进程成粒状的金属相比的纳米晶金属的属性包括增加的强度和硬度、增强的扩散率、改进的延展性和韧性、减小的密度、减小的模数、较高的电阻、增加的比热、较高的热膨胀系数、较低的热导率、超软的磁特性。优选地，纳米晶金属是铁基材料。然而，纳米晶金属还可以基于其它铁磁材料，例如钴或者镍。具有低损耗特性的典型纳米晶金属是Hitachi的Finemet FT-3M。具有低损耗特性的另一典型纳米晶金属是可以从德国的Vacuumschmelze GMBH有限公司买得到的Vitroperm500Z。
晶粒取向知非晶粒取向的金属晶粒取向的Fe基材料是通过本领域已知的方法机械处理Fe基材料得到的。晶粒取向指的是在辊压工艺中固有材料特性的物理对准以产生更薄的金属，使得材料的合成体积的晶粒拥有磁化的优选方向。在辊压工艺的方向中定向晶粒的磁化和磁化畴。这种磁畴取向允许磁场在定向的方向上更容易可逆，在那个优选的方向上产生更低的磁芯损耗。然而，磁芯损耗在垂直于优选定向的方向上增加了，并可以证明是电设备应用中的缺点。
非晶粒取向的Fe基材料不具有磁畴对准的优选方向。非晶粒取向的Fe基材料不是非晶的，因为拥有一些数量的结晶度。当前可利用的常规硅钢具有一些结晶结构，因为它是缓慢地冷却，其导致一些结晶，并然后变薄。然而，不像晶粒取向的Fe基材料，例如常规硅钢，非晶粒取向的Fe基材料具有更各向同性的磁化。优选地，可应用于本发明的非晶粒取向的Fe基材料将具有小于5密耳的厚度。
定义改进的低损耗材料通常可以用下述变形的Steinmetz方程表达软磁材料的磁芯损耗L＝a·f·Bb+c·fd·Be，其中L是损耗W/kg，f是频率KHz，B是峰值中的磁通密度特斯拉，以及a、b、c和d和e是只有软磁材料才有的所有损耗系数。
上述损耗系数a、b、c、d和e的每一个通常可以从所给软磁材料的制造商那里获得。如这里所使用的，术语“改进的低损耗材料”包括那些材料，以小于“L”的磁芯损耗为特征，其中L通过公式L＝12·f·B1.5+30·f2.3·B2.3给出，其中L是损耗W/kg，f是频率KHz，B是峰值中的磁通密度特斯拉。
图10-15提供了表示在从0.4kHz到2.0kHz范围的多种频率以及从0.5特斯拉到1.5特斯拉范围的多种磁通密度时，多种软磁材料的磁芯损耗(如方程L＝a·f·Bb+c·fd·Be所定义的)相对磁通密度或频率的曲线图。对于图10-15所示的每种材料的损耗系数在下面的表1中提供。
表1损耗系数
上述材料的每一种是基本由铁基合金构成的软磁材料。在上面的表格中记载的每一个系数可以从材料的制造商那里获得或者可以从材料的制造商那里获得的材料说明书得到，以及系数通常包含在用于材料的说明书页。为此目的，软磁材料的每一个制造商晶通常参加制造材料说明书的工业标准ASTM测试程序，从该材料说明书可以获得用于Steinmetz方程的系数。
从图10-15可以看出的是，绘制阈值线部分，以示出定义“改进低损耗材料”的损耗阈值的损耗方程。具有在该阈值之上绘制的损耗方程的材料不是“改进的低损耗材料”。这里将具有在该阈值或者在该阈值之下绘制的损耗方程的材料定义为“改进的低损耗材料”、“改进的磁性材料”或者“改进的材料”。从图10-15可以看出的是，没有限制，改进的低损耗材料包括非晶金属、纳米晶合金和最佳Si-Fe。在公开文本的下述段落中，提供了对由这种改进的低损耗材料构成的高效电磁电设备的描述。对于从0.4kHz到2.0kHz范围的频率和从0.5特斯拉到1.5特斯拉范围的磁通密度示出图10-15中提供的绘图，用于运行这里所述的电设备。然而，这里所述的电设备不局限于这些范围中的运行。
电设备的制造这里公开的一种制造电设备的方法包括将改进的低损耗材料带缠绕成大的环形以形成磁芯20的后轭22。这些带通常是等于或小于0.10mm(0.004″)厚。当在轴向方向观看时由带缠绕的环形具有内径和外径。在一个实施例中，通过机械加工具有槽23的后轭在后轭上布置腿，以形成单一的磁芯(在下面进一步具体讨论)。不幸地是，这种方法包括一些浪费的材料，因为为了形成槽从环形切除掉的材料是废料。如前面所讨论的，用于在磁芯上形成腿的另一种方法是将由改进的低损耗材料构成的小环形(或者其它的)形状布置在后轭的内表面上。在图16中示出这种形状的例子。通过粘接、焊接、夹紧或者本领域已知的任何其它方法，可以将由改进的低损耗材料的较小形状构成的这些腿固定到后轭。由于在后轭22上放置了腿24，槽23是可容易进入的并且可以将绕组放置在电设备的槽中。尤其是，将包括绕组的单独线圈围绕电设备的每个腿缠绕。其后，以和后轭22相同的方式制造的盖轭26可以放置在电设备上面。如前面提到的，盖轭可以直接和磁芯的腿接触，或者可以在盖轭和腿之间包括小的空气隙，以将所需的磁阻引入到磁芯中。如果在电感器中使用磁芯，小心地调节空气隙，以获得恰当的电感，因为较大的空气隙将产生较大的电感。如果在变压器中使用磁芯，齿和桥之间的空气隙通常将是最小的，以减少电感和励磁损失。
这里公开的磁芯的结构中改进材料的使用提供了电设备中较低的磁芯损耗，尤其是当设备的频率增加到大于300Hz时。非晶金属具有比通常的SiFe更小的热导率，使得对于所公开的由非晶金属制造的设备的冷却方法不同于用于大多数现有的电感器和变压器的。尤其是，冷却将更容易，因为磁芯损耗更小，然而设计者可以选择以增加最优策略中欧姆损耗的百分比。
如前面所提到的，磁芯可以由改进的低损耗材料构成，并在一个实施例中的结构中是“单一的”。如这里所使用的，在结构中是“单一的”磁芯是不需要两个或者多个子部件的组件来完成磁芯的一种磁芯。而且，这里公开的单一的磁芯还是“单体”磁芯。如这里所使用的，术语“单体”指的是由软磁材料的薄带构成的层状磁芯以形成基础形状，并然后从基础形状去除掉材料，以形成磁芯(例如，对基础形状开槽以在磁芯上形成齿)。不幸地是，改进的低损耗材料极容易碎，并已经证实制造单体磁芯很困难。然而，包括改进的低损耗材料的一些制造商的几个公司使用多种工艺，例如，线放电加工、激光切割、电化学研磨或者常规的加工，已经制造了由改进的低损耗材料制造的这种磁芯。
尽管这里描述的磁芯是单一结构的单体，但是可以考虑将多种类型的非单一和非单体磁芯用于这里描述的电设备中。例如，“单体”磁芯是可能的，其随后被切割成部分，使得产生的磁芯不是“单体的”。同样，通过将改进的材料模制成磁芯的形式，包括任何齿，可以形成“单一的”磁芯，但是因为磁芯不是由薄带缠绕并形成在随后从基础形状去除掉材料的基础材料，所以产生的磁芯将不是“单体的”。
使用这里公开的电设备中的改进材料的另外优点是引入了另外的设计选择。这是可能的，因为当设备是由改进的材料构成时，它们具有和改变磁通量相关的较低的每质量的损耗。因此，用改进材料替换通常在现有技术中使用的较高损耗材料允许整体损耗的降低。这些损耗的单位是瓦特(W)。所有的电设备必须将这些损耗产生的浪费的热量转移到一些其它较冷的区域。不能做到这些导致设备的毁灭性失控温度的上升。尽管液体冷却是可能的，但是可以通过空气冷却制冷这些设备的占绝大多数。而且，这些设备的绝大多数使用设备的表面区域作为进行热量转移的表面。这些单位是面积，也就是cm2。指标的公共表示是损耗除以消耗该损耗的表面区域，例如W/cm2。在所给的这些情况中，存在这些设备的设计者可能利用的很多可能性，引入改进的材料和随后减少了每质量的损耗材料。例如，假设使用更高损耗材料的最初设备具有0.40W/cm2，但是引入改进材料产生了0.20W/cm2。然后设计者具有至少下述的设计选择。第一种设计选择是减少设备的尺寸，并由此减少表面面积直到回到0.40W/cm2。用这种选择，对于相同的特性，因而这是借助于减少的成本和更小的封装尺寸的改善。第二种选择是允许增加在绕组中流动的电流，由此增加了欧姆和磁芯损耗，直到0.40W/cm2。用这种选择，在不增加成本和尺寸时增加了现有设备的功率容量。第三种选择是在0.20W/cm2的新损耗密度时接受设备，并认为它在更小的热容许环境中工作。第四种设计选择将是合并第一到第三种选择的一些组合。
尽管参考其某些优选方式在重要的细节上已经描述了本发明，但是其它形式也是可能的。例如，图9示出了本发明的实施例，其中围绕用于电感器的后轭缠绕另外的附加线圈63。附加线圈63可以用于隔离相，或者为了方便地更好冷却，更好地使用空间和更好地控制电感，可以和围绕齿24的现有线圈一起缠绕。而且，图9中所示的附加线圈63可以完全地代替围绕齿缠绕的线圈。作为另一个例子，尽管公开的实施例示出了磁芯上全部的十八个腿，但是根据电设备的设计尺寸、形状和性能特征腿的数量可以增加或者减少。仍然作为另一个例子，盖铁还可以包括从盖轭延伸出的腿并连接到从后轭延伸的腿。可替换地，后轭可提供延伸到盖轭的交替腿，以及盖轭可以提供延伸到后轭的交替腿。仍然在另一个实施例中，可以从磁芯完全去除掉盖轭，在另一个实施例中，以非常规的方式可以将设备的线圈缠绕到齿上。例如，如果设备是多相设备，用于不同相的两个或者多个线圈可以环绕相同的齿，以及齿上的相线圈的各个位置可以从齿变化到齿。如这里所示范的，几个不同的实施例和软磁芯以及相关电设备的形式是可能的，并考虑对公开的实施例的变形。因此，所附的权利要求的精神和范围不局限于对这里所包含的优选形式的描述。
权利要求
1.一种用于电磁设备的可通电磁芯，包括a.由可通电的磁性材料构成的后轭，该后轭形成环形，使得布置该后轭以提供磁路；b.从后轭延伸并由可通电的磁性材料构成的多个腿，多个腿的每一个具有和后轭相邻的第一端和从后轭延伸的第二端；以及c.和多个腿的每一个的第二端相邻的盖轭，该盖轭由可通电的磁性材料构成，并且该盖轭形成环形，使得布置该上环形，以提供磁路
2.如权利要求1的磁芯，其中后轭由以环形缠绕的可通电的磁性带状材料构成。
3.如权利要求2的磁芯，其中环形是圆环。
4.如权利要求1的磁芯，其中后轭是固定的。
5.如权利要求1的磁芯，其中后轭在结构上是单一的，使得由后轭构成的环是连续的。
6.如权利要求5的磁芯，其中后轭和后轭的多个腿的每一个在结构上是单一的。
7.如权利要求1的磁芯，其中后轭在结构上是单体的。
8.如权利要求7的磁芯，其中后轭和多个腿的每一个在结构上是单体的。
9.如权利要求1的磁芯，其中后轭、多个腿或者盖轭是由非晶金属构成。
10.如权利要求1的磁芯，其中后轭、多个腿或者盖轭是由改进的材料构成。
11.如权利要求1的磁芯，其中后轭包括至少一个空气隙，设计该空气隙以将磁阻引入到由后轭提供的磁路。
12.如权利要求1的磁芯，还包括多个线圈，多个线圈的每一个布置在多个腿的一个上。
13.如权利要求12的磁芯，其中多个线圈包括单相绕组。
14.如权利要求12的磁芯，其中多个线圈包括三相绕组。
15.如权利要求1的磁芯，其中多个腿包括第一多个腿，以及磁芯还包括从盖轭延伸的第二多个腿，该第二多个腿由可通电的磁性材料构成，第二多个腿的每一个具有和盖轭相邻的第一端和从盖轭延伸的第二端。
16.如权利要求15的磁芯，其中第二多个腿的第二端相邻于第一多个腿的第二端布置。
17.如权利要求1的磁芯，其中多个腿的每一个由以环形缠绕的可通电磁性带状材料构成。
18.如权利要求17的磁芯，其中环形是圆环。
19.如权利要求1的磁芯，其中多个腿的每一个形成和后轭隔开的部分。
20.如权利要求19的磁芯，其中多个腿的每一个形成为可通电磁性材料的层叠的堆叠体。
21.如权利要求1的磁芯，其中在盖轭和多个腿的每一个的第二端之间包括空气隙。
22.如权利要求1的磁芯，其中盖轭和多个腿的每一个的第二端接触。
23.一种将电感引入到电路中的方法，包括a.提供电感器，该电感器包括(i)磁芯，该磁芯包括(a)由可通电的磁性材料构成的后轭，该后轭形成环形，使得布置该后轭以提供磁路，和(b)从后轭延伸并由可通电的磁性材料构成的多个腿，多个腿的每一个具有和后轭相邻的第一端和从后轭延伸的第二端；以及(ii)提供至少一个围绕磁芯缠绕的绕组；b.为了增加电路中的电感在电路中放置电感器；和c.将电流引入到至少一个绕组中，使得流过至少一个绕组的电流增加电路中的电感。
24.如权利要求23的方法，其中磁芯还包括和多个腿的每一个的第二端相邻的盖轭，该盖轭由可通电的磁性材料构成。
25.如权利要求23的方法，其中后轭由以环形缠绕的可通电磁性带状材料构成。
26.如权利要求23的方法，其中后轭在结构上是单一的，使得由后轭构成的环是连续的。
27.如权利要求23的方法，其中后轭和后轭的多个腿的每一个在结构上是单一的。
28.如权利要求23的方法，其中后轭在结构上是单体的。
29.如权利要求28的方法，其中后轭和多个腿的每一个在结构上是单体的。
30.如权利要求23的方法，其中后轭或者多个腿是由非晶金属构成的。
31.如权利要求23的方法，其中后轭或者多个腿是由改进的材料构成的。
32.如权利要求23的方法，其中后轭包括至少一个空气隙，设计该空气隙以将磁阻引入到由后轭提供的磁路。
33.如权利要求23的方法，其中至少一个绕组包括单相绕组。
34.如权利要求23的方法，其中至少一个绕组包括三相绕组。
35.如权利要求23的方法，其中多个腿的每一个形成和后轭隔开的部分。
36.如权利要求23的方法，其中至少一个绕组围绕多个腿缠绕。
37.一种变压器，包括a.由可通电的磁性材料构成的后轭，该后轭形成环形，使得布置该后轭以提供磁路；b.从后轭延伸并由可通电的磁性材料构成的多个腿，该多个腿的每一个具有和后轭相邻的第一端和从后轭延伸的第二端；c.围绕多个腿的至少一个缠绕的初级绕组；和d.围绕多个腿的至少一个缠绕的次级绕组，其中流过初级绕组的第一电流感应流过次级绕组的第二电流。
38.如权利要求37的变压器，还包括和多个腿的每一个的第二端相邻的盖轭，该盖轭由可通电的磁性材料构成。
39.如权利要求37的变压器，其中磁芯还包括和多个腿的每一个的第二端相邻的盖轭，该盖轭由可通电的磁性材料构成。
40.如权利要求37的变压器，其中后轭由以环形缠绕的可通电的磁性带状材料构成。
41.如权利要求37的变压器，其中后轭在结构上是单一的，使得由后轭构成的环是连续的。
42.如权利要求37的变压器，其中后轭和后轭的多个腿的每一个在结构上是单一的。
43.如权利要求37的变压器，其中后轭在结构上是单体的。
44.如权利要求43的变压器，其中后轭和多个腿的每一个在结构上是单体的。
45.如权利要求37的变压器，其中后轭或者多个腿是由非晶金属构成。
46.如权利要求37的变压器，其中后轭或者多个腿是由改进的材料构成。
47.如权利要求37的变压器，其中后轭包括至少一个空气隙，设计该空气隙以将磁阻引入到由后轭提供的磁路。
48.如权利要求37的变压器，其中至少一个绕组包括单相绕组。
49.如权利要求37的变压器，其中至少一个绕组包括三相绕组。
50.如权利要求37的变压器，其中多个腿的每一个形成和后轭隔开的部分。
51.一种将电能从第一电路传送到第二电路的方法，包括a.提供变压器，该变压器包括(i)磁芯，该磁芯包括(a)由可通电的磁性材料构成的后轭，该后轭形成环形，使得布置该后轭以提供磁路，和(b)从后轭延伸并由可通电的磁性材料构成的多个腿，多个腿的每一个具有和后轭相邻的第一端和从后轭延伸的第二端；(ii)提供围绕磁芯缠绕的初级绕组；和(iii)提供围绕磁芯缠绕的次级绕组；和b.引入流过初级绕组的第一电流，使得流过初级绕组的电流在次级绕组中感应出第二电流。
52.如权利要求51的方法，其中磁芯还包括和多个腿的每一个的第二端相邻的盖轭，该盖轭由可通电的磁性材料构成。
53.如权利要求51方法，其中磁芯还包括和多个腿的每一个的第二端相邻的盖轭，该盖轭由可通电的磁性材料构成。
54.如权利要求51方法，其中后轭由以环形缠绕的可通电磁性带状材料构成。
55.如权利要求51的方法，其中后轭在结构上是单一的，使得由后轭构成的环是连续的。
56.如权利要求51的方法，其中后轭和后轭的多个腿的每一个在结构上是单一的。
57.如权利要求51的方法，其中后轭在结构上是单体的。
58.如权利要求57的方法，其中后轭和多个腿的每一个在结构上是单体的。
59.如权利要求51的方法，其中后轭或者多个腿是由非晶金属构成的。
60.如权利要求51的方法，其中后轭或者多个腿是由改进的材料构成的。
61.如权利要求51的方法，其中后轭包括至少一个空气隙，设计该空气隙以将磁阻引入到由后轭提供的磁路。
62.如权利要求51的方法，其中至少一个绕组包括单相绕组。
63.如权利要求51的方法，其中至少一个绕组包括三相绕组。
64.如权利要求51的方法，其中多个腿的每一个形成和后轭隔开的部分。
65.如权利要求51的方法，其中初级绕组围绕多个腿的至少一个缠绕。
66.如权利要求51的方法，其中次级绕组围绕多个腿的至少一个缠绕。
全文摘要
一种用于电感器或者变压器的可通电的磁芯包括从后轭延伸的多个腿。该后轭形成为环形，布置该环形以提供磁路。多个腿的每一个具有和后轭相邻的第一端和从后轭延伸的第二端。具有布置在后轭上的腿，相邻于多个腿的每一个的第二端布置盖轭。该盖轭也形成环形，使得布置该上环形以提供磁路。在可通电的磁芯的腿上布置线圈。在一个实施例中，可以使用非晶金属构成可通电的磁芯。
文档编号H01F27/02GK101015027SQ200580021358
公开日2007年8月8日 申请日期2005年4月23日 优先权日2004年4月26日
发明者A·D·希尔策尔 申请人:莱特工程公司