专利名称：非晶态金属连续磁通路径变压器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种变压器。特别地，涉及一种由非晶态金属制成的变压器。
背景技术：
变压器运行所依据的原理是当安排两根导线彼此邻近、并且在其中一根导线上通入交流电流时，由于已知的电磁感应效应另一根导线上感生出交流电流。通过将导线卷绕成线圈并将线圈沿一共同轴放置，线圈中的电磁耦合量和因此的感生电流量将相较于直线平行的导线而言有所增加。还可通过将两个线圈在彼此之上卷绕以进一步增加耦合。也可以通过在线圈内置入被称作铁芯的铁磁质以增加耦合。在过去时间里铁芯已被改进以减小损耗。在低频应用中，例如在国家电网(通常 50-60Hz)中使用的变压器，为减小在铁芯中的可导致热损的涡流，铁芯通常被制成层状。在美国所生产的用作商业和工业应用的电是三相电。用于家庭应用的电通常也被生产具有三相，但在大多数的应用中只有一个相在使用，其它相被用在其它家庭中使用。如上文所提及的，在变压器设计中一个重要的问题是能量损耗，并且在分布式能源行业中能量损耗的机率是巨大的。从发电站开始，使用升压变压器在高压下沿输电线输送电力，该升压变压器在这里也被称为发电变压器。然后使用各级降压变压器，包括变电站变压器和配电变压器以降低电压至可使用的水平，例如110-240伏特，用于住宅和工业用户。估计所有发电中的10%由于配电的低效性损耗掉了。在变压器中形成的损耗有两种类型随变压器负载变化的负载损耗或线圈损耗，以及开路损耗或铁损，该开路损耗发生在磁芯中并且无论有无负载其在变压器中始终存在。在配电中开路损耗代表了能量损耗中很重要的一部分。因此很多工作都致力于改进变压器铁芯就不再让人惊讶了。为易于理解在变压器制造中所涉及的各种问题，需区分两种类型的变压器单相变压器和三相变压器。就单相变压器而言，单独的初级绕组与单独的次级绕组一起共享其电磁通量。为提高磁通流量，一般使用铁磁芯为两个线圈提供一共同的磁通路径。在图1中示出一个单相铁芯的形状，即环状变压器铁芯100。然而应当清楚的是，一旦铁芯形成，为将作为初级线圈102的铜绕组置于铁芯100上，将一足够小的能穿过该铁芯的窗口 106的缠线管重复穿过所述窗口，以使线圈卷绕在该铁芯上。至于次级绕组106，缠线管必须足够小以适应因初级绕组导致的减小的窗口大小。一可供选择的方法是单独形成绕组，为了使该线圈滑入到铁芯之上需切割铁芯。但铁芯的切割在铁芯材料的连续性中造成无数的中断，这在磁通路径中导致干扰以及铁损。通常通过随后退火铁芯材料以极小化这些损耗来解决该问题，这将在下文中进行详细讨论。
在三相电力中，初级绕组和次级绕组或以三角形接法(图幻连接，或以Y形接法 (图3)连接。多年以来已经发展出多种铁芯形状，包括图4所示的E型铁芯，该铁芯包括E字形的三支柱部分400以及一直杆部分402，该直杆部分闭合E形部分的开口侧。所述E形部分包括中支柱404，顶支柱406，以及从轭架(yoke) 410延伸出的底支柱408。E形铁芯被普遍用在50-60HZ，并且既可呈壳式结构(将初级和次级绕组围绕中杆或支柱404在彼此之上卷绕)，也可呈芯式结构(将初级和次级绕组分别围绕顶支柱406和底支柱408卷绕)。为了减小涡流损耗，该铁芯通常由在彼此之上堆叠的金属薄层构成。例如在E形铁芯中，从金属带中裁切出具有定长和适当形状的轭架410、支柱404、406、408以及直杆402，该金属带通常以卷筒形式运送。然后将各种裁切部分在彼此之上堆叠成层以形成预期形状。已经发展出各种在拐角处的叠合层形状，例如搭接接头和阶梯接缝形状，以极小化由于在拐角处磁通方向的变化弓丨起的损耗。已经发展出一类型的变压器以避免一些与铁芯的拐角处的铁损相关的问题，其包括将被称为绕组变压器铁芯的铁芯。替代在彼此之上堆叠金属层来确定铁芯的支柱和轭架部分，通过卷绕数个多层金属环并将金属环组合成不同结构以形成铁芯。Cogent Power和Metglas已经生产出大型的单相卷绕铁芯，以及一些三相卷绕铁芯。由安大略省伯灵顿市的Cogent Power有限公司制造的三相铁芯与Metglas的三相铁芯的设计相同，包含一 5-支柱的设计，如图5所示，其包括4个并排设置的圆角方形、环状或环形铁芯元件。另一个Cogent Power三相铁芯的设置利用三个圆角矩形形状的铁芯，如图6所示，一个大的环形铁芯形成该结构的外周边以及两个较小的环形铁芯设置在较大铁芯的内部。这些铁芯具有的优势在于可避免用在拐角处的叠合铁芯层，并因此在铁芯上放置(接合)线圈之前提供一连续磁通路径。然而，为将铜绕组或线圈放置在芯柱上，这些结构通常都需要切割铁芯材料并在线圈安装后重新接合切割条。该切割和重新接合的过程在芯层中产生裂纹，该裂纹明显地增加铁芯损耗。在专利号为6，668，444的美国专利中还讨论了另一种结构，该专利于2001年4月 25日提出申请并在2003年12月30日获得授权，专利权人Ngo。该结构如在图7中所示， 其需要切割铁芯材料的带，然后将切割后的带重组成组合700，这些组合700按照错开排列形状设置以确定一台阶重叠形状的带束702，随后将多个台阶重叠形状的带束在彼此之上放置并与相邻的台阶重叠形状的带束组接合。应当清楚的是，虽然这些铁芯结构利用具有卷绕形状的层可消除在铁芯层中的带有中断的尖锐转角，但是在非晶态金属带中该结构通常包含数百个甚至数千个裂纹，该裂纹在磁通路径中导致大量的阻断，并因此在铁芯中导致损耗。这就促使了卷绕铁芯结构的发展，该铁芯结构卷绕而成而避免了为将变压器线圈放置在支柱上而切割铁芯支柱的需要。为了本申请起见，这种不切割的卷绕铁芯被定义为连续磁通路径变压器铁芯，因其消除了铁芯层中方向的骤变以及磁路中断。特别地，为获得该连续磁通路径结构，变压器线圈需被卷绕在铁芯支柱上而不是被单独卷绕然后再将其放置在支柱上。这可通过两种方法实现。一种方法是利用缠线管穿过变压器铁芯的窗口。然而如上文所提及的，缠线管的使用非常受设计约束的限制，因在芯柱之间需要足够的窗口面积以允许缠线管穿过窗口，即使当其它芯柱上已经卷绕有线圈时，这种情况具有减小窗口大小的作用。作为本发明基础的另一个方法需要使用绕线管，该绕线管以可旋转方式围绕支柱附接在其上，并因此可通过旋转该管使线圈卷绕在支柱上。然而，这需要支柱截面大体呈圆形以极小化铁芯支柱和线圈绕组之间的间隙。为了本申请起见，术语“大体呈圆形的截面，， 将指的是具有多于4个边(比简单的正方形或矩形多)的多边横截面，其用以增大线圈绕组所确定的圆周内的铁芯材料的填充因数，该绕组绕芯柱卷绕，并相较于正方形或矩形的截面芯柱所提供的填充因数而言，其可提供一更大的填充因数。为获得这种非矩形横截面， 铁芯由一组复杂的斜边环构成，与具有简单的环形铁芯元件组的情况相比，该构成需要一明显更加复杂的工艺过程并需要更多的操作。一个这样的铁芯结构是hexaformer铁芯，该铁芯如在图8中示出，从2000年3月 16日起已经可公开获得。这种铁芯结构在美国专利申请09/623，观5(美国专利6，683，524， 专利权人Hoglund，于1999年9月2日提出PCT申请)中得以详细的讨论。所述hexaformer 铁芯设置了具有六边形截面的支柱，其足够圆因此可以使用绕线管将线圈卷绕在支柱上同时具有高的填充因数(在绕线管上卷绕的线圈确定的周边之内的铁芯材料)。另一种允许卷绕在支柱上的连续磁通路径铁芯的结构是在美国专利2，544, 871中所描述的Wiegand 结构，该专利的专利权人是Wiegand，于1947年4月M日提出申请并在1951年3月13日获得授权，该结构使用平行直边的卷绕材料带。允许在支柱上卷绕的其它两种连续磁通路径铁芯是中国的Haihong制造的Haihong铁芯，以及在美国专利4，557，039中所描述的 Manderson铁芯，该专利的专利权人是Manderson，于1982年7月20日提出申请并在1985 年12月10日获得授权，与hexafoemer铁芯和Wiegand铁芯不同的是这两者使用的是斜边卷绕材料。在另一种方法中，为减小铁芯损耗，发现使用非晶态合金作为铁芯材料十分有趣。 然而，由于非晶态金属的本质，该本质将在下文中详细讨论，由非晶态金属制成的铁芯只具有一简单的结构，在其中，铁芯的支柱具有简单的正方形或矩形横截面。在Attarian的美国专利6，844，799中描述了一个这样的非晶态金属变压器，在其中描述了非晶态金属叠片的使用。在Attarian的专利中所描述的一种类型的非晶态金属是钴-基(Co-基)非晶态金属合金，或者也可能是包含钒的钴-铁(CoFe)合金(例如，具有49% Co,49% Fe和2% 钒(V)的Coi^e-V)。如在Attarian的专利中所描述，非晶态金属合金通过熔融金属的快速凝固制成并且呈现出极好的磁性，如在由AM0TECH(Advanced Material On Technology)发行的未注明日期的名称为“AMOS. RTM. Amorphous Cores”出版物中的标题为“非晶态金属合金”(Amorphous Metallic Alloys)的文章中所描述的一样。然而如上文所提及的，非晶态金属具有特殊的物理性质，该性质使它比硅钢更难于使用。非晶态金属由于其本质是一种非常薄且光滑的材料，其缺乏刚度因此质地及其松软且很难处理。用于制造铁芯的非晶态金属层通常明显地比在硅钢变压器中使用的硅钢层薄。非晶态金属层具有的厚度大约只有0.001英寸(0.0254mm)，因为非晶态金属的制造需要非晶态合金快速冷却以在加工中消除晶粒结构，因此需要合金被制造得非常薄。据此，比任何硅钢层大约薄8到12倍的非晶态金属层通常被用在变压器中，并且该金属层非常光滑。即使被制成具有数百个非晶态金属层，其质地依然松软并且不具有在制成的拥有相同厚度的硅钢中发现的自承重刚度。因此在过去，非晶态金属变压器铁芯主要限于具有C形铁芯或环状铁芯的单相变压器的使用，该C形铁芯或环状铁芯典型地呈具有圆抹角的方形甜甜圈结构，例如在Metglas网站www, metglas. com上所描述的或者例如未加工的三相铁芯，其包含多个并排排列的环状铁芯以形成5-支柱或3-支柱设计。这些铁芯具有正方形或矩形截面的支柱，因此不适合利用线圈管在支柱上卷绕变压器线圈，因为在线圈和铁芯间的填充系数将非常低。上文所描述的Ngo铁芯已经使用非晶态金属来制造，但其支柱截面还是简单的正方形或矩形，因此不适合利用线圈管在支柱上卷绕变压器线圈。为避免损耗和减少对于通常与切割铁芯相关的退火的需求，本发明提供一种至少部分由非晶态金属制成的连续磁通路径三相铁芯。
发明内容
根据本发明，这里提供一种包含连续磁通路径铁芯结构的三相变压器铁芯，其中该铁芯至少部分地包含非晶态金属。为了本申请起见，术语“连续磁通路径铁芯”包括为将变压器线圈置于铁芯上而不用切割的卷绕铁芯。所述铁芯可以部分由非晶态金属以及部分由硅钢制成，该硅钢可以是晶粒取向硅钢也可以是非晶粒取向硅钢。比如，可使用少数层，例如使用两个硅钢层以形成所述铁芯的内部层，接下来在其上形成数百个或数千个非晶态金属层，接下来可选择地在铁芯的中间形成几个硅钢层，接下来形成另外数千个非晶态金属层，并在最终形成几个硅钢层以形成铁芯的外部层。为具有更大的刚度至少对内部硅钢层进行处理，例如，通过在其上涂上清漆并且烘烤，以形成一用于支撑非晶态金属的内壳体(inner tube)。为了本申请起见，同时包括非晶态金属和硅钢的铁芯将被称为混合铁芯。作为本发明的一个方面，包含有多个环的混合连续磁通路径变压器铁芯可以由一些全部或主要由非晶态金属卷绕而成的环以及一些由硅钢卷绕而成的环构成。只要硅钢层(或其它的刚度比非晶态金属高的支撑材料层)被散置在非晶态层中或被卷绕在非晶态环的外部或内部以赋予非晶态环更高的结构完整性，这种支撑层将在这里被指作形成内骨架。替代在非晶态金属层中使用硅钢层以支撑非晶态层，或作为对这种硅钢层的补充，至少非晶态金属层中的一些可使用聚合物相对于彼此固定，该聚合物至少包含一种在层间的树脂，例如，以粉末状或细雾状静电涂敷所述树脂。聚合物也可被应用在铁芯的外表面，例如，使用绑扎带(也被称为固定绑带(stator banding)的浸渍树脂的条带)或以液体或膏体将聚合物刷在或喷涂在铁芯上以形成聚合物层或壳层来覆盖铁芯。玻璃纤维材料如玻璃纤维短丝可以被包含在树脂中涂敷在铁芯的外表面，或可以在树脂完全固化之前被随后涂敷在铁芯表面的树脂层上。为了本申请起见，任何环绕铁芯外表面形成的外壳层比如树脂层或涂层也被称为外骨架。所述连续磁通路径铁芯可包括三个框架，每一框架包括多个置于彼此内的环或圈或卷圈(例如，三个环)，其中，所述框架包括大体直线平行的支柱部分，该支柱部分与相邻框架的支柱部分结合以形成共同的铁芯支柱以及形成铁芯的顶部和底部的呈三角形状的轭架组。因此该铁芯结构可包括三个支柱以及形成三角形形状的三个顶部轭架和形成三角形形状的三个底部轭架，其中三个支柱分别位于三角形的三个拐角处、并垂直于该三角形的平面延伸。通过每一框架使用三个环或圈并将每一框架与两边的相同的框架连接，每一共有的支柱可被设置成具有如hexaformer铁芯结构所提出的大体呈六边形的横截面(下面将讨论)。每一圈中的层相对于彼此典型地被偏置以形成从侧面看具有平截头圆锥形状的环或圈，并且形成框架的环或圈呈一定角度置于彼此之内(具有旋转轴以形成框架)。多个环反而可以围绕共同的旋转轴在彼此之上卷绕以形成框架，该框架可与另一个类似的框架组合以形成具有大体呈圆形的横截面的铁芯支柱，其中，所述环中的至少一些包括非晶态金属以形成非晶态金属环或部分非晶态金属环。另外，根据本发明，这里提供一种提高连续磁通路径变压器铁芯的效率的方法，包括制作三个框架，其中每一框架由三个或多个至少部分是非晶态金属的环或圈构成，设置所述框架以形成支柱部分以及轭架，并且通过接合框架的支柱将框架与邻近框架连接。通过使用具有大致呈圆形的横截面的铁芯支柱，其中该铁芯支柱允许在其上卷绕线圈因此避免了为将线圈接入到非晶态或部分非晶态铁芯支柱上而切割铁芯，本发明提供一种铁芯和变压器的制造工艺过程，该工艺过程使得退火步骤不再重要，或者视情况可允许不使用退火处理。就热固化树脂而言，可提供外部加热，如将对流烤箱或红外线炉用于树脂固化的加热。为本申请起见，术语“树脂”和“聚合物”可替换使用。此外，根据本发明，这里提供一种使用非晶态金属铁芯或混合铁芯制成的三相变压器的方法，该方法包括制造具有三条支柱的非晶态金属变压器铁芯，并使用绕线管将至少一个变压器绕组卷绕在铁芯上，因此避免为接入绕组而不得不切割铁芯。另外，根据本发明，这里提供一种制造具有连续磁通路径结构(如，hexaformer结构)的非晶态金属变压器铁芯的方法，其中，所述铁芯由三个框架构成，每一框架至少包括三个环，这些环中的至少一个至少部分由多个非晶态金属层构成，该方法包括将多个非晶态金属层相对于彼此固定避免它们相对于彼此滑动。通常非晶态金属层从非晶态金属卷筒上卷绕至卷绕头上。将非晶态金属层相对于彼此固定可能包括设置一内骨架，如包含在每一圈或环内的一组或多组硅钢层以赋予所述环更高的刚度。可在层间涂敷树脂以替代该固定方式或附加在该方式上。当卷绕非晶态金属以形成一个圈时可从喷嘴将树脂喷涂在非晶态金属层上。树脂可呈粉末状或小液滴状，可以被带上静电并被静电涂敷在非晶态金属层的一个面或两个面上。作为对层间树脂的补充或替代，可向铁芯提供一外骨架。该外骨架可采取清漆涂层的形式。在向铁芯刷涂清漆的情况下，对铁芯的处理过程中可以包含烘烤-浸蘸-烘烤的工艺过程以去除水汽，并通过促动清漆的流动以增强清漆在铁芯中的浸透能力。同样，通过在铁芯的外表面涂装树脂来形成一外骨架，用树脂层覆盖铁芯以作为层间树脂的补充或替代层间的树脂。可通过将铁芯浸入到装有树脂的槽中或将树脂喷涂或刷涂在铁芯上以完成该树脂的涂敷。涂敷在非晶态金属层间或在铁芯的外表面上的树脂可以是紫外光感树脂或是热固化树脂，或是使用了催化剂的由两种树脂组成的双组分树脂 (two part resin)，以将其固化成乙阶或甲阶树脂。因非晶态金属带通常具有限定的宽度，本发明提供一种制造比单个非晶态金属宽度宽的变压器铁芯的方法。根据本发明，这里提供一种制造非晶态金属变压器铁芯的方法， 该方法包括将两个或多个非晶态金属带彼此紧邻地卷绕，优选地同时卷绕并优选地卷绕在同一卷绕头上以形成宽的组合圈，并且将非晶态金属圈相对于彼此固定以及通过在圈中置入一组或多组硅钢层以将非晶态金属层相对于彼此固定，其中，一组或多组硅钢层由硅钢带制成，该硅钢带具有与两个或多个非晶态金属带的组合宽度对应的宽度。
图1示出一种现有技术的环状铁芯变压器；图2是三角形连接的一种代表接法；图3是Y形连接的一种代表接法；图4是现有技术的E形铁芯的三维视图；图5示出一种现有技术的非晶态三相铁芯；图6示出另一种现有技术的三相非晶态铁芯；图7示出又一种现有技术的未组装状态的三相非晶态铁芯；图8示出一种现有技术的hexaformer结构铁芯的三维视图；图9是hexaformer结构铁芯的卷圈或环的侧视图；图10是本发明的一个实施例的三维视图，该实施例是一种三相非晶态金属变压器铁芯；图11示出一个制成绕组线圈的实施例，该绕组线圈是用于根据本发明的非晶态连续磁通路径铁芯；图12示出另一个制成根据本发明的非晶态连续磁通路径铁芯的实施例；图13示出用于根据本发明的铁芯的清漆涂敷台的三维视图；图14示出一个形成具有hexaformer结构的非晶态金属铁芯的工艺过程的实施例的描绘；图15示出一个本发明的框架拉伸台的实施例；图16是本发明的非晶态金属环加工方法的三维描绘图；以及图17是穿过另一种型号的三相连续磁通路径铁芯的两个邻近支柱部分的截面视图。
具体实施例方式本发明包括所有连续磁通路径非晶态金属三相变压器的产品。为了本申请起见， 如上文所定义，连续磁通路径铁芯包含一种铁芯，该铁芯在其芯层中不包含裂纹，或为将线圈放置(接入)在铁芯的支柱上时不需要切断芯层。因此这就需要将变压器线圈卷绕到铁芯支柱上。如上文所讨论，或者通过使用穿过变压器铁芯窗口的缠线管、或者通过使用绕线管以达成该目的。缠线管的使用非常受设计约束的限制，因为这需要足够的窗口面积以允许缠线管穿过窗口，即使当其它支柱已经用线圈卷绕过并因此有窗口尺寸减小的作用。本发明即将采用的替代方法是使用以可旋转方式围绕支柱附接的绕线管，因此可以通过旋转该绕线管将线圈卷绕到支柱上。然而，这需要支柱的横截面大体呈圆形，以减小铁芯支柱和线圈绕组之间的空气间隙(极大化填充因数)。一种这样的三相连续磁通铁芯是hexaformer铁芯，其包括三个框架800，每个均由三个金属环、卷圈或圈802构成，该圈或卷圈802相对于彼此转动，并且每个卷圈802包括多个金属层，这些金属层相对于彼此偏置，形成斜坡表面，因此当从如图9中所示的侧面看去，每个环或卷圈具有平截头圆锥体形状。为了本申请起见，铁芯的所述环、卷圈或圈将被统称为环。通过将环安置在彼此的内侧并相对于彼此成角度或转动，所形成的框架800可被变形以确定两个大体平行的侧边， 并在其上施力使其与其它框架800接合以确定三个竖直延伸的支柱810，该支柱位于三角形的拐角处并延伸大体与三角形平面垂直，并且确定连接支柱810上端和下端的顶轭架和底轭架812、814。如图8所示，在顶部和底部的两组轭架大体具有三角形状。在图8中所示的特殊结构，每个框架800包含3个圈，导致铁芯支柱810具有大致呈六角形的横截面。 因此应认识到，每个框架800确定一个顶轭架和一个底轭架以及两个半支柱，当以立体方式与邻近框架连接时形成整个支柱，并提供连续磁通路径。在参考文献Sonia Landmark, Yuriy V. Serdyuk,Stanislaw Μ. Gubanski 以及 Benny Larking 的“六角-和传统 E 形铁芯三才目变压器之间白勺比较，，(“Comparison between hexa-and conventional Ε-type core three-phase transformers")中讨论了上文中所述形状的构造和一些优势，通过引用将其包括在此文中，其中Sonia Limdmark来自于查尔姆斯理工大学电力工程学部能源与环境系，Yuriy V. Serdyuk和Manislaw M. Gubanski来自于查尔姆斯理工大学高压工程学部材料与机械制造系，以及Benny Larking来自于瑞典的Hexaformer Production AB0本发明也适用于其它三相连续磁通路径铁芯结构，包括其中框架中的环共有一个公共的旋转轴的铁芯，替代如在Hexaformer铁芯中框架中的环相对于彼此成角度的构造。根据本发明，本申请人通过提供一种将非晶态金属带制成连续磁通路径铁芯结构的方法，提供一种新的非晶态三相变压器。作为本发明的一个方面，非晶态金属层被固持在一起以避免它们相对于彼此滑动。所述非晶态金属也设有内骨架或外骨架或内、外骨架都有以赋予结构更高的刚度。本发明的另一个方面涉及一种制造非晶态金属变压器的工艺过程，该工艺过程不需要退火步骤，通过提供一种具有大体呈圆形的横截面的支柱，并且使用绕线管将导体线圈卷绕到支柱上，因此避免了由于切割铁芯对铁芯造成的过度伤害。为了本申请起见，一种大体是圆形的横截面包括任何具有超过4个边的多边形状。除去退火步骤即除去了一个重要的、耗时且成本高的步骤，在过去该步骤是非晶态金属变压器的一个典型的必须条件。根据本发明，关于三相变压器的一个实施例涉及使用hexaformer结构，其包括将非晶态金属卷绕成三个环组，每个组被设置以形成一框架，并利用以立体方式连接在一起的三个框架以确定六边形横截面支柱。为了将导电绕线卷绕至铁芯上，本发明利用了绕线管，该绕线管被紧夹在各个支柱上并且在线圈卷绕过程中相对于支柱转动，然后可选地将该绕线管相对于支柱固持，形成完成的变压器的一部分。因此，本发明避免了与Ngo三相铁芯和由Metlas和CogentPower提供的铁芯相关的问题，S卩，为了将绕组放置在铁芯支柱上， 在构成铁芯的非晶态金属带中需要数百个甚至数千个切口或裂纹。通过避免如在现有技术的Metglas、Cogent Power和Ngo的非晶态金属铁芯中的不得不切割非晶态金属，可大大减少铁损并提供一种不需要将铁芯退火的变压器制造工艺过程。在图10中示出本发明的非晶态三相变压器的一个实施例。如上文所讨论的，用于形成各个环或圈1000的非晶态金属带比硅钢薄了 8到12倍并且极其光滑和质软。对于各个环1000，为了将多个非晶态金属层相对于彼此固定，本发明因此提供一个或多个硅钢层1002，该硅钢层在本实施列中由两层非晶粒取向的硅钢形成，其同样也用于给所述环提供较大的刚度。本发明也在一个实施例中建议在顶部卷绕非晶态金属层之前先设置一内支架，该内支架是一层或多层的硅钢。在本实施例中，在各个圈1000的内侧上使用两层非晶粒取向硅钢1004。因此内层和外层硅钢为非晶态环确定了一个内骨架。在其它实施例中，附加的非晶粒取向硅钢层散布在非晶态金属层之间，以提供另外的结构的完整性。例如，在一个实施例中，在卷绕大约1/3的非晶态金属层后置入一个双层的非晶粒取向硅钢，在卷绕完另一个1/3的非晶态金属层后再置入一个双层的非晶粒取向硅钢。包括另外的内部双层和外部双层非晶粒取向硅钢在内总共设置了 4个双层的非晶粒取向硅钢。应当清楚的是，可使用多于或少于4个的双层非晶粒取向硅钢作为内骨架，并且可使用其它材料来形成内骨架。同样，上述实施例中各组硅钢层只包含两层，应当清楚的是也可使用多过2层的硅钢层组。在一些实施例中，其中硅钢层被用作内部层，在其上卷绕非晶态金属之前，通过将它们在清漆中浸蘸并将其烘烤以使它们更加刚硬。在变压器铁芯中使用非晶态金属所出现的另一个难题是非晶态金属带通常是以限定的宽度制成的。本发明提供一种制作变压器铁芯的方法，该铁芯比单个非晶态金属带宽。在图16所示的实施例中，制成一种非晶态金属hexaformer结构铁芯，其包括比单个非晶态金属带宽度宽的圈。在此实施例中，两个非晶态金属带1600、1602彼此相邻地被卷绕在共同的卷绕头上。因在此实施例中组合圈的宽度需要比一个单独带的宽度大但比两个带的宽度小，对于带1600使用一个全部带宽，而将第二带沿纵向撕开使其具有预期带宽以提供具有特定宽度的圈2002，当该圈2002与带1600组合时提供预期的环总宽度。为将非晶态金属卷圈绕组相对于彼此固定在彼此之上，在环的绕组中包括三套或组硅钢层，各组包括两层。在图16中只示出内部硅钢层组1610和中部硅钢层组1612，外部层还有待被卷绕。硅钢层1610、1612具有与非晶态金属层带1600、1602的组合宽度相对应的宽度，因此其帮助将两个相邻非晶态金属环固定在一起。以这种方法，通过提供预期数量的彼此相邻的非晶态圈，并通过包含具有与多个非晶态圈的组合宽度相对应的宽度的硅钢层将这些圈固定，本发明允许用于hexaformer和其它连续磁通路径结构铁芯的非晶态圈被制成具有任意宽度。虽然上述实施例中将非晶态金属圈1600和1602彼此相邻地卷绕在共同的卷绕头上，所述圈也可被单独制成然后使用外部非晶态金属层组将其组合。在图17中示出另一种使用非晶态材料制成的三相连续磁通路径变压器铁芯。图 17所示的铁芯看上去与hexaformer和Manderson铁芯结构相似，其中，该铁芯设有三个框架，每个框架由多个环构成，这些环沿支柱部分连接以形成设置在三角形拐角的铁芯支柱， 并且每个支柱具有大体呈六边形的横截面。然而，与Manderson不同，本发明的铁芯通过利用偏置卷绕的多个卷绕环以形成复合的斜边环，避免了斜边磁性带的使用。如在图17中所示，构成本发明铁芯的框架每个包括一个主内环1710和多个次环1712。本发明也避免了使用由多个如在hexaformer结构中的相对于彼此成角度的环构成的框架。相反地，本发明使一个框架中的所有的环卷绕在彼此之上并且共享共同的旋转轴。所述环中至少一个可能部分或者全部由非晶态金属形成。在图17的实施例中，内环1710由非晶态金属制成。因此所述框架，每个均由第一或最内部的环1710构成，该环由非晶态金属以偏置方式卷绕形成，以确定一具有60度和120度内角的平行四边形横截面形状。在此实施例中各个框架还包括也以偏置方式卷绕的四个附加的环1712，每个这种附加环以与最内部的环 1710相同的方向被偏置。在此实施例中，所述附加环其中的两个也使用非晶态金属卷绕形成。应当清楚的是，所述最内部的环填充六边形的一部分。在此实施例中，选择随后的或附加的环以填充(和最内部环一起)外接圆的一半的大部分，以形成支柱部分，当该支柱部分与邻近支柱部分组合时形成铁芯支柱，其中该支柱的填充因数比具有六边形横截面的支柱大。在图11所示的另一个实施例中，当卷绕金属带时，替代提供结构硅钢层将非晶态金属层固定在一起，而是将树脂喷涂在金属带表面上，因此在层之间提供树脂将邻近带彼此粘合。在本实施例中，在卷绕过程的每次旋转中涂敷一个或多个树脂点1100，然而，在本实施例中，如通过由附图标记1104指示的示例描绘出的，涂敷树脂的喷嘴1102可被改为设置用于当卷绕非晶态金属时，在其表面上连续涂敷树脂膜。树脂可以以细雾(小液滴)状或粉末状被涂敷，并且可被静电喷涂到非晶态金属层。至于在紫外固化树脂情况下由紫外光固化层间的树脂而言，该树脂被选择为起初只固化为乙阶树脂，因此可允许所述环随后的变形，这些将在下文中清楚地讨论。如果该树脂是在室温固化的双组分树脂，选择树脂或硬化剂(催化剂)的量来提供足够长的固化时间，以允许所述环合并入框架中并使框架变形。在图12所示的又一个实施例中，在完成的铁芯1200的外面涂上涂层以形成一包封层1202，该层将非晶态层固定在一起并防止它们相对于彼此滑动。可先不喷涂树脂点1100或树脂膜1104，在非晶态金属层的表面上涂上所述包封层，或者附加在上述树脂 1100、1104上。类似地，可提供包封层1202附涂在硅钢层1002、1004上。在图12的实施例中，包封层1202采用清漆或树脂的形式，在将变压器的铜绕组应用于支柱之前涂上该包封层1202。就清漆而言，使用烘烤-浸蘸-烘烤的顺序，其中先将铁芯加热至约200°C，随后将铁芯浸入到含有清漆的容器1204中，然后再次加热以硬化清漆。在另一个实施例中， 通过在容器1204中注满树脂并将铁芯浸入树脂中，或者使用刷子涂敷树脂或使用喷嘴喷涂树脂，以在铁芯上涂上树脂涂层。就树脂涂层而言，可使用紫外固化树脂或双组分树脂代替热树脂以避免为固化树脂而不得不烘烤铁芯。在又一个实施例中，通过在铁芯经受烘烤-浸蘸-烘烤之后再涂敷树脂，在刷清漆过程中添加了向铁芯涂敷树脂的过程。将对在图14中所示的组装工艺过程进行讨论以清晰了解图13中所示的实施例，通过将变压器浸入到清漆槽1304中或通过在变压器上喷涂或刷涂清漆，该实施例包括在安装变压器的导体绕组之后再次涂敷一涂层，即清漆涂层。在图14中描绘出根据本发明的具有hexaformer结构的非晶态三相变压器的制造工艺过程的一个实施例。在此实施例中，使用9个卷芯机1400卷绕9个非晶态金属卷圈或圈，该卷圈或圈被用于制造根据本发明的具有hexaformer结构的非晶态金属铁芯。每一卷芯机1400包括一驱动卷绕头1404的电动机1402，导向板1406与卷绕头1404安装在一共同的轴上，用以当非晶态金属层和任何硅钢层卷绕在卷绕头上时支撑这些层。根据上文所讨论的本发明的实施例，将两层非晶粒取向硅钢从卷轴1410卷绕到各个卷绕头1404上，其中卷轴1410被安装在一可旋转的卷轴头1412上，该卷轴头设有可径向移动的卡钳，一旦卷轴定位在卷轴头上可用该卡钳将卷轴夹紧。在此实施例中，随后在卷轴头1412上安装非晶态金属的卷轴，并将非晶态金属层卷绕在两层非晶粒取向硅钢的上面。然后将另外两层非晶粒取向硅钢从安装在卷轴头1412上的卷轴卷绕至非晶态金属层的上面以完成9个卷圈或圈。根据所述hexaformer的结构，形成在三个内部卷芯机1422上的内圈组由宽度是用于中部和外部圈的金属带的宽度的2倍的金属带构成。为给每一框架提供三个圈，其中三个圈根据所述hexaformer结构的要求安装在彼此内侧，内部圈形成在半径较小的卷轴头上以提供一比中部和外部线环半径小的卷圈或圈，而外部圈最大且被卷绕在最大的卷轴头上。如工位1430所描绘的，通过将外部圈放置在内部圈上，并且将中部圈与内部圈成角度地放置，并对组成铁芯的三个框架中的每个重复此过程，以制成三个框架。接着将每一框架的圈临时夹在一起以保持环相对于彼此的位置，直到框架变形，将作如下讨论。如图15详细地显示，通过将框架放置到框架拉伸台1432以使框架变形。该拉伸台允许在框架的窗口内放置适当的按一定尺寸制作的压板，该压板朝外运动使框架变形。此变形步骤用于两个目的，即用于制作具有大体直线平行的支柱部分的框架，以及帮助将线环相对于彼此固定。然后将框架与彼此连接并夹紧。如上文所讨论，可通过以下方式将框架固定，包括采用烘烤-浸蘸-烘烤步骤涂敷清漆，或提供充当外骨架的树脂涂层，或既使用清漆也使用随后的树脂涂层。作为选择地或附加地，可利用树脂浸渍绑扎材料将铁芯的支柱固定于彼此，该树脂浸渍绑扎材料也被称为固定绑扎带，其中该树脂已经通常被固化成乙阶树脂以让绑扎带具有弹性。一旦所述固定绑扎带被卷绕在支柱上，将其加热以使之固化至最终状态或甲阶树脂。如图15所示，拉伸台包括机架1500，其可滑动地支撑两个压板底座1502、1504。底座1502连接至气动活塞1506，而底座1504相对于底座1502滑动可调以适应不同大小的框架窗口，并且该底座可被锁定到位。适当大小的压板1508被安装在底座1502、1504上以接合待被拉伸的框架的相对的内表面。接着气动地朝外移动底座1502以使框架变形至其预期形状。在上文所述的工艺过程中，所述环被卷绕在圆形的卷绕头上并接着使其变形。这具有一个优点，即卷芯机可比在非圆形的卷绕头的情况下转动的快。一旦已将各个框架变形并移除临时性的夹具，将框架的直线边连接在一起以形成三个具有大体呈六边形横截面的支柱。在一个实施例中，通过夹具或撑条或绳索或线带将直线支柱彼此固定。此后，本实施例提供一包封树脂，将该树脂涂抹或喷涂在铁芯上，或者如由附图标记1440所描绘的， 通过将铁芯浸没在树脂容器1438中将该树脂涂敷在铁芯上。在此实施例中，玻璃纤维短切丝形式的玻璃纤维材料被包含在所述树脂中。如上文所提及的，在一个实施例中，热树脂被用于外部涂层并将其烘烤，此步骤所起作用部分类似于退火步骤。通过避免使用为将线圈接入铁芯而需要切割铁芯或在铁芯中断裂的铁芯形状，非晶态金属的退火极其多余。然而， 为改善损耗在一个实施例中引入了退火步骤。因此如上文所提及的，一种需要烘烤以便固化的热固化树脂的使用能够今后允许固化步骤与材料的退火结合，假如使用的树脂的固化温度达到非晶态金属的有效退火温度(大约300°C)的话。然而，在本实施例中使用的是紫外固化树脂，使用在工位1450中所描绘的UV光线1448将其固化。因UV固化过程较快， 这样节省了时间并避免使用成本高且高耗能的烤炉。一旦所述树脂被固化即将线圈绕管安装在铁芯的支柱上，如上文所讨论的，导体线圈被卷绕在该绕管上，在此通过卷绕工位1460 描述。次绕组可以先被卷绕至绕线管上，此后将主绕组卷绕在次绕组之上。在另一实施例中，次绕组被卷绕在主绕组之上。对每一支柱轮流重复该过程。在此实施例中，将完成的变压器浸入到在工位1407的清漆槽中，然后烘烤该涂层上的清漆。尽管本申请描述了具体的实施方式，然而应明白本发明的各方面能够以不同方式实施，不脱离本发明的实质。
权利要求
1.一种三相变压器铁芯，包括连续磁通路径铁芯结构，其特征在于，铁芯中至少部分包含非晶态金属。
2.根据权利要求1所述的铁芯，其特征在于，所述铁芯部分由非晶态金属形成并且部分由硅钢形成。
3.根据权利要求1所述的铁芯，其特征在于，所述铁芯包括三个框架，每个所述框架包括多个环，在其中，在每个所述框架中的所述环中的至少一个包含非晶态金属。
4.根据权利要求3所述的铁芯，其特征在于，包含非晶态金属的所述环包括多个内部硅钢层和多个外部硅钢层，所述内部和外部层将多个非晶态金属层夹在它们中间。
5.根据权利要求3所述的铁芯，其特征在于，所述环中至少一些包括多个内部硅钢层， 该硅钢层已被处理过而具有刚度增强的涂层，从而为非晶态金属层确定内部支撑管。
6.根据权利要求1所述的铁芯，其特征在于，所述铁芯包括多个非晶态金属层，利用树脂将其中的至少一些与彼此固定。
7.根据权利要求6所述的铁芯，其特征在于，所述树脂在非晶态金属层间形成基本恒定的层。
8.根据权利要求7所述的铁芯，其特征在于，还包括围绕铁芯支柱卷绕的浸渍树脂带。
9.根据权利要求8所述的铁芯，其特征在于，所述带中的树脂已被固化成乙阶树脂，并且通过随后的加热能够被固化成甲阶树脂。
10.根据权利要求7所述的铁芯，其特征在于，各个环中的卷绕材料层相对于彼此被偏置以形成从侧面看时具有平截头圆锥形状的环，并且各个框架中的环成角度地置于彼此内，其中每一框架中至少一个环的旋转轴相对于该框架中的其它环的旋转轴成一角度。
11.根据权利要求7所述的铁芯，其特征在于，每一框架包括多个具有共同旋转轴的环。
12.一种提高三相连续磁通路径变压器铁芯的效率的方法，包括卷绕多个环，所述环中的至少一个至少部分地由非晶态金属卷绕制成， 由所述环形成三个框架，以及将所述框架组合成铁芯。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括在非晶态金属层的至少一些层之间涂敷树脂。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述树脂以粉状或细雾状被静电涂敷。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括在铁芯的外表面上涂敷树脂以用树脂层或壳层包覆铁芯。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括在铁芯的外表面上涂敷玻璃纤维。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括退火或者畴设置非晶态金属。
18.根据权利要求12所述的方法，还包括加热铁芯并且在铁芯还热时将其浸入清漆中。
19.根据权利要求12所述的方法，还包括制备各个环，所述环至少部分地由非晶态金属卷绕，由多个涂上清漆的硅钢层组成一内部支撑环。
20.一种制造宽的非晶态金属变压器铁芯环的方法，包括将两个或更多非晶态金属带彼此紧邻地卷绕以形成由两个或更多紧邻的环组成的宽的组合环，并将非晶态金属层与彼此固定，并且通过包含一组或更多组硅钢层将紧邻的非晶态金属环相对于彼此固定，在其中，所述一组或更多组硅钢层由具有与组合环宽度对应的宽度的硅钢形成。
全文摘要
在一种三相变压器铁芯中，非晶态金属带被卷绕成环，将该环组成框架并组合框架以形成铁芯，所述铁芯具有多于4个边的支柱横截面以有利于使用卷绕管将变压器绕组卷绕在支柱上。将非晶态金属层相对于彼此固定，并且通过使用树脂、在非晶态铁芯中包含硅钢层或者使用捆扎或绑扎装置以使所述铁芯更加刚硬。
文档编号H01F27/24GK102362321SQ201080006676
公开日2012年2月22日 申请日期2010年1月29日 优先权日2009年2月5日
发明者于尔根·福尔拉特, 约翰·雪莉·胡斯特 申请人:哈克萨弗尔默公司