用于磁感应装置的三相磁芯及其制造方法

用于磁感应装置的三相磁芯及其制造方法
【专利摘要】公开了用于磁感应装置（例如，变压器、线圈、扼流圈）的三相磁芯，和用于制造它们的方法。所述磁芯通常由三个总体矩形状磁芯构造，磁芯具有沿所述框架的侧部延伸的阶梯状构造。所述框架被设置成形成三角棱柱结构，以使局部相邻框架的侧部均匀地接合，以形成可以放置三相磁感应装置的线圈的三个磁芯柱。
【专利说明】用于磁感应装置的三相磁芯及其制造方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及三相磁感应装置，在这种装置中使用的磁路芯，以及用于制造它们的 方法。

【背景技术】
[0002] 磁感应装置（例如，电力变压器、扼流圈等）被设计成，基于互感效应而在感应耦 合的缠绕导体（线圈）之间传递电能。例如，在电力变压器中，提供给感应耦合至变压器铁 芯的一次绕组的交流电流在该铁芯中产生磁通量，其在耦合至该变压器铁芯的二次绕组中 感应出电动力（EMF)或电压。
[0003] 三相变压器通常包括磁芯回路和感应耦合至该磁芯回路的三个线圈模块。每一个 线圈模块通常由一次绕组和二次绕组构造。目前发展水平的三相电力变压器通常利用所谓 的"E+1"磁芯构造（其中，将线圈安装在磁芯的"E"状框架的三个芯柱上，此后，用该磁芯 的"1"状轭部封闭）。该"E+1"磁芯构造提供了一种平坦磁芯结构，其包括按单一平面以几 何方式设置几个互连磁芯轭和柱状部件。
[0004] 例如，美国专利No. 6668444公开了一种具有由非晶态金属带制成的平坦磁芯构 造的三相变压器。该平坦磁芯构造利用"阶梯状"接头，其被设计成易于开启该磁芯柱以将 线圈放置在其上，此后将该接头封闭，由此封闭磁芯回路。然而，该制造技术提供了这样一 种平坦磁芯结构，即，其对于磁通量分配来说效率不高、需要技术复杂的磁路封闭，而且导 致重量相当大的磁芯。具体来说，无法解决这些平坦变压器构造的这种平坦磁芯结构中的 不对称磁通量分布问题。
[0005] 针对平坦三相变压器构造的可能另选例是，三角型磁芯磁系统。例如，美国专利 No. 6683524公开了一种具有三角（德尔塔，delta)结构的三相变压器。在该解决方案中， 变压器铁芯由三个框架制成，每个框架包括由宽度恒定的磁性材料带缠绕的几个环。这些 框架被装配成磁芯，以使形成具有在角部之间延伸的垂直芯柱的两个三角形轭状结构，其 中，该芯柱由一个相对于另一个滑动、偏移或倾斜的缠绕环形成。这种构造提供了具有多边 形截面形状的变压器芯柱，然而，其在制造上非常复杂，而且其结构性构造增加了磁损耗。
[0006] 美国专利公报No. 2010/0194515描述了一种由三个框架构造的三角形三相变压 器，这些框架被装配以构造六角形芯柱（还已知为"hexaformer"），其采用利用偏移缠绕技 术获得的锥状环结构。在该申请中，提出了制造部分由缠绕非晶态带且部分由铁芯硅钢制 成的磁芯，其因这些材料具有不同厚度、不同机械强度并且在缠绕期间需要不同的工作张 力而极其困难。因此，这样构造的框架不提供高的绕组密度，而这是磁系统的主要参数之 一。而且，与非晶态材料相比，使用这种混合磁芯框架因铁芯硅钢中的增加的磁损耗而增加 了负载损耗。该公报还提出了以机械方式蚀刻磁芯框架，这是非常有问题的，因为所需工作 量根据框架中使用的铁芯硅钢的量来确定。而且，非晶态带和铁芯硅钢因这些力而同时位 移趋于使非晶态金属带断裂，而其将导致非负载电流增加。
[0007] 欧洲专利公报No.EP 2395521公开了一种用于制造由非晶态金属带制成的三角 形变压器铁芯的方法，其中，由磁芯制成的芯柱按三角形构造设置，其中，该磁芯柱的截面 具有圆形或多边形形状。为了获得该芯柱的所需截面形状，磁芯框架由连续缠绕带层构造， 其中，借助于激光切割根据磁芯柱的相应层来调节该带的宽度。然而，典型地在这样激光切 割非晶态带期间形成的熔化材料导致沿切割边缘形成带材料的僵硬熔滴，其在缠绕期间造 成磁性带层之间的间隙。另外，这种僵硬溶滴还在磁系统操作期间创建了发生短路的条件。 应注意到，这种制造具有可变截面的磁芯的方法实现起来非常复杂且有问题。
[0008]美国专利No· 680%2〇公开了具有由三个框架装配的三角笼铁芯结构的三相变压 器。该三框架装配件形成了由三个芯柱连接了角部的三角形轭状结构，其中，该磁芯框架由 多个带缠绕成，每个带相对于相邻带偏移，以获得该框架的长斜方形截面。该磁芯由交错环 结构制成，该交错环结构由磁性材料线或带制成，其中，每个环组成两个芯柱的一部分。然 而，该专利中提出的交错环结构需要非常复杂的生产技术，特别是制造电力变压器时。


【发明内容】

[0009]本发明总体上涉及用于磁感应装置（例如，变压器、扼流圈）的三相磁芯，其包括 三个总体矩形磁芯框架，即，具有侧部和轭部。该框架按大致三角棱柱（五面体）构造设置， 每个框架沿侧部的内表面和外表面中的任一个或两个具有阶梯状构造。两个局部相邻框架 的侧部接合以形成其上可以放置线圈的芯柱。由此，整个磁芯具有由均匀接合的相邻框架 形成的三个芯柱，其上可以放置三相磁感应装置的三个线圈。
[0010] 该磁芯框架通常具有空间形状。如上所示，该框架的侧部的内表面和外表面中的 任一个可以具有形成相应突出面（例如，内面）的阶梯状构造，而另一表面可以具有类似构 造（外面），或者可以是平坦或弯曲的，或者按照设计需求的任何其它合适形状。该磁芯通 常由一个紧接着另一个（g卩，局部相邻）相邻定位的三个这种磁芯框架装配而成，以使局部 相邻框架的阶梯状侧部均匀接合，以形成该磁芯柱。
[0011]限定沿框架侧部的阶梯状突出面的上述构造在相邻框架之间提供了紧密且均匀 的接合（即，沿磁芯的柱部）。该构造还提供了芯柱的外表面（由框架的接合侧部限定的） 的几何结构/形状（例如，圆形或多边形）与要放置在磁芯柱上的对应线圈的内表面的几 何结构/形状之间的最佳匹配。这提供了柱部的磁性材料沿其承载/面对线圈的区域的最 佳（最大）截面占用率，由此，改进了效率和各种磁芯特性，如减小几何尺寸，和减少磁芯材 料量和重量等。
[0012] 例如，在一些实施方式中，阶梯状构造利用具有大约30°的斜度的梯阶布置/排 列，并且框架相对于彼此以60°角取向，由此形成多边形形状（例如，三角棱柱五面体）， 即，其中，通过轭部限定上/下底座的等边三角形几何结构。
[0013] 这些磁芯框架中的一个或更多个可以由用磁性带制成的多个多层环来制造。该磁 芯框架可以由宽度不同的多个磁性带形成，每个带被缠绕以形成多层环，其中，该缠绕环以 一个在另一个上的方式缠绕，以形成阶梯状面。另选的是，该多层环可以单独地制备，每个 由缠绕磁性带制成，并且该磁芯框架可以通过一个在另一个顶部上的方式同轴地叠置这些 环来制备，以形成磁芯框架的希望的阶梯状构造。
[0014] 在一些实施方式中，该磁芯框架通过连续缠绕磁性材料带，以形成以一个在另一 个上的方式设置的多层环来构造，针对连续多层环来说，利用具有连续减少或增加宽度的 磁性材料带。例如，每个多层环可以通过缠绕具有预定长度和宽度的磁性带来制备,并且每 个带的带匝以一个在另一个顶部上的方式大致对准，由此，形成阶梯状构造的单一梯阶，所 述梯阶具有根据带匝的数量限定的梯阶厚度。这样，这些环的磁性带可以按它们的厚度的 降序以一个在另一个上的方式缠绕，由此获得该框架的至少内面的希望的阶梯状构造。因 此，在这个示例中，最内侧多层环由具有最大宽度的带缠绕，而最外侧多层环由具有最小宽 度的带缠绕。
[0015] 在一些实施方式中，该磁芯框架通过按带宽度的升序，以一个在另一个上的方式 连续缠绕至少一些磁性材料带，并接着按它们的宽度的降序，以一个在另一个上的方式在 其上缠绕至少一些其它磁性材料带来构造。这样，磁芯框架的柱部可以被设置成在该框架 的一个面（内面）上采取阶梯状构造，而在该框架的另一面（外面）上采用弯曲截面形状。 该框架的柱部的这种构造提供了一种通过接合框架的阶梯状侧部而获得的磁芯柱的弯曲 截面形状（例如，限定磁芯柱的截面的曲线在形状上为圆形），以构造三角棱柱磁芯结构。
[0016] 另选的是，一个或更多个磁芯框架可以由多个多层环装配，这些环中的每个由分 离缠绕的磁性材料带制造，以生成具有预定环宽度（例如，根据该环中的匝数限定）和预定 中心开孔的多层环。每个多层环可以由具有预定长度和宽度的磁性带制备，其中，该环（梯 阶）的厚度根据带宽度限定，并且每个环的匝以一个在另一个上的方式对准，由此获得大 致平坦的环面。在这种实现中，这些多层环相对于它们的环宽度，以一个在另一个顶部上的 方式同轴地叠置（即，在邻接关系上具有相邻环的平坦面），由此获得该框架的至少一个面 (内面）的希望的阶梯状构造，同时根据所叠置环的中心开孔的同轴布置限定中心窗口。这 些框架的中心开孔的尺寸可以被调节成，容纳三相磁感应装置的线圈，其要被放置在通过 该框架构造的磁芯的芯柱上。
[0017] 例如，在可能实施方式中，这些多层环可以按它们的环宽度的降序以一个在另一 个顶部上的方式叠置，由此获得沿该框架的内面的希望的阶梯状构造。在这种情况下，最下 侧多层环（例如，处于框架的外面处）是具有最大环宽度的环，而最上侧环是具有最小环宽 度的环（例如，处于框架的内面）。
[0018] 该磁性材料带被优选地缠绕以形成矩形环状结构，使得在每个多层环中形成中心 开孔，并且每个框架的环被这样设置，以使同轴地对准环的中心开孔，由此在该框架中形成 中心矩形窗口。该磁芯框架的中心窗口被设置成，容纳磁感应装置的线圈部件，其在该工序 的稍后阶段被放置在由局部相邻定位的磁芯框架的接合侧柱部所形成的磁芯柱上。
[0019] 在可能实施方式中，这些环中的至少一些可以具有不同尺寸的中心开孔，其可以 被采用以设计具有弯曲截面形状的磁芯框架。例如，这些多层环可以环针对它们的中心开 孔的尺寸，按它们的环宽度的升序，以一个在另一个顶部上的方式同轴地叠置，而其它一些 多层环可以环针对它们的中心开孔的尺寸，按它们的环宽度的降序，在其上（也是以一个 在另一个顶部上的方式）同轴地叠置，由此获得该框架的内部的阶梯状构造，和该框架的 柱部的外侧和/或中间侧的弯曲截面形状。
[0020] 在可能应用中，该磁芯框架可以通过组合上述环绕组和叠置技术来构造。例如，一 个或更多个磁芯框架可以通过以一个在另一个上的方式连续缠绕这些多层环中的一些，并 接着在其上同轴地叠置一个或更多个分离制备的多层环（g卩，在缠绕环的顶部上）来制造。
[0021] 在一些可能实施方式中，该磁芯回路的磁芯框架由非晶态金属带制成，例如，由软 铁磁体非晶态合金，或者由纳米晶合金制成（例如，用于高频变压器）。另选的是，该磁芯框 架由薄硅钢带制成。 ^022]在=些实施方式中，该线圈部件通过以下步骤放置在该磁芯柱上，即，横向切割磁 芯框架的一部分，以获得每个框架的上和下框架部分，装配该下框架部分，以通过接合它们 的阶梯状柱部来形成三角形结构（即，轭部的三角形结构），由此，形成磁芯柱的下部部分， 在磁芯柱的下部上放置线圈，并且此后将该框架的上部接合至它们的相应下部部分的顶部 上，以恢复该框架的矩形结构。 '
[0023]根据可能实施方式，该多相磁感应装置可以制造如下：
[0024] ?制备磁芯框架，每个框架由多个多层环组成，该多层环由缠绕的磁性材料带制成 (例如，具有软铁磁体特性），这些多层环被设置成，在磁芯框架的至少一个面中形成阶梯 状构造；
[0025] ?如果该框架由非晶态带制成，则可选地向该磁芯框架施加热处理（例如，按大约 36〇°C至400°C的温度退火，接着是在退火炉中缓慢逐步冷却该框架）；
[0026] ?将该框架浸渍在有机粘合材料中（例如，有机硅漆或环氧清漆），接着是干燥该 框架；
[0027] ?将该框架横向切割成上部和下部；
[0028] ?通过按三角形式以一个与另一个相邻的方式放置所述部分，将该框架的下部部 分垂直安装在该装置的底座上（例如，由电绝缘材料制成），以使该框架的下部部分的芯柱 的阶梯状侧部变得接合；
[0029] ?将线圈模块安装在下部框架部分的每一对接合柱部上；
[0030] ?垂直安装磁芯框架的三个对应上部，以恢复该框架的矩形形状；
[0031] ?在该框架的接合柱部之间涂敷电绝缘材料；
[0032] ?安装上压板（例如，由电绝缘材料制成）；以及
[0033] ?电连接引出线，并且用双头螺栓固定该装置。
[0034] 本申请的技术提供了多种优点。例如，采用多层矩形环的磁芯框架的阶梯状构造 可以被有效地设计成，采取每一相的磁芯柱的希望截面形状（例如，圆周形状或多边形形 状），并且允许达到最小非负载损耗。另外，该装置的磁芯的模制结构简化了其装配和拆卸， 由此，允许容易制造和维护该装置。将该磁芯柱设置成采取希望截面形状向被线圈与该芯 柱的磁性材料包围的磁芯的截面积提供有效填充，由此，减少了线圈的直径和重量，而且对 应地，减少了线圈的电气损耗。
[0035] 在此公开的磁感应装置设计需要更少的带材料来制造、提供更轻的变压器磁芯， 并且改进该装置的效率。具体来说，采用本发明技术的磁感应装置受益地具有：
[0036] ?更高的效率系数（例如，将电力变压器的效率增加直达"· 2% );
[0037] ?更小的磁芯重量（例如，比常规三相变压器结构少大约30%至40% );
[0038] ?每单位电功率更小的材料量（例如，大约30%至40% );以及
[0039] ?与常规三相三角形变压器相比的改进可维护性。
[0040] 由此，根据本发明的一个方面，提供了一种用于三相磁感应装置的磁芯，该磁芯包 括三个磁芯框架，每个磁芯框架具有内面和外面，其中，至少每个框架的内面具有沿所述框 架的侧部延伸的阶梯状构造，所述磁芯框架设置在所述磁芯中，并且它们的内面彼此面对， 由此形成三角棱柱结构，使得每个框架的阶梯状侧部变得与局部相邻框架的阶梯状侧部接 合，由此形成所述磁芯的、用于在其上安装所述装置的线圈的三个磁芯柱。例如，所述框架 的内面的阶梯状构造可以被构造成形成截阶式棱维（frusto-stepped-pyramid)结构。
[0041] 根据一些实施方式，所述阶梯状构造具有大约30。的斜度，并且所述框架相对于 彼此以60°取向。
[0042] 所述磁芯框架可以包括多个多层环，每个多层环由缠绕的磁性材料带制成（例 如，由非晶态金属、硅钢、纳米晶合金，或任何其它合适材料制成），并且与所述阶梯状构造 的特定梯阶相关联。例如，在一些实施方式中，所述多个多层环中的每一个多层环由具有预 定带宽度的磁性材料带制成，所述多个多层环中的至少一些多层环由具有不同带宽度的带 制成，并且其中，所述带相对于它们的带宽度以一个在另一个上的方式连续缠绕，由此形成 所述阶梯状构造。可选的是，至少一些所述带按它们的宽度的降序以一个在另一个上的方 式缠绕。这样，所述磁芯柱可以被构造成具有多边形截面形状。
[0043] 在一些实施方式中，至少一些所述带按它们的宽度的升序以一个在另一个上的方 式缠绕。因此，可以通过将一些内侧多层环按它们的带宽度的升序以一个在另一个上的方 式缠绕，而在其上将一些外侧多层环按它们的宽度的降序以一个在另一个上的方式缠绕， 来制造所述框架，以获得所述磁芯柱的圆形截面周边（即，通过接合局部相邻框架的阶梯 状侧部所获得的）。
[0044] 在一些可能实施方式中，所述多层环由具有相同带宽度的磁性材料带缠绕，以向 所述多层环中的每个多层环提供预定环宽度和预定中心开孔，其中，所述多层环中的至少 一些多层环具有不同环宽度，并且所述框架通过以一个在另一个顶部上的方式同轴地叠置 所述多层环来构造，由此形成希望的阶梯状构造。例如，所述阶梯状构造可以通过将所述 多层环中的至少一些按它们的宽度的降序，以一个在另一个顶部上的方式同轴地叠置来获 得。
[0045] 在一些可能实施方式中，所述多层环中的至少一些多层环的中心环开孔的几何尺 寸不同。由此，所述磁芯柱的圆形截面周边可以通过将所述多层环中的至少一些多层环针 对它们的中心开孔的几何尺寸，按它们的宽度的升序，以一个在另一个顶部上的方式同轴 地叠置，并且将所述多层环中的至少其它一些环针对它们的中心开孔的几何尺寸，按它们 的宽度的降序，以一个在另一个顶部上的方式同轴地叠置来获得（即，在接合局部相邻框 架的阶梯状侧部之后）。
[0046] 在另一方面，提供了一种三相磁感应装置，该三相磁感应装置包括：磁芯，该磁芯 包括三个磁芯框架，每个所述框架具有内面和外面，其中，至少所述内面被整形成，形成沿 所述框架的侧部延伸的阶梯状构造，所述磁芯框架设置在所述磁芯中，并且它们的内面彼 此面对，由此形成三角棱柱结构，使得每个框架的阶梯状侧部变得与局部相邻框架的阶梯 状侧部接合，由此形成三个磁芯柱。所述装置还包括三个线圈模块，每个所述线圈模块安装 在所述三个磁芯柱中的一个磁芯柱上。
[0047] 所述装置的至少一个所述磁芯框架可以包括多个多层环，该多层环由缠绕磁性材 料带制成（例如，由非晶态金属、硅钢，或任何其它合适材料制成），所述多个多层环中的每 个多层环可以由具有预定带宽度的磁性材料带制成。因此，所述阶梯状构造可以通过将所 述多层环的磁性材料带相对于它们的带宽度以一个在另一个上的方式连续缠绕，或者通过 将多层环相对于它们的环宽度，以一个在另一个顶部上的方式同轴地叠置来获得。这样，所 述框架可以被设计成提供所述磁芯柱的希望截面形状。例如，在一些实施方式中，所述框架 可以被设计成获得具有多边形截面形状的磁芯柱，或者在一些其它可能实施方式中，具有 圆形截面周边（即，所述磁芯柱的圆形边界/外边界）。
[0048] 在一些应用中，提供了一种三相磁感应装置，该三相磁感应装置包括：磁芯，该磁 芯包括三个磁芯框架，每个磁芯框架具有内面和外面，和由缠绕的非晶态金属带制成的多 个多层环,所述环相对于它们的带宽度，以一个在另一个上的方式连续缠绕，或者相对于它 们的环宽度，以一个在另一个顶部上的方式同轴地叠置，由此形成沿所述框架的侧部延伸 的阶梯状构造，所述磁芯框架设置在所述磁芯中，并且它们的内面彼此面对，由此形成三角 棱柱结构，使得每个框架的阶梯状侧部变得与局部相邻框架的阶梯状侧部接合，由此形成 三个磁芯柱。所述装置还包括三个线圈模块，每个所述线圈模块安装在所述三个磁芯柱中 的一个磁芯柱上。
[0049] 根据又一方面，提供了一种构造用于三相磁感应装置的磁芯的方法，该方法包括 以下步骤：制备包括多个多层环的三个磁芯框架，所述框架具有沿所述框架的侧部延伸的 希望的阶梯状构造，所述多个多层环中的每个多层环由具有预定带宽度的磁性材料带缠绕 成，并且通过放置所述框架，以通过接合局部相邻框架的所述阶梯状侧部，形成三角棱柱结 构来构造所述磁芯。这样，局部相邻框架的所述接合阶梯状侧部形成三个磁芯柱，这三个磁 芯柱被设置成，被所述三相磁感应装置的线圈紧密包围。所述多个框架中的一个或更多个 (或全部）可以通过针对所述带的带宽度，以一个在另一个上的方式，连续缠绕多个磁性材 料带来制备。另选的是，所述框架可以通过单独地缠绕由磁性材料带制成的多个多层环来 制备，所述多层环中的至少一些多层环具有不同环宽度，并且相对于它们的环宽度，以一个 在另一个顶部上的方式同轴地叠置所述多层环。这些框架制备技术可以单独地或者组合使 用（例如，通过将所述分离缠绕环中的一些环叠置在以一个在另一个上的方式缠绕带的所 述多层环的顶部上），以获得沿所述框架的侧部延伸的希望的阶梯状构造。
[0050]根据一些可能实施方式，制备所述框架的步骤包括退火步骤。所述方法还可以包 括以下步骤：将所述框架浸渍在粘合材料中。所述构造所述磁芯的步骤还可以包括以下步 骤：在所述局部相邻框架的所述接合阶梯状区域之间应用由电绝缘材料制成的一个或更多 个层。
[0051]在再一方面，提供了一种制备三相磁感应装置的方法，该方法包括以下步骤：制备 包括多个多层环的三个磁芯框架，所述多个多层环中的每个多层环由具有预定带宽度的磁 性材料带缠绕成，其中，所述环被设置在所述框架中，以形成沿所述框架的侧部延伸的阶梯 状构造，将每个所述框架横向切割成上部和下部，设置所述框架的所述下部，以形成三角棱 柱结构，并且接合所述框架的局部相邻下部的所述阶梯状侧部，以形成所述磁芯的三个下 柱部，在每个所述下柱部上放置线圈，以及将所述框架的所述上部附接在它们的相应下部 上。
[0052]所述制备所述框架步骤可以包括以下步骤：针对所述带的宽度，以一个在另一个 上的方式，连续缠绕磁性材料带，以形成所述多个多层环。另选的是，所述制备步骤可以包 括以下步骤：单独地缠绕由磁性材料带制成的多个多层环，所述多层环中的至少一些多层 环具有不同环宽度，并且相对于它们的环宽度，以一个在另一个顶部上的方式同轴地叠置 所述多层环。可选的是，这些框架构造技术例如可以通过将所述分离缠绕环中的一些环叠 置在以一个在另一个上的方式缠绕带的所述多层环的顶部上来组合。

【专利附图】

【附图说明】
[0053]为了理解本发明并且为了看到其可以怎样在实际中实现，下面，参照附图，仅通过 非限制例的方式对实施方式进行描述，其中，相同附图标记被用于指示对应部分，并且其 中：
[0054]图1A和图1B示意性地例示了根据一些实施方式的三相磁感应装置，其中图丨八示 出了立体图，而图1B示出了该装置的俯视图；
[0055]图2A至图2C示意性地例示了根据一些实施方式的三相变压器，其中图2A示出了 变压器的侧视图和其磁芯柱的纵向截面图，图2B示出了变压器的俯视图和其磁芯柱的截 面图，而图2C示出了沿图2A所示线A-A截取的变压器截面图，其示出了该装置的截面； [00 56]图3A至图冗示意性地示出了具有阶梯状构造的多层矩形框架，其中图3A是该框 架的正视图，图3B是该框架的侧视图，而图3C示出了沿图3A所示线B-B截取的框架截面 图；
[0057]图4A至图4E示意性地例示了根据一些实施方式的三相磁感应装置，其中，该磁芯 的框架被设置成提供具有圆形截面周边的磁芯柱，其中，图4A示出了该装置的侧视图，和 磁芯柱的纵向截面图，图4B示出了沿图4A所示线A-A截取的装置截面图，图4C示出了该 装置的磁芯框架的立体截面图，图4D示出了该框架的正视图，而图4E示出了该框架的侧视 图及其上和下截切面；
[0058]图5A至图5C示意性地示出了根据一些实施方式的磁感应装置，其中，该装置的磁 芯由叠置的磁芯环构造，其中，图5A示出了该磁感应装置的截面图，图5B示出了该装置中 可用的磁芯框架的正视图，而图 5C示出了磁芯框架的俯视图及其柱部的截面图；
[0059]图6是根据一些可能实施方式的、展示用于制造三相磁感应装置的可能工序的流 程图；以及
[0060]图7A至图7D不意性地例示了根据一些可能实施方式的磁芯框架结构，其中，图 7A 示出了由可在构造磁芯框架中使用的缠绕带制成的一个矩形多层环的立体图，图冗和7C 分别举例了磁芯框架在上部位置和中心位置的切面，而图7D示出了图7C所示磁芯框架的 下部部分在切割之后的立体图。
[0061]应注意到，这些图中举例的实施方式不是旨在按比例和按图示来帮助容易理解和 描述。

【具体实施方式】
[006 2]本申请总体上致力于用于二相磁感应装置的磁芯回路，如但不限于，三相扼流圈 和三相变压器。本发明的三相磁芯回路由具有阶梯状构造的磁芯框架构造，该阶梯状构造 形成在框架的至少一个面上并且沿它们的侧部延伸。该磁芯回路通过将框架以一个紧挨着 另一个的方式局部相邻地放置以形成三角形（三角棱柱）结构来构造，其中，每个框架的阶 梯状侧部均匀地接合相邻定位框架的阶梯状侧部。这些框架的均匀接合侧部形成要将磁感 应装置的线圈模块放置在其上的磁芯柱。 U
[0063] 如根据下列公开应当清楚的是，这种磁芯设计改进了磁芯回路中的磁通量的分 布，并且减少了通常在磁芯中发生的电磁损耗。另外，磁芯的这种构造需要减少量的磁性材 料来制造、提供较轻的变压器磁芯，并且改进该磁感应装置的效率。
[0064] 图1A和图1B示出了根据一些可能实施方式的三相磁感应装置60。在该示例中， 装置60的磁芯回路1由三个总体矩形多层磁芯框架2a、2b以及2c (在此统称为框架2)构 造，其中，框架2的内面112被设置成形成沿框架的侧部延伸的阶梯状构造。如在图1B中 最佳地看到，局部相邻框架2的阶梯状侧部均匀接合，以形成磁芯1的磁芯柱4ab、4bc以及 4ca (在此统称为磁芯柱4)，其上分别放置了线圈模块13ab、13bc以及13ca(在此统称为线 圈模块13)。
[0065] 一般来说，磁芯框架中的每一个包括：由框架的侧部限定的两个横向柱部L12(图 2A所示）、由框架的顶部和底部限定的两个轭部γ12,以及由柱部和轭部包围的矩形中心窗 口 W12。该框架及其中心窗口 W12可以具有圆角。每一个框架2包括外面Ε12和内面112， 其中，框架2的至少内面包括阶梯状构造。
[0066] 例如，磁芯回路1可以通过设置磁芯框架2以使它们的辄部形成等边三角形结构 来构造。在这种构造中，三角棱柱（五面体）结构可以通过一个相对于另一个按60。角定 位磁芯框架2,由此通过接合（配合）相邻定位的磁芯框架的阶梯状部分来获得。磁芯1的 这种三角形结构通常包括上和下三角形轭状结构，其中，该三角形轭状结构的角通过磁芯 柱4连接。因此，三角形磁芯的每个芯柱由相邻定位的磁芯框架2的两个接合阶梯状柱部 L12构造。
[0067]如图1Α和图1Β举例的，柱部L12的几何尺寸被设置成提供适于放置线圈模块13 的磁芯柱4的截面形状。另外，设置在框架2中的中心窗口 W12的尺寸应当这样设置成，使 得其容纳安装在磁芯柱4上的线圈模块，其间包围了窗口 W12。
[0068]图2A至图2C示意性地例示了根据一些可能实施方式的三相变压器10。变压器 10的磁芯回路11包括三个多层矩形磁芯框架12a、12b以及12c (在此统称为框架12)。如 上举例的，磁芯框架12被设置成，使得每个框架一个相对于另一个按60。角定位，并且相 邻磁芯框架I 2的柱部L12的阶梯状区接合，以形成磁芯柱i4ab、14bC以及14ca(在此统称 为磁芯柱14)，其上安装线圈模块13。
[0069]图2C示出了磁芯回路11和放置在其磁芯柱14上的线圈模块13的截面图。如所 看到的，三个线圈模块13ab、13bc以及13ca被安装在对应磁芯柱14ab、14bc、14ca上，每个 线圈彳吴块与二相变压器10的电气相相关联。例如，与变压器的第一相相关联的线圈模块 l：3ab放置在通过配合磁芯框架1?和1?的柱部而形成的磁芯柱Mab上，与变压器的第 二相相关联的线圈模块l：Bbc放置在通过配合磁芯框架12b和12c的柱部而形成的磁芯柱 14bc上，而与变压器的第三相相关联的线圈模块 13ca放置在通过配合磁芯框架12c和12& 的柱部而形成的磁芯柱14ca上。
[0070]如图2A至图2C所示，每个线圈模块l3ab、l3bc以及13ca包括相应一次线圈绕组 15ab、15bc以及15ca(在此统称为一次线圈绕组！5)，和相应的一次线圈绕组16ab、 16bc以 及l6ca(在此统称为二次线圈绕组1β)。在一些实施方式中，二次线圈绕组16被一次线圈 绕组15同轴地包围。
[0071]在一些实施方式中，相邻定位的磁芯框架1如、12b,以及12c的接合的柱部L12通 过设置在其间的、柱部L12的阶梯状区上方的一个或更多个电绝缘材料层17(例如，玻璃纤 维或速率）而彼此电绝缘。因此，三相变压器10的每个电气相通过具有放置在其上的对应 线圈模块13ab、13bc以及13ca的相应磁芯柱14ab、14bc或14ca来形成。
[0072] 返回参照图2A，三相变压器1〇可以包括上面安装三相变压器10的底座18。该底 座18可以包括用于将变压器1〇从一个位置移动至另一位置的轮子19。变压器1〇还可以 包括顶压板20,其由电绝缘材料（例如，Pregnit GGBE，Catalog KREMPLER)制成，并且其中 可以设置二次绕组（16)的引出线21。
[0073] 在操作中，电流经过线圈13的一次绕组15,从而产生响应磁通量，其沿对应磁芯 柱14传播。在每个芯柱14中传播的磁通量由连接至相应框架12的接合柱部的相应轭部 Y12划分。例如，在图2B和图4B中，在磁芯柱14ca中发展的磁通量27被划分成分别经过 磁芯框架12c和12a的轭部Y12的两个均等磁通量。按类似方式，在磁芯柱14ab和14bc 中发展的磁通量均等划分，以通过相应磁芯框架（12a、12b)和（12b、12c)的相应轭部Y12。 [0074]参照图3A至图3C，在一些实施方式中，磁芯框架12由多个总体矩形多层环构造， 其中，每一个环由缠绕磁性材料带制成。在这个示例中，多层环的带以一个在另一个上的方 式缠绕，以形成框架12的至少内面112上的阶梯状构造。这样，该阶梯状设计被形成在框 架的芯柱和轭部这两者上，并且在框架12的内面112上形成截阶式棱锥构造。例如，通过 将磁性材料带按它们的宽度的降序以一个在另一个上的方式连续缠绕，由此形成框架的阶 梯状构造，该多层环可以由具有不同带宽度的磁性材料带制造。因此，每个环中的匝数限定 了环/梯阶的厚度，其优选地等于全部环/梯阶。
[0075] 该多层环总体为矩形环，并且它们通常以一个在另一个上的方式缠绕，以使在框 架12中获得矩形中心窗口 W12。因此，以一个在另一个上的方式连续缠绕环在框架的至少 一个面上形成了截阶式棱锥结构（例如，在底座与棱锥的每一侧之间具有30°角），由此提 供的中心窗口 W12适于容纳放置在中心窗口 W12的侧部处的芯柱14上的线圈13。
[0076] 在该示例中，框架12的阶梯状面112包括八个梯阶，在图3A-图3C中用标号巧 至r 8指示，其中，最内侧缠绕带梯阶Γι具有最大宽度，而最外侧缠绕带梯阶r8具有最小宽 度。每个梯阶/环巧（其中，i是正整数，例如，l<i<8)的厚度33(T)根据该梯阶/环 中的磁性材料带的匝数来确定，其可以与全部环相同，以向全部梯阶/环提供相同厚度，例 如，大约20mm。
[0077] 更具体地说，每个随后梯阶ri+1的宽度wi+1离散地减小，由此形成希望的阶梯状构 造。例如，在一些实施方式中，该阶梯状构造的每个连续梯阶r i+1 (其中，第一阶&是最内侧 梯阶）的带宽度wi+1按量T，tg(30° )减小，其中，T是梯阶巧至!^的厚度33。因此，在 该30°斜度阶梯状构造中，每个连续梯阶ri+1的厚度可以计算如下：
[0078] (l)wi+1 = · tg30° = w「0· 577 · T
[0079] 因此，如果每个梯阶&的厚度为20mm，则每个连续梯阶ri+1的厚度wi+1在该 30°阶梯状构造中为w i+1 = Wi-11· 54mm。在图3A-图3C中举例的实施方式中，最外侧梯 阶￥8(即，具有最小宽度的梯阶）不遵循方程（1)，而是其宽度实际上进一步减少（g卩，w 8 < w7-T · tg30。），以获得磁芯柱14的较小的外侧表面。
[0080] 利用这种阶梯状构造，框架I2的外面112获得芯柱（L12)的直角梯形截面芯柱和 具有60°锐角的轭部（Y12)。因此，当装配框架12以构造磁芯11时，通过接合相邻定位 框架12的每一对柱部而获得的磁芯柱14的截面形状由两个反射对称多边形（例如，具有 60°锐角的矩形状梯形）构造，由此，获得磁芯柱14的五边形截面形状。
[0081]参照图3C，在一些示例性实施方式中，磁芯框架12的缠绕工序通过利用具有预定 长度和最大宽度23 (A)的软铁磁体带缠绕最内侧多层梯阶ri而开始。梯阶ri的缠绕继续 进行，直到获得所需厚度33 (T)(例如，大约20mm)为止。此后，下一个多层环:^利用具有预 定长度和小于用于第一环的带宽度的宽度（wXwJ的另一软铁磁体带在其上缠绕，以形成 下一多层梯阶r 2，缠绕其直到获得希望梯阶厚度33 (T)为止。该工序针对多层环/梯阶r3 至r8类似地继续进行。缠绕带的最后层可以例如通过焊接而固定到相邻层。
[0082]用于形成磁芯的阶梯状设计的单一梯阶&的层的量，和每个这种梯阶中的层的几 何尺寸依赖于设计三相变压器10的工作功率。
[0083]在缠绕磁芯框架12之后，该多层环框架12可以经历退火工序，其参数（例如，温 度和持续时间）基于制成框架I2的缠绕带的合金的类型。该磁芯框架12可以利用仍插入 其中的芯轴来退火。这种退火可以在向磁芯框架施加外部磁场或未施加外部磁场的情况下 执行。在一些实施方式中，将退火磁芯框架在真空室中或者在超声波浴下浸渍有机粘合材 料（例如，环氧树脂）。在浸渍之后，将磁芯框架12放置在温度控制环境中。接下来，将芯 轴从磁芯框架12中去除。
[0084]参照图2C，在一些实施方式中，通过一个或更多个电绝缘层17，将局部相邻磁芯 框架的接合柱部L12 -个与另一个分离。利用这种阶梯状构造，放置在磁芯1的磁芯柱14 上的线圈模块13可以采取五边形形状，以紧密地配合磁芯柱丨4的五边形截面形状。例如， 线圈模块I3可以利用任何合适的绕线技术（例如，利用木芯轴）来制备。
[0085]图4A至图4E举例了根据一些可能实施方式的三相变压器59,其中，磁芯柱 14具 有圆形截面周边形状。在该示例中，磁芯11的磁芯框架12由每个由缠绕磁性材料带构造 的多层环构造，其被设置成，提供框架的内面112的阶梯状构造，和该框架的外面的弯曲截 面形状。更具体地说，在该示例中，每个框架12的内面112按具有中心窗口 W12的截阶式 棱锥形状来设置（例如，在底座与面之间具有3〇°角），而框架12的柱部L12的外侧被设 置成限定弯曲截面形状，以使相邻框架12的相邻定位柱部L12的接合的芯柱形成磁芯柱12 的圆形截面周边形状。如在图4B中最佳地看到，利用该构造，装置59的每个电气相的磁芯 柱提供被放置在具有框架12的磁芯材料的磁芯柱14上的线圈13(例如，具有圆形内径） 所包围的空间的最大占用率。在这种情况下，每个梯阶/环h的厚度T应当最小，其中，该 厚度T可以基于变压器的功率（例如，变压器功率）的具体特性来确定。
[0086] 例如，为了获得磁芯柱14的这种圆形截面形状，在一些实施方式中，将框架12的 至少一些内环（例如，tl至t5)按它们的厚度的升序，以一个在另一个上的方式缠绕，而将 框架12的至少一些外环（例如，t6至til)按它们的厚度的降序，以一个在另一个上的方 式缠绕。
[0087] 在一些实施方式中，该磁芯框架由缠绕磁性材料带的几个矩形多层环制造，每一 个环由具有相同宽度的带制造，并且具有不同中心开孔和不同匝数。在该构造中，带的宽度 限定了多层环的厚度（T)，以使利用具有相同宽度的磁性材料带，生成具有相同厚度的多层 环，并且其宽度根据每个环中的匝数来限定，如图7C展示的。利用该技术，磁芯框架可以通 过将多个矩形多层环相对于它们的宽度，以一个在另一个顶部上的方式同轴地叠置（重叠 在一起），以形成具有希望截面形状的磁芯框架来构造。
[0088]已知的是，该磁感应装置的磁芯的特性确定了该装置的各种特性，如感应线圈的 大小和形状。例如，在三相变压器中，变压器的设计、变压器线圈的大小和形状，以及变压器 的总体大小基于变压器铁芯的几何特性和结构特性来确定。
[0089]因此，本申请的磁感应装置的各种特性可以有利地基于磁芯柱（图1A-1B中的4， 和图2B-图2C和图4B中的14)的直径D()ut和构造它们的框架的柱部的阶梯状构造来确定。 如上文参照图4A-图4E举例的，框架的阶梯状构造可以被调节以获得具有圆形截面周边形 状的磁芯柱。
[0090]在一些可能实施方式中，限定该装置的磁芯柱的圆圈的直径Dmit(图4B所示）被 确定如下：

【权利要求】
1. 一种用于二相磁感应装置的磁芯，该磁芯包括三个磁芯框架，每个磁芯框架具有内 面和外面，其中，至少每个框架的内面具有沿所述框架的侧部延伸的阶梯状构造，所述磁芯 框架设置在所述磁芯中，并且它们的内面彼此面对以由此形成三角棱柱结构，使得每个框 架的阶梯状侧部变得与局部相邻框架的阶梯状侧部接合由此形成所述磁芯的、用于在其上 安装所述装置的线圈的三个磁芯柱。
2. 根据权利要求1所述的磁芯，其中，所述框架的内面的阶梯状构造形成截阶式棱锥 结构。
3. 根据权利要求1或2所述的磁芯，其中，所述阶梯状构造具有大约30°的斜度，并且 所述框架相对于彼此以60°取向。
4. 根据前述权利要求中的任一项所述的磁芯，其中，每一个所述磁芯框架包括多个多 层环，每个多层环由缠绕的磁性材料带制成，并且与所述阶梯状构造的特定梯阶相关联。
5. 根据权利要求4所述的磁芯，其中，所述多个多层环中的每个多层环由具有预定带 宽度的磁性材料带制成，所述多个多层环中的至少一些多层环由具有不同带宽度的带制 成，并且其中，所述带相对于它们的带宽度以一个在另一个上的方式连续缠绕，由此形成所 述阶梯状构造。
6. 根据权利要求5所述的磁芯，其中，所述带中的至少一些按它们的宽度的降序以一 个在另一个上的方式缠绕。
7. 根据权利要求6所述的磁芯，其中，所述磁芯柱具有多边形截面形状。
8. 根据权利要求5所述的磁芯，其中，至少一些所述带按它们的宽度的升序以一个在 另一个上的方式缠绕。
9. 根据权利要求6和8所述的磁芯，其中，一些内侧多层环按它们的带宽度的升序以一 个在另一个上的方式缠绕，而一些外侧多层环按它们的宽度的降序以一个在另一个上的方 式在其上缠绕，以因此形成通过接合局部相邻框架的所述阶梯状侧部而获得的所述磁芯柱 的圆形截面周边形状。
10. 根据权利要求4所述的磁芯，其中，所述多层环由具有相同带宽度的磁性材料带缠 绕，以向所述多层环中的每一个多层环提供预定环宽度和预定中心开孔，所述环中的至少 一些环具有不同环宽度，并且其中，所述框架通过以一个在另一个顶部上的方式同轴地叠 置所述多层环来构造，由此形成希望的阶梯状构造。
11. 根据权利要求10所述的磁芯，其中，所述多层环中的至少一些多层环按它们的宽 度的降序以一个在另一个顶部上的方式同轴地叠置。
12. 根据权利要求11所述的磁芯，其中，所述多层环中的至少一些多层环的中心环开 孔的几何尺寸不同，并且其中，所述多层环中的至少一些多层环针对它们的中心开孔的几 何尺寸，按它们的宽度的升序，以一个在另一个顶部上的方式叠置，并且，所述多层环中的 至少一些多层环针对它们的中心开孔的几何尺寸，按它们的宽度的降序，以一个在另一个 顶部上的方式叠置，以因此形成通过接合局部相邻框架的所述阶梯状侧部而获得的所述磁 芯柱的圆形截面周边形状。
13. 根据权利要求4至12中的任一项所述的磁芯，其中，所述带由非晶态金属或合金制 成。
14. 根据权利要求4至12中的任一项所述的磁芯，其中，所述带由硅钢制成。
15. 根据权利要求4至12中的任一项所述的磁芯，其中，所述带由纳米晶合金制成。
16. -种三相磁感应装置，该三相磁感应装置包括： 磁芯，该磁芯包括三个磁芯框架，每个磁芯框架具有内面和外面，至少所述内面被整形 以形成沿所述框架的侧部延伸的阶梯状构造，所述磁芯框架设置在所述磁芯中，并且它们 的内面彼此面对以由此形成三角棱柱结构，使得每个框架的阶梯状侧部变得与局部相邻框 架的阶梯状侧部接合由此形成三个磁芯柱；和 三个线圈模块，每一个所述线圈模块安装在所述磁芯柱中的一个上。
17·根据权利要求16所述的装置，其中，所述磁芯框架中的至少一个包括由缠绕的磁 性材料带制成的多个多层环，所述多个多层环中的每一个多层环由具有预定带宽度的磁性 材料带制成，并且其中，所述环相对于它们的带宽度，以一个在另一个上的方式连续缠绕， 或者相对于它们的环宽度，以一个在另一个顶部上的方式同轴地叠置。
18. 根据权利要求17所述的装置，其中，所述磁芯柱具有多边形截面形状。
19. 根据权利要求17所述的装置，其中，所述磁芯柱具有圆形截面周边形状。
20. -种三相磁感应装置，该三相磁感应装置包括： 磁芯，该磁芯包括三个磁芯框架，每个磁芯框架具有内面和外面，和由缠绕的非晶态金 属带制成的多个多层环，所述环相对于它们的带宽度，以一个在另一个上的方式连续缠绕， 或者相对于它们的环宽度，以一个在另一个顶部上的方式同轴地叠置，由此形成沿所述框 架的侧部延伸的阶梯状构造，所述磁芯框架设置在所述磁芯中，并且它们的内面彼此面对 由此形成三角棱柱结构，使得每个框架的阶梯状侧部变得与局部相邻框架的阶梯状侧部接 合由此形成三个磁芯柱；和 三个线圈模块，每一个所述线圈模块安装在所述磁芯柱中的一个上。
21· -种构造用于三相磁感应装置的磁芯的方法，该方法包括以下步骤： 制备包括多个多层环的三个磁芯框架，所述多个多层环中的每一个多层环由具有预定 带宽度的磁性材料带缠绕而成，所述框架利用下列技术中的至少一项来制备： 相对于所述带的带宽度，以一个在另一个上的方式，连续缠绕多个磁性材料带，以及 单独地缠绕由磁性材料带制成的多个多层环，所述环中的至少一些环具有不同环宽 度，并且相对于它们的环宽度，以一个在另一个顶部上的方式同轴地叠置所述多层环， 由此获得沿所述框架的侧部延伸的阶梯状构造； 通过放置所述框架以形成三角棱柱结构来构造所述磁芯，并且接合局部相邻框架的所 述阶梯状侧部以形成三个磁芯柱，该磁芯柱被设置成被所述三相磁感应装置的线圈紧密包 围。
22·根据权利要求21所述的方法，其中，所述制备所述框架的步骤包括退火步骤。
23·根据权利要求21或22所述的方法，其中，所述制备所述框架的步骤还包括将所述 框架浸渍在粘合材料中的步骤。
24. 根据权利要求21至23中的任一项所述的方法，其中，所述构造所述磁芯的步骤包 括以下步骤：在所述局部相邻框架的所述接合阶梯状部分之间施加由电绝缘材料制成的一 个或更多个层。
25. -种制备三相磁感应装置的方法，该方法包括以下步骤： 制备包括多个多层环的三个磁芯框架，所述多个多层环中的每一个多层环由具有预定 带宽度的磁性材料带缠绕而成，所述环被设置在所述框架中，以形成沿所述框架的侧部延 伸的阶梯状构造； 将每一个所述框架横向切割成上部和下部； 设置所述框架的所述下部以形成三角棱柱结构，并且接合所述框架的局部相邻下部的 所述阶梯状侧部以形成所述磁芯的三个下柱部； 在每一个所述下柱部上放置线圈；以及 将所述框架的所述上部附接在它们的相应下部上。
26. 根据权利要求25所述的方法，其中，所述制备步骤包括以下步骤：相对于所述带的 带宽度，以一个在另一个上的方式连续缠绕磁性材料带，以形成所述多个多层环。
27. 根据权利要求25所述的方法，其中，所述制备步骤包括以下步骤：单独地缠绕由磁 性材料带制成的多个多层环，所述环中的至少一些环具有不同环宽度，并且相对于它们的 环宽度，以一个在另一个顶部上的方式同轴地叠置所述多层环。
28. 根据权利要求26或27所述的方法，其中，所述制备步骤包括以下步骤：将所述分 离缠绕环中的一些环叠置在以一个在另一个上的方式缠绕带的所述多层环的顶部上。
【文档编号】H01F41/02GK104221105SQ201380014861
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年1月15日 优先权日:2012年1月17日
【发明者】埃列塞尔·阿达尔, Y·波罗京斯基 申请人:U.T.T.独特变压器科技股份有限公司