电磁感应装置的制作方法

本公开大体涉及诸如变压器和电抗器等的电磁感应装置。

背景技术：

诸如变压器或电抗器等的电磁感应装置具有磁路、典型地由晶粒定向钢的层叠的铁或非晶钢的薄带制成的磁芯和通常由铝或铜线制成的电路绕组。第三组件壳体或箱在流体填充的电磁装置的情况中是必要的。

磁芯包括一个或多个分支。分支的数量取决于待连接至电磁感应装置的电相位的数量。绕组围绕各分支布置。

绕组中的变化的电流在磁芯中创建磁通量。磁芯中的磁通量是主磁通量。磁通量也可以创建在电磁感应装置的其他组件中。例如绕组可以创建磁通量、称作漏通量或漏磁通量，其在穿过侧壁时产生不期望的损耗。这样的装置典型地包括作为被布置在绕组与壳体的侧壁之间以降低损耗的金属板的磁分路。

在一个以上分支的事件中，磁路还包括轭、即上轭和下轭。轭将分支在它们的端部处机械连接。由此得到了使得能够实现磁芯中的主磁通量的循环的返回路径。

对于诸如高电压额定功率变压器等的大型电磁感应装置来说，磁路可以包括侧分支以减小轭尺寸以由此减小电磁感应装置的总高度尺寸。由于运输限制、例如桥高度，这可能对于能够将电磁感应装置运输至安装地点是必不可少的。

技术实现要素：

鉴于上述情况，本公开的目的是提供一种与相应额定的现有电 磁感应装置相比具有较小尺寸的电磁感应装置。

因此提供有一种电磁感应装置，包括具有有着第一端部和第二端部的分支的磁芯、围绕分支布置的绕组和包括磁性材料的壳体，该壳体限定了磁芯和绕组被布置在其中的空间，其中壳体限定了用于主磁通量的返回路径，使得来自分支的第一端部的主磁通量能够经由壳体流动至分支的第二端部。

壳体因此形成也包括磁芯的磁路的主要部分。由于壳体限定了用于主磁通量的返回路径，所以没必要提供传统的轭或磁分路。这些组件可以在某种意义上被看作集成在壳体中。由于这些组件可以被省略，所以壳体可以被制作得更小。由此，可以方便运输到安装地点，尤其是对于大型电磁感应装置来说。此外，出于相同原因，可以减小电磁感应装置的重量。

另外，可以降低总损耗密度，因为总损耗密度与面积成反比，该面积对于作为磁路的一部分的壳体比对于传统设计的轭和/或侧分支更大。

一个实施例包括被布置在分支的第一端部与壳体之间的通量密度减少器，该通量密度减少器具有大于分支的最大截面尺寸的截面尺寸。借助于通量密度减少器，磁通量可以跨越较大面积分布。磁通量密度可以由此被减少至低于当主磁通量传播到壳体内时可提供壳体的饱和的那个水平的水平。

根据一个实施例，通量密度减少器的截面尺寸是分支的最大截面尺寸的至少二的平方根倍。由此，磁通量密度可以被减少至在分支中点的磁通量密度的量的至少一半。

根据一个实施例，通量密度减少器是聚合物磁体或者包括铁粉，或由具有在范围60ksi至200ksi内的压实压力阈值的可压缩铁粉末和具有高于1000的渗透性的粉末制成的复合材料。

根据一个实施例，分支具有朝向第一端部增加的截面，使得它是在分支的轴向方向上的中点处的分支的截面尺寸的至少二的平方根倍。这可以是通量密度减少器的替代方案或除了通量密度减少器 以外，以在磁通量传播到壳体内之前减小磁通量密度。

根据一个实施例，磁芯包括多个分支，并且其中壳体限定了使得主磁通量能够在分支之间循环的上轭和下轭。

根据一个实施例，壳体具有由包括在以质量计的范围3％至6％内的硅的硅钢制成的顶部部分和底部部分。

根据一个实施例，壳体具有由包括在以质量计的范围3％至6％内、更有利的6％的硅的硅钢制成的侧壁或者包括非晶材料或甚至其组合。

根据一个实施例，壳体由胶合的硅钢叠片或胶合的非晶薄带制成。

根据一个实施例，壳体由碳钢制成。

根据一个实施例，壳体具有顶部部分和底部部分，其中顶部部分和底部部分具有晶粒定向结构，其中顶部部分和底部部分的晶粒定向沿着返回路径的磁通量线。

根据一个实施例，壳体具有沿着基本上其在分支的轴向方向上的整个延伸的圆形截面。借助于该设计，主磁通量的磁通量密度可以在壳体中基本上均匀地扩散。

根据一个实施例，壳体具有沿着基本上其在分支的轴向方向上的整个延伸的椭圆形截面。以类似的方式，在磁芯为非旋转称的情况中、例如如果磁芯包括数个分支，则主磁通量的磁通量密度可以在壳体中基本上均匀地扩散。

根据一个实施例，电磁感应装置是变压器或电抗器。

根据一个实施例，电磁感应装置是高压电磁感应装置。

根据一个实施例，箱具有设置有从箱的顶部部分延伸至箱的底部部分的切口的侧壁。

根据一个实施例，侧壁包括多个同心布置的片材，其中各片材设置有切口。

根据一个实施例，各片材包括一个晶粒定向钢、非晶粒定向钢和非晶钢。

一般地，权利要求中使用的所有术语应该根据它们在技术领域中的普通含义来解释，除非这里另有明确限定。对“一/一个/该元件、设备、组件、部件等”的所有引用应该被开放地解释为是指元件、设备、组件、部件等中的至少一个实例，除非另有明确陈述。

附图说明

现在将通过示例的方式参照附图来描述发明概念的具体实施例，其中：

图1示出在侧壁被去除以使内部露出的状态下的电磁感应装置的侧视图；

图2a至图2b描绘了分支和壳体顶部部分的示例的特写图；

图3a至图3b示出电磁感应装置的示例的俯视图；

图4a示意性地示出电磁感应装置的示例的截面；和

图4b示意性地示出电磁感应装置的另一示例的截面。

具体实施方式

现在将在下文中参照其中示出示例性实施例的附图更充分地描述发明概念。然而发明概念可以以很多不同形式来体现并且不应该被解释为限于这里所阐述的实施例；而是，这些实施例是通过示例的方式提供的使得该公开将是彻底和完整的，并且将发明概念充分地传达给本领域技术人员。同样的附图标记贯穿描述是指同样的元件。

图1描绘了电磁感应装置1的示例。电磁感应装置1包括包含磁性材料并限定了空间4的壳体或箱3，和布置在空间4中的磁芯5和绕组7。

磁芯5包括绕组7被布置所围绕的分支5a至5c。然而应该注意的是，根据本公开的电磁感应装置可以包括从仅一个分支至多个分支的任何地方，例如如图1所描述的三个。

磁芯5典型地由层叠的磁性材料制成。磁芯5例如可以由包括 例如以质量计的3％至6％的硅的硅钢制成。在磁芯由硅钢制成的情况中，可以例如是晶粒定向或非晶粒定向的。根据一个变型，磁芯/分支可以由胶合的晶粒定向硅钢叠片或非晶薄带或纳米结晶材料制成以形成实心主体。

除硅钢外的其他材料当然也是可设想到的，例如其他软铁。

各分支5a至5c具有第一端部6a和第二端部6b。各分支5a至5c因此具有在第一端部6a与第二端部6b之间延伸的纵向主体。各分支5a至5c此外具有如在轴向方向或纵向方向或者图1中用箭头A指示出的分支5a至图5c的轴向方向上看到的中点6c。

各分支5a至5c可以例如具有圆形截面；各分支5a至5c可以例如是柱状长形构件。可以进一步注意的是，各分支5a至5c一般是不同的部分、即各分支是机械上分开的部分或实体。磁芯5可以因此由一个或多个机械上分开的部分、即分支制成。磁芯不包括轭；而是箱形成轭以及返回路径的其余部分，如将从下面理解的。

壳体3具有限定了壳体3的盖子或顶部罩的顶部部分3a。壳体3还具有限定了壳体3的盖子、底部罩或地板结构的底部部分3b。此外，壳体3具有在顶部部分3a与底部部分3b之间延伸的一个或多个侧壁3c。为此，顶部部分3a、底部部分3b和(多个)侧壁3c限定了壳体3和空间4。

壳体3限定了用于来自分支5a至5c的主磁通量的返回路径。为此，壳体3形成包括磁芯5的磁路的一部分。特别地，壳体3限定了用于从各分支5a至5c的第一端部6a至第二端部6b的主磁通量Φ的返回路径。顶部部分3a和底部部分3b因此充当用于主磁通量的返回路径。因此可以没有必要包括诸如轭、侧分支和/或磁分路等的附加磁路组件。

此外，取决于磁芯的类型、例如分支的数量，侧壁或多个侧壁3c也可以形成返回路径的一部分。例如，如果电磁感应装置1具有包括仅一个分支的磁芯，则侧壁(多个)3c将充当返回路径的一部分。侧壁(多个)在存在有多于一个的分支的情况中也可以被用作 返回路径。侧壁(多个)3c的材料可以取决于侧壁(多个)3c是否形成用于主磁通量Φ的返回路径的一部分来选择。壳体3限定了包括磁芯5的磁路的上轭和下轭，并且侧壁限定了返回路径的其余部分。主磁通量Φ由此能够通过分支5a至5c和壳体3循环。

壳体或箱3可以由若干不同材料制成。根据一个示例整个壳体3可以由碳钢、即建筑用钢或软钢制成。可替代地，仅侧壁(多个)3c可以由碳钢制成，例如在当侧壁(多个)3c未用作返回路径时的应用中。

根据一个变型壳体3可以由包括在以质量计的范围3％至6％、更有利的是6％的硅的硅钢制成。

根据一个变型，侧壁(多个)3c可以由非晶材料制成或者包括非晶材料。非晶材料可以例如包括由例如WO2010109272中所公开的类型的带子建立的多个层叠的非晶带子或薄带。可替代地，侧壁(多个)3c可以包括硅钢和非晶材料的组合。根据一个变型，侧壁(多个)3c可以包括非晶粒定向材料或者由非晶粒定向材料制成。

根据一个变型，侧壁(多个)3c可以由多个同心布置的片材制成。同心布置的片材可以例如彼此直接接触地布置，它们可以彼此胶合或者可以在片材中的每一个或者一些之间提供有空气间隙。各片材可以例如由非晶材料、晶粒定向钢或非晶粒定向钢中的一个构成。片材可以或者是相同材料类型的，或者它们可以是不同材料类型的，例如片材的第一子集可以由非晶钢制成、片材的第二子集可以由晶粒定向钢制成并且片材的第三子集可以由非晶粒定向钢制成，或者片材中的每一个或一些可以由这些材料的组合制成。可以在设计电磁感应装置时选择特定配置，取决于针对具体应用的性能要求。在使用由以上建议的材料中的任一个构成的多个同心布置的片材的情况中，箱的大小可以被减小，因为侧壁(多个)3c的最大通量密度与针对具有较低最大通量密度的相同大小的建筑用钢箱相比会较高。另一方面，利用建筑用钢而不是同心布置的片材的箱更容易制造。

具有更好的磁性质的材料可以有利地用于顶部部分3a和底部部分3b。根据一个变型，顶部部分3a和底部部分3b可以由包括在以质量计的范围3％至6％内的硅的硅钢制成。顶部部分3a和底部部分3b可以根据一个变型由胶合的盘制成以形成较强的实心主体。

根据一个变型，电磁感应装置1具有在侧壁(多个)3c与顶部部分3a和侧壁(多个)3c与底部部分3b之间的接头8。接头8可以填充有磁性材料。由此有关沿着由壳体3限定的返回路径的主磁通量的损耗可以被减小。接头8可以例如填充有铁粉、聚合物磁体或铁磁流体或者这些组成部分的组合。

壳体3的顶部部分3a与分支5a至5c的第一端部6a之间的间隙根据一个变型是非常小的，例如1mm或0.2mm或更小。该间隙可以例如填充有空气或铁磁流体。

壳体3的底部部分3b与分支5a至5c的第二端部6b之间的间隙根据一个变型是非常小的，例如1mm或0.2mm或更小。该间隙可以例如填充有空气或铁磁流体。

参见图2a，根据一个变型电磁感应装置1可以任选地包括通量密度减少器9。各自的通量密度减少器9在该情况中被布置在各分支5a至5c的第一端部6a与壳体3的顶部部分3a之间。

电磁感应装置1可以任选地包括被布置在各分支3a至3c的第二端部6b与壳体3的底部部分3b之间的图中未示出的各自的通量密度减少器9。

通量密度减少器9适于减少当从分支5a至5c传播至壳体3时主磁通量Φ的磁通量密度。磁通量密度可以由此被减少使得壳体3将不会饱和，而饱和会导致大的涡流生成和高的损耗。

各通量密度减少器9可以具有锥形的形状。各通量密度减少器9在从壳体朝向相关联的分支5a至5c的方向上成锥度。为此，通量密度减少器9的近端端部、即邻接于分支5a至5c的端部具有与通量密度减少器9的相对于相同分支5a至5c的远端端部相比较小的截面尺寸。锥度优选是连续的，或者至少以非常小的离散台阶形成， 例如借助于朝向分支5a至5c相继减小的尺寸的多个层叠的带而得到。

各通量密度减少器9可以例如是聚合物磁体或者各通量密度减少器9可以包括铁粉。可替代地，各通量密度减少器9可以包括由可压缩铁粉和高渗透性粉末制成的可压缩复合材料，如US2004/0086708中所公开的，例如或者由具有在范围60ksi至200ksi内的压实压力阈值的可压缩铁粉末和具有高于100 000的渗透性的粉末制成的复合材料。可替代地，各通量密度减少器9可以由高饱和Fe-Co或FeCoN制成，如2006年由钴发展协会(CDI)出版的钴的事实(Cobalt Facts)中和Sun,N.X.、Wang,S.X.发表在IEEE期刊磁学2000年9月第36卷第5期第2506页、2508页上的“用于感应式写入磁头的软高饱和磁化(Fe0.7Co0.3)1-xNx薄膜”中所公开的。

根据一个变型，各通量密度减少器可以包括与其他通量密度减少器9中的任一个不同的材料。

通过合适地形成通量密度减少器9的截面面积的尺寸，磁通量密度可以被大幅地减少。当磁通量传播所在的材料的直径以二的平方根的系数增加时，假设圆形截面，则磁通量密度被减半。因此，通过通量密度减少器9的合适的尺寸形成，主磁通量Φ的磁通量密度可以被减少至分支3a至3c的中点6c中存在的磁通量密度的一半或者甚至四分之一。

一般地，通量密度减少器9可以具有大于分支5a至5c的最大截面尺寸的截面尺寸。通量密度减少器9的截面尺寸可以例如是分支5a至5c的最大截面尺寸的至少二的平方根倍。

图2b描绘了电磁感应装置1的变型，其中各分支5a至5c的端部、即第一端部6a和第二端部6b在尺寸上在分别朝向顶部部分3a和底部部分3b的方向上增加。类似于通量密度减少器9，在截面尺寸上的增加减少了在传播到壳体3内、特别是顶部部分3a和底部部分3b之前的磁通量密度。通过第一端部6a和第二端部6b的适当的尺寸形成，可以得到合适的磁通量密度。

第一端部6a和第二端部6b的朝向中点6c的锥度优选是连续的。根据一个变型，锥度在截面尺寸上的减小针对朝向中点6c的各长度单位都是相等的意义上基本是线性的。

分支5a至5c的锥度可以例如通过将例如由冷轧晶粒定向材料制成的附加叠片插在制成分支的主叠片或薄带之间而得到。可替代地或另外地，非晶薄带或铁粉可以被插在制成分支的主叠片或薄带之间。因此根据一个变型，薄带或叠片可以被插在分支5a至5c的第一端部6a和第二端部6b处的主叠片之间。以该方式，可以在朝向分支端面的方向上获得相继增加的分支截面。叠片可以被插在例如每一个第三或第四主叠片之间以得到分支的期望的加宽。根据一个示例，数个非晶薄带可以被布置在一对主叠片之间。被插入的叠片或薄带的确切数量典型地取决于为了得到期望的磁通量密度待获得的最大截面，和叠片和/或薄带的厚度。冷轧晶粒定向材料的厚度可以例如是在0.1mm至0.3mm的范围内，而非晶薄带的厚度的示例是大约0.025mm。

可替代地，叠片或薄带可以被布置在层中并且在分支的端部部分处向外弯折，其中层被设置在最外主叠片的外表面。

在以上示例中的每一个中，叠片/薄带的弯折将跟随磁通量线。

图3a和图3b示出壳体3的形状的示例。在图3a中，壳体具有有着基本圆形截面的顶部部分3a。同样也适用于底部部分3b。根据一个变型，电磁感应装置1具有柱状形状。

根据图3a中示出的示例，顶部部分3a可以根据一个变型包括组装到一起并且形成顶部部分3a的多个子部分3d。底部部分3b可以以类似方式构造。根据该示例子部分3d具有晶粒定向结构。子部分3d的晶粒定向沿着返回路径的磁通量线。因此，晶粒定向基本上跟随从顶部部分3a的中心点到顶部部分3a的外周的任何径向线。同样的也适用于底部部分3c。

在图3b的示例中，顶部部分3a包括组装到一起并且形成顶部部分3a的多个子部分3d。在本示例中，顶部部分3a具有椭圆形截面 形状。底部部分3b可以以类似方式构造。根据该示例子部分3d具有晶粒定向结构。子部分3d的晶粒定向沿着返回路径的磁通量线。因此，晶粒定向基本上跟随从顶部部分3a的中心点到顶部部分3a的外周的任何直线。同样的也适用于底部部分3c。代替顶部部分3a的晶粒定向子部分3d或除此之外，分支(多个)也可以由如图4a中所示的具有类似于图3a中示出的配置的截面的晶粒定向的多个子部分或区段制成。

总之，电磁感应装置1可以具有任何截面形状、即在径向平面中截取的截面中，例如圆形、椭圆形或矩形。电磁感应装置1可以具有在分支(多个)的轴向方向上基本上恒定的截面形状。然而应该提到的是，壳体可以包括诸如一个或多个塔和/或开口例如用于接收一个或多个套管等的结构。因此可以存在有具有从电磁感应装置的总体截面形状发散的形状的截面。

侧壁和/或顶部部分可以因此在合适的位置(多个)、优选在低通量密度区、例如在具有矩形截面的壳体的角部(多个)处具有一个或多个开口。该开口可以被用于接收套管以将绕组导线从电磁感应装置中取出。

图4a示意性地示出电磁感应装置的示例的截面。根据该示例，侧壁3c设置有在壳体或箱3的顶部部分3a与底部部分3b之间延伸的具有大体在电磁感应装置1的纵向方向上的延伸的切口11。切口11可以例如与壳体3或箱的纵向轴线平行地延伸。切口11是从侧壁的3c的外表面延伸到内表面的贯穿切口或贯穿开口。纵向切口11形成用于减少侧壁3c中的感应电流的间隙。切口11可以沿着侧壁3c的整个纵向延伸而延伸。

切口11可以根据一个变型在侧壁3c由建筑用钢制成或构成的情况中被设置在侧壁3c中。根据另一变型，切口可以被设置在形成侧壁3c的多个同心布置的片材的每一个中，如图4b中所示。在该情况中，片材中的切口11可以在径向上对齐，或者它们可以相对于彼此成角度地布置，即切口在径向方向上不对齐，如图4b中所示。

在以上情况中的任一个中，由切口限定的间隙都可以填充有绝缘材料。对于流体填充的箱/壳体，绝缘材料也可以被配置成充当流体密封垫。

在切口11设置在侧壁3c的情况中，根据一个变型，套管可以被装配在该切口中使得不是特别地为了套管而必须在侧壁3c中制作进一步的贯穿开口。这将提供对通量的返回路径的较小影响。

这里所描述的电磁感应装置1及其示例可以例如是变压器，例如诸如柱式变压器等的电力变压器或配电变压器，或者电抗器。电磁感应装置可以例如是中压或高压电磁感应装置。关于高压意味着起始于32kV的电压。电磁感应装置也可以是高压直流(HVDC)电磁感应装置，诸如HVDC变压器或电抗器。

已参照几个示例在上面主要描述了发明的概念。然而，如本领域技术人员容易领会的，除以上所描述的那些外的其他实施例同样可能在如由随附权利要求所限定的发明概念的范围内。