非晶钢铁芯和线圈组件的制作方法

专利名称：非晶钢铁芯和线圈组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及变压器的非晶金属铁芯和线圈组件。
由Ballard和Klappert共同发明并转让给本发明同一受让人的美国专利第4，734，975号中所公开的变压器与本发明的变压器属同一类型，并被引用在本申请书中作为最接近的参考现有技术。这种变压器包括由许多非晶钢薄带制成的铁芯和分别围绕在铁芯腿上的预制线圈部件。这种变压器的每个预制线圈部件一般是用包绝缘层的金属线卷绕在空心电绝缘材料的线圈架上制成的。通常，该空心线圈架的内表面围成矩形的线圈窗口.后者围绕相关联的铁芯腿。该窗口由二面相隔开的通常是平行的端壁和两面相隔开的侧壁结合而成。
上述线圈窗口的截面并非正好是矩形的。一般来说，其侧壁的内表面稍微带些凹形，而其各个角是倒圆角或是斜角形的(由于与预制线圈组工艺有关联的原因)。这种并非正好是矩形的线圈架使该窗口的截面很难高效率地用来容纳铁芯腿，特别是当铁芯腿具有用来与该线圈窗口紧密配合的矩形截面的周边时。侧壁的凹形内表面在线圈窗口与这种铁芯腿之间形成多余的间隙，而其圆形或斜角形的角又势必妨碍铁芯腿各个角的理想定位。
本发明的目的是使这种线圈窗口能得到更有效的利用，特别是在这样的变压器内，即，其中被包围的铁芯腿由非晶钢带沿着从线圈窗口的一个侧壁到另一个侧壁的方向层叠而成，并且，钢带的宽度延展在该线圈窗口的端壁之间。
另一目的是按这样的方式来构制铁芯，即，由上述钢带构成的铁芯腿具有与所还线圈窗口截面形状更接近一致的截面形状。
上述型式非晶钢铁芯制作中的一个步骤是退火工序，该道工序中，在适当温度条件下烘烤铁芯以消除前面各制作步骤中形成的剩余应力。这道退火工序是在将铁芯腿插入线圈窗口之前完成的。
根据本发明，是在退火期间以这样一种方式在铁芯上施加夹紧力，即，使铁芯腿的截面形状在退火后与以后要容纳铁芯腿的线圈窗口的截面形状更接近一致。
实施本发明的一种方式是提供如下制成的非晶钢铁芯变压器的铁芯和线圈组件。提供一种其窗口总体上(但不精确地)是矩形截面的线圈部件。该线圈窗口由两面相隔开的通常是平行的端面和两面隔开的略呈凹形的侧面结合而成。还提供一种其铁芯腿包括许多层叠的，基本对齐的非晶钢带的铁芯，每条钢带的两边缘以带的宽度相隔开、而其中心区置于两边缘的中央。所述带宽大致为线圈窗口两端面间的距离。所述钢带的特征是其中心区有比边缘区稍大的厚度。在把铁芯与线圈部件配对前，使铁芯在某一温度条件下通过烘烤进行退火以消除其中的剩余应力，然后，使之缓慢冷却。退火期间，通过对铁芯腿的钢带的两边缘区施加挤压力来挤压铁芯腿，使得在这些边缘区腿的厚度与挤压前的厚度相比有所减小，从而，使铁芯腿截面形状能与线圈窗口的截面形状更加一致。在这样退火和挤压之后，把铁芯腿插入线圈窗口中，铁芯腿的厚度与线圈窗口的所述略呈凹形的面之间的距离相等。
为了更好的理解本发明，必须参照以下的结合附图的说明，附图中

图1是实施本发明的一种变压器的局部剖面的侧视立视图。变压器的铁芯是以剖面示出的，而线圈部件是以局部剖面示出的，图2是图1的线圈部件之一的局部剖面端视图;
图2A是图2的线圈部件内转角区域的放大截面图;
图3是表示制作图1铁芯的某些叠片的放大示意图;
图4是图1铁芯的侧面立视图，其上示出加在铁芯上的退火用的金属构件，为简明起见，图4中未示出叠片或接合面;
图5是沿图4中剖线5-5视向的断面图;
图6是穿过制成的组件的铁芯腿之一的放大的剖面图，同时，示出围绕该铁芯腿的、构成线圈窗口的绝缘构件。
下面参照图1，图中示出的铁芯和线圈组件包括闭合型的非晶钢铁芯10，该铁芯包括一对隔开的垂直地延伸的腿21和两水平地延伸的轭19与23，两轭的上端和下端分别与两腿互相连接。两线圈部件28分别围绕在两铁芯腿21上。
铁芯是由非晶钢带材制成的，例如，可从Allied-Signal公司买到的非晶钢，如Metglas 2605-S2非晶钢。正如在前述美国专利4，734，975中所公开的，参照其附图1和1A，可把上述带材按以下方法制成铁芯通过卷绕使其形成环形结构4，再沿径向将该环形结构切断以形成叠片块12，然后，围绕芯轴将该叠片块一组一组地互叠(或嵌套)起来，以形成带有阶梯搭接接合面16的环形结构10。产生构成环形结构10的叠片的另一种方法是用平的带材切成该叠片，即，在适当的位置将带材切断，以产生具有适当的长度的叠片。
非晶金属的每片叠片的标称厚度仅为一密耳左右，与一般用作变压器铁芯的通常厚度为7至12密耳的矽钢片相比较是非常薄的。因此，最好成组地处理这些叠片，每组叠片最好具有相当于上述矽钢片一或两张的厚度。成组而不是单片处理叠片显著地有助于制作经济性。
仍参照专利4，734，975的图1A，在已将铁芯片叠垒成环形结构以后，把第一底带或局部环18弯曲成半圆，并把它装进所述环形结构的圆柱形窗口20中。类似地，把第二底带或局部环22以与底带18搭接的关系装进窗口20中，这些底带可以用普通的矽钢芯钢制成，它有足够的厚度，例如，七密耳，并有足够的回弹能力以提供铁芯叠片12的底层机械支撑(这些叠片几乎没有抗铁芯塌陷的强度)。因为这些非晶金属铁芯片还相当脆，所以这些底层局部环在完成各种制作步骤以及在使用期间，还起到保护铁芯片防止碎裂和折断的作用。为了给铁芯叠片12提供上覆支撑物，也可以再用一条七密耳的铁芯钢带的外部锁定圈24，来夹持住该专利图1A中可见到的叠垒铁芯的环形结构10。锁定圈的底层搭接端由接头24a构成，该接头通过在上面搭接端中的锁定槽24b引出并再折回来，以把包围该叠垒铁芯的锁定圈扣紧。
在如上述已制成该专利的图1A的环形结构10以后，把结构10放在两个适当的成形部件(在本申请书的图4中以94示出)上，后者伸到窗口20，然后迫使这两个成形部件分开使结构10成形为该专利的图2中示出的矩形形状。在这成形步骤之前，用非重叠的较短的底环22a来置换该专利图1A的底环22。在成形步骤期间，这些较厚的底层局部环18与22a将变成图2的U形形状。这些底环的一个功能是在现已成为矩形的铁芯窗口20的直角转角20a处赋予足够大的弯曲半径(相当脆的非金属铁芯片12必须适应该窗口的形状)，因此，显著降低折断的可能性。在铁芯成形步骤期间，成形部件嵌入铁芯时，这些底层局部环还可起到缓冲层的作用，有效防止损坏，特别是防止最内层铁芯叠片的损坏。在成形过程中环绕铁芯10的外层锁定圈24，也可起到缓冲层的作用，用于保护最外层铁芯叠片。
在铁芯已经加工成所述专利的图2的矩形形状以后，将退火板(在本申请书图4和图5中已最好地示出，下面即将加以说明)加到靠近每个铁芯腿的内、外表面的铁芯上，随后，铁芯在适当的退火炉中的磁场下退火。退火是以众所周知的方式进行的，为的是消除在非晶金属叠片中的剩余应力，这些应力包括在切割、叠垒和整形或定形各步骤中所赋予的应力。当退火已经完成时，上面述及的退火板就被拆除，不过是在即将说明的边缘粘接操作之后。在退火期间，铁芯被加热到足以消除非晶金属叠片中应力的温度，例如，约360℃，但是，该温度并不足以对外面的锁定圈24或所述底层局部环18和22a退火，因为，它们全是通用铁芯钢或类似材料制成的。作为退火操作的一部分，所述铁芯被保持在该温度附近大约4小时，然后缓慢冷却。
再参考专利4，734，975号的图2，在已经将铁芯退火以后，将适当的粘接剂涂到铁芯两边非晶金属叠片12的露出的侧面边缘上，形成薄层26。该粘接剂是以液体形态涂上的，最好用刷的方式，随后，它干结并形成一层有弹性的涂层，就把叠片的边缘粘接在一起。正如在所述专利的图2中可见到的，该边缘接合层沿线26a而中止，它正好不到底层局部环18的自由端18a，或几乎与其齐平。这样，接合层26沿着顶轭19的全长，并沿着互相连接的腿21的长度的大部分(中止于离包含接合区17的、与下轭23接合的转角接合处不远之处)，把叠片12紧固成一个整体。这样，当去掉下轭23中通向和包含在接合区17中的几段叠片、以适应结合专利4，734，975号的图3和图4所描述的铁芯束紧步骤时，有效限制非晶金属叠片12相互间的乱取向。要指出的是，底层局部环22a是超出边缘接合层边界线26a的范围的，因此，当铁芯准备围绕变压器线圈束紧时，是可自由去除的。然而，底层局部环18和锁定圈24沿着它们的长度的大部分以边缘粘接方式粘接到叠片12上。在涂敷粘接剂期间，要很小心以避免叠片间的渗透，由于这会不利地影响铁芯的损耗。SCOTCH-GRIP 826或SCOTCH-CLAD EC 776是适合的边缘粘接剂，两者都可从3M公司买到。
在进行上述边缘粘接以后，外部锁定圈24(所述专利的图2)通过把接头24a拉直并将它从锁定槽24b中解开而开启。随着由腿21支撑的顶轭19从那里向下延伸，所述开启的外圈的非边缘接合部分回弹到该专利图3示出的位置。同样地，下轭的两半部23a不再受外部锁定圈的约束，而向下跌落到该专利图3所示的悬挂位置，在包含在下轭中的接合区17处相互分开。可以看到，边缘接合层26容易适应打开铁芯的要求，同时，在它们的周边长度的大部分范围内限制叠片12的相对移动。
为便利束紧铁芯的操作，在局部接合区17和下轭端部处的两个转角区之间延伸的下轭的两半部23a定向成大体上与它们附装的铁芯腿21相对准。因此，该铁芯就基本呈U形外形，具有基本上是直的腿，它们包括原来的腿21和后来对准的轭半部23a。(参见该专利的图3)这U形结构的延伸的腿能够容易地滑过两变压器线圈组28的窗口28a，该两线圈组分别适合环抱原来的腿21而只带很小的间隙。
在这种U形铁芯结构的延伸腿已被插入线圈组以后，将所述腿结构端头处的接头的两半部分浸入轻质油槽中，如该专利的图4所例示的，或用这种油进行喷射。然后该接头的两半部分被移到重制接合面的位置，并由此重新闭合该铁芯体。如专利4，734，975中所述，借助于在接头的两半部分上的所述油，便于该接合面的重制。此后，锁定圈24再次闭合，并且，该接头24a再次扣紧，以夹住绕在再次闭合铁芯上的锁定圈。边缘接合层26确保当铁芯再次闭合时叠片12不乱取向。从而，该铁芯在完成线圈结构的装配后，仍能基本上呈现与其进行退火时所具有的完全相同的形状，这样，在铁芯束紧期间引入叠片中的所有应力，实际上都有效地得到了消除。
参照本申请的图2，线圈部件28中的每一个包括低压线圈128和高压线圈130，所述高压线圈围绕所述低压线圈，并且，在其间适当地加上了绝缘层。低压线圈128是通过把由电绝缘材料制成的中空线圈架60置于芯轴(未画出)上而制作的(该芯轴装在中空线圈架之内)。然后，把绝缘导线62逐层缠绕在中空的线圈架60上，一直到达到所要求的匝数为止。其后，就把高压线圈130缠绕在所述低压线圈128上。然后取掉芯轴;图2中同时以局部剖面形式绘出了线圈组28的外形。如在本技术领域中众所周知的，另一种方去是该低压线圈可以用上下带有薄绝缘片的导电带缠绕在线圈架60上面制作的，带和片两者的宽度大致等于线圈的高度。
如图2中所示，中空绝缘线圈架60包括一个大体上矩形截面的线圈窗口28a。该窗口28a由两面分隔开大体平行的端壁67和两面分隔开、略带凹形内面70的侧壁69结合而成。每面侧壁69由一转角72与其邻近的端壁结合。这些转角72的每一个是倒圆角或是斜角形的，在图2A的放大视图中示出典型的斜角形状。由斜角的，和非直角的、转角72的特性，以及略微呈凹形的面70的特征来看，显然，线圈窗口28a并非确切地是矩形。
如果所述窗口截面正好是矩形的，特别是如果铁芯腿也有矩形截面的话，当然能够比较容易地有效利用容纳铁芯腿的线圈窗口截面。但是，由于实际的原因(与线圈组的制作有关联)，要形成正好是矩形的线圈窗口截面是困难的。倒圆角或斜角的转角对于防止线圈导体过于锐弯是需要的，而且，侧壁的凹形外形对于赋予线圈架60以机械强度也是需要的。
为了能够更有效地利用线圈窗口28a的截面面积，本发明改变了相关的铁芯腿21的截面形状，使得它与线圈窗口的截面形状更加接近一致。为此，在上述退火操作期间，本发明把挤压力加到所述铁芯腿上，该挤压力具有减小腿的两个区域中铁芯腿厚度的效应，该两区域位于邻近线圈窗口的两端壁67之处。
本发明之所以能利用上述挤压力减小铁芯腿厚度，是因为由非晶金属带材制作的铁芯叠片，一般说来，其中心区比其边缘部分略微厚一些(例如，厚5%至20%)。这在本申请的图3中已进行说明，图上示出一些在厚度方面已夸大了的，并具有上述厚度差异，以及按铁芯腿厚度T的方向叠层的叠片。图3描绘将它们夹紧用于退火以前的这些叠片。由于一般来说这些叠片在贴近它们的边缘75处比它们的中心区域80略微薄一些，所以在它们的边缘75区域中各叠片之间将有很窄的空隙82。据此，如果用在贴近边缘75区域中所加的挤压力F将各叠片加紧在一起，则边缘区域中的铁芯腿厚度将减小，减小的数值基本上等于这些窄间隙82厚度的总和。
参照本申请图3、4和5，通过对每个铁芯腿提供夹紧板90和92，能够在边缘75的区域中加上挤压力，该夹紧板具有用于靠压在铁芯腿上的凹形形状的夹紧面。当将夹紧板挤压在一起时，它们将压在铁芯腿贴近边缘75区域中的外部和内部表面上。
为了把夹紧板挤压在一起，本发明依靠成形块94和一对钢夹紧带条95，每条带环绕住整个铁芯体。在上述将铁芯从圆形转变成矩形形状的成形操作之后，成形块就留在位置上。在所述成形块的每一端，将一块内夹紧板92插到一个铁芯腿的内表面与所述成形块端头之间。在每个铁芯腿的外部表面处加上另一个夹紧板90。如图4和5中所示，带条95环绕铁芯体，围绕两个铁芯腿14和两个外部夹紧板90延伸。
当正好在铁芯退火以前把带条95系紧时，强制地将每个腿的每个侧面处的夹紧板90和92合在一起，从而挤压它们之间的铁芯腿，在这种夹紧期间，成形块94在内面夹紧板92之间保持一个固定的间隔。在带条系紧以后，每条带95上的一个通用系紧接头97把条带夹持在其系紧状态中，这样就在随后的退火操作期间，每一腿上保持着挤压力。
如以上所指出的，由系紧夹紧带所产生的挤压力减小铁芯腿在贴近叠片边缘75区域中的厚度。这具有使铁芯腿除靠近图5的中间面99之外的那些叠片弯曲或弓弯的效应。这样的弯曲量随着与中间面99距离的加大而增加。退火操作起到消除由这种弯曲或弓弯而在非晶金属叠片中产生的任何剩余应力的作用。
在退火以后，当夹紧板90、92和条带95仍在原有位置上时，将上述接合层26加到铁芯腿两侧上叠片12的暴露的侧面边缘75上。当该粘接剂干结时，把叠片12的边缘区粘接在一起，并且，使叠片保持在夹紧退火期间所占有的位置上。只有在粘接剂已干结，并使叠片已接合在一起以后，才去掉夹紧板90、92和条带95。如前已指出的，该粘接剂还粘接内部底圈18和外部锁定圈24，并由此使这些圈保持在一种略微弓弯的状态，同时，与有关联的铁芯腿的其余部分保持紧密的适配接合。
图6提供有关铁芯腿21的示意性说明图，如上所述在截面部分进行了改进，具有一个更紧密地符合于线圈窗口28a截面形状的截面外形。在叠片的边缘75处腿的减小了的厚度使铁芯的转角区得以避开线圈窗口转角72处的斜角，并且，外部和内部叠片的弓形外形使铁芯腿的外部和内部表面能够更加紧密地与线圈窗口贴近的凹形内表面相符。粘接边缘的粘合剂在图6中以26示出。
借助于提供一种更加紧密地与线圈窗口相符的铁芯腿截面形状，使线圈窗口可以制作得更小些，这意味着对于线圈导体来说，可以用较短的导线，而且线圈部件所占有的空间将更小些。这些特征导致制作方面的经济性。
虽然在此之前夹紧板在退火期间已被利用作为夹紧非晶金属铁芯的腿，但是就本发明人所知道的这些板基本上是平的构件，典型地是使主要的夹紧力加到铁芯腿的中心区100上(参见图5)，以及构成铁芯腿叠片12的中心区上。在某些情况下，当采用这种平的夹紧板时，通过夹紧带产生的夹紧力沿着铁芯的一侧在平板边缘处把所述板拉紧在一起，但沿着铁芯的相对侧在平板边缘处使它们分离，也就是说，导致夹紧板的倾斜，一般来说，位于贴近系紧接头97的平板边缘处将所述板拉紧在一起。夹紧板的这种倾斜效应使铁芯腿在一侧显著地比另一侧薄。这是不希望有的，因为它使较后施加的粘接剂(26)在铁芯较厚侧上的叠片之间渗透。这样进一步加大在腿的相对侧处铁芯腿厚度中的差异。该后者形式的铁芯腿比完全是矩形的铁芯腿对线圈窗口的截面形状具有甚至更少的一致性。
虽然，最好是对每个铁芯腿在铁芯腿厚度的两侧采用凹形夹紧板，但是，如果只用一块凹形板的话，仍然可以体会到本发明的某些优点，这时最好外侧夹紧板是凹形形状，而内侧板是平面形状的。因此，本发明的主要方面是打算综合一种方法，该方法只用一块这样的凹形夹紧板，并由此得到铁芯体。另外，在某些变压器中，线圈部件的中空线圈架60其最后形状将具有基本上是平面的一个侧壁(69)，而另一侧壁(69)则如示出的那样仍基本上保持为凹形的。在为这种变压器制作铁芯时，在退火期间只在铁芯腿的一侧采用一块凹形夹紧板(例如，图5的90)，如图中所示，使腿的这一侧面稍微呈凸形。该腿的凸面是这样定位的，即当该腿插进这线圈部件时，腿的凸面贴近线圈架60的凹面，这样的铁芯腿与绕线圈架60之间就能产生所要求的紧密配合。在该实施例中，对准备定位贴近线圈部件的线圈架60基本是平面侧壁的铁芯腿侧面进行退火期间，采用基本上是平的夹紧板。
尽管以上示出并描述了本发明的一个具体实施例，但显然对于熟悉本行技术的人，在不脱离本发明的主要方面的情况下，可以作出象上一节所述的各种变化和修改，因此，本申请打算涉及本发明精神实质和范围内的所有变化和修改。
权利要求
1.一种用于非晶金属铁芯变压器的铁芯和线圈组件，它们包括a)具有大体上矩形截面的线圈窗口的线圈部件，该线圈窗口由两面相隔开的通常是平行的端面和两面相隔开的侧面结合而成，其中，至少一个侧面是略带凹形的，两侧面各自具有邻近所述端面的两个端区和一个中心区，两侧面的中心区的间距稍微大于端区的间距。b)具有铁芯腿的铁芯，该铁芯腿装配在所述线圈窗口之内并包括在铁芯腿厚度方向上叠垒的、基本上对齐的非晶钢带，每条钢带具有被带宽相隔开的两个边缘和位于所述两个边缘中央的中心区，带宽大致为所述线圈窗口两端面之间的距离，所述钢带的特征是其中心区比边缘区有稍大的厚度，所述铁芯腿具有这样的厚度，即，在所述钢带的两个边缘区，该厚度显著小于在所述钢带中心区的腿厚度，从而，使所述腿能够更紧密地装配在所述线圈窗口。
2.权利要求1的组件，其特征在于所述钢带的边缘在钢带的中心区的每一侧基本上对齐，并且，用粘性接合材料粘接在一起。
3.权利要求1的组件，其特征在于在铁芯退火期间，通过在钢带的两个边缘区施加减小腿厚度的挤压力而挤压所述铁芯腿，从而，减小所述腿的所述钢带边缘区的厚度，由此，使所述钢带在退火和挤压之后基本上没有剩余应力。
4.权利要求3的组件，其特征在于在所述钢带中心区的每一侧，所述钢带的边缘基本上是对齐的，并且用粘性接合材料结合在一起。
全文摘要
变压器的铁芯和线圈组件，该变压器具有非晶钢铁芯和围绕该铁芯腿的线圈，其中，将该铁芯腿的截面加工成非常接近包围该铁芯腿的线圈窗口的形状。
文档编号H01F27/24GK1065155SQ92102160
公开日1992年10月7日 申请日期1989年7月29日 优先权日1988年8月29日
发明者唐纳德·埃默森·巴拉德 申请人:通用电气公司