用于非線性變壓器的三級芯部的制作方法
【專利摘要】三級非線性變壓器芯部由每段具有不同的寬度和橫截面面積的疊片的三段形成。疊片的第一段通過橫切大體為矩形的金屬片或條形成。然后所得到的大體上為三角形的段纏繞在模具上，以形成具有梯形橫截面的芯部框架的第一段。疊片的第二段纏繞在疊片的第一段上，以形成具有菱形橫截面的芯部框架的一段。疊片的第三段纏繞在疊片的第二段上，以形成具有梯形橫截面的芯部框架的一段。疊片的第一、第二和第三段的每一段彼此偏移一個預(yù)定偏移角度。
【專利說明】用于非線性變壓器的三級芯部

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及具有非線性芯部的變壓器及制造非線性芯部的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]制造具有非線性或三角形芯部的變壓器的勞動密集性通常高于線型芯部變壓器，即具有以線性方式設(shè)置在兩個軛之間的芯柱的變壓器。然而，非線性變壓器得到的效率通常超過生產(chǎn)它們的成本。
[0003]制造非線性芯部的復(fù)雜性隨如非晶態(tài)金屬的的材料的使用而增力口。非晶態(tài)金屬是微小的，.且難以形成一致的標(biāo)準(zhǔn)形狀。最小化處理產(chǎn)生了與形成變壓器芯部有關(guān)的更好的結(jié)果，尤其是使用非晶態(tài)金屬生產(chǎn)的芯部。現(xiàn)有技術(shù)的過程是耗時的，并且可能損壞在芯部中使用的材料。因此，改進的非線性芯部及制造其的方法在本領(lǐng)域中是需要的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]三相非線性變壓器具有由至少三個芯部框架形成的鐵磁芯部。至少三個芯部框架的每一個具有疊片的第一、第二和第三段。疊片的第一、第二和第三段順次纏繞在彼此上，以形成疊片層的大致為半圓形的橫截面，其中疊片的第一、第二和第三段的每個第一層位于從相鄰層偏移一個角度的位置。至少三個芯部框架被布置在非線性結(jié)構(gòu)中，并且每一個具有支柱部和軛部。每一個支柱部結(jié)合另一個芯部框架的支柱部分別形成具有大致為圓形的橫截面的至少三個芯柱。線圈組件分別被安裝到至少三個芯柱的每一個上。線圈組件分別具有纏繞在至少三個芯柱的每一個上的次級繞組，和安裝在次級繞組上的初級繞組。
[0005]制造非線性變壓器芯部的方法包括以下步驟:
[0006]a.橫切疊片的第一段；
[0007]b.在模具周圍纏繞連續(xù)層中的疊片的第一段，使得疊片的第一段的至少第一層在第一段和第二段內(nèi)具有從疊片的相鄰層偏移的一個角度；
[0008]c.在疊片的第一段上纏繞疊片的第二段，使得疊片的第二段的至少第一層在第一段和第三段內(nèi)具有從相鄰疊片偏移的一個角度。
[0009]d.橫切疊片的第三段；以及
[0010]e.在疊片的第二段上纏繞疊片的第三段，使得疊片的第三段的至少第一層具有從第二段的相鄰疊片偏移的一個角度。
[0011]變壓器芯部具有由疊片的第一、第二和第三段形成的至少三個芯部框架。疊片的第一、第二和第三段順次纏繞在彼此上，以形成疊片層的大致為半圓形的橫截面，其中疊片的每一段的至少第一層位于從相鄰層偏移一個角度的位置。至少三個芯部框架被布置在非線性結(jié)構(gòu)中。至少三個鐵磁框架的每一個具有支柱部和軛部。每一個芯部框架的每一個支柱部分別結(jié)合另一個芯部框架的另一個支柱部形成具有大致為圓形的橫截面的至少三個芯柱。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]在附圖中，所示出的結(jié)構(gòu)實施例，和下面提供的詳細(xì)描述一起，描述了用于非線性變壓器的三級芯部的示例性實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，一個部件可以被設(shè)計為多個部件，或者多個部件可以被設(shè)計為單個部件。
[0013]另外，在附圖和描述中遵循的是，整個附圖和書面描述中指示的相似部分分別具有相同的附圖標(biāo)記。附圖不是按比例繪制的，且某些部分的比例已被放大以便于說明。
[0014]圖1A是根據(jù)本發(fā)明實施的非線性芯部的透視圖；
[0015]圖1B是非線性芯部的俯視圖，示出了用于形成非線性芯部的疊片的第一、第二和第二段;
[0016]圖1C是非線性芯部的芯部框架的側(cè)視圖；
[0017]圖1D示出了略微旋轉(zhuǎn)的圖1A以顯示一個芯部框架的側(cè)面和另一個芯部框架的前面；
[0018]圖2是具有分別形成每個芯部框架的疊片的第一、第二和第三段的非線性芯部的俯視圖；
[0019]圖2A是示出了相對于一個半圓的構(gòu)成疊片的第一、第二和第三段的層的插圖，以示出使用圓形線圈繞組得到的填充系數(shù)；
[0020]圖3是具有初級和次級芯部繞組的非線性變壓器的透視圖；
[0021]圖4示出了疊加在笛卡爾網(wǎng)格上的芯部框架的示例性橫截面，以示出疊片的第一、第二和第三段之間的偏移的示例性角度，特別是疊片的第一、第二和第三段的每一個的至少第一層之間的偏移的示例性角度。

【具體實施方式】
[0022]圖1A示出了非線性變壓器100的芯部70。用于非線性變壓器100的芯部70由例如非晶態(tài)金屬或晶粒取向硅鋼的材料形成。在使用非晶態(tài)金屬的一個實施例中，變壓器100表現(xiàn)了較低的磁滯和渦流能量損耗。然而，因為非晶態(tài)金屬的薄且脆的性質(zhì)，難以制造使用非晶態(tài)金屬的變壓器芯部70。例如，在形成芯部70時使用的非晶態(tài)金屬的厚度大約是0.025mm厚，而在形成芯部70時使用的傳統(tǒng)的晶粒取向硅鋼大約為0.27mm厚。
[0023]芯部70由至少三個芯部框架22形成。至少3個芯部框架22的每一個具有通過肩部24連接在一起的兩個支柱部28和兩個軛部26，以形成具有圓形邊緣的大致為長方形的形狀。至少三個芯部框架22的每個支柱部28鄰接另一個芯部框架22的支柱部28，以形成圖1D所示的芯柱80。通過兩個半圓形支柱部28形成的至少三個芯柱80的每一個，具有大致為圓形的橫截面如圖2和圖2A的插圖最佳地示出。至少三個芯柱80的支柱部28使用絕緣帶、繩或包裹物系在一起。當(dāng)從上方觀察時，如圖1B所示，組裝的芯部70具有三角形形狀。
[0024]繼續(xù)參考圖1B，芯部70的每個芯部框架22由三級形成，即疊片10、20、30的第一、第二和第三段分別包括第一、第二和第三級。疊片10、20、30的第一、第二和第三段實現(xiàn)為晶粒取向硅鋼或者非晶態(tài)金屬的條、片、箔或線。
[0025]疊片10、20、30的第一、第二和第三段由金屬的連續(xù)的條或片構(gòu)成。由晶粒取向硅鋼構(gòu)成的芯部70可以由連續(xù)的條、片、箔或線構(gòu)成，而使用非晶態(tài)金屬的相似芯部70由金屬的連續(xù)的條或片構(gòu)成。應(yīng)當(dāng)理解的是，在使用非晶態(tài)材料或傳統(tǒng)的晶粒取向硅鋼的芯部中的疊片的層數(shù)可以根據(jù)使用的材料、應(yīng)用場合和期望的變壓器額定輸出發(fā)生很大的變化。
[0026]疊片10、20、30的第一、第二和第三段的每一個分別具有在纏繞后具有不同橫截面面積的若干個纏繞層。疊片10的第一段形成每個芯部框架22的內(nèi)部部分，并且具有如圖1B和圖1C所示的梯形形狀。疊片20的第二段形成每個芯部框架22的中心部分，并且具有如圖2所示的大致為菱形或鉆石形的橫截面。疊片30的第三段形成每個芯部框架22的外部部分，并且具有梯形的橫截面和比疊片10的第一段大的橫截面面積?？傮w上，疊片20的第二段具有最大的橫截面面積。
[0027]在使用薄片金屬或金屬條形成芯部70的一個實施例中，疊片10、30的第一和第三段使用本領(lǐng)域公知的標(biāo)準(zhǔn)橫切機形成。疊片20的第二段使用不需要橫切且具有例如150mm寬的標(biāo)準(zhǔn)大小的金屬片。疊片10、30的第一和第三段也可以由在橫切前為150mm寬的金屬片或條形成。
[0028]疊片10的第一段由大體為矩形的金屬片或條形成。矩形片是使用橫跨金屬片或條的長度的對角切割的，形成每個具有大體為矩形形狀的兩個相等部分?；蛘撸锹洳糠挚梢詮木匦谓饘倨驐l割斷并作為廢料丟棄，剩下單個部分。疊片10的第一段的繞組開始于金屬片的最窄部分，無論金屬片或條是否具有大體上為矩形的形狀或具有帶缺角部分的大體上為矩形的形狀。金屬片的最窄部分是形成相對于大體上為矩形形狀的直角的最小角的部分，或在大體上為矩形的金屬片中具有割斷的角的部分。
[0029]疊片30的第三段由比用于形成疊片10的第一段的矩形片長的金屬矩形片形成。在一個實施例中，矩形金屬片被跨薄片的長度對角切割，以形成具有相同大小的兩個部分。兩段的每一個使用在不同芯部框架22中。疊片30的第三段的繞組開始于金屬片的最寬部分。例如，金屬片的最寬部分與被選擇為從其開始疊片10的第一段的繞組矩形金屬片的面相對。
[0030]或者，從疊片的矩形片切除的第一部分用于疊片10的第一段中，以及第二部分用于疊片30的第三段中。由于疊片的第二段具有均勻的寬度，橫切材料不用于疊片的第二段中。因此，橫切機不用于生產(chǎn)疊片20的第二段的金屬片或條的形成。
[0031]形成芯部框架22的10、20、30的第一、第二和第三段的疊片層的橫截面形狀，近似于圖2A所示的半圓形形狀。當(dāng)兩個支柱部28定位和/或連接在一起以形成芯柱80時，芯柱80具有基本上為圓形的橫截面面積。芯柱80的大致為圓形的橫截面當(dāng)其和圖3所示的圓形的初級和次級芯部繞組32、34 —起使用時提供了增大的填充系數(shù)，。使用具有如下所述的不同橫截面面積和偏移角度的疊片10、20、30的第一、第二和第三段的變壓器芯部70的填充系數(shù)可以填充由初級和次級芯部繞組32、34組成的環(huán)形線圈組件12內(nèi)面積的89%。
[0032]在圖3中，線圈組件12分別安裝到至少三個芯柱的每一個上。線圈組件12分別由安裝在至少三個芯柱的每一個上的次級繞組34，和繞次級繞組34布置的初級繞組32形成。當(dāng)初級繞組32是高壓繞組，且次級繞組34是低壓繞組時，變壓器100是所謂的“降壓”變壓器100，其降低在變壓器100的輸出端電壓和電流值。或者，變壓器100可以實現(xiàn)為“升壓”變壓器100，其中初級繞組是低壓繞組，且次級繞組34是高壓繞組。應(yīng)當(dāng)理解的是，在某些配置中，初級繞組32可以分別纏繞或者安裝到至少三個芯柱的每一個上，并且次級線圈34可以進一步繞初級線圈繞組32布置。
[0033]在形成變壓器芯部70時，疊片的第一段10直接纏繞在具有圓形邊緣的大致為矩形的模具上。條、片、箔或線的疊片10的第一段的第一層覆蓋在矩形模具的外側(cè)端部表面。模具占據(jù)芯部框架22的芯部窗口 60的空間，基本在芯部纏繞過程中創(chuàng)建芯部窗口 60。疊片的連續(xù)層分別形成疊片10、20、30的第一、第二和第三段的各種橫截面面積。疊片10的第一段纏繞在模具上，疊片20的第二段纏繞在疊片10的第一段上，并且疊片30的第三段纏繞在疊片20的第二段上。在某些實施例中，疊片的第二段的一個或多個層可以與模具接觸。
[0034]疊片10的第一段順次纏繞，使得所有相鄰的疊片和/或疊片10、20、30的第一、第二和第三段的至少第一層從所有周圍疊片和/或周圍段10、20、30的第一層15、25、35偏移一個預(yù)定角度。結(jié)果得到疊片10的第一段的梯形橫截面，如圖2a的插圖所示。
[0035]疊片10、20、30的第一、第二和第三段的每一個最初作為疊片薄片或條的預(yù)切割輥，該預(yù)切割輥放置在可人工或自動操作的去卷設(shè)備上。疊片10的第一段和首先送入的薄片或條的最窄端部一起送入疊片移位機。疊片的第二段的寬度是恒定的，所以可以從薄片或條的任一端開始送入。疊片30的第三段從薄片或條的最寬端部開始送入疊片移位機。疊片移位機用于控制相鄰疊片的偏移角度。
[0036]疊片移位機是在形成變壓器芯部70的技術(shù)中公知的線性自動化的一種形式。疊片移位機具有在其上安裝有一組滾輪和夾持組件的桌面。疊片薄片或條首先送入一組滾輪，然后夾持組件抓住并沿疊片移位機的桌面的水平軸移動疊片到預(yù)定位置。
[0037]疊片薄條或片，在使用疊片移位機安裝到每個層的合適的偏移角度后，送入具有帶圓形邊緣的大致為矩形的模具的線圈繞線機。對于線圈繞線機的每一個完整旋轉(zhuǎn)，使用疊片移位機創(chuàng)建疊片10、20、30的第一、第二或第三組的層，其中每一層與相鄰層偏移一個預(yù)定角度。例如，線圈繞線機的一個完整旋轉(zhuǎn)是模具從單個點，例如，在模具角落上的點，直到模具向前或向后旋轉(zhuǎn)到模具角落上相同的單個點的旋轉(zhuǎn)。
[0038]疊片薄條或片是順次纏繞的，在另一個層上的一個層作為線圈繞線機的模具來回旋轉(zhuǎn)，且疊片薄條或片的每一層處于從前一層的不同偏移角度處。結(jié)果是，如圖1c所示，疊片10的第一段具有梯形橫截面，疊片20的第二段具有菱形橫截面，以及疊片30的第三段具有梯形橫截面。
[0039]參考圖4，示出了安置在笛卡爾(Cartesian)網(wǎng)格上的芯部框架22的橫截面視圖。疊片10、20、30的第一、第二和第三段的寬度的方向55由具有兩端的箭頭指示，并對應(yīng)于網(wǎng)格的Y軸。所顯示的芯部框架22疊加到笛卡爾網(wǎng)格上，以顯示芯部框架22的橫截面填充半圓的方式，其中半圓的邊界通過代表疊片15、25、35的第一、第二和第三段的第一層的點和代表疊片45的第三段的最后一層的點標(biāo)記。
[0040]在一個實施例中，在疊片15、25、35的第一、第二和第三段的每一個中的疊片的第一層距離圖4所示的網(wǎng)格的水平軸或X軸的偏移角度分別是大約10度、大約30度和大約90度。于是出現(xiàn)疊片15的第一組的第一層距離水平軸約10度，疊片25的第二組的第一層距離疊片15的第一組的第一層約20度，第一疊片35的第三組的第一層距離疊片25的第二組的第一層約60度，以及疊片45的第三組的最后一層距離水平軸約140度。疊片45的第三組的最后一層也距離疊片15的第一組的第一層約130度。
[0041]應(yīng)當(dāng)理解的是，上述所提供分別作為疊片的第一、第二和第三段的至少第一層的每一個之間的示例性偏移角度。偏移的其它角度取決于應(yīng)用場合和所使用的材料是可能的。相應(yīng)的，根據(jù)基本填充半圓或圓形橫截面形狀的目標(biāo)，疊片的第一、第二和第三段的每一個的每一層可以由一個或多個預(yù)定偏移角度從每一個順次的或相鄰的層偏移。
[0042]盡管本申請示出了各種實施例，并且盡管這些實施例已經(jīng)被詳細(xì)地描述，但是并不旨于限制或以任何方式限制所附權(quán)利要求的范圍至這樣的細(xì)節(jié)。其它優(yōu)點和修改將為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知。因此，本發(fā)明在其更廣泛的方面，并不限于特定細(xì)節(jié)、代表性的實施例，以及所示出和所描述的說明性實施例。相應(yīng)的，可以偏?離這樣的細(xì)節(jié)而不偏離 申請人:的總發(fā)明構(gòu)思的精神或范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種三相非線性變壓器，包括: 鐵磁芯部，所述鐵磁芯部由每一個具有疊片的第一段、第二段和第三段的至少三個芯部框架形成，所述疊片的第一段、第二段和第三段的每一段依次纏繞在彼此上，以形成疊片層的大致為圓形的橫截面，其中所述疊片的每一段的第一層位于距離相鄰段的所述第一層的偏移角度處，所述至少三個芯部框架布置為非線性結(jié)構(gòu)，所述至少三個芯部框架的每一個芯部框架包括支柱部和軛部，所述支柱部的每一個支柱部分別結(jié)合另一個芯部框架的支柱部以形成具有大致為圓形的橫截面的至少三個芯柱；以及 線圈組件，所述線圈組件安裝到所述至少三個芯柱的每一個芯柱，所述線圈組件包括: 次級繞組，分別繞所述至少三個芯柱的每一個芯柱纏繞；以及 初級繞組，繞所述次級繞組設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性變壓器，其中所述至少三個芯柱布置為三角形結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性變壓器，其中，疊片層的所述第一段具有大致為梯形的形狀，疊片層的所述第二段具有大致為菱形的形狀，并且疊片層的所述第三段具有大致為梯形的形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非線性變壓器，其中疊片的所述第三段具有比疊片的所述第一段大的橫截面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性變壓器，其中疊片的所述第一段、第二段和第三段由非晶態(tài)金屬形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性變壓器，其中疊片的所述第一段、第二段和第三段由晶粒取向硅鋼形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性變壓器，其中疊片的所述第一段的所述第一層相對于位于水平軸線上的芯柱偏移約10度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性變壓器，其中疊片的所述第一段的所述第一層相對于疊片的第二段的第一層、相對于位于水平軸線上的芯柱偏移約20度。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的非線性變壓器，其中疊片的所述第二段的第一層相對于位于所述水平軸線上的所述芯柱從疊片的所述第三段的第一層偏移約60度。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的非線性變壓器，其中疊片的所述第三段的最后一層相對于位于所述水平軸線上的所述芯柱從疊片的第一段的第一層偏移約130度。
11.一種制造非線性變壓器芯部的方法，包括 a.橫切疊片的第一段； b.在模具周圍纏繞連續(xù)層中的所述疊片的所述第一段，使得疊片的所述第一段的每個疊片在所述第一段和第二段內(nèi)具有從相鄰疊片偏移的角度； c.在疊片的所述第一段上纏繞疊片的第二段，使得疊片的所述第二段的每個疊片在所述第一段和第三段內(nèi)具有從相鄰疊片偏移的角度； d.橫切疊片的所述第三段； e.在疊片的所述第二段上纏繞疊片的所述第三段，使得疊片的所述第三段的每個疊片具有從所述第二段的相鄰疊片偏移的角度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述疊片的所述第一段的橫截面的形狀是梯 形。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述疊片的所述第二段的橫截面的形狀是菱形。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述疊片的所述第三段的橫截面的形狀是梯形。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述至少三個芯柱布置為三角形結(jié)構(gòu)。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中疊片的所述第一段的所述第一層相對于位于水平軸線上的芯柱偏移約10度。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中疊片的所述第一段的所述第一層相對于疊片的第二段的第一層、相對于位于水平軸線上的芯柱偏移約20度。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中疊片的所述第二段的第一層相對于位于水平軸線上的所述芯柱從疊片的所述第三段的第一層偏移約60度。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中疊片的所述第三段的最后一層相對于位于水平軸線上的所述芯柱從疊片的第一段的第一層偏移約130度。
【文檔編號】H01F30/12GK104350556SQ201380029819
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月6日
【發(fā)明者】S·S·奧騰, T·A·哈特曼 申請人:Abb技術(shù)有限公司