CN104350556A - 用于非线性变压器的三级芯部 - Google Patents

Abstract

三级非线性变压器芯部由每段具有不同的宽度和横截面面积的叠片的三段形成。叠片的第一段通过横切大体为矩形的金属片或条形成。然后所得到的大体上为三角形的段缠绕在模具上，以形成具有梯形横截面的芯部框架的第一段。叠片的第二段缠绕在叠片的第一段上，以形成具有菱形横截面的芯部框架的一段。叠片的第三段缠绕在叠片的第二段上，以形成具有梯形横截面的芯部框架的一段。叠片的第一、第二和第三段的每一段彼此偏移一个预定偏移角度。

Description

用于非线性变压器的三级芯部

技术领域

本申请涉及具有非线性芯部的变压器及制造非线性芯部的方法。

背景技术

制造具有非线性或三角形芯部的变压器的劳动密集性通常高于线型芯部变压器，即具有以线性方式设置在两个轭之间的芯柱的变压器。然而，非线性变压器得到的效率通常超过生产它们的成本。

制造非线性芯部的复杂性随如非晶态金属的的材料的使用而增加。非晶态金属是微小的，.且难以形成一致的标准形状。最小化处理产生了与形成变压器芯部有关的更好的结果，尤其是使用非晶态金属生产的芯部。现有技术的过程是耗时的，并且可能损坏在芯部中使用的材料。因此，改进的非线性芯部及制造其的方法在本领域中是需要的。

发明内容

三相非线性变压器具有由至少三个芯部框架形成的铁磁芯部。至少三个芯部框架的每一个具有叠片的第一、第二和第三段。叠片的第一、第二和第三段顺次缠绕在彼此上，以形成叠片层的大致为半圆形的横截面，其中叠片的第一、第二和第三段的每个第一层位于从相邻层偏移一个角度的位置。至少三个芯部框架被布置在非线性结构中，并且每一个具有支柱部和轭部。每一个支柱部结合另一个芯部框架的支柱部分别形成具有大致为圆形的横截面的至少三个芯柱。线圈组件分别被安装到至少三个芯柱的每一个上。线圈组件分别具有缠绕在至少三个芯柱的每一个上的次级绕组，和安装在次级绕组上的初级绕组。

制造非线性变压器芯部的方法包括以下步骤：

a.横切叠片的第一段；

b.在模具周围缠绕连续层中的叠片的第一段，使得叠片的第一段的至少第一层在第一段和第二段内具有从叠片的相邻层偏移的一个角度；

c.在叠片的第一段上缠绕叠片的第二段，使得叠片的第二段的至少第一层在第一段和第三段内具有从相邻叠片偏移的一个角度。

d.横切叠片的第三段；以及

e.在叠片的第二段上缠绕叠片的第三段，使得叠片的第三段的至少第一层具有从第二段的相邻叠片偏移的一个角度。

变压器芯部具有由叠片的第一、第二和第三段形成的至少三个芯部框架。叠片的第一、第二和第三段顺次缠绕在彼此上，以形成叠片层的大致为半圆形的横截面，其中叠片的每一段的至少第一层位于从相邻层偏移一个角度的位置。至少三个芯部框架被布置在非线性结构中。至少三个铁磁框架的每一个具有支柱部和轭部。每一个芯部框架的每一个支柱部分别结合另一个芯部框架的另一个支柱部形成具有大致为圆形的横截面的至少三个芯柱。

附图说明

在附图中，所示出的结构实施例，和下面提供的详细描述一起，描述了用于非线性变压器的三级芯部的示例性实施例。本领域的普通技术人员将理解，一个部件可以被设计为多个部件，或者多个部件可以被设计为单个部件。

另外，在附图和描述中遵循的是，整个附图和书面描述中指示的相似部分分别具有相同的附图标记。附图不是按比例绘制的，且某些部分的比例已被放大以便于说明。

图1A是根据本发明实施的非线性芯部的透视图；

图1B是非线性芯部的俯视图，示出了用于形成非线性芯部的叠片的第一、第二和第三段；

图1C是非线性芯部的芯部框架的侧视图；

图1D示出了略微旋转的图1A以显示一个芯部框架的侧面和另一个芯部框架的前面；

图2是具有分别形成每个芯部框架的叠片的第一、第二和第三段的非线性芯部的俯视图；

图2A是示出了相对于一个半圆的构成叠片的第一、第二和第三段的层的插图，以示出使用圆形线圈绕组得到的填充系数；

图3是具有初级和次级芯部绕组的非线性变压器的透视图；

图4示出了叠加在笛卡尔网格上的芯部框架的示例性横截面，以示出叠片的第一、第二和第三段之间的偏移的示例性角度，特别是叠片的第一、第二和第三段的每一个的至少第一层之间的偏移的示例性角度。

具体实施方式

图1A示出了非线性变压器100的芯部70。用于非线性变压器100的芯部70由例如非晶态金属或晶粒取向硅钢的材料形成。在使用非晶态金属的一个实施例中，变压器100表现了较低的磁滞和涡流能量损耗。然而，因为非晶态金属的薄且脆的性质，难以制造使用非晶态金属的变压器芯部70。例如，在形成芯部70时使用的非晶态金属的厚度大约是0.025mm厚，而在形成芯部70时使用的传统的晶粒取向硅钢大约为0.27mm厚。

芯部70由至少三个芯部框架22形成。至少3个芯部框架22的每一个具有通过肩部24连接在一起的两个支柱部28和两个轭部26，以形成具有圆形边缘的大致为长方形的形状。至少三个芯部框架22的每个支柱部28邻接另一个芯部框架22的支柱部28，以形成图1D所示的芯柱80。通过两个半圆形支柱部28形成的至少三个芯柱80的每一个，具有大致为圆形的横截面如图2和图2A的插图最佳地示出。至少三个芯柱80的支柱部28使用绝缘带、绳或包裹物系在一起。当从上方观察时，如图1B所示，组装的芯部70具有三角形形状。

继续参考图1B，芯部70的每个芯部框架22由三级形成，即叠片10、20、30的第一、第二和第三段分别包括第一、第二和第三级。叠片10、20、30的第一、第二和第三段实现为晶粒取向硅钢或者非晶态金属的条、片、箔或线。

叠片10、20、30的第一、第二和第三段由金属的连续的条或片构成。由晶粒取向硅钢构成的芯部70可以由连续的条、片、箔或线构成，而使用非晶态金属的相似芯部70由金属的连续的条或片构成。应当理解的是，在使用非晶态材料或传统的晶粒取向硅钢的芯部中的叠片的层数可以根据使用的材料、应用场合和期望的变压器额定输出发生很大的变化。

叠片10、20、30的第一、第二和第三段的每一个分别具有在缠绕后具有不同横截面面积的若干个缠绕层。叠片10的第一段形成每个芯部框架22的内部部分，并且具有如图1B和图1C所示的梯形形状。叠片20的第二段形成每个芯部框架22的中心部分，并且具有如图2所示的大致为菱形或钻石形的横截面。叠片30的第三段形成每个芯部框架22的外部部分，并且具有梯形的横截面和比叠片10的第一段大的横截面面积。总体上，叠片20的第二段具有最大的横截面面积。

在使用薄片金属或金属条形成芯部70的一个实施例中，叠片10、30的第一和第三段使用本领域公知的标准横切机形成。叠片20的第二段使用不需要横切且具有例如150mm宽的标准大小的金属片。叠片10、30的第一和第三段也可以由在横切前为150mm宽的金属片或条形成。

叠片10的第一段由大体为矩形的金属片或条形成。矩形片是使用横跨金属片或条的长度的对角切割的，形成每个具有大体为矩形形状的两个相等部分。或者，角落部分可以从矩形金属片或条割断并作为废料丢弃，剩下单个部分。叠片10的第一段的绕组开始于金属片的最窄部分，无论金属片或条是否具有大体上为矩形的形状或具有带缺角部分的大体上为矩形的形状。金属片的最窄部分是形成相对于大体上为矩形形状的直角的最小角的部分，或在大体上为矩形的金属片中具有割断的角的部分。

叠片30的第三段由比用于形成叠片10的第一段的矩形片长的金属矩形片形成。在一个实施例中，矩形金属片被跨薄片的长度对角切割，以形成具有相同大小的两个部分。两段的每一个使用在不同芯部框架22中。叠片30的第三段的绕组开始于金属片的最宽部分。例如，金属片的最宽部分与被选择为从其开始叠片10的第一段的绕组矩形金属片的面相对。

或者，从叠片的矩形片切除的第一部分用于叠片10的第一段中，以及第二部分用于叠片30的第三段中。由于叠片的第二段具有均匀的宽度，横切材料不用于叠片的第二段中。因此，横切机不用于生产叠片20的第二段的金属片或条的形成。

形成芯部框架22的10、20、30的第一、第二和第三段的叠片层的横截面形状，近似于图2A所示的半圆形形状。当两个支柱部28定位和/或连接在一起以形成芯柱80时，芯柱80具有基本上为圆形的横截面面积。芯柱80的大致为圆形的横截面当其和图3所示的圆形的初级和次级芯部绕组32、34一起使用时提供了增大的填充系数，。使用具有如下所述的不同横截面面积和偏移角度的叠片10、20、30的第一、第二和第三段的变压器芯部70的填充系数可以填充由初级和次级芯部绕组32、34组成的环形线圈组件12内面积的89％。

在图3中，线圈组件12分别安装到至少三个芯柱的每一个上。线圈组件12分别由安装在至少三个芯柱的每一个上的次级绕组34，和绕次级绕组34布置的初级绕组32形成。当初级绕组32是高压绕组，且次级绕组34是低压绕组时，变压器100是所谓的“降压”变压器100，其降低在变压器100的输出端电压和电流值。或者，变压器100可以实现为“升压”变压器100，其中初级绕组是低压绕组，且次级绕组34是高压绕组。应当理解的是，在某些配置中，初级绕组32可以分别缠绕或者安装到至少三个芯柱的每一个上，并且次级线圈34可以进一步绕初级线圈绕组32布置。

在形成变压器芯部70时，叠片的第一段10直接缠绕在具有圆形边缘的大致为矩形的模具上。条、片、箔或线的叠片10的第一段的第一层覆盖在矩形模具的外侧端部表面。模具占据芯部框架22的芯部窗口60的空间，基本在芯部缠绕过程中创建芯部窗口60。叠片的连续层分别形成叠片10、20、30的第一、第二和第三段的各种横截面面积。叠片10的第一段缠绕在模具上，叠片20的第二段缠绕在叠片10的第一段上，并且叠片30的第三段缠绕在叠片20的第二段上。在某些实施例中，叠片的第二段的一个或多个层可以与模具接触。

叠片10的第一段顺次缠绕，使得所有相邻的叠片和/或叠片10、20、30的第一、第二和第三段的至少第一层从所有周围叠片和/或周围段10、20、30的第一层15、25、35偏移一个预定角度。结果得到叠片10的第一段的梯形横截面，如图2a的插图所示。

叠片10、20、30的第一、第二和第三段的每一个最初作为叠片薄片或条的预切割辊，该预切割辊放置在可人工或自动操作的去卷设备上。叠片10的第一段和首先送入的薄片或条的最窄端部一起送入叠片移位机。叠片的第二段的宽度是恒定的，所以可以从薄片或条的任一端开始送入。叠片30的第三段从薄片或条的最宽端部开始送入叠片移位机。叠片移位机用于控制相邻叠片的偏移角度。

叠片移位机是在形成变压器芯部70的技术中公知的线性自动化的一种形式。叠片移位机具有在其上安装有一组滚轮和夹持组件的桌面。叠片薄片或条首先送入一组滚轮，然后夹持组件抓住并沿叠片移位机的桌面的水平轴移动叠片到预定位置。

叠片薄条或片，在使用叠片移位机安装到每个层的合适的偏移角度后，送入具有带圆形边缘的大致为矩形的模具的线圈绕线机。对于线圈绕线机的每一个完整旋转，使用叠片移位机创建叠片10、20、30的第一、第二或第三组的层，其中每一层与相邻层偏移一个预定角度。例如，线圈绕线机的一个完整旋转是模具从单个点，例如，在模具角落上的点，直到模具向前或向后旋转到模具角落上相同的单个点的旋转。

叠片薄条或片是顺次缠绕的，在另一个层上的一个层作为线圈绕线机的模具来回旋转，且叠片薄条或片的每一层处于从前一层的不同偏移角度处。结果是，如图1c所示，叠片10的第一段具有梯形横截面，叠片20的第二段具有菱形横截面，以及叠片30的第三段具有梯形横截面。

参考图4，示出了安置在笛卡尔(Cartesian)网格上的芯部框架22的横截面视图。叠片10、20、30的第一、第二和第三段的宽度的方向55由具有两端的箭头指示，并对应于网格的Y轴。所显示的芯部框架22叠加到笛卡尔网格上，以显示芯部框架22的横截面填充半圆的方式，其中半圆的边界通过代表叠片15、25、35的第一、第二和第三段的第一层的点和代表叠片45的第三段的最后一层的点标记。

在一个实施例中，在叠片15、25、35的第一、第二和第三段的每一个中的叠片的第一层距离图4所示的网格的水平轴或X轴的偏移角度分别是大约10度、大约30度和大约90度。于是出现叠片15的第一组的第一层距离水平轴约10度，叠片25的第二组的第一层距离叠片15的第一组的第一层约20度，第一叠片35的第三组的第一层距离叠片25的第二组的第一层约60度，以及叠片45的第三组的最后一层距离水平轴约140度。叠片45的第三组的最后一层也距离叠片15的第一组的第一层约130度。

应当理解的是，上述所提供分别作为叠片的第一、第二和第三段的至少第一层的每一个之间的示例性偏移角度。偏移的其它角度取决于应用场合和所使用的材料是可能的。相应的，根据基本填充半圆或圆形横截面形状的目标，叠片的第一、第二和第三段的每一个的每一层可以由一个或多个预定偏移角度从每一个顺次的或相邻的层偏移。

尽管本申请示出了各种实施例，并且尽管这些实施例已经被详细地描述，但是并不旨于限制或以任何方式限制所附权利要求的范围至这样的细节。其它优点和修改将为本领域技术人员所熟知。因此，本发明在其更广泛的方面，并不限于特定细节、代表性的实施例，以及所示出和所描述的说明性实施例。相应的，可以偏·离这样的细节而不偏离申请人的总发明构思的精神或范围。

Claims (19)

1.一种三相非线性变压器，包括：

铁磁芯部，所述铁磁芯部由每一个具有叠片的第一段、第二段和第三段的至少三个芯部框架形成，所述叠片的第一段、第二段和第三段的每一段依次缠绕在彼此上，以形成叠片层的大致为圆形的横截面，其中所述叠片的每一段的第一层位于距离相邻段的所述第一层的偏移角度处，所述至少三个芯部框架布置为非线性结构，所述至少三个芯部框架的每一个芯部框架包括支柱部和轭部，所述支柱部的每一个支柱部分别结合另一个芯部框架的支柱部以形成具有大致为圆形的横截面的至少三个芯柱；以及

线圈组件，所述线圈组件安装到所述至少三个芯柱的每一个芯柱，所述线圈组件包括：

次级绕组，分别绕所述至少三个芯柱的每一个芯柱缠绕；以及

初级绕组，绕所述次级绕组设置。

2.根据权利要求1所述的非线性变压器，其中所述至少三个芯柱布置为三角形结构。

3.根据权利要求1所述的非线性变压器，其中，叠片层的所述第一段具有大致为梯形的形状，叠片层的所述第二段具有大致为菱形的形状，并且叠片层的所述第三段具有大致为梯形的形状。

4.根据权利要求3所述的非线性变压器，其中叠片的所述第三段具有比叠片的所述第一段大的横截面。

5.根据权利要求1所述的非线性变压器，其中叠片的所述第一段、第二段和第三段由非晶态金属形成。

6.根据权利要求1所述的非线性变压器，其中叠片的所述第一段、第二段和第三段由晶粒取向硅钢形成。

7.根据权利要求1所述的非线性变压器，其中叠片的所述第一段的所述第一层相对于位于水平轴线上的芯柱偏移约10度。

8.根据权利要求1所述的非线性变压器，其中叠片的所述第一段的所述第一层相对于叠片的第二段的第一层、相对于位于水平轴线上的芯柱偏移约20度。

9.根据权利要求7所述的非线性变压器，其中叠片的所述第二段的第一层相对于位于所述水平轴线上的所述芯柱从叠片的所述第三段的第一层偏移约60度。

10.根据权利要求8所述的非线性变压器，其中叠片的所述第三段的最后一层相对于位于所述水平轴线上的所述芯柱从叠片的第一段的第一层偏移约130度。

11.一种制造非线性变压器芯部的方法，包括

a.横切叠片的第一段；

b.在模具周围缠绕连续层中的所述叠片的所述第一段，使得叠片的所述第一段的每个叠片在所述第一段和第二段内具有从相邻叠片偏移的角度；

c.在叠片的所述第一段上缠绕叠片的第二段，使得叠片的所述第二段的每个叠片在所述第一段和第三段内具有从相邻叠片偏移的角度；

d.横切叠片的所述第三段；

e.在叠片的所述第二段上缠绕叠片的所述第三段，使得叠片的所述第三段的每个叠片具有从所述第二段的相邻叠片偏移的角度。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述叠片的所述第一段的横截面的形状是梯形。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述叠片的所述第二段的横截面的形状是菱形。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述叠片的所述第三段的横截面的形状是梯形。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少三个芯柱布置为三角形结构。

16.根据权利要求11所述的方法，其中叠片的所述第一段的所述第一层相对于位于水平轴线上的芯柱偏移约10度。

17.根据权利要求11所述的方法，其中叠片的所述第一段的所述第一层相对于叠片的第二段的第一层、相对于位于水平轴线上的芯柱偏移约20度。

18.根据权利要求11所述的方法，其中叠片的所述第二段的第一层相对于位于水平轴线上的所述芯柱从叠片的所述第三段的第一层偏移约60度。

19.根据权利要求11所述的方法，其中叠片的所述第三段的最后一层相对于位于水平轴线上的所述芯柱从叠片的第一段的第一层偏移约130度。