CN110447080B - 用于变压器或电感器的绝缘 - Google Patents

用于变压器或电感器的绝缘 Download PDF

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Abstract

一种电气构件包含磁芯、绝缘体和第一绕组。绝缘体包含第一孔口和第一绝缘体通路，第一孔口围绕芯的第一部分设置，第一绝缘体通路延伸穿过绝缘体，环绕第一孔口。第一绕组延伸穿过第一绝缘体通路且传导电流。

Description

用于变压器或电感器的绝缘
技术领域
本文中公开的主题涉及电气构件，且特别地涉及变压器和电感器。
背景技术
变压器典型地包含包绕在磁芯周围的初级绕组和次级绕组。初级绕组电耦合到交流电(AC)功率源，且次级绕组电耦合到负载。基于初级绕组中的匝数与次级绕组中的匝数的比率，变压器可增大或减小由AC功率源输出的电压。
电感器典型地包含包绕在磁芯周围的单个绕组。通过绕组的电流产生磁场。当流过绕组的电流改变时，磁场在绕组中感应出电压，抵抗电流中的改变。因此，电感器抵抗流过它的电流中的改变。
制造电感器和变压器可包含从许多不同的零件供应商购买许多不同的构件。因为一些电感器和变压器的小形状因子，各个构件可具有紧密的公差，使得获得装配在一起且形成运行的变压器或电感器的成组零件可耗时且昂贵。
发明内容
下文概述与原权利要求书在范围上相当的某些实施例。这些实施例不意在限制权利要求书的范围，而是这些实施例仅意在提供要求享有权益的主题的可能形式的简要概述。实际上，权利要求书可包含可与下文阐述的实施例类似或不同的多种形式。
在一个实施例中，电气构件包含磁芯、绝缘体和第一绕组。绝缘体包含第一孔口和第一绝缘体通路，第一孔口围绕芯的第一部分设置，第一绝缘体通路延伸穿过绝缘体，环绕第一孔口。第一绕组延伸穿过第一绝缘体通路且传导电流。
在第二实施例中，系统包含绝缘体、第一绕组、电耦合到第一绕组的第一端的第一端子，以及电耦合到第一绕组的第二端的第二端子。绝缘体包含第一孔口和第一绝缘体通路，第一绝缘体通路延伸穿过绝缘体，环绕第一孔口。第一绕组延伸穿过第一绝缘体通路且传导电流。
在第三实施例中，方法包含3D打印绝缘体，其中绝缘体包括第一孔口和第一通路，第一孔口配置成接收磁芯的第一部分，第一通路延伸穿过绝缘体，环绕第一孔口，且在第一通路内形成第一传导绕组。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时，本公开内容的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中相似的符号表示在图各处相似的零件，其中：
图1是现有技术变压器的示意图；
图2是现有技术电感器的示意图；
图3是根据实施例的具有3D打印的绝缘体的电感器的透视图；
图4是根据实施例的图3的绝缘体的透视图；
图5是根据实施例的在图3的绝缘体内形成的初级绕组和次级绕组的透视图；
图6是根据实施例的在线5-5内截取的图5的初级绕组的细节透视图；
图7是根据实施例的具有3D打印的绝缘体的变压器的透视图；以及
图8是根据实施例的用于制造图3的电感器或图7的变压器的过程的流程图。
具体实施方式
下文将描述一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简要描述，实际实施方式的所有特征可不在说明书中描述。应了解的是，在任何此类实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中那样，必须进行许多实施方式特定的决定来实现开发者的特定目标，诸如符合系统相关和业务相关的约束，其可从一个实施方式到另一个不同。而且，应了解的是，此类开发工作可复杂且耗时，但对于享有该公开内容的益处的普通技术人员将不过是设计、生产和制造的常规任务。
在介绍本公开内容的各个实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意在意指存在元件中的一个或多个。用语“包括”、“包含”和“具有”意在为包含的，且意指可存在除了所列举的元件之外的额外元件。此外，以下论述中的任何数字示例意在为非限制性的，且因此额外的数字值、范围和百分比在所公开的实施例的范围内。
变压器典型地包含包绕在芯周围的初级绕组和次级绕组。基于初级绕组中的匝数与次级绕组中的匝数的比率，变压器可增大或减小从交流电(AC)功率源接收和向负载提供功率的信号的电压。电感器典型地包含包绕在磁芯周围的单个绕组。流过绕组的电流产生磁场，该磁场抵抗流过绕组的电流中的改变。
制造电感器和变压器可包含从许多不同的零件供应商购买许多不同的构件。获得装配在一起且形成运行的变压器或电感器的成组零件可耗时且昂贵。通过制造也用作用于绕组的模具的绝缘体，可保持成本和零件数低，且可减少从许多不同的供应商获得零件的复杂性。此外，可实现用于电气构件的较小形状因子。
图1是示例性现有技术变压器10的示意图。变压器10包含包绕在磁芯16的相反侧周围的初级线圈12和次级线圈14。然而，在一些实施例中，可使用环境空气代替磁芯16。初级线圈12电耦合到交流电(AC)功率源18，交流电(AC)功率源18提供变化的电流IP和初级电动势(EMF)或电压VP，其流过初级线圈12且在芯16周围流动。在芯16周围流动的可变电流IP在芯16中形成变化的磁通量φ，且形成作用于次级线圈14的变化的磁场。次级线圈14处变化的磁场经由电磁感应在次级线圈14中产生变化的次级EMF或电压VS，导致变化的电流IS流到负载20。初级电压VP与次级电压VS的比率等于初级线圈12包绕在芯16周围的回数NP与次级线圈14包绕在芯16周围的回数NS的比率。因此，其中NP与NS的比率大于1的变压器10被称为降压变压器，因为VS小于VP。相应地，其中NP与NS的比率小于1的变压器10被称为升压变压器，因为VS大于VP。因此，变压器10通常在大量的电气系统中用来提高或降低AC功率信号中的电压。在应用中，变压器范围可从电气消费产品的电路板上的小构件到公用事业公司的功率网中的多吨构件。
图2是示例性现有技术电感器30的示意图。如示出的，电感器30包含盘绕的导体(例如，绕组32)。绕组32可或可不包绕在磁芯34周围。即，在一些实施例中，可使用环境空气代替磁芯34。当连接到AC功率源18时，流过绕组的电流I在绕组周围产生存储能量的磁场。当流过绕组32的电流改变时，磁场在绕组32中感应出电压，抵抗电流中的改变。
变压器和电感器两者典型地包含来自各个零件供应商的带有不同特性的许多小零件。紧密的公差和小形状因子可使获得装配在一起以形成工作的变压器或电感器的零件耗时且昂贵。通过利用增材制造技术(例如，3D打印)，绝缘体可形成有通路，该通路允许绝缘体用作用于形成绕组的模具。使用此类绝缘体可帮助减少零件数、零件供应商的数量、生产的成本以及变压器、电感器或其它构件的形状因子。
图3是根据实施例的具有3D打印的绝缘体50的电感器30的透视图。如示出的，绝缘体50在芯16周围延伸且延伸穿过芯16。绕组34延伸穿过绝缘体50中的通路。在示出的实施例中，电感器30可具有第一端子52和第二端子54。绝缘体50可通过增材制造技术形成，诸如3D打印或分层制造。绝缘体50可由陶瓷材料(诸如氧化铝、瓷等)制成。
芯16可包含第一部分58和第二部分60。第一部分58可为基本上“U”形的，具有第一腿部62和第二腿部64。第二部分60可为大体上“I”形的。芯16可分成多个部分58、60，以便于电感器30的组装。例如，第一部分58可插入穿过绝缘体50中的孔口(见图4)且然后联接到第二部分60。然而，应理解的是，其它配置可为可能的。例如，芯16可具有两个L形部分。在一些实施例中，芯16可为单个结构，围绕该单个结构组装电感器30的或电感器的构件的其余。在示出的实施例中，芯16由铁氧体制成，但也设想由其它磁材料制成的芯。在其它实施例中，可使用环境空气代替磁芯16。
如示出的，绕组34从第一端子52在芯16的第一腿部62周围延伸一回或多回，然后在第二腿部64周围延伸一回或多回到第二端子54。然而，应理解的是，图3中示出的电感器30是一个可能的实施例，且不意在为限制性的。因此，设想电感器30的许多其它可能的实施例。
图4是图3的绝缘体50的透视图。如上文关于图3论述的，绝缘体50可使用3D打印、分层制造或某种其它的增材制造工艺由陶瓷材料制造。在示出的实施例中，绝缘体50包含第一孔口100和第二孔口102，芯16延伸穿过第一孔口100和第二孔口102(见图3)。然而，在其它实施例中，绝缘体50可包含不同数量的孔口100、102。例如，绝缘体50可具有0、1、3、4、5、6、7、8、9、10个或更多个孔口。第一通路104延伸穿过绝缘体50且在第一孔口100周围延伸一回或多回。例如，第一通路104可包绕在第一孔口100周围1、2、3、4、5、6、7、8、9、10回或更多回。过渡通路108将第一通路104连接到第二通路106，第二通路106延伸穿过绝缘体50且在第二孔口102周围延伸一回或多回。例如，第二通路106可包绕在第二孔口102周围1、2、3、4、5、6、7、8、9、10回或更多回。在示出的实施例中，第一通路104从入口110延伸到过渡通路108，且第二通路106从过渡通路108延伸到出口112。绕组32可从入口110穿过第一通路104、过渡通路108和第二通路106延伸到出口。
一旦制造了绝缘体50，绝缘体50可用来形成绕组32。在一些实施例中，绕组32可通过利用熔化的铜、铜合金或另一种导体填充通路104、106、108且然后允许绕组32固化来形成。在此类实施例中，绕组32是延伸穿过通路104、106、108的实心元件。在另一个实施例中，电解可在电镀工艺或多步电镀工艺中用来在通路104、106、108的壁上沉积传导材料(例如，铜、铜合金或某种其它的传导材料)层以形成绕组32。在此类实施例中，绕组32可具有中空的中心。因为趋肤效应(即，AC电流倾向于朝导体的外部流过导体)，中空的中心可不负面地影响绕组32传导电的能力。此外，中空的通路可改进绕组32的热性能。例如，流过绕组32的中空的通路的空气可帮助热量从绕组32耗散。在其它实施例中，其它材料可设置在绕组32内以帮助热性能。在另外的实施例中，可使液体或气体流体流过绕组32的中空部分以帮助冷却。在其它实施例中，绕组32可包含传导流体(例如，液体或气体)，传导流体可停滞在绝缘体50中或可流过绝缘体50。
图5是图3的绕组32的透视图。应理解的是，为了清楚在图5中示出绕组32，且在大多数的实施例中，绕组32典型地将在绝缘体50内部形成。绕组32包含第一端子52和第二端子54。如先前描述的，绕组32从第一端子52延伸且包绕在第一孔口100周围一回或多回。绕组然后沿相反方向在第二孔口102周围延伸一回或多回且去到第二端子54。
图6是在线5-5内截取的绕组32的细节透视图。在示出的实施例中，绕组32通过电镀图4中示出的绝缘体50的通路104、106、108的内壁来形成。因此，绕组32包含壁200，壁200设置成围绕中空的通路202穿过绕组32的内部。虽然绕组32示为具有矩形截面，应理解的是，其它截面形状可为可能的，诸如正方形、圆形、三角形、五边形、六边形、八边形或任何其它形状。如先前论述的，在示出的实施例中，通路202可留着空的，以通过帮助热量耗散来改进绕组32的热性能。在其它实施例中，通路202可利用静态材料填充。在另外的实施例中，液体或气体流体(水、冷却剂等)可泵送通过通路202以帮助热量耗散(例如，热泵)。虽然图6中仅示出绕组32的第一端子52，应理解的是，第二端子54和实际上绕组32的其余可具有相同或类似的几何形状。
虽然图3-6示出了应用于电感器30的公开的技术，应理解的是，相同的技术也可应用于变压器10。图7是根据实施例的具有3D打印的绝缘体50的此类变压器10的透视图。如示出的，绝缘体50在芯16周围延伸且延伸穿过芯16。初级绕组12和次级绕组14延伸穿过绝缘体50中单独的通路。例如，在示出的实施例中，AC功率源18可电耦合到第一端子52和第二端子54，且负载20可电耦合到第三端子220和第四端子222。如先前关于图3描述的，绝缘体50可通过增材制造技术(诸如3D打印或分层制造)由陶瓷材料(例如，氧化铝、瓷等)形成。
如同关于图3-6描述的电感器绕组32一样，变压器10的初级绕组12可从第一端子52延伸且延伸穿过第一通路104在芯16的第一腿部62周围一回或多回。初级绕组12然后延伸穿过过渡通路108且延伸到第二通路106中，在芯16的第二腿部64周围一回或多回，终止于第二端子54处。次级绕组14遵循类似但不同的且电隔离的路径。例如，次级绕组14从第三端子220延伸穿过第三通路224，在芯16的第一腿部62周围一回或多回，穿过第二过渡通路226，且穿过第四通路228在芯16的第二腿部64周围一回或多回，终止于第四端子222处。应理解的是，虽然第三通路224、第二过渡通路226和第四通路228连接到彼此，它们与第一通路104、过渡通路108和/或第二通路106分离(例如，电隔离)且不连接到第一通路104、过渡通路108和/或第二通路106。因此，变压器的初级绕组12和次级绕组14彼此不接触且不电耦合到彼此。
变压器提高或降低从横跨第一端子52和第二端子54连接的AC功率源接收的功率信号的电压，且向横跨第三端子220和第四端子222连接的负载输出提高或降低的电压。然而，应理解的是，图3中示出的变压器10是一个可能的实施例，且不意在为限制性的。因此，设想变压器10的许多其它可能的实施例。
图7是用于制造变压器或电感器的过程250的流程图。框252中，绝缘体50经由增材制造技术(诸如3D打印或分层制造)来制造。如先前论述的，绝缘体50制造有可彼此隔离和/或连接到彼此的多个通路104、106、108，以用于容纳一个或多个绕组12、14、32。对于电感器，绝缘体50包含彼此流体连通的多个通路104、106、108。对于变压器，绝缘体50包含多组连续通路104、106、108、224、226、228，其中每组通路彼此分离。例如，第一组通路104、106、108可流体地联接到彼此，但与第二组通路224、226、228隔离，第二组通路224、226、228也流体地联接到彼此。
框254中，一个或多个绕组12、14、32可在一个或多个通路104、106、108、224、226、228中形成。绕组12、14、32可通过利用熔化的导体(例如，铜、铜合金或某种其它导体)填充一个或多个通路104、106、108、224、226、228且允许熔化的导体凝固来形成。在其它实施例中，绕组12、14、32可通过电镀一个或多个通路104、106、108、224、226、228的内壁来形成。在另外的实施例中，可使用其它技术来形成绕组12、14、32。在其中绕组12、14、32包含中空的通路202的实施例中，通路202可留着不填充，可利用材料填充，或可用来使液体或气体流体流过绕组12、14、32。
框256中，可安装芯16。在一些实施例中，芯16也可3D打印，或通过某种其它的增材制造工艺来形成。在此类实施例中，芯16甚至可通过形成绝缘体50所通过的相同工艺同时形成。如先前描述的，电气构件的一些实施例可根本不具有芯16。如关于图3示出和描述的，在一些实施例中，芯可包含延伸穿过绝缘体50的两个或更多个孔口100、102的第一部分58。在其中绝缘体50具有单个孔口100的实施例中，芯16可仅具有单个件。相应地，在一些实施例中，芯16可包含多于两个部分58、60。然而，应理解的是，芯可具有除本文中公开的那些之外的许多种形状。
本发明的技术效果包含具有通过增材制造技术生产的绝缘体的变压器或电感器。绝缘体可包含一个或多个通路，其中一个或多个绕组可经由模制、电镀或某种其它技术来形成。所公开的技术可减少变压器或电感器的零件数，且帮助减少与从许多不同供应商采购(source)许多不同零件相关联的时间和成本，且还可减小构件的形状因子。
该书面描述使用示例来公开本主题(包含最佳模式)，且还使本领域的任何技术人员能够实施所公开的技术，包含制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本公开内容的可取得专利的范围由权利要求书限定，且可包含本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包含带有与权利要求书的字面语言无实质的差别的等同结构元件，此类其它示例意在处于权利要求书的范围内。

Claims (18)

1.一种电气构件，包括：
磁芯；
绝缘体，包括：
第一孔口，其围绕所述芯的第一部分设置；以及
第一绝缘体通路，其延伸穿过所述绝缘体，环绕所述第一孔口；以及
第一绕组，其延伸穿过所述第一绝缘体通路且配置成传导电流，所述第一绕组通过电镀所述第一绝缘体通路的内壁形成，从而所述第一绕组包括围绕穿过所述绕组的内部的中空的通路设置的壁，其中，所述中空的通路填充有气体流体以帮助冷却。
2.根据权利要求1所述的电气构件，其特征在于，所述绝缘体包括：
第二孔口，其围绕所述芯的第二部分设置；以及
第二绝缘体通路，其延伸穿过所述绝缘体，环绕所述第二孔口；以及
第一过渡通路，其将所述第一绝缘体通路连接到所述第二绝缘体通路，其中所述第一绕组延伸穿过所述第一过渡通路和所述第二绝缘体通路。
3.根据权利要求2所述的电气构件，其特征在于，所述绝缘体包括：
第三绝缘体通路，其延伸穿过所述绝缘体，环绕所述第一孔口；
第四绝缘体通路，其延伸穿过所述绝缘体，环绕所述第二孔口；以及
第二过渡通路，其将所述第三绝缘体通路连接到所述第四绝缘体通路，其中所述第三绝缘体通路、所述第二过渡通路和所述第四绝缘体通路与所述第一绝缘体通路、所述第一过渡通路和所述第二绝缘体通路隔离，且其中第二绕组延伸穿过所述第三绝缘体通路、所述第二过渡通路和所述第四绝缘体通路。
4.根据权利要求3所述的电气构件，其特征在于，所述第一绕组配置成经由第一端子和第二端子从交流电(AC)功率源接收所述电流。
5.根据权利要求3所述的电气构件，其特征在于，所述第二绕组配置成经由输出第三端子和第四端子向负载输出所述电流。
6.根据权利要求3所述的电气构件，其特征在于，所述第一绝缘体通路沿第一方向环绕所述第一孔口，且所述第二绝缘体通路沿与所述第一方向相反的第二方向环绕所述第二孔口。
7.根据权利要求3所述的电气构件，其特征在于，所述电气构件包括变压器。
8.根据权利要求1所述的电气构件，其特征在于，所述电气构件包括电感器。
9.一种电气系统，包括：
绝缘体，包括：
第一孔口；以及
第一绝缘体通路，其延伸穿过所述绝缘体，环绕所述第一孔口；
第一绕组，其延伸穿过所述第一绝缘体通路且配置成传导电流，所述第一绕组通过电镀所述第一绝缘体通路的内壁形成，从而所述第一绕组包括围绕穿过所述绕组的内部的中空的通路设置的壁，其中，所述中空的通路填充有气体流体以帮助冷却；
第一端子，其电耦合到所述第一绕组的第一端；以及
第二端子，其电耦合到所述第一绕组的第二端。
10.根据权利要求9所述的电气系统，其特征在于，所述绝缘体包括：
第二孔口，其配置成围绕芯的第二部分设置；以及
第二绝缘体通路，其延伸穿过所述绝缘体，环绕所述第二孔口；以及
第一过渡通路，其将所述第一绝缘体通路连接到所述第二绝缘体通路，其中所述第一绕组延伸穿过所述第一过渡通路和所述第二绝缘体通路。
11.根据权利要求10所述的电气系统，其特征在于，所述绝缘体包括：
第三绝缘体通路，其延伸穿过所述绝缘体，环绕所述第一孔口；
第四绝缘体通路，其延伸穿过所述绝缘体，环绕所述第二孔口；以及
第二过渡通路，其将所述第三绝缘体通路连接到所述第四绝缘体通路，其中所述第三绝缘体通路、所述第二过渡通路和所述第四绝缘体通路与所述第一绝缘体通路、所述第一过渡通路和所述第二绝缘体通路隔离，且其中第二绕组延伸穿过所述第三绝缘体通路、所述第二过渡通路和所述第四绝缘体通路。
12.根据权利要求11所述的电气系统，其特征在于，所述第一端子和所述第二端子配置成从交流电(AC)功率源接收所述电流。
13.根据权利要求11所述的电气系统，其特征在于，所述第二绕组配置成经由第三端子和第四端子向负载输出所述电流。
14.根据权利要求11所述的电气系统，其特征在于，所述第一绝缘体通路沿第一方向环绕所述第一孔口，且所述第二绝缘体通路沿与所述第一方向相反的第二方向环绕所述第二孔口。
15.根据权利要求11所述的电气系统，其特征在于，所述第三绝缘体通路沿第一方向环绕所述第一孔口，且所述第二绝缘体通路沿与所述第一方向相反的第二方向环绕所述第二孔口。
16.一种用于形成电气构件的方法，包括：
3D打印绝缘体，其中所述绝缘体包括第一孔口和第一通路，所述第一孔口配置成接收磁芯的第一部分，所述第一通路延伸穿过所述绝缘体，环绕所述第一孔口；以及
通过电镀所述第一通路的内壁在所述第一通路内形成第一传导绕组，从而所述第一传导绕组包括围绕穿过所述绕组的内部的、用于气体流体冷却的中空的通路设置的壁。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述绝缘体包括第二通路，所述第二通路延伸穿过所述绝缘体，环绕第二孔口，所述第二孔口配置成接收所述芯的第二部分，其中第一绕组延伸穿过所述第二通路。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法包括将所述芯的第一部分插入所述第一孔口中。
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