CN1248246C - 磁控电流或电压调节器和变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁感应电流或电压调节器，它包括由可磁化材料制成并且具有闭合磁路的主体(1)，围绕第一主绕组(2)的主体(1)缠绕的至少一个第一电导体(8)及围绕第二主绕组(4)的主体缠绕的至少一个第二电导体(9)。主绕组(2)的绕组轴线(A2)与控制绕组(4)的绕组轴线(A4)成直角，其目的是在主体(1)中提供正交的磁场(各自为H1，B1和H2，B2)，从而利用控制绕组(4)的磁场(H2，B2)控制可磁化材料相对于主绕组(2)的磁场(H1，B1)的特性。

Description

磁控电流或电压调节器和变压器

技术领域

本发明涉及所附独立专利权利要求前序部分中所述的磁感应电流或电压调节器和与电能分配有关的用来控制连接和断开的磁感应变换器。

背景技术

作为公知的传感器技术的延续，本发明特别适合在电力电子技术领域的多种场合作为电压连接器，电流调节器或是电压变换器。本发明特有的特征是控制绕组和主绕组之间的变换或感应连接几乎为0，而是通过控制绕组中的电流来调节主绕组的电感，并且还可以通过控制绕组中的电流来调节变压器结构中原边绕组和副边绕组之间的磁路连接。

例如在整流技术领域中，可以采用本发明配合调节大整流器的高压输入，其优点是能够在整个电压范围上充分利用二极管整流器。对于异步电动机，设想可以用本发明配合高压电动机的软起动。本发明还适合在配电领域中用于电力线的电压调节，并且可以用于电网中无功功率的连续控制补偿。

该装置的使用还不仅限于此，例如还能构成频率变换器的一部分以将输入频率变换成任意选择的输出频率，最适合用来操作异步电动机，其中频率变换器的输入侧具有三相电源，该电源利用其各相导体为至少一个变压器提供输入，产生变换器各自的三相输出，这种变压器的输出通过各自选择的可控制的电压连接器或是通过另外的变压器耦合电压连接器来连接，从而构成一个上述三相输出。

该装置的另一用途是作为DC电压到AC电压的直接(direct)变换器因而AC电压的频率可以连续调节。

在深海底范围使用这种类型的频率变换器，这是使用可变速的大容量泵所要求的。在深海系统中抽水通常是从水下地点到水面以上位置抽水(提水)，以及从水下地点向储存器中注水。

可变速发动机控制通常是基于两种原理；a)直流电子频率调节变换器，和b)带脉宽调制的AC-DC-AC变换器，并且扩展到使用诸如晶闸管和IGBT等半导体器件。后者代表着在工业装置中广泛应用的技术并且可在机车上使用等等。

近来对水下环境中的电动机引入了速度控制。其主要问题是这种系统的封装和操作。在这种领域中的操作涉及到服务，维护等等。复杂的电子系统通常要在有关温度和压力的控制环境中操作。用于海底情况的这种系统必须被密封在充有氮气并维持在1大气压的容器中。考虑到电子装置热损耗导致的发热，会产生数量可观的热量，就需要采用强制空气冷却。冷却通常是用风扇解决的。采用风扇会使系统的服务寿命大大缩短，不是一种好的解决方案。

电子装置和电子功率半导体器件的灵敏度很高并且需要保护电路。这样会使系统复杂化且增大成本。

在(超过300米的)深水区，这种系统的保护容器很重，占系统的总重量的很大比例。另外，与不需要整个频率变换器的系统相比，需要更经常的维护，因为即便是简单的维护也难以用遥控操作车(ROV)来执行。

因此按照本发明的装置的相应目的是提供一种适用于水下泵送操作的频率变换器，其特别注重于操作可靠性，稳定性并且很少需要维护。使用要求能达到在3000米深处工作25年。

基于半导体技术的标准频率变换器是将具有给定频率的交流(AC)功率变换成其它选定频率上的交流功率，无需任何中间DC连接。变换是通过在受控制的时间间隔期间在给定输入和输出端子之间形成连接来执行的。通过依次将输入频率为F1的AC输入电源上的电压波形上选定的部分连接到端子上，产生输出频率为F0的输出电压波形。这种频率变换器的形式是标准对称循环换流器电路，以便从三相电网向三相电动机供电。标准循环换流器模块包括电动机每一相的双变换器。通常的方法是采用三个相同且基本上独立的提供三相输出的双变换器。

频率变换器的各种公知类型中有一种对称12-脉冲中心循环换流器，它是包括三个相同的4-象限12-脉冲中心变换器，各自用于一相输出。所有三个变换器共用输入变压器上共同的副边绕组。对于平衡3相负载Y形连接的电动机，可以省去零线。

基于半导体技术的另一种公知的频率变换器是所谓的对称12-脉冲桥式电路，它具有三个相同的4-象限12-脉冲桥式变换器，各自用于一相输出。从输入变压器上独立的副边绕组向六个单独的6-脉冲变换器各自上的输入端子供电。应该注意到对一个以上变换器不允许使用同一副边绕组。这是因为每个12-脉冲变换器本身需要两个完全绝缘的变压器副边绕组。

由此就不可避免地引出了本发明的一个次要但仍重要的目的主要是避免安装于深水处的频率变换器中的半导体部件，为此而提出了按照基于全新概念的本发明的新式磁变换器技术。

发明内容

因此本发明包括一种磁感应电流或电压调节器，其第一实施例的特征是包括：由可磁化材料制成并且提供闭合磁路的主体，沿着闭合磁路的至少一部分围绕主体至少缠绕一匝构成第一主绕组的至少一个第一电导体，沿着闭合磁路的至少一部分围绕主体至少缠绕一匝构成第二主绕组或控制绕组的至少一个第二电导体，主绕组中各匝的绕组轴线与控制绕组中的各匝的绕组轴线成直角。其目的是在主体中提供正交磁场，利用控制绕组的磁场控制可磁化材料相对于主绕组磁场的特性。在第一实施例的优选方案中，主绕组中各匝的轴线与主体的纵向平行或是重合，而控制绕组的各匝基本上沿着可磁化主体延伸，并且控制绕组的轴线与主体的纵向成直角。第一实施例的第二种可能的变形是控制绕组中各匝的轴线与主体的纵向平行或是重合，而主绕组的各匝基本上沿着可磁化主体延伸，并且主绕组的轴线与主体的纵向成直角。

通过沿着闭合磁路的至少一部分围绕主体缠绕至少一匝来设置第三电导体而构成第三主绕组，使第三主绕组中各匝的绕组轴线与第一主绕组中各匝的绕组轴线重合或是平行，就能将第一实施例的装置用作变压器，因而在第一和第三主绕组中的至少一个受激励时在二者之间形成变压器作用。本发明第一实施例适用的第二种可能是用作这样一种变压器，沿着闭合磁路的至少一部分装上围绕主体缠绕至少一匝的第三电导体而构成第三主绕组，使第三主绕组中各匝的绕组轴线与控制绕组中各匝的绕组轴线重合或是平行，因而在第三主绕组和控制绕组中的至少一个受激励时在二者之间形成变压器作用。

本发明的第二实施例包括一种磁感应电流或电压调节器，其特征在于它包括第一主体和第二主体，其各自由提供闭合磁路的可磁化材料制成，上述主体是并列的，沿着闭合磁路的至少一部分缠绕至少一匝构成第一主绕组的至少一个第一电导体，围绕第一和/或第二主体的至少一部分缠绕至少一匝构成第二主绕组或控制绕组的至少一个第二电导体，其中主绕组中各匝的绕组轴线与控制绕组中各匝的绕组轴线成直角。其目的是在主体中形成正交磁场，从而利用控制绕组中的磁场来控制可磁化材料相对于主绕组中磁场的特性。主绕组和控制绕组还可以交换，从而构成一种磁感应电流或电压调节器，其特征在于它包括围绕第一和/或第二主体的至少一部分缠绕至少一匝构成第一主绕组的至少一个第一电导体，沿着闭合磁路缠绕至少一匝构成第二主绕组或控制绕组的至少一个第二电导体，其中主绕组中各匝的绕组轴线与控制绕组中各匝的绕组轴线成直角，其目的是在主体中形成正交磁场，利用控制绕组中的磁场来控制可磁化材料相对于主绕组中磁场的特性。

第二实施例的一种优选变形包括第一和第二磁场连接器，它们与主体共同构成闭合的磁路。

通过装备上缠绕一匝构成第三主绕组的第三电导体，使第三主绕组中各匝的绕组轴线与第一主绕组或控制绕组中各匝的绕组轴线A2重合或是平行，就能将第二实施例的装置用作变压器，在第三主绕组和第一主绕组或是控制绕组中的至少一个受激励时在第三主绕组和第一主绕组或控制绕组之间形成变压器作用。

按照本发明第二实施例的优选方案，第一和第二主体是管形的，因此允许第一导体或第二导体从第一和第二主体中穿过。按照这种方案，磁场连接器最好包括导体的开口。按照本发明的优选方案，每个磁场连接器包括便于插入第一或第二连接器的一个缝隙。按照本发明进一步优选的方案，该装置装备有设置在管的端面与磁场连接器之间的绝缘薄膜，其目的是将连接面彼此绝缘，以免在连接面上产生由薄膜层短路造成的感应涡流。对于由铁氧体或挤压粉末制成的磁心不需要绝缘薄膜。另外，第二实施例中的各个管最好是包括两个或两个以上磁心部分，并在磁心部分之间另外提供一个绝缘层。另外，本发明第二实施例中的管可以具有圆形，正方形，矩形，三角形或是六边形的截面。

本发明的第三实施例涉及到磁感应电流或电压调节器，其特征在于它包括第一外部管形主体和第二内部管形主体，它们各自由可磁化材料制成并且提供闭合的磁路，上述主体彼此是同心的，具有共同的轴线，围绕管形主体缠绕至少一匝构成第一主绕组的至少一个第一电导体，在主体之间的空隙中设置至少一个第二电导体，并且围绕主体的公共轴线缠绕至少一匝构成第二主绕组或控制绕组的该至少一个第二电导体，其中主绕组中各匝的绕组轴线与控制绕组中各匝的绕组轴线成直角。其目的同样是在主体中提供正交磁场，以此利用控制绕组中的磁场来控制可磁化材料相对于主绕组磁场的特性。主绕组和控制绕组在本发明的第三实施例中也可以交换，从而构成磁感应电流或电压调节器，在主体之间的空隙中设置至少一个电导体并且围绕主体的轴线缠绕至少一匝构成第一主绕组的该电导体，围绕管形主体缠绕至少一匝构成第二主绕组或控制绕组的至少一个第二电导体，并且主绕组中各匝的绕组轴线与控制绕组中各匝的绕组轴线成直角。

本发明第三实施例的一种优选变形包括第一和第二磁场连接器，它们与主体共同构成闭合的磁路。

如果为装置配备缠绕至少一匝构成第三主绕组的第三电导体，第三实施例的装置同样适合被用作变压器。在这种情况下，同样使第三主绕组中各匝的绕组轴线与第一主绕组中各匝的绕组轴线重合或是平行，在第三主绕组和第一主绕组中的至少一个受激励时在二者之间形成变压器作用，或是使第三主绕组中各匝的绕组轴线与控制绕组中各匝的绕组轴线重合或是平行，在第三主绕组和控制绕组中的至少一个受激励时在二者之间形成变压器作用。

本发明的第四实施例涉及到磁感应电流或电压调节器，其特征在于与本发明第三实施例的方式一样包括第一外部管形主体和第二内部管形主体，它们各自由可磁化材料制成并且形成闭合的磁路或内部磁心。该装置还包括另一个管形主体，它提供了安装在第一外部管形主体外侧的一个外部磁心，这些主体彼此是同心的因而具有共同的轴线，围绕管形主体缠绕至少一匝构成第一主绕组的至少一个第一电导体，在第一和第二主体之间的空隙中设置至少一个第二电导体，并且围绕主体的公共轴线缠绕至少一匝形成第二主绕组或控制绕组的该第二电导体，其中主绕组中各匝的绕组轴线与控制绕组中各匝的绕组轴线成直角。其目的同样是在主体中提供正交磁场，从而利用控制绕组中的磁场来控制可磁化材料相对于主绕组磁场的特性。和本发明第二实施例的方式一样，主绕组和控制绕组也可以交换而构成一种装置，其中在第一和第二主体之间的空隙中设置至少一个第一电导体，并且围绕主体的公共轴线缠绕至少一匝形成第二主绕组或控制绕组的该第一电导体，围绕管形主体缠绕至少一匝构成第二主绕组或控制绕组的至少一个第二电导体。

本发明第四实施例的一种优选变形包括第一和第二磁场连接器，它们与主体共同构成闭合的磁路。

如果为其装备上围绕外部磁心缠绕至少一匝构成第三主绕组的第三电导体，第四实施例的装置同样适合被用作变压器。在这种情况下同样有两种选择：一种是第三主绕组中各匝的绕组轴线与第一主绕组中各匝的绕组轴线重合或是平行，因而在其中的至少一个受激励时在第一和第三主绕组之间形成变压器作用；另一种是第三主绕组中各匝的绕组轴线与控制绕组中各匝的绕组轴线重合或是平行，在第三主绕组和控制绕组中的至少一个受激励时在二者之间形成变压器作用。

当然也能按这样的方式实现本发明的第四实施例，即将构成内部磁心的两个管形主体安装在构成外部磁心的管形主体的外侧，用一个管形主体构成内部磁心，而用两个管形主体构成外部磁心。

按照本发明第四实施例的一种优选变形，装置的特征在于外部磁心包括若干个环形件，用第一和/或第三主绕组围绕各环形件构成单独的绕组。第二种可能是用控制绕组和/或第三主绕组围绕各环形件构成单独的绕组。

第四实施例从原理上说应该是优选的一个。

按照本发明的装置有许多有意义的用途，以下只是很少的例子。例如有a)作为频率变换器中的部件将输入频率变换成随意选择的输出频率，用来按照循环换流器连接操作异步电动机，b)作为频率变换器中的连接器，将输入频率变换成随意选择的输出频率，用来操作异步电动机，将一个6或12-脉冲变压器产生的相位电压加在电动机的各相上，c)作为DC到AC变换器将DC电压/电流变换成随意选择的输出频率的AC电压/电流，d)象c)一样，但是将三个这种可变电感电压变换器相互连接，以便产生具有随意选择的输出频率的三相电压连接到上述异步电动机上，e)在加工业中将AC电压变换成DC电压，将这种装置用作磁阻控制可变变压器，其输出电压与磁心中的磁阻变化成正比，磁心通过一个独立副边绕组与外部或内部磁心磁并联或串联连接，并且有三个以上这种磁阻控制变压器被连接到用于6或12-脉冲整流器连接的公知三相整流器连接上用于二极管输出级，f)在整流器中用来将AC电压变换成供加工业使用的DC电压，用该装置构成电压连接器，用作与原边绕组或公知的变压器连接相串联的可变电感，并且有三个以上这种变压器被连接到用于6或12-脉冲整流器连接的三相整流器连接上用于二极管输出级，g)作为在开关电源领域中使用的AC/DC或DC/AC变换器，用来缩小磁感应电压变换器的尺寸，由该装置构成一个磁阻控制可变变压器，其输出电压与磁心中的磁阻变化成正比，磁心通过一个独立副边绕组最好是其中包括由可变电感构成的一个电感的滤波器与外部或内部磁心磁并联或串联连接，h)在高压配电网中作为可控电压补偿器中的一个部件，由该装置构成一个线性可变电感，i)用作可控无功功率补偿器(VAR补偿器)中的一个部件，由该装置配合着公知的滤波器电路产生线性可变电感，其中由至少一个调相器也构成一个元件，以磁阻控制变压器形式出现的该装置被用做自动连接电容或电感的补偿器连接中的一个元件，并且调节到对无功功率进行所需补偿的程度，j)在一个系统中用作AC电压到DC电压的磁阻控制直接变换，k)在一个系统中用作DC电压到AC电压的磁阻控制直接变换。

电压连接器没有用来吸收发电机和负载之间电压的移动部件。连接器的功能是要利用小控制电流从0-100％控制发电机和负载之间的电压。第二个功能是纯粹作为电压开关或电流调节器。另一个功能是电压曲线的形成和变换。

按照本发明的新技术能够被用来升级目前需要调节的二极管整流器。它配合着12-脉冲或24-脉冲整流器系统能够以一种简单的方式平衡系统中的电压，同时具有从0-100％的可控二极管整流。

按照本发明的电流或电压调节是以基本没有移动部件的磁连接器的形式实现的，并且能够被用来连接也就是在发电机和负载之间输送电能。磁连接器的功能是能够闭合及打开一个电路。

因此连接器能够按不同方式起到一个饱和电抗器的作用，为了使磁心饱和而采用了变压器原理。这种连接器是通过一个控制绕组使带主绕组的主磁心进入和脱离饱和来控制工作电压的。连接器在控制绕组和主绕组之间没有明显的变换性或电感性连接(与饱和电抗器不同)，也就是不为控制绕组和主绕组产生明显的公共磁通。

这种新式磁控连接器技术能够在大功率应用中替代半导体例如是闸门电路断开式的，并能在其它应用中替代金属氧化物半导体场效应晶体管或集成门双极型晶体管，而对应用的限制是要能够承受主绕组的磁化无负载电流所产生的寄生电流。如上所述，这种新式变换器特别适合用来实现频率变换器将具有给定频率的交流功率变换成具有不同的选定输出频率的交流功率。在这种情况下不需要中间DC连接。

如上所述，本发明的装置能够被用于与那些基于循环换流器原理等的频率变换器的连接，以及与基于12-脉冲桥式变换器或是DC电压到可变频率AC电压的直接变换原理的频率变换器的连接。

按照本发明的装置的原理，在可磁化主体或主磁心中采用可变磁阻是基于在围绕主磁心缠绕的主绕组中有磁化电流这一事实，按照法拉第定律，该原理受磁阻的限制。为产生抗感应电压而必须建立的磁通取决于磁心中的磁阻。磁化电流的量值是由为平衡施加的电压而必须建立的磁通量所确定的。

以空气为磁心的线圈中的磁阻比围绕铁磁材料的磁心缠绕的绕组的磁阻大约要大1.000-900.000倍。按照法拉第定律，在低磁阻(铁心)的情况下只需要很小的电流就能建立产生对所施加电压的反作用电压所需的磁通。对于高磁阻(空气磁心)的情况，为了能产生同样的感应反作用电压所需要的磁通，就需要一个大电流。

通过控制磁阻就能控制磁化电流或是电路中的负载电流。为了控制磁阻，按照本发明通过一个与主绕组产生的磁通正交的采用饱和的主磁心，控制磁通。如上所述，上述原理构成了本发明的基础，而本发明涉及到磁感应电流或电压调节器(连接器)和磁感应变换器装置。

不难看出，这种连接器和变换器都能用适当的环形磁心制造装置来制作。从技术角度来看，可以用磁性材料来制作变换器，例如按适当设计的圆筒磁心电镀缠绕，或是在高频应用中采用挤压粉末或铁氧体。根据专门用途制作铁氧体磁心或是挤压粉末磁心当然也是有益的。

附图说明

以下要参照附图详细解释本发明，在附图中：

图1和2表示本发明的基本原理及其第一实施例。

图3是按照本发明的一个实施例的示意图。

图4表示构成根据本发明装置的部分不同磁通的面积。

图5表示按照本发明的装置的第一等效电路。

图6是按照本发明的装置的简化框图。

图7是磁通与电流的关系曲线。

图8和9表示本发明装置中的磁化曲线和磁性材料的磁畴。

图10表示主绕组和控制绕组的磁通密度。

图11表示本发明的第二实施例。

图12同样表示本发明的第二实施例。

图13和14表示第二实施例的截面图。

图15-18表示磁场连接器在本发明的上述第二实施例中的不同实施方案。

图19-32表示管形主体在本发明第二实施例中的不同实施方案。

图33-38表示在本发明的第二实施例中使用的磁场连接器的不同方位。

图39表示按照本发明第二实施例的一种装配的装置。

图40和41是本发明第三实施例的截面图和示意图。

图42，43和44表示本发明第三实施例中使用的磁场连接器的具体实施例。

图45表示适合用做变压器的本发明第三实施例。

图46和47是本发明第四实施例的截面图和示意图，可用做磁阻控制的磁通连接变压器。

图48和49表示本发明的第四实施例，它适用于粉末状磁性材料，并因而没有磁场连接器。

图50和51是沿着图48中VI-VI和V-V线的截面图。

图52和53表示适用于粉末状磁性材料的磁心，并因而没有磁场连接器。

图54是本发明第四实施例的一种变形的“X射线照片”。

图55表示按照本发明装置的第二种变形，连同其可能用于变压器连接的原理。

图56表示为本发明的电压连接器提出的一种电路示意图。

图57表示为电压连接器提出的一个示意性框图。

图58表示的磁路中没有包括控制绕组和控制磁通。

图59和60是为本发明的电压连接器提供的电路示意图。

图61表示本发明在交流电路中的应用。

图62表示本发明在三相系统中的应用。

图63表示在DC-DC变换器中用作一个可变扼流圈。

图64表示在滤波器中和电容一起用作一个可变扼流圈。

图65表示按照本发明的装置的一个简化磁阻模型，以及按照本发明的连接器的简化等效电路。

图66表示一种磁性开关的连接。

图67表示采用本发明的一种三相电路。

图68表示用这种装置作为开关。

图69表示由6个按照本发明的装置构成的电路。

图70表示将本发明的装置用作DC-AC变换器。

图71表示将本发明的装置用作AC-DC变换器。

具体实施方式

以下要参照图1a和1b来解释本发明的原理。

在全部描述中，与磁场和磁通相联系的箭头基本上代表其在磁性材料中的方向。为了清楚将箭头画在图的外侧。

图1a表示的装置包括可磁化材料的主体1，它构成一个闭合的磁路。这一可磁化主体或磁心1可以是环形或其它适当的形状。围绕主体1缠绕第一主绕组2，在主绕组2受激励时产生的磁场H1(对应着磁通密度B1的方向)遵循这一磁路。主绕组2相当于普通变压器中的一个绕组。在一个实施例中，该装置包括和主绕组2一样围绕可磁化主体1缠绕的第二主绕组3，它提供的磁场基本上沿着主体1延伸(也就是与H1，B1平行)。在本发明的一个最佳实施例中，装置还包括在内部沿着主体1延伸的第三主绕组4。在第三主绕组4受激励时，它产生的磁场H2(连同其磁通量密度B2)所具有的方向与第一和第二主绕组的磁场方向(H1，B1的方向)成直角。本发明还可以包括围绕主体1的一个腿缠绕的第四主绕组5。在第四主绕组5受激励时会产生一个磁场，其方向与第一主绕组(H1)，第二和第三主绕组(H2)中的磁场皆成直角(图3)。由第四主绕组产生的磁场自然也需要采用一个闭合的磁路。在图中没有表示这一磁路，因为图只是为了要表示绕组的相对位置。

然而，按照本发明中认为是最佳的布局情况是主绕组中的各匝应遵循控制磁场的磁场方向，而控制绕组中各匝遵循主磁场的磁场方向。

图1b-1g表示了不同绕组和磁体的轴线和方向的定义。对于绕组，其轴线与各匝所限定的平面垂直。主绕组2的轴线是A2，主绕组3的轴线是A3，而控制绕组4的轴线是A4。

对于可磁化主体，纵向会随着其形状而改变。如果主体是细长的，纵向A1就对应着主体的纵轴。如果磁体如图1a所示是正方形，可以将纵向A1定义为正方形的各腿。若主体是管形，纵向A1就是管的轴线，而环形主体的纵向A1是遵循环的圆周。

本发明是基于这样的可能性，即通过改变与第一磁场成直角关系的第二磁场来改变可磁化主体的特性。例如可以将磁场H1定义为工作磁场，而利用磁场H2(以下称为控制磁场H2)控制主体1的特性(及其工作磁场H1的形态)。以下要详细解释。

按照法拉第定律，被铁磁材料包围的电导体中的磁化电流受磁阻的限制。为产生抗感应电压而必须建立的磁通取决于包围导体的磁性材料的磁阻。

磁化电流的大小是由为了平衡施加的电压而必须建立的磁通量决定的。

通常以下稳态方程是对正弦电压采用的：

1)磁通：

$\mathrm{\Φ}=-j\frac{1}{N.\mathrm{\ω}}\·E$

            E＝施加的电压

            ω＝角频率

            N＝绕组的匝数

其中通过磁性材料的磁通Φ是由电压E确定的。为建立必要的磁通所需的电流是这样确定的：

2)电流

$\begin{array}{cc}I=\mathrm{\Φ}\·\frac{\mathrm{Rm}}{N}& \mathrm{\Φ}=\frac{I}{\mathrm{Rm}}\·N\end{array}$

3)磁阻(磁通磁阻)

$\mathrm{Rm}=\frac{1j}{{\mathrm{\μ}}_0\·\mathrm{\μr}\·\mathrm{Aj}}$

lj＝磁通路径长度

μr＝相对磁导率

μo＝真空中的磁导率

Aj＝磁通路径的截面面积

按照公式2，如果是低磁阻(铁外壳)，只需要很小的电流就能建立所需的磁通，并且提供的电压会叠加到连接器。而对于高磁阻(空气)的情况，为了建立所需要的磁通就需要一个大电流。在这种情况下，电流会受到负载上的电压和连接器中感应的电压的限制。空气中的磁阻与磁性材料中的磁阻之间的差为1.000-900.000的数量级。

这其中在磁性材料中的磁感应或磁通密度是由材料的相对磁导率和磁场强度确定的。磁场强度是由围绕或是通过该材料布置的绕组中的电流产生的。

对这种系统需要评估以下内容：

磁场强度

∫ H. ds＝I.N

                               H＝磁场强度

                               s＝完整的路径

                               I＝绕组中的电流

                               N＝绕组数量

磁通密度或电感：

β＝μ₀·μr H           H＝磁场强度

磁感应与磁场强度之间的比率是非线性的，其结果是，当磁场强度增大到一定限度以上时，磁通密度因铁磁材料中的磁畴进入饱和状态而出现饱和现象而不再增大。这样就需要提供一个与磁性材料中的工作磁场H1相垂直的控制磁场H2来控制可磁化材料的饱和，同时又避免两个磁场之间的磁性连接以避免变换性电感连接。变换性连接是指两个绕组“共享”一个磁场的连接，其结果会因一个绕组中的磁场变化导致另一绕组中磁场的变化。

通过变换性连接就能避免增大H进入饱和，磁通具有共同的路径并且被相加。如果磁通是正交的，它们就不能被加在一起。例如是提供一个磁性材料的管，主绕组或承载工作电流的绕组处在管的内侧并且在管的纵向上缠绕，而控制绕组或承载控制电流的绕组围绕着管的圆周缠绕，就能获得理想的效果。根据管的尺寸，这样还能获得小面积的控制磁通和大面积的工作磁通。

在上述实施例中，工作磁通的走向是沿着管的圆周方向并具有闭合的磁路。而控制磁通的走向则是在管的纵向上，并且必须连接到闭合的磁路，可以通过平行放置的两个管并且在两个管之间用磁性材料来连接控制磁通，或是通过围绕第二管布置的第一管，使得控制绕组被布置在两个管之间，并且用磁路互连两个管的端面，从而获得控制磁通的闭合磁路。以下要具体描述这些解决方案。

以下将在管之间提供磁路连接的部件或是磁心部件称作磁场连接器或是磁场耦合。

材料中的总磁通公式是

4)Φ＝B*Aj

磁通密度B是由B1和B2的矢量和组成的(图4d)。B1是由第一主绕组2中的电流I1产生的，并且B1的方向与主绕组2中的导体相切。主绕组2具有N1匝并且围绕可磁化主体1缠绕。B2是由具有N2匝的控制绕组4中的电流I2产生的，并且控制绕组4围绕着主体1缠绕。B2的方向与控制绕组4中的导体相切。

由于绕组2和4是按彼此成90°布置的，B1和B2处于正交位置。在可磁化主体1中，B1是横向排列的，而B2是纵向。在这种连接中特别推荐图1-4所示的方式。

$5)\stackrel{\‾}{B}=\stackrel{\‾}{B_1}+\stackrel{\‾}{B_2}$

认为工作磁场(H1)方向上的相对磁导率高于控制磁场(H2)方向是有益的，也就是可磁化主体1中的磁性材料是各向异性的，但是这不应该被认为是对本发明范围的限制。

磁场H1和H2的矢量和决定了主体1中的总磁场，而主体1的状态与饱和有关，并且决定了在连接到主绕组2的负载和连接器之间分配的磁化电流和电压。由于B1和B2的来源在位置上是彼此正交的，不会有分解进入对方的磁场。这就意味着B1不会成为B2的函数反之亦然。然而，B1和B2的矢量和B会受到它们各自范围的影响。

B2是由控制电流产生的矢量。B2矢量的截面A2是磁体1的横向表面，参见图4c。它是受可磁化主体1的厚度限制的一个小表面，对于环形主体，它是由主体1内、外直径之间的表面区段所限定的。而另一方面B1磁场的截面表面A1(见图4a，b)是由磁心的长度和施加的额定电压给定的。这一表面可达控制磁体密度B2的5-10倍以上，这也不是对本发明的限制。

当B2达到饱和的水平，B1的变化不会使B发生变化。这样就有可能控制B1的水平使材料达到饱和，从而控制对B的磁阻。

控制绕组4(有N2匝)的电感可以达到适合对调节器采用脉冲控制的很小值，也就是能够实现快速反应(达到毫秒级)。

6)

$\mathrm{Ls}=N{2}^2\·{\mathrm{\μ}}_{r-\mathrm{sal}}\·{\mathrm{\μ}}_0\·\frac{A2}{l2}$

N2＝控制绕组的匝数

A2＝控制磁通密度B2的面积

l2＝控制磁通的磁通路径长度

以下要根据Maxwell公式给出本发明及其应用的简化数学表达式。

在电功率技术中，为了简单计算磁场而采用了积分形式的Maxwell公式。

在此处所要分析(并且或多或少与本发明有关)的这种装置中，磁场是低频的。

与电流密度相比，位移电流是可以忽略的。

Maxwell公式

$\left(\stackrel{\‾}{H}\right)_{\mathrm{curl}}=\stackrel{\‾}{J}+\frac{d}{\mathrm{dt}}\stackrel{\‾}{D}---7)$

可以简化成

_curl( H)＝ J                           8)

按照Toke的理论得到的积分形式是：

∫( H) dl＝I                           9)

对图4的系统有一个解决方案，那就是由主绕组2建立H1磁场．为了能够专注于原理而不是精确计算，此处所执行的计算是针对绕组的。

积分路径与磁场方向重合，并且在可磁化材料1中选择一个平均磁场长度11。积分公式的解就变成了：

H₁1₁＝N₁·I₁                         11)

它也被称为磁动势MMK。

F₁＝N₁·I₁                           12)

控制绕组4会建立由电流I2产生的相应的MMK：

H₂·I₂＝N₂·I₂                       13)

F₂＝N₂·I₂                           14)

用磁通密度B表示材料在受到源绕组2和4产生的磁场H的影响时的磁化。对于主绕组2：

$\stackrel{\‾}{B_1}={\mathrm{\μ}}_0\·\mathrm{\μ}{r}_1\·{\stackrel{\‾}{H}}_1---15)$

对于控制绕组4：

$\stackrel{\‾}{B_2}={\mathrm{\μ}}_0\·\mathrm{\μ}{r}_2\·{\stackrel{\‾}{H}}_2---16)$

横向上的磁导率比纵向上要小10到20倍。真空的磁导率是：

${\mathrm{\μ}}_0=4\·\mathrm{\π}\·{10}^{-7}\·\frac{H}{m}---17)$

铁对磁场的传导能力是由μr决定的，而μ的量值对铁是1000到100.000，而对新型Metglas材料可高达900.000。

组合公式11)和15)就能对主绕组2得到：

$B_1={\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_r\·\frac{N_1\·I_1}{l_1}---18)$

可磁化主体1中来自主绕组2的磁通由以下公式给出：

${\mathrm{\Φ}}_1={\∫}_{\mathrm{Aj}}^0{\stackrel{\‾}{B}}_1\·\stackrel{\‾}{n}\mathrm{ds}---19)$

假设整个磁心截面上的磁通是常数：

${\mathrm{\Φ}}_1=B_1\·A_1={\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_r\frac{N_1{I}_1{A}_1}{l_1}---20)$

按照3)就能得到磁阻Rm或是磁阻的表达式如下：

${\mathrm{\Φ}}_1=\frac{N_1{I}_1}{\mathrm{Rml}}---21)$

$R{m}_1=\frac{l_1}{{\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_r\·A_1}---22)$

同样还能获得控制绕组4的磁通和磁阻：

${\mathrm{\Φ}}_2=\frac{N_2\·I_2}{R{m}_2}---23)$

$R{m}_2=\frac{I_2}{{\mathrm{\μ}}_0\·\mathrm{\μ}{r}_2\·A_2}---24)$

本发明依据的物理事实是在导体中的电流中有来源的那一磁场强度的微分是由磁场H的涡流表达的。H的涡流与微分或是横跨H的磁场方向的H磁场的磁场变化有关系。此处是根据微分磁场环与电流具有相同方向的那一垂直表面来计算磁场。这意味着来自构成彼此垂直的绕组的那些载流导体的磁场也是正交的。磁场彼此垂直对于磁畴在材料中的排列是重要的。

在进一步探讨之前，需要引入自感应，它在这种新型磁控功率部件的应用中起到主角的作用。

按照Maxwell公式，时间变化的磁场会感应出时间变化的电场，可表示为

$\∫\stackrel{\‾}{E}.\stackrel{\‾}{\mathrm{dl}}=\frac{d}{\mathrm{dt}}({\∫}_s\stackrel{\‾}{B}\·\stackrel{\‾}{n}\mathrm{ds})---25)$

积分的左侧是积分形式的电位公式的表达式。磁场变化的来源可以是来自一个发电机的电压，如果按图5所示绕组有N匝并且所有磁通都通过所有各匝，就能按法拉第定律表示成：

$e=N\·A_j\·\frac{d}{\mathrm{dt}}B=N\·\frac{d}{\mathrm{dt}}\mathrm{\Φ}=\frac{d}{\mathrm{dt}}\mathrm{\λ}---26)$

λ(Wb)给出了磁通匝数的表达式，它是通过绕组中各匝的磁通总和。如果设想在建立磁场之后断开图5中发电机G，磁场变化的来源就是电路中的电流，参见图5a，按照电路技术可以得到：

$e=L\·\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}---27)$

从公式21)得到：

Φ＝k·I                           28)

若L是常数公式26和27的组合就得到：

$\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dt}}=L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}---29)$

29的解是：

λ＝L·i+C                         30)

从28推断出C是0并且：

$L=\frac{\mathrm{\λ}}{i}---31)$

这是用于绕组N(在此处就是主绕组2)的自感的表达式。自感等于由绕组(线圈)中的电流建立的磁通匝与绕组(线圈)中的电流之间的比率。

只要可磁化主体或磁心没有饱和，绕组中的自感就是接近线性的。然而可以通过改变可磁化主体中材料的磁导率来改变自感，也就是用控制磁场(即控制绕组4所建立的磁场H2)来改变在横向上磁化的磁畴。

由公式21)与31)的组合得到：

$L=\frac{N^2}{\mathrm{Rm}}---32)$

在带自感的电路中，交流电阻或电抗是

X_L＝jwL                            33)

随着可磁化主体中的磁畴在横向上的磁化，纵向的磁阻会发生变化。在此处不想深究磁畴在不同磁场影响过程中发生的细节。我们考虑的是按常规硅含量约为3％的电镀，并且在本说明书中不想解释与Metglas材料有关的现象，但是这不应该被视为对本发明的限制，因为具有非晶体构造的磁性材料在本发明的某些应用中扮演着重要的角色。

在变压器中采用具有高磁导率的闭合磁心，能量被储存在漏磁场中并有少量储存在磁心中，但是储存的能量不构成能量变换中的直接部分，其结果是从电能被变换成机械能的机电系统的意义上不发生能量转换，而是借助于磁通通过变压器传送能量。在电感线圈或带气隙的扼流圈中，气隙中的磁阻与磁心中的磁阻相比占支配地位，几乎所有能量都是储存在气隙中。

在本发明的装置中通过磁畴中的饱和现象产生一种“虚拟”气隙。在这种情况下，在包括整个磁心的分布式气隙中都会有能量储存现象。假设实际的磁能储存系统没有损耗，而任何损耗都是由外部部件造成的。

有关能量的描述是基于能量转换的原理。

参见图6，适用于上述无损电磁系统的热力学第一定律如下：

dWelin＝dWfld                           34)

其中    dWelin＝电能供应的微分

        dWfld＝磁储能中的微分变化

从公式26)得到

$e=\frac{d}{\mathrm{dt}}\mathrm{\λ}$

通过正交磁场或控制磁场H2可以改变电感，并将公式31)插入26)得到：

$e=\frac{d(L\·i)}{\mathrm{dt}}=L\·\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+i\·\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dt}}---35)$

在系统内的作用是

$p=i\·e=i\·\frac{d}{\mathrm{dt}}\mathrm{\λ}---36)$

这样就得到

dW_elin＝i·dλ                            37)

对于磁阻可以改变并且只有一个主绕组的带磁心的系统，将公式35)插入公式37)得到

dW_elin＝i·d(L·i)＝i·(L·di+i·dl)      38)

在本发明的装置中，L是作为μr的函数而改变的，可磁化主体或磁心1中的相对磁导率也是控制绕组4中的控制电流I2的函数。

若L是常数，也就是I2恒定时可以不考虑ixdL项，因为dL等于0，这样得出的磁场能量是：

$W_{\mathrm{flt}}=\frac{1}{2}\·L\·i^2---39)$

若利用I2改变L，磁场能量会因L值的改变而改变，而电流I也会随之改变，因为它是通过磁通匝λ与磁场值相联系的。由于i和λ是变量并且互为函数，而且是非线性函数，我们不去深究它的解，因为这其中包含了超出本发明范围的数学问题。

然而，我们可以得到这样的结论，磁场能量和能量分配是可以通过μr来控制的，并且能影响磁场储能的增加和减少。当磁场能量减少时，剩余部分被送回发电机。或是如果在第一主绕组2的同一绕组窗口中有额外的绕组(例如图1中的绕组3)并且具有同一绕组轴线，就能够形成一个变压器，从第一绕组2向第二主绕组3传送能量。

如图7所示，在图中改变λ会导致原来是Wflt(λ0，i0)的磁场Wflt中的能量改变。预计的改变很小，i在改变λ的过程中几乎不变。同样，i的改变会使λ改变。如果观察可变的电感，就能得出以下结果：

所发生的情况如图8和图9所示。

图8表示可磁化主体1的整个材料的磁化曲线和磁畴在主绕组2的磁场H1的影响下的变化。

图9表示可磁化主体1的整个材料的磁化曲线和磁畴在来自控制绕组4方向上的磁场H2的影响下的变化。

图10a和10b表示磁通密度B1(磁场H1是由工作电流所建立的)和B2(对应着控制电流)。椭圆形表示B磁场的饱和限制，当B磁场达到这一限制时，会导致可磁化主体1的材料达到饱和。所形成的椭圆形的轴线是由两个磁场B1(H1)和B2(H2)在可磁化主体1的磁心材料中的磁场长度和磁导率决定的。

用图10中的轴线代表MMK分布或H磁场分布，可以由两个电流I1和I2得到磁动势的图像。

回到图8和9，利用控制磁场B2(H2)对磁畴的局部磁化，来自主绕组2的附加磁场B1(H1)与控制磁场B2(H2)矢量叠加，使磁畴进一步磁化，其结果是主绕组2的电感从磁畴在控制磁场B2(H2)的影响下的起点所给定的基础上开始。

这样，磁畴磁化，电感L和交流电阻XL就会按控制磁场B2(H2)的函数线性变化。

以下要参照其余附图来解释本发明装置的各种实施例。

图11表示本发明的第二实施例的示意图。

图12表示本发明的磁感应连接器的同一实施例。图12a表示装配的连接器，而图12b表示从端部看到的连接器。

图13表示沿图12b中II线的截面图。

如图所示，可磁化主体1是由可磁化材料制成的两个平行的管6和7组成的。电气绝缘的导体8(图12a，13)连续N次通过贯穿第一管6和第二管7的路径构成第一主绕组2，其中N＝1，…r，从图13中可见，导体8穿过管6和7在反方向上延伸。尽管图中所示导体8仅仅是两次延伸通过第一管6和第二管7，自不必说导体8还可以单独一次或是多次穿过各个管(也就是说绕组的匝数可以是从0到r)，在导体受激励时在平行的管6和7中产生磁场H1。由导体9构成的一个组合控制和磁化绕组4，4′分别围绕着第一管6和第二管7缠绕，使上述管中的绕组4受激励时产生的磁场H2(B2)的方向彼此相反，如图11中磁场H2(B2)的箭头所示。磁场连接器10，11被安装在各个管6，7的端部，以便将管中的磁场相互连接成环路。导体8能够承载负载电流11(图12a)。管6，7的长度和直径可以根据需要连接的功率和电压来确定。主绕组2的匝数N1是根据对电压的反向阻断能力和工作磁通φ2范围的截面面积确定的。控制绕组4的匝数是由可磁化主体1的饱和所需的磁场所确定的，该可磁化主体包括管6，7和磁场连接器10，11。

图14表示按照本发明的主绕组2的一种特殊设计。图14的方案与图12和13所示的差别实际上仅仅在于不是单个绝缘导体8穿过管6和7，而是采用了两个独立且方向相反的导体，即所谓原边导体8和副边导体8′，这样就能用本发明的磁感应装置实现电压变换器功能。设计上大致与图11，12和13中所示相同。可磁化主体1包括两个平行的管6和7。电绝缘原边导体8连续N1次穿过贯穿第一管6和第二管7的路径，其中N1＝1，…r，使原边导体8穿过两个管6和7在反方向上延伸。电绝缘副边导体8′连续N1′次穿过贯穿第一管6和第二管7的路径，其中N1′＝1，…r，使副边导体8′穿过两个管6和7相对于原边导体8在反方向上延伸。至少一个组合的控制和磁化绕组4和4′分别围绕着第一管6和第二管7缠绕，在上述管上产生的磁场方向彼此相反。就图11，12和13所说的实施例，磁场连接器10，11被安装在各个管(6，7)的端部，以便将管6和7的磁场相互连接成环路，从而构成可磁化主体1。尽管为了简单在图中表示的原边导体8和副边导体8′仅仅穿过管6和7一次，不难看出原边导体8和副边导体8′都能分别N1和N1′次穿过管6和7。管6和7的长度和直径是根据需要变换的功率和电压确定的。对于变换比例(N1∶N1′)等于10∶1的变压器，实际上可采用十个导体作为原边导体8，而仅仅采用一个副边导体8′。

图15表示磁场连接器10和/或11的一个实施例。图中所示的磁场连接器10，11由导磁材料制成，在连接器10，11的磁性材料中加工出用于主绕组2(参见图13)中导体8的两个圆形开口12。另外提供一个中断导体8的磁场路径的气隙13。端面14是用于导体9和9′组成的控制绕组4(图13)的磁场H2的连接面。

图16表示在本发明最佳实施例中设置在管6和7的端面与磁场连接器10，11之间的一个绝缘薄膜15。

图17和18表示磁场连接器10，11的其它各种实施例。

图19-32表示在图12，13和14所示的实施例中构成管6和7主要部件的磁心16的各种实施例，它和磁场连接器10，11共同构成可磁化主体1。

图19表示如图所示被纵向分割的圆筒形磁心部件16，并且在磁心的两半16，16′之间设置一或多层绝缘材料17。

图20表示一种矩形磁心部件16，而图21表示这种磁心部件16的一个实施例，它在横断面上被两个局部截面分割。在图21所示的实施例中，在磁心的两半16，16′之间设置一或多层绝缘材料17。图22表示另外一种变形，其中局部截面被设置在各角上。

图23，24和25表示一种矩形。图26，27和28表示的则是三角形。图29和30是椭圆形。而图31和32表示六边形。在图31中，六边形是由6个相同的表面18组成的，而图30中的六边形是由两个部件16′和16″组成的。标号17代表绝缘薄膜。

图33和34表示的磁场连接器10，11可以在矩形和正方形主磁心16(分别如图20-21和23-25所示)之间用作控制磁场连接器。这种磁场连接器包括三部分10′，10″和19。

图34表示磁心部件或主磁心16的一个实施例，在其中用于控制磁通的端面14或连接面与磁心部件16的轴线成直角。

图35表示磁心部件16的第二实施例，其中用于控制磁通的连接面14与磁心部件16的轴线成α角。

图36-38表示磁场连接器10，11的各种设计，其设计依据是磁场连接器10，11的连接面14′与磁心部件16的角度和端面14相同。

在图36表示的磁场连接器10，11中，根据磁心部件16的形状(圆形，三角形等等)设有供主绕组2专用的不同形状的孔12。

图37的磁场连接器10，11是扁平的。它适合用于具有直角端面14的磁心部件16。

在图38中表示的磁场连接器10，11有一个角度α′，它适合与磁心部件(图35)成一个角度α，以便使端面14和连接面14′重合。

图39a表示本发明的一个实施例，它表示装配好的磁场连接器10，11和磁心部件16。图39b从侧面表示了同一个实施例。

尽管为了解释本发明仅仅表示了磁场连接器与磁心部件的个别组合，其它组合也是完全可能的，并且均属于本发明的范围之内，这对于本领域技术人员是显而易见的。

还可以掉换控制绕组和主绕组的位置。

图40和41分别表示磁感应电压连接器装置的第三实施例的截面图和示意图。该装置包括(参见图40b)由外管20和内管21(或磁心部件16，16′)构成的可磁化主体1，管是同心的并且由可磁化材料制成，在外管20的内壁与内管21的外壁之间有一个气隙22。管20和21之间的磁场连接器10，11被安装在各自的端面上(图40a)。在气隙22中设置一个垫片(图40a)使管20，21保持同心。由导体9构成的一个组合的控制和磁化绕组4围绕着内管21缠绕并且位于上述气隙22中。控制绕组的绕组轴线A2与管20和21的轴线A1重合。由载流导体8构成的电流载体或主绕组2分N1次穿过内管21并且沿着外管20的外侧，其中N1＝1，…r。通过组合的控制和磁化绕组4与主绕组2或是载流导体8的配合就获得了一种结构简单但却有效的磁感应电压连接器。装置的这一实施例还可以修改成管20，21不是圆形截面的方式，其截面可以是正方形，矩形，三角形等等。

还可以围绕着内管21缠绕主绕组，在这种情况下，主绕组的轴线A2与管的轴线A1重合，而围绕着管21的内侧和管20的外侧缠绕控制绕组。

图42-44表示磁场连接器10，11的各种实施例，它特别适合本发明的后一种设计，也就是如图40和41所示的设计。

图42a表示截面图，而图42b是磁场连接器10，11上方的示意图，连接面14′相对于管20，21(磁心部件16)的轴线成一定角度，并且内管21和外管20当然也要与连接面14成相同的角度。

图43和44表示磁场连接器10，11的其它变形，控制磁场H2(B2)的连接面14′与磁心部件16(管20，21)的轴线是垂直的。图43表示一种具有空心半圆形截面的空心半环形磁场连接器10，11，而图44表示一种具有矩形截面的环形磁场连接器。

图45表示了图40和41中所示装置的变形，图45a表示装置的侧面，而图45b表示其上方。与图40-41中的电压连接器的唯一区别是按照与主绕组2相同的方式缠绕第二主绕组3。这样就能获得一种简单却有效的磁感应电压变换器。

图46和47是具有同心管的电压连接器的第四实施例的截面图和示意图。

图46和47表示的电压连接器是作为具有联合磁心的电压变换器。内部磁阻控制磁心24位于一个内部磁心25内，围绕它缠绕一个主绕组2。磁阻控制内部磁心24与按照图40和41所述的结构相同，唯一的区别是在磁心24周围没有主绕组2。在构成内部磁组控制磁心24的内部21和外部部件之间的空隙22中仅有一个控制绕组4，其结果是仅有磁心24的磁组在来自控制绕组4的电流的控制磁场H2(B2)的影响下受到控制。

图46和47的主绕组2是一个包围磁心24和磁心25的绕组。

以下要参照图46和47来解释按照本发明的磁组控制电压连接器或是变换器的工作方式。

还需要参照图55所示的连接原理，具有磁组模型的简化等效电路图的图65，图中的Rmk是用来控制绕组2和3之间磁通的可变磁组，以及用来表示连接的的等效电路的图65b，图中的L_k是可变电感。

绕组2上的交流电压V1会在绕组2中建立一个磁化电流I1。这是由需要在磁心24和25中建立的磁通φ1+φ1’产生的，以便在绕组2中提供按照法拉地定律产生的反抗电压。如果在磁组控制磁心24中没有控制电流，磁通就会在磁心24和25之间按照各磁心24和25的磁组被分配。

为了使能量从一个绕组传递到另一绕组，必须为内部磁组控制磁心24提供控制电流I2。

在绕组2中交流电压V1的正半周期提供控制电流I2，就能在绕组2上获得半周期电压。由于能量是由磁阻控制磁心24和外部(副边)磁心25之间的磁通位移来传送的，磁阻控制磁心24在被控制在饱和状态周期中会受到控制电流I2的明显影响，而工作磁通会穿过副边外部磁心25并在能量传送过程中与原边绕组2相互作用。

如果设置一个与工作磁通B1(H1)正交的控制磁通B2(H2)使磁阻控制磁心24进入饱和，来自原边一侧的磁通会在磁心24和25之间再次分配，而连接到副边绕组3的负载只会遇到低磁阻也就是高电感，并且原边(V1)和副边(V3)电压之间很少连接。在副边绕组3上会产生一个电压，但是考虑到L_k的量值与磁化阻抗L_m的比较，来自原边绕组2的大部分电压(V1)会覆盖L_k。来自原边绕组2的磁通会明显去向磁阻最小和磁通路径最短处(图65b)。

还可以设想对外部磁心25进行控制，另外设一个围绕内部可控制磁心24缠绕的第四主绕组。这样就能根据需要控制磁心24和25之间的电压。

图48表示按照本发明的磁感应电压连接器或电压变换器第四实施例的进一步变形，可磁化主体1同样被设计成控制磁通B2(H2)直接连接到主磁心16，而不是通过单独的磁场连接器。

图48表示从一侧看去成环形的电压连接器。电压连接器包括两个磁心部件16和16’，一个主绕组2和一个控制绕组4。

图49表示按照本发明的电压连接器，它装备有一个额外主绕组3用来变换电压。

图50表示图48中的装置沿图48中的线VI-VI的截面图，而图51表示沿V-V线的截面图。在图50中表示了一个用来放置控制绕组4的圆形开口12。

图51表示供绕组穿过的另一个开口26。

图52和53表示没有绕组的磁心16的构造，磁心16是这样设计的，使控制磁场不需要额外的磁场连接器。磁心16有两个磁心部件16，16’和控制绕组4的开口12。这样设计的意图是要使用烧结或挤压的粉末模压材料的磁材。在这种情况下，从布局上有可能插入闭合的磁场路径，使得构成实际磁心中一部分的箔片绕制的磁心所需要的原有的独立连接器成为构造上的成品件。如图52和53所示的构成没有独立磁场连接器的闭合磁路的这种磁心能够在本发明的所有实施例中使用，这其中包括适合本发明第一实施例的图中所示的主体1(尤其如图1和2所示)。

图54表示一种磁感应电压变换器装置，该装置具有由同心的外管20和内管21构成的内部控制磁心24，并且由可磁化材料制成，在外管20的内壁和内管21的外壁之间有一个空隙22。在外管20的内壁和内管21的外壁之间的空隙22中装有垫片23。磁场连接器10，11各自的端部被安装在管20和21之间。围绕内管21缠绕组合的控制和磁化绕组4并且位于空隙22中。该装置还包括安置在控制磁心24外侧的一个外部副边磁心25，它具有由多个环形磁心线圈25，，25”，25等等组成的绕组。环形磁心线圈25’，25”，25等各自由被各自的第二主绕组或副边绕组3缠绕的磁化材料的环构成，为了清楚在图中仅表示了一个。第一主绕组或原边绕组2穿过控制磁心24中的内管21并且沿着外管25的外侧缠绕N1次，其中N1＝1，…r。

还可以设想将副边磁心装置放置在控制磁心24内，在这种情况下，原边绕组2必须要沿着控制磁心24的外侧穿过环形磁心25。

图55是按照本发明的磁感应电压调节器第二实施例的示意图，它具有第一磁阻控制磁心24和第二磁心25，其各自由可磁化材料制成并且设计成闭合磁路的形式，上述磁心是并列的。围绕第一和第二磁心的截面轮廓沿上述闭合磁路的至少一部分至少一个第一电导体8缠绕在主绕组2上。在磁阻控制磁心24中按基本上对应着闭合磁路的形式安装至少一个第二电导体9作为绕组4。另外，绕第二磁心25的截面轮廓沿着闭合磁路的至少一部分缠绕至少一个第三电导体27。来自第一导体8的绕组2和第二导体9的绕组的磁场方向是正交的。这样就能用第一导体8和第三导体27分别构成原边绕组2和副边绕组3。

图56表示对本发明的电压连接器提出的一种电路示意图。图57表示为这种电压连接器提出的框图符号。

图58表示未包括控制绕组4和控制磁通B2(H2)的一种磁路。

图59和60提出了电压变换器的电路示意图，由控制磁心24的磁阻偏移具有固定磁阻25的磁心和具有可变磁阻24的第二磁心之间的磁通量(例如参见图55)。

这里当然并不仅限于两个具有可变磁阻的磁心。可以采用在同一绕组内部的两个磁心之间使磁通偏移的方式构成一个磁性开关，它能够切换电压的通断，与主磁心的磁化无关。这样就能得到一种功能与闸门电路断开开关相同的开关，还能按照需要选择切换时间。

本发明的装置可以用于许多不同的连接，以下要给出一些特别适合的用途。

图61表示本发明在交流电路中的用途，用来控制负载RL上的电压，负载可以是光源，热源或是其他负载。

图62表示本发明在诸如电压连接器等三相系统中的用途，各相被连接到一个二极管电桥，对二极管电桥的输出电压进行线性调节。

图63表示在DC-DC变换器中用作可变扼流圈的用途。

图64表示在滤波器中和电容一起用作可变扼流圈的用途。图中仅仅表示了一个串联和一个并联滤波器(分别是64a和64b)，但是在许多滤波器布局中都可以使用这种可变电感。

特别参照图14和45来解释本发明的其他用途，在图59中给出了示意图。按照这种用途，电压连接器具有电压变换器的功能，在其中增加了一个副边绕组。同时表示了一个作为电压调节器的用途，其中在变压器连接中的磁化电流和泄漏电抗可以由控制绕组4来控制。这一系统的具体特征在于采用变压器方程，同时又能通过改变μr来控制磁化电流。在这种情况下就能在一定范围内调节变压器特性。如果一个绕组2有DC激励，只要改变μr就能够通过变压器获得变换的能量，用磁阻控制磁心中的磁通代替激励的改变。这样，在理论上就能由DC电压产生AC电压，通过改变DC发电机注入系统中的磁化电流就能够被变换到副边一侧的绕组上。

图46和47表示本发明的另一种用途，作为控制磁心的可变磁阻被一或多个具有独立绕组的独立磁心包围，如图55所示，第一磁阻控制磁心和第二磁心被设计成一个闭合磁路并且是并列的。还可以参考图65的等效电路。

图55表示本发明中磁通在磁心中是如何运动的。在此处着重强调控制磁心中的磁通是通过包围两个磁心的绕组连接到工作磁心中的磁通。在这种系统中，电能的变换能够通过连接和断开从控制磁心到工作磁心的磁通来控制。由于磁心之间的磁通是通过法拉地电磁感应定律相互连接的，原边一侧公式和副边一侧公式的函数关系是由磁通之间的连接来控制的。在线性用途中能够通过改变控制磁心中的磁阻来控制电压和电流在原边绕组和副边绕组之间的变换，这样就能将其视为一种磁阻控制变压器。对于开关用途的实施例，可以将其视为磁阻控制开关。

以下要解释原边或第一主绕组2与副边绕组或第二主绕组3之间的磁通连接。包围磁阻控制的控制磁心24和主磁心25的绕组2能够在两个磁心中建立磁通。绕组2的自感L1决定磁通量的多少，或是在绕组2中流过I1时在磁心中能产生多少磁通匝。原边绕组2和副边绕组3之间的互感代表有多少绕组2和I1建立的磁通匝围绕着绕组2并围绕副边绕组3。

当然还可以设想对主磁心25采取磁阻控制，但是为了简单我们将具有主磁心25的系统中的磁阻视为常数，而控制磁心24的磁阻是可变的。

磁力线会遵循能提供最大磁导率也就是磁阻最小的路经(磁导率最大)。

在图55和65中尚未考虑主绕组2和3中的漏磁场。图55表示变压器的一个简化模型，原边绕组2和副边绕组3各自绕一个变压器腿，而实际中它们是绕制在同一个变压器腿上的，在我们所例举的情况下，围绕作为主磁心25的外环形磁心缠绕沿着整个磁心25分布的副边绕组3。同样围绕主磁心25和与其同心并位于主磁心内部的控制磁心24缠绕原边绕组2。

图65表示按照本发明的装置的简化磁阻模型。

图65b表示按照本发明的连接器的简化等效电路图，在图中用电感代替了磁阻。

绕组2中的电流在磁心24和25中产生磁通：

Φ＝Φ_k+Φ₁             40)

其中Φ_p＝由绕组2中的电流建立的总磁通。

Φ_k＝穿过控制磁心24的总磁通。

Φ₁＝总磁通中穿过主磁心25的那一部分。

由于忽略了主磁心24和控制磁心25中的漏磁通，

Φ₁＝-Φ₂               41)

Φ_k在一定程度上可被视为受控制的漏磁通。

在图65的基础上可以得到图65b所示的磁路简化等效电路图。

图65b因此可以体现磁阻控制连接器的原理，由电感L_k吸收来自原边一侧的电压。

$L_k=\frac{{\mathrm{\λ}}_k}{I}=\frac{N{I}^2}{R_{\mathrm{mk}}}---42)$

这一电感是通过控制磁心24中的可变磁阻来控制的，其结果使提供给原边绕组的正弦稳态电压的连接或分压能够近似等于各个磁心中电感之间的比率，如公式43所示。

$\frac{e_2}{e_1}=\frac{\mathrm{Lm}}{L_k+\mathrm{Lm}}---43)$

当控制磁心24处在饱和时，L_k与L_m相比非常小，并且会按照匝数之间的比率N1/N3分压。当控制磁心处在断开状态时，L_k会变大并达到阻止电压被传送到副边一侧的程度。

磁心相对于施加的电压和频率的磁化是这样规定的，主磁心25和控制磁心24各自能单独吸收整个时间段的电压积分而不会进入饱和状态。在我们的模型中，铁心在控制和工作磁心上的面积是相等的，但这并不是对本发明的限制。

由于控制磁心24相对于主绕组2不是处在饱和状态，应该能够与工作磁通B1(H1)保持独立地重新设置控制磁心24，这样就能达到用本发明实现磁性开关的目的。如果必要，可以在导通脉冲或导通半周期之后使必要的MMF恢复到第二半周期而重新设置主磁心25，仅仅用来补偿磁化电流中的任何畸变。

在开关的用途中，在开关关断时，也就是在控制磁心24和工作磁心25之间提供原边绕组2的磁通时，原边绕组2和副边绕组3之间的磁通连接会在原边绕组2和副边绕组3之间提供很小的能量传送。

在开关导通时，也就是当控制磁心24中的磁阻很低(μr＝10-50)并且接近空气线圈的磁阻时，就能在原边绕组2和副边绕组3之间获得良好的磁通连接和传送能量。

只要在传统的频率变换器连接和整流器连接中采用磁阻控制开关，本发明的一个重要用途是作为具有磁阻控制开关的频率变换器和DC-AC或AC-DC变换器。

频率变换器变型可以设想是从三相系统中的各相增加少许正弦电压而实现的，各相分别连接到一个独立的磁阻控制磁心，后者又连接到一或多个附加磁心，这些磁心通过穿过附加磁心的公共绕组和磁阻控制磁心连接到磁阻控制磁心。这样就能将一部分正弦电压从磁阻控制磁心连接到附加磁心，并且产生具有不同频率的电压。

将DC电压连接到包围工作磁心的主绕组就能构成一个DC-AC变换器，此时还围绕工作磁心缠绕一个副边绕组，按正弦规律改变工作磁心和控制磁心之间的磁通连接就能获得一个正弦电压。

图66表示磁性开关的连接。它当然也可以构成一个可调节的变压器。

图67和67a表示三相设计的一个例子。所有其它三相整流器连接当然也是可行的。利用对二极管电桥或是独立二极管到12脉冲连接器的各个出口的连接就能获得一个可调节的整流器。

在可调节变压器的应用中，需要强调磁阻控制磁心的尺寸是由变压器对电压所需的调节范围确定的(0-100％或80-110％)。

图67b表示按照本发明的装置被用作频率变换器中的连接器，用于将输入频率变换成随机选择的输出频率并且用来操作异步电动机，用于由6或12脉冲变压器为电动机各相产生的相位电压的额外部分(图67b)。

图68表示该装置在UFC(带有强制换流器的无限制频率变换器)中被用做一个开关。

图69表示由按照本发明的包括6个装置28-33的一个电路。装置28-33被用作频率变换器，所产生的电压的周期是由固有频率的成分构成的。在工作中仅仅“放过”正弦电压的正半周期或是半周期的一部分，以便在新的正弦电压中构成新的正半周期，然后是负半周期或是负半周期的一部分，以便在新的正弦电压中构成负半周期。这样就能由固有频率的10％到100％的频率产生正弦电压。这种变换器还能实现软起动，因为输出端的电压是通过原边和副边绕组之间连接的磁阻控制来调节的。

在图69中，如果第一半周期能够通过连接器28(主绕组2)，通过同一连接器的副边绕组(主绕组3)的电流就会换向到连接器29中的副边绕组(主绕组3)，并且从29变到28。

图70表示按照本发明的装置被用作DC到AC变换器。用DC电压激励连接器中的主绕组2，在控制磁心24和主磁心25(在图中没有表示)中建立一个磁场H1(B1)。匝数N1，N2，N3和铁心的面积是这样设计的，在稳态下没有磁心进入饱和。若向控制磁心24输入一个控制信号，磁心中的磁通B2(H2)就会传送到主磁心25，并且磁心25中的磁通B1(H1)的变化会在副边绕组(主绕组3)中感应出电压。如果采用正弦控制电流I2，就能在副边一侧(主绕组3)上产生正弦电压，其频率与控制电压U1相同。

图70b表示本发明被用作改变磁阻的变换器。

图71表示按照本发明的装置被用作一个AC到DC变换器。采用与图69中对频率变换器描述同样的控制原理。图71b表示装置的输入和输出电压的时序图。

如上所述，按照本发明的电压连接器在发电机和负载之间根本没有吸收电压的移动部件。连接器的功能是要利用小控制电流从0-100％控制发电机和负载之间的电压。第二个功能是作为电压开关。其它功能还可以形成并变换电压曲线。

按照本发明的新技术能够用来改进需要调节的现有的二极管整流器。在具有12脉冲或24脉冲整流器系统的连接中，有可能以一种简单的方式平衡系统中的电压，同时又能控制0-100％的整流。

关于本发明中包括的磁性材料，可以根据成本/效益函数来选择。与成本有关的各种参数有市场的可行性，所选择的各种方案的产量，以及价格。效益函数是基于材料需要具备的电气功能，包括材料种类和磁场特性。需要考虑的重要磁场特性包括在材料和磁致伸缩的两个主要方向上的磁滞损耗，饱和磁通等级，磁导率，磁化容量。可以根据能源的电源频率，电压和功率和本发明所函盖的用途来选择材料。适当的材料包括：

a)铁-硅钢：制成厚度约为0.1毫米-0.3毫米且宽度为10毫米到1100毫米的带并且卷绕成线圈。考虑到价格和现有的制造技术适用于大磁心。适合低频用途。

b)将铁-镍合金(坡莫合金)和/或铁-钴合金(铁-钴磁性合金)制成带并卷绕成线圈。这种合金在族中具有特殊磁场特性，业已开发出很多特殊特性。

c)非晶体合金，Metglas：制成厚度约为20微米-50微米且宽度为4毫米到200毫米的带并且卷绕成线圈。磁导率很高，损耗很低，可以达到磁致伸缩几乎为0。目前有铁基，钴基等许多种种类。具有奇异的特性但是价格昂贵。

d)软铁氧体：烧结成为变换器行业特制的形状。因损耗小适用于高频。低磁通密度，低损耗。物理上具有理想的尺寸限制。

e)挤压粉末磁心：按具体用途要求的特殊形状挤压铁粉末合金。低磁导率，目前大约是400-600。低损耗，但是磁通密度高。可以制成非常复杂的形状。

所有烧结和模压磁心都能做成本发明所需要的形状，不需要特殊的磁场连接器，因为实际形状是按照为有关的磁场获得闭合磁场路径的要求制作的。

如果磁心是用卷绕的金属片材制作的，就必须提供一或多个磁场连接器。

Claims (29)

1.磁感应调节器，用于调节电流或电压，该调节器包括：

各自由提供磁路的可磁化材料构成的第一主体(6，20)和第二主体(7，21)，

沿磁路的一部分围绕主体(1)缠绕的至少一个第一电导体(8)，它构成第一主绕组(2)，

围绕第一和/或第二主体(6，7)的一部分缠绕从而构成第二主绕组或控制绕组(4’，4”)的至少一个第二电导体(9)，

主绕组(2)中各匝的绕组轴线(A2)与控制绕组(4)中各匝的绕组轴线(A4)成直角，以在主体(1)中提供正交的磁场(H1，B1；H2，B2)，从而利用控制绕组(4)中的磁场(H2，B2)控制可磁化材料相对于主绕组(2)中的磁场(H1，B1)的特性，

其特征在于，第一和第二主体是用磁性材料的缠绕箔片制成的，

调节器利用所述第一和第二主体，第一磁场连接器(10)和第二磁场连接器(11)为正交磁场(H1，B1，H2，B2)提供低损耗闭合磁路，所述第一和第二磁场连接器使第一和第二主体各自的端面磁互连。

2.如权利要求1所述的调节器，其特征在于，

磁场连接器(10，11)各自包括一个空隙(13)，以便于插入第一或第二导体(8，9)并且用于中断来自导体(8，9)的磁场(H1，B1)的磁路。

3.如权利要求1或2所述的调节器，其特征在于，它包括缠绕一匝从而构成第三主绕组(3)的第三电导体(27)，其中第三主绕组(3)中各匝的绕组轴线(A3)与第一主绕组(2)中各匝的绕组轴线(A2)重合或平行。

4.如权利要求1或2所述的调节器，其特征在于，包括缠绕至少一匝从而构成第三主绕组(3)的第三电导体(27)，其中第三主绕组(3)中各匝的绕组轴线(A3)与控制绕组(4)中各匝的绕组轴线(A4)重合或是平行。

5.如权利要求1所述的调节器，其特征在于，第一和第二主体(6，7)的形状是管形，从而使第一导体(8)或第二导体(9)能穿过第一和第二主体(6，7)延伸，并且磁场连接器(10，11)包括用于导体(8，9)的开口(12)。

6.如权利要求5所述的调节器，其特征在于，所述主体(6，7)是并列的。

7.如权利要求6所述的调节器，其特征在于，配备有设在主体(6，7)的端面与磁场连接器(10，11)之间的绝缘薄膜(15)。

8.如权利要求6或7所述的调节器，其特征在于，各个管(6，7)包括两个以上磁心部件(16，16’，16”)。

9.如权利要求8所述的调节器，其特征在于，它包括设在磁心部件(16，16’，16”)之间的一个绝缘层(17)。

10.如权利要求6所述的调节器，其特征在于，管(6，7)具有圆形、正方形、矩形、三角形或是六边形的截面。

11.如权利要求1所述的调节器，其特征在于，所述主体(20，21)彼此是同心的，因而具有共同的轴线(A1)，第一电导体(8)围绕管形主体(20，21)缠绕至少一匝从而构成第一主绕组(2)，第二电导体(9)设在主体(20，21)之间的空隙(22)中并且被围绕主体的公共轴线(A1)缠绕至少一匝从而形成第二主绕组或控制绕组(4)；或是第一电导体(8)设在主体(20，21)之间的空隙(22)中并且围绕主体的公共轴线(A1)缠绕至少一匝从而形成第一主绕组(2)，第二电导体(9)围绕管形主体(20，21)缠绕至少一匝从而形成第二主绕组或控制绕组(4)。

12.如权利要求11所述的调节器，其特征在于，它包括另一个管形主体，其提供了安装在第一外部管形主体(20)的外侧的一个外部磁心(25)，其中所述主体(20，21，25)彼此同心，因而具有共同的轴线(A1)。

13.如权利要求12所述的调节器，其特征在于，它包括围绕外部磁心(25)缠绕一匝从而形成第三主绕组(3)的一个第三电导体(27)，其中第三主绕组(3)中各匝的绕组轴线(A3)与第一主绕组(2)中各匝的绕组轴线(A2)重合或平行；或是使第三主绕组(3)中各匝的绕组轴线(A3)与控制绕组(4)中各匝的绕组轴线(A4)重合或平行。

14.如权利要求12或13所述的调节器，其特征在于，外部磁心(25)由若干个环形件(25’，25”)组成，第一和/或第三主绕组(2，3)围绕各环形件形成单独的绕组。

15.如权利要求12所述的调节器，其特征在于，外部磁心(25)由若干个环形件(25’，25”)组成，控制绕组和/或第三主绕组(4，3)围绕各环形件组成单独的绕组。

16.磁感应调节器，用于调节电流或电压，该调节器包括：

由提供磁路的可磁化材料构成的主体，包括两个磁心部件(16，16’)和一个开口(12)，

沿磁路的一部分缠绕的至少一个第一电导体(8)，它形成第一主绕组(2)，

围绕所述主体的一部分缠绕从而形成第二主绕组或控制绕组(4’，4”)的至少一个第二电导体(9)，

其中主绕组(2)中各匝的绕组轴线(A2)与控制绕组(4)中各匝的绕组轴线(A4)成直角，以在主体(1)中提供正交的磁场(H1，B1；H2，B2)，从而利用控制绕组(4)的磁场(H2，B2)控制可磁化材料相对于主绕组(2)的磁场(H1，B1)的特性，

其特征在于，磁性材料是烧结或挤压的粉末模制材料，

调节器利用磁心和整体的磁场连接器为正交磁场(H1，B1，H2，B2)提供低损耗闭合磁路，磁场连接器形成实际磁心的一部分并且与磁心部件磁互连。

17.一种用于连接到6或12脉冲变压器的频率变换器，包括由权利要求1-16任一项所述的调节器构成的连接器。

18.一种DC到AC变换器，其特征在于，该变换器是由权利要求1-16任一项所述的调节器构成的。

19.用于产生三相电压的变换器，其特征在于，该变换器包括三个相互连接的权利要求18所述的DC到AC变换器。

20.一种在加工业中被用于将AC电压变换成DC电压的磁阻控制可变变压器装置，其特征在于，该装置包括三个连接到三相整流器的磁阻控制变压器，所述三相整流器连接用于二极管输出级的6或12脉冲整流器连接，其中每个磁阻控制变压器包括如权利要求1-16任一项所述的具有磁心的调节器，所述磁心与具有独立的副边绕组的一个外部或内部磁心磁并联或是串联连接。

21.一种加工业内使用的用来将AC电压变换成DC电压的整流器，包括由权利要求1-16任一项所述的调节器构成的电压连接器，所述电压连接器被用做与已知变压器上的原边绕组串联的可变电感，三个以上这种变压器被连接到三相整流器连接，所述三相整流器连接用于二极管输出级的6或12脉冲整流器连接。

22.一种在开关电源领域中使用的变换器，用于AC/DC或DC/AC变换，包括如权利要求1-16任一项所述的调节器，其中所述调节器包括磁心，该磁心与具有独立副边绕组的一个外部或内部磁心磁并联或串联。

23.如权利要求22所述的变换器，其特征在于，包括它包括具有可变电感的滤波器。

24.一种高压配电网中的可调节电压补偿器，其特征在于，它包括由权利要求1-16任一项所述的调节器构成的线性可变电感器。

25.一种用于滤波器电路的可调节无功功率补偿器，所述滤波器电路包括电容器，其特征在于，所述补偿器包括磁阻控制变压器，该磁阻控制变压器包括如权利要求1-16任一项所述的调节器。

26.一种用于AC电压到DC电压的磁阻控制直接变换系统，包括如前述权利要求1-16中任一项所述的调节器。

27.一种用于DC电压到AC电压的磁阻控制直接变换系统，包括如前述权利要求1-16中任一项所述的变换器。

28.一种频率变换器，用于将输入频率变换成任意选择的输出频率，其中，该频率变换器包括如权利要求1-16任一项所述的调节器。

29.如权利要求28所述的频率变换器，其中，该频率变换器用于一种循环换流器连接中的异步电动机的操作。

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