CN1998054A - 环形感应设备及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种环形感应设备，具有通常为普通环形形状的电绕组组件(11)和形状为复曲面截面的离散磁性组件(12)。该离散磁性组件(12)在该电绕组组件上的放置使得该离散磁性组件(12)彼此在圆周上偏移，而且至少部分包围该电绕组组件(11)。该磁性组件(12)确定经线平面上的磁通量缝隙。还提供了用于形成磁性组件的方法，其中将磁性线缠绕到环形电绕组组件上，而无需将线轴穿过环的中心开口。

Description

环形感应设备及其制造方法

对相关申请的交叉引用

本发明要求2004年2月27日提交的美国临时专利申请No.60/547,802的权益，其整体在此参考并入。

技术领域

本发明涉及环形感应设备领域，具体涉及如变压器、扼流器、线圈、镇流器等的环形感应设备。

背景技术

传统上可用的环形感应设备包括环形磁性部分(通常称为磁芯)，其由一层电绝缘材料包围晶粒取向钢片带、连续合金带或不同功率的磁芯装置而形成。电绕组缠绕在磁芯上并沿磁芯的圆周分布。例如，这可以在环形缠绕机上进行。取决于环形感应设备的类型，在电绕组外缠绕一层额外的电绝缘材料，并在该额外的绝缘材料顶上再缠绕第二电绕组。除非将环形设备封装在塑料等类似材料中，通常在第二绕组顶上增加一外部绝缘层，以保护第二绕组。代表性的环形感应装置在美国专利No.5,838,220中进行了描述。

和更普通的E-I类型的感应设备相比，环形感应设备提供若干重要优势。例如，磁芯形状使所需材料量最小，因此减小设备的总体尺寸和重量。因为绕组沿着设备的整个磁性部分对称分布，线的长度相对较短，因此进一步有利于减小设备的尺寸和重量。其他的优势包括更少的通量泄漏，更少的噪音和热量，而且在一些应用中具有更高的可靠性。

传统的环形感应设备的一个重大缺点是制造成本远远超过更常见的E-I类型的感应设备的相关成本。成本高的原因在于沿环形磁芯缠绕电绕组需要复杂的缠绕技术。

传统环形感应设备的另一个缺点是其易受高涌入电流的影响。这种设备通常不能提供可控制的磁阻，因为其制造方式使得其对磁通量路径的缝隙不能控制。本发明人的研究表明，尽管没有缝隙控制是明显的，但根据定义是环形且闭合的磁通量，必需通过螺旋构造的磁性部分产生的有效缝隙，因此不是完全环形的。例如，参看图5，其说明了和螺旋磁性部件120相关的磁通量80。因为缝隙沿着磁性材料的长度分布，有效的或累积缝隙非常小，因此对设备的操作来说无关紧要。缝隙实事上如此之小以至于在很多情况下，需要通过在基本设备上增加如限流电阻的保护电路来解决电流涌入问题。这增加了设备的总体成本。

公知的另一种环形感应设备的电性和磁性部分的配置和前文所述的普通结构基本相反。在该另一种方法中，磁性线螺旋地绕到环形电绕组上，因此设备的磁性部分形成于电性部分的外部。这种结构在国际专利申请公开No.WO/00/44006中进行了描述。然而，这种结构也需要使用复杂的缠绕技术，并受磁性缝隙控制缺失的影响。

发明内容

针对在先技术的前述缺陷，本发明提供环形感应设备及其制造方法。

在本发明人的美国专利申请公开No.2004/0066267A1中(其全文在此通过引用并入)，公开了一种技术，其中多个离散磁性组件被配置在普通的环形电绕组组件上，每个磁性组件优选地至少部分包围该电绕组组件，以形成磁通量路径，并且端部布置为形成至少一个磁通量缝隙。电绕组组件可以包括例如一个或多个电绕组。

根据本发明的一个主要方面，这种离散磁性组件形成为复曲面截面，优选的为楔形组或者磁性线束，它们被切开由此可以展开并安装在电绕组组件周围。这种磁性组件可以通过将磁性线缠绕在通常对应于电绕组组件的截面的配置为复曲面截面的模壳或模具上形成。然后缠绕后的磁性组件被切开，因此其可以在经线平面展开，以使得易于从模具中去除并放置到环形电绕组组件上。通过切开磁性组件形成的端部，界定一磁通量缝隙，该缝隙容易被控制，如通过控制对磁性组件切开的宽度、方向和取向中的一个或多个。缝隙控制还可以通过在经线平面上适当地选择相对于环形电绕组组件的外圆周尺寸的磁性组件的内圆周尺寸来实现。

本发明更通常地提供一种环形感应设备，其中磁性部分包括多个构造为复曲面截面的磁性组件，以使一经形成后，这些磁性组件可以被切开并随后放置在普通的环形电绕组组件周围。这些磁性组件可以部分包围，但优选地为全部包围电绕组组件，电绕组组件可以包括一个或多个电绕组。

根据其另一个主要方面，本发明提供通过将磁性线缠绕到电绕组组件上形成环形感应装置的磁性部分的改进方法。该方法，和连续螺旋路径中的传统缠绕相反，利用缝合状的动作，用磁性线缠绕电绕组组件，而且如果期望，可以完全包围电绕组组件，其形成感应设备的磁性部分。在示例性的实施例中，钩子接合从线轴引出的磁性线，以把磁性线部分绕到电绕组组件上。然后电绕组组件移到第二位置，以使得钩子可以伸过电绕组组件并再次结合磁性线，由此拉紧绕着电绕组组件的线，并牵拉部分围绕电绕组组件的磁性线的第二部分。在环形电绕组组件绕其轴旋转的同时重复该过程，优选地直到至少基本上完全由编织在一起的磁性线覆盖，而且形成磁通量遵循如同其从电绕组组件发散开的磁性路径为止。

附图说明

本发明的前述和其他方面、特征和有益方面将通过以下结合附图对优选实施例的描述而更完全地被理解，其中：

图1是具有放置在环形电绕组组件上的多个磁性组件的示例性环形感应设备的示意透视图；

图1A是示出图1所示设备的变型的示意平面图；

图1B是经线平面上的环形截面形状的磁性组件的示意平面图；

图2示出了具有放置在电绕组组件上的磁性组件的部分构造的环形感应设备，而且透视示出了准备放置在电绕组组件周围的磁性组件；

图3A-3E是说明切开复曲面截面形状的磁性组件的视图；

图4是示出本发明的使用逐个堆叠配置的磁性组件构造而成的环形感应设备的一部分的示意截面视图；

图5示出了在把磁性组件放置在电绕组组件上之前，放置于电绕组组件上的磁性线段矩阵的配置；

图6是说明传统螺旋磁性组件中的磁通量路径的视图；

图7A-7C说明了显示将磁性线放置在电绕组组件上的“缝合(sew)”方法的示例性步骤时序；

图8A和图8B为示出缝合到环形电性组件上的磁性线的视图。

具体实施方式

图1是根据本发明的环形感应设备10的示意透视图。该设备的电绕组组件11通常为环形形式，而且可以包括一个或多个如前文所述美国专利申请公开No.2004/0066267中描述的电绕组。在所示的形式中，多个磁性组件12沿该电绕组组件圆周上间隔的位置放置，以部分包围该电绕组组件。该电绕组组件可以具有引线13，其通过一个或多个相邻磁性组件12对之间的一个或多个缝隙，从该环形感应设备内部向外引用。

每个磁性组件12通常具有环形截面并且优选地由磁性线制成。磁性线可以是圆形截面或者针对特定应用所期望的任何其他截面。甚至可以使用扁平线。也可以使用磁性带。

每个磁性组件12优选地通过将磁性线(或适用时为带)缠绕在使得线具有期望的几何形状的模壳或模具上形成。例如，模具可以是复曲面截面，其经线平面上的截面直径稍微大于位于经线平面上的电绕组组件的截面直径。线绕成具有复曲面截面形状的一束。如果需要，可以将绕成束的线通过如磁性粘合剂、胶、胶带、带子等适合的手段固定在一起。接下来，绕在模具上的磁性线束被切开，因此线束的切开端15、16可以展开，以易于从模具上取下并将磁性组件放置在电绕组组件上。通过展开切开端并把磁性组件插入到电绕组组件上，将复曲面截面形状的磁性组件放置在电绕组的环形模壳上，之后切开端基本上连在一起，以形成期望的磁通缝隙。取决于特定应用的缝隙要求，所安装的磁性组件的切开端在经线平面上可以间隔开，可以对接在一起，也可以重叠。在给定的感应设备中，不同的磁性组件的切开端可以类似地配置，或者可以采用间隔、对接和重叠端部的组合。前述技术还可使用磁性带而不是磁性线来应用。

组合式的磁性组件被放置在电绕组组件周围，直到后者至少部分由磁性组件包围为止，电绕组组件和磁性组件共同形成设备的磁性部分。电绕组组件的引线可以穿过组合式的磁性组件间的一个或多个缝隙。此外，该感应设备的其他元件可以通过该组合式的磁性组件，例如冷却管、冷却肋片或冷却通道之间以允许更易于自电绕组组件和磁性组件的内部区域更理想的热耗散。这些冷却管、冷却肋片或者冷却通道可以位于至少部分邻近和/或位于设备的电绕组组件和磁性部分二者中的一个或两个之内的位置。

在图1的示例性形式中，磁性组件12沿环形电绕组组件圆周间隔分布。然而，磁性组件也可以沿着电性组件圆周对接甚至重叠放置，以使由此形成的磁性部分更完全地覆盖电绕组，从而增强设备的磁性特性。例如，除了位于一单对磁性组件之间容纳电引线通过到电绕组组件的小间隔之外，电性组件可以完全由设备的磁性部分包围，这如图1A所示。为了实现电性组件的覆盖和所完成设备的整体小型化，优选地磁性组件形成为具有楔形或者基本上为扇形的形状，而且具有向外发散的边，如图1A的平面视图所示。这会造成朝向环形电绕组组件的中心孔的每个磁性组件的线束的厚度增加(如图1S所示)，由此更有效地利用孔内的空间来容纳磁性材料，因此实现更紧凑的设备。

图2示出了部分组装形式的环形感应设备，其使用具有普通复曲面截面形状的模块磁性组件。电绕组组件11具有放置其上的若干个磁性组件12。额外的磁性组件12a被示为尚未放置在电性组件11上。如图2所示，磁性组件12a在对应于环形的外圆周的部分被切开，以产生两端15、16，这两端15、16可以扩展开，以允许如前文所述地将组件12插入到组件11。在本发明的实践中，在将磁性组件12a放置在电磁芯11上后，磁性组件端15、16可以对接、重叠或间隔开。如前文所述，每个磁性组件12是楔形的，因此在环形内部开口的内圆周部分较厚，而在环形的外圆周部分较薄。图2中磁性组件12的内圆周部分由标号14表示。较厚的内圆周部分14在将磁性线围绕模具缠绕以形成磁性组件12时产生，其中线聚集向普通环形截面模具的内圆周。电性界面线13通过磁性组件12间的缝隙从环形感应设备内部伸出。然而，应该理解的是，可以使用实现到电性组件的连接的任何合适方法。

图3A到3E是解释用来切割复曲面截面形状的磁性组件12的各种方法的视图。图3A示出了在电磁芯11上配置的展开平面图。图3B示出了磁性组件12的展开视图，其沿对应于环形的外圆周的部分切开，并放平。图3C示出了在对应于环形的内圆周的部分切开的磁性组件的类似视图。图3D使出了在图3B和3C之间的位置切开的磁性组件12的类似视图。图3E使出了倾斜切开的磁性组件的类似视图。通过利用对不同磁性组件的不同切开，如果需要，不同组件间各自的缝隙的位置是变化的，以调整磁特性。

图4的横截面视图示出了采用本发明的方法所构造的环形感应设备的一侧，该横截面在包括环形的中心轴线的经线平面中被截取。磁性组件12a-12c被示为绕电绕组组件12逐个重叠地同心放置。磁性组件12a-12c被示为各自的切开端15、16重叠。在本发明的该示例性的实施例中，磁性组件12a-12c各自的末端对沿磁芯的横截面圆周对齐。在本发明的另一个实施例中，末端15、16的重叠对可以放置在磁芯的横截面的圆周的不同位置。

图5示出了本发明的另一个实施例，其中在将磁性组件(未示出)放置在电绕组组件11上而且其切开端放置在线60上之前，磁性线段60的矩阵放置(通过介于其中的绝缘体)在电绕组组件11上。该放置在电性组件上的线段的矩阵进一步增强了所安装的磁性组件的通量耦合(即，降低有效缝隙)。

如果需要，具有不同磁特性的不同材料的线、带可用于形成磁性组件12，以使所完成的感应设备的效率在从静态到最大操作的整个操作范围上得到增强。本发明的另一个有益方面是围绕电磁芯的磁性部分的构造和放置可以为分别通过磁性部分和电性部分的磁通量和电流提供基本上一致的、平衡的且对称的路径，因此极大地降低甚至消除了过热点的产生。而且，该一致性用于使通量路径偏差最小，致使谐波失真更小，其进一步阻止在普通环形感应设备中产生或放大不期望的频率分量。

现在考虑本发明的第二个主要方面，图7A-7C示出了通过“缝合”动作制造环形感应设备的方法的时序，其中磁性线由钩子接合并操作，以缠绕在环形电绕组组件11上。图7A示出了电绕组组件11，磁性线90的线轴或送线器S具有通过导向装置G(例如，为管子的形状)并通过任何合适的装置固定于组件11的一端。用于将线90围绕电性组件牵拉的钩子92尚未与磁性线接合。这是制造方法的初始条件。图7B示出了钩子已经从位于环形组件11的中心孔的上方的位置1接合磁性线90，并且已将线牵拉到位置2，由此将一段磁性线90部分牵绕到磁性组件11上，并形成了围绕钩子的环路部分91。在图7C中，钩子92保持静止，而电性组件11已经向上移动。这致使环路的磁性线90进一步缠绕到磁性组件11上。在未示出的更近一步中，钩子再次接合来自送线轴的磁性线，并以和图7A相似的方式牵拉在电绕组组件下方的另一环路的磁性线，并通过第一环路91绕回。为了避免妨碍第一环路91，钩子可沿其轴旋转以定位自由端的位置，因此其将通过第一环路的内部。或者，钩子的自由端可以构造为铰接的手指，其可以从抓住线90的开放位置移到闭合位置，以界定一个容易通过第一环91的孔眼。接下来电性组件向下移回，以使，位于电性组件下方的磁性线的第二部分绕着磁性组件横截面的底侧向上通过，在外部上方形成另一个和环路91类似的环路，以使钩子可以再次与磁性线接合，并将磁性线的一部分牵拉到电磁芯的顶部，如图7A和7B所示。这样，一个环路套住另外一个，磁性线绕圈并在电性组件上拉紧。重复上述步骤，同时电性组件绕其中心轴旋转，使得电性组件部分或全部由磁性线覆盖。

以上述方式构造的环形感应设备的磁通量沿边缘平面绕磁性组件移动，形成环形路径。磁通量通过磁性线结，在这些结处，磁性线改变方向且通过一个环路套着另一个环路而被附连。在该配置中，在环路连接点处设置有有效间隔，因为环套环的结构比传统线缠绕体积稍大，并且由此产生了通量泄漏，优选地可能将环路交接点交错开，而不是将其均置于电性组件横截面圆周(经线圆周)的同一位置。

前述绕线方法的一个值得注意的优点在于无需将线轴穿过环的中心孔。因此环形感应装置的中心孔可以更小，由此更接近于由环绕环形电性组件的线填满，使得设备更小型。为了增加处理速度，可以使用一个或多个如前文所述的额外的钩子和线供应装置，以同时将磁性线绕到电性组件的不同部分。

图8A和8B示出缝合到环形电性组件108上的磁性线的其他视图。具体的，图8A示出了第一磁性线部分102和第二磁性线部分104相互形成环路通过对方。第一磁性线部分102和第二磁性线部分104可以是相同或不同线的部分。

图8B示出了环绕并放置在环形模板(form)108上的多个线106，该环绕和图8A所示的相似。

在前文所述的环绕线结构中，当磁通量遇到磁性线的环路部分，磁通量必需离开其所在的线部分并移动到另一个线上去以形成一圆圈。因此环路部分形成了有效的磁通量缝隙。

前文对本发明的示例性实施例的描述是出于说明的目的。其目的不在于穷举或将本发明限于所公开的精确形式。需要注意的是环形感应设备通常具有经典的面包圈形状，但是其他形状，如环形柱状模型也是公知的，并被视为环形设备的普通类型部分。在此对普通环形或普通复曲面形状的引用意在包括所有这些变型。

Claims (16)

1、一种形成磁性组件的方法，包括：

提供通常为复曲面截面形状的模型；

将磁性材料缠绕在该模型上以形成通常为复曲面截面形状的磁性部件；

切开该磁性部件以使其可在得到的切开端部被展开；以及

从该模型上取下该切开的磁性部件。

2、如权利要求1所述的方法，其中所述磁性材料包括磁性线和磁性带中的一种。

3、一种制造感应设备的方法，包括：

提供多个离散磁性组件，每个形成为在平面视图上看通常为扇形的复曲面截面；

将该多个磁性组件安装到通常为环形的电绕组组件上。

4、如权利要求3所述的方法，其中每个所述磁性组件具有可以展开的若干个端部，以实现将该磁性组件安装到所述环形电绕组组件周围。

5、如权利要求4所述的方法，其中所述端部在感应设备的经线平面上确定磁通量缝隙。

6、如权利要求3到5中的任意一项所述的方法，其中每个所述磁性组件包括磁性线束或磁性带束。

7、一种感应设备，包括：

通常为环形形状的电绕组组件；以及

多个离散的磁性组件，每个形成为在平面视图上看通常为扇形的复曲面截面，并且至少部分包围所述电绕组组件，以在经线平面上完成磁通量路径，而且其还具有配置为在该经线平面上形成至少一个磁通量缝隙的若干个端部。

8、如权利要求7所述的感应设备，其中每个所述磁性组件包括磁性线和磁性带中的一种。

9、如权利要求7所述的感应设备，其中每个所述磁性组件包括磁性线束或磁性带束。

10、一种磁性组件，包括：

部件，具有以通常为复曲面截面形状配置的磁性材料，以使该部件可以至少部分包围通常为环形形状的电绕组；以及

在所述磁性材料的部件的经线平面上的磁通量缝隙。

11、如权利要求10所述的磁性组件，其中所述磁性材料包括磁性线或磁性带。

12、如权利要求10所述的磁性组件，其中所述磁性材料的部件部分包括磁性线束或磁性带束。

13、一种制造感应设备的方法，包括：

提供通常为环形形状的电绕组组件；

在第一缠绕方向上将第一段磁性线至少部分缠绕在该电绕组组件上；

用第二段磁性线的环路部分接上该第一段磁性线的环路部分；

在通常相反于该第一缠绕方向的第二缠绕方向将该第二段磁性线至少部分缠绕在该电绕组组件上；

以及对其他段磁性线重复前述步骤，该电绕组组件绕其轴旋转。

14、如权利要求13所述的方法，其中所述步骤被重复直到所述电绕组组件基本上完全由磁性线包围为止。

15、如权利要求13或14所述的方法，其中所述缠绕步骤包括钩住所述磁性线并沿其轴移动所述电绕组组件。

16、如权利要求15所述的方法，其中所述缠绕步骤在没有钩子通过所述电绕组组件的内部开口的情况下完成。

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