TWI564917B - 磁感應元件用三相磁心及其製造方法 - Google Patents

磁感應元件用三相磁心及其製造方法 Download PDF

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Description

磁感應元件用三相磁心及其製造方法
本發明係關於三相磁感應元件、在這種元件中使用的磁路磁心、和用於製造它們的方法。
磁感應元件(如電力變壓器、扼流器、以及這一類的東西)是設計成基於互感效應以在電感性耦合繞組導體(線圈)之間傳輸電能。例如，在電力變壓器中供給予電感性地耦合到變壓器之磁心的一初級繞組的交流電流，在磁心中創造一磁通量，其在電感性地耦合到變壓器之磁心的一次級繞組上感應電動勢(EMF)或電壓。
三相變壓器一般包含一個磁心電路和三個電感性地耦合到磁心電路的線圈區塊。線圈區塊中的每一個通常由初級和次級繞組組成。最先進的三相電力變壓器通常利用所謂的「E+1」磁心配置(其中線圈架設在磁心的「E」形框架的三條腿之上，然後磁心由磁心的「1」形軛封閉)。「E+1」磁心配置提供一平面型磁心結構，包含數個在單一平面幾何地佈置的互相連接之磁心軛及腿單元。
例如，美國專利號6668444揭露一種三相變壓器，其具有一個由非晶形金屬帶製成的平坦磁心配置。這種平坦的磁心配置利用“階梯式”接頭，此接頭係設計成以方便打開磁心腿讓線圈繫於其上，並隨後封閉接頭從而封閉此磁心電路。然而，這種製造技術係提供一平坦的磁心結構，其對磁通量分佈的效率較低，需要複雜的磁路閉合技術，並造成相當重的磁心。特別是，在這些平坦變壓器配置之這樣的平坦磁心結構中不對稱磁通分佈的問題不可能解決。
平坦三相變壓器配置的可能替代選擇有三角型磁心的磁系統。例如，美國專利號6683524揭露了一種具有三角形結構(△)的三相變壓器。在此解決方案中，變壓器磁心由三個框架製成，每個框架包含數個由具有固定寬度的磁性材料條捲繞而成的環。框架組合成一磁心而形成兩個三角形軛結構，其具有在它們的角落之間延伸的垂直腿，其中腿是由捲繞環形成，捲繞環係彼此避開、偏移或歪斜。這種配置提供具有多邊形橫截面形狀的變壓器腿，然而製造起來非常複雜，而且它結構上的配置增加了磁損耗。
美國專利公開號2010/0194515描述了一種三角形的三相變壓器，由三個框架建構而成，該等框架被組合以構成六角形的腿(也稱為「六角架(hexaformer)」)，腿採用漸細環結構，其係使用偏移捲繞技術獲得。在這份公開案中建議磁心框架的一部分由捲繞的非晶形帶製作、一部分由電氣鋼製作，這是非常困難的，因為這些材料具有不同的厚度，不同的機械強度，並在捲繞過程中需要不同的張力。因此，這樣建構的框架不提供一高捲繞密度，其為磁性系統的主要參數之一。此外，使用這樣的混合磁心框架增加負載損失，原因為：相較於非晶形材料，電氣鋼中磁損失較大。這份公開案更建議機械性地拉伸磁心框架，這很有問題，因為所需的力是由在該框架中使用的電氣鋼的體積決定。此外，由這些力造成的非晶形帶及電氣鋼同時位移容易造成非晶形金屬帶斷裂，這進而導致無負載電流增加。
歐洲專利公開號EP 2395521揭露了一種用於製造由非晶形金屬帶製成的三角形變壓器磁心的方法，其中，磁心的腿被佈置成一個三角形的配置，其中磁心腿的橫截面具有一圓形或多邊形形狀。為了獲得所需腿的橫截面形狀，磁心框架由複數層連續捲繞帶所建構，其中根據磁心腿個別的層藉由雷射切割調整帶的寬度。然而，通常在這樣的以雷射切割非晶形帶過程中所形成的熔融材料，會導致沿著切割邊緣形成非晶形材料的明顯的熔滴，造成在它們捲繞時磁性帶的層之間有間隙。此外，這種明顯的熔滴也可能創造在磁性系統運作中發生短路的條件。值得注意的是，這樣的具可變截面的磁心的製造方法非常複雜且有實現問題。
美國專利號6809620揭露了具有由三個框架組裝的三角形籠形核心結構的三相變壓器。此三個框架組件形成三角軛結構，其角落由三條腿連接，其中磁心框架由複數條捲繞而成，每條偏移相鄰的條以獲得菱形框架截面。磁心是由磁性材料的線或條組成的交錯環形結構製成，其中，複數個環的每一個組成兩條腿的一部分。然而，該專利中建議的交錯環形結構需要非常複雜的生產科技，特別是用於製造電力變壓器時。
本發明一般性地涉及用於磁感應元件(例如，變壓器，扼流器)的三相磁心，其包含三個通常為矩形的磁心框架，即，具有側部和軛部。框架佈置成實質上為三角形稜柱(五面體)的構造，每個框架具有沿著側部的內部表面和外部表面之其中一者或兩者的階梯狀構造。兩個局部相鄰框架的側部接合以形成可放置線圈於其上的腿。如此，整個磁心具有由均勻接合相鄰框架所形成的三條腿，可放置三相磁感應元件的三個線圈於其上。
該磁心框架大體而言有一空間形狀。如上面所指出，該框架側部的內部表面及外部表面之任一個可具有形成一各自的突出面(例如，內部表面)的階梯狀的構造，而另一面可具有類似的構造(外部表面)，或者可以是平的或彎曲的或任何其它順應設計要求的合適形狀。磁心通常是將三個如此的一個接著另一個相鄰坐落(即，局部相鄰)的磁心框架組合成，使得局部相鄰框架的階梯狀側部均勻接合以形成磁心腿。
上述界定沿著框架側部的階梯狀突出面之構造提供相鄰框架(即，沿著磁心的腿部)之間緊密且均勻的接合。這種構造進一步提供腿(由框架的接合側部界定)的外部表面的幾何/形狀(例如，圓形或多邊形)與待放置於磁心腿之上之一相應線圈的內部表面的幾何/形狀之間的最佳匹配。這提供腿部中沿著支撐/面對線圈之區域裡最佳(最大)磁心材料截面積佔位，藉此改善效率及各種磁心性質，例如，縮小的幾何尺寸、和磁心材料用量和重量縮減等。
例如，在一些實施例中，該階梯狀構造利用一具有約30°坡度的階梯的排列/陣列，而且框架相對於彼此以60°角度配向，藉此形成一多邊形形狀(例如，三角形稜柱五面體)，即，其中其上/底基座的等邊三角形 幾何形狀由軛部所界定。
一或多個磁心框架可由磁性帶製成的多個多層迴圈所製作。磁心框架可由不同寬度的多個磁性帶形成，每個帶捲繞以形成一多層迴圈，其中捲繞的迴圈一個疊一個捲繞以形成階梯狀表面。或者，多層迴圈可以每個由一捲繞磁性帶分別製備，並且磁心框架可藉著一個疊一個同軸地堆疊迴圈來製備，以形成磁心框架所期望的階梯狀構造。
在一些實施例中，藉由對於依序的複數多層迴圈使用具有依序減少或增加寬度的磁性材料帶，依次捲繞磁性材料帶以形成一個疊一個佈置的多層迴圈以建構磁心框架。例如，每一多層迴圈可製備如下：藉由捲繞具有一預定長度和寬度的一磁性帶以製備每個多層迴路，而且每一帶的複數個匝大致上一個位於另一個頂上而對齊以藉此形成階梯狀構造的一單一階梯，該階梯具有一由帶匝數定義的一階梯厚度。以這種方式，迴圈的磁性帶可以其厚度遞減的次序一個疊一個捲繞藉此獲得框架的至少內部表面之所期望的階梯狀構造。因此，在這個例子中，最內層的多層迴路由具有最大寬度的一條帶捲繞而成，而最外層的多層迴路由具有最小寬度的一條帶捲繞而成。
在一些實施例中，藉由以下列方式構建磁心框架：以帶寬度遞增的次序依次一個疊一個捲繞至少一些磁性材料帶，然後在其之上以其寬度遞減的次序一個疊一個捲繞至少另一些磁性材料帶。以這種方式，磁框架的腿部可以被配置成在框架之一(內部)表面呈現階梯狀構造，並在框架之其他(外部)表面呈現一彎曲的橫截面形狀。此框架腿部的構造提供磁心腿的彎曲(例如，劃定磁心腿橫截面的曲線形狀是圓形的)橫截面形狀，磁心腿藉由接合框架的階梯狀側部以構成三角形稜柱磁心結構來獲得。
或者，一個或多個磁心框架可由多個多層迴圈所組裝，每一迴圈由一磁性材料帶來製作，該磁性材料帶分別捲繞以產生一具有一預定迴圈寬度(例如，由迴圈裡的匝數所定義)及預定中央開口的一多層迴圈。每個多層迴圈可從具有一預定長度和寬度的一磁性帶製備，其中迴圈(階梯)的厚度由帶的寬度定義，而迴圈的複數個匝一個疊一個而對齊，藉此獲得大致上平坦的迴圈面。在這樣實施方式中複數個多層迴圈就它們的迴圈寬 度一個疊一個同軸地堆疊(即，令相鄰迴圈平坦面具有緊靠關係)，藉此獲得框架的至少一(內部)表面之所期望的一階梯狀構造，同時由堆疊的迴圈之中央開口的同軸佈置定義一中央窗口。框架中心開口的尺寸可以調整，以容納將置放於由框架建構之磁心腿之上的三相磁感應元件的線圈。
例如，在可能的實施例中，多層迴圈可以它們迴圈的寬度遞減的次序一個疊一個堆疊，藉此獲得框架內表面之所期望的階梯狀構造。在這種情況下，最底層的多層迴圈(例如，在該框架的外部表面)為具有最大迴圈寬度的迴圈，並且最上層的迴圈為具有最小迴圈寬度的迴圈(例如，在該框架的內部表面)。
磁性材料帶較佳為捲繞以形成矩形的迴圈結構，使得一中心開口形成於每一多層迴圈裡，並且每一框架的迴圈佈置成使得迴圈的中心開口同軸地對齊，藉此形成框架中的一中心矩形窗口。磁心框架的中心窗口配置成以容納磁感應元件的線圈單元，線圈單元在製程稍後一階段放置在由局部相鄰坐落磁心框架的接合側腿部所形成的磁心腿之上。
在可能的實施例中至少一些迴圈可有不同尺寸的中央開口，其可用來設計具有彎曲橫截面形狀的磁心框架。例如，多層迴圈可就它們的中央開口尺寸以它們迴圈寬度遞增的次序一個疊一個同軸地堆疊，一些其他的多層迴圈可就它們的中央開口尺寸以其迴圈寬度遞減的次序同軸地堆疊於其上(也是一個疊一個)，藉此獲得框架內表面的一階梯狀構造以及框架腿部的外側和/或中間側的一彎曲的橫截面形狀。
在可能的應用中，磁心框架可以藉由組合上述迴圈捲繞及堆疊技術來建構。例如，製作一或多個磁心框架係可以藉由依序地一個疊一個捲繞一些多層迴圈，然後同軸地在其上堆疊一或多個獨立製備的多層迴圈(即，在已捲繞的迴圈上方)。
在一些可能的實施例中，磁心電路的磁心框架是由一非晶形金屬帶製成，例如，由軟鐵磁性非晶形合金、或由奈米晶體合金所生產(例如，用於高頻變壓器)。或者，磁心框架是由一矽鋼薄帶製成。
在一些實施例中，線圈單元被放置於磁心腿之上，是藉由：橫向切割磁心框架的一部分以獲得每一框架的上部和底部框架部分；藉由 接合底部框架部分的階梯狀腿部，組合底部框架部分以形成一三角形結構(即，屬於軛者)，藉此形成磁心腿的底部部分；放置線圈於磁心腿的底部部分之上；以及接著把框架的上部部分附接到它們各自底部部分之上以恢復框架的矩形結構。
根據可能的實施例，多相磁感應元件，可以如下製造：‧製備磁心框架，該複數個框架的每一個是由多數個由捲繞的磁性材料帶(例如，具有軟鐵磁特性)製成的多層迴圈所組成，該多層迴圈佈置成以在該磁心框架的至少一面形成一階梯狀構造；‧如果框架是由非晶形帶製成，可選地對該磁心框架施加一熱處理(例如，在溫度約360到400℃之退火，可接著在退火爐中緩慢逐漸冷卻該框架)；‧浸漬該框架於一有機黏合材料(例如，有機矽清漆或環氧樹脂清漆)，接著讓該框架乾燥；‧橫向切割該框架成上部和底部部分；‧藉由把底部部分以三角形形狀一個相鄰於另一個放置，將框架的底部部分垂直架設於該元件的一基座上(例如，由電絕緣的材料製成)，使得框架底部部分的腿的階梯狀側部變成接合；‧在底部框架部分之每一對相接合腿部之上架設線圈區塊；‧垂直架設該磁心框架的三個相應上部部分以恢復該框架的矩形形狀；‧塗敷電絕緣材料於框架的接合腿部之間；‧架設一上部夾緊板(例如，由電絕緣材料製成)；及‧電氣性地連接引出線並以拉伸螺椿固定該元件。
本申請案的技術提供了各種優點。例如，採用多層矩形迴圈之磁心的框架的階梯狀構造可以有效設計成呈現每一相之磁心腿的一期望的橫截面形狀(例如，圓形周圍或多邊形形狀)，並允許達到最低無載損失。 此外，該元件的磁心的模組化結構簡化其裝配和拆卸，藉此允許元件之易於製造和維護。把磁心腿配置成呈現一期望的橫截面形狀，提供了以腿的磁性材料有效率地填充被線圈圍繞的磁心橫截面區域，藉此減少線圈的直徑和重量，並相應地，減少在線圈中的電力損耗。
這裡揭露的磁感應元件的設計需要較少的帶材料來製造，提供較輕的變壓器磁心，並改善元件的效率。特別是，採用本發明之技術的磁感應元件有利地具備：‧較高的效率係數(例如，電力變壓器的效率增加為高達99.2%)；‧較小的磁心重量(例如，較一傳統三相變壓器結構約少30%至40%)；‧較小的每單位電力的材料量(例如，約30%至40%)；以及‧較傳統三相三角形變壓器改善的可維護性。
因此，根據本發明的一個態樣，提供一種用於三相磁感應元件的磁心，該磁心包含三個磁心框架，每個框架具有內部和外部表面，其中每個框架的至少內部表面具有沿著該框架的側部延伸的一階梯狀構造，在該磁心中將該磁心框架配置成它們的內部表面彼此面對，藉此形成一個三角形稜柱結構，使得每個框架的階梯狀側部變成與局部相鄰框架的階梯狀側部相接合，藉此形成磁心的三個磁心腿以用於在其上安裝該元件的線圈。例如，該框架之內部表面的階梯狀構造可建構以形成一截頭階梯金字塔結構(frusto-stepped pyramid structure)。
根據一些實施例，該階梯狀構造具有約30°坡度而且框架相對於彼此以60°角度配向。
磁心框架可包含多個多層迴圈，每個由捲繞的磁性材料帶製成(例如，由非晶形金屬、矽鋼、奈米晶體合金、或任何其它合適的材料製成)，並和該階梯狀構造的一特定階梯相關聯。例如，在一些實施例中多層迴圈的每一個由具有一預定帶寬度的一磁性材料帶製成，至少一些多層迴圈由具有不同帶寬度的帶製成，其中複數個帶就它們的帶寬度一個疊一個依序地捲繞以藉此形成階梯狀構造。可選地，至少一些帶以其寬度遞減的次序一個疊一個捲繞。以這種方式，磁心腿可以建構成具有一多邊形橫截 面形狀。
在一些實施例中，至少一些帶以其寬度遞增的次序一個疊一個捲繞。因此，框架可製造成藉由以其帶寬度遞增的次序一個疊一個捲繞一些內部多層迴圈，並在其上以寬度遞減的次序一個疊一個捲繞一些外部多層迴圈，以獲得磁心腿的一圓形橫截面周圍(即，藉由接合局部相鄰框架的階梯狀側部來獲得)。
在一些可能的實施例中多層迴圈是由具有相同帶寬的磁性材料帶捲繞而成，以為每一迴圈提供一預定迴圈寬度以及預定中央開口，其中至少一些迴圈有不同迴圈寬度而且每個框架是由一個疊一個同軸地堆疊該複數個迴圈構建而成，以藉此形成一期望的階梯狀構造。例如，該階梯狀構造可藉由以它們寬度的一遞減次序一個疊一個同軸地堆疊至少一些多層迴圈而獲得。
在一些可能的實施例中，至少一些迴圈的中央迴圈開口的幾何尺寸是不同的。因此，藉由就它們中央迴圈開口的幾何尺寸以其寬度遞增的次序一個疊一個同軸地堆疊至少一些多層迴圈，並且在該堆疊迴圈之上就它們中央迴圈開口的幾何尺寸以其寬度遞減的次序一個疊一個同軸地堆疊至少一些其他多層迴圈，可獲得(即，接合局部相鄰框架的階梯狀側部之後)磁心腿的一圓形橫截面周圍。
在另一個態樣，提供了一種三相磁感應元件，其包含一磁心，該磁心包含三個磁心框架，每一磁心框架具有內部和外部表面，其中至少內部表面被塑形以形成沿著框架側部延伸的一階梯狀配置，磁心框架佈置成在該磁心裡以它們的內部表面彼此面對，藉此形成一三角形稜柱結構，使得每個框架的階梯狀側部變成與局部相鄰框架的階梯狀側部相接合，藉此形成三個磁心腿。該元件更進一步包含三個線圈區塊，該線圈區塊的每一個安裝在該等磁心腿其中一者之上。
該元件的至少一個磁心框架可包含由捲繞的磁性材料帶(例如，由非晶形金屬，矽鋼，或任何其它合適的材料製成)製成的多個多層迴圈，每一個迴圈可由具有一預定帶寬度的一磁性材料帶建構而成。因此，藉由就它們的帶寬度一個疊一個依序地捲繞多層迴圈的磁性材料帶，或者藉由就它們的迴圈寬度一個疊一個同軸地堆疊多層迴圈，可獲得階梯狀構 造。以這種方式框架可以設計成以提供磁心腿的一期望橫截面形狀。例如，在一些實施例中，框架可以設計成以獲得具有一多邊形橫截面形狀的磁心腿，或在其他一些可能的實施例中，具有一圓形橫截面的周圍(即，磁心腿的圓形邊界/外邊界)。
在一些應用中，提供一種三相磁感應元件，其包含一磁心，該磁心包含三個磁心框架，每一磁心框架具有內部和外部表面以及由捲繞的非晶形金屬帶製成的多個多層迴圈，該迴圈就它們的帶寬度一個疊一個依序地捲繞或就它們的迴圈寬度一個疊一個同軸地堆疊，以藉此形成沿著框架側部延伸的一階梯狀構造，在該磁心裡磁心框架佈置成以它們的內部表面彼此面對藉此形成一三角形稜柱結構，使得每個框架的階梯狀側部變成與局部相鄰框架的階梯狀側部相接合藉此形成三個磁心腿。該元件更進一步包含三個線圈區塊，該線圈區塊的每一個安裝在磁心腿其中一者之上。
根據又一個態樣，提供了一種用於三相磁感應元件之磁心之建構方法，該方法包含：製備三個包含多個多層迴圈的磁心框架，該框架具有沿著框架側部延伸的期望階梯狀構造，每一迴圈是由具有一預定帶寬度的一磁性材料帶捲繞而成；建構該磁心，其藉由放置框架以形成一三角形稜柱結構，並且接合局部相鄰框架的階梯狀側部。以這種方式，接合的局部相鄰框架的階梯狀側部形成三條磁心腿，其配置成被該三相磁感應元件的線圈緊緊包圍。一個或多個(或全部)框架可藉由就該帶的帶寬度一個疊一個依序地捲繞多個磁性材料帶而加以製備。或者藉由分別從磁性材料帶捲繞成多個多層迴圈，至少一些迴圈具有不同的迴圈寬度，並且就它們的迴圈寬度一個疊一個同軸地堆疊多層迴圈，可製備框架。這些框架製備技術可分別使用，或組合使用(例如，在多數帶係一個疊一個捲繞的多層迴圈之上堆疊一些分別捲繞的迴圈)，以獲得沿著框架側部延伸之期望的階梯狀構造。
根據一些可能的實施例，框架的製備包含一退火步驟。該方法可進一步包含將該框架浸漬於一黏合材料。磁心的建構還可包含於局部相鄰框架的接合階梯狀區域之間塗敷一或多層電絕緣材料的步驟。
在又一態樣，提供了一種三相磁感應元件之製備方法，該方法包含：製備三個包含多個多層迴圈的磁心框架，每一迴圈是由具有一預 定帶寬度的一磁性材料帶捲繞而成，其中將迴圈在框架中佈置以獲得沿著框架側部延伸的一階梯狀配置；橫向切割每一框架成上部和底部部分；佈置框架底部部分以形成一三角形稜柱並接合局部相鄰框架底部部分的階梯狀側部以獲得磁心的三個底部腿部；在每一底部腿部之上放置一線圈；並把框架的上部部分接合到它們各自的底部部分之上。
框架的製備可包含就帶的寬度一個疊一個依序地捲繞磁性材料帶以形成多個多層迴圈的步驟。或者，該製備可包含由磁性材料帶分別捲繞多個多層迴圈，至少一些迴圈具有不同迴圈寬度，並就它們的迴圈寬度一個疊一個同軸地堆疊多層迴圈。可選地，這些框架製備技術可加以組合，例如，藉由在多數帶係一個疊一個捲繞的多層迴圈之上堆疊一些分別捲繞的迴圈。
E12‧‧‧外部表面
I12‧‧‧內部表面
L12‧‧‧(側)腿部
W12、W62‧‧‧中央窗口
Y12‧‧‧軛部
r1~r8‧‧‧階梯
T‧‧‧厚度
w1~w8‧‧‧寬度
L1~L8‧‧‧多層迴圈
Dout‧‧‧直徑
Dout’‧‧‧直徑
Y68‧‧‧軛部
H12‧‧‧的高度
1‧‧‧磁心電路
2‧‧‧框架
2a、2b、2c‧‧‧磁心框架
4‧‧‧磁心腿
4ab、4bc、4ca‧‧‧磁心腿
10‧‧‧三相變壓器
11‧‧‧磁心電路
12、12a、12b、12c‧‧‧磁心框架
13‧‧‧線圈區塊
13ab、13bc、13ca‧‧‧線圈區塊
14ab、14bc、14ca‧‧‧磁心腿
15ab、15bc、15ca‧‧‧初級線圈繞組
16ab、16bc、16ca‧‧‧次級線圈繞組
17‧‧‧電絕緣層(材料)
18‧‧‧基座
19‧‧‧輪子
20‧‧‧夾緊板
21‧‧‧引出線
23‧‧‧最大寬度
27‧‧‧磁通量
27a、27b、27c‧‧‧磁通量
33‧‧‧階梯/迴圈的厚度
58‧‧‧磁感應元件
59‧‧‧三相變壓器
60‧‧‧三相磁感應元件
61‧‧‧軸
62b、62c、62a‧‧‧磁心框架
62‧‧‧磁心框架
62s‧‧‧對稱軸
63bc、63ca、63ab‧‧‧線圈區塊
64bc、64ca、64ab‧‧‧磁心腿
66s‧‧‧側向側區域
66m‧‧‧中間側區域
68y、68l‧‧‧支撐單元
69‧‧‧厚度
70‧‧‧步驟
71‧‧‧步驟
72e‧‧‧框架的外部表面
72m‧‧‧框架的中間側
72i‧‧‧內部表面
72‧‧‧步驟
73‧‧‧步驟
74‧‧‧步驟
75‧‧‧步驟
76‧‧‧步驟
77‧‧‧步驟
78‧‧‧步驟
79‧‧‧步驟
80‧‧‧步驟
為了理解本發明，並領會它可以如何實際上實行，現在將參照隨附圖式僅藉由非限制性的例子描述實施例，在圖式中相同的參考標號用於指示相應的零件，並且其中：圖1A和圖1B示意性地說明根據一些實施例的一種三相磁感應元件，其中圖1A顯示該設備的一透視圖而圖1B顯示該設備的一頂視圖；圖2A到圖2C示意性地說明根據一些實施方案例的一種三相變壓器，其中圖2A顯示該變壓器的一側視圖及其磁心腿的一縱截面視圖，圖2B顯示該變壓器的一頂視圖及其磁心腿的一橫截面視圖，以及圖2C顯示沿著在圖2A中表示為線A-A所截的該變壓器的一截面視圖，其顯示該元件的一橫截面；圖3A至圖3C示意性地說明具有一階梯狀構造的一多層矩形框架，其中圖3A是該框架的一前視圖，圖3B是該框架的一側視圖，以及圖3C顯示沿著在圖3A表示為線B-B所截的該框架的一截面視圖；圖4A至4E示意性地說明根據一些實施例的一種三相磁感應元件，其中該磁心的框架被配置以提供具有一圓形橫截面周圍的磁心腿，其中圖4A顯示該元件的一磁心腿的一側視圖和一縱截面視圖，圖4B顯示沿著在圖4A表示沿著線A-A所截的該元件的一截面視圖，圖4C顯示 該元件的一磁心框架的透視橫截面圖，圖4D顯示該框架的一前視圖，以及圖4E顯示該框架的一側視圖和其上部及底部切面；圖5A至圖5C示意性地說明根據一些實施例的一種磁感應元件，其中該元件的磁心由磁心迴圈的一堆疊所建構，其中圖5A顯示該磁感應元件的一橫截面視圖，圖5B顯示可用於該元件中的一磁心框架的一前視圖，以及圖5C顯示該磁心框架的一上視圖及其腿部的截面視圖；圖6是一流程圖，展示根據一些可能的實施例用於製造三相磁感應元件的一可能程序；以及圖7A至7D示意性地說明根據一些可能的實施例的一種磁心框架結構，其中圖7A顯示由一捲繞帶製成的一矩形多層迴圈的一透視圖，該迴圈可用於建構該磁心框架，圖7B和7C例示分別在上部及中部位置切割一磁心框架，以及圖7D顯示示於圖7C之該磁心框架切割後之底部部分的一透視圖。
應當指出在圖中例示的實施例並無意按實際比例，而是以圖示的形式以協助易於理解和描述。
本申請案一般針對用於三相磁感應元件的磁心電路，比如但不限於三相扼流器和三相變壓器。本發明的三相磁心電路是由具有一階梯狀構造之三個磁心框架所建構成，該階梯狀構造形成於框架的至少一表面並沿著框架的側部延伸。磁心電路藉由把框架局部地一個相鄰於另一個放置以形成三角形(三角稜柱)結構所建構成，其中，每個框架的階梯狀側部均勻地與相鄰坐落框架的階梯狀側部接合。該均勻接合的框架側部形成磁心腿，該磁感應元件的線圈區塊將放置於磁心腿上。
從下面的揭露中將會理解，這樣一個磁心設計改善磁心電路中的磁通量分佈並減少了通常發生在磁心中的電磁損耗。此外，這樣一個磁心的配置需要較少量的核心材料來製作，提供較輕的變壓器磁心，並改善磁感應元件的效率。
圖1A和圖1B顯示根據一些可能的實施例的一種三相磁感應元件60。在這個例子中，元件60的磁心電路1是由三個通常為矩形的多層磁心框架2a、2b和2c(在此統稱為框架2)所建構而成，其中框架2的內 部表面I12被配置成以形成沿該框架側部延伸的一階梯狀構造。如在圖1B中看得最清楚，局部相鄰的框架2之階梯狀側部均勻地接合以形成該磁心1的磁心腿4ab、4bc和4ca(在此統稱為磁心腿4)，線圈區塊13ab、13bc和13ca(在此統稱為線圈區塊13)分別放置於磁心腿之上。
通常，磁心框架2的每一個包含：兩個側腿部L12(圖2A中所示)，由該框架的側邊定義；兩個軛部Y12，由該框架的頂部及底部部分所定義；以及由該腿與軛部圍起來的一矩形中央窗口W12。該框架及它的中央窗口W12可有圓形角落。該框架2中的每一個包括一外部表面E12和一內部表面I12，其中框架2的至少內部表面包括該階梯狀構造。
例如，磁心電路1可以藉由把磁心框架2佈置成使得它們的軛部形成一等邊三角形結構來建構而成。在這樣的配置中藉由使該磁心框架2以一角度60°相對於彼此坐落可獲得一三角稜柱(五面體)結構，從而藉由接合(配對)相鄰坐落磁心框架的階梯狀側部來組裝磁心腿4。磁心1這種三角形結構通常包含上部和底部三角形軛結構，其中該三角形軛結構的角落由該磁心腿4連接。因此，該三角形磁心的每一腿是由相鄰坐落磁心框架2的兩個接合階梯狀腿部L12所建構而成。
如圖1A和1B中例示，腿部L12的幾何尺寸被配置成提供該磁心腿4的一橫截面形狀，其適合用於放置線圈區塊13。此外，在該框架2中提供的該中央窗口W12的尺寸應配置成使它能夠容納架設於圍住該窗口W12的磁心腿4之上的線圈區塊。
圖2A到圖2C示意性地說明根據一些可能的實施例的一種三相變壓器10。該變壓器10的磁心電路11是由三個多層矩形磁心框架12a、12b和12c(在此統稱為磁心框架12)組成。如上面所例示，磁心框架12被佈置成使得每個框架以一角度60°相對於彼此坐落，而且相鄰磁心框架12之腿部L12的階梯狀區域相接合以形成磁心腿14ab、14bc和14ca(在此統稱為磁心腿14)，線圈區塊13安裝於磁心腿上。
圖2C顯示磁心電路11和放置在它的磁心腿14之上的線圈區塊13的一橫截面視圖。如所見，三個線圈區塊13ab、13bc和13ca架設於相應的磁心腿14ab、14bc和14ca之上，每個線圈區塊與該三相變壓器10的一電力相位相關聯。例如，與該變壓器的第一相位相關聯的線圈區塊 13ab放置在由磁心框架12a與12b的配對腿部所形成的磁心腿14ab之上，與該變壓器的第二相位相關聯的線圈區塊13bc放置在由磁心框架12b與12c的配對腿部所形成的磁心腿14bc之上，以及與該變壓器的第三相位相關聯的線圈區塊13ca放置在由磁心框架12c與12a的配對腿部所形成的磁心腿14ca之上。
如圖2A到2C所示，每個線圈區塊13ab、13bc和13ca，包括一個別的初級線圈繞組15ab、15bc和15ca(這此統稱為初級線圈繞組15)，和一個別的次級線圈繞組16ab、16bc和16ca(這此統稱為次級線圈繞組16)。在一些實施例中該次級線圈繞組16被該初級線圈繞組15同軸地圍住。
在一些實施例中相鄰坐落磁心框架12a、12b、和12c的多個接合腿部L12，是由在該等腿部L12的階梯狀區域上方設置於該等腿部之間的一或多層電絕緣材料17(例如，玻璃纖維或塑膠)將彼此互相電絕緣。因此，該三相變壓器10的每一電力相位是由一個別磁心腿14ab、14bc或14ca所形成，該磁心腿具有一相應線圈區塊13ab、13bc和13ca放置於其上。
參照回圖2A，該三相變壓器10可包含一基座18，該三相變壓器10安裝於其上。該基座18可包括用於從一個位置到另一個位置移動該變壓器10的輪子19。該變壓器10更進一步可包括由一電絕緣材料(例如，Pregnit GGBE，KREMPLER目錄)製成的一頂部夾緊板20，並可在其中提供該次級繞組(16)的引出線21。
在運作時一電流通過線圈區塊13的初級繞組15而產生一響應的磁通量，其沿著相應的磁心腿14傳播。在磁心腿14的每一個中傳播的磁通量被分開進入個別軛部Y12，軛部Y12連接到個別框架12的相接合腿部。例如，在圖2B和4B中，在磁心腿14ca中展開的磁通量27被分為兩個平均的磁通量，27c和27a，分別通過磁心框架12c和12a的軛部Y12。以類似的方式，在磁心腿14ab和14bc中釋出的磁通量被平均地分開以通過個別磁心框架(12a，12b)和(12b，12c)的個別軛部Y12。
參照圖3A到圖3C，在一些實施例中該磁心框架12由多個通常為矩形的多層迴圈所建構而成，其中迴圈的每一個由捲繞的磁性材料 帶製成。在這個例子中，該多層迴圈的帶在該框架12的至少內部表面I12上一個疊一個捲繞以形成一階梯狀構造。以這種方式該階梯狀設計形成於該框架的腿及軛部上，並且一截頭階梯金字塔結構形成於該框架12的內部表面I12上。比如，多層迴圈可以由具有不同帶寬度的磁性材料帶以其寬度遞減的次序一個疊一個依序地捲繞而製成，藉以形成該框架的階梯狀構造。因此，在每個迴圈中的匝數定義該迴圈/階梯的厚度，其較佳地在所有迴圈/階梯中相等。
該多層迴圈通常為矩形迴圈並且它們通常一個疊一個捲繞，使得在該框架12中獲得一矩形中央窗口W12。因此，迴圈一個疊一個的依序捲繞形成一截頭階梯金字塔結構(例如，金字塔的基座與每一邊有一30°角)於該框架的至少一表面，而藉此提供的該中央窗口W12適用於容納放置於坐落在該中央窗口W12側邊的腿14之上的線圈13。
在此例子中該框架12的階梯狀表面I12包含八個階梯，在圖3A-C中由參考標號r1至r8指示，其中，最內層捲繞帶階梯r1有最大寬度，而最外層捲繞帶階梯r8有最小寬度。每個階梯/迴圈ri的厚度33(T)(其中，i是一個正整數，例如，1 i 8)由階梯/迴圈裡磁性材料帶的匝數決定，其在所有迴圈中可以完全相同以為所有階梯/迴圈提供同樣厚度，例如，約20毫米。
更特別地，每個接下來階梯ri+1的寬度的wi+1離散地減少，藉此形成所期望的階梯狀構造。例如，在一些實施例中該階梯狀構造的每個接續階梯ri+1(其中第一階梯r1是最內層階梯)的帶寬度wi+1減少T．tg(30°)的量，其中T為階梯r1到r8的厚度33。因此，在此30°坡度的階梯狀構造中每個接續階梯ri+1的厚度可以如下計算：(1)w i+1=w i -T．tg30°=w i -0.577．T
因此，如果每一階梯ri的厚度為20毫米，則在此30°階梯狀構造中每個接續階梯ri+1的厚度為w i+1=w i -11.54mm。在示例於圖3A-C的實施例中最外層的階梯w8(即，具有最小寬度的階梯)不符合方程(1)，而它的寬度實際上進一步減少(即，w 8<w 7-T．tg30°)以獲得該磁心腿14的較小外部側表面。
使用該框架12之外部表面112的如此階梯狀構造造成該腿 (L12)及軛(Y12)部的一直角梯形橫截面形狀具有銳角60°。因此，當組裝框架12以建構磁心11時，藉由接合相鄰坐落框架12的每對腿部而獲得的磁心腿14的橫截面係由兩個反射對稱的多邊形(例如，具有的銳角60°的直角梯形)組成，因而造成該磁心腿14的一五邊形橫截面形狀。
參照圖3C，在一些示例性的實施例中，磁心框架12的捲繞製程是由使用具有預定的一長度和最大寬度23(w1)之軟鐵磁帶捲繞該最內層多層階梯起始。進行該階梯r1的捲繞直到獲得一要求厚度33(T)，例如約20毫米。此後，使用具有預定的一長度和小於用在該第一迴圈之帶寬度的一寬度(w2<w1)之另一軟鐵磁帶捲繞下一個多層迴圈r2在其上，以形成下一個多層階梯r2，多層階梯r2被捲繞直到獲得一期望階梯厚度33(T)。此製程對多層迴圈/階梯r3到r8相仿地進行。該捲繞帶的最後一層可以固定到相鄰層，例如，藉由焊接。
用於形成該磁心之階梯狀設計的一單一階梯r1的層的量，以及在每一階梯中複數個層的幾何尺寸，取決於該三相變壓器10設計用於的工作功率。
在捲繞該磁心框架12之後，該多層框架12可經過一退火製程，其參數(例如，溫度和持續時間)是基於製成該框架12之捲繞帶的合金類型所決定。該磁心框架12可在心軸仍插在其中時被退火。退火可在一外部磁場有或沒有施加於該磁心框架12時進行。在一些實施例中，退火後的磁心框架在一真空室中，或在超音波槽中，以一有機黏合材料(例如，環氧樹脂)浸漬。浸漬後，磁心框架12被放置在一受控溫度的環境。接著，從磁心框架12移除心軸。
參照圖2C，在一些實施例中局部相鄰磁心框架的相接合腿部L12被一個或多個電絕緣層17彼此分開。有了此階梯狀構造，放置於該磁心電路11的磁心腿14之上的線圈區塊13可呈現五邊形形狀以緊密安裝於該磁心腿14的五邊形橫截面形狀之上。例如，線圈區塊13可使用任何合適的繞線技術(例如，使用木材心軸)來製備。
根據一些可能的實施例，圖4A到4E例示三相變壓器59，其中磁心腿14具有一圓形橫截面周圍形狀。在此例子中，該磁心電路11的磁心框架12是由複數個多層迴圈建構而成，每一多層迴圈是由一捲繞的 磁性材料帶建構而成，以配置成提供該複數個框架之內部表面I12的一階梯狀構造，以及該複數個框架之外部表面E12的一彎曲橫截面形狀。更特別地，在此例子中每一框架12的內部表面I12配置成具有一中央窗口W12的一截頭階梯金字塔(例如，基座與複數個面有一30°角)的形狀，以及該框架12之腿部L12的外部表面配置成定義一彎曲橫截面形狀，使得相鄰框架12之相鄰坐落腿部L12的相接合腿部形成該磁心腿12的一圓形橫截面周圍形狀。如在圖4B中看得最清楚，有了此構造，該元件59之每一電力相位的磁心腿提供由放置於磁心腿14之上的線圈13(例如，具有圓形的內徑)所包圍空間裡該框架12的磁心材料最大佔位。在此情況下每一階梯/迴圈的厚度T應是最小，其中厚度T可基於該變壓器之功率的特定性質(例如，變壓器功率)來決定。
例如，為了得到磁心腿14的如此圓形橫截面形狀，在一些實施例中框架12的至少一些內層迴圈(例如，t1到t5)以它們的厚度的一遞增次序一個疊一個捲繞，並且框架12的至少一些外層迴圈(例如，t6至t11)以它們的厚度的一遞減次序一個疊一個捲繞。
在一些實施例中磁心框架由捲繞的磁性材料帶之數個矩形多層迴圈製作，每一個迴圈由具有完全相同寬度及一不同中央開口及不同匝數的帶製造。在此構造中帶寬度定義該多層迴圈的厚度(T)，使得使用具有相同寬度的磁性材料帶產出具有相同厚度的多層迴圈，並且其寬度由每一迴圈中的匝數定義，如圖7C所展示。有了此技術，磁心框架可藉由就它們的寬度一個疊一個同軸地堆疊(重疊在一起)多個該矩形多層迴圈來建構，以形成具有一期望橫截面形狀的磁心框架。
眾所週知磁感應元件之磁心的特性決定該元件的各種特性，如感應線圈的尺寸和形狀。例如，在三相變壓器裡，變壓器的設計、變壓器線圈的尺寸和形狀、以及變壓器的整體尺寸，是基於變壓器之磁心的幾何和結構特性來決定。
因此，本申請案的磁感應元件之各種特性可基於該磁心腿(在圖1A-1B中的4和在圖2B-2C和圖4B中的14)的直徑Dout以及建構它們的框架腿部之階梯狀構造有利地決定。如上面參考圖4A-4E所例示，框架的階梯狀構造可被調整以獲得具有一圓形橫截面周圍形狀的磁心腿。
在一些可能的實施例中該劃定該元件之磁心腿的圓的直徑Dout(顯示於圖4B)決定如下：
其中，Score是該磁心之計算而得出的橫截面面積(單位厘米)(藉由相關於磁感應元件的電氣計算所獲得)，例如，對於一三相變壓器，Score可基於該變壓器的功率、效率、操作頻率以及磁心材料的特性(例如，在非晶形金屬帶用於建構該框架的情況下，非晶形帶中的材料的感應、電氣損耗等)來決定，b1是該多層迴圈ri的厚度T(單位厘米，在圖3C中33)，n1是迴圈(r1，r2，...)的數目；K1是以該磁心之梯狀橫截面面積填充具有一直徑Dout的一圓面積的一係數。K1可基於該變壓器功率來決定。例如，在圖4A-4E例示的一些實施例，該填充係數K1約1.05至1.25，例如，用於帶寬度b1=20mm的填充係數和用於帶寬度b1=10mm的填充係數大致符合如下之二次關係，。
等式(2)因此可用於計算該元件之磁心腿的一橫截面直徑Dout，以及相應地將要裝在磁心腿上線圈區塊13的幾何尺寸(例如，尺寸和形狀)，並且磁心框架12之內部窗口W12的幾何尺寸可基於該磁心的計算而得橫截面腿直徑Dout來決定。
圖5A至5C描述根據一些可能的實施例的磁感應元件58，其中磁心框架62a、62b和62c(在此統稱為框架62)是藉由一個疊一個同軸地堆疊多個多層迴圈L1、L2、...、L8所建構。在此實施例中該多個多層帶狀迴圈Li(例如，1 i 8)一個疊一個堆疊以提供該框架62之內部表面72i的一階梯狀構造並形成一中央窗口W62以容納線圈區塊(63)。例如，該多層迴圈Li可由具有一固定寬度T的帶加以製造，寬度T因而為該階梯狀構造的階梯/迴圈定義一固定厚度。每一迴圈Li裡的匝數可以不同，以調整每一迴圈Li之腿部的寬度wi以獲得該框架62之內部表面72i上的一截頭階梯金字塔結構(例如，該金字塔基底和面之間具有30°角度以及一中央窗口W62)。在一些實施例中每一迴圈Li之腿部的寬度wi更進一步調整以在每一 多層迴圈Li獲得具有不同幾何尺寸(例如，高度和/或寬度)的一內部開口(在圖7A中的I12)以藉此配置該外部表面72e的橫截面形狀以及該框架62的中間側72m的橫截面形狀，使之呈現一圓形周圍形狀。
如圖5A至5C中所見，框架62的每一個藉由一個疊一個同軸地堆疊多個多層迴圈Li所組合成。在此例子中的磁心電路11藉由以一角度60°相對於彼此放置三個這樣的多迴圈框架62所組合成，並且相互接合局部相鄰磁心框架62之腿部的階梯狀側邊區域，以藉此獲得該軛Y68部的一等邊三角形結構。成對的局部相鄰磁心框架62之相接合腿部形成該磁心電路11的磁心腿64ab、64bc、及64ca(在此統稱為磁心腿64)。在此例中，線圈區塊63ab、63bc、及63ca(這此統稱為線圈區塊63)，其分別放置在磁心腿64ab、64bc、及64ca之上，一般為圓形的形狀(即，具有圓形的周圍)以緊密包圍磁心腿64。線圈區塊63可各自包含初級和次級繞組，其中次級線圈繞組被初級線圈繞組同軸地圍住，如上所述。
在一些可能的實施例中多層迴圈的寬度Di(例如，1 i 8)和/或至少若干迴圈Li中的內部開口I12的幾何尺寸係不同，而且該迴圈係一個疊一個同軸地堆疊，使得在該所建構框架62的側向側區域66s和中間側區域66m上形成彎曲橫截面形狀。以這種方式，該迴圈Li的寬度Di和內部開口I12的幾何尺寸可如此調整，以取得藉由接合該框架62之腿部的階梯狀側區域所獲得的該磁心腿64的一圓形橫截面周圍，俾以形成該磁心之三角形稜柱結構。
例如，在可能的實施例中，磁心框架62藉由從外層迴圈(例如，L8，其具有迴圈寬度W8)開始以迴圈寬度(例如，W8至W6)的一遞增次序同軸地堆疊一個或多個迴圈，然後在其上以迴圈寬度(例如，W5至W1)的一遞減次序一個疊一個同軸地堆疊一個或多個迴圈，所建構。支撐單元68y及68l(例如，支撐帶)可環繞包覆該框架62之軛和/或腿部的區域以固定並防止堆疊的迴圈Li移動，並藉此維持該框架62的階梯狀構造。在一些可能的實施例中磁心框架62的各堆疊的迴圈Li更進一步藉由熱熔黏合彼此黏附。
在一些可能的實施例中該劃定該元件之磁心腿的圓的直徑Dout’(顯示於圖4B)決定如下：
其中，Score是該磁心之計算而得出的橫截面面積(單位厘米)(藉由相關於磁感應元件的電氣計算所獲得)，例如，對於一三相變壓器，Score可基於該變壓器的功率、效率、操作頻率以及磁心材料的特性(例如，在非晶形金屬帶用於建構該框架的情況下，非晶形帶中的電氣損耗、材料的感應等)來決定，b2是該所捲繞之帶的寬度T(單位厘米，在圖5C中69)，n2是在每個框架中迴圈的數目；K2是以該磁心之梯狀橫截面面積填充具有一直徑Dout’的一圓面積的一係數。K2可基於該變壓器功率來決定。
例如，在圖5A-5C例示的一些實施例，該填充係數K2約1.03至1.2，例如，用於帶寬度b2=20mm的填充係數和用於帶寬度b2=10mm的填充係數實質上符合如下二次關係。
等式(3)因此可用於計算該元件之磁心腿的一橫截面直徑Dout’，以及相應地可將要裝在磁心腿上線圈區塊13的幾何尺寸(例如，尺寸和形狀)、以及磁心框架62之內部窗口W62的幾何尺寸，基於該磁心的計算而得橫截面腿直徑Dout’來決定。
圖6是展示本申請案之磁感應元件的可能製作技術的流程圖。一個或多個磁心框架可由多個具有相同寬度的磁性材料帶製作，其係藉由：製備多個矩形多層迴圈(Li)，每一個迴圈具有相同的厚度(即，等於帶的寬度)、以及可選地它們的內部開口之不同的寬度和大小(即，由帶的匝數決定)；及一個疊一個同軸地堆疊該多層迴圈，以形成該框架之內部表面的階梯狀構造、和/或該框架之外部表面及中間側的彎曲橫截面形狀，如在步驟70-71所指定。
或者，磁心框架中的一個或多個可藉由依次捲繞多個磁性材料帶來製作，至少一些帶具有不同的帶寬度，其中帶就它們的寬度一個疊一個依次捲繞，以藉此獲得該框架之內部表面的一階梯狀構造、以及可選地該框架之外部表面及中間側的彎曲橫截面形狀，如在步驟72所指定。
該磁心框架12可以由一具有軟鐵磁特性的合金製成之非晶 形金屬帶製作，如該元件10的磁心電路所可能需要的。眾所週知非晶形帶具有良好的的鐵磁特性，而且在該元件之結構的實際實作中該元件10之磁心電路11的結構得益於這些特性。磁心框架12可使用一傳統繞線機製造，以將磁性材料帶捲繞在一矩形心軸之上，該心軸的尺寸相應於磁心框架12的內部窗口W12，並且其較佳地具有圓角。例如，該磁心框架可如在步驟70-71中所指定般製作，其係使用具有一25微米厚度的帶，將該帶纏繞以生產具有一約20毫米厚度T的複數個多層迴圈。要注意到，現今市售非晶形帶通常可獲得之寬度係在20至230毫米之範圍。
接著，在步驟73中，該磁心框架經歷一退火製程。例如，在步驟70-71和/或在步驟72中獲得的經捲繞的磁心框架(可選地與該磁性材料迴圈捲繞於其上的心軸一起)可置於在一爐中的一熱處理製程(例如，在溫度400℃)，然後維持在該爐中以緩慢冷卻。
在步驟74中該磁心框架以膠結清漆(例如，環氧樹脂)浸漬，然後在爐中乾燥，例如在約130℃的溫度。然後在步驟75該磁心框架被橫向切割以架設該被切割框架的下部並把線圈區塊放置在它們的腿部之上，如在步驟76-77所指定。參考圖7A至7D，在一些實施例中該捲繞磁心框架12沿著一橫向軸，61或62s，被切割成上部∩12和下部U12部份。如在圖7C所例示，在可能的實施例中該磁心框架或多或少沿著它們對稱軸62s被切割成對稱的∩形(∩12)和U形(U12)部分。在其他可能的實施例中，如在圖7B所展示，該框架可在框架中心的上方切割以獲得非對稱∩形(∩12)和U形(U12)部分。
在此例子中，顯示於圖7A的第一迴圈的高度H12，可為約1120毫米，而且該軛K12的寬度可為約636毫米。
在步驟76中框架12a，12b和12c的三個U形下切割部U12(例如顯示於圖7D)，被固定到該元件的基座18。該基座18可包含相應的溝槽，其配置成以一60°角度相對於彼此以接納該下切割部U12的軛部，以將它們架設到基座18上。如上所述，該下切割部U12之腿部的階梯狀區域係與局部相鄰下切割部U12之腿部上的階梯狀區域相接合，藉此形成磁心11之磁心腿(14)的較低部分。然後，在步驟77中，每一相位的線圈區塊(13)(例如，由初級繞組(15)和次級繞組(16)組成)被架設在磁心腿(14)的相 應下部部分U12。
此後，在步驟78中，該磁心框架(12)的三個相應∩形上切割部∩12垂直地架設在各自的下切割部U12頂上，藉此恢復該磁心框架(12)的矩形結構。接著，在步驟79中，上夾緊板20被架設在恢復的框架(12)(該上及下切割部可藉由板18和20及固定螺栓彼此附著，如顯示在圖2A位於20處)頂上，以及最後，在步驟80中，架設引出線和連接的母線。
在一些實施例中四個拉伸螺椿用於將該元件部件固定在一起。例如，一中央拉伸螺椿和三個週邊拉伸螺椿可用於固定該元件部件。
上述配置允許多次拆卸/組裝該元件10，而不對該元件的結構部件造成任何損壞。這將有助於修復該元件(如果需要)，並可以節省其需要的工作和材料。
如上所述，在一些實施例中該磁心框架12由矽鋼條製作。在這樣的應用中，該磁心環路11裡可能蒙受較大損失，然而，該磁心11如此實作可用於磁感應元件10有效性和效率方面要求較低的應用中。
框架12的繞組可以使用一鋼心軸製作。在一些實施例中該心軸的橫截面形狀為矩形，其具有磁心框架12之內部窗口W12的幾何尺寸。例如，該心軸的厚度可大致相等於最內層多層階梯/迴圈r1的寬度(在圖3C中w1)。帶中的機械張力可根據需要的捲繞密度係數(通常是0.8-0.9)來設定。
進行根據本發明之技術製作的一三相變壓器的計算模擬，並且該結果與使用習知三相變壓器(其具有由矽鋼製成的平面“E+1”磁路)所獲得的結果比較。該模擬對設計成有630千伏安工作功率、22千伏初級電壓、及400 V次級電壓的三相變壓器實施。
該模擬結果表明使用本發明之技術建構的三相變壓器的有利特點，尤其包括以下特點：‧總重量減少約30-40%；‧無負載損失減少72-84.6%的範圍；‧負載損失減少7-14%；‧將該元件的效率提高至高達99.2%；以及‧該元件體積減少約30-40%。
眾所週知，相較於矽鋼條，非晶形帶有較低的磁損耗。今日，存在著一些由非晶形帶製成具有“E+1”磁性系統配置的電力變壓器樣品，像是，例如，TE790/10.1型，BEZ Transformatory，布拉迪斯拉發，斯洛伐克。這種變壓器相對較重(約是由矽鋼條製成的“E+1”的1.5倍重)，並有一相對較大的幾何尺寸。然而，由於使用一非晶形材料，這些非晶形帶變壓器的磁損耗是傳統矽鋼變壓器的磁損耗的2倍小。
吾人發現，相較於傳統非晶形高功率變壓器，電力變壓器，其中磁性系統由非晶形帶製成並且具有本發明的結構特點(例如，具有由在框架的至少一表面上具有一階梯狀構造的三個框架建構而成的一磁心)，具有以下優點：‧大幅減少磁損耗(無負載損失)-約2倍少於傳統非晶形高功率變壓器的磁損耗；‧大幅減少變壓器的重量-本發明的變壓器的重量約1.8倍輕，即變壓器重量減少到約55%。
表1顯示本發明的三相變壓器與傳統三相變壓器的各種參數比較。
(*環形線圈：基於美國專利號6,792,666中變壓器組態)
上述的實施例和描述，當然是僅用於說明的目的而提供，並且不打算以任何方式限制本發明。如熟悉本領域技術人員所理解的，本發明可以非常多各種方式實行，採用一種以上上面描述的技術，都不超出本發明範圍。
L12‧‧‧側腿部
W12‧‧‧中央窗口
Y12‧‧‧軛部
1‧‧‧磁心環路
2a、2b、2c‧‧‧磁心框架
13ab、13bc、13ca‧‧‧線圈區塊

Claims (21)

  1. 一種用於三相磁感應元件的磁心，該磁心包含三個磁心框架，該三個磁心框架形成磁心腿以在其上架設該三相磁感應元件的線圈，每個磁心框架由捲繞的磁性材料帶製成，該磁心的特徵在於：該等磁心框架每一者係由複數獨立的多層迴圈加以建構，該等多層迴圈具有一迴圈寬度不同於該框架中的其他迴圈；該框架的各迴圈係由具有定義該迴圈厚度之一預定帶寬度的捲繞的磁性材料帶分別製成；及形成該框架的該多個迴圈係一個疊一個地加以同軸地堆疊，使得沿著該框架的內部和外部表面形成階梯狀構造，在該磁心中將該等磁心框架佈置成該等框架的內部表面彼此面對，藉此形成一三角形稜柱體結構，使得每個框架的階梯狀構造變成與局部相鄰框架的階梯狀構造接合，藉此形成該磁心的三個磁心腿以在其上架設該三相磁感應元件的線圈。
  2. 如申請專利範圍第1項之用於三相磁感應元件的磁心，其中該等多層線圈係以選自由非晶形金屬、非晶形合金、及奈米晶體合金所組成群組的一材料製成。
  3. 如申請專利範圍第2項之用於三相磁感應元件的磁心，其中該磁性材料帶的寬度係在10至20mm的範圍。
  4. 如申請專利範圍第1-3項其中任一之用於三相磁感應元件的磁心，其中該等框架的腿部和軛部的橫截面形狀實質為直角梯形，使得藉由接合該等框架的階梯狀構造所取得之該等磁心腿的橫截面形狀實質為五邊形。
  5. 如申請專利範圍第1-3項其中任一之用於三相磁感應元件的磁心，其中，該等多層迴圈是由具有相同帶寬度的磁性材料帶捲繞而成，藉此對該等多層迴圈的每一個和對應的階梯每一者定義實質相同的厚度。
  6. 如申請專利範圍第1-3項其中任一之用於三相磁感應元件的磁心，其中，該等多層迴圈中的至少一些以其迴圈寬度遞減的次序一個疊一個同軸地堆疊。
  7. 如申請專利範圍第1-3項其中任一之用於三相磁感應元件的磁心，其中，該等多層迴圈中的至少一些之中央迴圈開口的尺寸係不同，並且其中該等多層迴圈中的至少一些相對於它們的中央開口的幾何尺寸以它們迴圈寬度遞增的次序一個疊一個加以堆疊，並且該等多層迴圈中的至少一些相對於它們的中央迴圈開口的幾何尺寸以它們的迴圈寬度遞減的次序一個疊一個堆疊，藉此以形成該等磁心腿的一圓形橫截面周圍形狀，該等磁心腿係藉由接合局部相鄰複數個框架之階梯狀構造而獲得。
  8. 如申請專利範圍第7項之用於三相磁感應元件的磁心，其中該等多層迴圈是由具有相同帶寬度的磁性帶製成，且其中該等磁心腿的直徑係藉由以下等式決定： 其中Score是該磁心之計算而得出的橫截面面積，b2是帶寬度，n2是在每個框架中多層迴圈的數目，及K2是基於該磁心的一填充因數或一功率因數所決定的係數。
  9. 如申請專利範圍第8項之用於三相磁感應元件的磁心，其中K2係數的範圍為1.03至1.2。
  10. 一種三相磁感應元件，包含一磁心，該磁心具有三個磁心框架，該三個磁心框架建構成形成磁心腿以在其上架設該三相磁感應元件的線圈，每個磁心框架由磁性材料帶製成，特徵在於：該等磁心框架每一者係由複數獨立的多層迴圈加以建構，該等多層迴圈具有一迴圈寬度不同於該框架中的其他迴圈；該框架的各迴圈係由具有定義該迴圈厚度之一預定帶寬度的捲繞的磁性材料帶分別製成； 形成該框架的該多個迴圈係一個疊一個地加以同軸地堆疊，使得沿著該框架內部和外部表面形成階梯狀構造；及在該磁心裡該等磁心框架佈置成該等框架的內部表面彼此面對，藉此形成一三角形稜柱結構，使得每個框架的階梯狀構造變成與局部相鄰框架的階梯狀構造接合藉此形成三個磁心腿。
  11. 如申請專利範圍第10項之三相磁感應元件，其中該等框架的腿部和軛部的橫截面形狀實質為直角梯形，使得藉由接合該等框架的階梯狀構造所取得之該等磁心腿的橫截面形狀實質為五邊形。
  12. 如申請專利範圍第10項之三相磁感應元件，其中，該等磁心腿具有一圓形橫截面周圍形狀。
  13. 如申請專利範圍第12項之三相磁感應元件，其中該等多層迴圈是由具有相同帶寬度的磁性帶製成，且其中該等磁心腿的直徑係藉由以下等式決定： 其中Score是該磁心之計算而得出的橫截面面積，b2是帶寬度，n2是在每個框架中多層迴圈的數目，及K2是基於該磁心的一填充因數或一功率因數所決定的係數。
  14. 一種三相磁感應元件，包含一磁心，該磁心具有三個磁心框架，該三個磁心框架建構成形成磁心腿以在其上架設該三相磁感應元件的線圈，特徵在於：每個磁心框架係由複數獨立的多層迴圈加以建構，該等多層迴圈具有一迴圈寬度不同於該框架中的其他迴圈；該框架的各多層迴圈係由具有定義該迴圈厚度之一預定帶寬度的捲繞的非晶形金屬帶分別製成；及形成該框架的該等多層迴圈係一個疊一個同軸地堆疊，使得沿著該框架的內部和外部表面形成階梯狀構造；及 在該磁心中將該等磁心框架佈置成該等框架的內部表面彼此面對，藉此形成一三角形稜柱體結構，使得每個框架的階梯狀構造變成與局部相鄰框架的階梯狀構造接合，藉此形成三個磁心腿。
  15. 一種用於三相磁感應元件的磁心之構建方法，該方法包含製備三個磁心框架，在該磁心裡配置該等磁心框架使得該等框架的內部表面彼此面對以形成一三角形稜柱結構，藉此形成三個磁心腿以在其上架設該三相磁感應元件的線圈，特徵在於：各框架係藉由將複數多層迴圈相對於該等多層迴圈的迴圈寬度一個疊一個同軸地堆疊而加以建構；至少一些該等迴圈具有不同的迴圈寬度，使得沿著該框架內部和外部表面形成階梯狀構造；及各多層迴圈係由捲繞的磁性材料帶分別加以製備，該磁性材料帶具有定義該迴圈厚度之一預定帶寬度。
  16. 如申請專利範圍第15項之用於三相磁感應元件的磁心之構建方法，其中製備該等多層迴圈包含捲繞該磁性材料帶使得在該等迴圈每一者中取得一預定的中央迴圈開口，至少一些該等迴圈的中央迴圈開口的幾何尺寸係不同的；且其中一個疊一個地堆疊該等多層迴圈包含將至少一些該等多層迴圈相對於它們的中央開口的幾何尺寸以該等迴圈的迴圈寬度遞增的次序加以堆疊，以及將將至少一些該等多層迴圈相對於它們的中央開口的幾何尺寸以它們的迴圈寬度遞減的次序一個疊一個地堆疊，藉此以形成該等磁心腿的一圓形橫截面周圍形狀，該等磁心腿係藉由接合局部相鄰複數個框架之階梯狀構造而獲得。
  17. 如申請專利範圍第15或16項之用於三相磁感應元件的磁心之構建方法，其中該等多層迴圈是由具有相同帶寬度的磁性帶製成，該方法更包含使用以下等式決定該等磁心腿的直徑： 其中Score是該磁心之計算而得出的橫截面面積，b2是帶寬度，n2是在每個框架中多層迴圈的數目，及K2是基於該磁心的一填充因數或一功率因數所決定的係數。
  18. 如申請專利範圍第15或16項之用於三相磁感應元件的磁心之構建方法，更包含將該等框架退火。
  19. 如申請專利範圍第15項或第16項之用於三相磁感應元件的磁心之構建方法，更包含在一黏合材料中浸漬該等磁心框架。
  20. 如申請專利範圍第15或16項之用於三相磁感應元件的磁心之構建方法，更包含於局部相鄰框架的接合階梯狀構造之間塗敷一或多層電絕緣材料。
  21. 如申請專利範圍第15或16項之用於三相磁感應元件的磁心之構建方法，更包含：將該複數個框架的每一個橫向切割成上部和底部部分；佈置該複數個框架的底部部分以形成一個三角稜柱結構並接合該複數個框架的局部相鄰底部部分的階梯狀構造以獲得該磁心的三個底部腿部；在該底部腿部的每一個之上放置至少一線圈；以及把框架的上部部分接合到它們各自的底部部分之上。
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