專利名稱：非晶態金屬連續磁通路徑變壓器及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種變壓器。特別地，涉及一種由非晶態金屬制成的變壓器。
背景技術：
變壓器運行所依據的原理是當安排兩根導線彼此鄰近、并且在其中一根導線上通入交流電流時，由于已知的電磁感應效應另一根導線上感生出交流電流。通過將導線卷繞成線圈并將線圈沿一共同軸放置，線圈中的電磁耦合量和因此的感生電流量將相較于直線平行的導線而言有所增加。還可通過將兩個線圈在彼此之上卷繞以進一步增加耦合。也可以通過在線圈內置入被稱作鐵芯的鐵磁質以增加耦合。在過去時間里鐵芯已被改進以減小損耗。在低頻應用中，例如在國家電網(通常 50-60Hz)中使用的變壓器，為減小在鐵芯中的可導致熱損的渦流，鐵芯通常被制成層狀。在美國所生產的用作商業和工業應用的電是三相電。用于家庭應用的電通常也被生產具有三相，但在大多數的應用中只有一個相在使用，其它相被用在其它家庭中使用。如上文所提及的，在變壓器設計中一個重要的問題是能量損耗，并且在分布式能源行業中能量損耗的機率是巨大的。從發電站開始，使用升壓變壓器在高壓下沿輸電線輸送電力，該升壓變壓器在這里也被稱為發電變壓器。然后使用各級降壓變壓器，包括變電站變壓器和配電變壓器以降低電壓至可使用的水平，例如110-240伏特，用于住宅和工業用戶。估計所有發電中的10%由于配電的低效性損耗掉了。在變壓器中形成的損耗有兩種類型隨變壓器負載變化的負載損耗或線圈損耗，以及開路損耗或鐵損，該開路損耗發生在磁芯中并且無論有無負載其在變壓器中始終存在。在配電中開路損耗代表了能量損耗中很重要的一部分。因此很多工作都致力于改進變壓器鐵芯就不再讓人驚訝了。為易于理解在變壓器制造中所涉及的各種問題，需區分兩種類型的變壓器單相變壓器和三相變壓器。就單相變壓器而言，單獨的初級繞組與單獨的次級繞組一起共享其電磁通量。為提高磁通流量，一般使用鐵磁芯為兩個線圈提供一共同的磁通路徑。在圖1中示出一個單相鐵芯的形狀，即環狀變壓器鐵芯100。然而應當清楚的是，一旦鐵芯形成，為將作為初級線圈102的銅繞組置于鐵芯100上，將一足夠小的能穿過該鐵芯的窗口 106的纏線管重復穿過所述窗口，以使線圈卷繞在該鐵芯上。至于次級繞組106，纏線管必須足夠小以適應因初級繞組導致的減小的窗口大小。一可供選擇的方法是單獨形成繞組，為了使該線圈滑入到鐵芯之上需切割鐵芯。但鐵芯的切割在鐵芯材料的連續性中造成無數的中斷，這在磁通路徑中導致干擾以及鐵損。通常通過隨后退火鐵芯材料以極小化這些損耗來解決該問題，這將在下文中進行詳細討論。
在三相電力中，初級繞組和次級繞組或以三角形接法(圖幻連接，或以Y形接法 (圖3)連接。多年以來已經發展出多種鐵芯形狀，包括圖4所示的E型鐵芯，該鐵芯包括E字形的三支柱部分400以及一直桿部分402，該直桿部分閉合E形部分的開口側。所述E形部分包括中支柱404，頂支柱406，以及從軛架(yoke) 410延伸出的底支柱408。E形鐵芯被普遍用在50-60HZ，并且既可呈殼式結構(將初級和次級繞組圍繞中桿或支柱404在彼此之上卷繞)，也可呈芯式結構(將初級和次級繞組分別圍繞頂支柱406和底支柱408卷繞)。為了減小渦流損耗，該鐵芯通常由在彼此之上堆疊的金屬薄層構成。例如在E形鐵芯中，從金屬帶中裁切出具有定長和適當形狀的軛架410、支柱404、406、408以及直桿402，該金屬帶通常以卷筒形式運送。然后將各種裁切部分在彼此之上堆疊成層以形成預期形狀。已經發展出各種在拐角處的疊合層形狀，例如搭接接頭和階梯接縫形狀，以極小化由于在拐角處磁通方向的變化弓丨起的損耗。已經發展出一類型的變壓器以避免一些與鐵芯的拐角處的鐵損相關的問題，其包括將被稱為繞組變壓器鐵芯的鐵芯。替代在彼此之上堆疊金屬層來確定鐵芯的支柱和軛架部分，通過卷繞數個多層金屬環并將金屬環組合成不同結構以形成鐵芯。Cogent Power和Metglas已經生產出大型的單相卷繞鐵芯，以及一些三相卷繞鐵芯。由安大略省伯靈頓市的Cogent Power有限公司制造的三相鐵芯與Metglas的三相鐵芯的設計相同，包含一 5-支柱的設計，如圖5所示，其包括4個并排設置的圓角方形、環狀或環形鐵芯元件。另一個Cogent Power三相鐵芯的設置利用三個圓角矩形形狀的鐵芯，如圖6所示，一個大的環形鐵芯形成該結構的外周邊以及兩個較小的環形鐵芯設置在較大鐵芯的內部。這些鐵芯具有的優勢在于可避免用在拐角處的疊合鐵芯層，并因此在鐵芯上放置(接合)線圈之前提供一連續磁通路徑。然而，為將銅繞組或線圈放置在芯柱上，這些結構通常都需要切割鐵芯材料并在線圈安裝后重新接合切割條。該切割和重新接合的過程在芯層中產生裂紋，該裂紋明顯地增加鐵芯損耗。在專利號為6，668，444的美國專利中還討論了另一種結構，該專利于2001年4月 25日提出申請并在2003年12月30日獲得授權，專利權人Ngo。該結構如在圖7中所示， 其需要切割鐵芯材料的帶，然后將切割后的帶重組成組合700，這些組合700按照錯開排列形狀設置以確定一臺階重疊形狀的帶束702，隨后將多個臺階重疊形狀的帶束在彼此之上放置并與相鄰的臺階重疊形狀的帶束組接合。應當清楚的是，雖然這些鐵芯結構利用具有卷繞形狀的層可消除在鐵芯層中的帶有中斷的尖銳轉角，但是在非晶態金屬帶中該結構通常包含數百個甚至數千個裂紋，該裂紋在磁通路徑中導致大量的阻斷，并因此在鐵芯中導致損耗。這就促使了卷繞鐵芯結構的發展，該鐵芯結構卷繞而成而避免了為將變壓器線圈放置在支柱上而切割鐵芯支柱的需要。為了本申請起見，這種不切割的卷繞鐵芯被定義為連續磁通路徑變壓器鐵芯，因其消除了鐵芯層中方向的驟變以及磁路中斷。特別地，為獲得該連續磁通路徑結構，變壓器線圈需被卷繞在鐵芯支柱上而不是被單獨卷繞然后再將其放置在支柱上。這可通過兩種方法實現。一種方法是利用纏線管穿過變壓器鐵芯的窗口。然而如上文所提及的，纏線管的使用非常受設計約束的限制，因在芯柱之間需要足夠的窗口面積以允許纏線管穿過窗口，即使當其它芯柱上已經卷繞有線圈時，這種情況具有減小窗口大小的作用。作為本發明基礎的另一個方法需要使用繞線管，該繞線管以可旋轉方式圍繞支柱附接在其上，并因此可通過旋轉該管使線圈卷繞在支柱上。然而，這需要支柱截面大體呈圓形以極小化鐵芯支柱和線圈繞組之間的間隙。為了本申請起見，術語“大體呈圓形的截面，， 將指的是具有多于4個邊(比簡單的正方形或矩形多)的多邊橫截面，其用以增大線圈繞組所確定的圓周內的鐵芯材料的填充因數，該繞組繞芯柱卷繞，并相較于正方形或矩形的截面芯柱所提供的填充因數而言，其可提供一更大的填充因數。為獲得這種非矩形橫截面， 鐵芯由一組復雜的斜邊環構成，與具有簡單的環形鐵芯元件組的情況相比，該構成需要一明顯更加復雜的工藝過程并需要更多的操作。一個這樣的鐵芯結構是hexaformer鐵芯，該鐵芯如在圖8中示出，從2000年3月 16日起已經可公開獲得。這種鐵芯結構在美國專利申請09/623，觀5(美國專利6，683，524， 專利權人Hoglund，于1999年9月2日提出PCT申請)中得以詳細的討論。所述hexaformer 鐵芯設置了具有六邊形截面的支柱，其足夠圓因此可以使用繞線管將線圈卷繞在支柱上同時具有高的填充因數(在繞線管上卷繞的線圈確定的周邊之內的鐵芯材料)。另一種允許卷繞在支柱上的連續磁通路徑鐵芯的結構是在美國專利2，544, 871中所描述的Wiegand 結構，該專利的專利權人是Wiegand，于1947年4月M日提出申請并在1951年3月13日獲得授權，該結構使用平行直邊的卷繞材料帶。允許在支柱上卷繞的其它兩種連續磁通路徑鐵芯是中國的Haihong制造的Haihong鐵芯，以及在美國專利4，557，039中所描述的 Manderson鐵芯，該專利的專利權人是Manderson，于1982年7月20日提出申請并在1985 年12月10日獲得授權，與hexafoemer鐵芯和Wiegand鐵芯不同的是這兩者使用的是斜邊卷繞材料。在另一種方法中，為減小鐵芯損耗，發現使用非晶態合金作為鐵芯材料十分有趣。 然而，由于非晶態金屬的本質，該本質將在下文中詳細討論，由非晶態金屬制成的鐵芯只具有一簡單的結構，在其中，鐵芯的支柱具有簡單的正方形或矩形橫截面。在Attarian的美國專利6，844，799中描述了一個這樣的非晶態金屬變壓器，在其中描述了非晶態金屬疊片的使用。在Attarian的專利中所描述的一種類型的非晶態金屬是鈷-基(Co-基)非晶態金屬合金，或者也可能是包含釩的鈷-鐵(CoFe)合金(例如，具有49% Co,49% Fe和2% 釩(V)的Coi^e-V)。如在Attarian的專利中所描述，非晶態金屬合金通過熔融金屬的快速凝固制成并且呈現出極好的磁性，如在由AM0TECH(Advanced Material On Technology)發行的未注明日期的名稱為“AMOS. RTM. Amorphous Cores”出版物中的標題為“非晶態金屬合金”(Amorphous Metallic Alloys)的文章中所描述的一樣。然而如上文所提及的，非晶態金屬具有特殊的物理性質，該性質使它比硅鋼更難于使用。非晶態金屬由于其本質是一種非常薄且光滑的材料，其缺乏剛度因此質地及其松軟且很難處理。用于制造鐵芯的非晶態金屬層通常明顯地比在硅鋼變壓器中使用的硅鋼層薄。非晶態金屬層具有的厚度大約只有0.001英寸(0.0254mm)，因為非晶態金屬的制造需要非晶態合金快速冷卻以在加工中消除晶粒結構，因此需要合金被制造得非常薄。據此，比任何硅鋼層大約薄8到12倍的非晶態金屬層通常被用在變壓器中，并且該金屬層非常光滑。即使被制成具有數百個非晶態金屬層，其質地依然松軟并且不具有在制成的擁有相同厚度的硅鋼中發現的自承重剛度。因此在過去，非晶態金屬變壓器鐵芯主要限于具有C形鐵芯或環狀鐵芯的單相變壓器的使用，該C形鐵芯或環狀鐵芯典型地呈具有圓抹角的方形甜甜圈結構，例如在Metglas網站www, metglas. com上所描述的或者例如未加工的三相鐵芯，其包含多個并排排列的環狀鐵芯以形成5-支柱或3-支柱設計。這些鐵芯具有正方形或矩形截面的支柱，因此不適合利用線圈管在支柱上卷繞變壓器線圈，因為在線圈和鐵芯間的填充系數將非常低。上文所描述的Ngo鐵芯已經使用非晶態金屬來制造，但其支柱截面還是簡單的正方形或矩形，因此不適合利用線圈管在支柱上卷繞變壓器線圈。為避免損耗和減少對于通常與切割鐵芯相關的退火的需求，本發明提供一種至少部分由非晶態金屬制成的連續磁通路徑三相鐵芯。
發明內容
根據本發明，這里提供一種包含連續磁通路徑鐵芯結構的三相變壓器鐵芯，其中該鐵芯至少部分地包含非晶態金屬。為了本申請起見，術語“連續磁通路徑鐵芯”包括為將變壓器線圈置于鐵芯上而不用切割的卷繞鐵芯。所述鐵芯可以部分由非晶態金屬以及部分由硅鋼制成，該硅鋼可以是晶粒取向硅鋼也可以是非晶粒取向硅鋼。比如，可使用少數層，例如使用兩個硅鋼層以形成所述鐵芯的內部層，接下來在其上形成數百個或數千個非晶態金屬層，接下來可選擇地在鐵芯的中間形成幾個硅鋼層，接下來形成另外數千個非晶態金屬層，并在最終形成幾個硅鋼層以形成鐵芯的外部層。為具有更大的剛度至少對內部硅鋼層進行處理，例如，通過在其上涂上清漆并且烘烤，以形成一用于支撐非晶態金屬的內殼體(inner tube)。為了本申請起見，同時包括非晶態金屬和硅鋼的鐵芯將被稱為混合鐵芯。作為本發明的一個方面，包含有多個環的混合連續磁通路徑變壓器鐵芯可以由一些全部或主要由非晶態金屬卷繞而成的環以及一些由硅鋼卷繞而成的環構成。只要硅鋼層(或其它的剛度比非晶態金屬高的支撐材料層)被散置在非晶態層中或被卷繞在非晶態環的外部或內部以賦予非晶態環更高的結構完整性，這種支撐層將在這里被指作形成內骨架。替代在非晶態金屬層中使用硅鋼層以支撐非晶態層，或作為對這種硅鋼層的補充，至少非晶態金屬層中的一些可使用聚合物相對于彼此固定，該聚合物至少包含一種在層間的樹脂，例如，以粉末狀或細霧狀靜電涂敷所述樹脂。聚合物也可被應用在鐵芯的外表面，例如，使用綁扎帶(也被稱為固定綁帶(stator banding)的浸漬樹脂的條帶)或以液體或膏體將聚合物刷在或噴涂在鐵芯上以形成聚合物層或殼層來覆蓋鐵芯。玻璃纖維材料如玻璃纖維短絲可以被包含在樹脂中涂敷在鐵芯的外表面，或可以在樹脂完全固化之前被隨后涂敷在鐵芯表面的樹脂層上。為了本申請起見，任何環繞鐵芯外表面形成的外殼層比如樹脂層或涂層也被稱為外骨架。所述連續磁通路徑鐵芯可包括三個框架，每一框架包括多個置于彼此內的環或圈或卷圈(例如，三個環)，其中，所述框架包括大體直線平行的支柱部分，該支柱部分與相鄰框架的支柱部分結合以形成共同的鐵芯支柱以及形成鐵芯的頂部和底部的呈三角形狀的軛架組。因此該鐵芯結構可包括三個支柱以及形成三角形形狀的三個頂部軛架和形成三角形形狀的三個底部軛架，其中三個支柱分別位于三角形的三個拐角處、并垂直于該三角形的平面延伸。通過每一框架使用三個環或圈并將每一框架與兩邊的相同的框架連接，每一共有的支柱可被設置成具有如hexaformer鐵芯結構所提出的大體呈六邊形的橫截面(下面將討論)。每一圈中的層相對于彼此典型地被偏置以形成從側面看具有平截頭圓錐形狀的環或圈，并且形成框架的環或圈呈一定角度置于彼此之內(具有旋轉軸以形成框架)。多個環反而可以圍繞共同的旋轉軸在彼此之上卷繞以形成框架，該框架可與另一個類似的框架組合以形成具有大體呈圓形的橫截面的鐵芯支柱，其中，所述環中的至少一些包括非晶態金屬以形成非晶態金屬環或部分非晶態金屬環。另外，根據本發明，這里提供一種提高連續磁通路徑變壓器鐵芯的效率的方法，包括制作三個框架，其中每一框架由三個或多個至少部分是非晶態金屬的環或圈構成，設置所述框架以形成支柱部分以及軛架，并且通過接合框架的支柱將框架與鄰近框架連接。通過使用具有大致呈圓形的橫截面的鐵芯支柱，其中該鐵芯支柱允許在其上卷繞線圈因此避免了為將線圈接入到非晶態或部分非晶態鐵芯支柱上而切割鐵芯，本發明提供一種鐵芯和變壓器的制造工藝過程，該工藝過程使得退火步驟不再重要，或者視情況可允許不使用退火處理。就熱固化樹脂而言，可提供外部加熱，如將對流烤箱或紅外線爐用于樹脂固化的加熱。為本申請起見，術語“樹脂”和“聚合物”可替換使用。此外，根據本發明，這里提供一種使用非晶態金屬鐵芯或混合鐵芯制成的三相變壓器的方法，該方法包括制造具有三條支柱的非晶態金屬變壓器鐵芯，并使用繞線管將至少一個變壓器繞組卷繞在鐵芯上，因此避免為接入繞組而不得不切割鐵芯。另外，根據本發明，這里提供一種制造具有連續磁通路徑結構(如，hexaformer結構)的非晶態金屬變壓器鐵芯的方法，其中，所述鐵芯由三個框架構成，每一框架至少包括三個環，這些環中的至少一個至少部分由多個非晶態金屬層構成，該方法包括將多個非晶態金屬層相對于彼此固定避免它們相對于彼此滑動。通常非晶態金屬層從非晶態金屬卷筒上卷繞至卷繞頭上。將非晶態金屬層相對于彼此固定可能包括設置一內骨架，如包含在每一圈或環內的一組或多組硅鋼層以賦予所述環更高的剛度。可在層間涂敷樹脂以替代該固定方式或附加在該方式上。當卷繞非晶態金屬以形成一個圈時可從噴嘴將樹脂噴涂在非晶態金屬層上。樹脂可呈粉末狀或小液滴狀，可以被帶上靜電并被靜電涂敷在非晶態金屬層的一個面或兩個面上。作為對層間樹脂的補充或替代，可向鐵芯提供一外骨架。該外骨架可采取清漆涂層的形式。在向鐵芯刷涂清漆的情況下，對鐵芯的處理過程中可以包含烘烤-浸蘸-烘烤的工藝過程以去除水汽，并通過促動清漆的流動以增強清漆在鐵芯中的浸透能力。同樣，通過在鐵芯的外表面涂裝樹脂來形成一外骨架，用樹脂層覆蓋鐵芯以作為層間樹脂的補充或替代層間的樹脂。可通過將鐵芯浸入到裝有樹脂的槽中或將樹脂噴涂或刷涂在鐵芯上以完成該樹脂的涂敷。涂敷在非晶態金屬層間或在鐵芯的外表面上的樹脂可以是紫外光感樹脂或是熱固化樹脂，或是使用了催化劑的由兩種樹脂組成的雙組分樹脂 (two part resin)，以將其固化成乙階或甲階樹脂。因非晶態金屬帶通常具有限定的寬度，本發明提供一種制造比單個非晶態金屬寬度寬的變壓器鐵芯的方法。根據本發明，這里提供一種制造非晶態金屬變壓器鐵芯的方法， 該方法包括將兩個或多個非晶態金屬帶彼此緊鄰地卷繞，優選地同時卷繞并優選地卷繞在同一卷繞頭上以形成寬的組合圈，并且將非晶態金屬圈相對于彼此固定以及通過在圈中置入一組或多組硅鋼層以將非晶態金屬層相對于彼此固定，其中，一組或多組硅鋼層由硅鋼帶制成，該硅鋼帶具有與兩個或多個非晶態金屬帶的組合寬度對應的寬度。
圖1示出一種現有技術的環狀鐵芯變壓器；圖2是三角形連接的一種代表接法；圖3是Y形連接的一種代表接法；圖4是現有技術的E形鐵芯的三維視圖；圖5示出一種現有技術的非晶態三相鐵芯；圖6示出另一種現有技術的三相非晶態鐵芯；圖7示出又一種現有技術的未組裝狀態的三相非晶態鐵芯；圖8示出一種現有技術的hexaformer結構鐵芯的三維視圖；圖9是hexaformer結構鐵芯的卷圈或環的側視圖；圖10是本發明的一個實施例的三維視圖，該實施例是一種三相非晶態金屬變壓器鐵芯；圖11示出一個制成繞組線圈的實施例，該繞組線圈是用于根據本發明的非晶態連續磁通路徑鐵芯；圖12示出另一個制成根據本發明的非晶態連續磁通路徑鐵芯的實施例；圖13示出用于根據本發明的鐵芯的清漆涂敷臺的三維視圖；圖14示出一個形成具有hexaformer結構的非晶態金屬鐵芯的工藝過程的實施例的描繪；圖15示出一個本發明的框架拉伸臺的實施例；圖16是本發明的非晶態金屬環加工方法的三維描繪圖；以及圖17是穿過另一種型號的三相連續磁通路徑鐵芯的兩個鄰近支柱部分的截面視圖。
具體實施例方式本發明包括所有連續磁通路徑非晶態金屬三相變壓器的產品。為了本申請起見， 如上文所定義，連續磁通路徑鐵芯包含一種鐵芯，該鐵芯在其芯層中不包含裂紋，或為將線圈放置(接入)在鐵芯的支柱上時不需要切斷芯層。因此這就需要將變壓器線圈卷繞到鐵芯支柱上。如上文所討論，或者通過使用穿過變壓器鐵芯窗口的纏線管、或者通過使用繞線管以達成該目的。纏線管的使用非常受設計約束的限制，因為這需要足夠的窗口面積以允許纏線管穿過窗口，即使當其它支柱已經用線圈卷繞過并因此有窗口尺寸減小的作用。本發明即將采用的替代方法是使用以可旋轉方式圍繞支柱附接的繞線管，因此可以通過旋轉該繞線管將線圈卷繞到支柱上。然而，這需要支柱的橫截面大體呈圓形，以減小鐵芯支柱和線圈繞組之間的空氣間隙(極大化填充因數)。一種這樣的三相連續磁通鐵芯是hexaformer鐵芯，其包括三個框架800，每個均由三個金屬環、卷圈或圈802構成，該圈或卷圈802相對于彼此轉動，并且每個卷圈802包括多個金屬層，這些金屬層相對于彼此偏置，形成斜坡表面，因此當從如圖9中所示的側面看去，每個環或卷圈具有平截頭圓錐體形狀。為了本申請起見，鐵芯的所述環、卷圈或圈將被統稱為環。通過將環安置在彼此的內側并相對于彼此成角度或轉動，所形成的框架800可被變形以確定兩個大體平行的側邊， 并在其上施力使其與其它框架800接合以確定三個豎直延伸的支柱810，該支柱位于三角形的拐角處并延伸大體與三角形平面垂直，并且確定連接支柱810上端和下端的頂軛架和底軛架812、814。如圖8所示，在頂部和底部的兩組軛架大體具有三角形狀。在圖8中所示的特殊結構，每個框架800包含3個圈，導致鐵芯支柱810具有大致呈六角形的橫截面。 因此應認識到，每個框架800確定一個頂軛架和一個底軛架以及兩個半支柱，當以立體方式與鄰近框架連接時形成整個支柱，并提供連續磁通路徑。在參考文獻Sonia Landmark, Yuriy V. Serdyuk,Stanislaw Μ. Gubanski 以及 Benny Larking 的“六角-和傳統 E 形鐵芯三才目變壓器之間白勺比較，，(“Comparison between hexa-and conventional Ε-type core three-phase transformers")中討論了上文中所述形狀的構造和一些優勢，通過引用將其包括在此文中，其中Sonia Limdmark來自于查爾姆斯理工大學電力工程學部能源與環境系，Yuriy V. Serdyuk和Manislaw M. Gubanski來自于查爾姆斯理工大學高壓工程學部材料與機械制造系，以及Benny Larking來自于瑞典的Hexaformer Production AB0本發明也適用于其它三相連續磁通路徑鐵芯結構，包括其中框架中的環共有一個公共的旋轉軸的鐵芯，替代如在Hexaformer鐵芯中框架中的環相對于彼此成角度的構造。根據本發明，本申請人通過提供一種將非晶態金屬帶制成連續磁通路徑鐵芯結構的方法，提供一種新的非晶態三相變壓器。作為本發明的一個方面，非晶態金屬層被固持在一起以避免它們相對于彼此滑動。所述非晶態金屬也設有內骨架或外骨架或內、外骨架都有以賦予結構更高的剛度。本發明的另一個方面涉及一種制造非晶態金屬變壓器的工藝過程，該工藝過程不需要退火步驟，通過提供一種具有大體呈圓形的橫截面的支柱，并且使用繞線管將導體線圈卷繞到支柱上，因此避免了由于切割鐵芯對鐵芯造成的過度傷害。為了本申請起見，一種大體是圓形的橫截面包括任何具有超過4個邊的多邊形狀。除去退火步驟即除去了一個重要的、耗時且成本高的步驟，在過去該步驟是非晶態金屬變壓器的一個典型的必須條件。根據本發明，關于三相變壓器的一個實施例涉及使用hexaformer結構，其包括將非晶態金屬卷繞成三個環組，每個組被設置以形成一框架，并利用以立體方式連接在一起的三個框架以確定六邊形橫截面支柱。為了將導電繞線卷繞至鐵芯上，本發明利用了繞線管，該繞線管被緊夾在各個支柱上并且在線圈卷繞過程中相對于支柱轉動，然后可選地將該繞線管相對于支柱固持，形成完成的變壓器的一部分。因此，本發明避免了與Ngo三相鐵芯和由Metlas和CogentPower提供的鐵芯相關的問題，S卩，為了將繞組放置在鐵芯支柱上， 在構成鐵芯的非晶態金屬帶中需要數百個甚至數千個切口或裂紋。通過避免如在現有技術的Metglas、Cogent Power和Ngo的非晶態金屬鐵芯中的不得不切割非晶態金屬，可大大減少鐵損并提供一種不需要將鐵芯退火的變壓器制造工藝過程。在圖10中示出本發明的非晶態三相變壓器的一個實施例。如上文所討論的，用于形成各個環或圈1000的非晶態金屬帶比硅鋼薄了 8到12倍并且極其光滑和質軟。對于各個環1000，為了將多個非晶態金屬層相對于彼此固定，本發明因此提供一個或多個硅鋼層1002，該硅鋼層在本實施列中由兩層非晶粒取向的硅鋼形成，其同樣也用于給所述環提供較大的剛度。本發明也在一個實施例中建議在頂部卷繞非晶態金屬層之前先設置一內支架，該內支架是一層或多層的硅鋼。在本實施例中，在各個圈1000的內側上使用兩層非晶粒取向硅鋼1004。因此內層和外層硅鋼為非晶態環確定了一個內骨架。在其它實施例中，附加的非晶粒取向硅鋼層散布在非晶態金屬層之間，以提供另外的結構的完整性。例如，在一個實施例中，在卷繞大約1/3的非晶態金屬層后置入一個雙層的非晶粒取向硅鋼，在卷繞完另一個1/3的非晶態金屬層后再置入一個雙層的非晶粒取向硅鋼。包括另外的內部雙層和外部雙層非晶粒取向硅鋼在內總共設置了 4個雙層的非晶粒取向硅鋼。應當清楚的是，可使用多于或少于4個的雙層非晶粒取向硅鋼作為內骨架，并且可使用其它材料來形成內骨架。同樣，上述實施例中各組硅鋼層只包含兩層，應當清楚的是也可使用多過2層的硅鋼層組。在一些實施例中，其中硅鋼層被用作內部層，在其上卷繞非晶態金屬之前，通過將它們在清漆中浸蘸并將其烘烤以使它們更加剛硬。在變壓器鐵芯中使用非晶態金屬所出現的另一個難題是非晶態金屬帶通常是以限定的寬度制成的。本發明提供一種制作變壓器鐵芯的方法，該鐵芯比單個非晶態金屬帶寬。在圖16所示的實施例中，制成一種非晶態金屬hexaformer結構鐵芯，其包括比單個非晶態金屬帶寬度寬的圈。在此實施例中，兩個非晶態金屬帶1600、1602彼此相鄰地被卷繞在共同的卷繞頭上。因在此實施例中組合圈的寬度需要比一個單獨帶的寬度大但比兩個帶的寬度小，對于帶1600使用一個全部帶寬，而將第二帶沿縱向撕開使其具有預期帶寬以提供具有特定寬度的圈2002，當該圈2002與帶1600組合時提供預期的環總寬度。為將非晶態金屬卷圈繞組相對于彼此固定在彼此之上，在環的繞組中包括三套或組硅鋼層，各組包括兩層。在圖16中只示出內部硅鋼層組1610和中部硅鋼層組1612，外部層還有待被卷繞。硅鋼層1610、1612具有與非晶態金屬層帶1600、1602的組合寬度相對應的寬度，因此其幫助將兩個相鄰非晶態金屬環固定在一起。以這種方法，通過提供預期數量的彼此相鄰的非晶態圈，并通過包含具有與多個非晶態圈的組合寬度相對應的寬度的硅鋼層將這些圈固定，本發明允許用于hexaformer和其它連續磁通路徑結構鐵芯的非晶態圈被制成具有任意寬度。雖然上述實施例中將非晶態金屬圈1600和1602彼此相鄰地卷繞在共同的卷繞頭上，所述圈也可被單獨制成然后使用外部非晶態金屬層組將其組合。在圖17中示出另一種使用非晶態材料制成的三相連續磁通路徑變壓器鐵芯。圖 17所示的鐵芯看上去與hexaformer和Manderson鐵芯結構相似，其中，該鐵芯設有三個框架，每個框架由多個環構成，這些環沿支柱部分連接以形成設置在三角形拐角的鐵芯支柱， 并且每個支柱具有大體呈六邊形的橫截面。然而，與Manderson不同，本發明的鐵芯通過利用偏置卷繞的多個卷繞環以形成復合的斜邊環，避免了斜邊磁性帶的使用。如在圖17中所示，構成本發明鐵芯的框架每個包括一個主內環1710和多個次環1712。本發明也避免了使用由多個如在hexaformer結構中的相對于彼此成角度的環構成的框架。相反地，本發明使一個框架中的所有的環卷繞在彼此之上并且共享共同的旋轉軸。所述環中至少一個可能部分或者全部由非晶態金屬形成。在圖17的實施例中，內環1710由非晶態金屬制成。因此所述框架，每個均由第一或最內部的環1710構成，該環由非晶態金屬以偏置方式卷繞形成，以確定一具有60度和120度內角的平行四邊形橫截面形狀。在此實施例中各個框架還包括也以偏置方式卷繞的四個附加的環1712，每個這種附加環以與最內部的環 1710相同的方向被偏置。在此實施例中，所述附加環其中的兩個也使用非晶態金屬卷繞形成。應當清楚的是，所述最內部的環填充六邊形的一部分。在此實施例中，選擇隨后的或附加的環以填充(和最內部環一起)外接圓的一半的大部分，以形成支柱部分，當該支柱部分與鄰近支柱部分組合時形成鐵芯支柱，其中該支柱的填充因數比具有六邊形橫截面的支柱大。在圖11所示的另一個實施例中，當卷繞金屬帶時，替代提供結構硅鋼層將非晶態金屬層固定在一起，而是將樹脂噴涂在金屬帶表面上，因此在層之間提供樹脂將鄰近帶彼此粘合。在本實施例中，在卷繞過程的每次旋轉中涂敷一個或多個樹脂點1100，然而，在本實施例中，如通過由附圖標記1104指示的示例描繪出的，涂敷樹脂的噴嘴1102可被改為設置用于當卷繞非晶態金屬時，在其表面上連續涂敷樹脂膜。樹脂可以以細霧(小液滴)狀或粉末狀被涂敷，并且可被靜電噴涂到非晶態金屬層。至于在紫外固化樹脂情況下由紫外光固化層間的樹脂而言，該樹脂被選擇為起初只固化為乙階樹脂，因此可允許所述環隨后的變形，這些將在下文中清楚地討論。如果該樹脂是在室溫固化的雙組分樹脂，選擇樹脂或硬化劑(催化劑)的量來提供足夠長的固化時間，以允許所述環合并入框架中并使框架變形。在圖12所示的又一個實施例中，在完成的鐵芯1200的外面涂上涂層以形成一包封層1202，該層將非晶態層固定在一起并防止它們相對于彼此滑動。可先不噴涂樹脂點1100或樹脂膜1104，在非晶態金屬層的表面上涂上所述包封層，或者附加在上述樹脂 1100、1104上。類似地，可提供包封層1202附涂在硅鋼層1002、1004上。在圖12的實施例中，包封層1202采用清漆或樹脂的形式，在將變壓器的銅繞組應用于支柱之前涂上該包封層1202。就清漆而言，使用烘烤-浸蘸-烘烤的順序，其中先將鐵芯加熱至約200°C，隨后將鐵芯浸入到含有清漆的容器1204中，然后再次加熱以硬化清漆。在另一個實施例中， 通過在容器1204中注滿樹脂并將鐵芯浸入樹脂中，或者使用刷子涂敷樹脂或使用噴嘴噴涂樹脂，以在鐵芯上涂上樹脂涂層。就樹脂涂層而言，可使用紫外固化樹脂或雙組分樹脂代替熱樹脂以避免為固化樹脂而不得不烘烤鐵芯。在又一個實施例中，通過在鐵芯經受烘烤-浸蘸-烘烤之后再涂敷樹脂，在刷清漆過程中添加了向鐵芯涂敷樹脂的過程。將對在圖14中所示的組裝工藝過程進行討論以清晰了解圖13中所示的實施例，通過將變壓器浸入到清漆槽1304中或通過在變壓器上噴涂或刷涂清漆，該實施例包括在安裝變壓器的導體繞組之后再次涂敷一涂層，即清漆涂層。在圖14中描繪出根據本發明的具有hexaformer結構的非晶態三相變壓器的制造工藝過程的一個實施例。在此實施例中，使用9個卷芯機1400卷繞9個非晶態金屬卷圈或圈，該卷圈或圈被用于制造根據本發明的具有hexaformer結構的非晶態金屬鐵芯。每一卷芯機1400包括一驅動卷繞頭1404的電動機1402，導向板1406與卷繞頭1404安裝在一共同的軸上，用以當非晶態金屬層和任何硅鋼層卷繞在卷繞頭上時支撐這些層。根據上文所討論的本發明的實施例，將兩層非晶粒取向硅鋼從卷軸1410卷繞到各個卷繞頭1404上，其中卷軸1410被安裝在一可旋轉的卷軸頭1412上，該卷軸頭設有可徑向移動的卡鉗，一旦卷軸定位在卷軸頭上可用該卡鉗將卷軸夾緊。在此實施例中，隨后在卷軸頭1412上安裝非晶態金屬的卷軸，并將非晶態金屬層卷繞在兩層非晶粒取向硅鋼的上面。然后將另外兩層非晶粒取向硅鋼從安裝在卷軸頭1412上的卷軸卷繞至非晶態金屬層的上面以完成9個卷圈或圈。根據所述hexaformer的結構，形成在三個內部卷芯機1422上的內圈組由寬度是用于中部和外部圈的金屬帶的寬度的2倍的金屬帶構成。為給每一框架提供三個圈，其中三個圈根據所述hexaformer結構的要求安裝在彼此內側，內部圈形成在半徑較小的卷軸頭上以提供一比中部和外部線環半徑小的卷圈或圈，而外部圈最大且被卷繞在最大的卷軸頭上。如工位1430所描繪的，通過將外部圈放置在內部圈上，并且將中部圈與內部圈成角度地放置，并對組成鐵芯的三個框架中的每個重復此過程，以制成三個框架。接著將每一框架的圈臨時夾在一起以保持環相對于彼此的位置，直到框架變形，將作如下討論。如圖15詳細地顯示，通過將框架放置到框架拉伸臺1432以使框架變形。該拉伸臺允許在框架的窗口內放置適當的按一定尺寸制作的壓板，該壓板朝外運動使框架變形。此變形步驟用于兩個目的，即用于制作具有大體直線平行的支柱部分的框架，以及幫助將線環相對于彼此固定。然后將框架與彼此連接并夾緊。如上文所討論，可通過以下方式將框架固定，包括采用烘烤-浸蘸-烘烤步驟涂敷清漆，或提供充當外骨架的樹脂涂層，或既使用清漆也使用隨后的樹脂涂層。作為選擇地或附加地，可利用樹脂浸漬綁扎材料將鐵芯的支柱固定于彼此，該樹脂浸漬綁扎材料也被稱為固定綁扎帶，其中該樹脂已經通常被固化成乙階樹脂以讓綁扎帶具有彈性。一旦所述固定綁扎帶被卷繞在支柱上，將其加熱以使之固化至最終狀態或甲階樹脂。如圖15所示，拉伸臺包括機架1500，其可滑動地支撐兩個壓板底座1502、1504。底座1502連接至氣動活塞1506，而底座1504相對于底座1502滑動可調以適應不同大小的框架窗口，并且該底座可被鎖定到位。適當大小的壓板1508被安裝在底座1502、1504上以接合待被拉伸的框架的相對的內表面。接著氣動地朝外移動底座1502以使框架變形至其預期形狀。在上文所述的工藝過程中，所述環被卷繞在圓形的卷繞頭上并接著使其變形。這具有一個優點，即卷芯機可比在非圓形的卷繞頭的情況下轉動的快。一旦已將各個框架變形并移除臨時性的夾具，將框架的直線邊連接在一起以形成三個具有大體呈六邊形橫截面的支柱。在一個實施例中，通過夾具或撐條或繩索或線帶將直線支柱彼此固定。此后，本實施例提供一包封樹脂，將該樹脂涂抹或噴涂在鐵芯上，或者如由附圖標記1440所描繪的， 通過將鐵芯浸沒在樹脂容器1438中將該樹脂涂敷在鐵芯上。在此實施例中，玻璃纖維短切絲形式的玻璃纖維材料被包含在所述樹脂中。如上文所提及的，在一個實施例中，熱樹脂被用于外部涂層并將其烘烤，此步驟所起作用部分類似于退火步驟。通過避免使用為將線圈接入鐵芯而需要切割鐵芯或在鐵芯中斷裂的鐵芯形狀，非晶態金屬的退火極其多余。然而， 為改善損耗在一個實施例中引入了退火步驟。因此如上文所提及的，一種需要烘烤以便固化的熱固化樹脂的使用能夠今后允許固化步驟與材料的退火結合，假如使用的樹脂的固化溫度達到非晶態金屬的有效退火溫度(大約300°C)的話。然而，在本實施例中使用的是紫外固化樹脂，使用在工位1450中所描繪的UV光線1448將其固化。因UV固化過程較快， 這樣節省了時間并避免使用成本高且高耗能的烤爐。一旦所述樹脂被固化即將線圈繞管安裝在鐵芯的支柱上，如上文所討論的，導體線圈被卷繞在該繞管上，在此通過卷繞工位1460 描述。次繞組可以先被卷繞至繞線管上，此后將主繞組卷繞在次繞組之上。在另一實施例中，次繞組被卷繞在主繞組之上。對每一支柱輪流重復該過程。在此實施例中，將完成的變壓器浸入到在工位1407的清漆槽中，然后烘烤該涂層上的清漆。盡管本申請描述了具體的實施方式，然而應明白本發明的各方面能夠以不同方式實施，不脫離本發明的實質。
權利要求
1.一種三相變壓器鐵芯，包括連續磁通路徑鐵芯結構，其特征在于，鐵芯中至少部分包含非晶態金屬。
2.根據權利要求1所述的鐵芯，其特征在于，所述鐵芯部分由非晶態金屬形成并且部分由硅鋼形成。
3.根據權利要求1所述的鐵芯，其特征在于，所述鐵芯包括三個框架，每個所述框架包括多個環，在其中，在每個所述框架中的所述環中的至少一個包含非晶態金屬。
4.根據權利要求3所述的鐵芯，其特征在于，包含非晶態金屬的所述環包括多個內部硅鋼層和多個外部硅鋼層，所述內部和外部層將多個非晶態金屬層夾在它們中間。
5.根據權利要求3所述的鐵芯，其特征在于，所述環中至少一些包括多個內部硅鋼層， 該硅鋼層已被處理過而具有剛度增強的涂層，從而為非晶態金屬層確定內部支撐管。
6.根據權利要求1所述的鐵芯，其特征在于，所述鐵芯包括多個非晶態金屬層，利用樹脂將其中的至少一些與彼此固定。
7.根據權利要求6所述的鐵芯，其特征在于，所述樹脂在非晶態金屬層間形成基本恒定的層。
8.根據權利要求7所述的鐵芯，其特征在于，還包括圍繞鐵芯支柱卷繞的浸漬樹脂帶。
9.根據權利要求8所述的鐵芯，其特征在于，所述帶中的樹脂已被固化成乙階樹脂，并且通過隨后的加熱能夠被固化成甲階樹脂。
10.根據權利要求7所述的鐵芯，其特征在于，各個環中的卷繞材料層相對于彼此被偏置以形成從側面看時具有平截頭圓錐形狀的環，并且各個框架中的環成角度地置于彼此內，其中每一框架中至少一個環的旋轉軸相對于該框架中的其它環的旋轉軸成一角度。
11.根據權利要求7所述的鐵芯，其特征在于，每一框架包括多個具有共同旋轉軸的環。
12.一種提高三相連續磁通路徑變壓器鐵芯的效率的方法，包括卷繞多個環，所述環中的至少一個至少部分地由非晶態金屬卷繞制成， 由所述環形成三個框架，以及將所述框架組合成鐵芯。
13.根據權利要求12所述的方法，還包括在非晶態金屬層的至少一些層之間涂敷樹脂。
14.根據權利要求13所述的方法，其特征在于，所述樹脂以粉狀或細霧狀被靜電涂敷。
15.根據權利要求12所述的方法，還包括在鐵芯的外表面上涂敷樹脂以用樹脂層或殼層包覆鐵芯。
16.根據權利要求15所述的方法，還包括在鐵芯的外表面上涂敷玻璃纖維。
17.根據權利要求12所述的方法，還包括退火或者疇設置非晶態金屬。
18.根據權利要求12所述的方法，還包括加熱鐵芯并且在鐵芯還熱時將其浸入清漆中。
19.根據權利要求12所述的方法，還包括制備各個環，所述環至少部分地由非晶態金屬卷繞，由多個涂上清漆的硅鋼層組成一內部支撐環。
20.一種制造寬的非晶態金屬變壓器鐵芯環的方法，包括將兩個或更多非晶態金屬帶彼此緊鄰地卷繞以形成由兩個或更多緊鄰的環組成的寬的組合環，并將非晶態金屬層與彼此固定，并且通過包含一組或更多組硅鋼層將緊鄰的非晶態金屬環相對于彼此固定，在其中，所述一組或更多組硅鋼層由具有與組合環寬度對應的寬度的硅鋼形成。
全文摘要
在一種三相變壓器鐵芯中，非晶態金屬帶被卷繞成環，將該環組成框架并組合框架以形成鐵芯，所述鐵芯具有多于4個邊的支柱橫截面以有利于使用卷繞管將變壓器繞組卷繞在支柱上。將非晶態金屬層相對于彼此固定，并且通過使用樹脂、在非晶態鐵芯中包含硅鋼層或者使用捆扎或綁扎裝置以使所述鐵芯更加剛硬。
文檔編號H01F27/24GK102362321SQ201080006676
公開日2012年2月22日 申請日期2010年1月29日 優先權日2009年2月5日
發明者于爾根·福爾拉特, 約翰·雪莉·胡斯特 申請人:哈克薩弗爾默公司