[发明专利]非晶态金属连续磁通路径变压器及其制造方法

说明书

此申请是以2009年1月29日John Hurst提出的美国临时专利申请 61/206,907和2009年4月14日John Hurst等提出的美国临时专利申请 61/212,660为优先权的正式申请。

技术领域

本发明涉及一种变压器。特别地，涉及一种由非晶态金属制成的变 压器。

背景技术

变压器运行所依据的原理是：当安排两根导线彼此邻近、并且在其 中一根导线上通入交流电流时，由于已知的电磁感应效应另一根导线上 感生出交流电流。通过将导线卷绕成线圈并将线圈沿一共同轴放置，线 圈中的电磁耦合量和因此的感生电流量将相较于直线平行的导线而言有 所增加。还可通过将两个线圈在彼此之上卷绕以进一步增加耦合。也可 以通过在线圈内置入被称作铁芯的铁磁质以增加耦合。

在过去时间里铁芯已被改进以减小损耗。在低频应用中，例如在国 家电网(通常50-60Hz)中使用的变压器，为减小在铁芯中的可导致热损 的涡流，铁芯通常被制成层状。

在美国所生产的用作商业和工业应用的电是三相电。用于家庭应用 的电通常也被生产具有三相，但在大多数的应用中只有一个相在使用， 其它相被用在其它家庭中使用。

如上文所提及的，在变压器设计中一个重要的问题是能量损耗，并 且在分布式能源行业中能量损耗的机率是巨大的。从发电站开始，使用 升压变压器在高压下沿输电线输送电力，该升压变压器在这里也被称为 发电变压器。然后使用各级降压变压器，包括变电站变压器和配电变压 器以降低电压至可使用的水平，例如110-240伏特，用于住宅和工业用户。 估计所有发电中的10％由于配电的低效性损耗掉了。在变压器中形成的 损耗有两种类型：随变压器负载变化的负载损耗或线圈损耗，以及开路 损耗或铁损，该开路损耗发生在磁芯中并且无论有无负载其在变压器中 始终存在。在配电中开路损耗代表了能量损耗中很重要的一部分。因此 很多工作都致力于改进变压器铁芯就不再让人惊讶了。

为易于理解在变压器制造中所涉及的各种问题，需区分两种类型的 变压器：单相变压器和三相变压器。

就单相变压器而言，单独的初级绕组与单独的次级绕组一起共享其 电磁通量。为提高磁通流量，一般使用铁磁芯为两个线圈提供一共同的 磁通路径。在图1中示出一个单相铁芯的形状，即环状变压器铁芯100。 然而应当清楚的是，一旦铁芯形成，为将作为初级线圈102的铜绕组置 于铁芯100上，将一足够小的能穿过该铁芯的窗口106的缠线管重复穿 过所述窗口，以使线圈卷绕在该铁芯上。至于次级绕组106，缠线管必须 足够小以适应因初级绕组导致的减小的窗口大小。一可供选择的方法是 单独形成绕组，为了使该线圈滑入到铁芯之上需切割铁芯。但铁芯的切 割在铁芯材料的连续性中造成无数的中断，这在磁通路径中导致干扰以 及铁损。通常通过随后退火铁芯材料以极小化这些损耗来解决该问题， 这将在下文中进行详细讨论。

在三相电力中，初级绕组和次级绕组或以三角形接法(图2)连接， 或以Y形接法(图3)连接。

多年以来已经发展出多种铁芯形状，包括图4所示的E型铁芯，该 铁芯包括E字形的三支柱部分400以及一直杆部分402，该直杆部分闭合 E形部分的开口侧。所述E形部分包括中支柱404，顶支柱406，以及从 轭架(yoke)410延伸出的底支柱408。

E形铁芯被普遍用在50-60Hz，并且既可呈壳式结构(将初级和次级 绕组围绕中杆或支柱404在彼此之上卷绕)，也可呈芯式结构(将初级和 次级绕组分别围绕顶支柱406和底支柱408卷绕)。为了减小涡流损耗， 该铁芯通常由在彼此之上堆叠的金属薄层构成。例如在E形铁芯中，从 金属带中裁切出具有定长和适当形状的轭架410、支柱404、406、408 以及直杆402，该金属带通常以卷筒形式运送。然后将各种裁切部分在彼 此之上堆叠成层以形成预期形状。已经发展出各种在拐角处的叠合层形 状，例如搭接接头和阶梯接缝形状，以极小化由于在拐角处磁通方向的 变化引起的损耗。

已经发展出一类型的变压器以避免一些与铁芯的拐角处的铁损相关 的问题，其包括将被称为绕组变压器铁芯的铁芯。替代在彼此之上堆叠 金属层来确定铁芯的支柱和轭架部分，通过卷绕数个多层金属环并将金 属环组合成不同结构以形成铁芯。