变压器和用于设置绕组的方法
【专利摘要】本发明涉及一种变压器(130)和一种用于在变压器(130)的铁芯(134、135；272、272；471；472)上磁性均衡地设置绕组的方法。该变压器(130)包括一个铁芯(134、135；272、272；471；472)、至少一个卷绕到铁芯上的并且包括多个初级线圈(251至256、261至266；451至456、461至466)的初级绕组(131)、和至少两个卷绕到铁芯上的并且包括多个次级绕组(221至226、231至236；421至427、431至437；611、612)的次级绕组(132、133)，并且其中，两个彼此相邻布置的次级线圈布置在一初级线圈的一侧面的旁边。尤其如此在铁芯上布置线圈，使得横向地通过变压器窗口的磁化力差尽可能小并且尽可能避免通过变压器窗口的漏磁通。
【专利说明】变压器和用于设置绕组的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及变压器和用于设置绕组的方法，用于实现变压器、特别是焊接变压器的铁芯中的均衡的磁激励。
[0002]本发明属于电气技术的领域，涉及焊接变压器、变压器绕组、绕组的激励、绕组的设置、特别涉及磁场均衡地设置绕组和/或实施绕组。
【背景技术】
[0003]要由本发明主题解决的技术问题是用于电阻点焊的变压器中的绕组和电激励的不合适的分布，其引起变压器铁芯的磁性不平衡的磁激励，这因此引起局部的磁饱和以及整个电阻点焊系统的不适当的运行。
[0004]在变压器的铁芯上分布绕组通常这样进行，使得实现单个绕组之间最好的磁耦合。在用于专门目的的变压器的情况下，例如用于使用直流电流进行电阻点焊的变压器的情况下，绕组的分布服从其他的优先事项，例如使用流体冷却介质对于变压器绕组的尽可能好的冷却、紧凑的实施方式以及优先实现更好的冷却和紧凑的结构的其他的途径。用于电阻点焊的焊接变压器的绕组的获得专利的实现的最新的实施方案，如在US 7，978，040B2和US 7，978，039 B2中所述，具有一定的电磁方面的缺点，这些缺点通过在本专利中建议的解决方案能够相对简单地消除。
【发明内容】
[0005]因此本发明的任务是提供一种变压器以及一种用于设置绕组的方法，通过它们能够解决上面提到的问题。特别应该提供一种变压器以及一种用于设置绕组的方法，通过它们能够实现变压器铁芯的均衡(ausgewogene)的磁激励。
[0006]该任务通过权利要求1的变压器解决。该变压器包括一个铁芯、至少一个初级绕组和至少两个次级绕组，其中，初级绕组卷绕到铁芯上并且包括多个初级线圈，次级绕组卷绕到铁芯上并且各包括多个次级线圈，其中，两个彼此相邻布置的次级线圈布置在初级线圈的一个侧面的旁边。
[0007]优选在该变压器中绕组的线圈这样布置，使得横向地或者说垂直地通过变压器窗口的磁化力差尽可能小，并且尽可能避免通过变压器窗口的漏磁通。
[0008]该变压器的其他有利的结构在从属权利要求中给出。
[0009]可以横向于或者平行于初级线圈的一个侧面在两个彼此相邻布置的次级线圈之间布置一分开部件。
[0010]在一种可能的实施变型中次级线圈的宽度与在铁芯上的初级线圈的绕组层的厚度大体相同，并且铁芯上的初级线圈的绕组层的厚度大体为次级线圈的绕组层的厚度的两倍。但是也可以选择不同的线圈尺寸，因为目的是沿铁芯的均衡的绕组分布/磁化力分布和尽可能小的磁化力横向地通过变压器的磁铁铁芯的铁芯窗口。沿铁芯的磁化力分布也可以通过不同的效应，例如集肤效应、接近效应，或者单个线圈的不同的电阻/电感进行影响。在这种情况下必须相应地改变线圈/绕组的单个的大小。
[0011]还可以在铁芯上使一个次级线圈围绕另一个次级线圈卷绕。这里两个次级线圈可以属于两个不同的次级绕组。此外这里这两个次级线圈可以通过一种电绝缘的材料，特别是低压绝缘材料、高压绝缘材料等进行分开，并且两个次级绕组可以如此布置，使得在它们之间可以流过冷却介质。
[0012]在上述变压器中可以在铁芯上交变地布置由两个次级线圈组成的第一布置方式和由两个次级线圈组成的第二布置方式，其中，在第一布置方式中第一次级绕组的一个次级线圈在铁芯上围绕第二次级绕组的一个次级线圈卷绕，并且其中，在第二布置方式中第二次级绕组的一个次级线圈在铁芯上围绕第一次级绕组的一个次级线圈卷绕。由此能够对称地形成两个次级绕组的电的参数，例如漏电感。
[0013]铁芯可以构造成U形，并且次级绕组可以分别围绕U形形状的两条竖直的边中的一条边卷绕。这里可以在U形形状的两条竖直的边之间在一个或者两个初级线圈的旁边布置一个围绕该U形形状的一条边卷绕的次级绕组，该初级绕组围绕U形形状的另一条边卷绕。
[0014]铁芯可以是用软磁材料制造的变压器铁芯。
[0015]初级绕组线圈和次级绕组线圈构成具有第一端面和第二端面的绕组包，其中，次级绕组线圈和初级绕组线圈如在上述实施变型中那样并排分布在铁芯段上。
[0016]这里一个初级绕组线圈对可以构成绕组包的第一端面，并且一个次级绕组线圈对可以构成绕组包的第二端面。这导致均衡的绕组分布，其关于变压器铁芯内的饱和效应具有相应的优点。
[0017]另外可选择的方案是初级绕组线圈能够构成绕组包的第一端面和第二端面或者次级绕组线圈对能够构成绕组包的第一端面和第二端面。这导致绕组更加均衡地分布，其关于变压器铁芯内的饱和效应具有更大的优点。
[0018]此外该任务通过根据权利要求18所述的用于设置绕组的方法解决。该方法具有如下步骤:将至少一个初级绕组卷绕到铁芯上，其中，该初级绕组包括多个初级线圈；并且将至少两个次级绕组卷绕到铁芯上，其中每一个次级绕组包括多个次级线圈，其中，在卷绕初级、次级线圈时将两个彼此相邻布置的次级线圈布置在一个初级线圈的一个侧面的旁边。优选将绕组的线圈如此布置，使得横向地通过变压器窗口的磁化力差尽可能小，并且尽可能避免通过变压器窗口的漏磁通。
[0019]本专利申请的主题是对于初级、次级绕组的新颖的分布的建议，其使得能够用直流电流均衡地磁激励用于电阻点焊的焊接变压器的铁芯，这能够通过保证变压器的单个的初级、次级绕组之间良好的磁的耦合实现。
[0020]本发明的另外可能的实施方式还包括上面或者下面关于说明的特征的实施例或者实施方式的未明确提到的组合。这里本领域技术人员还把单个方面作为对本发明的各个基本形式的改进或者补充进行添加。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]下面参照附图并且根据实施例详细说明本发明。附图中:
图1表示具有焊接变压器的直流电阻点焊系统的输出部分； 图2是表示根据第一实施例均衡地分布变压器的绕组的线圈的图；
图3以其分图3A至3C表示配属于在图2中表示的根据第一实施例的布置方式的磁化力(=magnetomotive forces) (mmf)的变化(Verlauf)；
图4是表示根据第二实施例均衡地分布变压器的绕组的线圈的图；
图5以其分图5A至5C表示配属于在图4中表示的根据第二实施例的布置方式的磁化力(=magnetomotive forces) (mmf)的变化；
图6表示根据第一和第二实施例的两个次级线圈的结构。
[0022]附图中，只要不另外说明，相同的或者功能相同的元件附以相同的附图标记。
[0023]下面根据焊接变压器说明本发明。然而本发明不限于此，相反也可以采用不同于焊接变压器的其他的变压器。
【具体实施方式】
[0024]图1表示一个直流电阻点焊系统的输出部分，该系统类似专利US 7，978，040 B2和US 7，978，039 B2。在图1中该输出部分具有:焊接变压器130，向所述焊接变压器提供脉冲宽度调制的交流电压110 ;输出整流器的二极管137和138以及输出焊接电压140。变压器130包括初级绕组131、第一次级绕组132、第二次级绕组133以及铁芯，在所述第一次级绕组和第二次级绕组中分别流过电流141和142 ;所述铁芯具有两个分段134和135，这些分段通过气隙136分开。初级绕组131分成多个分开的线圈，这点对于两个次级绕组132和133也同样。初级线圈和次级线圈在两个铁芯段134和135上的分布必须均衡。
[0025]图2中表示图1的初级绕组131的12个线圈在铁芯的分段134、135上的建议的均衡分布，那里还可以看到图1的次级绕组132的六个线圈221至226和次级绕组133的六个线圈231至236。初级绕组131的线圈251至256、261至266的数目必须成对地并且均匀地在图1的分段134、135上分布，相反，绕组的连接(并联还是串联)和线圈的结构(圆导线还是矩形导线)并不重要，而是依赖于变压器的实施方式和应用目的。为了简单地、清楚地和单义地说明技术问题的解决方案而假定:通过属于任意的初级绕组或者次级绕组的单个线圈的电流在观察时间期间相同。在这种情况下重要的是，图2中的距离210和211相同。电流141 (图1)在第一周期部分流过第一次级绕组132 (图1)的六个线圈221至226，在该第一周期部分，相应的输出整流二极管137 (图1)被极化导通。类似地，电流在第二周期部分流过第二次级绕组133 (图1)的六个线圈231至236，在该第二周期部分，相应的第二输出整流二极管138 (图1)被极化导通。如果在第三周期部分中在初级绕组131上不施加电压，则在该第三周期部分中相同的电流流过两个次级绕组132、133 (图1)，只是沿着不同的方向。
[0026]如图2所示,绕组可以用液体的或者气体的介质进行冷却,该介质通过12个图示的冷却通道240流动，它们在图2中作为圆形的钻孔表示。然而这些钻孔从而冷却通道也可以具有其他的横截面形状。
[0027]图2中的初级绕组同样分成12个位于铁芯段271上的分开的线圈251至256以及位于铁芯段272上的分开的线圈261至266。铁芯段271相应于图1中的铁芯段135。铁芯段272相应于图1中的铁芯段134。铁芯段271、272分别成U形。
[0028]初级绕组131的12个分开的线圈251至256以及261至266在下面也称为初级线圈251至256、261至266。第一次级绕组132的线圈221至226和第二次级绕组133的六个线圈231至236下面也称为次级线圈221至226、231至236。根据图2，初级线圈和次级线圈分别围绕铁芯段271、272的U形形状的两条竖直的边中的一条边卷绕。
[0029]如图2所示，在铁芯271、272上在初级线圈251至256以及261至266的一个初级线圈的旁边，布置次级线圈221至226以及231至236的一个次级线圈。这里两个彼此相邻布置的次级线圈221至226以及231至236，例如次级线圈221、231，布置在初级线圈251至256以及261至266之一，例如初级线圈253的旁边。在次级线圈223、233旁边既布置初级线圈254的一个侧面也布置初级线圈261的一个侧面。两个彼此相邻布置的次级线圈221和231如此布置，使得它们横向于初级线圈253的一个侧面被分开。初级线圈253的该侧面在图2中竖直布置。这点对于其他的初级线圈和次级线圈同样有效。
[0030]此外在图2中每个次级线圈221至226以及231至236中的一个围绕所述次级线圈221至226以及231至236中的另一个进行卷绕。例如次级线圈231围绕次级线圈221卷绕。次级线圈221又卷绕到铁芯的分段271上。因此次级线圈231也卷绕到铁芯的分段271上。或者在铁芯271、272上第一次级绕组132的线圈221至226中的一个次级线圈围绕第二次级绕组133的线圈231至236中的一个次级线圈卷绕。这两种布置方式沿铁芯271,272 交变。
[0031]如上所述并且在图2中所示，距离210和211相同。同样从图2中可以看出，初级线圈251至256、261至266在铁芯271、272上的绕组层的厚度横向于距离210和211布置。与此相应地，次级线圈221至226、231至236的宽度，其等于距离210，大体等于初级线圈251至256、261至266在铁芯271、272上的绕组层的厚度。此外初级线圈251至256、261至266在铁芯271、272上的绕组层的厚度大体为次级线圈221至226、231至236的绕组层的厚度的两倍，如图2所示。然而，也可以另外选择其他的大小比例。
[0032]在图2中初级线圈251至256、261至266的一个初级线圈的绕组层的厚度与另一个初级线圈一起构成一个正方形。此外初级线圈251至256、261至266的两个初级线圈的绕组层的厚度构成一个正方形。然而图2所示的大小比例仅是线圈的多种其他形式的一种特殊的形式。因此其他的大小比例也是可以的。
[0033]图3A表示磁化力的变化,磁化力在英语中也称为“magnetomotive forces”,其简写为mmf，这里电流通过图1的初级绕组131或者通过图2的线圈251至256、261至266、并且通过图1的次级绕组132或者通过图2的线圈221至226流动。
[0034]图3B表示磁化力一英语为“magnetomotive forces (_f)” 一的变化，这里电流通过图1的初级绕组131或者通过图2的线圈251至256、261至266、并且通过图1的次级绕组133或者通过图2的线圈231至236流动。
[0035]图3C表示磁化力一英语为“magnetomotive forces (_f)” 一的变化，这里电流通过图1的次级绕组132或者通过图2的线圈221至226并且通过图1的次级绕组133或者通过图2的线圈231至236流动。
[0036]在图3A至图3C中用Λ mmf表示铁芯窗口内的磁化力的差。铁芯窗口在铁芯段271,272的U形形状内或者在铁芯段271、272的U形形状的边和底之间布置。
[0037]根据图4的绕组的另外可选的分布也是可能的，其表示根据具有次级线圈421至427、431至437和初级线圈451至456、461至466的第二实施例的变压器。这里图2的初级绕组265和266的两个位于最右边的线圈如此布置，使得在图4中线圈466设置在铁芯段472上，线圈451设置在铁芯段471上。图2的次级绕组132的线圈226和图2的次级绕组132的线圈236必须同样在图4中分成两半，其中，次级线圈426和436设置在铁芯段471上，而次级线圈427和437代替图2的次级线圈226、236设置在铁芯段472上。
[0038]图6表示两个次级绕组的结构。线圈611涉及图1的次级绕组132的一个线圈，而线圈612是图1的次级绕组133的一个线圈。线圈611、612在电气上通过电绝缘材料620、特别是一种低压绝缘材料、高压绝缘材料等分开。两个线圈611、612人工地用液体的或者气体的冷却介质630冷却。线圈611、612的通过电绝缘材料620的分开方式在图6中，也如在图2、图3、图4和图5中一样，水平布置。因此在两个彼此相邻布置的次级线圈611、612之间仅布置电绝缘材料620。然而初级绕组的线圈的一个初级线圈以它的一个侧面布置在由两个次级线圈611、612组成的布置方式的旁边，如从图2中例如针对次级线圈221、231和初级线圈253看到的那样。
[0039]在图3A至图3C和在图5A至5C中明显看到，在图2中在轴线280中以及在图4中在轴线480中横向地通过变压器窗口或者铁芯窗口的磁通的差Λ mmf理论上在所有周期部分中都为零(O)。这里的前提是，在一个绕组的所有线圈中流动相同的电流。图中表示的分布是磁激励沿用于电阻点焊的焊接变压器的芯体的最有利的分布，因为由此不会产生横向地通过变压器窗口(沿轴线280、480)的漏磁通。同时这也意味着，产生绕组131、132、133的非常好的磁耦合。
[0040]如在图2和图4中所示，绕组的分布的实际的结果是，也能够实现变压器铁芯内磁场的均匀的分布以及变压器铁芯的窗口内微小的漏磁场。因此不存在或者显著小地存在芯体的局部饱和，这使得能够较容易地检测饱并且在相同的系统效率的情况下使用显著小的铁芯。变压器铁芯的窗口内的能够引起附加损失的漏磁场也被减小，因此也提高了系统的效率。因此也能够实现更高的焊接电流值。铁芯的减小也使得能够使用其中出现较小损失的较短的绕组。变压器的总质量减小，这有助于提高机器臂的效率。
[0041]根据第三实施例，图2中的第二绕组22.，即221至226，和23.，即231至236 ；图3、4和5中的次级绕组以及图6中的绕组61.，即611、612，也可以转动90°。在这种情况下，第二绕组平行于初级绕组布置。
[0042]对于所有上述的实施例的另外可选的方案是，也可以以其他方式布置初级绕组和次级绕组，只要由此能够实现绕组的磁性均衡的设置。
[0043]绕组的电路
1.建议在用于电阻点焊的变压器的铁芯上均衡地设置初级绕组和次级绕组(相应于图2或者4等，也通过以90°转动次级绕组)，其中，变压器的铁芯的气隙不重要，同样初级绕组的线圈也能够用圆形或者矩形横截面的导线实现。绕组的数目可以任意选择，希望尽可能大的线圈数。
[0044]2.集成地实施具有中间绝缘的次级绕组和用于冷却介质的间隙(相应于图6)，不管具有位于其间的绝缘介质的两个不同的次级绕组的线圈的连接的实施方式。
[0045]3.在以小线圈的形式实施图1的初级绕组131的线圈时，这些小线圈为减小在较高供电电压频率上运行时的电流集肤效应的负面影响而用较细的圆导线或者绞合线进行卷绕，线圈在卷绕后被压在一起并且用良导热的材料浇铸，其代替通常的线圈体。[0046]因此表示相应于图2或者图4或者类似方式的初级绕组和次级绕组的均衡的设置，其中，次级绕组也可以在用于电阻点焊的变压器的铁芯上转动90°。这里变压器的铁芯的在图1中用136表示的气隙不重要。在图1中用131表示的初级绕组的初级线圈也可以用圆形或者矩形横截面的细导线或者绞合线来实施。线圈的数目和连接可以任意选择。
[0047]此外能够相应于图6集成地实施具有中间绝缘的次级绕组和用于冷却介质的间隙。然而也可以不管具有位于其间的绝缘介质的两个不同的次级绕组的线圈的连接的实施类型。
[0048]在实现图1的初级绕组131的线圈时，这些线圈为减小在较高供电电压频率上运行时的电流集肤效应的负面影响而用较细的圆导线或者绞合线进行卷绕，线圈在卷绕后被压在一起并且用良导热的材料浇铸，其代替通常的线圈体。
[0049]总之，为实现变压器铁芯内磁场的均匀分布并且阻止变压器窗口内的漏磁通，需要正确地分布初级、次级绕组131、132、133。绕组131、132、133的建议的分布使得能够在减小绕组和铁芯中通过漏磁通产生的损失的同时极大地提高焊接变压器130的输出功率。这种建议的分布使得能够更高效率地利用芯体，这意味着，在相同作用的情况下可以应用较小的芯体。这种建议的分布还使得能够更简单地检测铁芯的饱和。
[0050]在用于制造变压器的方法中，初级绕组和/或次级绕组通过在变压器的铁芯段272上布置多个彼此分开的线圈251至256实现。
[0051]变压器和所述方法的所有上述结构可以单独地或者以所有可能的组合进行应用。特别可以任意组合上述实施例的所有的特征和/或功能。另外特别可以想到下面的修改。
[0052]附图中表示的部分是示意的表示，在精确构造时只要保证它们的上述功能，可以与在图中表示的形式不同。
[0053]图1中的铁芯134、135和/或图2中的铁芯271、272和/或图4中的铁芯471、472也是用软磁材料制造的变压器芯体。
【权利要求】
1.变压器(130)，具有铁芯、初级绕组(131)和次级绕组(132、133)，所述铁芯包括多个铁芯段(134、135 ;271、272 ；471 ;472)，所述初级绕组包括多个初级绕组线圈(251至256、261至266 ;451至456、461至466)，所述次级线圈包括多个次级绕组线圈(221至226、231至 236 ；421 至 427,431 至 437 ;611、612)。
2.根据权利要求1所述的变压器(130)，其中，所述初级绕组线圈和所述次级绕组线圈构成一具有第一端面(A)并且具有第二端面(B)的绕组包。
3.根据上述权利要求之一所述的变压器(130)，其中，所述次级绕组线圈和所述初级绕组线圈并排地在所述铁芯段上分布。
4.根据上述权利要求之一所述的变压器(130)，其中，如此地分布所述线圈，使得一次级绕组线圈的至少一个侧面始终位于一初级绕组线圈的一侧面的旁边。
5.根据上述权利要求之一所述的变压器(130)，其中，如此地选择所述初级绕组线圈的数目，使得所述初级绕组线圈成对地并且均匀地在所述铁芯段上分布并且是相同地尺寸设计的。
6.根据上述权利要求之一所述的变压器(130)，其中，如此地选择所述次级绕组线圈的数目，使得所述次级绕组线圈成对地并且均匀地在所述铁芯段上分布。
7.根据权利要求2至6之一所述的变压器(130)，其中，一初级绕组线圈对构成所述绕组包的第一端面(A)并且一次级绕组线圈对构成所述绕组包的第二端面(B)。
8.根据权利要求2至6之一所述的变压器(130)，其中，一初级绕组线圈构成所述绕组包的第一端面(A)和第二端面(B)或者一次级绕组线圈对构成绕组包的第一端面(A)和第二端面⑶。
9.根据上述权利要求之一所述的变压器(130)，其中，一次级绕组线圈对的次级绕组线圈相对于所述初级绕组线圈转动90度。
10.根据权利要求9所述的变压器，其中，如此地实现所述次级绕组线圈对，使得一第一次级绕组线圈围绕一第二次级绕组线圈卷绕，其中，所述第一次级绕组线圈和第二次级绕组线圈还围绕一铁芯段卷绕。
11.根据权利要求10所述的变压器，其中，所述两个次级绕组线圈属于两个不同的次级绕组(I32、133)。
12.根据权利要求10至11之一所述的变压器，其中，所述两个次级绕组线圈通过一种低压绝缘材料(620)分开。
13.根据权利要求10至12之一所述的变压器，其中，所述两个次级绕组线圈如此地布置和成形，使得在它们之间能够流动一冷却介质(630)。
14.根据上述权利要求之一所述的变压器，其中，所述铁芯段构成为U形，其中，每个段具有第一边和第二边，并且其中，所述初级绕组线圈和所述次级绕组线圈分别围绕所述第一边和所述第二边卷绕。
15.根据上述权利要求之一所述的变压器，其中，所述铁芯段由软磁材料制成。
16.用于在变压器(130)的铁芯上设置绕组的方法，具有如下步骤: -将至少一个初级绕组(131)卷绕到所述铁芯上，其中，所述初级绕组包括多个初级绕组线圈， -将至少两个次级绕组(132、133)卷绕到所述铁芯上，其中，每个次级绕组包括多个次级绕组线圈， -其中，在卷绕所述初级绕组线圈和所述次级绕组线圈时，将两个彼此相邻布置的次级绕组线圈布置在一初 级绕组线圈的一侧面的旁边。
【文档编号】H01F27/30GK103811156SQ201310313394
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年6月14日 优先权日:2012年6月14日
【发明者】M·佩特伦, D·多里纳, B·克洛西, G·斯图伯格 申请人:罗伯特·博世有限公司