专利名称：由环绕铁芯窗口的非晶钢带组构成的变压器铁芯的制作方法
技术领域：
本发明与下列专利和专利申请中所描述和要求的发明相关，在本申请中引用下列专利及申请作为参考美国专利5063654-Klappert和Freeman，1991年11月12日颁布。
美国专利申请07/623265-Klappert和Houser，1990年12月6日申请。
本发明涉及一种用于变压器的铁芯，更具体地讲涉及一种包括窗口和环绕该铁芯窗口的非晶钢带组的铁芯。本发明还涉及这种铁芯的制造方法。
在上述专利5063654中，公开了一种制造非晶钢变压器铁芯的方法，包括制作非晶钢带束，然后把这些束卷绕在一个芯轴上，从而制成铁芯构型。当从芯轴上取下铁芯构型后，在芯轴所处位置形成一个窗口，而且钢带束围绕该窗口。每个束包含多个非晶钢带的迭置组，每个组包含两个重迭段，每个段包含多个钢带薄层。
钢带的每个多层段来源于组合钢带，该组合钢带包括许多相互重迭设置的钢带薄层。组合钢带被切成长度受控的段，每个段中的层在其相对端具有横向延伸的边缘，并且长度尺寸是由相对端的所述横向延伸边缘之间的距离确定的。通过把这些段中的两个堆积在一起来构成每个组。在专利5063654中，构成预定组的两个组被切成相同长度，并在每个端部把层的横向延伸的边缘堆积成一直线，由此，构成相对端成方形边缘的组。
当把专利5063654中的上述组卷绕在铁芯制造机器的芯轴上来制作铁芯构型时，在组的一端，层的横向延长的边缘基本上保持对齐，因而在组的一端能维持基本上的方形边缘。但是，在组的另一端，由于铁芯构型的外层圆周大于内层，层的横向延伸的边缘产生错位。由于这种错位，致使组的边缘形成斜角构型，如本申请的
图1和图2中的52所示。
发明人业已发现，从铁芯损耗的角度来看，这种斜角构型是有害的，无论接头是搭接式还是对接式均是如此。在搭接接头的情形，每个组的端部交迭从而形成搭接接头，而这种斜角构型的出现致使关键部位的磁路变薄，这一部位恰恰需要钢带产生理想的磁通量传输。在对接接头的情形，斜角构型致使基本对准的组的横向延伸边缘之间产生相当大的V形气隙，该气隙有害于对准的端部之间的磁通量的理想传输。
本发明的目的是在通过把由组合钢带切割的长度受控的非晶钢带的多层组围绕铁芯窗口卷绕来制成的非晶钢铁芯中提供一种组端部之间的接头，其呈现特别低的铁芯损耗。
本发明的另一个目的是在上述目的中引述的类型铁芯中，提供一种搭接接头，其铁芯损耗低于美国专利5063654(在那里每组的一端收尾于单一斜角边缘)的铁芯中相应部位的搭接接头的类型，假定两种搭接接头类型中交迭量是相同的。
本发明的又一目的是为了实现每个搭接接头的交迭量小于美国专利5063654的搭接接头，而铁芯损耗不大于该专利的搭接接头的特性。减少每个搭接接头的交迭量，能使铁芯的一定长度内存在更多的搭接接头，从而减小了存在于铁芯的搭接接头所处位置的通常的凸起尺寸。
在本发明的一种实现方式中，提供了一种变压器铁芯，包括围绕铁芯窗口卷绕的非晶钢带的迭置组，每组包括相互重迭设置的内段和外段，每段包括许多非晶钢带的薄层。一个段中的每层在段的相对端具有横向延伸的边缘，并且其长度尺寸由该段的相对端处的横向延伸边缘之间的距离确定。该铁芯的特征在于一组中内段的各层的长度基本上相同，所述组中外段的各层的长度也基本相同，但大于该内段中的层长度。在每组的一端，所述组的所有层的横向延伸边缘基本上对齐，从而在该组的所述一端形成比较平滑的边缘。在每组的另一端，(ⅰ)内段的层的横向延伸边缘设置成相对于所述内段的一个斜角边缘，(ⅱ)外段的层的横向延伸边缘设置成相对于所述外段的一个斜角边缘，(ⅲ)所述外段的斜角边缘与所述内段的斜角边缘交迭。
在本发明的一个实施例中，每组的一端与所述组的另一端交迭，从而构成所述组的两端之间的搭接接头，并且每组的交迭端包括该组内段和外段的斜角边缘。一组的斜角边缘与径向外延的下一个接续组的平滑边缘紧密相接。
作为本发明的方法的一种实施方式，上述构成每个组的段取自包括许多非晶钢带薄层的组合钢带。一个段是通过把组合钢带切成具有预定长度的多层段来获得的，另一个段是通过把组合钢带切成长度大于所述预定长度的多层段来获得的。两段按如下方式堆积在一起，(ⅰ)两段的一端边缘基本上对齐，构成在所述一端具有比较平滑的边缘的组，(ⅱ)在两段的另一端，每段内的边缘基本对齐，但一段的边缘与另一段的边缘相互错开。然后围绕芯轴卷绕钢带组(ⅰ)同时使组一端的边缘构型保持平滑，(ⅱ)把较长的段设置在另一段的径向外侧。卷绕后的结果是，在组的所述另一端，两段中的每一个均出现斜角边缘，而且外段的斜角边缘交迭在内段的斜角边缘。
图1是已有技术的非晶金属铁芯的轭部分截面图，该轭部分含有散布的搭接接头;
图2是图1铁芯的搭接接头的局部放大图;
图3是非晶金属带束的放大侧视图，该带束是用于制造图1和2所示已有技术的非晶钢铁芯;
图4是图3的束的平面图;
图5是非晶钢带束的放大侧视图，该带束用于制造本发明的非晶钢铁芯的一个实施例;
图6是搭接接头的放大图，该接头是按照本铁芯制造工艺的一部分，把图5的束围绕铁芯窗口卷绕而形成的，图5的束中的组的长度足以在围绕铁芯窗口卷绕时形成交迭端;
图7是对接接头的放大图，该接头是把图5的束围绕铁芯窗口卷绕而形成的，其尺寸为束中各组的非交迭端之间构成对接接头;
图8是图7所示对接接头的局部放大图;
图9是传动带套迭式铁芯制造机器的示意图，用来围绕铁芯制造机器的芯轴卷绕钢带束。
本发明涉及的类型的变压器铁芯，是通过把一系列的非晶钢带材料束，围绕铁芯制造机器的芯轴卷绕而制成的。已有技术中这类束的一个典型例子如图3和图4的10所示，用这类束制作的铁芯如图1的12所示。图3和图4中的束包含非晶钢带材料的三个组14，每组包含许多重迭堆积的非晶钢带的薄层16。每个层具有位于其相对侧边的纵向延伸边缘18和位于其相对端的横向延伸边缘20。在图3和图4所示的已有技术的结构中，各组的层16的纵向延伸边缘18在每个侧边对齐设置，横向延伸边缘20在每个组端对齐设置。
建议使用623265号申请中说明及要求的传动带套迭式铁芯制造机器，该申请是由Klappert和Houser在1990年12月6日申请的，并转让给本发明的受让人且被本申请引作参考。该机器的某些特征概括显示于图9。例如，图9的机器包括一个传动带套迭装置21，上述束10被传送系统22送入其中，传送系统22包含皮带传动装置23，将束按箭头24的方向输送。传动带套迭装置21包含一个可旋转芯轴25，其水平轴由柔性皮带26围绕。各个钢带束10被导入皮带与芯轴之间的空隙，随着皮带26按箭头27的方向运动，使芯轴按逆时针方向旋转，钢带束被卷绕在芯轴上。在钢带束进入皮带与芯轴之间的空隙之处，两个前辊30和32垂直相距设置，并被皮带26部分卷绕。当钢带束进入辊之间的空隙时，薄片导向器35引导钢带束并且通常是向上。对于皮带26，两个辊30和32起到导向辊的作用，并且可旋转地安装在固定轴上。如上述Klappert和Houser的申请623265所显示的，皮带26是一条无接头柔性环带，延伸于芯轴25和导向辊30和32的外部，并且围绕一系列附加的导向辊、张紧辊和电机驱动皮带轮(本申请中未图示)，从而适当地驱动皮带。芯轴25支承在轴34上，轴可滑动地安装在固定支承部件38的槽36内。随着铁芯构型在芯轴上形成，克服皮带张紧装置(未示出)的反抗偏压，轴34被强制移位至槽36的左侧，由此用于新的钢带束的准备空间提供给芯轴。Klappert和Houser的申请更详细地展示了是如何将各个束馈入传动带套迭装置以及每次围绕芯轴卷绕一个铁芯。
所需构型的环形铁芯在传动带套迭装置21上形成之后，把这个环形铁芯从传动带套迭装置的芯轴25上取下，采用传统方法进行适当定形，可使用铁芯定形设备(未示出)，其中在铁芯窗口插入适当的成形工具，接着再强制除去。然后，把定形铁芯构型置于退火炉，将其加热然后缓慢冷却，以此消除非晶钢带材料的应力。这些定形和退火步骤均为传统技术且未予图示。
在一个典型的已有技术的束(10)中，每个组14包含30层非晶钢带，每层厚约为0.001英寸。这些组取自一个或多个长度连续的组合钢带(未示出)。典型地，这种组合钢带有15层厚。从组合钢带切出具有所需长度的两段，这些两段(图3的42所示)堆积在一起构成组14。在典型的已有技术中，构成一个组的两段42被切成相同的长度，并且两段堆积在一起，把组的相对端处的横向延伸边缘20对齐。因此，如图3和图4所示，当组14处于平展、未卷绕状态时，组中所有层的横向延伸边缘20均是对齐的。
在典型的已有技术中，构成各个组的两段42被切成相同的长度，但不同的组被切成不同的长度，以此补充铁芯形成的增长。更具体地讲，随着在铁芯的径向向外方向的继续(或者说从图3的底部至顶部)，各组的长度比与其紧密相邻的前一个组长2πT，这里的T是前一个组的厚度。紧密相邻的前一个组有30层，每个带厚0.001英寸，下一个接续组的长度增量为2π×30×0.001英寸时或者说0.188英寸。因此，每个组的长度足以包围随着铁芯包含更多的组而形成的过程逐渐增大的铁芯圆周。
按照上述方法制成图3和图4的束之后，居中组14将比底部组长0.188英寸，顶部组14将比居中组长0.188英寸。这是假定在最终的铁芯中，底部组将是最靠近铁芯窗口的，顶部组将是在径向外侧离铁芯窗口最远的。
组14按上述两段描述进行选定尺寸和构成之后，最终铁芯中的接头将如图1和图2所示。更具体地讲，在各组的一端，该组所有的层的横向延伸边缘都将对齐从而形成成平滑的方形边缘(如50所示)，在组的另一端，该组中的层的边缘将相对于组形成单一斜角边缘(如52所示)。
发明人业已发现，从铁芯损耗的观点来看，上述的单一斜角边缘构型存在缺点，即使在各组的端部交迭而构成的搭接接头的情形也是如此。单一斜角构型导致需要钢带产生理想磁通量传输的关键部位的磁路变薄。
发明人发现，按照图5和图6所示的方式，对组和搭接接头进行改进，可以降低铁芯损耗。在后面这些图中，与图1-4中相同部位对应的部位使用了对应的参考标号，只是在字首添加了“1”而已。更具体地讲，图5显示了一个束110，包括三个堆积的多层组114，每个组包括两个段142a和142b，每个段包括许多非晶钢带的层116(如15层)，厚度大约为每层0.001英寸。在每个段142a和142b中，层116的长度相同(由段的相对端的横向延伸边缘120之间的距离确定)，并且在段的相对端处其横向延伸边缘120对齐。然而，构成一个组的两个不同段142a和142b的层的长度并不象如图1-4那样是相同的。更具体地讲，图5所示的每个组中，上段142b的层长度大于下段142a的层116的长度。在一个优选实施例中，这种长度差是2πT，T是下段142a的厚度。因此，每段142a和142b是15层厚，上段142b的层长度比下段142a的层长度大2π×0.015英寸或者说0.094英寸。这种长度差在图5中用X表示。
在图5的束中，居中组14的下段142a的长度比下部组14的上段142b大2πT，T是下部组的上段142b的厚度。因为T等于0.015，长度差则是0.094英寸。同样地，上部组14的下段142a的长度比居中组的上段大0.094英寸。由此可以知道，贯穿整个束，每个依次向上接续的段比紧靠其底下的段长0.094英寸。
当把图5的束围绕图9所示的铁芯制造机器的芯轴卷绕时，铁芯的搭接接头的构型如图6所示。在卷绕组的一端，两端的层的边缘均对齐成为基本上平滑、方形的边缘构型，如图6的150所示。但是在卷绕组的另一端，内段142a的边缘错开形成第一斜角边缘152a，外段142b的边缘错开相对于外段形成第二斜角边缘152b。外段的斜角边缘152b与内段的斜角边缘152a相互交迭，如图6所示。
可以明白，对于给定的组端部之间交迭量Y，图6的边缘构型导致在图6的关键交迭区域，接头处存在的钢带量多于图2的已有技术的接头。该区域的这种附加钢带提供了更多的层参与组搭接端之间的磁通量传输，由此减少了该区域的层中磁通量饱和的可能。所以，对于组端之间一定的交迭量，图6的接头所具有的铁芯损耗低于图2的接头。
在某些使用情况下，图2结构的铁芯损耗性能是可以令人满意的。但是即使是在这种使用情况下，也可以有益地使用本发明，即把图6的尺寸Y减小，直至图6接头的铁芯损耗与图2接头的铁芯损耗相等。这种每个接头所需空间的减少，使得可以在一定的铁芯长度内设置更多的接头。所以，可以在不增加铁芯损耗的情况下，在铁芯的每束中设置更多的组。每束中的组增加后，铁芯中束的数量可以减少。铁芯中束的数量减少是有益的，因为这可以减小通常存在于铁芯接头区域的凸起尺寸。
上述的组端处的双重斜角结构不仅如上所述对搭接接头式的铁芯是有益的，而且对对接接头式的铁芯也是有益的。图7和图8显示了对接接头式铁芯，图8是已有技术的形式，图7是本发明的一个实施例。在这种对接接头式铁芯中，磁通量基本上直接在组的对齐端之间通过。对于这种接头，这些端部靠得越紧密，铁芯损耗就越低。图7的双重斜角构型使得边缘152b能紧密地贴近方形边缘150，因此，与边缘152b和152a之间无交迭的那种结构，如图8所例举的已有技术结构相比，双重斜角构型减小了该区域的气隙有效宽度。
权利要求
1.一种变压器铁芯，包括一个窗口和环绕窗口的迭置、错开的非晶钢带组，每个组包括相互重迭设置的内段和外段，每个段包括许多迭置的非晶钢带薄层，其特征在于(a)段中的每层在段的相对端处具有横向延伸边缘，而且其长度由段的相对端处的横向延伸边缘之间的距离确定；(b)一个组的内段中的各层的长度基本相等，所述组的外段中的各层的长度也基本相等，但大于内段的层长度；(c)在各组的一端，所述组中的所有层的横向延伸边缘基本对齐，并在所述组的所述端形成平滑边缘；(d)在各组的另一端(i)所述内段的层的横向延伸边缘设置成相对于所述内段的一个斜角边缘，(ii)所述外段的层的横向延伸边缘设置成相对于所述外段的一个斜角边缘，(iii)所述外段的斜角边缘与所述内段的斜角边缘交迭。
2.根据权利要求1的铁芯，其特征在于(a)各组的所述另一端与所述组的所述一端交迭，形成所述端之间的搭接接头;(b)各组的搭接端包括内段和外段的各斜角边缘;(c)一个组斜角边缘与径向外侧的下一个接续组的所述平滑边缘端基本上邻接。
3.根据权利要求2的铁芯，其特征在于，所述组设置成束，在每束中，所述搭接接头所述铁芯中成斜角地错开。
4.根据权利要求1的铁芯，其特征在于所述外段的层比所述内段的层长2πT，T是所述内段的厚度。
5.根据权利要求1的铁芯，其特征在于(a)各组的所述两端设置成基本上相互对齐;(b)各组在内段和外段上含有斜角边缘的那端与所述组的另一端上的平滑边缘基本上邻接。
6.根据权利要求1的铁芯，其特征在于在各组的所述一端，所述组的层的基本对齐的边缘构成组的方形边缘。
7.一种变压器铁芯的制造方法，该铁芯包括一个窗口和环绕该窗口的非晶钢带的迭置组，每个组包括重迭设置的内段和外段，每个段包括许多迭置的非晶钢带层，其特征在于(a)提供包括许多非晶钢带层的组合非晶钢带;(b)从所述组合钢带切出一个具有预定长度的第一多层段;(c)从所述组合钢带再切出一个第二多层段，其长度大于上述预定长度;(d)将这段堆积在一起(ⅰ)两段在一端的边缘基本上对齐，从而形成在所述一端具有比较平滑的边缘的组，(ⅱ)在两段的另一端，每段内的边缘基本对齐，但一段的边缘与另一端的边缘相互错开;(e)围绕芯轴卷绕所述组，同时在所述组的一端保持平滑边缘构型，并将较长的段设置在另一端的径向外侧，从而使两段均形成斜角边缘，并把外段的斜角边缘与内段的斜角边缘交迭。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于(a)通过相应于权利要求7的(b)、(c)段所限定的步骤，从所述组合钢带获取另外的成对段;(b)按照权利要求7(d)段的方式，把所述另外的成对段堆积在一起，构成另外的组;(c)把所述另外的组与权利要求7的组按纵向错开地堆积在一起，构成一束;(d)把所述束围绕所述芯轴卷绕，从而进行权利要求7的(e)步骤，同时在所述每个另外的组的一端保持平滑边缘构型，并把每个另外的组中较长的段设置在所述组的另一段的径向外侧，由此使每个另外的组中的两段均形成斜角边缘，并把外段的斜角边缘与内段的斜角边缘交迭。
9.根据权利要求7的方法，其特征在于所述第二段的切割长度比所述第一段大2πT，T是所述第一段的厚度。
10.根据权利要求8的方法，其特征在于各组的每对段中较长的段的长度比较短的段大2πT，T是较短的段的厚度。
11.根据权利要求8的方法，其特征在于在所述束中，每个在径向外侧接续的段的切割长度，比紧前面的段大2πT，T是紧前面的段厚度。
全文摘要
本变压器铁芯含环绕铁芯窗口的非晶钢带的叠置组，每个组含相互叠置的内段和外段。段的每层长度由相对端处层的横向延伸边缘间的距离相连确定。组的内段各层的长度基本相等，组的外段各层长度基本相等，但比内段长度长。在各组的一端，所有层横向延伸边缘基本对齐从而形成平滑边缘。在该组的另一端(i)内段各层横向延伸边缘相对于内段形成斜角边缘，(ii)外段各段横向延伸边缘相对于外段形成斜角边缘，(iii)外段斜角边缘与内段的斜角边缘交叠。
文档编号H01F27/25GK1081281SQ9310741
公开日1994年1月26日 申请日期1993年6月26日 优先权日1992年6月26日
发明者D·R·弗里曼 申请人:通用电气公司