專利名稱：變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力供應(yīng)設(shè)備，具體地講涉及一種可提供穩(wěn)定電壓的變壓器。
電力供應(yīng)設(shè)備用以對(duì)用電設(shè)備提供穩(wěn)定的不同于線電壓，例如110V或者230V。電力供應(yīng)設(shè)備中基本的單元為將輸入電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭妷旱淖儔浩?。傳統(tǒng)變壓器的輸出電壓與輸入電壓之間的倍數(shù)關(guān)系固定不變，該倍數(shù)關(guān)系由主線圈的圈數(shù)及與該主線圈電磁耦合的副線圈的圈數(shù)比值確定。當(dāng)副線圈上的電流加大時(shí)，與副線圈連接的負(fù)載兩端的電壓變小。另外，該副線圈一般包括一電阻器。
應(yīng)用在焊接領(lǐng)域，通常的電源顯示這樣的效果通過光弧的電流強(qiáng)度極大依賴于電極與被焊接的材料之間的距離。特別是在用電極消耗型焊接方法焊接的過程中，電源的細(xì)微控制對(duì)于避免焊接后焊縫的不規(guī)則性具有重要作用。同時(shí)，為便于攜帶便攜式電焊機(jī)，減少電焊機(jī)核心部件的重量也是非常必要的。
負(fù)載及輸入電壓對(duì)輸出電壓的干擾可借助一臺(tái)電子裝置通過測量輸出電壓及控制輸入電壓的方法得以抑制。當(dāng)檢測到輸出電壓減小(或增大)時(shí)，電子裝置相應(yīng)控制輸入電壓，使該輸入電壓也減小(或增大)。
另外，當(dāng)輸入電壓由斷路器提供時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生高頻雜波。因此傳統(tǒng)的電力供應(yīng)設(shè)備需要借助濾波器將高頻雜波濾掉。
國際公開號(hào)為WO97/29494的專利申請(qǐng)揭露了一種在副線圈上具有若干可以選擇駁接的分壓接點(diǎn)的變壓器，以便控制輸出電壓。
變壓器工作的另外一種形式是將交流電通過整流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡⒔柚O管或類似設(shè)備穩(wěn)定變壓器的輸出電壓。
上述各種技術(shù)需要大量的控制及穩(wěn)壓元件。
因此業(yè)界需要一種電力供應(yīng)器，其包含較少的元件及性能良好的變壓器，該變壓器的輸入電壓及輸出電壓的負(fù)載對(duì)輸出電壓的影響很小，且該變壓器具有整平波形及限制電流的作用。
本發(fā)明因而使涉及一種如權(quán)利要求1所述的變壓器可實(shí)現(xiàn)上述目的。
本發(fā)明提供一種具有輸出電壓穩(wěn)定的變壓器，該穩(wěn)定的效果通過電和磁結(jié)構(gòu)原始得來。輸出電壓穩(wěn)定是通過至少一主(輸入)線圈與至少一副(輸出)線圈的磁連接而獲得。
至少主線圈、至少一個(gè)第一副線圈及一個(gè)第二副線圈分別纏繞在一柱體上，且由具有空氣間隙的上軛及下軛磁性連接。由一電容及副線圈組成的諧振回路提供給副線圈之間的磁性耦合較高的磁飽和度。諧振受限于空氣間隙及由副線圈提供給負(fù)載的負(fù)載電流，該空氣間隙同時(shí)控制磁飽和度。當(dāng)諧振回路影響電路的行為特性時(shí)，形成諧振回路的副線圈的電感會(huì)增加。對(duì)于多變的環(huán)境，如負(fù)載變化、至少一主線圈提供的輸入電壓的變化，通過控制磁性連接的磁飽和度，可以維持副線圈的總磁通量及輸出電壓恒定，磁性連接的磁飽和度取決于諧振回路。即主線圈與副線圈之間的磁性連接、能量傳遞受到負(fù)載的影響，因?yàn)橛韶?fù)載產(chǎn)生的附加磁通量及由諧振回路產(chǎn)生的磁通量可控制磁性連接的磁飽和水平。另外，諧振衰減隨負(fù)載增加而加強(qiáng)。上述行為特性可由空氣間隙控制，該空氣間隙直接影響磁性連接。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，一主線圈纏繞在一第一柱體上，而至少兩副線圈分別纏繞在另外兩柱體上。副線圈與一電容電連接并形成諧振回路。該等柱體的末端由兩軛磁性連接起來，其中一軛在承載副線圈的兩柱體之間形成一空氣間隙。該實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定效果所需要的柱體數(shù)量最少。
該實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定效果所需要的柱體數(shù)量最少。在第一負(fù)載范圍內(nèi)，輸出電壓不變，因此輸入電壓及負(fù)載的影響被抑制。在負(fù)載較高的第二負(fù)載范圍內(nèi)，輸出電壓迅速下降，因此具有限流作用。該第二負(fù)載范圍內(nèi)的特性可應(yīng)用于焊接操作中，因?yàn)殡娏髟谳^寬的范圍內(nèi)維持恒定，足以補(bǔ)償由于電極與焊接表面的距離不定所引起的變化。相對(duì)于傳統(tǒng)的焊接設(shè)備，本發(fā)明變壓器在不增加額外控制設(shè)備的情況下，可提供非常穩(wěn)定的電弧，并且焊縫更加規(guī)則。另外，相對(duì)于傳統(tǒng)的焊接設(shè)備，在采用相同電源的情況下，本發(fā)明變壓器的磁鐵芯的數(shù)量可適當(dāng)減少。
另外，本發(fā)明變壓器可提供波形整形功能，以便濾掉高頻變形，例如該功能可應(yīng)用于斷路器電源設(shè)備。并且，不需要昂貴的整流設(shè)備即可利用本發(fā)明變壓器實(shí)現(xiàn)對(duì)直流馬達(dá)的速度控制。
第二個(gè)實(shí)施例包括一附加的柱體及主線圈。兩主線圈位于兩外柱體上，兩副線圈位于兩內(nèi)柱體上。兩主線圈互相電連接，兩副線圈互相電連接。該實(shí)施例提供了對(duì)稱的結(jié)構(gòu)及兩副線圈之間的恒定的輸出電壓(相對(duì)于主線圈兩端的幅度較大的輸入電壓)。
優(yōu)選地，副線圈上具有中間接點(diǎn)，通過選擇副線圈上中間接點(diǎn)兩端的線圈繞數(shù)來產(chǎn)生需要的輸出電壓。該變壓器還可包括一第三副線圈及一第四副線圈，兩者之間提供輸出電壓，而第一副線圈、第二副線圈與一電容組成諧振回路。上述結(jié)構(gòu)使得提供輸出電壓的功能與形成諧振回路的功能相互分開。
另外，提供輸出電壓的副線圈之間可以串聯(lián)電連接，因此可提供更高的疊加輸出電壓。并且，該等形成諧振回路的副線圈之間也可串聯(lián)電連接，使得兩者的電感互相疊加起來。從而可選擇容值較低的電容來形成諧振回路，以便產(chǎn)生需要的頻率，比如50Hz或60Hz。相對(duì)于傳統(tǒng)的頻率為50Hz/60Hz的場合，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的變壓器可由頻率較高的斷路器電源提供電力，使得電容值及電感值減小。
所述柱體之間的磁性連接最好由兩個(gè)軛實(shí)現(xiàn)，每個(gè)軛連接在柱體的一端。該等軛可具有空氣間隙或磁性材料，使得承載副線圈的柱體之間的磁性連接有別于其它柱體之間的磁性連接。通過該種方式，可以容易地控制磁飽和化及由該磁飽和化所導(dǎo)致的變壓器特性。并且該變壓器可由標(biāo)準(zhǔn)化工序制造。
所有線圈可具有相同的繞向，以便簡化變壓器的制造工序。
兩主線圈最好串聯(lián)連接。以便在輸入電壓及副線圈兩端的輸出電壓給定的情況下，減少主線圈的繞數(shù)。
優(yōu)選地，至少形成一個(gè)諧振回路的線圈所對(duì)應(yīng)的柱體之間的磁性連接可具有漏磁磁損，其具有控制諧振回路衰減及變壓器的行為特性的作用。
優(yōu)選地，所有主線圈最好具有相同的繞數(shù)，所有副線圈也最好具有相同的繞數(shù)，以便形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，簡化變壓器的制造工序。
承載副線圈的柱體的橫截面可與承載主線圈的柱體的橫截面不同，以便影響變壓器磁性材料的磁性連接及磁飽和度。從而也達(dá)到控制變壓器的飽和度及特性的目的。
其中一個(gè)實(shí)施例中的變壓器包括一附加的主線圈，以便更加靈活的將變壓器與電網(wǎng)連接起來。
附圖簡單說明

圖1a所示為本發(fā)明變壓器的第一個(gè)實(shí)施例，其包括一個(gè)主線圈及兩個(gè)副線圈。
圖1b所示為本發(fā)明變壓器的第二個(gè)實(shí)施例，其包括兩個(gè)主線圈及兩個(gè)副線圈。
圖2所示為本發(fā)明變壓器的第三個(gè)實(shí)施例，其兩個(gè)副線圈均具有一個(gè)中間接點(diǎn)，且兩副線圈共同形成諧振回路。
圖3所示為本發(fā)明變壓器的第四個(gè)實(shí)施例，其中兩個(gè)副線圈共同形成諧振回路，另外兩個(gè)副線圈作為輸出線圈。
圖4所示為本發(fā)明的具有不同空氣間隙的變壓器的輸出電壓隨負(fù)載變化的特性。
圖5所示為本發(fā)明變壓器的一個(gè)實(shí)施例中的波形濾除及波形整形的特性。
圖6所示為本發(fā)明變壓器的輸出電壓在不同負(fù)載情況下隨輸入電壓變化的情況。
圖7所示為本發(fā)明變壓器的輸出電流隨電阻性負(fù)載變化的特性。
附圖詳細(xì)說明圖1a為本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例變壓器的線路圖。變壓器包括三個(gè)互相平行的柱體1，2及3，三者由兩個(gè)軛9、9’磁性連接。上述結(jié)構(gòu)可以由常用的磁鐵芯構(gòu)成。兩個(gè)副線圈5、6與一電容7電性連接從而形成諧振回路，該諧振回路具有由副線圈代表的兩個(gè)感應(yīng)率，每個(gè)副線圈位于不同的柱體上。纏繞副線圈5、6的柱體2、3之間的磁性連接之間形成一空氣間隙8。主線圈4纏繞在柱體1上，而副線圈5、6分別纏繞在柱體2、3上。柱體2或3作為磁鐵芯的中心。
圖1b為本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例變壓器的線路圖。變壓器包括四個(gè)互相平行的柱體10，12、14及16。該等柱體10-16為長度相同的棒狀體。每一柱體包括一頂部及一底部，該等頂部由垂直于柱體的上軛50磁性連接，該等底部由垂直于柱體的下軛52磁性連接，上軛50與下軛52互相平行。該等柱體10-16中，柱體10、12位于外側(cè)，柱體14、16位于柱體10、12之間。
具有繞數(shù)np的第一主線圈20纏繞在外柱體10上，具有繞數(shù)np’的第二主線圈22纏繞在外柱體12上。第一主線圈20與第二主線圈22串聯(lián)在一起，兩者之間外接一輸入電壓Up。在該輸入電壓Up的驅(qū)動(dòng)下，第一主線圈20在外柱體10上產(chǎn)生電磁場，第二主線圈22在外柱體12上也產(chǎn)生電磁場，且兩者的電磁場方向相反。也可以將第一主線圈20與第二主線圈22反向串聯(lián)，以便同樣產(chǎn)生方向相反的電磁場。另外，也可以將纏繞方向相反的第一主線圈20與第二主線圈22并聯(lián)起來。
第一副線圈30、第二副線圈32分別纏繞在內(nèi)柱體14、16上，且兩者纏繞方向相同。兩副線圈30、32并聯(lián)在一起，其一端直接電連接，另一端由電容40連接。該電容40具有適當(dāng)?shù)碾娙葜凳沟闷渑c兩副線圈30、32形成的諧振回路的諧振頻率與輸出電壓的頻率相同，比如50Hz。
當(dāng)輸入電壓Up施加于互相串聯(lián)的兩主線圈20、22時(shí)，外柱體10、12上產(chǎn)生電磁場。由于上軛50、下軛52提供的電連接及磁場導(dǎo)通，輸入電壓產(chǎn)生的磁場施加于外柱體10、12上；同時(shí)當(dāng)副線圈30、32上連接載荷時(shí)，流經(jīng)副線圈30、32的電流產(chǎn)生的電磁場施加于內(nèi)柱體14、16上。
上軛50在兩副線圈30、32之間包括一個(gè)具有空氣間隙60的部分。在該部分，所述磁導(dǎo)與其余軛的磁導(dǎo)不同。磁導(dǎo)可以說明磁場的有效滲透率及磁場連接特性，比如上軛或下軛將磁場匯聚在某一材料內(nèi)的特性。上述特性取決于上軛或下軛的有效滲透率，而該有效滲透率又取決于磁場滲透率、磁場連接的幾何特性及空氣間隙等位置的漏磁效果。
磁導(dǎo)的差異及相應(yīng)的有效滲透率的差異同時(shí)取決于上軛或下軛的橫斷面的大小。相對(duì)于軛的其它部分，軛的錐形部分的磁通密度及磁通飽和度更高。另外，滲透率較低的材料的橫斷面或最大磁通飽和度較低的磁性材料的橫斷面將導(dǎo)致依賴軛內(nèi)本身的磁場。
當(dāng)兩個(gè)主線圈20、22上施加輸入電壓時(shí)，與該等主線圈20、22相鄰的第一副線圈30及第二副線圈32上感應(yīng)產(chǎn)生電磁力(EMF)。
該電磁力EMF的產(chǎn)生導(dǎo)致在第一副線圈30、第二副線圈32內(nèi)及電容40內(nèi)形成電流，該電流的流通又導(dǎo)致在第一副線圈30、第二副線圈32內(nèi)形成附加的自感應(yīng)電磁力(self-EMF)。該自感應(yīng)電磁力(self-EMF)疊加于上述由兩個(gè)主線圈20、22內(nèi)的電流感應(yīng)形成的電磁力(EMF)，從而使得電容40兩端的電壓增大。當(dāng)電容40兩端的電壓增大時(shí)，兩副線圈30、32內(nèi)的電流同時(shí)也增大，進(jìn)而導(dǎo)致自激震蕩，并產(chǎn)生額外的自感應(yīng)電磁力(self-EMF)。該自感應(yīng)電磁力(self-EMF)的極限取決于上軛50、下軛52及柱體的磁性材料的飽和特性。該磁性材料的飽和特性與所產(chǎn)生的磁場之間是非線性關(guān)系。基于以上非線性關(guān)系，因此兩副線圈30、32提供的電壓Us與兩主線圈20、22提供的電壓Up也并非線性關(guān)系，兩者的關(guān)系由諧振回路諧振時(shí)的磁場飽和過程決定，該諧振回路用以平衡主線圈20、22兩端輸入電壓的變化及副線圈30、32兩端輸出負(fù)載的變化。
在圖1b所示的實(shí)施例中，第一主線圈的繞數(shù)np與第二主線圈的繞數(shù)np’相同。第一副線圈的繞數(shù)ns與第二副線圈的繞數(shù)ns’相同。為敘述方便，這里假定np’與ns相等。
第一副線圈30與第二副線圈32視為兩個(gè)串聯(lián)在一起的感應(yīng)率。因此兩者的電感互相疊加，并且該兩者與電容40并聯(lián)。兩者的電感取決于副線圈30、32
第一副線圈30與第二副線圈32視為兩個(gè)串聯(lián)在一起的感應(yīng)率。因此兩者的電感互相疊加，并且該兩者與電容40并聯(lián)。兩者的電感取決于副線圈30、32的幾何形狀及柱體14、16的幾何形狀，副線圈30、32的繞數(shù)np、np’。同時(shí)也取決于柱體14、16的磁性材料的磁場滲透率，該磁場滲透率隨磁性材料的磁場飽和度的不同而不同。兩副線圈30、32疊加的電感及電容40具有適當(dāng)?shù)臄?shù)值使得產(chǎn)生諧振回路并產(chǎn)生適當(dāng)頻率的輸出電壓，比如50Hz。當(dāng)輸入電壓的頻率接近或與諧振回路的諧振頻率相等時(shí)，副線圈將以此頻率諧振。諧振時(shí)的能量在電容40與兩副線圈30、32之間交替轉(zhuǎn)化，該能量的大小受限于上軛或下軛中磁通密度最大的區(qū)域的磁場達(dá)到最大飽和度時(shí)所具有的最大磁通量。該諧振回路的諧振受副線圈30、32輸出端的負(fù)載及磁損的影響而衰減。
假定主線圈20、22上施加輸入電壓Up，且副線圈30、32兩端的負(fù)載開始時(shí)可以忽略不計(jì)。則由兩副線圈30、32及電容40形成的諧振回路幾乎不會(huì)衰減，因此由上軛及下軛表示的磁場連接可以達(dá)到最大飽和度。
諧振回路的諧振頻率應(yīng)接近或等于主線圈兩端輸入電壓的頻率，因此電容40的電容值(或副線圈的感應(yīng)率)應(yīng)當(dāng)被選擇以滿足該條件。副線圈30、32兩端的輸出電壓受限于上軛50、下軛52的最大磁場飽和度，尤其是內(nèi)柱體14、16之間的區(qū)域60處的最大磁場飽和度。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，諧振回路逐漸衰減進(jìn)而其對(duì)飽和度的影響減小。飽和度主要受到副線圈30、32內(nèi)的電流所產(chǎn)生的高磁通量(及負(fù)載)的影響。上述兩種效果互相補(bǔ)償，增大或減小的負(fù)載由諧振回路對(duì)飽和度減小或增大的影響而得以平衡，結(jié)果導(dǎo)致當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，副線圈30、32兩端的輸出電壓Us基本維持恒定。
考慮到上軛50或下軛52的磁性材料的磁場特性及鐵磁損失，輸出電壓Us隨負(fù)載變化(或隨輸出電流變化)的行為曲線受上軛50、下軛52的空氣間隙60、260及260’的影響。
圖2所示為本發(fā)明變壓器的第三個(gè)實(shí)施例，該變壓器包括四個(gè)與兩軛150、152連接的四個(gè)柱體110、112、114、116，及兩串聯(lián)連接且對(duì)稱設(shè)置在外柱體110、112上的主線圈120、122，及兩由電容140串聯(lián)連接且對(duì)稱設(shè)置在內(nèi)柱體114、116上的副線圈130、132。副線圈130、132與電容140共同形成諧振回路。其中之一軛150位于兩內(nèi)柱體114、116之間的部分開設(shè)一空氣間隙160。
與圖1所示結(jié)構(gòu)相比，這里的副線圈130、132各具有一中間接點(diǎn)170，輸出電壓Us駁接于該兩中間接點(diǎn)170之間。諧振回路由副線圈130、132的全部線圈與電容140構(gòu)成，而輸出輸出電壓Us則僅僅由副線圈130、132的部分線圈提供。輸入電壓Up與恒定的輸出電壓Us之間的倍數(shù)關(guān)系由副線圈130、132的繞數(shù)與副線圈130、132的部分線圈之間的關(guān)系決定。上述結(jié)構(gòu)也會(huì)影響諧振回路對(duì)諧振衰減與軛150、152的磁場飽和化之間的平衡調(diào)節(jié)作用。
圖3所示為本發(fā)明變壓器的第四個(gè)實(shí)施例，本實(shí)施例所示結(jié)構(gòu)與圖1、2所示結(jié)構(gòu)類似，也具有四個(gè)柱體，但副線圈230、232、234、236被分成兩個(gè)互不電性連接的功能單元。第一功能單元為由第一副線圈230、第二副線圈232及電容240共同組成的諧振回路。第二功能單元包括第三副線圈234及第四副線圈236，兩者設(shè)置在內(nèi)柱體214、216上，且兩者電性互連并提供輸出電壓Us。上述結(jié)構(gòu)使得輸出電壓具有可選擇性，其完全不受由第一副線圈230、第二副線圈232及電容240共同組成的諧振回路的特性的影響。上述所有副線圈中任何左右對(duì)稱的兩幅線圈均具有相同的繞數(shù)，即np＝np’，ns＝ns’，no＝no’。根據(jù)實(shí)際使用情況及需要的行為特性，上述副線圈中可以至少有一個(gè)副線圈的繞數(shù)與其余繞數(shù)不對(duì)稱。軛250、252位于內(nèi)柱體214、216之間的部分分別開設(shè)一空氣間隙260、260’。該等空氣間隙可根據(jù)需要影響飽和特性及諧振回路的衰減程度。
圖4顯示空氣間隙的寬度對(duì)輸出電壓Us的影響。該圖顯示了本發(fā)明變壓器的副線圈30、32、130、132、230、232所提供的輸出電壓Us與該等副線圈上連接的負(fù)載上通過的電流Is之間的變化關(guān)系。在第一個(gè)區(qū)域(A)內(nèi)，電壓保持于恒定值Uc。在第二個(gè)區(qū)域(B)內(nèi)，輸出電流Is的微小增加即導(dǎo)致輸出電壓Us的陡然下降。該特性可用于提供短路保護(hù)或過載保護(hù)，也可使用于諸如電焊機(jī)等以區(qū)域(B)作為工作區(qū)域的恒流電源設(shè)備上。
上述變壓器的輸出電壓Us及輸出電流Is在區(qū)域(B)的行為特性可以理解為一個(gè)恒流電源設(shè)備的特性。尤其是對(duì)于曲線(2)，當(dāng)電壓從0變化到Us時(shí)，電流幾乎一直維持在Ic值。以該區(qū)域(B)為工作區(qū)域或工作點(diǎn)在該輸出電壓u2陡然下降的區(qū)域(B)內(nèi)的變壓器特別適用于焊接操作。因?yàn)樽儔浩鞯妮敵鲭娏鱅c恒定不變，所以焊接過程中的電弧穩(wěn)定且產(chǎn)生的火花較少，進(jìn)而促使焊接效果均勻一致。通常情況下，因?yàn)楸咀儔浩骶哂蟹浅７€(wěn)定的輸出特性，因此可應(yīng)用于那些載荷可變且依靠電弧工作的電源設(shè)備。該工作區(qū)域(B)的特性(即輸出電壓陡然下降或輸出電流恒定不變)可以通過調(diào)整空氣間隙60、160、260、260’的寬度來實(shí)現(xiàn)。圖4中曲線(1)是空氣間隙較寬(比如3mm)時(shí)的曲線，曲線(2)是空氣間隙較窄(比如2mm)時(shí)的曲線，此曲線(2)中電流恒定不變，而曲線(3)是空氣間隙更窄(比如0.5mm)時(shí)的曲線。相對(duì)于曲線(2)或曲線(3)中對(duì)應(yīng)的磁鐵芯結(jié)構(gòu)，曲線(1)中對(duì)應(yīng)的磁鐵芯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的漏磁磁損更多。因此，曲線(1)中對(duì)應(yīng)的磁鐵芯結(jié)構(gòu)對(duì)諧振回路的諧振衰減影響更大，因?yàn)槁┐糯艙p是導(dǎo)致諧振衰減的主要因素。一定負(fù)載的較高的漏磁磁損影響主線圈及與之相對(duì)的副線圈之間(比如20與36之間、22與34之間)的電磁耦合，因而對(duì)負(fù)載較多時(shí)的穩(wěn)定的輸出電壓具有一定影響。
在忽略副線圈30、32上連接的負(fù)載的情況下，副線圈上穩(wěn)定的輸出電壓由磁性材料的最大磁飽和度及漏磁磁損確定，雖然負(fù)載增加時(shí)會(huì)進(jìn)一步衰減諧振回路，但諧振回路與內(nèi)柱體14、16之間的軛上的磁場飽和化之間可以互相平衡，使得輸出電壓維持恒定。
如圖5所示，因?yàn)橹C振回路具有帶通濾波器的特性，可以對(duì)波形整形，因此該諧振回路可增強(qiáng)變壓器的頻率穩(wěn)定性。變壓器的輸出端形成正弦波形，其獨(dú)立于輸入端的對(duì)稱波形或副線圈上的負(fù)載具有的波形。輸入電壓Uin的對(duì)稱波形經(jīng)過諧振回路的波形整形，使得輸出電壓Uout僅僅包含正弦波形。
圖6所示為本發(fā)明變壓器的輸出電壓的特性曲線。該曲線為輸出電壓U2隨主線圈20、22兩端的輸入電壓U1變化的情況。忽略與副線圈30、32連接的負(fù)載，當(dāng)主線圈20、22兩端的輸入電壓U1達(dá)到某一數(shù)值b時(shí)，輸出電壓U2達(dá)到極限值d，該極限值d的大小與磁路的飽和極限有直接的關(guān)系。當(dāng)輸入電壓U1超過數(shù)值b時(shí)，由于輸入電壓的增加，使得與主線圈20相鄰的一副線圈30上產(chǎn)生電磁力。該電磁力為主線圈20及22在該副線圈30上產(chǎn)生的電磁力的矢量和。同時(shí)在另一副線圈32上也產(chǎn)生一電磁力，該電磁力為主線圈20及22在該副線圈32上產(chǎn)生的電磁力的矢量和。由于內(nèi)柱體14、16之間具有空氣間隙60，由相應(yīng)的副線圈22產(chǎn)生的內(nèi)柱體14內(nèi)的磁通量與由副線圈20產(chǎn)生的磁通量不同甚至高于其磁通量。如上所述，軛位于內(nèi)柱體14、16之間的區(qū)域可使用各種具有降低磁導(dǎo)作用的裝置。
結(jié)果，由副線圈上的負(fù)載電流產(chǎn)生的磁飽和化與由諧振回路產(chǎn)生的磁飽和化之間達(dá)到平衡。因此，當(dāng)輸入電壓在較寬的區(qū)域b與a之間變化時(shí)，輸出電壓基本維持在數(shù)值c與d之間。副線圈30、32及電容40形成的諧振回路內(nèi)的電流的相位與負(fù)載電流的相位相差90度，從而使得輸出電壓恒定，且諧振回路內(nèi)的電流比負(fù)載電流大。
當(dāng)輸入電壓U1減小時(shí)，電磁耦合50、52、60內(nèi)的漏磁磁損相應(yīng)減小，使得磁飽和化達(dá)到較低程度。較低程度的磁飽和化可以使軛區(qū)域60在內(nèi)柱體14、16之間的電磁耦合得到加強(qiáng)，同時(shí)由于諧振回路的衰減程度減弱，使得諧振回路中形成較大的諧振電流。由于以上原因，因此磁飽和化程度升高，直到由磁飽和化形成的增加的諧振衰減被主線圈20、22產(chǎn)生的低磁通量平衡為止，該低磁通量由較低的輸入電壓所導(dǎo)致。這種平衡效應(yīng)導(dǎo)致輸出電壓不受輸入電壓的影響，并且輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定。
圖6同時(shí)顯示了當(dāng)載荷變化時(shí)，輸出電壓隨輸入電壓的變化情況。曲線1為忽略載荷時(shí)的情況。曲線2為具有一定負(fù)載時(shí)的情況，曲線3為具有較高負(fù)載(相對(duì)于曲線1、2中的負(fù)載)時(shí)的情況。當(dāng)輸入電壓達(dá)到數(shù)值b時(shí)，相應(yīng)的輸出電壓為數(shù)值d，兩者之間達(dá)到一種平衡，當(dāng)輸入電壓增加時(shí)，輸出電壓幾乎恒定不變。即當(dāng)輸入電壓在a-b間變化時(shí)，輸出電壓僅僅在較小的c-d之間變化。幾乎恒定的輸出電壓區(qū)間c-d的起始電壓對(duì)應(yīng)的輸入電壓的大小與連接于變壓器輸出端的負(fù)載(比如相應(yīng)的副線圈)有關(guān)。當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，該輸入電壓也較大。
圖7所示為本發(fā)明變壓器隨負(fù)載變化的特性曲線，即主線圈兩端的輸入電流I1、副線圈兩端的輸出電流I2隨負(fù)載變化的特性曲線。
當(dāng)負(fù)載在0-Rr之間時(shí)，輸出電流I2幾乎恒定不變，這與圖4中的區(qū)域(B)對(duì)應(yīng)。當(dāng)負(fù)載大于Rr時(shí)，輸出電流I2及輸入電流I1均逐漸下降，此時(shí)輸出電壓維持不變(圖中未示該輸出電壓)，該負(fù)載大于Rr的區(qū)域?qū)?yīng)圖4中的區(qū)域(A)。應(yīng)當(dāng)結(jié)合圖4(顯示輸出電壓隨負(fù)載的變化情況)及圖7(顯示輸出電流隨負(fù)載的變化情況)來理解本發(fā)明變壓器隨負(fù)載變化的特性。
本發(fā)明變壓器的磁鐵芯可由磁性材料疊壓形成，或燒結(jié)形成或鑄壓形成，該磁性材料在通過較高的磁通量時(shí)才會(huì)達(dá)到磁飽和化。該變壓器內(nèi)的不同部件可以由具有不同磁飽和特性的磁性材料制成，比如在本發(fā)明的具有四個(gè)柱體的實(shí)施例中，磁性材料1用于內(nèi)柱體，磁性材料1’用于外柱體，磁性材料2用于磁性耦合內(nèi)柱體與外柱體。根據(jù)需要的頻率范圍，可以選擇使用透磁合金、鐵磁體等磁性材料。因?yàn)楸景l(fā)明變壓器具有波形整形特性，其輸出的波形為正弦波，因此該變壓器可用于諸如斷路器電源等高頻設(shè)備中。對(duì)于高頻輸入電壓及高頻輸出電壓的情形，同樣可選擇合適的鐵磁芯材料制作柱體或軛。該磁鐵芯的橫斷面最好面積恒定，其形狀可為矩形、圓形或其它類似形狀?？諝忾g隙可開設(shè)在軛的端面上，使其對(duì)磁性耦合產(chǎn)生影響。另外，該空氣間隙可由鐵磁材料或橫截面較小的軛來代替，或者鐵磁材料或橫截面較小的軛與該空氣間隙結(jié)合，以便形成較好的磁特性。
上述幾個(gè)實(shí)施例中均僅使用了一個(gè)電容，也可使用多個(gè)電容以與副線圈結(jié)合。電容與副線圈通過串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)形式共同形成諧振回路。由于使用多個(gè)電容，因此可以形成多個(gè)具有不同諧振頻率且其諧振相對(duì)獨(dú)立的諧振回路。
另外，可以使用具有磁滯特性的磁性材料來衰減諧振回路，從而將在電容與電感之間諧振的部分能量轉(zhuǎn)化為磁損進(jìn)而轉(zhuǎn)化為熱能。線圈本身的銅阻也可消耗諧振回路中的大量能量，進(jìn)而對(duì)諧振回路產(chǎn)生衰減作用。
根據(jù)電壓、負(fù)載變化情況及具體的應(yīng)用場合，可以在主線圈和(或)副線圈上增加一些中間接點(diǎn)，以便簡化對(duì)變壓器的調(diào)整工作。
權(quán)利要求
1.一種變壓器，包括至少一第一柱體(1)、一第二柱體(2)、一第三柱體(3)，該等柱體互相平行且對(duì)齊，至少一第一主線圈(4)，至少一第一副線圈(5)，一第二副線圈(6)及至少一電容(7)，其中至少該第一主線圈(4)纏繞在該第一柱體(1)上，至少該第一副線圈(5)纏繞在該第二柱體(2)上，至少該第二副線圈(6)纏繞在該第三柱體(3)上，該電容(7)一端與第二柱體(2)上的線圈連接，一端與第三柱體(3)上的線圈連接，該電容(7)與該等線圈共同形成一諧振回路，其中該第一柱體(1)、第二柱體(2)、第三柱體(3)相應(yīng)的末端由一頂部磁性連接(9)及一底部磁性連接(9’)分別磁性連接，該第一副線圈(5)與該第二副線圈(6)電連接在一起，該第一副線圈(5)在第二柱體(2)產(chǎn)生的磁通量與該第二副線圈(6)在第三柱體(3)上產(chǎn)生的磁通量的方向相反，該等副線圈(5、6)之間至少提供一個(gè)輸出電壓，且該頂部磁性連接(9)或底部磁性連接(9’)中的至少一個(gè)包括一個(gè)區(qū)域(8)，其位于第二柱體(2)與第三柱體(3)之間，該區(qū)域(8)的磁導(dǎo)與磁性連接在第一柱體(1)與第二柱體(2)之間對(duì)應(yīng)區(qū)域的磁導(dǎo)不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器，其特征在于進(jìn)一步包括至少一第一內(nèi)柱體(14)、一第二內(nèi)柱體(16)、一第一外柱體(10)、一第二外柱體(12)，該等柱體互相平行且對(duì)齊，至少一附加的第二主線圈(22)，其中至少該第一主線圈(20)纏繞在該第一外柱體(10)上，至少該第二主線圈(22)纏繞在該第二外柱體(12)上，至少該第一副線圈(30)纏繞在該第一內(nèi)柱體(14)上，至少該第二副線圈(32)纏繞在該第二內(nèi)柱體(16)上，及該電容(40)一端與第一內(nèi)柱體(14)上的線圈連接，一端與第二內(nèi)柱體(16)上的線圈連接，該電容(40)與等線圈共同形成一諧振回路，其中該第一外柱體(10)、第一內(nèi)柱體(14)、第二內(nèi)柱體(16)、第二外柱體(12)相應(yīng)的末端由一頂部磁性連接(50)及一底部磁性連接(52)分別磁性連接，該第一主線圈(20)、第二主線圈(22)電連接在一起，該第一主線圈(20)在第一外柱體(10)上產(chǎn)生的磁通量與該第二主線圈(22)在第二外柱體(12)上產(chǎn)生的磁通量的方向相反，該頂部磁性連接(50)或底部磁性連接(52)中的至少一個(gè)包括一個(gè)區(qū)域(60)，其位于第一內(nèi)柱體(14)與第二內(nèi)柱體(16)之間，該區(qū)域(60)的磁導(dǎo)與磁性連接在其余外柱體、內(nèi)柱體之間對(duì)應(yīng)區(qū)域的磁導(dǎo)不同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的變壓器，其特征在于至少一個(gè)副線圈包括一個(gè)用以提供輸出電壓的中間接點(diǎn)(A，A’，170)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的變壓器，其特征在于進(jìn)一步包括一纏繞在第一內(nèi)柱體(214)上的第三副線圈(234)及一纏繞在第二內(nèi)柱體(216)上的第四副線圈(236)，該第三副線圈(234)與該第四副線圈(236)電連接在一起，該第三副線圈(234)在第一內(nèi)柱體(214)上產(chǎn)生的磁通量與該第四副線圈(236)在第二內(nèi)柱體(216)上產(chǎn)生的磁通量的方向相反，該第三副線圈(234)與第四副線圈(236)之間提供一輸出電壓，第一和第二副線圈(230，232)與電容(240)電性連接并形成一諧振回路。
5.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的變壓器，其特征在于該等提供輸出電壓的線圈之間串聯(lián)或并聯(lián)連接。
6.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的變壓器，其特征在于該電容(40)與第一副線圈及第二副線圈之間的諧振回路由串聯(lián)形式連接。
7.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的變壓器，其特征在于該等頂部磁性連接(50)或底部磁性連接(52)中的至少一個(gè)包括一具有空氣間隙的軛，一個(gè)截面與該軛其余部分不同的區(qū)域，一塊磁滲透率(或磁飽和化)與該軛其余部分不同的材料，該區(qū)域(60)位于承載副線圈的柱體(14、16；5、6)之間。
8.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的變壓器，其特征在于該等承載副線圈的柱體(14、16；5、6)之間的磁性連接依賴于連接在至少一個(gè)副線圈上的負(fù)載及依賴于輸入電壓，該等副線圈提供輸出電壓，該等輸入電壓由至少一個(gè)主線圈(4；20、22)提供。
9.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的變壓器，其特征在于該等諧振回路(40，30，32)形成一個(gè)激勵(lì)元件，其依賴于由至少一個(gè)主線圈(4；20、22)提供的輸入電流或電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求2-9中之任一權(quán)利要求所述的變壓器，其特征在于第一主線圈(20)與第二主線圈(22)之間串聯(lián)或并聯(lián)電連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求2-10中之任一權(quán)利要求所述的變壓器，其特征在于所有主線圈的纏繞方向相同，或者所有副線圈的纏繞方向相同。
12.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的變壓器，其特征在于該等承載副線圈的柱體(14、16；5、6)之間的至少一個(gè)磁性連接產(chǎn)生漏磁磁損。
13.根據(jù)權(quán)利要求2-12中之任一權(quán)利要求所述的變壓器，其特征在于至少兩個(gè)主線圈(20、22)具有相同的繞數(shù)(np，np’)，或(和)至少兩個(gè)副線圈(30、32)具有相同的繞數(shù)(ns，ns’)。
14.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的變壓器，其特征在于該等承載副線圈的柱體(2，3；14，16)的截面與至少一個(gè)承載主線圈的柱體(1；10，12)的截面不同。
15.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的變壓器，其特征在于至少具有一附加的主線圈纏繞在至少一個(gè)內(nèi)柱體(14，16)上，并且該附加的主線圈與第一、二主線圈(20、22)電連接。
16.一種包含上述任一權(quán)利要求所述變壓器的電子裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電子裝置，其特征在于進(jìn)一步包括一電焊機(jī)，一電爐或一馬達(dá)速度電子控制裝置或其它用于衡流、衡壓和/或?yàn)V波裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種變壓器，其包括并聯(lián)及磁性連接的第一(1)、第二(2)和第三(3)柱體，且具有至少一個(gè)第一主線圈(4)和至少二個(gè)副線圈(5、6)。每個(gè)線圈由一個(gè)不同的柱體承載，所述柱體以一定順序排列，其中一個(gè)副線圈位于其他兩個(gè)柱體間。所述二個(gè)柱體和一個(gè)電容(7)相連從而形成一個(gè)諧振回路。兩個(gè)副線圈間的磁連接不同于主線圈和每個(gè)副線圈間的磁連接。第一副線圈激發(fā)的磁通量反并聯(lián)于第二副線圈激發(fā)的磁通量。一個(gè)電壓可在主線圈上供應(yīng)，而所述變壓器可在副線圈上提供電流和電壓。
文檔編號(hào)H01F27/34GK1695214SQ03824810
公開日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2003年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月30日
發(fā)明者金基松, 李明哲 申請(qǐng)人:平壤技術(shù)貿(mào)易中心