可购买的常规环形感应装置包括由晶粒取向钢板、连续的合金板或 各种粉末芯结构制成的并被电绝缘层所包围的环形磁芯。电绕组缠绕在 该芯的周围并沿着该芯的周边分布。这可以在例如环形绕组机中完成。 根据环形感应装置的类型，在电绕组周围缠绕附加的电绝缘层并在该附 加的绝缘顶部缠绕第二电绕组。绝缘的外层通常加在第二绕组的顶部以 保护第二绕组，除非将环形装置以塑料等封装起来。有代表性的环形感 应装置描述在美国专利US5,838,220中。
环形感应装置相对更为普通的E-I型感应装置具有几种优点。例如， 磁芯形状使所要求的材料量更小，由此减小了该装置的总尺寸和重量。 由于该绕组在该装置的整个磁芯上对称地分布，因此导线的长度相对较 短，因此有助于进一步减小该装置的大小和重量。其它的优点包括更小 的磁通泄漏、更小的噪声和热量以及在某些应用中具有更高的可靠性。
常规的环形感应装置的一个严重缺陷是制造成本远高于更普通的 E-I型感应装置的制造成本。因为需要复杂的绕组技术来将电绕组缠绕 在环形磁芯的周围，因此成本很高。
常规的环形感应装置的其它缺陷在于易于受到较高的起动电流的 损坏。可购买的常规环形感应装置通常不能提供可控制的磁阻，因为它 们通常被制造成它们不能控制在磁通量通路径中的间隙。所提供间隙通 常是在磁芯的钢板之间存在的任何空间。通常加入与环形感应装置的初 级绕组串联的电阻以免受起动电流的危害。已经研究出了形成所需尺寸 的间隙的某些方法，比如在美国专利US6,243,940中所公开的技术。然 而，这些技术以及其它的技术仅仅增加了制造感应装置的成本。因此， 常规的环形感应装置和方法不能提供一种节省成本的方式以制造适应 起动电流所需的间隙尺寸。
发明概述
本发明提供一种能够克服已有技术中的缺陷的环形感应装置及其 制造方法。从下文中可以看出，本发明采用与在可购买的常规环形感应 装置的设计方法完全不同的设计方法，因此，提供了一种控制起动电流 的成本有效的方式。更具体地说，本发明基于这样的设计：电绕组本身 被构造成基本环形并且被完成磁通量通路的多个离散的磁性部件所包 围。多个磁性部件的端部部分形成了间隙，该间隙在磁性部件的磁通量 通路中提供了磁阻。通过确定磁性部件的长度和位置可控制间隙的尺 寸。因此，由于离散磁性部件包围着电绕组，因此可以有效地且成本有 效地将间隙控制到获得引入所需磁阻量所需的尺寸。
根据本发明的原理的一方面，本发明提供了一种感应装置，该感应 装置具有基本环形的电绕组部件和多个离散的磁性部件，该离散的磁性 部件至少部分地包围着电绕组部件以完成通过至少一部分电绕组部件 的磁通量通路并在多个离散的磁性部件的端部之间形成至少一个间隙。
根据本发明的原理的另一方面，本发明提供了一种制造感应装置的 方法，该方法包括提供基本环形的电绕组部件和设置多个离散的磁性部 件以至少部分地包围电绕组部件，从而获得通过至少一部分电绕组部件 的磁通量通路并在多个离散的磁性部件的端部之间形成至少一个间隙。
根据本发明的优选实施例，本发明提供了一种具有多个磁性部件和 电绕组部件的环形感应装置，其中多个磁性部件包括基本在电绕组部件 周围延伸的多根导线。多根导线单个或成组地设置在由磁性密封剂或其 它适合的装置一起支撑的电绕组部件上。电绕组部件包括至少一个电绕 组，它可以通过基本环形地缠绕单根导线而形成。在各种实施例中，多 根导线包括不同直径和/或不同的截面形状的导线。此外，在其它的实 施例中，电绕组包括不同的尺寸和形状的几根导线。
在一种优选形式中间隙均匀地分布在内部圆环的周边，以使磁通泄 漏包含并限制在感应装置中。
多个磁性部件的端部部分可以在圆环的外部中间截面和/内部中间 截面处或附近基本相接触。端部部分可以具有间隔开的端面，可以设置 成首尾邻接的结构，或者可以设置成相重叠的结构。磁性密封剂可以放 置在端部部分上以便进一步减小磁通泄漏。有利的是，本发明的环形感 应装置提供了改善的(即更高的)操作频率范围。
在本发明的优选实施例中，盖板或端盖用于封闭环形感应装置的内 部区域。磁性密封剂设置在整个内部区域以防止磁通泄漏。在其它的实 施例中，端盖用于支撑部分延伸通过端盖的安装柱。安装柱可以根据需 要从该装置的一侧或两侧延伸。可类似地使用变型的安装装置，包括安 装垫圈和橡胶垫或L-形或欧米伽(omega)形支架。
根据本发明的另一优选实施例，多个磁性部件可以包括不同直径、 形状和/或材料的导线，选择这些导线以使磁路的各种特性最佳化。例 如，一部分磁性部件可以包括由增强导磁率的材料制成的导线，由此能 够达到更高的饱和水平甚至聚焦磁通量。
根据本发明的方法的一种优选实施例，包括基本环形地形成电绕组 部件，构造多根导线以基本环绕电绕组部件以形成通过电绕组部件的磁 通量通路，以及彼此靠近地固定多根导线的端部部分以形成间隙。
根据本发明的另一方面，通过将磁性部件的端部焊接在一起可以设 置多个离散的磁性部件以便消除在磁通量通路中的间隙。对于某些应用 比如大功率变压器，这种结构是比较理想的。
附图说明
参考附图，通过下文对优选实施例的详细描述将会更加清楚本发明 的前述和其它的方面、特征和优点，在附图中：
附图1所示为根据本发明的优选实施例的感应装置的切开的透视 图；
附图2所示为沿附图1的线2-2的感应装置的截面视图；
附图3所示为根据本发明的变型实施例的感应装置的截面视图；
附图4所示为根据本发明的另一实施例的感应装置的截面视图；
附图5所示为包括一对端盖和安装柱的感应装置的实施例的截面 视图；
附图6所示为根据本发明的另一实施例的感应装置的透视图。

附图1所示为根据一种优选实施例的环形感应装置10的切开的透 视图。附图2所示为沿附图1的线2-2的感应装置10的截面视图。在 本实施例中感应装置10是一种变压器。应该理解的是，本发明的原理 可适用于各种感应装置，比如(但并不限于)：利用磁芯饱和的两种类 型(饱和变压器、磁性放大器、饱和电抗器、变感扼流圈等)的变压器 和线圈(扼流圈、电抗器等)和不利用磁芯饱和的那些变压器和线圈以 及施加交流的螺线管、继电器、接触器和线性和旋转感应装置。
环形感应装置10包括多根磁性部件12和电绕组部件14。在常规 的环形感应装置中电绕组在环形磁性部件周围延伸。相反，在本发明中， 多个磁性部件12部分地包围或延伸在基于为环形的电绕组部件14的周 围，如附图1所示。
多个磁性部件12分别具有第一和第二端部部分16和18。在本实 施例中，多个磁性部件12基本包围电绕组部件14以便获得部分延伸通 过至少一部分电绕组部件14的磁通量通路。然而，应该理解的是，在 其它的实施例中，多个磁性部件可以包围相对更少部分的电绕组部件或 者它们完全环绕电绕组部件。换句话说，多个磁性部件可以具有任何长 度，只要形成的磁通量通路通过至少一部分电绕组部件。然而，可取的 是，磁通量通路通过整个电绕组部件，因为这样可以提供更高效率的装 置。
在附图1和2中所示的实施例中，间隙20形成在多个磁性部件12 的端部部分16和18之间。间隙20将磁阻引入到磁通量通路中。磁阻 用于减小起动电流的负面影响。
通过在多个磁性部件12的第一和第二端部部分16和18之间的距 离确定间隙20的宽度。间隙20均匀地分布在感应装置10的内圆周周 围。端部部分16和18沿着环形感应装置10的内部中间截面22彼此相 对着。通过设置在第一和第二端部部分16和18之间的距离而控制间隙 的尺寸。
通过设置在感应装置10的内部中间截面22上的间隙，从该间隙中 泄漏出的磁通基本局限于感应装置10内，由此不干扰周围的部件。在 许多应用中，理想的该间隙最小(但不是消除它)。常规的环形感应 装置通常不可能在不相当大地增加制造成本的情况下提供这种理想的 条件。然而，本发明能够节约成本地提供这种条件，因为在电绕组部件 的外部上的第一和第二端部部分16和18能够容易地设置成设置最小的 间隙。将磁性密封剂30置于间隙中以便覆盖多个磁性部件12的端部部 分，进一步包含从间隙20泄漏的磁通。磁性密封剂30可以包括例如由 钴、镍、包含这些元素的组合以及更少量的其它元素的组合的铁基材料 合金等制成的磁性颗粒。
应该理解的是，在其它的实施例中，间隙可以形成在外部中间截面 上同时在感应装置的内部中间截面上有或没有间隙。此外，应该理解的 是磁性部件的第一和第二端部部分基本以重叠的结构相接触，其中间隙 形成在重叠的端部部分之间。还应该理解的是磁部件可以是各种形式或 这些形式的组合，包括(但不限于)单根导线或导线组、带、环、棒、 片等。
在附图1和2的优选的实施例中，多个磁性部件12是离散的部件。 在本实施例中，多个磁性部件12中的每个磁性部件包括捆在一起的导 线组24。为了形成所需尺寸的间隙并容易地包围电绕组部件，使用这 些导线形成磁性部件提供了选择长度的有效方式。
电绕组部件14包括电绕组26和28。绕组26是初级绕组，绕组28 是次级绕组。通过将单根导线绕制成基本环形分别形成电绕组26和28。 可替换的是，可以使用不同尺寸和形状的几根导线形成电绕组26和28。 绕组26和28彼此直接相邻地设置。然而，应该理解的是，绕组26和 28的相对位置的结构可以是各种结构中的任何结构，包括(但并不限 于)相应的绕组相互混合。此外，电磁屏蔽(未示)可以提供在相应的 绕组之间以分离绕组以提供附加所需的设计特征比如电容控制、接地安 全等。
环形感应装置10包括将电源(未示)连接到初级绕组26的引线 32和将次级绕组28连接到负载(未示)的引线34。本领域普通技术人 员将会实现一些独立设计的初级和次级绕组，并且可以颠倒引线12和 14。因此在此可以方便地使用“初级”和“次级”的设计，并且应该理 解的是绕组是可逆的。
根据本发明的另一方面，离散的磁性部件可以提供没有间隙的完整 的磁性回路。例如，在这些实施例中，端部部分16和18可以相接触并 且通过焊接等固定在一起，因此在磁通回路没有间隙。需要这些条件的 应用包括(但并不限于)为获得高效操作而在发电和输电的过程中使用 的大电流线圈和变压器。
在其它的实施例中，至少一个离散的磁性部件形成了间隙并且至少 一个离散的磁性部件不形成间隙。应用这种间隙和无间隙结构的组合， 可以获得理想的条件组。具体地说，在保持精确的间隙控制以解决起动 电流问题的同时仍然能够增加该装置的效率。
附图3所示为根据本发明的一种变型实施例环形感应装置40的截 面视图。环形感应装置40类似于前面的实施例，在这些实施例中它包 括多个离散的磁性部件42和环形电绕组部件44。多个磁性部件42基 本包围着电绕组部件44以完成通过至少一部分电绕组部件44的磁通量 通路。然而，在本实施例中，多个磁性部件42中至少一个包括第一磁 性构件46和第二部件48。第一和第二磁性构件46和48每个都分别具 有端部部分50和52。端部部分50和52基本相接触以形成间隙54和 56。间隙54和56类似于上文所提及的间隙20，并在磁通量通路中引 入磁阻。间隙54设置在感应装置40的内部表面58上，而间隙56设置 在感应装置40的外部表面60上。磁性密封剂62和64分别设置在间隙 54和56中以减小在间隙54和56之外的磁通泄漏量。类似于磁性密封 剂30，磁性密封剂62和64可以包括磁性颗粒比如(但并不限于)钴、 镍、铁基材料、包含这些元素的组合以及更少量的其它元素的组合的合 金等。
附图4所示为根据本发明的另一实施例环形感应装置70的截面视 图。环形感应装置70类似于前面的实施例，在先前的实施例中它包括 多个离散的磁性部件72和环形电绕组部件74。多个磁性部件72基本 包围着电绕组部件74以完成通过至少一部分电绕组部件74的磁通量通 路。然而，在本实施例中，多个磁性部件72中至少一个包括第一磁性 构件76、第二磁性构件78和第三磁性构件80。第一、第二和第三磁性 构件76、78和80每个都分别具有端部部分82、84和86。
第一磁性构件76基本包围电绕组部件74以使端部部分82基本相 接触以形成间隙88。
第二磁性构件78基本包围第一磁性构件76以使端部部分84基本 相接触以形成间隙90。第二磁性构件78相对于第一磁性构件76定位 以使间隙88和90设置在至少一个磁性部件的相对侧上。
第三磁性构件80基本环绕第二磁性构件78以使端部部分86基本 相接触以形成间隙92。第三磁性构件80相对于第二磁性构件78设置 以使间隙90和92定位在至少一个磁性部件的相对侧上。
间隙88、90和92类似于上文所提及的间隙20，它们在磁通量通 路中引入磁阻。应用第一、第二和第三磁性构件76、78和80的相对设 置，以使间隙88基本为第二磁性构件78所覆盖，间隙90基本为第三 磁性构件80所覆盖，间隙88和90的磁通泄漏基本限制在磁性部件72 内。在本实施例的间隙中不使用磁性密封剂，但如果需要的话也可以包 括它。
附图5所示为根据本发明的一种变型实施例环形感应装置100的截 面视图。环形感应装置100类似于感应装置40，在感应装置40中它包 括多个离散的磁性部件102和环形电绕组部件104。多个磁性部件102 基本包围着电绕组部件104以完成通过至少一部分电绕组部件104的磁 通量通路。多个磁性部件102中至少一个包括第一磁性构件106和第二 部分108。间隙110和112形成在部分106和108的端部部分之间，类 似于上文所提及的感应装置40。间隙110和112设置在多个磁性部件 102中至少一个磁性部件的相对的侧面上。
感应装置100进一步包括设置在多个磁性部件102的相对侧面上的 盖板或端盖114。在端盖和多个磁性部件102之间确定了内部空间116。 磁性密封剂118设置在内部空间116中以便进一步限制磁通泄漏。磁性 密封剂118可以包括例如从钴、镍、铁基材料、包含这些元素的组合以 及更少量的其它元素的组合的合金等的组中选择的软磁性颗粒24。
类似于磁性密封剂118的磁性密封剂120设置在间隙110中以包含 从间隙110泄漏的磁通。
带螺纹的安装柱122部分从感应装置100的上部表面延伸到下部表 面并且通过两端盖。在本实施例中，安装柱122与感应装置100的中心 轴A同轴地设置。带螺纹的螺母124与安装柱122的螺纹配合以将端 盖114支撑在磁性部件112上。当然，如果需要的话，安装柱也可以设 置成从感应装置的一侧面或它的两侧延伸。安装柱也可以用作冷却管， 冷却剂经柱流动以带走该装置产生的热量。
附图6所示为根据本发明的进一步实施例环形感应装置130的透视 图。环形感应装置130类似于前述的实施例，在前述的实施例中它包括 多个离散的磁性部件132和基本环形的电绕组部件(未示)。磁性部件 包围着电绕组部件以形成至少部分地通过电绕组部件的磁通量通路。间 隙134形成在相应的部件的端部部分之间。
本实施例的重要方面在于通过磁性部件形成的间隙134分布在该 装置的周围。分布间隙134以便减小在相邻的间隙134或间隙组之间的 涡流。可取的是，间隙分布在该装置130的周围的螺旋结构中，如附图 6一般地所示。应用分布在该装置周围的间隙134，增加了该装置的效 率和频率范围的上限。
使用包围电绕组部件的多个离散的磁性部件，可获得制造环形感应 装置的有效的方法和成本有效的方式，其中可以控制在磁通量通路中的 磁阻量。具体地说，在该感应装置的电绕组部件的外部上放置多个磁性 部件允许感应装置的设计者指定在磁性部件中的间隙量以及它在该装 置周围的分布。该间隙的磁阻通过磁性部件的长度确定。
根据本发明的优选实施例的方法包括通过将至少单根导线绕制成 基本环形以形成电绕组而提供电绕组部件。最初通过粘接等将绕组保持 在一起。可替换的是，通过将多根导向绕制成基本环形也可以提供电绕 组部件。多根导线可以包括相同直径和/或形状的导线或不同的直径和/ 或形状的组合以便增加绕组的密度。
该方法进一步包括设置多个离散的磁性部件以便包围电绕组以便 完成通过至少一部分电绕组部件的磁通量通路。在磁性部件的端部之 间形成间隙以便给磁通量通路中引入磁阻。在实例性的实施例中，多个 磁性部件是多根导线，这些导线单个或成组地形成在电绕组周围。在另 一实例性实施例中，多个磁性部件的端部部分在环形装置的内部中间截 面和/外部中间截面处或附近基本相接触。磁性密封剂施加给端部部分 以确保它们处于适当的位置。
在根据本发明的方法的一种变型实施例中，多个磁性部件中至少一 个磁性部件包括多个磁性构件。该方法包括设置该构件以使每个构件基 本环绕电绕组部件并在相应的部件的端部部分之间形成间隙。该方法还 进一步包括设置该构件，以使其中一个构件基本包围其它构件中的一个 以便覆盖由所包围的构件所产生的间隙。应用这种构件设置，进一步包 含或限制了磁通泄漏。
根据本发明的方法的另一实施例，盖板或端盖设置在多个磁性部件 的相对侧附近，以便在磁性部件和端盖之间确定内部空间。然后以磁性 密封剂填充该内部空间以减小磁通泄漏。进一步的优选实施例包括抽空 内部空间并给该空间注入磁性密封剂。抽空该内部空间允许磁性密封剂 更全面地充满该内部空间以基本填充所有的间隙。
前文描述的本发明的优选实施例仅是用于说明的目的。并不希望它 是穷举性的，也不希望将本发明限制到所公开的具体形式中。根据上述 的教导可以作出显而易见的修改、变化或组合。选择并描述这些优选实 施例以提供对本发明的原理及它的实际应用的说明，由此使本领域的普 通技术人员能够以各种实施例和适合于特定应用而设计的各种修改和/ 或组合的方式利用本发明。在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以 作出各种修改。
相关申请的交叉引用
本申请要求2001年1月23日申请的临时申请No.60/263,638的利 益，在此以引用参考的方式将其结合在本申请中。