绝大多数电子电路需要恒定的电压来确保正确的操作。例如，许多微型 计算机需要能够提供10至100A电流的5伏和15伏电源。其中，所产生的 电流随着负载条件变化的其它信号处理系统需要将电源电压保持在几乎恒定 的水平上(例如5、12和15伏)。另外，许多电机驱动装置和控制系统需 要交流电源，其电压电平动态地被调节，以满足所要求的操作条件。
对于便携式系统而言，可以采用电池。但是更经常的是，电子电路 由利用至少一个变压器或感应装置将从电源线接收的交变电流波形(例如 在美国为110伏至220伏，60Hz的正弦波)变换成恒定幅度的直流电压的 电路或电源来供能。往往这些系统为该装置供能并且同时给电池充电。
低频应用变压器和其它感应装置一般来说由包含多片钢板的磁芯构 成，这些钢板被冲切并堆叠在一起，以形成所要求厚度的磁芯。选定厚 度的单块板涂覆有氧化物、涂有漆或者相互电绝缘，以便使在磁芯中的 涡流减小/最小化。许多年来，冲压的厚度(因此所需要的片数)是由涡流 的限制幅度对所需片数的严格关系来确定的。
变压器等的磁芯通常穿过电绕组的中心并且在自身上关闭，以提供 封闭的磁路。由于该磁芯支撑着电绕组，所以该磁芯自然也被用作变压 器的支撑件。也就是说，人们将该磁芯连接在容器或底板上，以便支撑 该变压器。
当采用一叠金属片作为感应装置的磁芯时，它通常形成例如E字形 形状，并且电绕组缠绕在该E字形的中心腿上。在绕组安装好之后，安 装另外一叠通常呈I形结构的金属片，以将E形磁芯的端部连接起来， 从而完成该磁路。可以理解的是，采用这样一种技术，绕组必须单独缠 绕并最后安装在磁芯上。因此，这些绕组必须足够大，以便能滑到磁芯 上。
另外，这些绕组的形状必须为矩形而不是圆形，否则会影响最佳操 作。这种结构导致感应装置和必要的能量变换装置存在内在噪音，因为 这些电绕组在磁芯上必须稍微松弛。因此，当交变电压施加在该电绕组 上时，组成磁芯的金属片会随着交变磁场而振动或者在分谐波中共鸣。 电组件和磁组件之间的任何形成的间隙和空间还会降低耦合和作用的效 率。
变压器和其它感应装置在内部产生出电磁场。该装置外面的这些电 磁场会降低效率并且会对周边环境造成干扰。虽然这些电磁场的强度随 着离变压器的距离增大而减小，但是往往需要对该电磁场源和受到影响 的组件进行屏蔽。由于当前电子设备中的部件做得更加灵敏并且它们的 组装更加密集，因此对电磁相互作用的敏感度大大增加。为了确保这些 部件的最优性能，杂散电磁场必须最小化，这往往需要相当大的成本。 如上所述，使这些电磁场最小化的一种方法在于在电磁源周围设置屏蔽， 以便容纳该电磁场并且防止来自外部能源的干扰。
因此，需要一种改进的能量变换系统，该系统可以以一种有效且成 本节约的方式制成并且该系统利用了具有高效并且优异屏蔽能力的变压 器或其它感应装置。
发明概述
因此，本发明的主要目的在于提供一种新颖且改进的能量变换系统和相 关的方法，它们尤其适用于以一种有效且成本节约的方式制造并且克服了现 有技术的限制。
本发明的另一个目的在于提供一种能量变换系统，该系统尤其适用于利 用一种具有由多根金属线形成的磁芯的感应装置。
本发明还有一个目的在于提供一种能量变换系统，该系统具有优异的屏 蔽能力。
本发明还有一个目的在于提供一种能量变换系统，该系统将其所有部件 都装在感应装置的磁芯内。
本发明的另一个目的在于提供一种通过利用多根金属线形成磁芯来制作 能量变换系统的方法。
本发明的其它目的、优点和其它新颖特征的一部分将在下面的说明书中 被提到，而另一部分将对于本领域的普通技术人员来说，在阅读了下面说明 书后是显而易见的或者可以通过本发明的实践学习到。本发明的目的和优点 可以通过在附属权利要求中所具体指出的装置和组合来实现和获得。
为了实现上述和其它目的，根据如这里所述的本发明用途，提供一种改 进的能量变换系统，该系统利用一种具有包括多根金属线的磁芯的感应装 置。该能量变换系统可以是任意电路，该电路从具有与负载不相容的特征的 外部电源中提供具有负载所需要的特征的电源，即该电路使得负载可以与可 得到的外部电源相容。因此，该能量变换系统可以是任意类型的电源，包括 但不限于模拟电源或开关式电源、变换器、镇流器等。
取决于该感应装置的一个电绕组或多个电绕组直接缠绕在形成磁芯的多 根金属线上。形成磁芯的这些金属线的端部伸展开并且形成在这些电绕组上 面，从而这些金属线的两个端部接触以形成完整的磁路。条带或其它连接装 置将这些金属线的端部固定在一起。优选的是，这样形成的金属线包裹着这 些电绕组和磁芯，以形成基本上容纳这些由该系统发出的电磁场并且减小来 自外部能源的电磁场的侵入的屏蔽。可以通过将这些金属线的至少一部分绑 在一起从而用横向缠绕的金属线代替条带形成屏蔽来提供其它屏蔽。
根据本发明的一个重要方面，感应装置的磁芯可以形成用于能量变换系 统其余部件的一些或优选所有的外壳。例如，典型的模拟电源可以包括其它 部件例如保险丝、通断开关、整流器、滤波器和/或稳压器(调整器)。根 据本发明，这些部件将装在由磁芯形成的外壳内。这样。感应装置以及能量 变换系统的部件在物理上受到保护和屏蔽，从而不会受到来自外部电源的电 磁场的侵入或无线电频率干扰。通过用屏蔽板封装该变压器和电子部件的内 部可以实现进一步屏蔽。
该感应装置可以包括限制在形成磁芯的多根金属线内并且从中延伸出来 以用于可支撑地安装该能量变换装置的安装支柱。该安装支柱可以随意地从 磁芯的一侧或两侧延伸出。磁芯的组成可以显著地改变。可以使用各种直径 的金属线来实现该更高密度的磁芯；可以将几根大直径金属线分开缠绕在该 磁芯上以提供刚性；并且可以将一根或多根管插入该磁芯，这些管子带有空 气或流体，以用来冷却该感应装置和能量变换装置。这些冷却管优选由非磁 性和非导电材料构成。
在本发明的另一个方面中，根据其目的和用途，提供一种制造能量变换 系统的方法，其包括以下步骤：形成多根金属线的磁芯；沿着磁芯的长度设 置至少一个电绕组；将该电绕组连接在该能量变换系统的其余部件上；并且 通过将磁芯的金属线形成在所述至少一个电绕组上面以包裹这该绕组并且形 成完整的磁路的方式屏蔽该感应装置。
从下面说明书中，本领域的普通技术人员将了解本发明的其它目的，其 中简单地以最适用于实施本发明的一些模式的说明的方式显示并描述了本发 明的优选实施例。在实现它时，在不脱离本发明的情况下，本发明可以有其 它不同的实施例，并且其各细节可以在各个显而易见的方面上进行改进。因 此，这些附图和说明被认为是示例性的而不是限制性的。
附图的简要说明
结合在说明书中并且形成其一部分的附图显示出本发明的几个方面，并 且与说明书一起用来解释本发明的原理。在这些附图中：
图1为典型能量变换系统的方框示意图；
图2为根据本发明制成的用于能量变换系统的感应装置(尤其是变压 器)的透视图；
图3为用于能量变换系统的感应装置的剖视图，显示出形成在金属线的 磁芯上的电绕组，根据本发明这些金属线包裹这些电绕组以及磁芯；
图4为感应装置的可选实施例的剖视图，显示出在金属线的磁芯上彼此 相邻形成的电绕组；
图5为用于能量变换系统的感应装置的透视图，显示出由磁芯形成的外 壳；
图6为用于能量变换系统的感应装置的剖视图，显示出由磁芯和电绕组 形成的外壳，根据本发明这些金属线包裹着这些电绕组和磁芯；
图7a显示出通过将从线轴架中拉出的多根金属线聚集在一起形成束， 用条带固定这些金属线并且切断这些成束金属线的步骤；
图7b显示出将电绕组直接形成在磁芯上的步骤；
图7c和7d显示出通过将一根或多根金属线缠绕在轴上并且切断这些缠 绕的金属线的方式形成磁芯的可选方法；并且
图7e显示出通过将磁芯的多根金属线形成在这些电绕组上面以包裹着 这些绕组并且形成完整的磁路来屏蔽变压器的步骤。
现在将详细参照本发明的优选实施方案，该实施方案的一些实施例显示 在附图中。
优选实施例的详细说明
为了阐述和说明本发明，现在参照图1，显示出能量变换系统10的当 前优选实施例。该优选的能量变换系统10包括变换装置11、整流器12、 电容滤波器13和稳压器14。但是，根据本发明的最广义的教导，该能量 变换系统10可以是任意在能量变换系统的领域中所公知的电路，该电路 从具有与负载L不相容的特征的外部电源S中提供具有负载L所需的特征的 电源，并且其中变换装置11是任意类型的具有由多根金属线24形成的磁 芯23的感应装置(例如变压器、变换器、镇流器)。
如图2中所示，例如当前优选实施例的变换装置11是一种变压器20， 它具有用来将电源P(未示出)连接在变压器20的初级绕组上的导线21以 及用来将次级绕组连接在负载L(未示出)上的导线22。本领域的普通技 术人员将认识到，初级和次级绕组的指定在某种程度上是随意的，并且 人们可以将导线22连接在电源P上并且将导线21连接在负载L上。因此“初 级”和“次级”的指定在这里仅仅是为了方便描述，并且应该理解的是， 这些绕组可以倒过来。
如在图3中最清楚地所示一样，变压器20的磁芯23由多根金属线24而 不是传统的金属片构成。但是，通常电绕组25和26安装在磁芯23上。用 来形成磁芯23的多根金属线24从中向外延伸并且进一步形成在电绕组25 和26周围并且包裹着它们。多根金属线24的端部接触并且通过条带27紧 固在一起，从而形成完整的磁路。导线21和22在多根金属线24之间经过 从而分别连接在电绕组25和26上。
重要的是，更细芯线24的使用和由这些金属线端部接触所带来的非 常小但是分散的间隙使得本发明的变压器20或其它变换装置11能够以比 通常片型磁芯装置更高的频率操作。优选的是，变压器20或其它变换装 置11可以用在开关式电源和其它需要更高频率的装置中。例如，该变换 装置11可以包括用于控制输出的相位和频率的转换装置(未示出)，所 述频率从低于3Kz的极低频率至包括30至100Kz或更高的低频。
根据本发明的另一个重要方面，金属线24形成基本上容纳着从变压 器20中发出的电磁场并且降低了包括电磁干扰和/或来自外部来源的磁通 量的电磁场的侵入的屏蔽28。如图4中所示可以通过将形成屏蔽28的至少 一部分金属线与横向缠绕的金属线29绑在一起的方式提供额外的屏蔽。 优选的是，金属线29是一种细铁丝或钢丝，用来将金属线23的端部或至 少一部分屏蔽28绑在一起，从而代替条带27。
回过来参照图3，优选带有螺纹的安装支柱30从变压器20的底部延伸 出来，从而为变压器20提供一种方便的安装装置。在磁芯23的中心处， 安装支柱30简单地通过嵌在形成磁芯23的多根金属线24内而被固定不 动。当然，安装支柱30可以从下面支撑变压器20，如在图2和3中所示一 样，或者可以从变压器32的顶部延伸出来，并且变压器32悬挂在该安装 支柱30上(未示出)。
如图4中所示，根据本发明用于能量变换系统10的变压器32的可选实 施例与变压器20类似，但是电绕组33和34在磁芯35上彼此相邻地设置而 不是和在变压器20中一样一个位于另一个上面。另外，安装支柱36从变 压器32的顶部和底部延伸出来。当然，该变压器可以安装在顶部或底部 上，或者安装在这两者上。
虽然安装支柱的使用提供了一种容易且简便的安装变压器的方式， 但是人们可能希望在一种传统的环境中利用本发明的变压器，其中安装 支柱是不方便的。传统的变压器通常由它们的磁芯结构支撑。由于本发 明优选实施例的变压器20的磁芯不适用于提供类似的支撑，所以人们会 利用安装支柱30或36来将变压器固定在能够与传统变压器一样安装的托 架上。或者，磁芯区域可以没有双头螺栓，但是仅仅填充有芯线，并且 通过其它装置例如外部皮带材料安装固定。
根据本发明的另一个重要方面，感应装置20的磁芯23可以形成外壳 40，用来容纳该能量变换系统10的剩下部件的一些或者全部(参见图5)。 例如，典型的模拟电源可以包括另外的部件(未示出)例如保险丝、通 断开关、整流器、电容滤波器和/或稳压器。根据本发明，这些部件或者 至少一部分装在由磁芯23形成的外壳40内。这样，感应装置20以及包括 能量变换系统10的其余部件在物理上受到保护和屏蔽，从而不会受到来自 外部能源的电磁干扰和磁通量的侵入。
根据本发明的最广义的教导，外壳40可以大体上形成任意尺寸和形状。 为了便于阐述和说明，当前优选的外壳40是一种大体上为在两端向周围环境 打开的圆柱形外壳。如图6中所示，在其开口上可以固定有板41、42，以提 供额外的物理保护和屏蔽，从而不受来自外部能源的电磁干扰和磁通量的侵 入。
如上所述，在图1中所示的能量变换系统10的其余部件包括整流器12、 电容滤波器13和稳压器14。这些部件中的每一个在本领域都是公知的并且可 以根据该能量变换系统10的规定设计参数以及根据本发明的教导以任意已知 的形式或组合使用。例如，整流器12可以是一种采用了单个二极管的半波整 流器，用来将正弦输入波形变换成一种单向但不恒定的波形，或者该整流器 可以是一种包括两个半波整流器的全波整流器。同样，电容滤波器13可以是 一种分开跨接负载L的简单电容器，以便降低脉动电压，或者是一种更有效 的电容输入滤波器或者扼流圈输入滤波器，其中采用了一个以上无源元件。 稳压器14可以是齐纳二极管、包括差动放大器和通过晶体管的分散部件的组 合、单片稳压器例如固定电压稳压器的摩托罗拉MC7800C系列或者许多不同 开关稳压器中的一种。这些实施例只是用来举例说明可以与根据本发明的教 导的感应装置结合来形成新颖的能量变换系统的许多类型整流器、滤波器和 稳压器中的一小部分，而不是穷举。
在本发明另一个方面中，一种制作能量变换系统的方法包括以下步骤： 形成多根金属线的磁芯；沿着磁芯的长度设置至少一个电绕组；将该电绕组 连接在外部电源和至少一个无源元件上；并且将该无源元件连接在外部负载 上。
根据该方法，图7a显示出通过将从线轴架(未示出)中拉出的多根金属线 51聚集在一起形成束52并且用刀K等将该金属线束切成预定长度的步骤。通 过条带53等将所得到的磁芯50紧固在一起。要知道的是，从线轴架中拉出的 多根金属线51可以具有相同的直径或者可以是不同直径的组合。如上所述， 不同直径金属线的使用使得磁芯能够更加密集地组装，从而提高了其磁特 性。
根据当前优选的方法，随后将至少一个电绕组54设置在该磁芯50上。该 电绕组可以通过根据现有技术将金属线卷缠绕在心轴上以便滑落在磁芯上来 形成。但是，根据当前优选实施例的重要方面，电绕组54直接缠绕在磁芯50 上，如在图7b中的箭头A所示一样。优选的是，该电绕组54以圆形的方式在 磁芯50上的这种直接设置由于消除了在现有技术制造方法中的步骤，所以提 供了一种更加有效且更加经济的制造方法。
另一个优点在于，通过将电绕组54直接缠绕在磁芯50上，从而该电绕组 有助于将形成该磁芯的金属线牢牢地绑在一起，从而提供多种机械和电子方 面的优点。这些优点包括磁电耦合更紧、效率更高并且来自磁芯50的振动噪 音降低。
图7c显示出根据本发明形成磁芯的一可选方法。在该可选方法中，磁芯 55是将一根和多根金属线56输送给绕线器W来形成的。由于这种类型的绕线 器W可以具有非常高的速度，所以实际上就可以使用细金属线来形成磁芯55。 但是，人们也可以使用具有不同直径的多种金属线，这些金属线被设计成一 定尺寸，被布置成紧密地组装并且同时被拉伸成所需形状。从绕线器W中拆 除多根金属线56，切割成预定长度并且如图7d中所示拉直。通过在切断之前 使缠绕的金属线适当地变形，从而这些端部将是基本上方形的，或者该绕组 套箍可以具有基本上形成三角形横断面的直边。如在图4a中所示的优选方法 中一样，条带53等将多根金属线56紧固在一起，从而形成磁芯55。
随着电绕组54在该优选磁芯50上固定，在该优选方法中的下一步是通过 将从磁芯50中延伸出的多根金属线形成在电绕组54周围，以包裹着该绕组并 且形成完整的磁路从而屏蔽该导电装置。图7e显示出形成多根金属线51的一 种方式，例如通过使用一对锥体C来使这些金属线大体上径向地伸展。然后 使用传统的装置来使这些金属线51完全形成在电绕组54周围上，从而形成大 体上如图2中所示的屏蔽。
本领域的普通技术人员将认识到，感应装置的磁芯优选形成完整的磁 路。如在图2和3中所最清楚地所示一样，从磁芯23中延伸出来的多根金属线 在电绕组25、26周围上的成形使得金属线的端部接触。根据本发明的方法， 这些金属线24优选被制备成具有清洁的端部；然后当金属线的端部接触时， 它们通过条带27被紧固在一起。或者，该条带27可以与横向缠绕在装置20周 围的细铁丝或钢丝结合或由它代替，或者通过涂有环氧树脂或胶水的磁性金 属被加强。
除了提供所要求的完整磁路之外，可以看出，整个感应装置例如变压器 20因此由形成屏蔽28的金属线24所覆盖。因此，根据本发明的方法制成的装 置可以用于电嘈杂环境中而不会对周围部件造成负面影响或者受到周围部件 的负面影响。
因此要理解的是，本发明提供一种用于制作能量变换系统10的高效方 法，该系统具有带有由多根金属线24形成的磁芯23的变换装置20。应该理解 的是，本发明的变换装置20的芯线24可以由基本上相同的硅钢和其它用于传 统磁芯的钢制成。另外，如在当前例如希望使用晶粒取向硅钢的冲压板中所 发现的一样，拉伸该金属线的过程产生出相同理想的并且沿着正确方向的晶 粒结构。本发明的金属线将涂有涂层以相互电绝缘，从而降低涡流，并且这 些金属线的直径可以选择以便降低涡流。
为了阐述和说明已经给出了本发明优选实施例的以上说明。上述说明并 不打算穷举或者将本发明限制在所披露的精确形式上。在上述教导的启示 下，可以有许多显而易见的改进或变化。所选的并且所描述的优选实施例提 供了本发明原理及其实际应用的最佳说明，从而使得本领域的普通技术人员 能够以各种实施例使用，并可采用适用于所考虑的具体用途的各种改进来利 用本发明。所有这些改进和变化都包含在由附属权利要求限定的本发明的范 围内。