專利名稱：磁控電流或電壓調(diào)節(jié)器和變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及所附獨(dú)立專利權(quán)利要求前序部分中所述的磁感應(yīng)電流或電壓調(diào)節(jié)器和與電能分配有關(guān)的用來控制連接和斷開的磁感應(yīng)變換器。
作為公知的傳感器技術(shù)的延續(xù)，本發(fā)明特別適合在電力電子技術(shù)領(lǐng)域的多種場合作為電壓連接器，電流調(diào)節(jié)器或是電壓變換器。本發(fā)明特有的特征是控制繞組和主繞組之間的變換或感應(yīng)連接幾乎為0，而是通過控制繞組中的電流來調(diào)節(jié)主繞組的電感，并且還可以通過控制繞組中的電流來調(diào)節(jié)變壓器結(jié)構(gòu)中原邊繞組和副邊繞組之間的磁路連接。
例如在整流技術(shù)領(lǐng)域中，可以采用本發(fā)明配合調(diào)節(jié)大整流器的高壓輸入，其優(yōu)點是能夠在整個電壓范圍上充分利用二極管整流器。對于異步電動機(jī)，設(shè)想可以用本發(fā)明配合高壓電動機(jī)的軟起動。本發(fā)明還適合在配電領(lǐng)域中用于電力線的電壓調(diào)節(jié)，并且可以用于電網(wǎng)中無功功率的連續(xù)控制補(bǔ)償。
該裝置的使用還不僅限于此，例如還能構(gòu)成頻率變換器的一部分以將輸入頻率變換成任意選擇的輸出頻率，最適合用來操作異步電動機(jī)，其中頻率變換器的輸入側(cè)具有三相電源，該電源利用其各相導(dǎo)體為至少一個變壓器提供輸入，產(chǎn)生變換器各自的三相輸出，這種變壓器的輸出通過各自選擇的可控制的電壓連接器或是通過另外的變壓器耦合電壓連接器來連接，從而構(gòu)成一個上述三相輸出。
該裝置的另一用途是作為DC電壓到AC電壓的直接(direct)變換器因而AC電壓的頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)。
在深海底范圍使用這種類型的頻率變換器，這是使用可變速的大容量泵所要求的。在深海系統(tǒng)中抽水通常是從水下地點到水面以上位置抽水(提水)，以及從水下地點向儲存器中注水。
可變速發(fā)動機(jī)控制通常是基于兩種原理；a)直流電子頻率調(diào)節(jié)變換器，和b)帶脈寬調(diào)制的AC-DC-AC變換器，并且擴(kuò)展到使用諸如晶閘管和IGBT等半導(dǎo)體器件。后者代表著在工業(yè)裝置中廣泛應(yīng)用的技術(shù)并且可在機(jī)車上使用等等。
近來對水下環(huán)境中的電動機(jī)引入了速度控制。其主要問題是這種系統(tǒng)的封裝和操作。在這種領(lǐng)域中的操作涉及到服務(wù)，維護(hù)等等。復(fù)雜的電子系統(tǒng)通常要在有關(guān)溫度和壓力的控制環(huán)境中操作。用于海底情況的這種系統(tǒng)必須被密封在充有氮?dú)獠⒕S持在1大氣壓的容器中。考慮到電子裝置熱損耗導(dǎo)致的發(fā)熱，會產(chǎn)生數(shù)量可觀的熱量，就需要采用強(qiáng)制空氣冷卻。冷卻通常是用風(fēng)扇解決的。采用風(fēng)扇會使系統(tǒng)的服務(wù)壽命大大縮短，不是一種好的解決方案。
電子裝置和電子功率半導(dǎo)體器件的靈敏度很高并且需要保護(hù)電路。這樣會使系統(tǒng)復(fù)雜化且增大成本。
在(超過300米的)深水區(qū)，這種系統(tǒng)的保護(hù)容器很重，占系統(tǒng)的總重量的很大比例。另外，與不需要整個頻率變換器的系統(tǒng)相比，需要更經(jīng)常的維護(hù)，因為即便是簡單的維護(hù)也難以用遙控操作車(ROV)來執(zhí)行。
因此按照本發(fā)明的裝置的相應(yīng)目的是提供一種適用于水下泵送操作的頻率變換器，其特別注重于操作可靠性，穩(wěn)定性并且很少需要維護(hù)。使用要求能達(dá)到在3000米深處工作25年。
基于半導(dǎo)體技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)頻率變換器是將具有給定頻率的交流(AC)功率變換成其它選定頻率上的交流功率，無需任何中間DC連接。變換是通過在受控制的時間間隔期間在給定輸入和輸出端子之間形成連接來執(zhí)行的。通過依次將輸入頻率為F1的AC輸入電源上的電壓波形上選定的部分連接到端子上，產(chǎn)生輸出頻率為F0的輸出電壓波形。這種頻率變換器的形式是標(biāo)準(zhǔn)對稱循環(huán)換流器電路，以便從三相電網(wǎng)向三相電動機(jī)供電。標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)換流器模塊包括電動機(jī)每一相的雙變換器。通常的方法是采用三個相同且基本上獨(dú)立的提供三相輸出的雙變換器。
頻率變換器的各種公知類型中有一種對稱12-脈沖中心循環(huán)換流器，它是包括三個相同的4-象限12-脈沖中心變換器，各自用于一相輸出。所有三個變換器共用輸入變壓器上共同的副邊繞組。對于平衡3相負(fù)載Y形連接的電動機(jī)，可以省去零線。
基于半導(dǎo)體技術(shù)的另一種公知的頻率變換器是所謂的對稱12-脈沖橋式電路，它具有三個相同的4-象限12-脈沖橋式變換器，各自用于一相輸出。從輸入變壓器上獨(dú)立的副邊繞組向六個單獨(dú)的6-脈沖變換器各自上的輸入端子供電。應(yīng)該注意到對一個以上變換器不允許使用同一副邊繞組。這是因為每個12-脈沖變換器本身需要兩個完全絕緣的變壓器副邊繞組。
由此就不可避免地引出了本發(fā)明的一個次要但仍重要的目的主要是避免安裝于深水處的頻率變換器中的半導(dǎo)體部件，為此而提出了按照基于全新概念的本發(fā)明的新式磁變換器技術(shù)。
因此本發(fā)明包括一種磁感應(yīng)電流或電壓調(diào)節(jié)器，其第一實施例的特征是包括由可磁化材料制成并且提供閉合磁路的主體，沿著閉合磁路的至少一部分圍繞主體至少纏繞一匝構(gòu)成第一主繞組的至少一個第一電導(dǎo)體，沿著閉合磁路的至少一部分圍繞主體至少纏繞一匝構(gòu)成第二主繞組或控制繞組的至少一個第二電導(dǎo)體，主繞組中各匝的繞組軸線與控制繞組中的各匝的繞組軸線成直角。其目的是在主體中提供正交磁場，利用控制繞組的磁場控制可磁化材料相對于主繞組磁場的特性。在第一實施例的優(yōu)選方案中，主繞組中各匝的軸線與主體的縱向平行或是重合，而控制繞組的各匝基本上沿著可磁化主體延伸，并且控制繞組的軸線與主體的縱向成直角。第一實施例的第二種可能的變形是控制繞組中各匝的軸線與主體的縱向平行或是重合，而主繞組的各匝基本上沿著可磁化主體延伸，并且主繞組的軸線與主體的縱向成直角。
通過沿著閉合磁路的至少一部分圍繞主體纏繞至少一匝來設(shè)置第三電導(dǎo)體而構(gòu)成第三主繞組，使第三主繞組中各匝的繞組軸線與第一主繞組中各匝的繞組軸線重合或是平行，就能將第一實施例的裝置用作變壓器，因而在第一和第三主繞組中的至少一個受激勵時在二者之間形成變壓器作用。本發(fā)明第一實施例適用的第二種可能是用作這樣一種變壓器，沿著閉合磁路的至少一部分裝上圍繞主體纏繞至少一匝的第三電導(dǎo)體而構(gòu)成第三主繞組，使第三主繞組中各匝的繞組軸線與控制繞組中各匝的繞組軸線重合或是平行，因而在第三主繞組和控制繞組中的至少一個受激勵時在二者之間形成變壓器作用。
本發(fā)明的第二實施例包括一種磁感應(yīng)電流或電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于它包括第一主體和第二主體，其各自由提供閉合磁路的可磁化材料制成，上述主體是并列的，沿著閉合磁路的至少一部分纏繞至少一匝構(gòu)成第一主繞組的至少一個第一電導(dǎo)體，圍繞第一和/或第二主體的至少一部分纏繞至少一匝構(gòu)成第二主繞組或控制繞組的至少一個第二電導(dǎo)體，其中主繞組中各匝的繞組軸線與控制繞組中各匝的繞組軸線成直角。其目的是在主體中形成正交磁場，從而利用控制繞組中的磁場來控制可磁化材料相對于主繞組中磁場的特性。主繞組和控制繞組還可以交換，從而構(gòu)成一種磁感應(yīng)電流或電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于它包括圍繞第一和/或第二主體的至少一部分纏繞至少一匝構(gòu)成第一主繞組的至少一個第一電導(dǎo)體，沿著閉合磁路纏繞至少一匝構(gòu)成第二主繞組或控制繞組的至少一個第二電導(dǎo)體，其中主繞組中各匝的繞組軸線與控制繞組中各匝的繞組軸線成直角，其目的是在主體中形成正交磁場，利用控制繞組中的磁場來控制可磁化材料相對于主繞組中磁場的特性。
第二實施例的一種優(yōu)選變形包括第一和第二磁場連接器，它們與主體共同構(gòu)成閉合的磁路。
通過裝備上纏繞一匝構(gòu)成第三主繞組的第三電導(dǎo)體，使第三主繞組中各匝的繞組軸線與第一主繞組或控制繞組中各匝的繞組軸線A2重合或是平行，就能將第二實施例的裝置用作變壓器，在第三主繞組和第一主繞組或是控制繞組中的至少一個受激勵時在第三主繞組和第一主繞組或控制繞組之間形成變壓器作用。
按照本發(fā)明第二實施例的優(yōu)選方案，第一和第二主體是管形的，因此允許第一導(dǎo)體或第二導(dǎo)體從第一和第二主體中穿過。按照這種方案，磁場連接器最好包括導(dǎo)體的開口。按照本發(fā)明的優(yōu)選方案，每個磁場連接器包括便于插入第一或第二連接器的一個縫隙。按照本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的方案，該裝置裝備有設(shè)置在管的端面與磁場連接器之間的絕緣薄膜，其目的是將連接面彼此絕緣，以免在連接面上產(chǎn)生由薄膜層短路造成的感應(yīng)渦流。對于由鐵氧體或擠壓粉末制成的磁心不需要絕緣薄膜。另外，第二實施例中的各個管最好是包括兩個或兩個以上磁心部分，并在磁心部分之間另外提供一個絕緣層。另外，本發(fā)明第二實施例中的管可以具有圓形，正方形，矩形，三角形或是六邊形的截面。
本發(fā)明的第三實施例涉及到磁感應(yīng)電流或電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于它包括第一外部管形主體和第二內(nèi)部管形主體，它們各自由可磁化材料制成并且提供閉合的磁路，上述主體彼此是同心的，具有共同的軸線，圍繞管形主體纏繞至少一匝構(gòu)成第一主繞組的至少一個第一電導(dǎo)體，在主體之間的空隙中設(shè)置至少一個第二電導(dǎo)體，并且圍繞主體的公共軸線纏繞至少一匝構(gòu)成第二主繞組或控制繞組的該至少一個第二電導(dǎo)體，其中主繞組中各匝的繞組軸線與控制繞組中各匝的繞組軸線成直角。其目的同樣是在主體中提供正交磁場，以此利用控制繞組中的磁場來控制可磁化材料相對于主繞組磁場的特性。主繞組和控制繞組在本發(fā)明的第三實施例中也可以交換，從而構(gòu)成磁感應(yīng)電流或電壓調(diào)節(jié)器，在主體之間的空隙中設(shè)置至少一個電導(dǎo)體并且圍繞主體的軸線纏繞至少一匝構(gòu)成第一主繞組的該電導(dǎo)體，圍繞管形主體纏繞至少一匝構(gòu)成第二主繞組或控制繞組的至少一個第二電導(dǎo)體，并且主繞組中各匝的繞組軸線與控制繞組中各匝的繞組軸線成直角。
本發(fā)明第三實施例的一種優(yōu)選變形包括第一和第二磁場連接器，它們與主體共同構(gòu)成閉合的磁路。
如果為裝置配備纏繞至少一匝構(gòu)成第三主繞組的第三電導(dǎo)體，第三實施例的裝置同樣適合被用作變壓器。在這種情況下，同樣使第三主繞組中各匝的繞組軸線與第一主繞組中各匝的繞組軸線重合或是平行，在第三主繞組和第一主繞組中的至少一個受激勵時在二者之間形成變壓器作用，或是使第三主繞組中各匝的繞組軸線與控制繞組中各匝的繞組軸線重合或是平行，在第三主繞組和控制繞組中的至少一個受激勵時在二者之間形成變壓器作用。
本發(fā)明的第四實施例涉及到磁感應(yīng)電流或電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于與本發(fā)明第三實施例的方式一樣包括第一外部管形主體和第二內(nèi)部管形主體，它們各自由可磁化材料制成并且形成閉合的磁路或內(nèi)部磁心。該裝置還包括另一個管形主體，它提供了安裝在第一外部管形主體外側(cè)的一個外部磁心，這些主體彼此是同心的因而具有共同的軸線，圍繞管形主體纏繞至少一匝構(gòu)成第一主繞組的至少一個第一電導(dǎo)體，在第一和第二主體之間的空隙中設(shè)置至少一個第二電導(dǎo)體，并且圍繞主體的公共軸線纏繞至少一匝形成第二主繞組或控制繞組的該第二電導(dǎo)體，其中主繞組中各匝的繞組軸線與控制繞組中各匝的繞組軸線成直角。其目的同樣是在主體中提供正交磁場，從而利用控制繞組中的磁場來控制可磁化材料相對于主繞組磁場的特性。和本發(fā)明第二實施例的方式一樣，主繞組和控制繞組也可以交換而構(gòu)成一種裝置，其中在第一和第二主體之間的空隙中設(shè)置至少一個第一電導(dǎo)體，并且圍繞主體的公共軸線纏繞至少一匝形成第二主繞組或控制繞組的該第一電導(dǎo)體，圍繞管形主體纏繞至少一匝構(gòu)成第二主繞組或控制繞組的至少一個第二電導(dǎo)體。
本發(fā)明第四實施例的一種優(yōu)選變形包括第一和第二磁場連接器，它們與主體共同構(gòu)成閉合的磁路。
如果為其裝備上圍繞外部磁心纏繞至少一匝構(gòu)成第三主繞組的第三電導(dǎo)體，第四實施例的裝置同樣適合被用作變壓器。在這種情況下同樣有兩種選擇一種是第三主繞組中各匝的繞組軸線與第一主繞組中各匝的繞組軸線重合或是平行，因而在其中的至少一個受激勵時在第一和第三主繞組之間形成變壓器作用；另一種是第三主繞組中各匝的繞組軸線與控制繞組中各匝的繞組軸線重合或是平行，在第三主繞組和控制繞組中的至少一個受激勵時在二者之間形成變壓器作用。
當(dāng)然也能按這樣的方式實現(xiàn)本發(fā)明的第四實施例，即將構(gòu)成內(nèi)部磁心的兩個管形主體安裝在構(gòu)成外部磁心的管形主體的外側(cè)，用一個管形主體構(gòu)成內(nèi)部磁心，而用兩個管形主體構(gòu)成外部磁心。
按照本發(fā)明第四實施例的一種優(yōu)選變形，裝置的特征在于外部磁心包括若干個環(huán)形件，用第一和/或第三主繞組圍繞各環(huán)形件構(gòu)成單獨(dú)的繞組。第二種可能是用控制繞組和/或第三主繞組圍繞各環(huán)形件構(gòu)成單獨(dú)的繞組。
第四實施例從原理上說應(yīng)該是優(yōu)選的一個。
按照本發(fā)明的裝置有許多有意義的用途，以下只是很少的例子。例如有a)作為頻率變換器中的部件將輸入頻率變換成隨意選擇的輸出頻率，用來按照循環(huán)換流器連接操作異步電動機(jī)，b)作為頻率變換器中的連接器，將輸入頻率變換成隨意選擇的輸出頻率，用來操作異步電動機(jī)，將一個6或12-脈沖變壓器產(chǎn)生的相位電壓加在電動機(jī)的各相上，c)作為DC到AC變換器將DC電壓/電流變換成隨意選擇的輸出頻率的AC電壓/電流，d)象c)一樣，但是將三個這種可變電感電壓變換器相互連接，以便產(chǎn)生具有隨意選擇的輸出頻率的三相電壓連接到上述異步電動機(jī)上，e)在加工業(yè)中將AC電壓變換成DC電壓，將這種裝置用作磁阻控制可變變壓器，其輸出電壓與磁心中的磁阻變化成正比，磁心通過一個獨(dú)立副邊繞組與外部或內(nèi)部磁心磁并聯(lián)或串聯(lián)連接，并且有三個以上這種磁阻控制變壓器被連接到用于6或12-脈沖整流器連接的公知三相整流器連接上用于二極管輸出級，f)在整流器中用來將AC電壓變換成供加工業(yè)使用的DC電壓，用該裝置構(gòu)成電壓連接器，用作與原邊繞組或公知的變壓器連接相串聯(lián)的可變電感，并且有三個以上這種變壓器被連接到用于6或12-脈沖整流器連接的三相整流器連接上用于二極管輸出級，g)作為在開關(guān)電源領(lǐng)域中使用的AC/DC或DC/AC變換器，用來縮小磁感應(yīng)電壓變換器的尺寸，由該裝置構(gòu)成一個磁阻控制可變變壓器，其輸出電壓與磁心中的磁阻變化成正比，磁心通過一個獨(dú)立副邊繞組最好是其中包括由可變電感構(gòu)成的一個電感的濾波器與外部或內(nèi)部磁心磁并聯(lián)或串聯(lián)連接，h)在高壓配電網(wǎng)中作為可控電壓補(bǔ)償器中的一個部件，由該裝置構(gòu)成一個線性可變電感，i)用作可控?zé)o功功率補(bǔ)償器(VAR補(bǔ)償器)中的一個部件，由該裝置配合著公知的濾波器電路產(chǎn)生線性可變電感，其中由至少一個調(diào)相器也構(gòu)成一個元件，以磁阻控制變壓器形式出現(xiàn)的該裝置被用做自動連接電容或電感的補(bǔ)償器連接中的一個元件，并且調(diào)節(jié)到對無功功率進(jìn)行所需補(bǔ)償?shù)某潭?，j)在一個系統(tǒng)中用作AC電壓到DC電壓的磁阻控制直接變換，k)在一個系統(tǒng)中用作DC電壓到AC電壓的磁阻控制直接變換。
電壓連接器沒有用來吸收發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間電壓的移動部件。連接器的功能是要利用小控制電流從0-100％控制發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間的電壓。第二個功能是純粹作為電壓開關(guān)或電流調(diào)節(jié)器。另一個功能是電壓曲線的形成和變換。
按照本發(fā)明的新技術(shù)能夠被用來升級目前需要調(diào)節(jié)的二極管整流器。它配合著12-脈沖或24-脈沖整流器系統(tǒng)能夠以一種簡單的方式平衡系統(tǒng)中的電壓，同時具有從0-100％的可控二極管整流。
按照本發(fā)明的電流或電壓調(diào)節(jié)是以基本沒有移動部件的磁連接器的形式實現(xiàn)的，并且能夠被用來連接也就是在發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間輸送電能。磁連接器的功能是能夠閉合及打開一個電路。
因此連接器能夠按不同方式起到一個飽和電抗器的作用，為了使磁心飽和而采用了變壓器原理。這種連接器是通過一個控制繞組使帶主繞組的主磁心進(jìn)入和脫離飽和來控制工作電壓的。連接器在控制繞組和主繞組之間沒有明顯的變換性或電感性連接(與飽和電抗器不同)，也就是不為控制繞組和主繞組產(chǎn)生明顯的公共磁通。
這種新式磁控連接器技術(shù)能夠在大功率應(yīng)用中替代半導(dǎo)體例如是閘門電路斷開式的，并能在其它應(yīng)用中替代金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管或集成門雙極型晶體管，而對應(yīng)用的限制是要能夠承受主繞組的磁化無負(fù)載電流所產(chǎn)生的寄生電流。如上所述，這種新式變換器特別適合用來實現(xiàn)頻率變換器將具有給定頻率的交流功率變換成具有不同的選定輸出頻率的交流功率。在這種情況下不需要中間DC連接。
如上所述，本發(fā)明的裝置能夠被用于與那些基于循環(huán)換流器原理等的頻率變換器的連接，以及與基于12-脈沖橋式變換器或是DC電壓到可變頻率AC電壓的直接變換原理的頻率變換器的連接。
按照本發(fā)明的裝置的原理，在可磁化主體或主磁心中采用可變磁阻是基于在圍繞主磁心纏繞的主繞組中有磁化電流這一事實，按照法拉第定律，該原理受磁阻的限制。為產(chǎn)生抗感應(yīng)電壓而必須建立的磁通取決于磁心中的磁阻。磁化電流的量值是由為平衡施加的電壓而必須建立的磁通量所確定的。
以空氣為磁心的線圈中的磁阻比圍繞鐵磁材料的磁心纏繞的繞組的磁阻大約要大1.000-900.000倍。按照法拉第定律，在低磁阻(鐵心)的情況下只需要很小的電流就能建立產(chǎn)生對所施加電壓的反作用電壓所需的磁通。對于高磁阻(空氣磁心)的情況，為了能產(chǎn)生同樣的感應(yīng)反作用電壓所需要的磁通，就需要一個大電流。
通過控制磁阻就能控制磁化電流或是電路中的負(fù)載電流。為了控制磁阻，按照本發(fā)明通過一個與主繞組產(chǎn)生的磁通正交的采用飽和的主磁心，控制磁通。如上所述，上述原理構(gòu)成了本發(fā)明的基礎(chǔ)，而本發(fā)明涉及到磁感應(yīng)電流或電壓調(diào)節(jié)器(連接器)和磁感應(yīng)變換器裝置。
不難看出，這種連接器和變換器都能用適當(dāng)?shù)沫h(huán)形磁心制造裝置來制作。從技術(shù)角度來看，可以用磁性材料來制作變換器，例如按適當(dāng)設(shè)計的圓筒磁心電鍍纏繞，或是在高頻應(yīng)用中采用擠壓粉末或鐵氧體。根據(jù)專門用途制作鐵氧體磁心或是擠壓粉末磁心當(dāng)然也是有益的。
以下要參照附圖詳細(xì)解釋本發(fā)明，在附圖中

圖1和2表示本發(fā)明的基本原理及其第一實施例。
圖3是按照本發(fā)明的一個實施例的示意圖。
圖4表示構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明裝置的部分不同磁通的面積。
圖5表示按照本發(fā)明的裝置的第一等效電路。
圖6是按照本發(fā)明的裝置的簡化框圖。
圖7是磁通與電流的關(guān)系曲線。
圖8和9表示本發(fā)明裝置中的磁化曲線和磁性材料的磁疇。
圖10表示主繞組和控制繞組的磁通密度。
圖11表示本發(fā)明的第二實施例。
圖12同樣表示本發(fā)明的第二實施例。
圖13和14表示第二實施例的截面圖。
圖15-18表示磁場連接器在本發(fā)明的上述第二實施例中的不同實施方案。
圖19-32表示管形主體在本發(fā)明第二實施例中的不同實施方案。
圖33-38表示在本發(fā)明的第二實施例中使用的磁場連接器的不同方位。
圖39表示按照本發(fā)明第二實施例的一種裝配的裝置。
圖40和41是本發(fā)明第三實施例的截面圖和示意圖。
圖42，43和44表示本發(fā)明第三實施例中使用的磁場連接器的具體實施例。
圖45表示適合用做變壓器的本發(fā)明第三實施例。
圖46和47是本發(fā)明第四實施例的截面圖和示意圖，可用做磁阻控制的磁通連接變壓器。
圖48和49表示本發(fā)明的第四實施例，它適用于粉末狀磁性材料，并因而沒有磁場連接器。
圖50和51是沿著圖48中VI-VI和V-V線的截面圖。
圖52和53表示適用于粉末狀磁性材料的磁心，并因而沒有磁場連接器。
圖54是本發(fā)明第四實施例的一種變形的“X射線照片”。
圖55表示按照本發(fā)明裝置的第二種變形，連同其可能用于變壓器連接的原理。
圖56表示為本發(fā)明的電壓連接器提出的一種電路示意圖。
圖57表示為電壓連接器提出的一個示意性框圖。
圖58表示的磁路中沒有包括控制繞組和控制磁通。
圖59和60是為本發(fā)明的電壓連接器提供的電路示意圖。
圖61表示本發(fā)明在交流電路中的應(yīng)用。
圖62表示本發(fā)明在三相系統(tǒng)中的應(yīng)用。
圖63表示在DC-DC變換器中用作一個可變扼流圈。
圖64表示在濾波器中和電容一起用作一個可變扼流圈。
圖65表示按照本發(fā)明的裝置的一個簡化磁阻模型，以及按照本發(fā)明的連接器的簡化等效電路。
圖66表示一種磁性開關(guān)的連接。
圖67表示采用本發(fā)明的一種三相電路。
圖68表示用這種裝置作為開關(guān)。
圖69表示由6個按照本發(fā)明的裝置構(gòu)成的電路。
圖70表示將本發(fā)明的裝置用作DC-AC變換器。
圖71表示將本發(fā)明的裝置用作AC-DC變換器。
以下要參照圖1a和1b來解釋本發(fā)明的原理。
在全部描述中，與磁場和磁通相聯(lián)系的箭頭基本上代表其在磁性材料中的方向。為了清楚將箭頭畫在圖的外側(cè)。
圖1a表示的裝置包括可磁化材料的主體1，它構(gòu)成一個閉合的磁路。這一可磁化主體或磁心1可以是環(huán)形或其它適當(dāng)?shù)男螤?。圍繞主體1纏繞第一主繞組2，在主繞組2受激勵時產(chǎn)生的磁場H1(對應(yīng)著磁通密度B1的方向)遵循這一磁路。主繞組2相當(dāng)于普通變壓器中的一個繞組。在一個實施例中，該裝置包括和主繞組2一樣圍繞可磁化主體1纏繞的第二主繞組3，它提供的磁場基本上沿著主體1延伸(也就是與H1，B1平行)。在本發(fā)明的一個最佳實施例中，裝置還包括在內(nèi)部沿著主體1延伸的第三主繞組4。在第三主繞組4受激勵時，它產(chǎn)生的磁場H2(連同其磁通量密度B2)所具有的方向與第一和第二主繞組的磁場方向(H1，B1的方向)成直角。本發(fā)明還可以包括圍繞主體1的一個腿纏繞的第四主繞組5。在第四主繞組5受激勵時會產(chǎn)生一個磁場，其方向與第一主繞組(H1)，第二和第三主繞組(H2)中的磁場皆成直角(圖3)。由第四主繞組產(chǎn)生的磁場自然也需要采用一個閉合的磁路。在圖中沒有表示這一磁路，因為圖只是為了要表示繞組的相對位置。
然而，按照本發(fā)明中認(rèn)為是最佳的布局情況是主繞組中的各匝應(yīng)遵循控制磁場的磁場方向，而控制繞組中各匝遵循主磁場的磁場方向。
圖1b-1g表示了不同繞組和磁體的軸線和方向的定義。對于繞組，其軸線與各匝所限定的平面垂直。主繞組2的軸線是A2，主繞組3的軸線是A3，而控制繞組4的軸線是A4。
對于可磁化主體，縱向會隨著其形狀而改變。如果主體是細(xì)長的，縱向A1就對應(yīng)著主體的縱軸。如果磁體如圖1a所示是正方形，可以將縱向A1定義為正方形的各腿。若主體是管形，縱向A1就是管的軸線，而環(huán)形主體的縱向A1是遵循環(huán)的圓周。
本發(fā)明是基于這樣的可能性，即通過改變與第一磁場成直角關(guān)系的第二磁場來改變可磁化主體的特性。例如可以將磁場H1定義為工作磁場，而利用磁場H2(以下稱為控制磁場H2)控制主體1的特性(及其工作磁場H1的形態(tài))。以下要詳細(xì)解釋。
按照法拉第定律，被鐵磁材料包圍的電導(dǎo)體中的磁化電流受磁阻的限制。為產(chǎn)生抗感應(yīng)電壓而必須建立的磁通取決于包圍導(dǎo)體的磁性材料的磁阻。
磁化電流的大小是由為了平衡施加的電壓而必須建立的磁通量決定的。
通常以下穩(wěn)態(tài)方程是對正弦電壓采用的1)磁通Φ=-j1N.ω·E]]>E＝施加的電壓ω＝角頻率N＝繞組的匝數(shù)其中通過磁性材料的磁通φ是由電壓E確定的。為建立必要的磁通所需的電流是這樣確定的2)電流I=Φ·RmN]]>Φ=IRm·N]]>
3)磁阻(磁通磁阻)Rm=1jμ0·μr·Aj]]>lj＝磁通路徑長度μr＝相對磁導(dǎo)率μo＝真空中的磁導(dǎo)率Aj＝磁通路徑的截面面積按照公式2，如果是低磁阻(鐵外殼)，只需要很小的電流就能建立所需的磁通，并且提供的電壓會疊加到連接器。而對于高磁阻(空氣)的情況，為了建立所需要的磁通就需要一個大電流。在這種情況下，電流會受到負(fù)載上的電壓和連接器中感應(yīng)的電壓的限制?？諝庵械拇抛枧c磁性材料中的磁阻之間的差為1.000-900.000的數(shù)量級。
這其中在磁性材料中的磁感應(yīng)或磁通密度是由材料的相對磁導(dǎo)率和磁場強(qiáng)度確定的。磁場強(qiáng)度是由圍繞或是通過該材料布置的繞組中的電流產(chǎn)生的。
對這種系統(tǒng)需要評估以下內(nèi)容磁場強(qiáng)度∫H.ds＝I.NH＝磁場強(qiáng)度s＝完整的路徑I＝繞組中的電流N＝繞組數(shù)量磁通密度或電感β＝μ0·μrHH＝磁場強(qiáng)度磁感應(yīng)與磁場強(qiáng)度之間的比率是非線性的，其結(jié)果是，當(dāng)磁場強(qiáng)度增大到一定限度以上時，磁通密度因鐵磁材料中的磁疇進(jìn)入飽和狀態(tài)而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象而不再增大。這樣就需要提供一個與磁性材料中的工作磁場H1相垂直的控制磁場H2來控制可磁化材料的飽和，同時又避免兩個磁場之間的磁性連接以避免變換性電感連接。變換性連接是指兩個繞組“共享”一個磁場的連接，其結(jié)果會因一個繞組中的磁場變化導(dǎo)致另一繞組中磁場的變化。
通過變換性連接就能避免增大H進(jìn)入飽和，磁通具有共同的路徑并且被相加。如果磁通是正交的，它們就不能被加在一起。例如是提供一個磁性材料的管，主繞組或承載工作電流的繞組處在管的內(nèi)側(cè)并且在管的縱向上纏繞，而控制繞組或承載控制電流的繞組圍繞著管的圓周纏繞，就能獲得理想的效果。根據(jù)管的尺寸，這樣還能獲得小面積的控制磁通和大面積的工作磁通。
在上述實施例中，工作磁通的走向是沿著管的圓周方向并具有閉合的磁路。而控制磁通的走向則是在管的縱向上，并且必須連接到閉合的磁路，可以通過平行放置的兩個管并且在兩個管之間用磁性材料來連接控制磁通，或是通過圍繞第二管布置的第一管，使得控制繞組被布置在兩個管之間，并且用磁路互連兩個管的端面，從而獲得控制磁通的閉合磁路。以下要具體描述這些解決方案。
以下將在管之間提供磁路連接的部件或是磁心部件稱作磁場連接器或是磁場耦合。
材料中的總磁通公式是4)φ＝B*Aj磁通密度B是由B1和B2的矢量和組成的(圖4d)。B1是由第一主繞組2中的電流I1產(chǎn)生的，并且B1的方向與主繞組2中的導(dǎo)體相切。主繞組2具有N1匝并且圍繞可磁化主體1纏繞。B2是由具有N2匝的控制繞組4中的電流I2產(chǎn)生的，并且控制繞組4圍繞著主體1纏繞。B2的方向與控制繞組4中的導(dǎo)體相切。
由于繞組2和4是按彼此成90°布置的，B1和B2處于正交位置。在可磁化主體1中，B1是橫向排列的，而B2是縱向。在這種連接中特別推薦圖1-4所示的方式。5)---B‾=B1‾+B2‾]]>認(rèn)為工作磁場(H1)方向上的相對磁導(dǎo)率高于控制磁場(H2)方向是有益的，也就是可磁化主體1中的磁性材料是各向異性的，但是這不應(yīng)該被認(rèn)為是對本發(fā)明范圍的限制。
磁場H1和H2的矢量和決定了主體1中的總磁場，而主體1的狀態(tài)與飽和有關(guān)，并且決定了在連接到主繞組2的負(fù)載和連接器之間分配的磁化電流和電壓。由于B1和B2的來源在位置上是彼此正交的，不會有分解進(jìn)入對方的磁場。這就意味著B1不會成為B2的函數(shù)反之亦然。然而，B1和B2的矢量和B會受到它們各自范圍的影響。
B2是由控制電流產(chǎn)生的矢量。B2矢量的截面A2是磁體1的橫向表面，參見圖4c。它是受可磁化主體1的厚度限制的一個小表面，對于環(huán)形主體，它是由主體1內(nèi)、外直徑之間的表面區(qū)段所限定的。而另一方面B1磁場的截面表面A1(見圖4a，b)是由磁心的長度和施加的額定電壓給定的。這一表面可達(dá)控制磁體密度B2的5-10倍以上，這也不是對本發(fā)明的限制。
當(dāng)B2達(dá)到飽和的水平，B1的變化不會使B發(fā)生變化。這樣就有可能控制B1的水平使材料達(dá)到飽和，從而控制對B的磁阻。
控制繞組4(有N2匝)的電感可以達(dá)到適合對調(diào)節(jié)器采用脈沖控制的很小值，也就是能夠?qū)崿F(xiàn)快速反應(yīng)(達(dá)到毫秒級)。
6)Ls=N22·μr-sal·μ0·A2l2]]>N2＝控制繞組的匝數(shù)A2＝控制磁通密度B2的面積l2＝控制磁通的磁通路徑長度以下要根據(jù)Maxwell公式給出本發(fā)明及其應(yīng)用的簡化數(shù)學(xué)表達(dá)式。
在電功率技術(shù)中，為了簡單計算磁場而采用了積分形式的Maxwell公式。
在此處所要分析(并且或多或少與本發(fā)明有關(guān))的這種裝置中，磁場是低頻的。
與電流密度相比，位移電流是可以忽略的。
Maxwell公式(H‾)curl=J‾+ddtD‾---7)]]>可以簡化成
curl(H)＝J 8)按照Toke的理論得到的積分形式是∫(H)dl＝I 9)對圖4的系統(tǒng)有一個解決方案，那就是由主繞組2建立H1磁場。為了能夠?qū)Ｗ⒂谠矶皇蔷_計算，此處所執(zhí)行的計算是針對繞組的。
積分路徑與磁場方向重合，并且在可磁化材料1中選擇一個平均磁場長度11。積分公式的解就變成了H111＝N1·I111)它也被稱為磁動勢MMK。
F1＝N1·I112)控制繞組4會建立由電流I2產(chǎn)生的相應(yīng)的MMKH2·I2＝N2·I213)F2＝N2·I214)用磁通密度B表示材料在受到源繞組2和4產(chǎn)生的磁場H的影響時的磁化。對于主繞組2B1‾=μ0·μr1·H‾1---15)]]>對于控制繞組4B2‾=μ0·μr2·H‾2---16)]]>橫向上的磁導(dǎo)率比縱向上要小10到20倍。真空的磁導(dǎo)率是μ0=4·π·10-7·Hm---17)]]>鐵對磁場的傳導(dǎo)能力是由μr決定的，而μ的量值對鐵是1000到100.000，而對新型Metglas材料可高達(dá)900.000。
組合公式11)和15)就能對主繞組2得到B1=μ0·μr·N1·I1l1---18)]]>可磁化主體1中來自主繞組2的磁通由以下公式給出Φ1=∫Aj0B‾1·n‾ds---19)]]>假設(shè)整個磁心截面上的磁通是常數(shù)Φ1=B1·A1=μ0·μrN1I1A1l1---20)]]>按照3)就能得到磁阻Rm或是磁阻的表達(dá)式如下Φ1=N1I1Rml---21)]]>Rm1=l1μ0·μr·A1---22)]]>同樣還能獲得控制繞組4的磁通和磁阻Φ2=N2·I2Rm2---23)]]>Rm2=I2μ0·μr2·A2---24)]]>本發(fā)明依據(jù)的物理事實是在導(dǎo)體中的電流中有來源的那一磁場強(qiáng)度的微分是由磁場H的渦流表達(dá)的。H的渦流與微分或是橫跨H的磁場方向的H磁場的磁場變化有關(guān)系。此處是根據(jù)微分磁場環(huán)與電流具有相同方向的那一垂直表面來計算磁場。這意味著來自構(gòu)成彼此垂直的繞組的那些載流導(dǎo)體的磁場也是正交的。磁場彼此垂直對于磁疇在材料中的排列是重要的。
在進(jìn)一步探討之前，需要引入自感應(yīng)，它在這種新型磁控功率部件的應(yīng)用中起到主角的作用。
按照Maxwell公式，時間變化的磁場會感應(yīng)出時間變化的電場，可表示為∫E‾.dl‾=ddt(∫sB‾·n‾ds)---25)]]>積分的左側(cè)是積分形式的電位公式的表達(dá)式。磁場變化的來源可以是來自一個發(fā)電機(jī)的電壓，如果按圖5所示繞組有N匝并且所有磁通都通過所有各匝，就能按法拉第定律表示成e=N·Aj·ddtB=N·ddtΦ=ddtλ---26)]]>λ(Wb)給出了磁通匝數(shù)的表達(dá)式，它是通過繞組中各匝的磁通總和。如果設(shè)想在建立磁場之后斷開圖5中發(fā)電機(jī)G，磁場變化的來源就是電路中的電流，參見圖5a，按照電路技術(shù)可以得到e=L·didt---27)]]>從公式21)得到φ＝k·I 28)若L是常數(shù)公式26和27的組合就得到dλdt=Ldidt---29)]]>
29的解是λ＝L·i+C 30)從28推斷出C是0并且L=λi---31)]]>這是用于繞組N(在此處就是主繞組2)的自感的表達(dá)式。自感等于由繞組(線圈)中的電流建立的磁通匝與繞組(線圈)中的電流之間的比率。
只要可磁化主體或磁心沒有飽和，繞組中的自感就是接近線性的。然而可以通過改變可磁化主體中材料的磁導(dǎo)率來改變自感，也就是用控制磁場(即控制繞組4所建立的磁場H2)來改變在橫向上磁化的磁疇。
由公式21)與31)的組合得到L=N2Rm---32)]]>在帶自感的電路中，交流電阻或電抗是XL＝j(luò)wL 33)隨著可磁化主體中的磁疇在橫向上的磁化，縱向的磁阻會發(fā)生變化。在此處不想深究磁疇在不同磁場影響過程中發(fā)生的細(xì)節(jié)。我們考慮的是按常規(guī)硅含量約為3％的電鍍，并且在本說明書中不想解釋與Metglas材料有關(guān)的現(xiàn)象，但是這不應(yīng)該被視為對本發(fā)明的限制，因為具有非晶體構(gòu)造的磁性材料在本發(fā)明的某些應(yīng)用中扮演著重要的角色。
在變壓器中采用具有高磁導(dǎo)率的閉合磁心，能量被儲存在漏磁場中并有少量儲存在磁心中，但是儲存的能量不構(gòu)成能量變換中的直接部分，其結(jié)果是從電能被變換成機(jī)械能的機(jī)電系統(tǒng)的意義上不發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，而是借助于磁通通過變壓器傳送能量。在電感線圈或帶氣隙的扼流圈中，氣隙中的磁阻與磁心中的磁阻相比占支配地位，幾乎所有能量都是儲存在氣隙中。
在本發(fā)明的裝置中通過磁疇中的飽和現(xiàn)象產(chǎn)生一種“虛擬”氣隙。在這種情況下，在包括整個磁心的分布式氣隙中都會有能量儲存現(xiàn)象。假設(shè)實際的磁能儲存系統(tǒng)沒有損耗，而任何損耗都是由外部部件造成的。
有關(guān)能量的描述是基于能量轉(zhuǎn)換的原理。
參見圖6，適用于上述無損電磁系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律如下dWelin＝dWfld34)其中dWelin＝電能供應(yīng)的微分dWfld＝磁儲能中的微分變化從公式26)得到e=ddtλ]]>通過正交磁場或控制磁場H2可以改變電感，并將公式31)插入26)得到e=d(L·i)dt=L·didt+i·dLdt---35)]]>在系統(tǒng)內(nèi)的作用是p=i·e=i·ddtλ---36)]]>這樣就得到dWelin＝i·dλ 37)
對于磁阻可以改變并且只有一個主繞組的帶磁心的系統(tǒng)，將公式35)插入公式37)得到dWelin＝i·d(L·i)＝i·(L·di+i·dl)38)在本發(fā)明的裝置中，L是作為μr的函數(shù)而改變的，可磁化主體或磁心1中的相對磁導(dǎo)率也是控制繞組4中的控制電流I2的函數(shù)。
若L是常數(shù)，也就是I2恒定時可以不考慮ixdL項，因為dL等于0，這樣得出的磁場能量是Wflt=12·L·i2---39)]]>若利用I2改變L，磁場能量會因L值的改變而改變，而電流I也會隨之改變，因為它是通過磁通匝λ與磁場值相聯(lián)系的。由于i和λ是變量并且互為函數(shù)，而且是非線性函數(shù)，我們不去深究它的解，因為這其中包含了超出本發(fā)明范圍的數(shù)學(xué)問題。
然而，我們可以得到這樣的結(jié)論，磁場能量和能量分配是可以通過μr來控制的，并且能影響磁場儲能的增加和減少。當(dāng)磁場能量減少時，剩余部分被送回發(fā)電機(jī)?；蚴侨绻诘谝恢骼@組2的同一繞組窗口中有額外的繞組(例如圖1中的繞組3)并且具有同一繞組軸線，就能夠形成一個變壓器，從第一繞組2向第二主繞組3傳送能量。
如圖7所示，在圖中改變λ會導(dǎo)致原來是Wflt(λ0，i0)的磁場Wflt中的能量改變。預(yù)計的改變很小，i在改變λ的過程中幾乎不變。同樣，i的改變會使λ改變。如果觀察可變的電感，就能得出以下結(jié)果所發(fā)生的情況如圖8和圖9所示。
圖8表示可磁化主體1的整個材料的磁化曲線和磁疇在主繞組2的磁場H1的影響下的變化。
圖9表示可磁化主體1的整個材料的磁化曲線和磁疇在來自控制繞組4方向上的磁場H2的影響下的變化。
圖10a和10b表示磁通密度B1(磁場H1是由工作電流所建立的)和B2(對應(yīng)著控制電流)。橢圓形表示B磁場的飽和限制，當(dāng)B磁場達(dá)到這一限制時，會導(dǎo)致可磁化主體1的材料達(dá)到飽和。所形成的橢圓形的軸線是由兩個磁場B1(H1)和B2(H2)在可磁化主體1的磁心材料中的磁場長度和磁導(dǎo)率決定的。
用圖10中的軸線代表MMK分布或H磁場分布，可以由兩個電流I1和I2得到磁動勢的圖像。
回到圖8和9，利用控制磁場B2(H2)對磁疇的局部磁化，來自主繞組2的附加磁場B1(H1)與控制磁場B2(H2)矢量疊加，使磁疇進(jìn)一步磁化，其結(jié)果是主繞組2的電感從磁疇在控制磁場B2(H2)的影響下的起點所給定的基礎(chǔ)上開始。
這樣，磁疇磁化，電感L和交流電阻XL就會按控制磁場B2(H2)的函數(shù)線性變化。
以下要參照其余附圖來解釋本發(fā)明裝置的各種實施例。
圖11表示本發(fā)明的第二實施例的示意圖。
圖12表示本發(fā)明的磁感應(yīng)連接器的同一實施例。圖12a表示裝配的連接器，而圖12b表示從端部看到的連接器。
圖13表示沿圖12b中II線的截面圖。
如圖所示，可磁化主體1是由可磁化材料制成的兩個平行的管6和7組成的。電氣絕緣的導(dǎo)體8(圖12a，13)連續(xù)N次通過貫穿第一管6和第二管7的路徑構(gòu)成第一主繞組2，其中N＝1，…r，從圖13中可見，導(dǎo)體8穿過管6和7在反方向上延伸。盡管圖中所示導(dǎo)體8僅僅是兩次延伸通過第一管6和第二管7，自不必說導(dǎo)體8還可以單獨(dú)一次或是多次穿過各個管(也就是說繞組的匝數(shù)可以是從0到r)，在導(dǎo)體受激勵時在平行的管6和7中產(chǎn)生磁場H1。由導(dǎo)體9構(gòu)成的一個組合控制和磁化繞組4，4′分別圍繞著第一管6和第二管7纏繞，使上述管中的繞組4受激勵時產(chǎn)生的磁場H2(B2)的方向彼此相反，如圖11中磁場H2(B2)的箭頭所示。磁場連接器10，11被安裝在各個管6，7的端部，以便將管中的磁場相互連接成環(huán)路。導(dǎo)體8能夠承載負(fù)載電流11(圖12a)。管6，7的長度和直徑可以根據(jù)需要連接的功率和電壓來確定。主繞組2的匝數(shù)N1是根據(jù)對電壓的反向阻斷能力和工作磁通φ2范圍的截面面積確定的。控制繞組4的匝數(shù)是由可磁化主體1的飽和所需的磁場所確定的，該可磁化主體包括管6，7和磁場連接器10，11。
圖14表示按照本發(fā)明的主繞組2的一種特殊設(shè)計。圖14的方案與圖12和13所示的差別實際上僅僅在于不是單個絕緣導(dǎo)體8穿過管6和7，而是采用了兩個獨(dú)立且方向相反的導(dǎo)體，即所謂原邊導(dǎo)體8和副邊導(dǎo)體8′，這樣就能用本發(fā)明的磁感應(yīng)裝置實現(xiàn)電壓變換器功能。設(shè)計上大致與圖11，12和13中所示相同?？纱呕黧w1包括兩個平行的管6和7。電絕緣原邊導(dǎo)體8連續(xù)N1次穿過貫穿第一管6和第二管7的路徑，其中N1＝1，…r，使原邊導(dǎo)體8穿過兩個管6和7在反方向上延伸。電絕緣副邊導(dǎo)體8′連續(xù)N1′次穿過貫穿第一管6和第二管7的路徑，其中N1′＝1，…r，使副邊導(dǎo)體8′穿過兩個管6和7相對于原邊導(dǎo)體8在反方向上延伸。至少一個組合的控制和磁化繞組4和4′分別圍繞著第一管6和第二管7纏繞，在上述管上產(chǎn)生的磁場方向彼此相反。就圖11，12和13所說的實施例，磁場連接器10，11被安裝在各個管(6，7)的端部，以便將管6和7的磁場相互連接成環(huán)路，從而構(gòu)成可磁化主體1。盡管為了簡單在圖中表示的原邊導(dǎo)體8和副邊導(dǎo)體8′僅僅穿過管6和7一次，不難看出原邊導(dǎo)體8和副邊導(dǎo)體8′都能分別N1和N1′次穿過管6和7。管6和7的長度和直徑是根據(jù)需要變換的功率和電壓確定的。對于變換比例(N1∶N1′)等于10∶1的變壓器，實際上可采用十個導(dǎo)體作為原邊導(dǎo)體8，而僅僅采用一個副邊導(dǎo)體8′。
圖15表示磁場連接器10和/或11的一個實施例。圖中所示的磁場連接器10，11由導(dǎo)磁材料制成，在連接器10，11的磁性材料中加工出用于主繞組2(參見圖13)中導(dǎo)體8的兩個圓形開口12。另外提供一個中斷導(dǎo)體8的磁場路徑的氣隙13。端面14是用于導(dǎo)體9和9′組成的控制繞組4(圖13)的磁場H2的連接面。
圖16表示在本發(fā)明最佳實施例中設(shè)置在管6和7的端面與磁場連接器10，11之間的一個絕緣薄膜15。
圖17和18表示磁場連接器10，11的其它各種實施例。
圖19-32表示在圖12，13和14所示的實施例中構(gòu)成管6和7主要部件的磁心16的各種實施例，它和磁場連接器10，11共同構(gòu)成可磁化主體1。
圖19表示如圖所示被縱向分割的圓筒形磁心部件16，并且在磁心的兩半16，16′之間設(shè)置一或多層絕緣材料17。
圖20表示一種矩形磁心部件16，而圖21表示這種磁心部件16的一個實施例，它在橫斷面上被兩個局部截面分割。在圖21所示的實施例中，在磁心的兩半16，16′之間設(shè)置一或多層絕緣材料17。圖22表示另外一種變形，其中局部截面被設(shè)置在各角上。
圖23，24和25表示一種矩形。圖26，27和28表示的則是三角形。圖29和30是橢圓形。而圖31和32表示六邊形。在圖31中，六邊形是由6個相同的表面18組成的，而圖30中的六邊形是由兩個部件16′和16″組成的。標(biāo)號17代表絕緣薄膜。
圖33和34表示的磁場連接器10，11可以在矩形和正方形主磁心16(分別如圖20-21和23-25所示)之間用作控制磁場連接器。這種磁場連接器包括三部分10′，10″和19。
圖34表示磁心部件或主磁心16的一個實施例，在其中用于控制磁通的端面14或連接面與磁心部件16的軸線成直角。
圖35表示磁心部件16的第二實施例，其中用于控制磁通的連接面14與磁心部件16的軸線成α角。
圖36-38表示磁場連接器10，11的各種設(shè)計，其設(shè)計依據(jù)是磁場連接器10，11的連接面14′與磁心部件16的角度和端面14相同。
在圖36表示的磁場連接器10，11中，根據(jù)磁心部件16的形狀(圓形，三角形等等)設(shè)有供主繞組2專用的不同形狀的孔12。
圖37的磁場連接器10，11是扁平的。它適合用于具有直角端面14的磁心部件16。
在圖38中表示的磁場連接器10，11有一個角度α′，它適合與磁心部件(圖35)成一個角度α，以便使端面14和連接面14′重合。
圖39a表示本發(fā)明的一個實施例，它表示裝配好的磁場連接器10，11和磁心部件16。圖39b從側(cè)面表示了同一個實施例。
盡管為了解釋本發(fā)明僅僅表示了磁場連接器與磁心部件的個別組合，其它組合也是完全可能的，并且均屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。
還可以掉換控制繞組和主繞組的位置。
圖40和41分別表示磁感應(yīng)電壓連接器裝置的第三實施例的截面圖和示意圖。該裝置包括(參見圖40b)由外管20和內(nèi)管21(或磁心部件16，16′)構(gòu)成的可磁化主體1，管是同心的并且由可磁化材料制成，在外管20的內(nèi)壁與內(nèi)管21的外壁之間有一個氣隙22。管20和21之間的磁場連接器10，11被安裝在各自的端面上(圖40a)。在氣隙22中設(shè)置一個墊片(圖40a)使管20，21保持同心。由導(dǎo)體9構(gòu)成的一個組合的控制和磁化繞組4圍繞著內(nèi)管21纏繞并且位于上述氣隙22中。控制繞組的繞組軸線A2與管20和21的軸線A1重合。由載流導(dǎo)體8構(gòu)成的電流載體或主繞組2分N1次穿過內(nèi)管21并且沿著外管20的外側(cè)，其中N1＝1，…r。通過組合的控制和磁化繞組4與主繞組2或是載流導(dǎo)體8的配合就獲得了一種結(jié)構(gòu)簡單但卻有效的磁感應(yīng)電壓連接器。裝置的這一實施例還可以修改成管20，21不是圓形截面的方式，其截面可以是正方形，矩形，三角形等等。
還可以圍繞著內(nèi)管21纏繞主繞組，在這種情況下，主繞組的軸線A2與管的軸線A1重合，而圍繞著管21的內(nèi)側(cè)和管20的外側(cè)纏繞控制繞組。
圖42-44表示磁場連接器10，11的各種實施例，它特別適合本發(fā)明的后一種設(shè)計，也就是如圖40和41所示的設(shè)計。
圖42a表示截面圖，而圖42b是磁場連接器10，11上方的示意圖，連接面14′相對于管20，21(磁心部件16)的軸線成一定角度，并且內(nèi)管21和外管20當(dāng)然也要與連接面14成相同的角度。
圖43和44表示磁場連接器10，11的其它變形，控制磁場H2(B2)的連接面14′與磁心部件16(管20，21)的軸線是垂直的。圖43表示一種具有空心半圓形截面的空心半環(huán)形磁場連接器10，11，而圖44表示一種具有矩形截面的環(huán)形磁場連接器。
圖45表示了圖40和41中所示裝置的變形，圖45a表示裝置的側(cè)面，而圖45b表示其上方。與圖40-41中的電壓連接器的唯一區(qū)別是按照與主繞組2相同的方式纏繞第二主繞組3。這樣就能獲得一種簡單卻有效的磁感應(yīng)電壓變換器。
圖46和47是具有同心管的電壓連接器的第四實施例的截面圖和示意圖。
圖46和47表示的電壓連接器是作為具有聯(lián)合磁心的電壓變換器。內(nèi)部磁阻控制磁心24位于一個內(nèi)部磁心25內(nèi)，圍繞它纏繞一個主繞組2。磁阻控制內(nèi)部磁心24與按照圖40和41所述的結(jié)構(gòu)相同，唯一的區(qū)別是在磁心24周圍沒有主繞組2。在構(gòu)成內(nèi)部磁組控制磁心24的內(nèi)部21和外部部件之間的空隙22中僅有一個控制繞組4，其結(jié)果是僅有磁心24的磁組在來自控制繞組4的電流的控制磁場H2(B2)的影響下受到控制。
圖46和47的主繞組2是一個包圍磁心24和磁心25的繞組。
以下要參照圖46和47來解釋按照本發(fā)明的磁組控制電壓連接器或是變換器的工作方式。
還需要參照圖55所示的連接原理，具有磁組模型的簡化等效電路圖的圖65，圖中的Rmk是用來控制繞組2和3之間磁通的可變磁組，以及用來表示連接的的等效電路的圖65b，圖中的Lk是可變電感。
繞組2上的交流電壓V1會在繞組2中建立一個磁化電流I1。這是由需要在磁心24和25中建立的磁通φ1+φ1’產(chǎn)生的，以便在繞組2中提供按照法拉地定律產(chǎn)生的反抗電壓。如果在磁組控制磁心24中沒有控制電流，磁通就會在磁心24和25之間按照各磁心24和25的磁組被分配。
為了使能量從一個繞組傳遞到另一繞組，必須為內(nèi)部磁組控制磁心24提供控制電流I2。
在繞組2中交流電壓V1的正半周期提供控制電流I2，就能在繞組2上獲得半周期電壓。由于能量是由磁阻控制磁心24和外部(副邊)磁心25之間的磁通位移來傳送的，磁阻控制磁心24在被控制在飽和狀態(tài)周期中會受到控制電流I2的明顯影響，而工作磁通會穿過副邊外部磁心25并在能量傳送過程中與原邊繞組2相互作用。
如果設(shè)置一個與工作磁通B1(H1)正交的控制磁通B2(H2)使磁阻控制磁心24進(jìn)入飽和，來自原邊一側(cè)的磁通會在磁心24和25之間再次分配，而連接到副邊繞組3的負(fù)載只會遇到低磁阻也就是高電感，并且原邊(V1)和副邊(V3)電壓之間很少連接。在副邊繞組3上會產(chǎn)生一個電壓，但是考慮到Lk的量值與磁化阻抗Lm的比較，來自原邊繞組2的大部分電壓(V1)會覆蓋Lk。來自原邊繞組2的磁通會明顯去向磁阻最小和磁通路徑最短處(圖65b)。
還可以設(shè)想對外部磁心25進(jìn)行控制，另外設(shè)一個圍繞內(nèi)部可控制磁心24纏繞的第四主繞組。這樣就能根據(jù)需要控制磁心24和25之間的電壓。
圖48表示按照本發(fā)明的磁感應(yīng)電壓連接器或電壓變換器第四實施例的進(jìn)一步變形，可磁化主體1同樣被設(shè)計成控制磁通B2(H2)直接連接到主磁心16，而不是通過單獨(dú)的磁場連接器。
圖48表示從一側(cè)看去成環(huán)形的電壓連接器。電壓連接器包括兩個磁心部件16和16’，一個主繞組2和一個控制繞組4。
圖49表示按照本發(fā)明的電壓連接器，它裝備有一個額外主繞組3用來變換電壓。
圖50表示圖48中的裝置沿圖48中的線VI-VI的截面圖，而圖51表示沿V-V線的截面圖。在圖50中表示了一個用來放置控制繞組4的圓形開口12。
圖51表示供繞組穿過的另一個開口26。
圖52和53表示沒有繞組的磁心16的構(gòu)造，磁心16是這樣設(shè)計的，使控制磁場不需要額外的磁場連接器。磁心16有兩個磁心部件16，16’和控制繞組4的開口12。這樣設(shè)計的意圖是要使用燒結(jié)或擠壓的粉末模壓材料的磁材。在這種情況下，從布局上有可能插入閉合的磁場路徑，使得構(gòu)成實際磁心中一部分的箔片繞制的磁心所需要的原有的獨(dú)立連接器成為構(gòu)造上的成品件。如圖52和53所示的構(gòu)成沒有獨(dú)立磁場連接器的閉合磁路的這種磁心能夠在本發(fā)明的所有實施例中使用，這其中包括適合本發(fā)明第一實施例的圖中所示的主體1(尤其如圖1和2所示)。
圖54表示一種磁感應(yīng)電壓變換器裝置，該裝置具有由同心的外管20和內(nèi)管21構(gòu)成的內(nèi)部控制磁心24，并且由可磁化材料制成，在外管20的內(nèi)壁和內(nèi)管21的外壁之間有一個空隙22。在外管20的內(nèi)壁和內(nèi)管21的外壁之間的空隙22中裝有墊片23。磁場連接器10，11各自的端部被安裝在管20和21之間。圍繞內(nèi)管21纏繞組合的控制和磁化繞組4并且位于空隙22中。該裝置還包括安置在控制磁心24外側(cè)的一個外部副邊磁心25，它具有由多個環(huán)形磁心線圈25’，25”，25等等組成的繞組。環(huán)形磁心線圈25’，25”，25等各自由被各自的第二主繞組或副邊繞組3纏繞的磁化材料的環(huán)構(gòu)成，為了清楚在圖中僅表示了一個。第一主繞組或原邊繞組2穿過控制磁心24中的內(nèi)管21并且沿著外管25的外側(cè)纏繞N1次，其中N1＝1，…r。
還可以設(shè)想將副邊磁心裝置放置在控制磁心24內(nèi)，在這種情況下，原邊繞組2必須要沿著控制磁心24的外側(cè)穿過環(huán)形磁心25。
圖55是按照本發(fā)明的磁感應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器第二實施例的示意圖，它具有第一磁阻控制磁心24和第二磁心25，其各自由可磁化材料制成并且設(shè)計成閉合磁路的形式，上述磁心是并列的。圍繞第一和第二磁心的截面輪廓沿上述閉合磁路的至少一部分至少一個第一電導(dǎo)體8纏繞在主繞組2上。在磁阻控制磁心24中按基本上對應(yīng)著閉合磁路的形式安裝至少一個第二電導(dǎo)體9作為繞組4。另外，繞第二磁心25的截面輪廓沿著閉合磁路的至少一部分纏繞至少一個第三電導(dǎo)體27。來自第一導(dǎo)體8的繞組2和第二導(dǎo)體9的繞組的磁場方向是正交的。這樣就能用第一導(dǎo)體8和第三導(dǎo)體27分別構(gòu)成原邊繞組2和副邊繞組3。
圖56表示對本發(fā)明的電壓連接器提出的一種電路示意圖。圖57表示為這種電壓連接器提出的框圖符號。
圖58表示未包括控制繞組4和控制磁通B2(H2)的一種磁路。
圖59和60提出了電壓變換器的電路示意圖，由控制磁心24的磁阻偏移具有固定磁阻25的磁心和具有可變磁阻24的第二磁心之間的磁通量(例如參見圖55)。
這里當(dāng)然并不僅限于兩個具有可變磁阻的磁心?？梢圆捎迷谕焕@組內(nèi)部的兩個磁心之間使磁通偏移的方式構(gòu)成一個磁性開關(guān)，它能夠切換電壓的通斷，與主磁心的磁化無關(guān)。這樣就能得到一種功能與閘門電路斷開開關(guān)相同的開關(guān)，還能按照需要選擇切換時間。
本發(fā)明的裝置可以用于許多不同的連接，以下要給出一些特別適合的用途。
圖61表示本發(fā)明在交流電路中的用途，用來控制負(fù)載RL上的電壓，負(fù)載可以是光源，熱源或是其他負(fù)載。
圖62表示本發(fā)明在諸如電壓連接器等三相系統(tǒng)中的用途，各相被連接到一個二極管電橋，對二極管電橋的輸出電壓進(jìn)行線性調(diào)節(jié)。
圖63表示在DC-DC變換器中用作可變扼流圈的用途。
圖64表示在濾波器中和電容一起用作可變扼流圈的用途。圖中僅僅表示了一個串聯(lián)和一個并聯(lián)濾波器(分別是64a和64b)，但是在許多濾波器布局中都可以使用這種可變電感。
特別參照圖14和45來解釋本發(fā)明的其他用途，在圖59中給出了示意圖。按照這種用途，電壓連接器具有電壓變換器的功能，在其中增加了一個副邊繞組。同時表示了一個作為電壓調(diào)節(jié)器的用途，其中在變壓器連接中的磁化電流和泄漏電抗可以由控制繞組4來控制。這一系統(tǒng)的具體特征在于采用變壓器方程，同時又能通過改變μr來控制磁化電流。在這種情況下就能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)變壓器特性。如果一個繞組2有DC激勵，只要改變μr就能夠通過變壓器獲得變換的能量，用磁阻控制磁心中的磁通代替激勵的改變。這樣，在理論上就能由DC電壓產(chǎn)生AC電壓，通過改變DC發(fā)電機(jī)注入系統(tǒng)中的磁化電流就能夠被變換到副邊一側(cè)的繞組上。
圖46和47表示本發(fā)明的另一種用途，作為控制磁心的可變磁阻被一或多個具有獨(dú)立繞組的獨(dú)立磁心包圍，如圖55所示，第一磁阻控制磁心和第二磁心被設(shè)計成一個閉合磁路并且是并列的。還可以參考圖65的等效電路。
圖55表示本發(fā)明中磁通在磁心中是如何運(yùn)動的。在此處著重強(qiáng)調(diào)控制磁心中的磁通是通過包圍兩個磁心的繞組連接到工作磁心中的磁通。在這種系統(tǒng)中，電能的變換能夠通過連接和斷開從控制磁心到工作磁心的磁通來控制。由于磁心之間的磁通是通過法拉地電磁感應(yīng)定律相互連接的，原邊一側(cè)公式和副邊一側(cè)公式的函數(shù)關(guān)系是由磁通之間的連接來控制的。在線性用途中能夠通過改變控制磁心中的磁阻來控制電壓和電流在原邊繞組和副邊繞組之間的變換，這樣就能將其視為一種磁阻控制變壓器。對于開關(guān)用途的實施例，可以將其視為磁阻控制開關(guān)。
以下要解釋原邊或第一主繞組2與副邊繞組或第二主繞組3之間的磁通連接。包圍磁阻控制的控制磁心24和主磁心25的繞組2能夠在兩個磁心中建立磁通。繞組2的自感L1決定磁通量的多少，或是在繞組2中流過I1時在磁心中能產(chǎn)生多少磁通匝。原邊繞組2和副邊繞組3之間的互感代表有多少繞組2和I1建立的磁通匝圍繞著繞組2并圍繞副邊繞組3。
當(dāng)然還可以設(shè)想對主磁心25采取磁阻控制，但是為了簡單我們將具有主磁心25的系統(tǒng)中的磁阻視為常數(shù)，而控制磁心24的磁阻是可變的。
磁力線會遵循能提供最大磁導(dǎo)率也就是磁阻最小的路經(jīng)(磁導(dǎo)率最大)。
在圖55和65中尚未考慮主繞組2和3中的漏磁場。圖55表示變壓器的一個簡化模型，原邊繞組2和副邊繞組3各自繞一個變壓器腿，而實際中它們是繞制在同一個變壓器腿上的，在我們所例舉的情況下，圍繞作為主磁心25的外環(huán)形磁心纏繞沿著整個磁心25分布的副邊繞組3。同樣圍繞主磁心25和與其同心并位于主磁心內(nèi)部的控制磁心24纏繞原邊繞組2。
圖65表示按照本發(fā)明的裝置的簡化磁阻模型。
圖65b表示按照本發(fā)明的連接器的簡化等效電路圖，在圖中用電感代替了磁阻。
繞組2中的電流在磁心24和25中產(chǎn)生磁通φ＝φk+φ140)其中φp＝由繞組2中的電流建立的總磁通。
φk＝穿過控制磁心24的總磁通。
φ1＝總磁通中穿過主磁心25的那一部分。
由于忽略了主磁心24和控制磁心25中的漏磁通，φ1＝-φ241)φk在一定程度上可被視為受控制的漏磁通。
在圖65的基礎(chǔ)上可以得到圖65b所示的磁路簡化等效電路圖。
圖65b因此可以體現(xiàn)磁阻控制連接器的原理，由電感Lk吸收來自原邊一側(cè)的電壓。Lk=λkI=NI2Rmk---42)]]>
這一電感是通過控制磁心24中的可變磁阻來控制的，其結(jié)果使提供給原邊繞組的正弦穩(wěn)態(tài)電壓的連接或分壓能夠近似等于各個磁心中電感之間的比率，如公式43所示。e2e1=LmLk+Lm---43)]]>當(dāng)控制磁心24處在飽和時，Lk與Lm相比非常小，并且會按照匝數(shù)之間的比率N1/N3分壓。當(dāng)控制磁心處在斷開狀態(tài)時，Lk會變大并達(dá)到阻止電壓被傳送到副邊一側(cè)的程度。
磁心相對于施加的電壓和頻率的磁化是這樣規(guī)定的，主磁心25和控制磁心24各自能單獨(dú)吸收整個時間段的電壓積分而不會進(jìn)入飽和狀態(tài)。在我們的模型中，鐵心在控制和工作磁心上的面積是相等的，但這并不是對本發(fā)明的限制。
由于控制磁心24相對于主繞組2不是處在飽和狀態(tài)，應(yīng)該能夠與工作磁通B1(H1)保持獨(dú)立地重新設(shè)置控制磁心24，這樣就能達(dá)到用本發(fā)明實現(xiàn)磁性開關(guān)的目的。如果必要，可以在導(dǎo)通脈沖或?qū)ò胫芷谥笫贡匾腗MF恢復(fù)到第二半周期而重新設(shè)置主磁心25，僅僅用來補(bǔ)償磁化電流中的任何畸變。
在開關(guān)的用途中，在開關(guān)關(guān)斷時，也就是在控制磁心24和工作磁心25之間提供原邊繞組2的磁通時，原邊繞組2和副邊繞組3之間的磁通連接會在原邊繞組2和副邊繞組3之間提供很小的能量傳送。
在開關(guān)導(dǎo)通時，也就是當(dāng)控制磁心24中的磁阻很低(μr＝10-50)并且接近空氣線圈的磁阻時，就能在原邊繞組2和副邊繞組3之間獲得良好的磁通連接和傳送能量。
只要在傳統(tǒng)的頻率變換器連接和整流器連接中采用磁阻控制開關(guān)，本發(fā)明的一個重要用途是作為具有磁阻控制開關(guān)的頻率變換器和DC-AC或AC-DC變換器。
頻率變換器變型可以設(shè)想是從三相系統(tǒng)中的各相增加少許正弦電壓而實現(xiàn)的，各相分別連接到一個獨(dú)立的磁阻控制磁心，后者又連接到一或多個附加磁心，這些磁心通過穿過附加磁心的公共繞組和磁阻控制磁心連接到磁阻控制磁心。這樣就能將一部分正弦電壓從磁阻控制磁心連接到附加磁心，并且產(chǎn)生具有不同頻率的電壓。
將DC電壓連接到包圍工作磁心的主繞組就能構(gòu)成一個DC-AC變換器，此時還圍繞工作磁心纏繞一個副邊繞組，按正弦規(guī)律改變工作磁心和控制磁心之間的磁通連接就能獲得一個正弦電壓。
圖66表示磁性開關(guān)的連接。它當(dāng)然也可以構(gòu)成一個可調(diào)節(jié)的變壓器。
圖67和67a表示三相設(shè)計的一個例子。所有其它三相整流器連接當(dāng)然也是可行的。利用對二極管電橋或是獨(dú)立二極管到12脈沖連接器的各個出口的連接就能獲得一個可調(diào)節(jié)的整流器。
在可調(diào)節(jié)變壓器的應(yīng)用中，需要強(qiáng)調(diào)磁阻控制磁心的尺寸是由變壓器對電壓所需的調(diào)節(jié)范圍確定的(0-100％或80-110％)。
圖67b表示按照本發(fā)明的裝置被用作頻率變換器中的連接器，用于將輸入頻率變換成隨機(jī)選擇的輸出頻率并且用來操作異步電動機(jī)，用于由6或12脈沖變壓器為電動機(jī)各相產(chǎn)生的相位電壓的額外部分(圖67b)。
圖68表示該裝置在UFC(帶有強(qiáng)制換流器的無限制頻率變換器)中被用做一個開關(guān)。
圖69表示由按照本發(fā)明的包括6個裝置28-33的一個電路。裝置28-33被用作頻率變換器，所產(chǎn)生的電壓的周期是由固有頻率的成分構(gòu)成的。在工作中僅僅“放過”正弦電壓的正半周期或是半周期的一部分，以便在新的正弦電壓中構(gòu)成新的正半周期，然后是負(fù)半周期或是負(fù)半周期的一部分，以便在新的正弦電壓中構(gòu)成負(fù)半周期。這樣就能由固有頻率的10％到100％的頻率產(chǎn)生正弦電壓。這種變換器還能實現(xiàn)軟起動，因為輸出端的電壓是通過原邊和副邊繞組之間連接的磁阻控制來調(diào)節(jié)的。
在圖69中，如果第一半周期能夠通過連接器28(主繞組2)，通過同一連接器的副邊繞組(主繞組3)的電流就會換向到連接器29中的副邊繞組(主繞組3)，并且從29變到28。
圖70表示按照本發(fā)明的裝置被用作DC到AC變換器。用DC電壓激勵連接器中的主繞組2，在控制磁心24和主磁心25(在圖中沒有表示)中建立一個磁場H1(B1)。匝數(shù)N1，N2，N3和鐵心的面積是這樣設(shè)計的，在穩(wěn)態(tài)下沒有磁心進(jìn)入飽和。若向控制磁心24輸入一個控制信號，磁心中的磁通B2(H2)就會傳送到主磁心25，并且磁心25中的磁通B1(H1)的變化會在副邊繞組(主繞組3)中感應(yīng)出電壓。如果采用正弦控制電流I2，就能在副邊一側(cè)(主繞組3)上產(chǎn)生正弦電壓，其頻率與控制電壓U1相同。
圖70b表示本發(fā)明被用作改變磁阻的變換器。
圖71表示按照本發(fā)明的裝置被用作一個AC到DC變換器。采用與圖69中對頻率變換器描述同樣的控制原理。圖71b表示裝置的輸入和輸出電壓的時序圖。
如上所述，按照本發(fā)明的電壓連接器在發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間根本沒有吸收電壓的移動部件。連接器的功能是要利用小控制電流從0-100％控制發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間的電壓。第二個功能是作為電壓開關(guān)。其它功能還可以形成并變換電壓曲線。
按照本發(fā)明的新技術(shù)能夠用來改進(jìn)需要調(diào)節(jié)的現(xiàn)有的二極管整流器。在具有12脈沖或24脈沖整流器系統(tǒng)的連接中，有可能以一種簡單的方式平衡系統(tǒng)中的電壓，同時又能控制0-100％的整流。
關(guān)于本發(fā)明中包括的磁性材料，可以根據(jù)成本/效益函數(shù)來選擇。與成本有關(guān)的各種參數(shù)有市場的可行性，所選擇的各種方案的產(chǎn)量，以及價格。效益函數(shù)是基于材料需要具備的電氣功能，包括材料種類和磁場特性。需要考慮的重要磁場特性包括在材料和磁致伸縮的兩個主要方向上的磁滯損耗，飽和磁通等級，磁導(dǎo)率，磁化容量?？梢愿鶕?jù)能源的電源頻率，電壓和功率和本發(fā)明所函蓋的用途來選擇材料。適當(dāng)?shù)牟牧习╝)鐵-硅鋼制成厚度約為0.1毫米-0.3毫米且寬度為10毫米到1100毫米的帶并且卷繞成線圈?？紤]到價格和現(xiàn)有的制造技術(shù)適用于大磁心。適合低頻用途。
b)將鐵-鎳合金(坡莫合金)和/或鐵-鈷合金(鐵-鈷磁性合金)制成帶并卷繞成線圈。這種合金在族中具有特殊磁場特性，業(yè)已開發(fā)出很多特殊特性。
c)非晶體合金，Metglas制成厚度約為20微米-50微米且寬度為4毫米到200毫米的帶并且卷繞成線圈。磁導(dǎo)率很高，損耗很低，
可以達(dá)到磁致伸縮幾乎為0。目前有鐵基，鈷基等許多種種類。
具有奇異的特性但是價格昂貴。
d)軟鐵氧體燒結(jié)成為變換器行業(yè)特制的形狀。因損耗小適用于高頻。低磁通密度，低損耗。物理上具有理想的尺寸限制。
e)擠壓粉末磁心按具體用途要求的特殊形狀擠壓鐵粉末合金。低磁導(dǎo)率，目前大約是400-600。低損耗，但是磁通密度高?？梢灾瞥煞浅?fù)雜的形狀。
所有燒結(jié)和模壓磁心都能做成本發(fā)明所需要的形狀，不需要特殊的磁場連接器，因為實際形狀是按照為有關(guān)的磁場獲得閉合磁場路徑的要求制作的。
如果磁心是用卷繞的金屬片材制作的，就必須提供一或多個磁場連接器。
權(quán)利要求
1.一種磁感應(yīng)電流或電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于，它包括由可磁化材料構(gòu)成并且提供閉合磁路的主體(1)，沿著閉合磁路的至少一部分圍繞主體(1)纏繞至少一匝從而形成第一主繞組(2)的至少一個第一電導(dǎo)體(8)，沿著閉合磁路的至少一部分圍繞主體(1)纏繞至少一匝從而形成第二主繞組或控制繞組(4)的至少一個第二電導(dǎo)體(9)，其中主繞組(2)中所述各匝的繞組軸線(A2)與控制繞組(4)中所述各匝的繞組軸線(A4)成直角，以在主體(1)中提供正交的磁場(H1，B1；H2，B2)，從而利用控制繞組(4)的磁場(H2，B2)控制可磁化材料相對于主繞組(2)的磁場(H1，B1)的特性。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，主繞組(2)中各匝的軸線(A2)與主體(1)的縱向(A1)平行或重合，而控制繞組(4)中的各匝基本上沿著可磁化主體(1)延伸，從而控制繞組(4)的軸線(A4)與主體(1)的縱向(A1)成直角。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，控制繞組(4)中各匝的軸線(A4)與主體(1)的縱向(A1)平行或重合，而主繞組(2)中的各匝基本上沿著可磁化主體(1)延伸，從而主繞組(2)的軸線(A2)與主體(1)的縱向(A1)成直角。
4.如前述權(quán)利要求中的一項所述的裝置，其特征在于，它包括沿著閉合磁路的至少一部分圍繞主體(1)纏繞至少一匝從而形成第三主繞組(3)的一第三電導(dǎo)體(27)，其中第三主繞組(3)中各匝的繞組軸線(A3)與第一主繞組(2)中各匝的繞組軸線(A2)重合或平行，因而在第一和第三主繞組(2，3)中的至少一個受激勵時在二者之間形成變壓器作用。
5.如權(quán)利要求1-3中的一項所述的裝置，其特征在于，它包括沿著閉合磁路的至少一部分圍繞主體(1)纏繞至少一匝從而構(gòu)成第三主繞組(3)的一第三電導(dǎo)體(27)，其中第三主繞組(3)中各匝的繞組軸線(A3)與第一控制繞組(4)中各匝的繞組軸線(A4)重合或平行，從而在第三主繞組和控制繞組(3，4)中的至少一個受激勵時在二者之間形成變壓器作用。
6.一種磁感應(yīng)電流或電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于，包括第一主體(6)和第二主體(7)，其每個是由提供磁路的可磁化材料構(gòu)成的，所述主體(6，7)是并列的，沿著閉合磁路的至少一部分纏繞至少一匝從而構(gòu)成第一主繞組(2)的至少一個第一電導(dǎo)體(8)，圍繞第一和/或第二主體(6，7)的至少一部分纏繞至少一匝從而構(gòu)成第二主繞組或控制繞組(4’，4”)的至少一個第二電導(dǎo)體(9)，其中主繞組(2)中各匝的繞組軸線(A2)與控制繞組(4)中各匝的繞組軸線(A4)成直角，以在主體(1)中提供正交磁場(H1，B1；H2，B2)，從而利用控制繞組(4)中的磁場(H2，B2)來控制可磁化材料相對于主繞組(2)中的磁場(H1，B1)的特性。
7.一種磁感應(yīng)電流或電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于，包括各自由可磁化材料制成的第一主體(6)和第二主體(7)，以及第一磁場連接器(10)和第二磁場連接器(11)，第一和第二磁場連接器和主體(6，7)共同構(gòu)成閉合的磁路，所述主體(6，7)是并列的，圍繞第一和/或第二主體(6，7)的至少一部分纏繞至少一匝從而構(gòu)成第一主繞組(2)的至少一個第一電導(dǎo)體(8)，沿著閉合磁路的至少一部分纏繞至少一匝從而構(gòu)成第二主繞組或控制繞組(4)的至少一個第二電導(dǎo)體(9)，其中主繞組(2)中各匝的繞組軸線(A2)與控制繞組(4)中各匝的繞組軸線(A4)成直角，以在主體(1)中形成正交磁場(H1，B1；H2，B2)，從而利用控制繞組(4)中的磁場(H2，B2)來控制可磁化材料相對于主繞組(2)中的磁場(H1，B1)的特征。
8.如權(quán)利要求6或7所述的裝置，其特征在于，它還包括與主體共同構(gòu)成磁路的磁場連接器(10，11)。
9.如權(quán)利要求6，7或8所述的裝置，其特征在于，它包括被纏繞一匝從而形成第三主繞組(3)的一第三電導(dǎo)體(27)，其中第三主繞組(3)中各匝的繞組軸線(A3)與第一主繞組(2)中各匝的繞組軸線(A2)重合或平行，從而在第一和第三主繞組(2，3)中的至少一個受激勵時在它們之間形成變壓器作用。
10.如權(quán)利要求6，7或8所述的裝置，其特征在于，它包括纏繞至少一匝從而形成第三主繞組(3)的一第三電導(dǎo)體(27)，其中第三主繞組(3)中各匝的繞組軸線(A3)與控制繞組(4)中各匝的繞組軸線(A4)重合或是平行，從而在第三主繞組和控制繞組(分別是3和4)中的至少一個受激勵時在它們之間形成變壓器作用。
11.如權(quán)利要求6，7，8，9或10所述的裝置，其特征在于，第一和第二主體(6，7)是管形的，因而使得第一導(dǎo)體(8)或第二導(dǎo)體(9)從分別如權(quán)利要求6和權(quán)利要求7所述的第一和第二主體(6，7)中分別穿過，并且磁場連接器(10，11)包括導(dǎo)體(8，9)的開口(12)。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，磁場連接器(10，11)每個包括便于插入第一或第二導(dǎo)體(8，9)并且用來中斷來自導(dǎo)體(8，9)的磁場H1(B1)的磁場路徑的一個縫隙(13)。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，配備有設(shè)在管(6，7)的端面與磁場連接器(10，11)之間的絕緣薄膜(15)。
14.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，各個管(6，7)包括兩個以上磁心部件(16，16’，16”)。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，它包括設(shè)在磁心部件(16，16’，16”)之間的一個絕緣層(17)。
16.如權(quán)利要求6-15所述的裝置，其特征在于，管(6，7)具有圓形、正方形、矩形、三角形或是六邊形的截面。
17.一種磁感應(yīng)電流或電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于，包括第一外部管形主體(20)和第二內(nèi)部管形主體(21)，它們各自由可磁化材料構(gòu)成并且提供一個磁路，所述主體(20，21)彼此是同心的，從而具有共同的軸線(A1)，圍繞管形主體(20，21)纏繞至少一匝從而構(gòu)成第一主繞組(2)的至少一個第一電導(dǎo)體(8)，設(shè)在主體(20，21)之間的空隙(22)中并且圍繞主體的公共軸線(A1)纏繞至少一匝從而形成第二主繞組或控制繞組(4)的至少一個第二電導(dǎo)體(9)，其中主繞組(2)中各匝的繞組軸線(A2)與控制繞組(4)中各匝的繞組軸線(A4)成直角，以在主體(1)中提供正交磁場(H1，B1；H2，B2)，從而利用控制繞組(4)中的磁場(H2，B2)來控制可磁化材料相對于主繞組(2)中的磁場(H1，B1)的特性。
18.一種磁感應(yīng)電流或電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于，包括第一外部管形主體(20)和第二內(nèi)部管形主體(21)，它們各自由可磁化材料構(gòu)成，并且第一磁場連接器(10)和第二磁場連接器(11)和主體(20，21)一起共同提供一個閉合磁路，所述主體(20，21)彼此是同心的并且具有共同的軸線(A1)，設(shè)在主體(20，21)之間的空隙(22)中并且圍繞主體的公共軸線(A1)纏繞至少一匝從而形成第一主繞組(2)的至少一個第一電導(dǎo)體(8)，圍繞管形主體(20，21)纏繞至少一匝從而構(gòu)成第二主繞組或控制繞組(4)的至少一個第二電導(dǎo)體(9)，其中主繞組(2)中各匝的繞組軸線(A2)與控制繞組(4)中各匝的繞組軸線(A4)成直角，以在主體(1)中提供正交磁場(H1，B1；H2，B2)，從而利用控制繞組(4)中的磁場(H2，B2)來控制可磁化材料相對于主繞組(2)中的磁場(H1，B1)的特征。
19.如權(quán)利要求17或18所述的裝置，其特征在于，它包括第一磁場連接器(10)和第二磁場連接器(11)，它們與主體(20，21)共同提供閉合的磁路。
20.如權(quán)利要求17，18或19所述的裝置，其特征在于，它包括纏繞至少一匝從而構(gòu)成第三主繞組(3)的第三電導(dǎo)體(27)，其中第三主繞組(3)中各匝的繞組軸線(A3)與第一主繞組(2)中各匝的繞組軸線(A2)重合或平行，從而在第一主繞組(2)和第三主繞組(3)中的至少一個受激勵時在二者之間形成變壓器作用。
21.如權(quán)利要求17，18或19所述的裝置，其特征在于，它包括纏繞至少一匝從而構(gòu)成第三主繞組(3)的第三電導(dǎo)體(27)，其中第三主繞組(3)中各匝的繞組軸線(A3)與控制繞組(4)中各匝的繞組軸線(A4)重合或平行，從而在第三主繞組(3)和控制繞組(4)中的至少一個受激勵時在二者之間形成變壓器作用。
22.一種磁感應(yīng)電流或電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于，包括第一外部管形主體(20)和第二內(nèi)部管形主體(21)，它們各自由提供閉合的磁路或內(nèi)部磁心(24)的可磁化材料構(gòu)成，另一個管形主體，它提供了安裝在第一外部管形主體(20)外側(cè)的一個外部磁心(25)，其中所述主體(20，21，25)彼此是同心的并具有共同的軸線(A1)，圍繞管形主體(20，21，25)纏繞至少一匝從而構(gòu)成第一主繞組(2)的至少一個第一電導(dǎo)體(8)，安裝在第一(20)和第二(21)主體之間的空隙(22)中并且圍繞主體的公共軸線(A1)纏繞至少一匝從而構(gòu)成第二主繞組或控制繞組(4)的供至少一個第二電導(dǎo)體(9)，其中主繞組(2)中各匝的繞組軸線(A2)與控制繞組(4)中各匝的繞組軸線(A4)成直角，以在主體(1)中提供正交磁場(H1，B1；H2，B2)，從而利用控制繞組(4)中的磁場(H2，B2)來控制可磁化材料相對于主繞組(1)中的磁場(H1，B1)的特征。
23.一種磁感應(yīng)電流或電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于，包括第一外部管形主體(20)和第二內(nèi)部管形主體(21)，它們各自由可磁化材料制成并且形成閉合的磁路或內(nèi)部磁心(24)，另一個管形主體，它提供了安裝在第一外部管形主體(20)外側(cè)的一個外部磁心(25)，其中所述主體(20，21，25)是彼此同心的并具有共同的軸線(A1)，安裝在第一(20)和第二(21)主體之間的空隙(22)中并且圍繞主體的公共軸線(A1)纏繞至少一匝從而形成第二主繞組或控制繞組(4)的至少一個第一電導(dǎo)體(8)圍繞管形主體(20，21)纏繞至少一匝從而形成第一主繞組(4)的至少一個第二電導(dǎo)體(9)，其中主繞組(2)中各匝的繞組軸線(A2)與控制繞組(4)中各匝的繞組軸線(A4)成直角，以在主體(1)中提供正交磁場(H1，B1；H2，B2)，從而利用控制繞組(4)中的磁場(H2，B2)來控制可磁化材料相對于主繞組(2)中的磁場(H1，B1)的特性。
24.如權(quán)利要求22或23所述的裝置，其特征在于，它包括第一磁場連接器(10)和第二磁場連接器(11)，它們與主體(20，21)共同提供閉合的磁路。
25.如權(quán)利要求22，23或24所述的裝置，其特征在于，它包括圍繞外部磁心(25)纏繞一匝從而構(gòu)成第三主繞組(3)的一個第三電導(dǎo)體(27)，其中所述第三主繞組(3)中各匝的繞組軸線(A3)與第一主繞組(2)中各匝的繞組軸線(A2)重合或平行，從而當(dāng)?shù)谝恢骼@組(2)和第三主繞組(3)中的至少一個受激勵時在它們之間形成變壓器作用。
26.如權(quán)利要求22，23或24所述的裝置，其特征在于，它包括圍繞外部磁心(25)纏繞至少一匝從而構(gòu)成第三主繞組(3)的第三電導(dǎo)體(27)，其中第三主繞組(3)中各匝的繞組軸線(A3)與控制繞組(4)中各匝的繞組軸線(A4)重合或平行，從而在第三主繞組(3)和控制繞組中(4)的至少一個受激勵時在它們之間形成變壓器作用。
27.如權(quán)利要求22-26所述的裝置，其特征在于，所述外部磁心(25)由若干個環(huán)形件(25’，25”等)組成，第一主繞組(2)和/或第三主繞組(3)圍繞各環(huán)形件形成單獨(dú)的繞組。
28.如權(quán)利要求22-26所述的裝置，其特征在于，外部磁心(25)由若干個環(huán)形件(25’，25”等)組成，控制繞組(4)和/或第三主繞組(3)圍繞各環(huán)形件形成單獨(dú)的繞組。
29.如前述權(quán)利要求1-28中的一項或多項所述的裝置被用做頻率變換器中的一個部件，用來將輸入頻率變換成任意選擇的輸出頻率(圖69)，優(yōu)選地用來操作一種循環(huán)換流器連接中的異步電動機(jī)。
30.如前述權(quán)利要求1-28中的一項或多項所述的裝置被用做頻率變換器中的一個連接器，用來將輸入頻率變換成任意選擇的輸出頻率，并且用來操作異步電動機(jī)，將一個6或12脈沖變壓器產(chǎn)生的相電壓的各部分累加到電動機(jī)的各相上(圖67b)。
31.如前述權(quán)利要求1-28中的一項或多項所述的裝置被用做DC到AC變換器，其將DC電壓/電流變換成任意選擇輸出頻率的AC電壓/電流，其中利用能夠影響電感的正交控制磁場(B2，H2)來改變在DC供電的第一主繞組(2)或原邊繞組(2)的電感(L1)中儲存的磁能，從而在電壓連接器的第三主繞組(3)或副邊繞組中產(chǎn)生一個AC電壓，其頻率等于磁通變化/電感變化的頻率(圖70)。
32.如權(quán)利要求31所述的應(yīng)用，其特征在于，將三個這種可變電感電壓變換器相互連接，以便產(chǎn)生連接到所述異步機(jī)器的具有任意選擇的輸出頻率的三相電壓。
33.如權(quán)利要求1-28中的一項或多項所述的裝置在加工業(yè)中被用于將AC電壓變換成DC電壓，其中所述裝置被用做磁阻控制可變變壓器，其輸出電壓與磁心中的磁阻變化成正比，磁心與具有單獨(dú)的副邊繞組的一個外部或內(nèi)部磁心磁并聯(lián)或串聯(lián)，并且其中三個以上這種磁阻控制變壓器被連接到用于二極管輸出級的6或12脈沖整流器連接的已知三相整流器連接(分別如圖62和71所示)。
34.如權(quán)利要求1-28中的一項或幾項所述的裝置被用在加工業(yè)中將AC電壓變換成DC電壓的整流器中，其中該裝置構(gòu)成電壓連接器，電壓連接器并被用做與已知的變壓器連接上的原邊繞組相串聯(lián)的可變電感，三個以上這種變壓器被連接到用于二極管輸出級的6或12脈沖整流器連接的三相整流器連接(見圖62)。
35.如權(quán)利要求1-28中的一項或幾項所述的裝置被用于開關(guān)電源領(lǐng)域中使用的AC/DC或DC/AC變換器，用來縮小磁性電壓變換器的尺寸，由該裝置構(gòu)成一個磁阻控制可變變壓器，其輸出電壓與磁心中的磁阻變化成正比，磁心與具有單獨(dú)副邊繞組的一個外部或內(nèi)部磁心磁并聯(lián)或串聯(lián)(圖56，63)。
36.如權(quán)利要求36所述的應(yīng)用，其特征在于，其中電感形成了一部分的濾波器設(shè)有可變的電感(圖63)。
37.如權(quán)利要求1-28中的一項或幾項所述的裝置被用作高壓配電網(wǎng)的可調(diào)節(jié)電壓補(bǔ)償器中的一個部件，其中由該裝置產(chǎn)生線性可變電感(圖72)。
38.如權(quán)利要求1-28中的一項或幾項所述的裝置被用做可調(diào)節(jié)無功功率補(bǔ)償器如VAR補(bǔ)償器中的一個部件，其中所述裝置與還包括至少一個電容元件的已知濾波器電路一起產(chǎn)生的線性可變電感，采用磁阻控制變壓器形式的該裝置被用作補(bǔ)償器連接中的一個元件，其中電容或電感被自動耦合并調(diào)節(jié)到無功功率補(bǔ)償所需的程度(圖64和64b)。
39.如權(quán)利要求1-28中的一項或幾項所述的裝置在AC電壓到DC電壓的磁阻控制直接變換系統(tǒng)中的應(yīng)用(圖71和71a)。
40.如權(quán)利要求1-28中的一項或幾項所述的裝置在DC電壓到AC電壓的磁阻控制直接變換系統(tǒng)中的應(yīng)用(圖70和70a)。
全文摘要
本發(fā)明涉及磁感應(yīng)電流或電壓調(diào)節(jié)器，它包括由可磁化材料制成并且具有閉合磁路的主體(1)，圍繞第一主繞組(2)的主體(1)纏繞的至少一個第一電導(dǎo)體(8)及圍繞第二主繞組(4)的主體纏繞的至少一個第二電導(dǎo)體(9)。主繞組(2)的繞組軸線(A2)與控制繞組(4)的繞組軸線(A4)成直角，其目的是在主體(1)中提供正交的磁場(各自為H1，B1和H2，B2)，從而利用控制繞組(4)的磁場(H2，B2)控制可磁化材料相對于主繞組(2)的磁場(H1，B1)的特性。
文檔編號G05F1/32GK1444741SQ01813339
公開日2003年9月24日 申請日期2001年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月24日
發(fā)明者E·豪格斯, F·斯特蘭德 申請人:馬格技術(shù)公司