一种适用于电感设备的线圈、绕制线圈的方法及电感设备与流程

本公开涉及一种适用于诸如电压互感器或电感器之类的电感设备的绕制线圈结构、绕制此类线圈的方法以及包含此类线圈的电感设备。

背景技术：

1、电压互感器（vt）是电气系统中的重要组成部分，其任务是将高电压精确地降低到可测量水平，以用于计量和保护目的。变压器结构包含几个关键部件，即铁芯、骨架、一次绕组和二次绕组以及绝缘结构。铁芯通常由叠层硅钢片制成，这些硅钢片堆叠在一起形成磁路。铁芯充当磁通传输的介质，促使实现绕组之间的有效能量传输。一次绕组是从外部电源接收能量的线圈。在变压器中，一次绕组连接到输入电压源，其交流电产生磁场。该磁场在与一次绕组相邻布置的二次绕组中感应出电压，从而实现电路之间的能量传输。二次绕组中感应出的电压取决于一次绕组与二次绕组之间的匝数比。在降压的中压变压器中，与匝数更多、线径更细的一次绕组相比，二次绕组的匝数更少、线径更粗。这种设计使二次绕组能够在较低电压下处理较大电流，而一次绕组则在较高电压下处理较小电流。绝缘材料用于使绕组彼此之间以及与铁芯之间电气隔离，防止短路并确保安全运行。

2、扼流圈是电感器的一种，其设计用于阻断或“扼制”高频交流电（ac），同时允许较低频率或直流电（dc）通过。它广泛用于电源、滤波器和射频（rf）电路中。扼流圈通过在电流流过时产生磁场来抵抗电流的快速变化。

3、在现有技术中，用于电感设备的线圈（例如中压仪器变压器的一次线圈或扼流圈线圈）的标准结构采用多层绕组线和绝缘材料交替组装的方式。每层之间用绝缘材料隔开，以确保介电耐受性。绝缘通常具有多孔结构，并且通常由专用绝缘胶带制成，例如皱纹纸或热升级牛皮纸。此类线圈的制造始于在圆柱形骨架上缠绕几层绝缘材料。接着，在绝缘层上缠绕一层由细线制成的绕组。随后，多层绝缘层和绕组层依次缠绕，最后，线圈在真空条件下用环氧树脂浸渍并在高温下固化。

4、这种多层结构导致每层内的线匝紧密排列，从而在匝间产生显著的电容耦合。这些匝间电容的累积效应，与绕组固有的电感相结合，决定了其固有频率或谐振频率。绕组线圈的固有频率（也称为自谐振频率，srf，或主谐振频率）是线圈由于其电感和固有电容之间的相互作用而发生谐振的频率。在低于srf的频率下，线圈主要表现为电感器。在srf处，感抗和容抗相互抵消，导致高阻抗点。在高于srf的频率下，线圈的表现更像电容器而非电感器。绕组的固有频率可以通过集总电容和集总电感值很好地近似得到。这种配置中的电容可以通过将每一层建模为一个圆柱形电容器来近似，即电容值可以计算为多个圆柱形电容器的串联连接。每一匝层代表一个圆柱体，由薄绝缘隔开的两个相邻层形成层间电容器。层间电容值与层的表面积成正比，与层间距离——该层间距离由绝缘材料的厚度决定——成反比。因此，随着层数（n）和每层匝数（n）的增加，绕组的总电容会增大。同时，线圈的电感受到总匝数和线圈横截面积的影响，即线圈的等效电感与匝数的平方以及线圈横截面积成正比。然而，电感与层宽呈复杂关系；通常，层宽的增加（其中该层宽是绕组层中相距最远的两个线匝之间测得的）会导致电感减小。

5、对于具有非常多匝数的线圈，要实现较低的集总电感和电容值变得具有挑战性。这一困难导致绕组的谐振频率较低，当计量参数必须保持在远高于基频时，会产生严重问题。在设计用于高达甚至超过20 khz频率范围的电能质量测量的电压互感器时，这一问题尤为突出。

6、为了应对这些挑战，已经探索了各种绕线技术。已知的增加绕线宽度的方法涉及使用多股并行线来绕制一次线圈。虽然这种方法可以降低电感，但由于导体（铜绕组层）表面积的扩大，它同时会增加电容，从而甚至抵消了电感降低带来的好处。

7、已知的方法无法克服上述挑战，并且存在许多缺点。例如，它们无法充分最小化多层一次绕组的自感和自电容。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的所述缺点，并通过引入一种创新的绕组配置来解决传统绕线设计中固有的局限性，该配置能够优化地降低电感和电容。本发明提出了一种能最大化谐振频率的绕组结构，确保在高频应用中的精确性能。

2、这是通过提供一种适用于电感设备的线圈来实现的，该线圈包括：

3、至少两层由绕组线形成的绕组层，

4、至少两层介电材料，其中所述至少两层绕组层中的每一层都布置在一层介电材料上，

5、其中所述至少两层绕组层中的每一层的宽度小于线圈宽度，使得绕组层仅占据线圈表面的一部分，

6、其中绕组层包括第一端和第二端，其中绕组层的第一端基本上是线圈的第一边缘，并且绕组层的第二端终止于线圈的第一边缘和第二边缘之间，并且其中绕组层的第二端朝向线圈的第二边缘，

7、其中在绕组层的第二端，绕组线朝向线圈的第二边缘延伸并连接到后一绕组层的第一端；

8、并且其中绕组层从线圈的相对两侧边缘交替地开始。

9、优选地，各绕组层之间由间隙隔开。

10、优选地，介电材料覆盖绕组层上方和下方的区域以及间隙的区域。

11、或者，介电材料仅覆盖绕组层上方和下方的区域，从而使间隙保持为空。

12、优选地，绕组层的第二端最多延伸至线圈宽度的一半。

13、优选地，各绕组层具有相同的匝数。

14、或者，至少两层绕组层具有不同的匝数。

15、优选地，布置在线圈一侧的绕组层具有比布置在线圈相对侧的绕组层更大的宽度。

16、优选地，布置在线圈一侧的绕组层的第二端超出线圈宽度的一半。

17、优选地，彼此叠置的绕组层具有递减的匝数。

18、本发明还公开了一种绕制上述线圈的方法，包括以下步骤：

19、a) 在介电材料上绕制一层绕组线以形成绕组层，从线圈的一侧边缘开始，使得绕组层的宽度小于线圈宽度，其中绕组层包括第一端和第二端，其中绕组层的第一端基本上是线圈的第一边缘，并且绕组层的第二端终止于线圈的第一边缘和第二边缘之间，并且其中绕组层的第二端朝向线圈的第二端；

20、b) 将绕组线从绕组层的第二端引向线圈的相对侧边缘，并将绕组线连接到后一绕组层的第一端；

21、c) 将介电材料布置在包括绕组层和线圈剩余部分的线圈表面上；

22、其中步骤a)执行至少两次，并且步骤b)和c)执行至少一次，

23、并且其中步骤a)从线圈的相对两侧边缘交替重复。

24、当步骤b)和c)执行的次数与步骤a)相同时，最外层的绕组层被介电材料覆盖。当步骤c)，或步骤b)和c)，执行的次数比步骤a)少一次时，最外层的绕组层未被介电材料覆盖。

25、优选地，一个绕组层的第二端最远设置在前一绕组层的第二端所在位置处，使得相继的两个绕组层之间彼此不重叠，优选地在它们之间留下间隙。

26、优选地，在步骤c)中，介电材料仅布置在绕组层上方和下方的区域。

27、优选地，绕组层设置有不同数量的匝数。

28、本发明还公开了一种电感设备，其包括上述线圈、骨架和绝缘外壳。该电感设备可以是例如变压器或扼流圈。

29、本发明优点：本发明能够显著降低为电感设备（例如中压变压器）设计的绕组线圈结构的电感和电容。因此，本发明能够使一次绕组线圈结构的谐振频率最大化，从而确保覆盖频率范围高达20 khz甚至超过20 khz的电压变压器的精确性能。本发明确保在无需过多匝数或层数的情况下实现所需的电感水平。因此，它不仅能够降低电容，还能保持紧凑高效的变压器设计。所提出的发明可以使用标准制造工艺实际实施，而不会增加复杂性。由于使用更少的绕组线，制造成本得以降低。