CN100555483C - 混合空芯/磁芯电感器 - Google Patents
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Abstract
一种电感器，包括：长的磁芯；被缠绕在所述芯周围的线圈；以及隔离部件，其将所述线圈从所述芯分隔开，以在所述线圈和所述芯之间提供冷却剂通道。所述冷却剂通道可以包括空气通道，所述空气通道基本上平行于所述芯的轴延伸、并且具有分别邻近所述芯的第一端和第二端的第一开口和第二开口。所述线圈可以包括单独绝缘的导线的捻束。可以将所述导线容纳在耐通量的室中，即导电铝结构，其承受涡流而具有相对可接受的电阻损耗。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2003年6月27日提交的美国临时申请60/482,806的优先权，其公开在此整体引用作为参考。
技术领域
本发明涉及电磁装置，尤其涉及电感器。
背景技术
高功率变换器的应用，例如基于PWM不间断电源(UPS)，可能需要低电感/高电流电感器用于功率变换电路，例如整流器和逆变器。在这样的应用中，可能希望保持达到3倍均方根额定电流的有效电感。工作电流可能既包括50/60Hz的功率分量又包括高频脉动电流。
常规的电感器设计包括闭合的磁通路和有隙的(分开并散布的)芯设计。环形设计可能需要复杂的绕组设计，并且芯热可能会残留在这种复杂的绕组中。绕组热还可能会增加芯的温度，而在这种设计中难以保持内绕组冷却。有隙的EE/EI或UU/UI设计通常包括具有大空隙的大芯体。冷却的困难常常驱使使用铁氧体芯，由于更大的芯体积，这可能会导致成本昂贵。
还可以使用开放的磁通路(例如，空芯)。简单的空芯设计可能会占用大的体积以达到需要的电感，从而可导致高的线圈电阻和损耗。多层可扩大表面趋肤和邻近效应损耗，并且可阻碍内层的冷却。损耗通常超出可接受的水平，并且返回的磁通路(通过周围空气)可能会不利地影响附近的物品。逃逸的辐射场可能会提高EMI水平，而相邻的敏感电子电路可能又会不利地响应该EMI。
发明内容
根据本发明的一些实施例，一种电感器，包括长的磁芯。将线圈缠绕在所述芯周围。隔离部件将所述线圈从所述芯分隔开，以在所述线圈和所述芯之间提供冷却剂通道。例如，所述冷却剂通道可以包括空气通道，所述空气通道基本上平行于所述芯的轴延伸、并且具有分别邻近所述芯的第一端和第二端的第一开口和第二开口。所述线圈可以包括单独绝缘的导线的捻束，其可以减少表面趋肤和/或邻近效应损耗。可以将所述导线容纳在耐通量(flux-tolerant)的室中，即导电铝结构，其承受涡流而具有相对可接受的电阻损耗。
在本发明的一些实施例中，所述隔离部件包括线圈架，所述线圈架支撑其内的磁芯；并且，所述线圈包括被缠绕在所述线圈架周围的线圈，使得所述线圈架将所述线圈从所述磁芯分隔开，以提供所述冷却剂通道。所述线圈架可包括第一互锁架和第二互锁架，所述第一互锁架和第二互锁架被构成为支撑二者之间的的所述磁芯。例如，所述磁芯可包括磁性材料(例如铁氧体和/或粉状铁)的矩形棒，其中，所述第一架和第二架被构成为与磁性材料的矩形棒的各个侧面接合，并且将所述线圈绕所述第一架和所述第二架缠绕。
根据本发明的另一些实施例，一种电感器包括：长的磁芯；线圈架，所述线圈架保持其内的磁芯；以及线圈，所述线圈包括被缠绕在所述线圈架周围的多圈导线。所述线圈架定位所述线圈的导线，使得在所述线圈和所述芯之间提供冷却剂通道。所述冷却剂通道可包括空气通道，所述空气通道基本上平行于所述芯的轴延伸、并且具有分别邻近所述芯的第一端和第二端的第一开口和第二开口。
在本发明的另一些实施例中，一种电感器包括：长的磁性材料棒；线圈架，所述线圈架被构成为保持其内的磁性材料棒；以及线圈，所述线圈包括单独绝缘的导线捻束，其被以多圈缠绕在所述线圈架周围。所述线圈架定位所述线圈的导线，使得在所述磁性材料棒和所述线圈之间提供冷却剂通道。所述冷却剂通道可包括空气通道，所述空气通道基本上平行于所述磁性材料棒的轴延伸、并且具有分别邻近所述磁性材料棒的第一端和第二端的第一开口和第二开口。
本发明的一些实施例的可能优点包括降低的芯成本和更低的绕组成本和/或损耗。在芯和线圈之间提供冷却剂通道可提供更好的冷却，并可减少芯和线圈之间的热耦合。使用导线的捻束可减少趋肤和邻近效应损耗。根据本发明的一些实施例的电感器可以被最佳地配对，以减少远场强度并提高净电感量。
附图说明
图1示出根据本发明的一些实施例的电感器；
图2示出可与图1所示的电感器一起使用的导线捻束；
图3-5分别是根据本发明的另一些实施例的电感器的透视图、端视图和分解图；
图6是示出根据本发明另一些实施例的安装在置于UPS功率变换器模块中的耐通量室中的电感器的透视图；
图7和图8示出了根据本发明的一些实施例的电感器的示例性模拟磁通量分布。
具体实施方式
现在将参考附图来描述本发明的具体示例性的实施例。然而，本发明可以以多种不同的形式实施，并且不应认为受限于本文所阐述的实施例；而是，对于本领域的技术人员来说，提供这些实施例，使得本公开的内容是完整的、彻底的，并且全面地表达本发明的范围。在附图中，相同的标号表示相同的元件。应该明白，当一元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，该元件可以直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。
在本发明的一些实施例中，电感器包括磁性材料芯，所述磁性材料例如铁氧体或粉状铁。以螺线管结构将线圈缠绕在芯上，并且与芯间隔一定的间隙，该间隙足以允许例如空气的冷却剂沿芯的长度循环。优选使用导线束缠绕该线圈，所述导线束包括被捻在一起成螺旋形绳的单独绝缘的股线，即没有在常规的Litz线中存在的复合捻线。线圈优选限于一层或两层，使得每层线圈可直接暴露于冷却剂。可以将导线容纳在耐通量室中，例如可减少由于电感器产生的涡流而引起的欧姆放热的导电铝外壳。
图1示出根据本发明的一些实施例的电感器100。电感器包括由磁性材料构成的长芯110，该芯110周围缠绕有线圈120。通过一个或多个隔离部件130将线圈120从芯110隔开，从而限定芯110和线圈120之间的冷却剂通道140。在该图示的实施例中，冷却剂通道140基本上平行于芯的纵轴105，并且具有第一开口140a和第二开口140b，所述的第一开口140a和第二开口140b分别靠近芯110的第一端110a和第二端110b。除了其它的以外，这种结构可提供对芯110和线圈120的有效冷却。如图2所示，可使用单独绝缘的导线122的捻束来缠绕线圈120。这种导线122可按例如简单的螺旋方式捻在一起。
根据本发明的各种实施例，芯、线圈和隔离部件结构每个都可采用各种不同的物理结构。例如，导线可具有圆柱形、矩形、椭圆体形或其它形式的芯。隔离部件可具有不同于图1所示的棒形的多种其它不同形状中的任何形状。例如，如图3-5所示，隔离部件可包括线圈架结构，该线圈架结构保持磁芯，并提供这样的框架，所述框架在其上可以使线圈与芯隔开地支撑所述线圈，以提供沿图1所示的线的冷却剂通道。这种线圈架结构还可有利于安装。
图3-5示出根据本发明的另一些实施例的电感器300。电感器300包括由磁性材料(例如，铁氧体、粉状铁等)以矩形棒310的形式构成的芯，在该芯周围缠绕有线圈320，该线圈320包括串联的第一重叠线圈320a和第二重叠线圈320b。线圈320由线圈架330支撑，该线圈架包括互锁的第一塑料架330a和第二塑料架330b，其被构成为分别与棒310的第一侧和第二侧接合，使得将棒310保持在线圈架330中。线圈架330使线圈320与棒310隔开，从而在棒310和线圈320的侧面之间提供冷却剂(例如，空气)通道340。
参考图5中的分解图，线圈320的层320a、320b被绝缘套筒350分隔开，并且棒310由第一部件310a和第二部件310b形成。所述架330a、330b中的每个都包括由肋334限定的接收部分332，所述肋334被构成为接合棒310的边缘。所述架330a、330b还包括安装脚336，以提供对电感器300的安装，所述安装脚被构成为接合片状金属板或类似表面中的狭缝。
在具有图3-5所示的结构的示例性电感器中，芯310由胶接在一起形成1英寸×2英寸×4英寸铁氧体棒的两个1英寸×1英寸×4英寸铁氧体棒(3C81，3C90，7099或相当的材料)形成(或者，芯310可以是单件这样的材料)。线圈320包括两个基本上同心并重叠地串联的线圈，所示线圈由24股单独绝缘的#20AWG铜线的捻束形成。将该束中的线捻为0.5圈每英寸(例如，0.5±0.1圈每英寸)。该电感器的电感量是大约100微亨(在10kHz，100微亨±10％)，DC电阻是大约9毫欧(在25℃)，在12.5kHz的等效串联电阻(ESR)是大约75毫欧。
图6示出根据本发明的另一些实施例的导电耐通量室500的例子，其中可容纳一个或多个如图3-5所示的电感器300。具体而言，将室500置于用于不间断电源(UPS)中的功率变换模块510中。模块510包括铝外壳520，所示外壳520具有其上安装有电感器300的表面522。模块510还包括导电铝热沉530，该热沉为被包括在模块510中的功率晶体管组件(未示出)提供冷却。这样，耐通量室500包括以导电结构限定的空间，所述导电结构包括外壳520和热沉530。在一些UPS结构中，室500还可被导电铝外盖(未示出)包围，所述外盖被构成为安装在电感器300之上的外壳520上。在其它结构中，室500还可被面对模块510安装的另一模块(未示出)包围。模块510的附加相邻结构例如电容器540的外箱也由导电铝形成。因为室500的导电性较高，因此其可以承受由电感器300产生的涡流，而无过量的电阻放热。
在使用多个例如电感器300的电感器的应用中，通过安装电感器使得它们的磁通路消失，还可以减少从电感器到周围结构的磁通链，从而可以减少“远场”通量和所导致的涡流放热。图7示出第一电感器710和第二电感器720的模拟通量分布，所述第一电感器710和第二电感器720被定向成使得它们的远场基本上消失，并且它们的近场相互增强，而图8示出以相反方式定向的相同电感器710，720，即，它们的远场没有基本消失。
本发明的各种实施例提供的可能的优点包括芯成本减少。圈数和每圈的平均长度也可减少，从而可降低绕组的成本和损耗。使用耐通量室可使与杂散返回通量相关的问题最少化或消除。在芯和线圈之间提供冷却剂通道可提供更好的冷却，并可减少芯和线圈之间的热耦合。使用低损耗的芯材料例如铁氧体，还可减少芯损耗，从而降低温度。与常规的Litz线相比，使用捻绕的导线(即，“穷人的Litz线”)，在可能较低的成本下可显著地减少趋肤和邻近效应损耗。将绕组层数限于一层或两层，可对每层提供直接的冷却，并且可减少邻近效应损耗。使用椭圆形/矩形的芯/线圈形状，可有利于在可用的空间内的更好的装配、以及更好地使用标准的芯尺寸/形状(传统形状为最大面积/周长的方形/圆形)。
在附图和说明书中，已经公开了本发明的示例性实施例。虽然使用了特定的术语，但是使用这些术语仅是出于一般描述性的意义，而不是为了限制性的目的，本发明的范围由下面的权利要求书所限定。
Claims (18)
1.一种电感器，包括：
长的磁芯；
线圈架，其包括第一互锁架和第二互锁架，所述第一互锁架和第二互锁架被构成为支撑其之间的所述磁芯；以及
线圈，其包括被以多圈缠绕在所述线圈架周围的导线，所述线圈架定位所述线圈的所述导线，使得在所述线圈和所述磁芯之间提供冷却剂通道。
2.根据权利要求1所述的电感器，其中所述冷却剂通道包括空气通道，所述空气通道基本上平行于所述磁芯的轴延伸、并且具有分别邻近所述磁芯的第一端和第二端的第一开口和第二开口。
3.根据权利要求1所述的电感器，其中所述磁芯包括磁性材料的矩形棒，其中所述第一互锁架和第二互锁架被构成为与所述磁性材料的矩形棒的各个侧面接合，并且其中所述线圈被缠绕在所述第一互锁架和所述第二互锁架周围。
4.根据权利要求1所述的电感器，其中所述线圈包括导线的捻束。
5.根据权利要求1所述的电感器，其中所述线圈在所述线圈架上仅包括一层或两层线圈。
6.根据权利要求5所述的电感器，其中所述线圈包括：
第一线圈，其被缠绕在所述线圈架周围；以及
第二线圈，其被缠绕在所述第一线圈周围，并且与所述第一线圈串联地电耦合。
7.根据权利要求6所述的电感器，还包括被置于所述第一线圈和所述第二线圈之间的绝缘套筒。
8.根据权利要求5所述的电感器，其中所述第一线圈与所述冷却剂通道直接相邻。
9.根据权利要求1所述的电感器，其中所述线圈包括一束单独绝缘的导线，所述导线被捻成基本螺旋形的形式。
10.根据权利要求1所述的电感器，其中所述线圈包括仅一层或两层线圈。
11.根据权利要求1所述的电感器，其中所述线圈包括：
第一线圈，其最靠近所述磁芯；以及
第二线圈，其被缠绕在所述第一线圈周围，并且与所述第一线圈串联地电耦合。
12.根据权利要求1所述的电感器，其中所述磁芯包含铁氧体材料。
13.根据权利要求1所述的电感器，所述电感器被容纳在耐通量的室中。
14.根据权利要求13所述的电感器，其中所述耐通量的室包括导电板金属外壳，所述外壳至少部分包围所述电感器。
15.一种电感器，包括：
长的磁性材料棒；
线圈架，其被构成为保持其内的所述磁性材料棒；以及
线圈，所述线圈包括单独绝缘的导线的捻束，所述导线被捻成基本螺旋形的形式、并被以多圈缠绕在所述线圈架周围，所述线圈架定位所述线圈的所述导线，使得在所述磁性材料棒和所述线圈之间提供冷却剂通道。
16.根据权利要求15所述的电感器，其中所述冷却剂通道包括空气通道，所述空气通道基本上平行于所述磁性材料棒的轴延伸、并且具有分别邻近所述磁性材料棒的第一端和第二端的第一开口和第二开口。
17.根据权利要求15所述的电感器，其中所述磁性材料棒包括矩形的磁性材料棒。
18.根据权利要求17所述的电感器，其中所述线圈架包括第一互锁架和第二互锁架，其被构成为与所述磁性材料棒的各个侧面接合、并支撑其之间的所述矩形磁性材料棒，其中所述线圈被缠绕在所述第一互锁架和所述第二互锁架周围。
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