CN101019195A - 用于形成感应元件的线圈管 - Google Patents

Abstract

根据本发明用于形成感应元件的线圈管(1)包括空腔(9)、圆柱形外罩部分(2)、两个凸缘部分(3.1和3.2)以及狭缝(7)。凸缘部分和外罩部分形成绕组室(5)，绕组室(5)用于在绕组室(5)中卷绕线，该线形成感应元件的第一绕组或第一绕组的一部分。完全用铜制成的线圈管(1)形成感应元件的第二线圈或第二线圈的绕组。由于第一和第二线圈之间的接触表面增加，所以线圈之间的热耗散能力和磁耦合增加。这样就会导致感应元件的功率密度的增加。

Description

用于形成感应元件的线圈管

技术领域

本发明涉及具有磁心、第一线圈和第二线圈的用于形成感应元件的线圈管，线圈管制成可使第一线圈绕在线圈管周围。本发明还涉及相应的感应元件以及形成这种感应元件的方法。

背景技术

在制造电气和、或电子器件如变压器、感应器或扼流器这样的感应元件时，存在对具有较高功率密度的装置的需求。不过，感应元件的功率密度越高，需要由感应元件的较小表面耗散以保持温升恒定的总损耗就越低。相反，为了满足管理和安全要求，必须得增加绝缘距离且必须在线圈与线芯如塑料线圈管之间插入绝缘体。这些塑料线圈管降低铜占空比，该占空比是所使用的和可提供的绕组窗之比。因此，非传导区域典型地限制感应元件中的损耗的减少。

为了向变压器提供仅要求小的空间的较高铜占空比和较低的绕组损耗，现已引入了平面变压器，在这些平面变压器中，绕组由在印刷电路板(PCB)上蚀刻的铜迹线形成。不过，PCB平面变压器的铜占空比限制在某种程度。为了承载高电流，必须得使几个PCB平行，因为可以在PCB上蚀刻的迹线的厚度受限。因此，这些PCB增加绝缘空间，从而导致低的铜占空比。最终，它们在其它用途中并不有用，如在高功率、高电流用途中。

文件WO03/030189A1公开了用于具有提高的质量和安全标准的高功率用途的变压器。在这种变压器中，初级绕组由绕在塑料筒管上的线形成，而次级绕组由至少一种金属板形成，这种金属板在一侧打开、插到筒管上并且连接到印刷电路板。这种变压器能够承载高电流并允许比PCB平面变压器更高的铜占空比。不过，这种变压器具有极大地限制铜占空比的塑料筒管，并因此而具有降低的电气和、或磁特征。

发明内容

本发明的目的在于产生属于最初所提及的技术领域的线圈管，这种线圈管避免现有技术中的缺点，而且尤其能够使具有改进的功率密度的感应元件的制造成为可能。

本发明的方案由权利要求1的特征所明确说明。根据本发明，线圈管完全用导电材料制成并形成感应元件的次级线圈的绕组。

与现有技术相比，完全用导电材料制造线圈管并将线圈管本身用作感应元件的绕组具有几个优点。首先，感应元件具有非常高的铜占空比并因此而具有降低的损耗。此外，这种导电材料典型地比用塑料制成的线圈管更好地导热。与相应的现有技术中具有塑料线圈体的筒管相比，根据本发明的线圈管还具有较大的表面来耗散热。

将线圈管直接用作感应元件的绕组还会导致降低的损耗和提高的磁耦合，并因此而导致感应元件的增加的功率密度。

由于仅必须使用一种材料来制造线圈管，所以可简化制造过程并因此而降低制造成本。

进一步来讲，减少某种对环境有害的物质的使用也是可能的，如塑料线圈管中所经常使用的阻燃剂。本发明还能够使废弃不用的感应元件的回收和、或废物处理更加容易，因为根据本发明的并不包括塑料的具有线圈管的感应元件比现有技术中的包括塑料的线圈管更易于拆卸和处理。

一般来讲，每种导电材料如导体和半导体均可用于线圈管。不过，所使用的材料的导电率越高，所产生的感应元件的性能越好。因此，有利的是，线圈管用具有高导电率的金属制成，如银、铜、金、铝或类似的材料。由于其良好的可用性和低的价格，所以铜典型地用于制造线圈管。

用线圈管形成的感应元件包括某种类型的磁存储元件。优选本发明用于形成具有磁心的变压器，如铁氧体磁心。因此，优选这种线圈管包括用于插入磁心的开口，以使线圈管至少部分地包括用于在磁通量在磁心中流动时在线圈管中感生电流的磁心，或者使在电流流过线圈管时在磁心中产生磁通量。

为了避免短路或泄漏电流，将线圈管制成在其开口周围没有闭合电流通路存在。线圈管有利地包括典型地从线圈管的开口到其外缘的狭缝，这样就中断了线圈管中围绕其开口的任何闭合电流通路。

线圈管可以是任何适当的形状。并不存在线圈管的预定的强制性形状。不过，一些形状比另一些更适合。例如，为了便于线圈管的制造和、或其后进行的制造感应元件的处理，优选使用包括大体上呈圆柱形的外罩部分和两个凸缘部分的线圈管。外罩部分具有空心圆柱形形状且凸缘部分设在外罩部分的两端，以使外罩部分和凸缘部分形成绕组室。在这种绕组室中，可将线进行卷绕，以形成感应元件的另一个线圈或另一个线圈的一部分。

绕组室的宽度和高度是凸缘部分的尺寸和形状以及外罩部分的直径和长度，按照具体用途的要求对绕组室的宽度和高度进行选择。将会注意到，绕组室内的最大数量的绕组不仅取决于绕组室的尺寸，而且还取决于所使用的线。

一般来讲，圆柱形外罩部分可以是直立柱体或斜柱体类型，在这种类型的外罩部分中，圆柱形外罩部分的底面可以是任何希望的形状，如长方形、矩形、椭圆形、三角形或任何其它形状。不过，优选具有空心直立圆柱形外形和圆形底面的外罩部分。在这种情况下，每个凸缘部分限定一个平面并位于这个平面中，该平面垂直于圆柱形外罩部分的轴线，每个轴线位于外罩部分的一端。换言之，凸缘部分是位于外罩部分的两端的圆周壁，并且从外罩部分的外表面垂直向外伸出。

线圈管可制成单件式装置，例如，通过注模或其它任何适当的成形或排屑材料处理如铣削、车削和钻孔方法来制造。

在本发明的优选实施例中，线圈管包括配合在一起的至少两个元件。就电气特征而言，与怎样将线圈管再分成这些元件无关。不过，为了实现更加有效的制造过程，线圈管由一个平面分成上述至少两个元件，该平面实质上平行于上述凸缘部分。在直立柱体圆形外罩部分的情况下，该平面是垂直于外罩部分的轴线的平面。在最优选的实施例中，线圈管包括配合在一起的两个这样的元件，以形成线圈管，每个元件包括外罩部分的一部分和一个凸缘部分。

对于制造线圈管来讲，这些元件首先单独制造。这可以通过，如冲压、激光切割、水切割或其它任何已知的方式来进行。然后将这些单独的元件配合在一起以形成线圈管。这可以通过，如软焊、胶合、激光作用、焊接、压合或类似的方式来进行。

由于线圈管形成感应元件的线圈绕组，所以线圈管必须得导电连接到电路，如功率变换器的整流电路。虽然可以用任何适当的方式来实现这样的连接，如通过将线连接到线圈管的外罩或凸缘部分，但线圈管有利地包括用于将线圈管连接到电路的两个或多个端子。

这些端子，例如，适于安装到印刷电路板中的相应的凹槽之中，该印刷电路板承载该电路或该电路的一部分。

根据本发明的感应元件由权利要求8的特征明确说明。感应元件，如电力变压器，包括前面所描述的至少一个线圈管，这种线圈管形成感应元件的第一线圈的绕组。该感应元件还包括由绕在该至少一个线圈管上的至少一个所形成的第二线圈。

将线圈管用作变压器的初级绕组并将绕在线圈管上的线用作次级绕组是可能的。不过，电力变压器典型地在初级侧具有比次级侧更多的绕组，所以，次级绕组中的电流高于初级绕组中的电流。因此，优选线圈管形成感应元件的次级线圈绕组且线形成初级线圈或者初级线圈的一部分。

一般来讲，任何绝缘线均可用于形成初级线圈。但是，由于线直接绕在线圈管上，即初级线圈与次级线圈直接接触，所以应使用高度绝缘的线来满足高电流用途中的高压要求。优选将现有技术中已知的三层绝缘线用作初级绕组。

形成根据本发明的具有线圈管、磁心、第一线圈和第二线圈的感应元件的方法由权利要求10的特征明确说明。这种方法包括以下步骤：

-通过用导电材料制造线圈管并将这种线圈管用作第一线圈的绕组来提供第一线圈的绕组。

-通过将线绕在线圈管上来提供第二线圈或者第二线圈的一部分。

-将磁心插入该线圈管的开口中。

然后可将感应元件连接到功率变换器的初级和次级电路。

其它有利的实施例和特征的结合由下面的详细描述和全部权利要求所公开。

附图说明

用于说明实施例的附图示出了：

图1是根据本发明的线圈管的示意性透视图；

图2是用于形成示于图1中的线圈管的线圈管元件的示意性透视图；

图3是根据本发明的另一种线圈管的俯视图；

图4是根据本发明的再一种线圈管的俯视图；

图5是根据本发明的再一种线圈管的俯视图；

图6是示于图1中的线圈管的侧视图；

图7是根据本发明的另一种线圈管的侧视图；

图8是根据本发明的再一种线圈管的侧视图；

图9是根据本发明的再一种线圈管的侧视图；

图10是用于形成根据本发明的感应元件的磁心元件的前视图；

图11是示于图10中的磁心元件的俯视图；

图12是根据本发明的感应元件；以及

图13是根据本发明的另一种感应元件。

在这些附图中，相同的器件用相同的参考符号表示。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的线圈管1。该线圈管包括空心圆柱形外罩部分2和两个环状凸缘部分3.1和3.2，凸缘部分3.1和3.2位于外罩部分2的两端。外罩部分2以及凸缘部分3.1和3.2用铜制成。外罩部分2形成开口9，磁心可插入该开口9中。外罩部分2的外表面与凸缘部分3.1和3.2的内侧壁形成绕组室5。在线圈管1的右侧面上(如图所示)，线圈管1包括四个端子6.1、6.2、6.3和6.4。狭缝7将外罩部分2、凸缘部分3.1和3.2以及端子6.1、6.2、6.3和6.4分开，以在开口9周围形成电流通路8。例如，以逆时针方向沿着电流通路8行进的电流首先流过端子6.1和6.2，然后穿过凸缘部分3.1和3.2以及外罩部分2，之后穿过端子6.3和6.4。狭缝7阻止除了沿着电流通路8之外的电气连接的端子6.1和6.2与端子6.3和6.4之间的电气连接。

在绕组室5中，将线10几次绕在外罩部分2上。在所示出的示例中，线10的一端穿过狭缝7离开绕组室5，而线10的另一端在绕组室5的外表面上的某个位置离开绕组室5。例如，已将线10在此处通过狭缝7且然后绕在外罩部分2上。还有另一种绕组技术，在这种技术中，线的两端均在相同的位置离开绕组室。

在将磁心插入开口9中时，电流通路8形成磁心周围的第一线圈的绕组，且线10形成磁心周围的第二线圈或第二线圈的一部分。线圈管1通过端子6.1、6.2、6.3和6.4连接到电气/电子电路。因此，线10的两端也连接到电气/电子电路。

在图1中示出的线圈管1并不是单件式。该线圈管1由两个相同的元件组成。这种线圈管元件12在图2中示出。线圈管元件12包括两个端子6.5和6.6、凸缘部分3.3和外罩部分2的约一半2.1。例如，通过从铜板将线圈管元件12冲压出来并将开口9的内缘弯曲以形成外罩部分2的一半2.1来制造线圈管元件12。

然后将这些线圈管元件12中的两个配合在一起，例如，通过软焊。在两个线圈管元件12软焊在一起时所产生的接头在图1中用虚线11示出。

图3至图5示出了根据本发明的线圈管的另一个实施例的俯视图。示于图3的线圈管1.1具有围绕圆形开口9的环状凸缘部分。由于是俯视图，所以仅能够看到由狭缝7所中断的一个凸缘部分3.4。线圈管1.1没有单独的端子。例如，通过将线软焊到狭缝7的任何一侧上的一个或两个凸缘部分来将线圈管1.1连接到电气/电子电路。

图4示出了根据本发明的另一种线圈管1.2。线圈管1.2也具有环状凸缘部分，且仅可看到具有已变端子6.7和6.8的上凸缘部分3.5。每个端子6.7和6.8分成两个部分6.71、6.72和6.81、6.82。例如，线圈管1.2连接到电气/电子电路，该电气/电子电路在印刷电路板(PCB，未示出)上实现。通过将每个部分6.71、6.72和6.81、6.82插入PCB中对应的凹槽中来将线圈管1.2安装到PCB。通过将每个端子6.7和6.8分成两个部分6.71、6.72和6.81、6.82，将线圈管安装到PCB时的机械稳定性将会得到提高。然后，例如，通过PCB的表面上的铜迹线或者多层PCB的内层上的铜迹线来实现部分6.71、6.72和6.81、6.82与PCB上的电气/电子电路之间的电气连接。

图5示出了根据本发明的另一种线圈管1.3。同样，仅可看到线圈管1.3的上凸缘部分3.6。虽然示于图1至图4中的示例的凸缘部分和外罩部分限定用于磁心的开口9，但在此情形中，凸缘部分3.6和外罩部分(看不到)具有包围矩形开口9的矩形外形。这种线圈管最适于插入具有相应的矩形截面的磁心。

图6、7和8示出了根据本发明的线圈管的不同实施例的侧视图。图6示出了示于图1中的线圈管1的侧视图，这种线圈管1具有外罩部分2、凸缘部分3.1和3.2以及所产生的绕组室5(看不到端子)。

图7示出了线圈管1.4，在线圈管1.4中，外罩部分2具有比示于图6中的线圈管的外罩部分2的直径大的直径。因此，所产生的绕组室5.1较小，即没有示于图6中的线圈管的绕组室5深。

图8示出了具有凸缘部分3.9、3.10和3.11的线圈管1.5。凸缘部分3.9和3.11设在外罩部分2的端部，且凸缘部分3.10设在另外的凸缘部分3.9和3.11之间，例如，位于外罩部分2的中间，以形成两个绕组室5.2和5.3。第一绕组室5.2在凸缘部分3.9和3.10之间形成且第二绕组室5.3在凸缘部分3.10和3.11之间形成。利用这种方式就可以形成具有多个凸缘部分并因此而具有多个绕组室的线圈管。在每个绕组室中可卷绕单独的线。不过，这些线可形成单独的线圈或者可将这些线连接以形成具有更多圈数的单线圈。

图9示出了示于图6中的线圈管1，线圈管1具有线绕组30，线绕组30绕在外罩部分2的外表面上的绕组室5中。对线绕组30的绕组数量进行选择，以满足具体用途的要求。

例如，线可以是三层绝缘线，即具有两到三个绝缘层如聚酰亚胺或聚酰亚胺箔的线。其它电气隔离材料如氟塑料也适用于制造绝缘线，这些氟塑料如PTFE(聚四氟乙烯)或PFA(全氟烷氧基，polyfluoroalkoxy)。

将会注意到，出于清楚的目的，所示出的线绕组30具有距凸缘部分3.1和3.2的间隙。不过，线绕组30典型地直接与凸缘部分3.1和3.2接触，以能够在线绕组30与线圈管1之间进行有效的热传递，并因此而能够使对应的变压器排列有效地冷却。

用在根据本发明的感应元件中的磁心典型地由两个或多个磁心元件形成。将这些磁心元件配合在一起，而一个磁心元件的至少一个支腿插入线圈管的开口中，以使线圈管至少部分地包括磁心，该磁心用于在磁通量在磁心中流动时感生电流，或者用于在电流流过线圈管时在磁心中产生磁通量。

图10和图11示出了磁心元件40，图10示出了磁心元件40的侧视图且图11示出了磁心元件40的俯视图。磁心元件40是具有两个外支腿41和中心支腿42的E类磁心元件。将这两个磁心元件40配合在一起以形成磁心，这种磁心具有8字形状并用于形成根据本发明的感应元件。不过，具有适当形状如O形的任何其它磁心也可用于形成根据本发明的感应元件，这是不言而喻的。而且，磁心可用不同的磁心元件如E形磁心元件和I形磁心元件构成，以形成具有8字形状的磁心。

对磁心元件40的形状尤其是外支腿41和中心支腿42的形状进行选择，以使它们的形状与所使用的线圈管的形状相匹配。在示于图1中的线圈管的情况下，中心支腿42具有圆形截面，且外支腿41具有基本上呈矩形的截面，该矩形截面具有凹边44。中心支腿42与外支腿41之间的间隙43形成环状切口区域，这种环状切口区域与环状线圈管1相匹配。

为了形成根据本发明的具有线圈管、磁心、第一线圈和第二线圈的磁元件，必须进行如下步骤：

a)用导电材料如铜制造线圈管，如示于图1中的线圈管1；

b)通过将线圈管1用作绕组来提供第一线圈的绕组；

c)通过将线10绕在线圈管1上来提供第二线圈；

d)提供磁心，如通过提供示于图10和11中的两个磁心元件40；以及

e)将磁心即两个磁心元件40的中心支腿42插入线圈管1的开口9中并将这些磁心元件40配合在一起。

优选通过例如粘合、胶合、夹持或类似的方式将这些磁心元件40配合在一起。

图12示出了根据本发明的感应元件50。感应元件50包括两个磁心元件40以形成磁心51。感应元件50还包括如图6中所示出的线圈管1，这种线圈管1具有线绕组30，线绕组30绕在如图9所示的其外罩部分上。将这些磁心元件40的中心支腿插入线圈管1的开口9中。

在本发明的优选用途中，感应元件50用作功率变换器中的变压器。线绕组30是初级线圈，或者在多初级线圈的情况下，线绕组30是变压器的初级线圈之一，线圈管1是唯一的绕组，或者在多绕组的情况下，线圈管1是变压器的次级线圈的绕组之一。线绕组30和线圈管1连接到如前面所描述的关联电气和、或电子电路。

图13示出了根据本发明的感应元件50.1的另一个实施例。感应元件50.1包括两个E形磁心元件40.1，两个E形磁心元件40.1形成磁心51.1，磁心51.1具有比示于图12中的感应元件50的磁心51的支腿长的支腿。

感应元件50.1还包括两个线圈管1，每个线圈管1具有绕在其外罩部分上的线绕组30。线圈管1相互堆叠，且磁心51.1的中心支腿插入线圈管1的开口9中，将这些开口9进行排列以形成一个单一的圆柱形开口。在所示出的示例中，将绝缘层52插在这些线圈管1之间，该绝缘层52也包括用于插入磁心的开口。因此，线圈管1形成变压器的一个次级线圈或者两个次级线圈的两个不同绕组。如果这两个绕组是相同的次级线圈的一部分，那么它们既可以串联以形成具有绕在磁心51.1的中心支腿上的两个绕组的线圈，也可以并联以形成具有双电流传导容量的单一绕组。

如果两个线圈管1并联，那么也可将绝缘层52省去。这种布置基本上对应于具有如图8示出的线圈管1.5的变压器布置。

概括来讲，将会注意到本发明能够使感应元件的简化制造得以进行。由于线圈还用作感应元件的线圈，所以可省去提供单独的线圈的步骤。由于磁耦合得到了提高，所以根据本发明的感应元件进一步展示出增加的功率密度。

Claims (10)

1.用于形成感应元件的线圈管(1)，所述感应元件具有磁心(51)、第一线圈和第二线圈，所述线圈管制成使所述第一线圈(10)可绕在所述线圈管上，其特征在于：所述线圈管(1)完全用导电材料制成且所述线圈管形成所述第二线圈的绕组(8)。

2.如权利要求1所述的线圈管，其特征在于：所述线圈管用金属尤其是用铜制成。

3.如权利要求1或2所述的线圈管，其特征在于：所述线圈管包括用于插入所述磁心的开口(9)。

4.如权利要求3所述的线圈管，其特征在于：所述线圈管包括狭缝(7)，所述狭缝(7)用于在所述开口周围的线圈管中避免短路和泄漏电流。

5.如权利要求1至4中的任何一项所述的线圈管，其特征在于：所述线圈管包括基本上呈圆柱形的外罩部分(2)和两个凸缘部分(3.1和3.2)，所述外罩部分和凸缘部分形成绕组室(5)，所述绕组室(5)用于在绕组室(5)中卷绕所述第一线圈。

6.如权利要求5所述的线圈管，其特征在于：所述线圈管包括配合在一起的至少两个元件(12)，所述线圈管由平面分成所述至少两个元件，优选所述平面基本上平行于所述凸缘部分。

7.如权利要求1至6中的任何一项所述的线圈管，其特征在于：所述线圈管包括两个端子(6.1、6.2、6.3和6.4)，所述两个端子(6.1、6.2、6.3和6.4)用于将所述线圈管电气连接到电路。

8.感应元件(50)尤其是电力变压器，其特征在于：所述感应元件(50)包括根据权利要求1至7中的一个的至少一个线圈管(1)，所述至少一个线圈管(1)形成所述感应元件的第一线圈的绕组，且所述感应元件(50)包括绕在所述至少一个线圈管上的至少一条线(10)，所述至少一条线(10)用于形成所述感应元件的第二线圈。

9.如权利要求8所述的感应元件，其特征在于：所述线圈管形成所述感应元件的第二线圈的绕组，且所述线形成所述感应元件的初级线圈(8)，其中，所述线是三层绝缘线。

10.形成具有线圈管(1)、磁心、第一线圈和第二线圈的感应元件(50)的方法，所述方法包括以下步骤：

a)将所述磁心插入所述线圈管的开口(9)中，

b)通过将线(1)绕在所述线圈管上来提供所述第二线圈，

其特征在于：所述方法还包括以下步骤：

c)通过用导电材料制造所述线圈管并将所述线圈管用作所述绕组来提供所述第一线圈的绕组。

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