CN101354949A

CN101354949A - 直流电感器

Info

Publication number: CN101354949A
Application number: CNA2008101096237A
Authority: CN
Inventors: T·维塔南; P·皮特里斯; E·豪塔科皮
Original assignee: ABB Azipod Oy
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2028-06-06
Also published as: US7889040B2; EP2001029B1; US20080303620A1; CN101354949B; ATE477579T1; DE602007008381D1; EP2001029A1

Abstract

一种直流电感器，包括：铁芯结构(11)，其包括一个或多个磁隙(12、13)；线圈(14)，其插在所述铁芯结构(11)上；安置在所述铁芯结构内的至少一个永磁体(15)，所述永磁体(15)的磁化强度与所述线圈(14)可产生的磁化强度相反。所述直流电感器还包括：至少一个磁板(16)，其插到所述铁芯结构，从而形成一个或多个磁隙(12、13)；由磁性材料制成的至少一个支撑构件(17)，其在所述铁芯结构内部从所述铁芯结构延伸出，并支撑所述至少一个永磁体(15)，而且所述至少一个支撑构件(17)被布置形成用于所述至少一个永磁体的磁路。

Description

直流电感器

技术领域

本发明涉及一种直流电感器，具体涉及一种具有至少一个设置在电感器的铁芯结构内的永磁体的直流电感器。

背景技术

作为无源部件的直流电感器的主要应用是在交流电气装置的直流传输线上。电感器用于减少交流驱动器的输入侧的整流系统内的线路电流中的谐波。

在直流电感器中使用永磁体允许最小化电感器铁芯的横截面面积。永磁体被设置到铁芯结构上，这样使得永磁体产生的磁通量或磁化强度与从缠绕在铁芯结构上的线圈可获得的磁通量或磁化强度相反。线圈和永磁体的相反的磁化强度使得得到的磁通密度更小，从而使所使用的铁芯内的横截面尺寸更小。

如所公知的，如果对永磁体施加外部磁场，那么永磁体就具有被退磁的能力。这个外部磁场必须是很强的，并且反向施加到永磁体的磁化强度上以用于永久退磁。在直流电感器具有永磁体的情况下，如果相当大的电流被引导通过线圈和/或如果没有适当地设计铁芯的结构，那么就可能出现退磁。可引起退磁的电流可能导致连接直流电感器的设备的故障。

文件EP0744757B1公开了一种直流电抗器，其中，使用了永磁体并且考虑了上述问题。EP0744757B1中的直流电抗器包括铁芯结构，永磁体连接到所述铁芯结构上。永磁体的连接易受机械故障的影响，因为永磁体仅仅连接到一个或两个表面。此外，EP0744757B1中的铁芯结构被固定在特定的电流或电感额定值上，而不可能使用同一铁芯结构和尺寸来扩大所述额定值。

因此，与现有技术结构相关的问题之一涉及改进同一铁芯结构以用于不同电流电平或不同目的的可能性。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流电感器以解决上述问题。通过一种直流电感器达到本发明的目的，其特征在于独立权利要求所述的内容。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。

本发明基于的构思是，提供一种能够针对不同的电流电平易于改进的铁芯结构。本发明的铁芯结构包括支撑构件，其支撑一个或多个永磁体，并且产生用于永磁体的磁通量或磁化强度的磁路。此外，铁芯结构包含由一个或多个磁板形成的一个或多个磁隙。通过对这些磁板的改进能够实现对直流电感器的性质的改进。

本发明的直流电感器的优点在于，同一基本铁芯结构可用于不同的额定值。可以改变至少一个支撑构件的长度，这允许改变所使用的永磁体的数目。支撑构件还影响电感器的电感，并且能够变化以获得所需的电感值。此外，能以各种方式改进位于铁芯结构内的一个或多个磁板。磁板用于为主磁路提供磁隙。可以用具有不同性质的不同磁板来调整这些磁隙的长度。此外，磁板可用于提供不均匀的磁隙，所述磁隙为直流电感器提供不同的性质。

因此，本发明提出了使用能够根据应用进行改进的基本铁芯结构的可能性。这导致电感器的生产上的相当大的节约，因为只有常用形式的电感器铁芯被特定地构造用于预定的用途。

附图说明

以下将参照附图通过优选实施例更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出本发明的第一实施例的基本结构；

图2示出图1的结构的透视图；

图3示出图1所示实施例的改进；

图4示出第一实施例的剖面正视图；

图5示出本发明的第二实施例的基本结构；

图6示出本发明的第三实施例的基本结构；

图7示出图6所示实施例的透视图；

图8示出本发明的第四实施例的基本结构的剖面正视图；

图9示出图8所示实施例的透视图；

图10示出本发明的第四实施例的改进的剖面正视图；

图11示出图10所示改进的透视图；

图12示出本发明的第四实施例的另一改进的剖面正视图；

图13示出图12所示改进的透视图；

图14示出第二实施例的改进的透视图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的直流电感器的第一实施例。铁芯结构11由磁性材料形成，即，能够引导磁通量的材料。所述材料例如可以是通常用于大电感器以及用作电机内的定片的层叠钢，软磁混合物或铁粉。

本发明的直流电感器包括插在铁芯结构上的至少一个线圈14，以及一个或多个磁隙12、13。线圈一般卷绕在绕线管上，然后以标准方式插在铁芯结构上。或者，线圈可以不通过绕线管而直接卷绕到铁芯上。磁隙形成在主磁路上，所述主磁路被称作线圈的磁通量流过的磁路。在本发明中，使用磁板形成可能的多个磁隙中的至少一个。在图1的实施例中，磁板16是能够插入到铁芯结构中的分离件。磁板的材料可包含与铁芯结构相同的材料，但也可以是不同的材料。磁板的材料也可以是其它磁性材料，例如铁氧体材料等。

由于在本发明中使用磁板产生磁隙，即气隙，通过改变磁板的尺寸和形状可以改变如此产生的气隙的长度和形状。非磁性材料也可与磁板一起使用以支撑磁板并形成铁芯结构的磁隙。非磁性材料包含塑性材料，所述塑性材料在作为气隙的磁路上具有较小的影响。设置铁芯结构中的磁隙使得所述磁隙用于引导或阻挡磁通量，以便辅助抑制作用在永磁体上的退磁作用。另外，不同的磁隙尺寸不同地影响直流电感器的总电感。然而，较大的气隙使电感器的电感数值减小，但同时使电感更加线性，而较小的磁隙具有相反的作用。

图1还示出至少一个由磁性材料制成的支撑构件17。本发明的支撑构件在铁芯结构11的内部从铁芯结构伸出。基本上是延长磁板的支撑构件保持或支撑至少一个永磁体15，这样使得支撑构件形成用于永磁体的磁化强度或磁通量的磁路。此外，可以改变支撑构件以改变直流电感器的电感。

在图1的实施例中，支撑构件在铁芯结构的内部平行于铁芯结构延伸。在图1中，支撑构件平行于铁芯结构的上芯腿11a延伸。在图2中，以透视图示出图1的实施例以便更好地理解所述结构。

支撑构件的目的是支撑永磁体15并同时为永磁体的磁通量提供通路。线圈产生的磁通使永磁体感应为较高磁阻的通路，从而经由磁板16经过永磁体。另一方面，由于在气隙内遇到的磁阻，永磁体的磁通量不流过磁板，但是经由铁芯结构和支撑构件流过线圈14。在图4中示出了磁通量的通路，其中，第一实施例的剖面正视图和描绘磁通路线的箭头被一起示出。穿过包含磁隙的整个铁芯结构的最外面的箭头组是来自线圈的磁通的路线。最里面的箭头描绘出来源于永磁体的磁通。

由于支撑构件是由磁性材料制成的元件，其也可认为是类似于磁板16的磁板。在支撑构件17和铁芯结构的一部分11d之间也可以提供磁隙。如果需要这样，通过插在支撑构件17和铁芯结构的一部分11d之间的薄的非磁性材料件可以形成磁隙。

在图1中，示出具有仅仅一个永磁体15的直流电感器。本发明使得能够只通过平行于铁芯结构延长支撑构件和增加更多的永磁体来调整主铁芯结构。图3示出这个可能性，其中，支撑构件被延长以保持两个永磁体15。所述永磁体按彼此平行的关系布置。此外，图3中的磁隙形成为不均匀的间隙。以所需方式改进磁板实现不均匀性。磁隙的不均匀性的结果是获得变化的电感曲线。

由于永磁体在某种程度上是易碎的并且因机械碰撞而非常易于破裂，因此非常有利的是将永磁体安置在铁芯结构的内部。从图1和3可以看到，铁芯结构覆盖永磁体，使得机械力不会影响磁铁。

永磁体也坚固地固定在铁芯结构上，因为所述永磁体从两个相反方向，即上下两个方向被保持在适当位置上。永磁体可被进一步胶粘或机械连接到周围结构上。

如从图1或3可见，永磁体15具有与磁板16加上气隙12、13的高度基本相同的高度。这允许支撑构件平行地对准铁芯结构。

图5示出本发明的第二实施例。在这个实施例中，两个支撑构件包含在电感器内。支撑构件23平行于铁芯结构且在铁芯结构的内部延伸。在这个第二实施例中，铁芯结构和支撑结构由两个U形铁芯21、22形成。第一U形铁芯21形成外部结构，小于第一U形铁芯的第二U形铁芯22形成支撑构件23和主铁芯结构的一个侧面。因此第二U形铁芯22插在第一U形铁芯21的芯腿之间。

图5示出四个永磁体15，其中的两个位于支撑构件23和铁芯结构两者之间。因此永磁体被支撑构件支撑，并且被保持在第二铁芯结构的芯腿的外表面和第一铁芯结构的芯腿的内表面之间。

磁板16以平行的方式插向永磁体15。磁板设置在主磁路上，这意味着磁板16处在第一U形铁芯的芯腿端部和第二U形铁芯的底部之间。在图5示出，第二U形铁芯的芯腿的底部的尺寸是不同的。第二U形铁芯的底部类似于第一U形铁芯传送线圈可产生的磁通量，并且为了避免不均匀的磁通密度，横截面面积应当相等。因此第二U形铁芯的底部的横截面面积等于第一U形铁芯的横截面面积。支撑构件，即第二U形铁芯的芯腿，主要传送永磁体产生的磁通且其尺寸可以做的更小。然而，显然，可以根据当前的使用实现横截面面积的尺寸标定。永磁体、磁板和磁隙的数目以及它们的形状也取决于应用。

图5的结构是非常有利的，因为只使用了基本的磁心形式。根据永磁体的数目和所需的电感可以改变第二U形铁芯的芯腿的长度。永磁体还是固定在铁芯结构上，并且在结构内部保持远离任何机械接触。用于形成磁隙的磁板与上文所述的一样。在图5的示例中，磁板用于产生三个非线性的磁隙。利用图5所示的磁板，可容易为铁芯结构形成多达四个磁隙。还可以使任意数目的磁隙形成为不均匀磁隙，从而获得摆动的电感特性。而且，图5所示实施例的制造过程是简单的。第一U形铁芯21可直接安装在主轴机构上，并且如果额外的绝缘线用于线圈，那么也不需要单独的绕线管以用于线圈。

图6示出根据本发明的直流电感器的第三实施例。在这个实施例中，两个支撑构件33、34支撑两个永磁体35、36。支撑构件在铁芯结构的内部平行于铁芯结构延伸。在这个实施例中，支撑构件也延伸到铁芯结构的外面以在铁芯结构的外面保持另一个永磁体。

支撑构件从图6所示的铁芯结构的一条芯腿伸出。根据本发明，产生一个或多个磁隙的磁板位于永磁体35、36和支撑构件33、34之间。

图6表示出由线圈38和永磁体35、36产生的磁通的磁通路线。所述磁通的方向彼此相反，并且线圈产生的磁通穿过磁板37，而永磁体的磁通流过支撑构件33、34。因此，在标准的操作范围内，线圈产生的磁通不会使永磁体退磁。

以上所述的第三实施例是有利的，其在于，铁芯的上芯腿和下芯腿可形成得较短而仍然保持多个永磁体，因为永磁体的一部分被保持在铁芯结构的外面，但内部的支撑构件仍然给予保护和强大的支撑以抵御机械力。

如同其它实施例及其改进一样，支撑构件可被进一步延长以容纳更多的永磁体。也可以按上文所述改进磁板。

在图6中，看到线圈缠绕在与具有支撑构件的芯腿相反的芯腿上。如果永磁体需要额外的保护，或者如果需要，线圈也可缠绕在具有支撑构件、永磁体和磁板的芯腿上，然后所述芯腿将被线圈围绕。

图7示出上文所述的图6所示实施例的透视图。

图8示出根据本发明的直流电感器的第四实施例。在这个实施例中，铁芯结构包括三条芯腿41、42和43，且基本上为I-W形铁芯。铁芯的I形部分位于W形铁芯的顶部，支撑构件设置在中央芯腿43上。与铁芯结构呈平行关系延伸的支撑构件44还保持永磁体45、46。永磁体处在支撑构件和铁芯结构之间，尤其是处在I形铁芯的下侧。

在图8所示的实施例中，支撑构件保持永磁体和磁板。磁板用于为铁芯结构的中央芯腿形成磁隙47。

通过用T形部分替换I形部分可以进一步改进图8的实施例。也就是，图8的磁板与I形部分连接或形成统一体以产生T形部分。在这个改进中，支撑构件用于形成磁隙，因此磁隙47在支撑构件的上方形成到中央芯腿43上。另一个磁隙也可设置到W形铁芯的中央芯腿43和支撑构件44之间的连接部上。

在图8中，I形铁芯压在永磁体45、46上，永磁体进一步压在支撑构件上，支撑构件连接于W形铁芯的中央芯腿。图8也示出磁通量的路线。线圈的磁通经过磁隙47，而永磁体的磁通利用了支撑构件。

在图8中，设置永磁体使得在永磁体和铁芯的中央芯腿之间有侧向气隙。这是为了避免漏磁通。

如同前述实施例一样，支撑构件是可延伸的，从而容纳多个永磁体。在图8中也示出，线圈48在支撑构件的下面缠绕在铁芯结构的中央芯腿43上。本发明的这个实施例是有利的，其在于，物理尺寸保持较小而仍然在铁芯结构的内部具有多个永磁体。

图9示出图8所示实施例的透视图。

图10示出使用W-W形铁芯结构的第四实施例的改进。这个改进在其中央芯腿53上包括两个支撑构件54、57。支撑构件在其间保持两个永磁体55、56和磁板58。磁板58用于在中央芯腿内形成磁隙，且支撑构件保持永磁体并为永磁体提供磁路。

在图10所示的改进中，支撑构件54、57可被延长以保持多个永磁体，且设置在永磁体和支撑构件之间的磁板可按前文所述进行改进。

图10也示出磁通路线，线圈产生的磁通经过磁板58，永磁体产生的磁通利用支撑构件54、57。图10中的线圈被分成缠绕在铁芯结构的侧芯腿51、52上的两部分59。

图11以透视图示出了图10的结构。

图12示出第四实施例的另一个改进。这个改进不同于图10所示的改进，其在于，线圈缠绕在中央芯腿上，在线圈的内部留有支撑构件64、47、永磁体65、66和磁板68。这个改进给予永磁体额外的保护以避免任何外力的影响。类似于图10，在图12中表示出磁通路线。在图13中示出图12的直流电感器的透视图。

图14示出图5所示实施例的改进。在这个改进中，图5的磁板与铁芯结构形成统一体，且支撑构件被视为磁板并用于形成磁隙。在图14所示的示例中，四个永磁体71设置在支撑构件72、73和铁芯结构之间。

在全部上述实施例及其可能的所述改进中，支撑构件可被延长以保持比所示或所述内容更多的永磁体。永磁体的数目是不受限的。此外，所述实施例或其改进中的任一个的磁板是可改进的。根据直流电感器的预期目的，磁板可被改进以具有更多或更少的磁隙，所述磁隙可以是均匀的或不均匀的。在支撑构件和铁芯结构之间的任何连接部上可以提供磁隙，因此支撑构件也可视作磁板。通常，虽然磁隙的总长度限定电感，但更理想的是具有多个较短磁隙而不是一个较大磁隙。这是因为如果磁隙过长，那么就会有不期望的磁通量的边缘效应。

在以上描述中，磁性材料的一些形状被称作字母形的形式。应当理解，对字母形状(例如“U”)的称谓只是为了清楚起见，而且所述形状并不严格地限制于所讨论的字母的形状。此外，虽然对字母形状采用了称谓，但这些形状也可由多个部分形成，因此所述形状不必是完整结构。

以上描述对于铁芯结构的各部分使用了相对性的术语。结合附图形成了这些引用。因此，例如上部部分指的是在相应图示中看到的上部部分。因此这些相对性术语不应当视为是限制性的。

在本文件中使用的术语线圈包括围绕铁芯结构缠绕的总线圈绕组。总线圈绕组可由单条缠绕的绕组线制成，或者可由两条或多条串联的单独绕组线制成。总线圈绕组可缠绕在铁芯结构上的一个或多个位置上。总线圈绕组的特征在于，在向线圈施加电流时，基本上相同的电流流过每个缠绕的绕组线匝。

对本领域技术人员显而易见的是，随着技术进步，能以各种方式实施本发明的原理。本发明及其实施例不限于以上所述的示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims

1.一种直流电感器，包括：

铁芯结构(11)，其包括一个或多个磁隙(12、13)，

线圈(14)，其插在所述铁芯结构(11)上，

安置在所述铁芯结构内的至少一个永磁体(15)，所述永磁体(15)的磁化强度与所述线圈(14)可产生的磁化强度相反，其特征在于所述直流电感器还包括：

至少一个磁板(16)，其插到所述铁芯结构，从而形成一个或多个磁隙(12、13)；

由磁性材料制成的至少一个支撑构件(17)，其在所述铁芯结构内部从所述铁芯结构延伸出，并支撑所述至少一个永磁体(15)，而且所述至少一个支撑构件(17)被布置形成用于所述至少一个永磁体的磁路。

2.根据权利要求1所述的直流电感器，其特征在于：所述至少一个支撑构件(17)被布置成平行于所述铁芯结构(11)延伸，并且所述至少一个永磁体(15)被布置在所述至少一个支撑构件(17)和所述铁芯结构(11)之间，使得所述至少一个支撑构件(17)与所述铁芯结构一起形成用于所述至少一个永磁体(15)的低磁阻磁路。

3.根据权利要求2所述的直流电感器，其特征在于：用于限定磁隙(12、13)的所述至少一个磁板(16)被布置在所述支撑构件(17)上，并且被布置形成用于所述线圈(14)可产生的磁化强度的磁路的一部分。

4.根据权利要求1、2或3所述的直流电感器，其特征在于：所述铁芯结构(11)包括上芯腿(11a)，所述支撑构件(17)在所述铁芯结构内平行于所述上芯腿(11a)延伸，所述上芯腿(11a)和所述支撑构件(17)之间的距离对应于所述至少一个永磁体(15)的尺寸。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的直流电感器，其特征在于：所述铁芯结构包括第一U形铁芯(21)和第二U形铁芯(22)，由此，所述第二U形铁芯(22)被布置在所述第一U形铁芯(21)内，使得所述第二U形铁芯(22)的芯腿(23)被布置形成支撑构件，所述支撑构件在所述铁芯结构内平行于所述铁芯结构(11)延伸。

6.根据权利要求5所述的直流电感器，其特征在于：所述直流电感器包括至少两个永磁体(15)，所述至少两个永磁体设置在所述第二U形铁芯的芯腿(23)的外表面和所述第一U形铁芯的芯腿(24)的内表面之间。

7.根据权利要求5或6所述的直流电感器，其特征在于：用于所述线圈(14)可产生的磁化强度的磁路由所述第一U形铁芯(21)、所述第二U形铁芯(22)的底部和至少两个磁板(16)形成，所述底部结合了所述第二U形铁芯的芯腿(23)，所述至少两个磁板设置在所述第一U形铁芯的芯腿(24)的内端表面和所述第二U形铁芯(22)的底部的外侧表面之间。

8.根据权利要求1所述的直流电感器，其特征在于：所述直流电感器包括两个支撑构件(33、34)，所述两个支撑构件在所述铁芯结构的内部和外部从所述铁芯结构延伸出，所述支撑构件(33、34)被布置成将所述至少两个永磁体(35、36)保持在其间，而且所述磁板(37)在所述铁芯结构内插在所述支撑构件(33、34)之间。

9.根据权利要求8所述的直流电感器，其特征在于：所述支撑构件(33、34)为所述永磁体产生的磁化强度提供低磁阻磁路。

10.根据权利要求1所述的直流电感器，其特征在于：所述铁芯结构包括三个平行的芯腿(41、42、43)，且所述支撑构件(44)设置在所述铁芯结构的内部，以在所述支撑构件(44)和所述铁芯结构之间保持至少两个永磁体(45、46)。

11.根据权利要求10所述的直流电感器，其特征在于：所述支撑构件(44)和所述磁板被布置以在所述铁芯结构内对用于所述线圈可产生的磁化强度的磁路形成至少一个磁隙。

12.根据权利要求10或11所述的直流电感器，其特征在于：所述支撑构件(44)设置在所述铁芯结构的中央芯腿(43)上，且所述永磁体(45、46)设置在所述支撑构件(44)的两端上，而所述气隙(47)在所述中央芯腿内位于所述永磁体之间。

13.根据权利要求10、11或12所述的直流电感器，其特征在于：所述支撑构件(44)为所述外部铁芯结构和中央芯腿(43)之间的永磁体(45、46)的磁化强度提供了低磁阻磁路。

14.根据权利要求10-13中任一项所述的直流电感器，其特征在于：所述线圈缠绕在所述铁芯结构的一个或多个芯腿上。

15.根据权利要求1所述的直流电感器，其特征在于：所述铁芯结构包括三个平行的芯腿(51、52、53)，且两个支撑构件(54、57)设置在所述铁芯结构的内部，以将至少两个永磁体(55、56)保持在所述支撑构件(54、57)之间。

16.根据权利要求15所述的直流电感器，其特征在于：所述支撑构件(54、57)设置在所述中央芯腿(53)上，且磁板(58)设置在所述支撑构件(54、57)之间，所述支撑构件为所述铁芯结构的中央芯腿(53)产生磁隙。

17.根据权利要求15或16所述的直流电感器，其特征在于：所述支撑构件(54、57)为所述永磁体(55、56)的磁化强度提供了无隙磁路。

18.根据权利要求15、16或17所述的直流电感器，其特征在于：所述直流电感器包括缠绕在所述铁芯结构的一个或多个芯腿(51、52)上的线圈(59)。

19.根据权利要求15、16或17所述的直流电感器，其特征在于：所述线圈(69)缠绕在所述铁芯结构的中央芯腿上，并且被布置成围绕所述支撑构件(64、67)、永磁体(65、66)和磁板(68)。

20.根据权利要求1-19中任一项所述的直流电感器，其特征在于：所述一个或多个磁隙中的一些磁隙或每个磁隙是均匀的间隙。

21.根据权利要求1-19中任一项所述的直流电感器，其特征在于：所述一个或多个磁隙中的一些磁隙或每个磁隙是不均匀的间隙。