CN101558460B - 电感部件制造方法及电感部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电感部件和电能滤波器的制造，本发明尤其涉及模块化电感部件。根据本发明的方法使得有可能有效地和灵活地制造各种类型的电感部件和它们组成的紧凑滤波器。生产后勤可以被简化，并且另外，产品可以容易地定制各种增加部件。该方法的制造过程也容易自动化。

Description

电感部件制造方法及电感部件

技术领域

本发明涉及电感部件和模块化电感部件以及滤波器和滤波器族的制造方法。

背景技术

电感部件、扼流圈和变压器用于使用磁场储存能量(扼流圈)和跨过电隔离传输(变压器)。电感部件由线圈和磁芯组成，所述磁芯可以有一个或多个并且彼此直接接触。施加到线圈的电压在磁芯中产生能够储存能量的磁场。施加到线圈的电压在自身(自感应)内以及连接到相同磁芯的任何其他可能的所谓的次级线圈内产生电压，因此将储存能量从初级线圈传输到次级线圈。除了别的以外，变压器片、铁粉、铁氧体和非晶金属用作电感部件中的磁芯材料。除了别的以外，铜丝、铝丝、电路板、箔用作电感部件的线圈。电感部件也可以与其他类型的部件例如电阻器和电容器以及与开关部件一起联接以形成例如滤波器。在电机工程中例如使用滤波器来对电能进行滤波，即，带有不同频率的分量根据情况被去除或保留。这些类型的滤波器的例子包括如下：1)谐波扼流圈，其用于滤波主电流的波形；2)正弦滤波器，其用于在脉冲宽度调制中对信号进行滤波并且将频率的高频分量变换成正弦波形；3)du/dt滤波器，其用于对脉冲调制宽度进行滤波并且将高变换速率频率转换器信号滤波成低变换速率信号；以及许多其他滤波器，其可以是上述滤波器的组合。

电感部件和滤波器当前专门为每个应用和电流而设计和制造。在这样的情况下例如1-1000A滤波器族的设计需要相当多的时间。此外，生产后勤组织复杂，原因是当每个滤波器需要其自身的特定子部件时在生产中有极其浩繁的不同设计。所以难以同时控制低输出电感部件和高输出(即，大)电感部件的生产过程。另外，高输出(例如1000A)电感部件在尺寸上大，原因是冷却所需的表面积与总耗散相关，所以最大容许耗散功率密度(单位密度耗散)小于较小部件。用作部件设计参数的电流密度和耗散功率密度值于是必须减小，这增加了部件的尺寸、价格和重量。另外，大电感分量(例如1000A)线圈即AC电阻的高频将是很大的，原因是高电流输出需要大导线。相反地，在高频下电流仅仅利用导线表面层，因此增加了厚导线的有效电阻。例如，Sintermetal Prometheous和Micrometals基于烧结金属制造扼流圈，但是它们体型大，不能获得单件扼流圈和高功率扼流圈或者这样的产品的生产将需要异常大的挤压。

在一些情况下，单个E形磁芯连续地被安装以形成一种模块化结构。然而，这样的单元具有单一线圈，所述线圈的形成不是最佳的。

在低功率输出下，例如在开关模式电力供应中，几个电感部件可以并排被安装在电路板上以形成一种模块。在这样的情况下有可能例如将大变压器分成几个小变压器以减小单元的总高度。然而，该方案在开关模式电源(典型地＜5kW)中主要被限制在低功率输出。

一般可以说市场上可获得的电力电子滤波器并不能有效地满足电子工业中当前普遍流行的小型化和封装效率。

发明内容

这里提出的本发明的目的是改善电感部件和由它们组成的滤波器的制造以及提高这些类型的滤波器的紧凑性。本发明的方法的特征在于在权利要求1的特征部分中公开的内容。

根据本发明的方法使得有可能有效地和灵活地制造各种类型的电感部件和由这些电感部件组成的紧凑滤波器。生产后勤可以被简化，并且另外，产品可以容易地定制各种增加部件。该方法的生产过程也容易自动化。

在第一实施例中通过在并联和/或串联配置中联接被称为模块的小电感部件来制造电感部件和由该电感部件组成的滤波器。在该情况下，只有模块在设计阶段需要优化并且产品族通过缩放快速成长。在生产中也由于产品设计的数量减小而获得后勤益处。这些模块的磁芯用“Sintermetal(烧结金属)”材料制造，所述材料的出色机械性质允许变压器磁芯也用作电感部件和由该类型的部件组成的滤波器的机械结构或它的一部分。模块可以被设计和制造成带有各种结构，例如紧固结构或紧固结构的部件，因此使得有可能使用集成到模块磁芯中的紧固件来使各模块彼此机械地联接。

在第二实施例中，一些模块也适配有电子器件，因此使得有可能在紧凑电力电子变换器的制造中执行该方法。

在第三实施例中电子器件被集成到主电感模块内部。

附图说明

下面参考附图详细描述了本发明，其中：

图1显示了扼流圈(1)的图解符号，该扼流圈具有两个端子(2)和(3)以及磁芯(4)。

图2显示了滤波器(5)的图解符号，该滤波器具有扼流圈(6)和电容器(7)以及输入端口(8)和输出端口(9)。

图3显示了三相滤波器(10)，该滤波器具有扼流圈(11)和电容器(12)。

图4具有电力电子变换器(13)，该电力电子变换器的输入(14)适配有滤波器(15)并且输出(16)适配有滤波器(17)，并且电力电子变换器的输出滤波器(17)具有到变换器(13)的中间电路的正极(18)和负极(19)的连接。

图5显示了du/dt滤波器输入电压(20)和输出电压(21)曲线以及正弦滤波器输入电压(22)和输出电压(23)曲线。

图6显示了三相扼流圈(24)，该三相扼流圈具有线圈(25)和公共磁芯(26)。

图7显示了三相扼流圈(27)，该三相扼流圈具有围绕独立磁芯(29)的线圈(28)。

图8显示了扼流圈(30)，该扼流圈具有输入端子(32)和输出端子(33)并且由一个或多个模块(31)以及端子连接(36)和机械连接(35)组成。

图9显示了在三维布置(37)中的模块(39)。

图10显示了模块(40)之间的冷却间隙(41)。

图11显示了模块(42)内的冷却模块(43)。

图12示意性地显示了由线圈(45)、磁芯(46)和绝缘体(47)组成的模块(44)的旋转对称横截面。

图13显示了单相磁芯(48)，该单相磁芯具有中心销(49)、角部销(50)和安装孔(51)。

图14显示了三相磁芯(52)，该三相磁芯具有销(53)和安装孔(54)。

图15显示了线圈(55)、绝缘体半部(56)和磁芯半部(57)。

图16显示了具有绝缘体底座(59)的组装模块(58)、与绝缘体连接器(61)联接的模块组件、以及由连接器(63)和电容器(64)组成的模块化扼流圈(62)。

图17显示了模块化结构(65)，该模块化结构具有安装元件(66)。

图18显示了烧结金属磁芯(67)，该烧结金属磁芯由几个部分(70)，(69)和(68)组成，并且具有安装元件。

具体实施方式

图1显示了最简单的电感部件扼流圈的符号。扼流圈(1)或电感器由具有两个端子或电极(2)和(3)的线圈组成。在多数情况下，扼流圈(1)也具有由磁性材料例如铁氧体或铁制造的磁芯(4)。扼流圈在它的磁场中储存能量并且该能量可以经由端子被增加或释放。更复杂的电感部件例如变压器甚至可以具有几个线圈，因此允许能量在不同线圈的端子之间传递。本发明也包括这些类型的复杂电感部件。在许多情况下磁芯(4)符号未被显示。

所谓的滤波器(5)例如可以通过如图2中所示将扼流圈(6)连接到电容器(7)而形成。该类型的滤波器可以用于例如防止高频干扰从输入端口(8)移动到输出端口(9)。

在电力电子器件中，特别是在高功率输出(例如＞10kW)下典型地使用三相系统。三相系统滤波器(10)由用于每一相的扼流圈(11)和电容器(12)组成。图3显示了使用所谓的星形连接进行联接的电容器(12)，但是这些电容器可以采用其他配置被连接(例如三角形连接)。此外，滤波器的相数也可以是除了1或3以外的其他相数。画出的电容器(12)可以在物理上由几个独立电容器组成。

图4显示了电力电子变换器(18)，该电力电子变换器经由滤波器(15)连接到输入(14)并且经由滤波器(17)连接到输出(16)。变换器可以是例如整流器、变流器或频率变换器，其中输入(14)将是主电源并且输出(16)将用电缆连接到电机。备选地，输入(14)可以连接到发电机并且输出(16)可以连接到主电源。输出(16)的滤波器(17)经由电容器连接到变换器(13)的中间电路的正极(18)和负极(19)。因此，能量可以有效地和最佳地在输入(14)、输出(16)和变换器(13)之间传递。也有可能有效地抑制电磁干扰。图4中所示的连接是示例，滤波器可以根据应用以几种不同方式被配置。另外可以用除了电容器之外的器件进行从滤波器(17)到变换器(13)的中间电路的正极(18)和负极(19)的连接。类似地，变换器(13)也可以是单相的。

图5显示了电机驱动应用中的滤波后的曲线的示例。所谓的du/dt滤波器将输入电压(20)变换速率(典型地5Kv/μs)衰减成较慢输出电压(21)(典型地1Kv/μs)。这种滤波减小电机过压并且当使用长电机电缆时又减少绝缘损坏和轴承故障。在第二例子中脉冲宽度调制后的输入电压(22)被滤波成正弦输出电压(23)。这提高了电机的效率并且减小了干扰噪声级。除了这些应用之外也可以涉及谐波电流滤波。这些类型的滤波器也可以联接在一起，以形成例如用于将能量从频率变换器传输到主电源的LCL滤波器。LCL滤波器扼流圈自由度(degree)可以由单相或三相扼流圈组成。除了上述滤波器之外，如果频率变换器输出电压将增加到更高水平，本发明也可以适用于例如变压器的制造。

图6显示了制造三相扼流圈(24)的一种方式。在该情况下扼流圈的三个线圈(25)被卷绕在公共、三脚磁芯(26)上。因此，三相扼流圈形成机械实体结构。该结构也可以用于优化三相系统性质，其中工作电流的总和为零，因此导致使用的磁芯材料的总量减小，其中每个线圈的磁通量可以穿过两个其他线圈并且每个线圈不需要单独通量返回。相应地，该结构的问题在于它并不具有用于抑制常常也希望被滤波的非功能寄生噪声电流的有效电感。

图7显示了制造三相扼流圈(26)的另一方式。在该例子中每一相被卷绕(28)在它自己的磁芯(29)上。该替换选择需要稍多的磁芯材料，原因是每一相具有它自己的磁通量返回路线。然而，这种配置也提供对所谓的公知的(aka)非功能寄生噪声电流的有效衰减。

在图8中通过将较小扼流圈模块(31)联接在一起形成扼流圈(30)。在它的最简单形式中这可以通过使用适当的连接方法(36)，例如焊接、螺钉连接、铆接或另一公知方法将并联模块的输入端子(32)彼此连接并且相应地将输出端子(33)彼此连接来完成。类似地，扼流圈模块(31)的机械结构使用适当的连接方法彼此连接(35)。这使得有可能使用例如经测试和优化的基本模块来快速设计和制造用于不同电流值的扼流圈。在扼流圈中可以有一种或多种这些基本模块。

图9显示了六模块(39)三维布置(37)。模块可以以几种不同方式联接在一起。例如，所有模块可以并联电连接，因此形成单一高电流模块。在另一极端情况下，模块可以不彼此电连接，因此形成六个低电流扼流圈的单元。在实践中更可能的连接是总是在并联配置中电连接两个模块，以形成三相扼流圈。

所以必要的是单个模块的磁芯的机械结构也形成模块化电感部件的机械结构。换句话说，组装过程包括所有模块的机械互连，并且在涉及电功能的情况下，包括合适模块的合适电互连。这种组装过程是有效的和灵活的。备选地，可以分阶段进行组装，使得首先进行模块扼流圈所需的所有模块的组装和可能测试，并且之后才组装模块扼流圈自身，或者也使得仅仅在模块扼流圈的组装期间物理地组装模块。

模块结构也具有其他优点。例如，由于单一模块的电流比整个模块扼流圈的电流低，用于模块中的线圈丝线与并联模块的组合线圈表面区域相比可以被设计成很细。这减小了线圈的高频电阻或AC电阻，这降低了损耗。

例如通过在并联或串联配置中连接线圈部分，模块也可以被配置用于不同电压(Unom的％)。例如当配置用于400VAC或690VAC的模块时使用该方法。

本发明的方法使得有可能集成多个滤波器(例如LCL滤波器)的滤波器自由度(degree)，以形成单一机械单元。

此外，由于有可能如图10中所示在模块之间的适当点留下用于空气循环的小间隙，可以使得由模块组成的扼流圈的总表面面积显著大于常规扼流圈的总表面面积，由此可以在设计中使用更高的电流和耗散功率密度并且又可以获得更经济的滤波器。

用于增强冷却的另一替换选择是使用如图11中所示的专门设计的冷却模块。这些可以利用例如液体、珀耳帖或“相变”冷却。冷却结构例如液体冷却管道也可以直接被集成到扼流圈模块中。例如，不同类型的冷却结构例如冷却肋片和液体冷却管道可以被设计到模块中。

作为冷却模块的附加或替换，被集成到模块单元中的模块也可以是电容器模块或电子模块，特别是包含电力电子连接的模块。

图12显示了由磁芯(46)(或磁芯的一部分)、线圈(45)和绝缘体(47)组成的模块(44)的旋转对称截面。绝缘体可以在线圈或磁芯中，它可以是独立部分，例如线圈架，或在这些部分的几个中。模块也可以具有连接件以将它保持在一起并将它联接到其他模块、滤波器部件或外部部件。例如，磁芯半部利用在绝缘线圈架中的爪状夹子保持在一起，或者备选地，磁芯半部可以使用螺栓(一个或多个)或某种其他通常接受的方法例如上漆、胶粘、挤压或焊接彼此压靠在一起。

有效磁芯材料是烧结金属。它基于压制和烧结金属粉末。烧结金属可以被压制成预期形状并且正被制造的形状可以极其细致，因此允许电力电子器件、冷却肋片和液体冷却件被集成到模块中。在该情况下扼流圈/电感部件自身充当冷却元件。另一备选磁芯材料是铁粉，其由压制磁粉制造。

图13显示了模块磁芯(48)的一个经济的形式。模块的外部形状为正方形，这使得模块扼流圈紧凑。然而，模块的中心销(49)是圆形的，这在最小化线圈电阻和线圈损耗方面又是最佳的形状。除了上述那些之外的其他几何形状也可以被使用。角部销(50)让线圈暴露，这增强了冷却。每个角部销(50)也具有安装孔(51)。由于模块磁芯包括用于机械联接的通孔，模块磁芯可以使用螺母或螺纹杆紧密地被压(拧)入适当位置。这种结构增强了自身。例如通过使用螺纹杆传导电流，线圈可以彼此联接。例如使用螺纹销和螺母、其他连接器、胶粘或焊接，模块可以被堆叠和紧固。

模块磁芯的几何形状对烧结金属过程进行优化。例如，它的表面面积和高度可以为该过程进行优化。另外模块磁芯可以由几个不同磁性材料组成。例如，有可能对磁芯中心销使用带有高饱和通量密度和低耗散性质的更昂贵材料(例如非晶铁)，而在其他地方使用烧结金属(由于其出色的机械性质)。这种所谓的复合磁芯比单一材料磁芯具有更高的性/价比。

图14显示了三相模块磁芯。销(53)是圆形的并且该结构具有安装孔(54)。准备使用的模块可以被改型以产生预期配置，例如单相或三相。

磁芯部分可以是半部，例如如图13和14中所示，或者是半部的子块，例如四分之一块。磁芯也可以由扇形部分组成。以重叠方式连接叠加磁芯部分将获得稳固结构。可以通过在各部分之间留下小间隙来改善空气循环和冷却。模块磁芯半部也可以由各种叠加突出部组成，因此减小了在烧结金属过程中所需的挤压面积。相反地，磁芯半部的表面可以被设计成使得在模块组装阶段期间在模块磁芯半部之间留下各种空气间隙，例如两个模块半部之间的相互对准形成空气间隙。另一可能性在于模块半部部分地在彼此中滑动。磁芯半部可以被设计成使得它们部分地在彼此内部滑动，因此获得可调节空气间隙。它们也可以被设计成使得通过相对于另一半部旋转方形磁芯半部90度来获得可变空气间隙。适宜的是使用几种不同模块以产生范围广的扼流圈系列。最重要的是模块尺寸、线圈开孔和磁芯横截面比率使得模块的材料成本保持最小并且整个扼流圈系列的生产后勤最佳。形成空气间隙所需的冒口可以使用插入压模中的板直接被集成到角部销中。

图15显示了模块结构部分：线圈(55)、绝缘体(56)和磁芯(57)。

图16显示了组装模块(58)，它的绝缘体部分具有安装结构(59)。该结构用于将两个模块(60)联接在一起，因此在它们之间形成导线通道(61)。模块扼流圈(62)中的模块的线圈端可以沿着导线通道延伸到连接器(63)。换句话说，线圈端可以沿着形成的导线通道延伸到连接点。模块的电连接的另一替换选择是使用独立线杆，线圈端连接到所述线杆。线杆也可以沿着导线通道延伸。

同样适宜的是使该结构适配有在模块之间的各种端板和隔板，以形成准备装配的滤波器的随后安装所需的安装结构。这些可以自由地配置用于竖直和/或水平安装。

模块磁芯可以被制造成满足绝缘保护要求，因此整个模块部件被绝缘保护并且不需要外壳。

其他电子器件(特别是电力电子器件)也可以被集成到与滤波器相同的机械实体中，因此导致例如用于将能量供应给主电源的紧凑的电力电子单元。甚至发电机或电机也可以被集成到该实体中。电子器件可以被集成到磁芯半部内部或者甚至它的一部分内。例如，可以在烧结金属磁芯中保留用于安装其他电子器件的腔。

图17显示了不同的安装元件(66)怎样可以被集成到模块结构(65)中，以在这样的应用中用作壁安装。尽管图中所示的安装使用法兰(66)，安装元件也可以是另一公知的安装方法，例如DIN导轨安装。安装结构也可以完全地或部分地被制造在磁芯模块中。

适宜的是在模块的制造中使用的烧结金属磁芯由几个部分组成。例如，压机的尺寸可以被限制成使得预期磁芯不能在一次冲程中被制造。图18显示了这种磁芯(67)。它使用部分(68)、(69)和(70)被制造。部分(68)和(69)例如通过胶粘、焊接或另一公知方法彼此连接。部分(70)和(69)也使用安装元件(71)彼此连接，所述安装元件用于使部分(70)和(69)彼此联接。

Claims (10)

1.一种用于通过将模块机械结构和模块线圈联接在一起来制造模块的N相模块化电感部件的方法，所述模块由磁芯、线圈和绝缘体组成，其特征在于所述模块通过将模块的磁芯联接而被机械联接，以形成单一机械结构，而所述线圈被联接以形成N个电连接，其中，所述磁芯包括用于机械联接的通孔，所述模块的磁芯能够采用螺母或螺纹杆而被紧压，从而将所述磁芯彼此机械联接并堆叠。

2.根据权利要求1所述的方法制造的模块化电感部件，其特征在于烧结金属材料被用作磁芯材料。

3.根据权利要求2所述的模块化电感部件，其特征在于电子器件被集成到所述磁芯中。

4.根据权利要求1所述的方法制造的模块化电感部件，其特征在于烧结金属材料和某个其他磁性材料被用作磁芯材料。

5.根据权利要求4所述的模块化电感部件，所述模块的磁芯具有中心销，其特征在于与烧结金属材料相比具有高通量密度和/或低耗散的材料用在中心销中。

6.根据权利要求1所述的方法制造的模块化电感部件，其特征在于所述模块是扼流圈或电容器。

7.根据权利要求1所述的方法制造的模块化电感部件，其特征在于导线通道由绝缘体形成。

8.根据权利要求1所述的方法制造的模块化电感部件，其特征在于液体冷却管道被集成到所述磁芯中。

9.根据权利要求1所述的方法制造的模块化电感部件，其特征在于所述模块被绝缘保护。

10.根据权利要求1所述的方法制造的模块化电感部件，其特征在于所述部件能够被配置成从单相到三相，反之亦然。

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