CN101694804B - 局部反向耦合环形电感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局部反向耦合环形电感，包括环状铁芯，其特征在于：所述环状铁芯包括设于中部的中部铁芯(2)，分别设于该中部铁芯(2)上下层的顶部铁芯(1)和底部铁芯(3)；所述三层铁芯上分别卷绕有顶部线圈(L1)和底部线圈(L2)。本发明公开的局部反向耦合环形电感器，铁芯部分有三层，利用中部铁芯上的顶部线圈和底部线圈进行反向局部耦合，以减小纹波电流，消除漏感，消除耦合部分的低频谐波，减少电感噪音、电磁和射频干扰，使所需滤波电感值以三分之二的比例减少，以减小纹波电流，消除漏感，消除耦合部分的低频谐波，减少电感噪音、射频干扰，减少体积，减少材料用量，降低使用材料的等级和运行能耗。

Description

局部反向耦合环形电感器

技术领域

本发明涉及电磁元件，尤其涉及一种局部反向耦合环形电感器。

背景技术

开关电源变换器被用来变换或稳定电压、电流及频率等，目前大部分变换器使用独立的非耦合电感，也有部分变换器将独立电感串联/并联使用。耦合电感的运用受限于传统的铁芯形状如C型铁芯、E型铁芯、气隙铁芯以及线圈的绕法，普遍存在滤波电感值较大、漏感较多、噪音大、电磁干扰和射频干扰污染较重、耗材多成本高、运行能耗高的问题。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提出一种局部耦合环形电感器，该环形电感器具有滤波电感值需求小、漏感少、噪音小、零电磁干扰、射频干扰污染小、耗材少、体积小、成本低、运行能耗小等优点。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种局部反向耦合环形电感，包括环状铁芯，环状铁芯包括设于中部的中部铁芯，分别设于该中部铁芯上下层的顶部铁芯和底部铁芯；三层铁芯上分别卷绕有顶部线圈和底部线圈。

在一个实施例中，顶部线圈包括均匀环绕在顶部铁芯上的顶部线圈短绕组，和与其串联的均匀环绕在顶部铁芯和中部铁芯上顶部线圈长绕组；底部线圈包括均匀环绕在底部铁芯上的底部线圈短绕组，和与其串联的均匀环绕在底部铁芯和中部铁芯上的底部线圈长绕组。

在另一个实施例中，顶部线圈包括均匀环绕在顶部铁芯和中部铁芯上的顶部线圈长绕组；底部线圈包括均匀环绕在底部铁芯和中部铁芯上的底部线圈长绕组。

在另外一个实施例中，顶部线圈包括均匀环绕在顶部铁芯上的顶部线圈短绕组，和与其串联的均匀环绕在顶部铁芯和中部铁芯上的顶部线圈长绕组；底部线圈包括均匀环绕在底部铁芯上的底部线圈短绕组，和与其串联的均匀环绕在中部铁芯上的底部线圈互感绕组。

在较佳实施例中，顶部线圈在中部铁芯上产生的磁感应方向与底部线圈在中部铁芯上产生的磁感应方向相反，两线圈反向耦合。顶部铁芯和底部铁芯由同种低磁导率材料组成，中部铁芯由高磁导率材料组成。

本发明公开的局部反向耦合环形电感器，铁芯部分有三层，利用中部铁芯上的顶部线圈和底部线圈进行反向局部耦合，以减小纹波电流，消除漏感，消除耦合部分的低频谐波，减少电感噪音、电磁和射频干扰，使所需滤波电感值减少为原来的三分之二，体积和重量缩小一半，降低制造成本和运行能耗。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作出详细的说明，其中：

图1为本发明第一实施例的立体示意图；

图2为本发明第一实施例的绕线示意图；

图3为本发明第二实施例的绕线示意图；

图4为本发明第三实施例的绕线示意图；

图5为一种现有DC转换AC换流器的电路图；

图6为本发明第一实施例的第一种应用图；

图7为本发明第一实施例的第二种应用图；

图8为本发明第三实施例的一种应用图；

图9为纹波电流与互感系数关系图；

图10为纹波电流和耦合因素的关系图；

图11为纹波电流、互感系数M和耦合因素K的关系图；

图12为耦合与非耦合情况下电感磁通量、纹波电流对照图；

图13为反向的局部耦合与非耦合情况下中部铁芯磁通量、电感电流对照图。

具体实施方式

图1为本发明第一实施例的立体示意图，从图中可以看出本发明包括环状铁芯，环状铁芯包括设于中部的中部铁芯2，分别设于该中部铁芯2上下层的顶部铁芯1和底部铁芯3；三层铁芯上分别卷绕有顶部线圈L1和底部线圈L2。

图2为本发明第一实施例的结构示意图，从图中可以看出第一实施例顶部线圈L1包括：均匀环绕在顶部铁芯1上的顶部线圈短绕组L11，和与其串联的均匀环绕在顶部铁芯1和中部铁芯2上顶部线圈长绕组L12；底部线圈L2包括均匀环绕在底部铁芯3上的底部线圈短绕组L21，和与其串联的均匀环绕在底部铁芯3和中部铁芯2上的底部线圈长绕组L22。图6、示出了第一实施例的第一种应用例，在绕制L1、L2线圈时，通过调整绕组的绕向使顶部线圈L1在中部铁芯2上绕组的方向与底部线圈L2在中部铁芯2上绕组的方向相反，分别由两线圈的线头输入电流时，两线圈反向耦合。运用于DC转换AC换流器中，起到减小所需滤波电感值，增加功效的作用。图7示出了第一实施例的第二种应用例，在绕制线圈时，L1、L2在中部铁芯2上绕组的方向相同，然后在置于DC转换AC换流器中，通过对调线圈露在外部的线头线尾，调整电流流经的方向，使顶部线圈在中部铁芯上产生的磁感应方向与底部线圈在中部铁芯上产生的磁感应方向相反，两线圈同样反向耦合。

图3为本发明第二实施例的结构示意图，第二实施例的铁芯部分与第一实施例的相同。顶部线圈L1包括均匀环绕在顶部铁芯1和中部铁芯2上的顶部线圈长绕组L12；底部线圈L2包括均匀环绕在底部铁芯3和中部铁芯2上的底部线圈长绕组L22。容易理解本实施例中，顶部线圈L1在中部铁芯2上绕组的方向与底部线圈L2在中部铁芯2上绕组的方向相反，两线圈反向耦合。

图4为本发明第三实施例的结构示意图，从图中可以看出本发明第三实施例的铁芯部分与第一实施例相同。顶部线圈L1包括：均匀环绕在顶部铁芯1上的顶部线圈短绕组L11，和与其串联的均匀环绕在顶部铁芯1和中部铁芯2上的顶部线圈长绕组L12；底部线圈L2包括均匀环绕在底部铁芯3上的底部线圈短绕组L21，和与其串联的均匀环绕在中部铁芯2上的底部线圈互感绕组L23。如此设置是为了简化工艺，在第一实施例中顶部线圈长绕组L12要环绕在顶部铁芯1和中部铁芯2上，底部线圈长绕组L22都要环绕在底部铁芯3和中部铁芯2上，这要交错缠绕方式给生产加工带来极大不便。故此第三实施例在第一实施例的基础上做了变形改进，去掉底部线圈长绕组L22，用环绕在中部铁芯2上的底部线圈互感绕组L23代替，底部线圈短绕组L21与底部线圈互感绕组L23组成底部线圈L2，这样没有第一实施例交错缠绕的难题，加工大为简便。图8示出了第三实施例的一种应用例，在绕制L1、L2线圈时，通过调整绕组的绕向使顶部线圈长绕组L12在中部铁芯2上绕组的方向与底部线圈互感绕组L23的方向相及，分别由两线圈的线头输入电流时，两线圈反向耦合。容易理解，L12和L23的绕组方向也可绕成相反，通过对调线圈露在外部的线头线尾，调整电流流经的方向，亦可使两线圈同样反向耦合。同理，第二实施例，也有这样两种应用例。

在绕制线圈时，通过组合各绕组的绕向，使顶部线圈L1在中部铁芯2上绕组的方向与底部线圈L2在中部铁芯2上绕组的方向相反，两线圈反向耦合。

在所有实施例中，顶部铁芯1和底部铁芯3可使用低磁导率材料，中部铁芯2可使用高磁导率材料。

本发明可运用于交流转直流变换器、直流转交流变换器、多电平IGBT变流器、正弦波电流的增压整流及PFC输入。现以两相DC转换AC的换流器为例说明本发明的原理，参看图5，图中有正负两极电源，四个开关T1、T2、T3和T4，线圈L1，线圈L2，输出端output，输出电容。L1、L2为独立电感，在非耦合的情况下，每个电感上的PWM电压波形是简单的矩形脉冲，这些脉冲电平等于所连的DC电源电平，它的频率等于控制部分的开关的频率。因此，通过每一个电感的电流，由基本的低频谐波和高频纹波电流组成，形状为三角形，如图12中的a、b线所示。磁通量和感应值B存在于两个电感的每一个铁芯中，其波形跟随电流I1和I2的波形，流过非耦合电感L1和L2。如图12中的c、d线所示。

在本发明中L1、L2采用了局部耦合，其原理是创造一部分共同磁通量并交链到两个电感的线圈中，自感应磁通依然各自分别与自身线圈相交链。耦合电感的基本公式遵循微积分方程 $\left[\begin{array}{c}u1\\ u2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}L1& M\\ M& L2\end{array}\right]\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}i1\\ i2\end{array}\right]$ 和 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Φ}1\\ \mathrm{\Φ}2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}L1& M\\ M& L2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}i1\\ i2\end{array}\right]$ 由于自感线圈和互感线圈之间的变压器效应，以及加倍它的开关频率，线路中的纹波电流的峰峰值和有效值减少。纹波电流的减少，有利于提高变换器的的性能，有利于设计电感的参数，包括互感系数M或者耦合因素K，K的定义为：k＝M/SQR(L1*L2)。纹波电流是互感系数M的一个函数。图11显示了当L1、L2自感为100uH，互感系数M从1uH变化到1000uH时，引起纹波的变化，它对应的系数K的值从0.01变化到0.9，图中清晰地表明了大的互感系数对纹波电流的影响是很小的。在k为0.33附近时，对纹波电流的减少作用是巨大的，当K值增大至0.5以上时影响效果就变得不明显了，这也是本发明之所以要采用局部耦合的原因。图11最上面两条曲线，显示的是在其它条件相同的情况下有、无耦合的负载电流的变化，曲线波动大的是无耦合的负载电流曲线，有耦合的负载电流波动明显小。图9亦示出了纹波电流与互感系数的关系，从图中可以看出互感系数从0到200之间时，对纹波电流的影响大，当互感系数从600再往上增加时，纹波电流的变化就不大了。为了实现局部耦合的目的，本发明将L1、L2绕在三层铁芯上，L1、L2通过中层中部铁芯2进行局部耦合。顶部铁芯1和底部铁芯3使用低磁导率材料，中部铁芯2使用高磁导率材料。缠绕在顶部铁芯1和底部铁芯3上的线圈的作用是产生电感，所以其铁芯选用了低磁导率材料，中部铁芯2的作用是产生互感磁通，所以选用高磁导率的材料。自感磁通被锁定在顶部铁芯1或底部铁芯3中，互感磁通被锁定在中部铁芯2铁芯中。由于两线圈之间的变压器效应，并增加开关频率，局部耦合电感能减少纹波电流，这意味着在流经电感的电流大小不变的情况下，局部耦合电感能使用更低的电感值L。图11和图12显示了这个现象，在同样的峰峰值的纹波电流例如100A，耦合电感的需要电感值100uH，而非耦合电感需要电感值150uH。耦合电感的感值减少至非耦合电感的三分之二，所需的电感值减少意味着能耗的减少，所需滤波电感值减少为原来的三分之二，同时电感器的体积和重量缩小一半。局部耦合电感因为所需要的感应系数值为非耦合电感的三分之二，自感应磁通以同样的比例减少。对比图12示出的非耦合的两个电感的磁通曲线c、d和局部耦合电感顶部铁芯1和底部铁芯3中自感应磁通e、f曲线，曲线c、d的磁通量为0.1WB，e、f的磁通量低于50mWb，意味着局部耦合电感的自感磁通较非耦合电感减少超过两倍。在本发明的中部铁芯中磁通量被显著地减小，原因是在绕制绕组时，通过调整绕线方向使L1和L2的在中部铁芯上绕组的方向彼此相反，两线圈形成反向耦合。参看图6、7、8示出的的应用例，从而实现负耦合的效果。它完全消除了存在于中部铁芯部分的所有低频谐波以及其直流分量所产生的磁通量。其中直流分量拥有最高的电磁感应量。只有剩下的高频磁通量通过非常小的感应量显示出来。为了对比在同样的纹波电流的情况下，耦合与非耦合电感的参数，根据实验数据图12绘出了耦合状态下两个电感的纹波电流曲线t和u，r为无耦合情况下的负载电流曲线，s为有耦合的情况下的负载电流曲线，有耦合时的负载电流波动明显较小。g为配合铁心内的磁通量曲线，该曲线在耦合铁芯中以±10mWb的值震荡，这意味着减少量大于10倍！铁芯中的磁通量B决定了铁芯的损耗。涡流电流损耗与B²成比例，与感应值的平方相接近。磁滞损耗与B^1.6-2.5成比例，因此，在磁性材料中增加两倍的感应值，会导致增加接近4倍的铁芯损耗。这就是为什么本发明能够通过使磁通量的某些成分完全消失和急剧减少，使铁芯损耗显著地减少，从而使整体效率有了极大的提升。

图10为纹波电流和耦合因素K的关系图，该图展示了多条耦合因素K的曲线，耦合因素K值从-0.9、-0.8到0，共10条曲线。纹波电流逐渐减少，说明在分离电感应用耦合电磁作用，在正耦合时能减少纹波电流，正耦合意味着增加成本。在本发明中，局部耦合电感以负偶合的形式实现减少纹波电流，并且节约成本，这相对于分离耦合电感，在性能和经济性上都有极大的提高。

图13为反向局部耦合与非耦合情况下中部铁芯磁通量、电感电流对照图，图中曲线h为非耦合情况下铁芯内的磁通曲线，曲线i为反向的局部耦合情况下中部铁芯内的磁通曲线，可以明显的看出有反向局部耦合的电感器中部铁芯内的磁通大大降低。曲线j和k为非耦合情况下两线圈内的纹波电流，曲线n和m为反向局部耦合情况下两线圈内的纹波电流，可以看出有反向局部耦合的电感器在通电的瞬间(1毫秒以内)其纹波电流小于非耦合的电感器的电流。

以上描述了本发明的较佳实施方式，但是本技术领域内的熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，没有穷尽所有实施方式，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，都落入本发明保护的范围之内。

Claims (3)

1.一种局部反向耦合环形电感器，包括环状铁芯，其特征在于：所述环状铁芯包括设于中部的中部铁芯(2)，设于该中部铁芯(2)上层的顶部铁芯(1)和设于该中部铁芯下层的底部铁芯(3)；三层铁芯上分别卷绕有顶部线圈(L1)和底部线圈(L2)；

所述顶部线圈(L1)在中部铁芯(2)上产生的磁感应强度方向与底部线圈(L2)在中部铁芯(2)上产生的磁感应强度方向相反，两线圈反向耦合；

所述的顶部线圈包括均匀环绕在顶部铁芯(1)上的顶部线圈短绕组(L11)，和与其串联的均匀环绕在顶部铁芯(1)和中部铁芯(2)上的顶部线圈长绕组(L12)；所述的底部线圈包括均匀环绕在底部铁芯(3)上的底部线圈短绕组(L21)，和与其串联的均匀环绕在底部铁芯(3)和中部铁芯(2)上的底部线圈长绕组(L22)。

2.一种局部反向耦合环形电感器，包括环状铁芯，其特征在于：所述环状铁芯包括设于中部的中部铁芯(2)，设于该中部铁芯(2)上层的顶部铁芯(1)和设于该中部铁芯下层的底部铁芯(3)；三层铁芯上分别卷绕有顶部线圈(L1)和底部线圈(L2)；

所述顶部线圈(L1)在中部铁芯(2)上产生的磁感应强度方向与底部线圈(L2)在中部铁芯(2)上产生的磁感应强度方向相反，两线圈反向耦合；

所述的顶部线圈包括均匀环绕在顶部铁芯(1)上的顶部线圈短绕组(L11)，和与其串联的均匀环绕在顶部铁芯(1)和中部铁芯(2)上的顶部线圈长绕组(L12)；所述的底部线圈包括均匀环绕在底部铁芯(3)上的底部线圈短绕组(L21)，和与其串联的均匀环绕在中部铁芯(2)上的底部线圈互感绕组(L23)。

3.如权利要求1或2所述的局部反向耦合环形电感器，其特征在于：所述的顶部铁芯(1)和底部铁芯(3)由同种低磁导率材料组成，中部铁芯(2)由高磁导率材料组成。

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