CN103415900B - 具有换向器的被磁偏置的ac电感器 - Google Patents

具有换向器的被磁偏置的ac电感器 Download PDF

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Abstract

一种AC电感器（1）包括铁芯（5）、用于磁偏置该铁芯（5）的至少一个永磁体、铁芯（5）上的电感器绕组（8）、以及电路，该电路引导流经AC电感器（1）的交流电流以如此的方式流过电感器绕组（8），以致在交流电流的每个半波期间，交流电流产生与永磁体（6）引起的磁化相反的铁芯（5）的磁化。该电路包括换向器（13），换向器（13）引导在AC电感器（1）的两个触头（2、3）之间流动的交流电流在交流电流的每个半波期间以同一电流方向流经电感器线圈（8）的同一部分。

Description

具有换向器的被磁偏置的AC电感器
技术领域
本发明涉及一种包含被至少一个永磁体预磁化或磁偏置的铁芯的AC电感器。此外，本发明涉及一种操作这样的AC电感器的方法。
背景技术
将具有预磁化铁芯的电感器用于DC设备已经很长时间被人们所知，例如参见DE1113526B。在这些DC设备中，通过永磁体引起的铁芯预磁化或磁偏置被定向为与通过流经电感器线圈的直流而产生的磁化相反的方向。以该方式，电感器铁芯的磁性操作范围相对于该磁化的饱和极限被移位。因此，与没有磁偏置的电感器相比，较小的铁芯是足够的。
具有被磁偏置的铁芯的电感器不可直接用在交流设备上，因为由流经电感器线圈的交流电流产生的铁芯磁化的方向随着交流电流半波之间的电流方向的每次改变而改变。因此，不存在能够相对于其铁芯的磁饱和针对交流电流的两个交替方向同时地以适当的方式来偏移电感器的操作范围的铁芯磁偏置方向。
EP2104115A1公开了一种包括被磁偏置的铁芯的AC电感器，其中该电感器绕组被分成两个局部绕组。流经AC电感器的交流电流交替地，即逐个半波地，被引导穿过包括相反的缠绕方向的两个局部绕组之一，以使交流电在其每个半波期间产生相同方向的AC电感器的铁芯磁化。由于这一点，AC电感器的磁性操作范围可以相对于该饱和极限，凭借永磁体以适当的方式被偏移。在该已知的AC电感器中在电感器绕组的两个局部绕组之间切换交流电流的电路也用于将该交流电流整流为直流电流和/或用于从直流电流产生交流电流。因为电感器绕组的两个分离的局部绕组，所以被预磁化的铁芯的优点，特别是体积上的减小，在该已知电感器中不能被完全开发。
本发明的目的是要提供一种电感器及一种操作电感器的方法，该电感器充分利用被磁偏置的铁芯，特别是在体积减小的方面，该电感器还用于交流设备。
发明内容
本发明的目的是通过一种AC电感器来实现，所述电感器包括独立权利要求1的特征。新AC电感器的优选实施例被定义在从属权利要求2至8中。权利要求9涉及一种操作根据本发明的AC电感器的方法，从属权利要求10涉及一种该方法的优选实施例。
根据本发明的AC电感器包含铁芯、用于磁偏置该铁芯的至少一个永磁体、在铁芯上的电感器绕组以及电路，该电路引导流经AC电感器的交流电流以如此方式经过电感器绕组以致其在交流电流的每个半波期间，产生与由永磁体引起的磁偏置处于相反方向的铁芯磁化。为了达到根据本发明的此目的，该电路包括换向器，该换向器引导在AC电感器的两个触头之间流动的交流电流在交流电流的两个半波期间都穿过电感器绕组的同一部分并且处于同一电流流动方向。
根据本发明的AC电感器的换向器在交流电流的每个半波之前改变电感器绕组的连接方向。因此，DC电流脉冲流过AC电感器的同一电感器绕组，随后被逐个半波地重新排列以再次形成交流电流。因此，电感器绕组以及被该绕组缠绕并且被永磁体磁偏置的铁芯，可以因此与已知的用于DC设备的具有被磁偏置铁芯的电感器中的那样类似地被设计和优化。
特别地，新AC电感器的电感器绕组通常仅包括两个触头，并且换向器交替地将AC电感器的这两个触头以导电方式连接到电感器绕组的两个触头。凭借换向器的以导电方式的该连接步骤也可以部分通过被动开关元件来完成，该被动开关元件例如是整流二极管。在此，阻断或不导通的整流二极管不被视为导电连接。
在更详细的实施例中，根据本发明的AC电感器的换向器包括在其四个分支的每一个中的双向开关，即能够在两个方向上阻塞电流的开关，该四个分支延伸在AC电感器的两个触头和电感器绕组的两个触头之间。在交流电流的每个半波期间，这四个开关中的两个被断开，而其它两个闭合（其中相应的闭合开关不串联连接在AC电感器的触头之间），因此换向器限定了通过电感器绕组的电流流动方向。
替代四个双向开关，所述换向器可以包括四个单向开关，每个单向开关串联连接至被定向为相应的断开的单向开关的阻断方向的电流整流器。电流整流器通过在此仅单向阻断的开关，来阻断处于不需要的电流流动方向上的电流。
优选地，根据本发明的AC电感器的换向器的开关是半导体开关。本领域技术人员知晓各个实施例中的双向开关和单向开关的知识。
在根据本发明的AC电感器中，可提供附加的预磁化恢复电路，使围绕永磁体的磁化绕组受到磁化电流脉冲，该磁化电流脉冲产生与永磁体的磁化具有相同方向并且具有超过了永磁体的磁化场强的场强的磁化。因此，如果永磁体的磁化由于任何原因而已衰退，则该预磁化恢复电路能够恢复永磁体的磁化。
本发明的有利改进产生于权利要求、说明书和附图。在本说明书开头所提及的特征和多个特征的组合的优点仅作为例子，并且可以替代地或附加地使用，而不是必然需要根据本发明的实施例来获得这些优点。不改变由所公开的权利要求限定的保护范围的情况下，关于该原始申请和专利的公开内容，以下是适用的：额外的特征可从附图获得，特别是从多个部件相对于彼此的图示设计和尺寸，以及从它们的相对排列和它们的操作性连接获得。本发明不同实施例的特征的组合或独立于权利要求的所选择引用的不同权利要求的特征的组合也是可能的，且以此都是有启示的。这还涉及在不同附图中示出的或在描述不同附图时提到的特征。这些特征也可以与不同权利要求的特征组合。此外，可能的是，本发明的另外实施例不具有在权利要求中提到的特征。
附图说明
在下文中，将参照所附的图，通过AC电感器的实施例进一步解释和描述本发明。
图1是根据本发明的AC电感器的第一实施例的电路图。
图2概述了由永磁体磁偏置的永磁体，以及设置在根据图1的AC电感器的铁芯上的电感器绕组。
图3示出了当正弦形交流电流流经根据图1的AC电感器时该正弦形交流电流的电流的时间进程 。
图4是根据本发明的AC电感器的第二实施例的电路图。
具体实施方式
图1描绘的AC电感器1包括两个触头2和3。AC电感器1被设置用于AC设备，在AC设备中交流电流（AC）在一个半波期间从触头2流到触头3，而且在另一半波期间从触头3流到触头2。AC电感器1包括电感器线圈4，针对该电感器线圈4在图2中描绘了一个实施例。电感器线圈4包括铁芯5以及围绕铁芯5缠绕的电感器绕组8，铁芯5被永磁体6磁偏置为箭头7所示的方向。当电流在电感器绕组的触头9和10之间流动，磁场产生于铁芯5中。图2示出了该磁场的磁通线11，箭头尖端12表示通过环形铁芯5的磁场方向。该方向与铁芯5借助永磁体6的预磁化方向相反。为此，仅在触头9和10之间的更高电流下达到铁芯5的磁饱和。然而，这只适用于触头9与10之间的一个电流流动方向的电流。
在交流电流中，电流流动方向如图3所示那样在半波之间改变，图3描绘了交流电流的电流I的时间进程。这里，利用实线描绘交流电流的第一正半波的进程，利用虚线描绘交流电流的第二负半波的进程。
图1所示的AC电感器1包括换向器13，换向器13逐个半波地将电感器线圈4的触头9和10交替地连接到AC电感器1的触头2和3，以使交流电流总是在触头9和10之间以相同的电流流动方向流经电感器绕组8。在图1中，用实线和箭头尖端14针对第一半波描绘了AC电感器的触头2和3之间的电流路径，箭头尖端14从根据图3的交流电流的触头2指向触头3，用虚线和箭头尖端15针对第一半波描绘了AC电感器的触头2和3之间的电流路径，箭头尖端15从触头3指向触头2。为了以逐个半波的这样的方式传导电流，换向器13（在一方面的触点2和3以及另一方面的触头9和10之间的其四个分支16至19中）包含四个开关20至23，四个开关20至23在此被制成为能够在两个方向上均阻断电流的双向开关。在交流电流的第一半波期间，开关20至23中的开关20和22被闭合，而此时开关21和23被断开，反之亦然，在根据图3的交流电流的第二半波期间，开关23和21被闭合，而开关20和22被断开。由于仅脉冲的直流电流（即总是具有相同电流流动方向的电流）流经根据图2的电感器线圈4或电感器绕组8，具有被永磁体6在固定方向上磁偏置的铁芯5的电感器线圈4可以被制成小于电感器线圈4（归因于更好地开发铁芯5的材料），交流电流以改变的电流流动方向流过该电感器线圈4的电感器绕组。这是通过在铁芯5上仅包括单个电感器绕组8的电感器线圈4实现的。
图4示出了AC电感器1的实施例，其中换向器13在其分支16至19中不包括双向开关，而包括开关24至27，开关24至27在它们的断开状态下仅在一个方向上进行阻断而在相反方向上进行导通，该相反方向是通过描绘开关24至27的固有反并联二极管28至31来指示的。在这些个体的分支16至19中，开关24至27分别与整流二极管32至35串联连接，整流二极管32至35的导通方向相反于相应的开关24至27的固有反并联二极管28至31的导通方向。当在交流电流的正半波期间以开关24和26闭合并且开关27和29断开来工作时，换向器13将触头2连接到触头9，并且将触头10连接到触头3，而当在交流电流负半波期间以开关27和29闭合并且开关24和26断开来工作时，换向器13将触头3连接到触头9，并将触头10连接到触头2。在此，整流二极管32和35的导通方向总是指向穿过换向器13的相应分支16-19的电流流动方向。
附图标记列表
1AC电感器
2触头
3触头
4电感器线圈
5铁芯
6永磁体
7箭头
8电感器线圈
9触头
10触头
11磁通线
12箭头尖端
13换向器
14箭头尖端
15箭头尖端
16分支
17分支
18分支
19分支
20开关
21开关
22开关
23开关
24开关
25开关
26开关
27开关
28二极管
29二极管
30二极管
31二极管
32整流二极管
33整流二极管
34整流二极管
35整流二极管

Claims (6)

1.一种AC电感器(1)，包括：
-铁芯(5)，
-至少一个永磁体，其用于对所述铁芯(5)进行磁偏置，
-所述铁芯(5)上的电感器绕组(8)，以及
-电路，其引导交流电流流过所述电感器绕组(8)，使得所述交流电流产生与由所述永磁体(6)引起的磁化相反的所述铁芯(5)的磁化，
其特征在于，所述电路包括换向器(13)，所述换向器(13)引导在所述AC电感器(1)的两个触头(2、3)之间流动的所述交流电流在所述交流电流的每个半波期间以同一流动方向经过所述电感器绕组(8)的同一部分，其中所述电感器绕组(8)包括两个触头(9、10)，其中所述换向器(13)以导电方式交替地将所述AC电感器(1)的所述两个触头(2、3)与所述电感器绕组(8)的所述两个触头(9、10)连接，并且其中所述换向器(13)包括在所述AC电感器(1)的所述两个触头(2、3)与所述电感器绕组(8)的所述两个触头(9、10)之间的四个分支(16-19)，以及在所述四个分支(16-19)的每一个中的双向开关(20-23)或在所述四个分支(16-19)的每一个中的单向开关(24-27)，所述单向开关(24-27)与电流整流器串联连接，所述电流整流器指向被断开的单向开关(24-27)的阻断方向。
2.根据权利要求1所述的AC电感器(1)，其特征在于，所述电流整流器是整流二极管(32-35)。
3.根据权利要求1至2中的任一项所述的AC电感器(1)，其特征在于，所述开关(20-27)是半导体开关。
4.根据权利要求1至2中的任一项所述的AC电感器(1)，其特征在于，提供预磁化恢复电路，用于使围绕所述永磁体(6)的磁化绕组受到磁化电流脉冲，所述磁化电流脉冲产生与所述永磁体的磁化具有相同方向并且具有超过所述永磁体的磁化场强的场强的磁化。
5.一种操作AC电感器(1)的方法，所述AC电感器(1)包括铁芯(5)、用于预磁化所述铁芯(5)的至少一个永磁体(6)、所述铁芯(5)上的电感器绕组(8)、以及换向器(13)，所述换向器(13)包括在所述AC电感器(1)的两个触头(2、3)与所述电感器绕组(8)的两个触头(9、10)之间的四个分支，以及在其四个分支的每一个中的一个双向开关(20-23)或在其四个分支(16-19)的每一个中的单向开关(24-27)，所述单向开关(24-27)与电流整流器串联连接，所述电流整流器指向被断开的单向开关(24-27)的阻断方向，其特征在于，所述开关(20-23；24-27)被成对地交替地断开和闭合，使得在所述AC电感器(1)的所述两个触头(2、3)之间流动的交流电流在所述交流电流的每个半波期间，以同一电流流动方向在所述电感器绕组(8)的所述触头(9、10)之间流动。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当达到所述AC电感器的磁饱和时，使围绕所述永磁体(6)的磁化绕组受到磁化电流脉冲，使得所述磁化脉冲产生与所述永磁体的磁化具有相同方向并且具有超过所述永磁体的磁化场强的场强的磁化。
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