CN104871268B - 使用通量集中器结构的电感器系统 - Google Patents
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Abstract
一种装置(例如，电感器系统)包括长形磁芯、缠绕在该磁芯周围的至少一个线圈和间隔件，该间隔件构造成将所述至少一个线圈的内侧与磁芯分开以提供该至少一个线圈的内侧与磁芯之间的冷却剂通路。该装置还包括位于该至少一个线圈的外侧并且构造成将磁通量集中在该至少一个线圈的外侧的至少一个通量集中器。在一些实施例中，该装置包括构造成支承磁芯、该至少一个线圈和该至少一个通量集中器主体的框架。在又一些实施例中，该至少一个通量集中器主体可安装在外壳或底架的至少一个壁上。
Description
对相关申请的交叉引用
本申请要求2012年12月21日提交的、题为“Inductor Systems Using FluxConcentrator Structures(使用通量集中器结构的电感器系统)”的临时申请序号61,745,245的权益，该临时申请在此通过引用整体并入本文中。
技术领域
本发明的主题涉及电磁装置，更具体地涉及电感器和类似的磁装置。
背景技术
高功率变换器应用如基于PWM的不间断电源(UPS)可能需要用于诸如整流器和逆变器的电力变换电路的低电感/高电流电感器。在这样的应用中，可能希望将有用电感维持在额定电流的3倍。工作电流可包括50/60Hz有功分量和高频纹波电流两者。
常规电感器设计包括闭式通量路径和有隙(分散式和分布式)磁芯设计。环面设计可能需要复杂的绕组设计，并且磁芯热会被截留在这种复杂绕组的内部。绕组热会进一步提高磁芯温度，并且在此类设计中难以保持绕组内层冷却。有隙EE/EI或UU/UI设计通常包括具有大气隙的大磁芯体积。冷却的难度通常迫使铁氧体磁芯的使用，所述铁氧体磁芯会由于更高的磁芯体积而昂贵。
通常还可使用开式通量路径(例如，空气磁芯)。简单的空气磁芯设计可占据大的体积以实现期望电感，这会导致高线圈电阻和损耗。多层会放大皮层和邻近效应损失并且会阻碍内层的冷却。损失通常超过可以接受的水平，并且返回通量路径(穿过周围的空气)会不利地影响附近的物品。脱离辐射场可以提升EMI水平，并且相邻的敏感电子电路会对这种EMI不利地作出响应。
Oughton等人的美国专利No.7,205,875描述了用于支持空气冷却并且可以以相对成本经济的方式制造的电力变换器和其它应用中的电感器结构。如图1和2所示，这种电感器可以包括被支承在绕线筒状框架11中的铁氧体磁芯，一个或多个线圈12缠绕在所述框架周围。绕线筒11将线圈与磁芯13间隔开以提供冷却剂通路，该冷却剂通路提供磁芯13与线圈12之间的空气流。
发明内容
一些实施例提供了一种装置，该装置包括长形磁芯、缠绕在磁芯周围的至少一个线圈和间隔件，该间隔件构造成将该至少一个线圈的内侧与磁芯分开以提供该至少一个线圈的内侧与磁芯之间的冷却剂通路。该装置还包括位于该至少一个线圈的外侧并且构造成将磁通量集中在该至少一个线圈的外侧的至少一个通量集中器。在一些实施例中，该至少一个通量集中器可以包括紧邻该至少一个线圈定位的至少一个磁性材料的质量体，例如至少一个磁性材料棒。在一些实施例中，该装置包括构造成支承磁芯、该至少一个线圈和该至少一个通量集中器主体的框架。在又一些实施例中，该至少一个通量集中器主体可以安装在封壳或机箱的至少一个壁上。
在一些实施例中，该磁芯可以包括第一磁性材料棒，该至少一个线圈可以缠绕在第一磁性材料棒的轴线周围并且该至少一个通量集中器主体可以包括定位成平行于第一矩形磁性材料棒的至少一个第二磁性材料棒。例如，第一棒可以包括第一铁氧体棒并且该至少一个第二棒可以包括至少一个第二铁氧体棒。在一些实施例中，第一棒和/或该至少一个第二棒可以呈矩形。在又一些实施例中，该至少一个通量集中器主体可以包括至少部分地环绕该至少一个线圈和磁性材料棒的至少一个弧形/弓形磁性材料外壳。
本发明的主题的又一些实施例提供了一种装置，该装置包括电感器、框架和至少一个线圈，所述电感器包括长形磁芯，所述框架构造成支承磁芯，所述线圈在框架周围缠绕成使得框架将至少一个线圈的内侧与磁芯分开以提供该至少一个线圈与磁芯之间的冷却剂通路。该装置还包括位于该至少一个线圈的外侧并且构造成将磁通量集中在该至少一个线圈的外侧的至少一个通量集中器。该至少一个通量集中器主体可由框架支承。
在一些实施例中，该至少一个通量集中器主体可包括定位在磁芯的相对侧的两个通量集中器主体。在一些实施例中，长形磁芯可以包括第一磁性材料棒，该至少一个线圈可以缠绕在第一棒的纵向轴线周围且该至少一个通量集中器主体可以包括定位成平行于第一磁性材料棒的至少一个第二磁性材料棒。在又一些实施例中，第一棒可以包括第一铁氧体棒且该至少一个第二棒可以包括第二铁氧体棒。第一棒和/或该至少一个第二棒可以呈矩形。在一些实施例中，该至少一个通量集中器主体可以包括至少部分地环绕该至少一个线圈和磁性材料棒的至少一个弧形磁性材料外壳。在一些实施例中，该至少一个通量集中器主体可安装在封壳或机箱的至少一个壁上。
附图说明
为了进一步理解本发明的主题而被包括并且结合在本申请中且构成本申请的一部分的附图示出了本发明的主题的某些实施例。在附图中：
图1和2示出了现有技术电感器；
图3和4示出了通过具有与图1和2的电感器相似的结构的电感器产生的磁场的模拟；
图5示出了根据本发明的主题的一些实施例的具有通量集中器的电感器系统的磁场的模拟；
图6示出了根据本发明的主题的又一些实施例的电感器系统；
图7-10示出了用于根据本发明的主题的各种实施例的电感器系统的模拟磁场；
图11示出了根据本发明的主题的一些实施例的多个电感器系统；
图12和13示出了用于根据本发明的主题的各种实施例的电感器系统的模拟磁场；
图14示出了根据本发明的主题的一些实施例的多相电感器系统；
图15和16示出了根据本发明的主题的一些实施例的具有侧面安装式通量集中器的电感器系统；
图17和18示出了根据本发明的主题的一些实施例的具有双侧面安装式通量集中器的电感器系统；
图19和20示出了根据本发明的主题的又一些实施例的具有通量集中器的电感器系统；
图21示出了根据本发明的主题的又一些实施例的具有封闭壁安装式通量集中器的电感器系统；
图22示出了根据本发明的主题的一些实施例的具有挂包安装式通量集中器主体和壁安装式通量集中器主体的电感器系统；
图23示出了根据本发明的主题的一些实施例的具有通量集中器主体的变压器系统；以及
图24示出了根据本发明的主题的又一些实施例的电感器系统的电力变换电路应用。
具体实施方式
现将在下文中参考附图更充分地描述本发明的主题的实施例，在附图中示出了本发明的主题的实施例。但是，本发明的主题可以采取许多不同形式来实施并且不应当被解释为局限于文中阐述的实施例。确切而言，提供这些实施例，使得本公开将是透彻且完整的，并且将向本领域技术人员完整地传达本发明的主题的范围。同样的标号始终指同样的元件。
应理解，尽管文中使用术语第一、第二等来描述各种元件，但这些元件不应受这些术语限制。这些用语仅用于在元件之间加以区分。例如，第一元件可以称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件，而不脱离本发明的主题的范围。如文中所用，用语“和/或”包括相关的所列物品中的一个或多个的任何组合和全部组合。
将会理解，当元件称为与另一元件“连接”或“联接”时，其可以与所述另一元件直接连接或联接，或者可以存在中间元件。相比而言，当一个元件称为与另一个元件“直接连接”或“直接联接”时，不存在中间元件。还将会理解，元件“串联联接”或“串联连接”可直接联接或经由中间元件联接。
将会理解，当一个元件或层称为在另一个元件或层“之上”时，该元件或层可直接在另一个元件或层上，或者还可存在中间元件或层。相比而言，当一个元件称为“直接在”另一个元件或层“上”时，不存在中间元件或层。如文中所用，用语“和/或”包括相关的所列物品中的一个或多个的任何组合和全部组合。
文中为了易于说明可能使用诸如“在...之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等空间相对术语来描述如图中所示的一个元件或特征结构与另一个(多个)元件或特征结构的关系。将会理解，空间相对术语意在除图中所示的取向外还涵盖装置在使用或操作中的不同取向。本说明书中附图中同样的附图标记始终表示同样的元件。
文中参考平面图和透视图描述了本发明的主题的实施例，所述平面图和透视图是本发明的主题的理想化的实施例的示意图。因此，预期例如由于制造技术和/或公差而与图示的形状的偏离。因而，本发明的主题不应当被解释为局限于文中说明的物体的特定形状，而是应当包括例如由于制造而引起的形状偏差。因而，图中示出的物体本质上是示意性的且它们的形状并非意在示出装置的一个区域的实际形状且并非意在限制本发明的主题的范围。
文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的且并非意在限制本发明的主题。如文中所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也意图包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。还将会理解，术语“包括”、“包含”、“包括”和/或“包括”在文中使用时表明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但并不排除一个或更多其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组合的存在或增加。
除非另有限定，文中所用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明的主题所属领域的普通技术人员一般所理解的相同含义。还将会理解，文中使用的术语应当被解释为具有与其在本说明书和相关技术背景下的含义一致的含义，不应以理想化或过于拘泥形式的方式解释，除非文中明确地这样限定。术语“多个”在文中用来指两个或更多个提到的物品。
图3示出了具有与图1和2的电感器相似的结构的电感器310的磁场的模拟。如可见的，离开电感器310的通量线相对宽地间隔开。相对不受约束的磁场可导致低于期望的电感并且可在周围结构中感生涡电流。例如，如果这种电感器被放置成紧邻例如通常用于电子机箱或封壳中的金属板，则电感器中的大电流会在金属板中感生相对大的涡电流并导致明显的涡电流发热和功率损失。参照图4，以反并联布置(通量路径在相对的方向上)放置匹配的电感器可以由于电感器磁芯之间的磁链而集中磁场，并且因而可以增加各电感器的电感并减少附近金属板中的涡电流发热。
本发明的主题的一些实施例归因于对以下事实的领悟：通过将至少一个磁性材料主体定位成紧邻电感器以用作通量集中器，可以以灵活并且潜在地低成本的方式实现具有沿上述线的空气混合磁芯布置结构的电感器的改善的性能。该通量集中器主体可以是例如由电感器结构和/或附近结构如封壳或机箱壁支承的铁氧体棒或其它磁性材料棒。
图5示出了根据本发明的主题的一些实施例的电感器系统500。电感器系统500包括电感器510和相关联的通量集中器主体520。电感器510包括长形磁芯512，至少一个线圈514在该长形磁芯周围缠绕成使得磁芯位于该至少一个线圈514的内部。电感器510可具有例如与图1和2所示的电感器相似的结构。通量集中器主体520可以是例如磁导率相对高的磁性材料棒，例如铁氧体棒，并且紧邻电感器510定位在至少一个线圈514的外侧。如图5所示，通量集中器主体520可集中由电感器510形成的磁通量并由此减少可撞击在邻近的金属结构如金属板壁上的杂散通量。这可以相对于不具有这种通量集中器主体的设计增加电感器510的电感并且可以减少附近结构中的涡电流发热。
图6示意性地示出了根据又一些实施例的电感器系统600，其中两个通量集中器主体620定位在电感器610(例如图1和2所示的电感器)的相对侧。参照图7，双通量集中器主体620可引起电感器610的两侧的近场集中和远场衰减。
参照图8-10，通量集中器主体620的长度和宽度可变化，以在一定空间约束内实现期望性能。例如，如图8所示，加长通量集中器主体620可提供更大的近场通量集中(电感器附近)和更大的远场衰减。参照图9和10，双通量集中器主体620的使用可允许相对于图7所示的布置结构减小通量集中器主体620的厚度。将会了解，这些通量集中器主体的尺寸和形状一般可以取决于可用空间、预期的电感器电流和/或用于电感器610的磁芯和通量集中器主体620的材料。
根据又一些实施例，通量集中器主体可以与并联和反并联电感器布置结构相结合地使用。例如，图11示出了电感器系统1100，该电感器系统包括第一电感器1110a和第二电感器1110b——其具有定位在其间的通量集中器主体1120——以及定位在电感器1110的外侧的两个附加通量集中器主体1120。如图12和13所示，对于通量集中器主体1120的相应第一和第二尺寸，这种布置结构可以提高通量集中器主体1120处的通量密度并降低电感器1110a、1110b远处的磁场强度。图14示出了例如可以用于三相逆变器或整流器中的布置结构，其中用于相应A相、B相和C相的电感器1410a、1410b、1410c以反并联方式布置(即，相邻电感器的通量相对地对齐)并具有插置在其间的通量集中器主体1420。
根据一些实施例，可通过将沿图1和2所示的线的结构修改成包括由支承电感器的磁芯和绕组的相同结构支承的辅助通量集中器主体，可以获得改进的电感器系统。例如，图15和16示出了包括由磁性材料(例如，铁氧体)形成的棒状矩形磁芯1520的电感器1500，所述磁芯由绕线筒状框架1510支承。一个或多个线圈1530缠绕在绕线筒状框架1510周围，所述绕线筒状框架1510将线圈1530与磁芯1520间隔开以提供一个或多个冷却剂(空气)通路1550。电感器系统1500还包括挂包式保持器1560，该保持器构造成将矩形通量集中器主体1540例如铁氧体棒保持成使得它平行于磁芯1520延伸。保持器1560可以是绕线筒状框架1510的一体部分，或者可以是构造成使用例如紧固件和/或卡合装置(例如，互锁的槽和突片)安装或附接在绕线筒状框架1510上的单独部件。如图17和18所示，在电感器系统1500’中，矩形通量集中器主体1540可以利用相应保持器1560布置在磁芯1520和线圈1530的相对侧，所述保持器1560可以与绕线筒状框架1510一体形成或被设计成附接在其上。这样的通量集中器主体布置结构可以在允许通向磁芯1520和线圈1530的期望空气流的同时提供上述电气和磁效益。
根据一些实施例，上述电感器和通量集中器主体的布置可被模块化以提供应用灵活性。例如，共同的电感器磁芯单元可与适当数量的通量集中器主体结合，取决于该应用的电气和机械约束。如上所述，框架组件可被模块化以允许在相对于共同的电感器磁芯单元的各种位置增设通量集中器主体(例如，如图15-18所示)。
又一些实施例可以使用具有不同形状的通量集中器主体。例如，图19示出了电感器系统1900的电感器磁芯单元，该磁芯单元包括如上文参考图15和16所述由绕线筒状框架1510支承的矩形磁芯1520和线圈1530。电感器系统1900还包括具有弧形外壳形状并部分环绕磁芯1520和线圈1530的通量集中器主体1940。通量集中器主体1940可通过间隔件1940与线圈1530间隔开，并由绕线筒状框架1510支承。
图20示出了具有相似布置结构的电感器系统2000，其中电感器基本结构包括由绕线筒2010支承的圆形截面杆状磁芯2020，一个或多个圆形线圈2030配置在所述绕线筒2010周围，从而在线圈2030的内侧提供至少一个冷却剂通路2050。通量集中器主体2040配置在线圈2030的外侧，并呈具有半圆形截面的弧形外壳的形式。通量集中器主体2040可由间隔件2051支承并与线圈2030间隔开。
根据又一些实施例，电感器系统可以使用附接在周围结构上而不是由电感器磁芯单元结构直接支承的一个或多个通量集中器主体。例如，图21示出了包括与图1和2所示的电感器相似的电感器2110的电感器系统2100，其中至少一个通量集中器主体2120附着在相邻的壁2101上，所述壁可以是例如电子机箱或封壳的壁。如进一步所示的，可使用例如支承件2102将附加通量集中器主体2120安装在电感器2110的另一侧。将了解的是，图21的布置结构是出于图示的目的而提供的，并且电感器系统可以使用以多种不同方式中的任何方式安装在周围结构上的通量集中器主体。
一些实施例可以包括由主电感器结构和相邻结构支承的通量集中器主体的组合。例如，参照图22，电感器系统2200可以包括电感器2210，该电感器具有沿参考图15和16所述的线安装在其一侧的通量集中器主体2240。附加通量集中器主体2220可在电感器2210的另一侧安装在封壳或机箱壁2201上。
本发明的主题的各种实施例可以提供灵活的电感器系统布置结构，其中可以通过通量集中器主体的选择性设计和放置来针对各种不同应用定制电感器基本结构。例如，如上所述，可在利用共同的电感器磁芯和线圈布置结构的同时针对不同功率/电流水平和封壳/机箱布置结构定制电感器系统。
将会了解，其它电感器系统如变压器和磁耦合的电感器可以利用沿上述线的通量集中器布置结构。例如，参照图23，变压器2310可以使用沿上述线缠绕在棒状或杆状的共同磁芯周围的多个电绝缘线圈。一个或多个通量集中器主体2320可以定位成与变压器2310邻接，以提供近场通量集中和远场衰减。
根据本发明的主题的一些实施例的电感器系统可以用于各种不同应用如整流器、逆变器和其它电力变换电路中。例如，图24示出了三相逆变器2400，其中三相桥接电路2410与提供相应相输出的相应电感器系统2420耦合。电感器系统2420可以是独立的系统和/或可以包括例如图14所示的共享通量集中器主体。将会理解，根据本发明的主题的实施例的电感器系统可以用于各种其它应用中的任何应用中，例如整流器、DC/DC变换器、马达驱动器、电池充电器等中。
在附图和说明书中，已公开了本发明的主题的典型实施例，并且尽管采用了特定术语，但它们仅在一般的和说明的意义上使用且目的不是为了限制，本发明的主题的范围在附后权利要求中阐述。
Claims (21)
1.一种装置，包括：
长形磁芯；
缠绕在所述磁芯周围的至少一个线圈；
间隔件，所述间隔件构造成将所述至少一个线圈的内侧与所述磁芯分开以提供所述至少一个线圈的内侧与所述磁芯之间的冷却剂通路；和
至少一个通量集中器主体，所述通量集中器主体定位在所述至少一个线圈的外侧以便不阻碍所述冷却剂通路并且构造成将磁通量集中在所述至少一个线圈的外侧。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个通量集中器主体包括定位成紧邻所述至少一个线圈的至少一个磁性材料分散质量体。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述至少一个磁性材料分散质量体包括至少一个磁性材料棒。
4.根据权利要求2所述的装置，还包括框架，所述框架构造成支承所述磁芯、所述至少一个线圈和至少一个通量导引主体。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述磁芯包括第一磁性材料棒，其中所述至少一个线圈围绕所述第一磁性材料棒的轴线缠绕，并且其中所述至少一个通量集中器主体包括定位成平行于第一磁性材料棒的至少一个第二磁性材料棒。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述第一磁性材料棒包括第一铁氧体棒，并且其中所述至少一个第二磁性材料棒包括至少一个第二铁氧体棒。
7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述第一磁性材料棒和/或所述至少一个第二磁性材料棒的截面呈矩形。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述磁芯包括磁性材料棒，其中所述至少一个线圈围绕所述磁性材料棒的轴线缠绕，并且其中所述至少一个通量集中器主体包括至少部分地环绕所述至少一个线圈和所述磁性材料棒的至少一个弧形磁性材料外壳。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述磁性材料棒和所述弧形磁性材料外壳均包含铁氧体材料。
10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述磁性材料棒的截面呈矩形或圆形。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个通量集中器主体安装在封壳或机箱的至少一个壁上。
12.一种装置，包括：
电感器，所述电感器包括：
长形磁芯；
框架，所述框架构造成支承所述磁芯；和
至少一个线圈，所述至少一个线圈在所述框架周围缠绕成使得所述框架将所述至少一个线圈的内侧与所述磁芯分开，以提供所述至少一个线圈与所述磁芯之间的冷却剂通路；和
至少一个通量集中器主体，所述通量集中器主体定位在所述至少一个线圈的外侧以便不阻碍所述冷却剂通路并且构造成将磁通量集中在所述至少一个线圈的外侧。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述至少一个通量集中器主体由所述框架支承。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述至少一个通量集中器主体包括定位在所述磁芯的相对侧的两个通量集中器主体。
15.根据权利要求13所述的装置，其中，所述长形磁芯包括第一磁性材料棒，其中所述至少一个线圈围绕所述第一磁性材料棒的纵向轴线缠绕，并且其中所述至少一个通量集中器主体包括定位成平行于所述第一磁性材料棒的至少一个第二磁性材料棒。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述第一磁性材料棒包括第一铁氧体棒，并且其中所述至少一个第二磁性材料棒包括第二铁氧体棒。
17.根据权利要求15所述的装置，其中，所述第一磁性材料棒和/或所述至少一个第二磁性材料棒的截面呈矩形。
18.根据权利要求13所述的装置，其中，所述磁芯包括磁性材料棒，其中所述至少一个线圈围绕所述磁性材料棒的轴线缠绕，并且其中所述至少一个通量集中器主体包括至少部分地环绕所述至少一个线圈和所述磁性材料棒的至少一个弧形磁性材料外壳。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述磁性材料棒和所述弧形磁性材料外壳均包含铁氧体材料。
20.根据权利要求18所述的装置，其中，所述磁性材料棒的截面呈矩形或圆形。
21.根据权利要求12所述的装置，其中，所述至少一个通量集中器主体安装在封壳或机箱的至少一个壁上。
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