CN105679520B - 耦合电感、磁体和多电平逆变器 - Google Patents

耦合电感、磁体和多电平逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耦合电感、磁体和多电平逆变器。耦合电感包括：中柱110，包括多个磁体111，多个磁体111中的每一个磁体111包括电感113和主磁芯114，电感113包裹主磁芯114，电感113包括辅磁芯116和绕组117，绕组117嵌设在辅磁芯116内且环绕主磁芯114；上颚120，与中柱110的上端连接；下颚130，与中柱110的下端连接；其中，上颚120、下颚130与主磁芯114共同形成磁通路。本发明实施例能够降低耦合电感的加工复杂度。

Description

耦合电感、磁体和多电平逆变器
技术领域
本发明实施例涉及电路领域，并且更具体地，涉及一种耦合电感、磁体和多电平逆变器。
背景技术
近年来，应用于高压大功率领域的多电平变频器引起了电力电子行业的极大关注。多电平逆变器可以将直流电变成交流电。例如，多电平逆变器可以使用耦合电感将几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压，也即输出交流电。
多电平逆变器输出的电平数越多，输出的信号越接近正弦信号，进而能够降低滤波复杂度。为了进一步降低滤波电路成本，需要多电平逆变器输出更多的电平。如，在交错并联电路中增加并联支路，便可以形成更多的输出电平。
然而，当并联支路增多时，耦合电感的磁芯结构复杂程度会提高。由于磁芯结构复杂，无法一次成型加工，因而需要手工绕制绕组，导致绕组绕制困难。
发明内容
本发明实施例提供了一种耦合电感、磁体和多电平逆变器，能够降低耦合电感的加工复杂度。
第一方面，本发明实施例提供了一种耦合电感，包括：
中柱110，包括多个磁体111，多个磁体111中的每一个磁体111包括电感113和主磁芯114，电感113包裹主磁芯114，电感113包括辅磁芯116和绕组117，绕组117嵌设在辅磁芯116内且环绕主磁芯114；
上颚120，与中柱110的上端连接；
下颚130，与中柱110的下端连接；
其中，上颚120、下颚130与主磁芯114共同形成磁通路。
结合第一方面，在第一方面的第一种实现方式中，电感113为一体的空心柱，主磁芯114设置在空心柱内。
结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第二种实现方式中，主磁芯114的磁性材料为高相对磁导率的磁性材料，电感113的辅磁芯116的磁性材料为高相对磁导率的磁性材料，主磁芯114与电感113通过粘接的方式连接。
结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第三种实现方式中，主磁芯114的磁性材料为高相对磁导率的磁性材料，电感113的辅磁芯116的磁性材料为低相对磁导率的磁性材料，主磁芯114与电感113通过烧结的方式连接，或者主磁芯114与电感113通过粘接的方式连接。
结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第四种实现方式中，多个磁体111一体成型形成中柱110。
结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第五种实现方式中，多个磁体111中的每一个磁体111的绕组117的绕制方向相同。
结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第六种实现方式中，上颚120和下颚130的磁性材料都为高相对磁导率的磁性材料。
结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第七种实现方式中，上颚120与下颚130通过粘接的方式分别与中柱110连接。
第二方面，本发明实施例提供了一种磁体，包括电感113和主磁芯114，电感113包裹主磁芯114，电感113包括辅磁芯116和绕组117，绕组117嵌设在辅磁芯116内且环绕主磁芯114。
结合第二方面，在第二方面的第一种实现方式中，主磁芯114的磁性材料为高相对磁导率的磁性材料，电感113的辅磁芯116的磁性材料为高相对磁导率的磁性材料，主磁芯114与电感113通过粘接的方式连接。
结合第二方面及其上述实现方式，在第二方面的第二种实现方式中，主磁芯114的磁性材料为高相对磁导率的磁性材料，电感113的辅磁芯116的磁性材料为低相对磁导率的磁性材料，主磁芯114与电感113通过烧结的方式连接，或者主磁芯114与电感113通过粘接的方式连接。
第三方面，本发明实施例提供了一种多电平逆变器，包括：
功率组件140，用于对直流信号进行功率变换，输出多路电信号；
如权利要求1至7中任一项的耦合电感100，用于对功率组件140输出的多路电信号进行耦合处理，输出一路多电平信号。
第四方面，本发明实施例提供了一种耦合电感的制作方法，包括：
将绕组放入模具中，并在模具中注入磁性材料；
将绕组和磁性材料烧制为一体的空心柱，形成电感；
在空心柱内设置磁芯，形成磁体；
将多个磁体的上端分别与上颚连接、下端分别与下颚连接，形成耦合电感。
基于上述技术方案，在本发明实施例中，绕组117与辅磁芯116一体成型，形成电感113。电感113包裹主磁芯114，形成磁体111。这样，本发明实施例避免了手工绕制绕组，进而降低了耦合电感的加工复杂度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a-1b是本发明一个实施例的耦合电感的示意性框图。
图2a-2b是本发明实施例的磁体的示意性框图。
图3是本发明一个实施例的制作磁体的示意性流程图。
图4是本发明另一实施例的制作磁体的示意性流程图。
图5是本发明另一实施例的耦合电感的示意性框图。
图6是本发明另一实施例的耦合电感的示意性框图。
图7是本发明实施例的多电平逆变器的示意性框图。
图8是本发明实施例的耦合电感的制作方法的示意性流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
图1a-1b是本发明一个实施例的耦合电感的示意性框图。其中，图1a是耦合电感100的正视图，图1b是耦合电感100的纵面剖视图。耦合电感100包括：中柱110、上颚120和下颚130。
中柱110，包括多个磁体111，多个磁体111中的每一个磁体111包括电感113和主磁芯114，电感113包裹主磁芯114，电感113包括辅磁芯116和绕组117，绕组117嵌设在辅磁芯116内且环绕主磁芯114。
上颚120，与中柱110的上端连接。
下颚130，与中柱110的下端连接。
其中，上颚120、下颚130与主磁芯114共同形成磁通路。
如图1a所示，中柱110包括三个磁体111。应理解，图1a仅是一个示意图，本发明实施例对磁体111的个数不作限定，中柱110包括多个磁体111的实施方式都应落在本发明实施例的保护范围内。具体地，可以通过控制绕组之间的间距来控制耦合电感100的耦合系数。
基于上述技术方案，在本发明实施例中，绕组117与辅磁芯116一体成型，形成电感113。电感113包裹主磁芯114，形成磁体111。这样，本发明实施例避免了手工绕制绕组，进而降低了耦合电感的加工复杂度。同时，本发明实施例的耦合电感中不同的磁体111之间有着较高的一致性。
进一步地，主磁芯114与辅磁芯116可以选用不同的磁性材料，进而能够充分利用不同磁性材料的优点。例如，充分利用不同磁性材料的特性进行组合设计，比如铁硅铝的损耗低，可以用于设计主磁芯114，有利于降低散热压力。铁硅直流偏置特性好，但是损耗大，可以用于设计辅磁芯或者上下颚，有利于散热。
同时，辅磁芯116可以使耦合电感100的共模部分电感量增大，进而达到滤波效果。也就是说，耦合电感100同时具备了滤波功能，而不必专门设置一个滤波电感，从而达到了降低成本的目的。
另外，由于绕组117与辅磁芯116一体制作，进而避免了手工绕制绕组时需要较大绝缘距离的问题，提高了磁芯与绕组的利用率，减小了耦合电感的体积。
下面将结合具体的例子详细描述本发明实施例。应注意，这些例子只是为了帮助本领域技术人员更好地理解本发明实施例，而非限制本发明实施例的范围。
图2a-2b是本发明实施例的磁体的示意性框图。下面结合图2a-2b对磁体的结构进行详细的说明。图2a示出了磁体111的截面图。如图2a所示，磁体111为一个圆柱体，应理解本发明实施例对磁体的形状不作限制，可以为圆柱体外的其它柱体。为便于描述磁体111的结构，图2b示出了磁体111的半个截面图。
磁体111包括电感113和主磁芯114。其中，电感113为由磁性材料和绕组117烧制成的一体的空心柱。辅磁芯116位于绕组117的外侧。通常，绕组117外部包裹绝缘材料。应理解，由于加工工艺的问题，绕组117内侧(绕组117与主磁芯114之间)会有一层磁性材料。主磁芯114为由磁性材料烧制成的柱体，被电感包裹，共同形成磁体111。
可选地，作为一个实施例，电感113为一体的空心柱，主磁芯114设置在空心柱内。
可选地，作为另一实施例，主磁芯114选用高相对磁导率μ的磁性材料。辅磁芯116主要起到增强共模磁路漏感的作用，可以选用低μ值的磁性材料，或者也可以选择高μ值的磁性材料，通过增加气隙达到滤波的效果。
本领域的技术人员能够理解，高μ值的磁性材料通常为铁氧体、硅钢、非晶或者纳米晶等材料，低μ值的磁性材料通常为铁硅铝或铁硅等材料。
可选地，作为一个实施例，主磁芯114的磁性材料为高相对磁导率的磁性材料，电感113的辅磁芯116的磁性材料为高相对磁导率的磁性材料，主磁芯114与电感113通过粘接的方式连接。
图3是本发明一个实施例的制作磁体的示意性流程图。例如，选用高μ值的磁性材料分别制作电感113和主磁芯114。其中，主磁芯114由磁性材料和绕组117烧制成的一体成型的空心柱。这种情况下，可以使用图3所示的方法，将主磁芯114与电感113通过粘接的方式连接，形成磁体111。
可选地，作为另一实施例，主磁芯114的磁性材料为高相对磁导率的磁性材料，电感113的辅磁芯116的磁性材料为低相对磁导率的磁性材料，主磁芯114与电感113通过烧结的方式连接，或者主磁芯114与电感113通过粘接的方式连接。
通常，选择相对磁导率μ较高的主磁芯114有利于形成较好的耦合效果。
图4是本发明另一实施例的制作磁体的示意性流程图。例如，如图4所示，先选用高μ值的磁性材料制作电感113，将磁性材料和绕组117烧制为中空的空心柱。然后，在空心柱中倒入低μ值的磁性材料，再次烧制，形成一体成型的磁体111。
或者，也可以先选用高μ值的磁性材料制作电感113，将磁性材料和绕组117烧制为中空的空心柱。然后，选用低μ值的磁性材料制作主磁芯114。最后，采用图3所示的方法，将主磁芯114与电感113通过粘接的方式连接，形成磁体111。
可选地，作为另一实施例，多个磁体111一体成型形成中柱110。
图5是本发明另一实施例的耦合电感的示意性框图。应理解，图5仅是一个示意图，本发明实施例对磁体111的个数不作限定，中柱110包括多个磁体111的实施方式都应落在本发明实施例的保护范围内。
如图5所示，三个磁体111一体成型。具体地，在制作图5所示的耦合电感100时，可以先制作一个一体成型的电感(包括三个绕组，且带有三个中空的孔)。然后，制作三个主磁芯114，并将该三个主磁芯114分别置入前述三个中空的孔。最后，通过粘接的方式将主磁芯114与电感连接，形成磁体111。
或者，在对耦合系数要求不高的情况下，主磁芯114和辅磁芯116可以都选用低μ值的磁性材料。图6是本发明另一实施例的耦合电感的示意性框图。这种情况下，如图6所示，可以直接选用低μ值的磁性材料和多个绕组烧制成一体成型的磁体111。
可选地，作为另一实施例，多个磁体111中的每一个磁体111的绕组117的绕制方向相同。
可选地，作为另一实施例，上颚120和下颚130的磁性材料都为高相对磁导率的磁性材料。
可选地，作为另一实施例，上颚120与下颚130通过粘接的方式分别与中柱110连接。
如图2a所示，本发明实施例还提供了一种磁体。磁体111包括电感113和主磁芯114，电感113包裹主磁芯114，电感113包括辅磁芯116和绕组117，绕组117嵌设在辅磁芯116内且环绕主磁芯114。根据本发明实施例的方法，制作磁体时不需要手工绕制绕组，能够把降低磁体的制作复杂度。
图2a示出了磁体111的截面图。如图2a所示，磁体111为一个圆柱体，应理解本发明实施例对磁体的形状不作限制，可以为圆柱体外的其它柱体。磁体111包括电感113和主磁芯114。其中，电感113为由磁性材料和绕组117烧制成的一体成型的空心柱。辅磁芯116位于绕组117的外侧。通常，绕组117外部包裹绝缘材料。应理解，由于加工工艺的问题，绕组117内侧(绕组117与主磁芯114之间)会有一层磁性材料。主磁芯114为由磁性材料烧制成的柱体，被电感包裹，共同形成磁体111。
可选地，作为另一实施例，主磁芯114的磁性材料为高相对磁导率的磁性材料，电感113的辅磁芯116的磁性材料为高相对磁导率的磁性材料，主磁芯114与电感113通过粘接的方式连接。
其中，主磁芯114与电感113之间的粘接方法，可以参照图3所述的方法，为避免重复，在此不再赘述。
可选地，作为另一实施例，主磁芯114的磁性材料为高相对磁导率的磁性材料，电感113的辅磁芯116的磁性材料为低相对磁导率的磁性材料，主磁芯114与电感113通过烧结的方式连接，或者主磁芯114与电感113通过粘接的方式连接。
其中，主磁芯114与电感113之间的连接方法，可以参照图3和图4所述的方法，为避免重复，在此不再赘述。
图7是本发明实施例的多电平逆变器的示意性框图。如图7所示，多电平逆变器700包括功率组件140和耦合电感100，可以将直流电变换为交流电。
功率组件140，用于对直流信号进行功率变换，输出多路电信号。
耦合电感100，用于对功率组件140输出的多路电信号进行耦合处理，输出一路多电平信号。其中，耦合电感100具有前述所述的结构，为避免重复，在此不再赘述。
图8是本发明实施例的耦合电感的制作方法的示意性流程图。
801，将绕组放入模具中，并在模具中注入磁性材料；
802，将绕组和磁性材料烧制为一体的空心柱，形成电感；
803，在空心柱内设置磁芯，形成磁体；
804，将多个磁体的上端分别与上颚连接、下端分别与下颚连接，形成耦合电感。
这样，本发明实施例避免了手工绕制绕组，进而降低了耦合电感的加工复杂度。同时，本发明实施例的耦合电感中不同的磁体之间有着较高的一致性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种耦合电感，其特征在于，包括：
中柱(110)，包括多个磁体(111)，所述多个磁体(111)中的每一个磁体(111)包括电感(113)和主磁芯(114)，所述电感(113)包裹所述主磁芯(114)，所述电感(113)包括辅磁芯(116)和绕组(117)，所述绕组(117)与所述辅磁芯(116)一体成型，形成所述电感(113)，所述电感(113)环绕所述主磁芯(114)；
上颚(120)，与所述中柱(110)的上端连接；
下颚(130)，与所述中柱(110)的下端连接；
其中，所述上颚(120)、所述下颚(130)与所述主磁芯(114)共同形成磁通路。
2.根据权利要求1所述的耦合电感，其特征在于，所述电感(113)为一体的空心柱，所述主磁芯(114)设置在所述空心柱内。
3.根据权利要求1或2所述的耦合电感，其特征在于，所述主磁芯(114)的磁性材料为高相对磁导率的磁性材料，所述电感(113)的辅磁芯(116)的磁性材料为高相对磁导率的磁性材料，所述主磁芯(114)与所述电感(113)通过粘接的方式连接。
4.根据权利要求1或2所述的耦合电感，其特征在于，所述主磁芯(114)的磁性材料为高相对磁导率的磁性材料，所述电感(113)的辅磁芯(116)的磁性材料为低相对磁导率的磁性材料，所述主磁芯(114)与所述电感(113)通过烧结的方式连接，或者所述主磁芯(114)与所述电感(113)通过粘接的方式连接。
5.根据权利要求1或2所述的耦合电感，其特征在于，所述多个磁体(111)一体成型，形成所述中柱(110)。
6.根据权利要求1或2所述的耦合电感，其特征在于，所述多个磁体(111)中的每一个磁体(111)的绕组(117)的绕制方向相同。
7.根据权利要求1或2所述的耦合电感，其特征在于，所述上颚(120)和所述下颚(130)的磁性材料都为高相对磁导率的磁性材料。
8.根据权利要求1或2所述的耦合电感，其特征在于，所述上颚(120)与所述下颚(130)通过粘接的方式分别与所述中柱(110)连接。
9.一种磁体，其特征在于，包括电感(113)和主磁芯(114)，所述电感(113)包裹所述主磁芯(114)，所述电感(113)包括辅磁芯(116)和绕组(117)，所述绕组(117)与所述辅磁芯(116)一体成型，形成所述电感(113)，所述电感(113)环绕所述主磁芯(114)。
10.根据权利要求9所述的磁体，其特征在于，所述主磁芯(114)的磁性材料为高相对磁导率的磁性材料，所述电感(113)的辅磁芯(116)的磁性材料为高相对磁导率的磁性材料，所述主磁芯(114)与所述电感(113)通过粘接的方式连接。
11.根据权利要求9所述的磁体，其特征在于，所述主磁芯(114)的磁性材料为高相对磁导率的磁性材料，所述电感(113)的辅磁芯(116)的磁性材料为低相对磁导率的磁性材料，所述主磁芯(114)与所述电感(113)通过烧结的方式连接，或者所述主磁芯(114)与所述电感(113)通过粘接的方式连接。
12.一种多电平逆变器，其特征在于，包括：
功率组件(140)，用于对直流信号进行功率变换，输出多路电信号；
如权利要求1至7中任一项所述的耦合电感(100)，用于对所述功率组件(140)输出的多路电信号进行耦合处理，输出一路多电平信号。
13.一种耦合电感的制作方法，其特征在于，包括：
将绕组放入模具中，并在所述模具中注入磁性材料；
将所述绕组和所述磁性材料烧制为一体的空心柱，形成电感；
在所述空心柱电感内设置磁芯，与电感一起形成磁体；
将多个所述磁体的上端分别与上颚连接、下端分别与下颚连接，形成耦合电感。
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