CN107077958A - 具有辅助绕组的感应电气组件 - Google Patents

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Abstract

描述了一种电气组件(10)、具有该组件(10)的电气电路(40)和操作该电气电路(40)的方法。电气组件(10)包括由缠绕在线轴(14)上的多个导体线匝组成的至少一个主绕组(16，18)。为了实现辅助绕组(54)的简单构造，至少一匝导体迹线(34)设置在线轴(14)的表面上用于形成辅助绕组(54)。在电气电路(40)中从辅助绕组(34)向集成电路元件(46)供给电气操作功率。

Description

具有辅助绕组的感应电气组件
技术领域
本发明涉及包括至少一个绕组的电气组件、包括这样的电气组件的电气电路和操作该电气电路的方法。更具体地，本发明涉及具有主绕组和辅助绕组的电气组件。
背景技术
已知的感应电气组件包括缠绕在线轴、即诸如心轴或圆柱体等的承载部件上的导体的至少一个绕组。这样的电气组件包括例如具有仅一个绕组(即，多匝的导体线)的电感器或传感器线圈，或者具有两个或更多绕组的电气变压器。在这里将称为主绕组的这些绕组提供了电感和/或感应耦合。它们可以用在很多不同的电气电路中。特别是在取决于选取的拓扑的开关模式电源中，电感器或变压器可以被用作能量存储和/或用于电压变换。
DE 10 2009 058 835 Al描述了一种具有包括至少两个绕组隔室的线圈承载件的传感器线圈。通过注射成型制成线圈承载件，并且在其通过MID(成型互连设备)技术制成的表面上直接施加金属导体迹线。导体迹线在承载件的表面上从插头触头基本上平行于轴向方向延伸。
在一些应用中，具有主绕组的感应组件已经与附加的辅助绕组、即与主绕组感应耦合地布置的一个或多个匝的另外的导体一起使用。一般情况下，辅助绕组包括相对少的匝，一般少于电气组件的主绕组。附加的辅助绕组可以在电气电路中用于不同目的，诸如例如用于测量、用于提供附加的电源等等。
这样的辅助绕组可以设置在线圈和变压器上作为与主绕组电气绝缘的一个或多个匝的另外的导体线。然而，必要的电气绝缘可能会增加组件的复杂性，并且辅助绕组的非常少的数量的匝的设置可能会造成其确切布置的问题。
发明内容
可以认为目的是提供具有简单构造的辅助绕组的电气组件。
该目的通过根据权利要求1的电气组件、根据权利要求12的电气电路并通过根据权利要求14的操作方法来解决。从属权利要求涉及本发明的优选实施例。
本发明人认识到了：如果辅助绕组与主绕组或甚至与多个主绕组一起简单地缠绕在线轴上，则不能确切地限定导线的非常少的匝的定位，并且将造成感应电压的相当大的公差。
根据本发明，提出了提供由设置在线轴的表面上的导体迹线组成的至少一个辅助绕组。这有助于组件的制造，并且可以帮助可靠地实现确切的定位并因此实现降低的公差。
虽然电气组件的主绕组、即线圈的情况中的单个电感器绕组或变压器的情况中的至少初级和次级绕组可以作为缠绕在线轴上的成匝的导体线而设置，但是辅助绕组作为导体迹线设置在其表面。如此设置的辅助绕组可以包括仅一个匝，但也可以形成为包括两个或更多匝，如下面针对优选实施例将说明的。辅助绕组被布置成感应地耦合至至少一个主绕组、即通过该绕组的可变电流在辅助绕组中感应出电流。优选地，主绕组和辅助绕组被围绕共有轴线和/或围绕共有铁磁芯缠绕。
线轴用作用于主绕组的承载件。它由电气非导电材料制成。在优选实施例中，线轴由塑料材料制成、例如通过注射成型制成。导体迹线可以通过称为成型互连设备(MID)的技术设置在其表面上。这样的MID技术的示例是激光直接结构化、双射注射成型或热压印。
根据本发明的一个优选实施例，线轴可以包括由至少一个凸缘轴向定界的一个绕组隔室、优选由在绕组隔室的两个轴向端部处的凸缘轴向定界。绕组隔室提供了用以保持缠绕的导体线的空间。主绕组被卷绕在所述绕组隔室内。优选在绕组隔室的凸缘上提供用于辅助绕组的导体迹线，通过凸缘与主绕组分离。凸缘的外轴向表面允许具有良好的感应耦合的辅助绕组的定位。此外，凸缘的材料提供了电气绝缘。
优选地，电气组件包括铁磁芯，其布置成使得至少主绕组围绕芯缠绕。优选的是，芯设置在线轴的开口内。在具有沿着纵向轴线直着延伸的至少一部分的线轴的情况中，芯优选轴向延伸。
如果超过一个的主绕组缠绕在线轴上，则优选提供通过绝缘体分离的围绕第一绕组缠绕的第二绕组。
在一个优选实施例中，辅助绕组包括至少两个匝的导体迹线。在该情况中，优选通过提供桥接元件来实现两个匝的辅助绕组的绝缘交叉。桥接元件优选在纵向方向上电导通，并且优选与至少一个匝的辅助绕组电气串联地布置，优选在两个匝之间。桥接元件通过提供针对与交叉的导体迹线的电气接触的绝缘(通过空气间隙或非导电材料，或两者)来允许导体迹线的交叉。例如，桥接元件可以是SMD组件。甚至可以利用具有充分低的电阻值、诸如1Ω或以下、优选1mΩ或以下的可用SMD电阻器，以获得充分的导电性。
在本发明的一个实施例中，设置了多个端子。端子中的两个可以被连接至主绕组。端子中的两个可以被连接至辅助绕组的端部。由电气绝缘材料制成的基板可以被固定至线轴，这包括基板和线轴可以被设置为共同成型的部件。电气端子可以设置在基板的一侧上的表面上。优选通过MID技术制成的导体迹线可以被设置成围绕基板延伸直到与第一侧表面相反的第二侧表面。如将结合优选实施例变得显而易见的，这可以用于容易地实现电气连接，特别是如果端子设置在基板的下侧面上，例如用于SMD接触。
根据本发明的进一步的优选实施例，至少一个表面安装器件(SMD)组件可以与至少一个导体迹线电气连接地设置在线轴上。该SMD组件可以例如被用作桥接元件以提供交叉。还有，另外的电路元件可以作为SMD组件被设置在线轴的表面上以形成电气电路。
本发明进一步涉及包括如上面所描述的电气感应组件的电气电路，其中辅助绕组被连接以用作电气电源。例如，电气电路可以包括需要电气操作功率的集成电路元件。集成电路元件可以包括用于其的电气供给端子。辅助绕组于是可以被连接至电气供给端子，使得在具有通过主绕组的变化的电流的组件的操作中，在辅助绕组中感应的电流用作用于集成电路元件的操作的电功率的源。
这可以对于包括被电气连接至主绕组中的至少一个的可控开关元件的电路特别有用，其中集成电路元件被设置成控制可控开关元件。如果可控开关元件被操作成在导通与非导通状态之间交替，那么时变电流流过主绕组，由此将电流感应到感应耦合的辅助绕组内。
特别是在开关模式电源(SMPS)中，以该方式通过辅助绕组向控制器IC供给功率是有用的。
本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施例中变得显而易见并参照这些实施例得以阐述。
附图说明
附图中：
图1示出变压器的第一实施例的立体图；
图2示出包括在线轴上的绕组的图1的变压器的分解图；
图3示出具有沿着图2中的线B..B截取的截面的图2的线轴的纵向截面图；
图4示出根据第二实施例的线轴的立体图；
图5示出具有沿着C...C截取的截面的图3的线轴的截面图；
图6示出包括了具有辅助绕组的变压器的第一电路的电路图；
图7示出包括了具有辅助绕组的电感器的第二电路的电路图。
具体实施方式
图1以立体图示出作为感应电气组件的一个示例的变压器10。如图1至图3所示，并且特别是在图2的分解图中，变压器10包括铁磁芯12的两个半部和具有作为主绕组的初级和次级绕组16、18的线轴14。绕组16、18作为围绕线轴14的纵向轴线A缠绕的成匝的导体线而设置。
线轴14通过注射成型由塑料材料制成，并且包括由第一和第二凸缘22、24在两个端部处轴向定界的绕组隔室20。线轴14的轴向中心包括用于接收铁磁芯12的开口26，如图2所示。
与线轴14以一个零件制成的基板设置有作为电导体端子30的多个针。
如图3的纵向截面图所示，初级绕组16和次级绕组18缠绕在彼此之上，其间设置有电气绝缘层32。初级和次级绕组16、18被包含在由凸缘22、24在两个端部处轴向定界的绕组隔室20内。应该注意的是，绕组16、18的单独的线在这里仅示出用于图示且未按比例绘制。对于各绕组的实际匝数可以变化。
变压器10进一步包括被设置为在线轴14的外表面上(即在该示例中在凸缘中的示出为图1至3中的左侧的一个的外表面上)的导体迹线34的辅助绕组54。
如图2所示，导体迹线34在两个电气端子30之间延伸，并且包括包围线轴14的轴向开口26的、在该实施例中以直角布置的多个区段。
如此形成的辅助绕组54包括仅一个绕组匝。由于平行于初级和次级绕组的导体的布置，并且由于围绕轴线A延伸的导体迹线34的布置，辅助绕组54与主绕组(初级和次级绕组16、18)处于良好的感应耦合。如果芯12被插入，则辅助绕组54围绕芯12的中心部分延伸。
导体迹线34是直接设置在线轴14的非导电塑料材料的表面上的平坦金属结构。线轴14通过注射成型制成，其中导体迹线34通过MID(模制成型互连设备)技术设置在其表面的一部分上。因此，导电材料的迹线直接形成在线轴14的表面上，该线轴可以作为一件热塑性材料而设置，其中导体迹线34不需要被进一步固定或施加至其上。
这样的MID技术的示例是例如激光直接结构化(LDS)、双射注射成型或热压印。在LDS中，线轴14的塑料材料掺杂有可由激光激活的金属-塑料添加剂。在注射成型工艺中形成了线轴14之后，激光将期望的导体迹线34写到其表面上，由此激活金属添加剂并且例如在铜浴中形成用于随后的金属化的衬底。
在双射注射成型中，使用两个不同的树脂，其中的一个是可电镀金属的(诸如例如ABS)，并且另一个是不可电镀金属的(例如，聚碳酸酯)。可电镀树脂以随后通过电镀工艺形成的导体迹线34的期望的形状而设置。
在热压印中，使用热冲压模具将导体迹线34压印在线轴14的塑料材料上。在升高的温度下，以一定压力将金属箔冲压到表面上，由此施加形成导电迹线34的箔。
图6示出包括具有感应耦合的初级绕组16、18和辅助绕组54的变压器10的示例性电气电路40。电路40是开关模式电源(SMPS)的示例，其中传输到输入端子42的输入电压VI被变换成施加到输出端子44之间的负载L的输出电压VO。
在图6所示的电路40内，变压器10的初级绕组16被连接到输入端子42并经由作为开关元件的晶体管T1接地。集成电路46充当控制开关元件T1被导通和关断的控制器，由此选择性地允许电流从输入端子42流过初级绕组16。
在变压器10的次级侧，次级绕组18经由二极管D1与负载L串联连接到输出44。电路40的拓扑被称为反激转换器。
集成控制器电路46要求操作功率来执行控制开关元件T1以在输出端子44处实现期望的电压和/或电流的功能。在初始启动时段，集成电路46由流过给电容器C1充电的启动电阻器R1的电流供电。在启动时段期间，集成控制电路46将消耗很少的功率。在稍后的开关操作期间，集成控制电路46要求比启动时段期间大得多的功率。
不是经由启动电阻器R1来供给操作功率(这将造成电阻器R1中的相当大的损耗)，而是从变压器10的辅助绕组54供给功率。当集成控制电路46控制开关元件T1以允许通过初级绕组16的电流以脉冲流动时，电流被感应到感应耦合的辅助绕组54内。
该电流通过整流器二极管D2整流并作为通过电容器C1稳定的操作功率被供给至集成控制电路46。
因此，图6所示的电路40是如何在包括变压器10的电路内使用辅助绕组作为用于同一电路的另一组件(在该情况中是控制开关元件T1的集成电路46)的电源的示例。
图4示出组件50的第二实施例的一部分。其中的仅线轴14的一部分示出在图4中的组件50大部分对应于根据图1至图3的组件10。同样的部件将用同样的参考数字指代。在下文中，将仅进一步说明差异。
组件50的线轴14还包括辅助绕组54。如第一实施例中那样，辅助绕组54由通过MID技术制成的形成在线轴14的表面上、即在凸缘22上的导体迹线34形成。
与根据第一实施例的组件10相比，组件50的辅助绕组54包括两匝导体迹线34。如图4所示，导体迹线34的下部设置在线轴14的基板28上，然而基板是线轴14的一体组件。
为了实现必要的电气绝缘交叉，SMD组件56设置在线轴14的表面上、在该示例中是在基板28上。SMD组件56是电气连接在由导体迹线34形成的两个SMD焊盘之间的低欧姆SMD电阻器，而另一导体迹线与SMD组件56电绝缘地在其下面通过。
因此，在电气端子58之间设置了感应耦合到主绕组16、18的具有两个匝的辅助绕组54。
如图5的纵向截面图所示，也通过MID技术形成在基板28的表面上的导体迹线60围绕基板28延伸，在基板28的下侧面上形成了作为SMD连接焊盘的端子58。
虽然已在附图和前述描述中详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
例如，虽然作为变压器的所描述的电气组件10、50各包括两个主绕组16、18，但是组件可以替代地设置为线圈、例如电感器线圈，其中仅一个主绕组缠绕在线轴(未示出)上。作为示例，图7示出电路70。电路70是具有升压转换器的拓扑的开关模式电源，使用了具有仅一个主绕组18的线圈72代替图6中的变压器40。如图7所示，集成电路46连续地控制开关T1打开和闭合，从而导致通过主绕组18的可变电流，和到由并联的电容器C2和电阻器R2组成的负载L的输出电压VO的供给。同样在这里，辅助绕组54可以将电气操作功率传输至集成电路46。
本领域技术人员可以在实践所要求保护的发明时从对附图、公开和随附权利要求的研究中理解并实现对所公开的实施例做出的其他变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。
某些措施仅在不同实施例中示出或者记载在相互不同的从属权利要求中这个纯粹的事实不表明这些措施的组合不能有利地使用。权利要求中的参考符号标记都不应该解释为限制范围。

Claims (14)

1.一种电气组件，包括：
-至少一个主绕组(16，18)，由缠绕在线轴(14)上的多个导体线匝组成，
-和至少一个辅助绕组(54)，由设置在所述线轴(14)的表面上的至少一匝导体迹线(34)组成。
2.根据权利要求1所述的电气组件，其中
-所述线轴(14)由塑料材料制成，
-并且所述导体迹线(34)通过成型互连设备(MID)技术而设置在所述线轴(14)的所述表面上。
3.根据权利要求2所述的电气组件，其中
-所述导体迹线(34)通过激光直接结构化、双射注射成型或热压印而设置在所述线轴(14)的所述表面上。
4.根据以上权利要求中的一项所述的电气组件，其中
-所述线轴(14)包括由至少一个凸缘(22，24)轴向定界的至少一个绕组隔室(20)，所述主绕组(16，18)被缠绕在所述隔室(20)内，
-其中所述导体迹线(34)通过所述凸缘(22)与所述主绕组(16，18)分离地设置在所述凸缘(22)上。
5.根据以上权利要求中的一项所述的电气组件，进一步包括：
-铁磁芯(12)，设置在所述线轴(14)的开口(26)内。
6.根据以上权利要求中的一项所述的电气组件，进一步包括：
-至少第一主绕组和第二主绕组(16，18)，各由在所述线轴(14)上的多个导体线匝组成。
7.根据权利要求6所述的电气组件，其中
-所述第二主绕组(16)的所述导体线通过绝缘体(32)与所述第一主绕组(18)的所述导体线匝分离地围绕所述第一主绕组(18)的所述导体线匝缠绕。
8.根据以上权利要求中的一项所述的电气组件，其中
-所述辅助绕组(54)包括至少两匝所述导体迹线(34)，
-其中桥接元件(56)提供绝缘交叉。
9.根据以上权利要求中的一项所述的电气组件，其中
-设置多个电气端子(30)，其中所述端子(30)中的两个被连接至至少一个主绕组(16，18)，并且其中所述端子(30)中的两个被连接至所述辅助绕组(54)。
10.根据权利要求9所述的电气组件，进一步包括
-基板(28)，由电气绝缘材料制成，所述基板(28)被固定至所述线轴(14)，
-其中所述端子(58)设置在所述基板(28)的第一表面上，
-并且其中设置在所述基板(28)的所述表面上的导体迹线(60)被电气连接至所述端子(58)，所述导体迹线(60)围绕所述基板(28)延伸直到其与所述第一侧表面相反的第二侧表面。
11.根据以上权利要求中的一项所述的电气组件，其中
-至少一个表面安装组件(56)与至少一个导体迹线(34)电气连接地设置在所述线轴(14)上。
12.一种电气电路，包括
-根据以上权利要求中的一项所述的电气组件(10，50)，
-至少一个集成电路元件(46)，包括用于电气操作功率的供给的电气供给端子，
-其中所述辅助绕组(54)被连接至所述电气供给端子以将电功率供给至所述集成电路元件(46)。
13.根据权利要求12所述的电路，其中
-至少一个可控开关元件(T1)被电气连接至至少一个主绕组(18)，
-并且所述集成电路元件(46)被设置成控制所述可控开关元件(T1)。
14.一种操作电气电路(40)的方法，所述电气电路(40)包括集成电路元件(46)和根据权利要求1至11中的一项所述的电气组件(10，50)，其中
-用时变电流来操作所述主绕组(16，18)，
-并且从感应到所述辅助绕组(34)内的电流向所述集成电路元件(46)供给电功率。
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