CN107258108A - 电感器、尤其是用于磁耦合的能量传输的电感器、以及用于使这种电感器工作的方法 - Google Patents

电感器、尤其是用于磁耦合的能量传输的电感器、以及用于使这种电感器工作的方法 Download PDF

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Abstract

一种尤其是用于磁耦合的能量传输的电感器(1)，具有线圈载体(2)，在其上布置有第一线圈(3)和第二线圈(4)。第二线圈(4)具有外直径D2，其大于第一线圈(3)的外直径D1。磁芯(14)围绕第一线圈(3)的纵向中轴线(M1)。第一线圈(3)以第一工作频率在第一功率范围中工作，而第二线圈(4)独立于第一线圈(3)地以第二工作频率在第二功率范围中工作。由此，可以用简单并且灵活的方式覆盖低功率范围和高功率范围中的应用。

Description

电感器、尤其是用于磁耦合的能量传输的电感器、以及用于使 这种电感器工作的方法
本申请要求申请号为DE 10 2015 202 032.0的德国专利申请的优先权，其内容通过引用整体合并于此。
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的电感器，尤其是用于磁耦合的能量传输的电感器。此外，本发明涉及一种用于使电感器工作的方法，尤其是用于磁耦合的能量传输。该电感器尤其是应当用于使用在家庭领域中，尤其是电磁炉中。
由EP 1 560 462 A2已知了一种用于电磁炉的电感器，其具有线圈载体，该线圈载体带有布置于其上的电感线圈。此外，电感器具有多个铁氧体棒，其相对于电感线圈的纵向中轴线径向走向，并且用作磁性接地装置。
本发明所基于的任务是，实现一种电感器，其能够以灵活并且有效的方式应用。电感器应当尤其是能够用于磁耦合的能量传输。
该任务通过具有权利要求1所述特征的电感器解决。电感器具有至少两个线圈或电感线圈，其中第一线圈(能够)以第一工作频率F1在第一功率范围中工作，而第二线圈(能够)以第二工作频率F2在第二功率范围中工作。工作频率F1和F2特别是不相同。第一线圈用于在低功率范围中的电感性能量传输，而第二线圈用于在高功率范围中的电感性能量传输。对于第一线圈在低功率范围中的传输功率P1，适用：0W≤P1≤300W，尤其是0W≤P1≤250W，并且尤其是0W≤P1≤200W。相应地，对于第二线圈以及必要时的第三线圈在高功率范围中的传输功率P2，适用：200W≤P2≤4.0kW，尤其是250W≤P2≤3.3kW，并且尤其是300W≤P2≤2.4kW。通过线圈的组合，可以用灵活的方式服务于具有不同所需功率等级的各种应用。因为线圈彼此独立地工作，即并不同时工作，避免了线圈的相互影响，由此在相应的功率范围中实现了高效率。第一线圈例如可以用于移动电话的无线充电，而第二线圈可以用于使具有较高功率的设备工作，所述设备例如为厨房多用机或者吸尘机器人。
为了实现不同的功率范围，第二线圈的外直径D2大于第一线圈的外直径D1。对于外直径D1，尤其是适用：10mm≤D1≤60mm，尤其是15mm≤D1≤55mm，并且尤其是20mm≤D1≤50mm。对于外直径D2，尤其是适用：100mm≤D2≤180mm，尤其是110mm≤D2≤160mm，并且尤其是120mm≤D2≤140mm。对于第二线圈的内直径d2，优选适用：d2>D1。
此外，第一线圈具有第一电感L1，对于其优选适用：1μH≤L1≤100μH，尤其是4μH≤L1≤50μH，并且尤其是5μH≤L1≤25μH。相应地，第二线圈具有第二电感L2，对于其优选适用：50μH≤L2≤150μH，尤其是70μH≤L2≤130μH，并且尤其是90μH≤L2≤120μH。
电感器保证了高效率。通过磁芯，更好地引导磁力线，由此减少了散射场。磁芯可以单件式地构建或者由多个芯元件组成。优选的是，磁芯是铁氧体芯。磁芯可以具有任意的闭合形状。磁芯例如具有多边形、圆形、半圆形、椭圆形或者半椭圆形的横截面形状。
根据权利要求2所述的电感器保证了高效率。控制单元确保第一线圈和第二线圈彼此独立地工作，尤其是仅仅彼此独立地工作。这尤其是意味着，第一线圈工作或者第二线圈工作。控制单元于是防止了第一线圈和第二线圈同时工作。
根据权利要求3所述的电感器保证了在低功率范围中的有效工作。施加到第一线圈上的电压U1具有0V到50V之间的幅度。流过第一线圈的电流I1具有0A到15A之间的幅度。
根据权利要求4所述的电感器保证了在第二线圈工作在高功率范围中时的高效率。施加到第二线圈上的电压U2具有0V到240V之间的幅度。流过第二线圈的电流I2具有0A到30A之间的幅度。
根据权利要求5所述的电感器在高功率范围中应用的情况下提高了灵活性。通过第三线圈，扩展或者完全充分利用高功率范围。对于外直径D3，优选适用：160mm≤D3≤250mm，尤其是170mm≤D3≤240mm，并且尤其是180mm≤D3≤230mm。此外，第三线圈具有第三内直径d3，对于其优选适用：d3>D2。第三线圈具有第三电感L3，对于其优选适用：20μH≤L3≤100μH，尤其是30μH≤L3≤90μH，并且尤其是50μH≤L3≤80μH。
第三线圈能够与第二线圈相关地工作。例如，为了提高功率而将第三线圈与第二线圈串联或者并联。优选的是，第三线圈仅仅能与第二线圈一同工作。相反地，第一线圈能够独立于第二线圈和第三线圈、尤其是仅仅独立地工作。为此，电感器尤其是具有控制单元，其相应地构建。
根据权利要求6所述的电感器保证了高效率，因为场力线以最优的方式被引导。芯优选具有闭合的圆形或者多边形、尤其是矩形的形状。优选的是，磁芯构建为环形芯，尤其是构建为铁氧体环形芯。
根据权利要求7所述的电感器保证了高效率。磁芯由多个芯元件组成，通过这种方式，可以用简单并且灵活的方式由制造技术上可容易制造的芯元件组装形状并且根据需求来优化。芯元件例如可以构建为棒，其组成构建为多边形的芯。此外，芯元件可以构建为圆弧，例如构建为四分之一圆弧或者半圆弧，并且组成为环形芯。芯元件优选构建为铁氧体芯元件。
根据权利要求8所述的电感器在第一线圈工作于低功率范围中的情况下以及在第二线圈工作于高功率范围的情况下都保证了高效率。优选的是，磁芯构建为环形芯，尤其是构建为铁氧体环形芯，其中对于环形芯的内直径dK适用：dK>D1。此外，优选对于环形芯的外直径DK和第二线圈的内直径d2，适用：d2>DK。
根据权利要求9所述的电感器保证了高效率。优选的是，磁芯和线圈布置在线圈载体的上侧上。该上侧例如在厨房设备应用的情况下直接安装在工作板之下或者嵌入工作板中。
根据权利要求10所述的电感器保证了高效率。磁棒能够实现对场力线的更佳引导，由此减少了散射场。优选的是，磁棒构建为铁氧体棒。棒尤其是围绕纵向中轴线旋转对称地布置。优选的是，电感器具有3至48、尤其是4至36、并且尤其是6至24个棒。
根据权利要求11所述的电感器保证了高效率。通过磁棒的布置，在两侧、尤其是在下侧的磁场被屏蔽。优选的是，磁芯布置在线圈载体的上侧上，而磁棒布置在线圈载体的下侧上。附加于或者替代磁棒，线圈载体的第二侧可以设置有屏蔽材料。
根据权利要求12所述的电感器保证了在高功率范围中的高效率。
根据权利要求13所述的电感器改善了热学特性，由此实现了高效率。穿通开口可以构建为孔和/或缝隙。附加地，电感器可以具有通风器，其结合穿通开口冷却至少一个线圈。优选的是，穿通开口构建在第二线圈和/或第三线圈的范围中。
根据权利要求14所述的电感器保证了高的灵活性和效率。通过第一线圈和/或第二线圈和/或必要时第三线圈的螺旋形的构型，可以实现相应线圈的所希望的匝数结合相应线圈的比较扁平的构型。相应的线圈可以在唯一的平面中或者在多个平面中螺旋形地缠绕。相应的线圈最高在八个平面中、尤其是最高在六个平面中、以及尤其是最高在四个平面中螺旋形地缠绕。相应的线圈在径向上具有相同的匝密度。
此外，本发明所基于的任务是，实现一种用于使电感器工作的方法，使得其能够以灵活并且有效的方式使用。
该任务通过具有权利要求15所述特征的方法来解决。根据本发明的方法的优点对应于已经描述的根据本发明的电感器的优点。通过线圈的彼此独立的工作，即尤其是仅仅不同时使具有工作频率F1和F2的线圈工作，在第一线圈工作时或者在第二线圈工作时不出现电感性能量传输的相互影响。由此，可以用简单并且灵活的方式服务于低功率范围中以及高功率范围中的应用。根据本发明的方法尤其是也可以借助于权利要求1至14的至少之一所述的特征来扩展。
本发明的其他特征、优点和细节从下面对多个实施例的描述中得到。其中：
图1示出了根据第一实施例的电感器的示意图；
图2示出了电感器的上侧的俯视图，其带有布置在线圈载体上的三个线圈和单件式的芯；
图3示出了带有多个磁棒的线圈载体的下侧的仰视图；
图4示出了沿着图3中的切割线IV－IV穿过电感器的第一截面图；
图5示出了沿着图3中的切割线V－V穿过电感器的第二截面图；
图6示出了不带线圈的线圈载体的透视图；
图7示出了根据第二实施例的电感器的上侧的俯视图，其带有芯元件组成的芯。
下面借助图1至图6描述本发明的第一实施例。电感器1具有线圈载体2，在其上布置有三个线圈3、4、5。线圈3、4、5与逆变器6连接，该逆变器通过具有电网电压UN和电网频率fN的供电网络7来馈电。逆变器6借助控制单元8来控制，该控制单元与输入单元9信号连接。电感器1例如是用于电感性耦合地传输能量或供给能量的装置的部分。电感器1尤其是用于使用在家庭领域中，例如使用在电磁炉中。
线圈载体2片状地构建，并且具有纵向中轴线M。在其上侧S1上，线圈载体2构建用于线圈3至5的三个容纳区域A1、A2和A3。第一线圈3布置在容纳区域A1中的线圈载体2的上侧S1上。第一线圈3与线圈载体2同心地布置，使得第一线圈3的纵向中轴线M1与纵向中轴线M重合。第一线圈3螺旋状地缠绕，并且具有两个端子线10、11。端子线10、11通过线圈载体2中的关联的穿通开口12、13朝向其下侧S2引导，并且从那里引导至逆变器6。
第一线圈3用于在低功率范围中的电感性能量传输。低功率范围例如在0W到200W之间。第一线圈3例如具有以下特性数据：
外直径D1＝50mm
电感L1＝6.3μH
直流电阻R1DC＝48mΩ
第一线圈3被磁芯14包围。磁芯14由此围绕第一线圈3的纵向中轴线M1。磁芯14单件式地构建。芯14尤其是构建为铁氧体环形芯。
磁芯14在线圈载体2的上侧S1上布置于第一线圈3和第二线圈4之间。磁芯14具有内直径dK，对于其适用：dK>D1。
第二线圈4在线圈载体2的上侧S1上布置在容纳区域A2中，并且包围磁芯14。磁芯14例如具有70mm的外直径DK和5mm的高度HK。
第二线圈4螺旋状地缠绕并且具有端子线15、16。端子线15、16通过关联的穿通开口17、18引导至线圈载体2的下侧S2。端子线15、16从那里引导至逆变器6。第二线圈4相对于线圈载体2同心地布置，使得第二线圈4的纵向中轴线M2与线圈载体2的纵向中轴线M重合。第二容纳区域A2由环形的内部接片19形成边界。
第二线圈4用于在高功率范围中的电感性能量传输。高功率范围例如在200W到4.0kW之间。第二线圈4例如具有以下特性数据：
内直径d2＝72mm
外直径D2＝140mm
电感L2＝100μH
直流电阻R2DC＝45mΩ
对于第二线圈4，此外适用：d2>DK并且由此D1<d2<D2。
因为第一线圈3和第二线圈4覆盖不同的功率范围，所以控制单元8构建为，使得第一线圈3和第二线圈4可以彼此独立地工作。这意味着，仅仅可以使第一线圈3或者第二线圈4工作。
第三线圈5在线圈载体2的上侧S1上布置在容纳区域A3中，并且包围第二线圈4和环形的内部接片19。容纳区域A3由环形的内部接片19和环形的外部接片20形成边界。
第三线圈5螺旋状地缠绕并且具有端子线21、22。端子线21、22通过关联的穿通开口23、24引导至线圈载体2的下侧S2。端子线21、22从那里引导至逆变器6。第三线圈5相对于线圈载体2同心地布置，使得第三线圈5的纵向中轴线M3与线圈载体2的纵向中轴线M重合。
第三线圈5用于在高功率范围中的电感性能量传输。第三线圈5例如具有以下特性数据：
内直径d3＝180mm
外直径D3＝214mm
电感L3＝60μH
直流电阻R3DC＝45mΩ
因为第三线圈5包围第二线圈4，所以适用：d3>D2。
线圈3、4、5可以在单个平面中或者在多个平面中螺旋状地缠绕。在本实施例中，线圈3、4、5分别在两个平面中螺旋状地缠绕。线圈3、4、5在径向上具有相同的匝密度。
第三线圈5优选仅仅可以与第二线圈4关联地工作，例如其方式是，第三线圈在需要时与第二线圈4并联或者串联。例如，第二线圈4仅仅覆盖高功率范围的第一部分范围，使得通过第三线圈5的附加运行可以覆盖高功率范围的剩余的第二部分范围。相应地，控制单元8构建为，使得第三线圈5仅仅可以与第二线圈4关联地工作。第三线圈5对应于第二线圈4可以独立于第一线圈3地工作。换而言之，第一线圈3可以独立于线圈4和5地工作。
在下侧S2上，在线圈载体2上构建有多个容纳部25，其在容纳区域A2和A3之下关于纵向中轴线M或M1径向走向。在容纳部25中布置有磁棒26，其尤其是构建为铁氧体棒。棒26在第一线圈3的容纳区域A1之外在线圈4、5的容纳区域A2和A3中延伸。
为了冷却线圈4、5，线圈载体2在容纳区域A2和A3中具有多个穿通开口27、28。穿通开口27、28例如圆形和/或缝隙状地构建。在容纳区域A3中构建的穿通开口28例如具有比在容纳区域A2中构建的穿通开口27更小的直径。
电感器1的工作方式如下：
在电感器1在低功率范围中工作的情况下，仅仅使第一线圈3工作。为此，借助输入单元9选出第一线圈3和所希望的传输功率P1，并且转达给控制单元8。控制单元8相应地控制逆变器6，并且为其预先给定第一工作频率F1和第一电压U1。逆变器6从所给的电网频率fN以及所给的电网电压UN在逆变器6的输出侧或者线圈侧设置由控制单元8预先给定的工作频率F1和电压U1。对于逆变器6的输出电压UW或者输出频率fW，由此理想地适用：fW＝F1以及UW＝U1。
对于第一工作频率F1适用：100kHz≤F1≤220kHz，尤其是100kHz≤F1≤210kHz，并且尤其是120kHz≤F1≤200kHz。
第一线圈3可以在0W到200W的低功率范围中工作，使得例如借助第一线圈3可以电感式地对便携式设备充电，该便携式设备例如是移动电话、智能手表、健康跟踪器(Fitnesstracker)、数码相机、婴儿监视器(Babyphone)、无线电设备或者遥控器。
通过磁芯14引导由第一线圈3产生的场力线并且减少散射场，由此在电感式能量传输的情况下实现了高效率。在第一线圈3工作时，第二线圈4和/或第三线圈5并不同时工作。
在电感器1工作于高功率范围中时，使第二线圈4工作以及必要时附加地使第三线圈5工作。为此，借助输入单元9选择线圈4和所希望的传输功率P2，并且传送给控制单元8。控制单元8相应地控制逆变器6，并且为其预先给定第二工作频率F2和第二电压U2。逆变器6设置工作频率F2和电压U2，使得在输出侧理想地适用：fW＝F2并且UW＝U2。控制单元此外为逆变器6预先给定：是否所希望的传输功率P2可以仅仅通过第二线圈4的工作来实现，或者附加地需要第三线圈5。当附加地需要第三线圈5时，则线圈4和5并联或者串联。这示意性地在图1中示出。第三线圈5由此对应于第二线圈4地以工作频率F2和电压U2工作。
对于第二工作频率F2适用:40kHz≤F2≤250kHz，尤其是50kHz≤F2≤200kHz，并且尤其是60kHz≤F2≤120kHz。第二工作频率F2尤其是不同于第一工作频率F1。
磁芯14又引导磁力线，使得减少散射场。由此，在能量传输时实现了高效率。此外，所产生的磁场在下侧S2通过磁棒26屏蔽，由此同样实现了高效率。线圈4、5通过穿通开口27、28冷却。必要时，为此可以附加地使用未示出的通风器。
下面借助图7来描述本发明的第二实施例。不同于第一实施例，磁芯14由多个芯元件29组成。芯14环形地构建，并且由四个四分之一圆弧组成。通过磁芯14的组合，可以借助标准化的芯元件29用简单的方式形成芯14的各种形状。芯元件29尤其是构建为铁氧体芯元件。关于电感器1的进一步构型和进一步工作方式，参见前面所述的实施例。
根据本发明的电感器1能够以简单并且灵活的方式实现各种应用。第一线圈3使用在例如直到200W的低功率范围中，而第二线圈4以及必要时的第三线圈5使用在例如200W以上的高功率范围中。在低功率范围中，仅仅使第一线圈3工作，而在高功率范围中，仅仅使第二线圈4工作或者使第二线圈4和第三线圈5共同工作。不同线圈3、4、5的组合能够实现具有不同功率等级的不同应用。因为在低功率范围中的第一线圈3和在高功率范围中的第二线圈4或者必要时附加的第三线圈5从不同时工作，所以在低功率范围中以及在高功率范围中的能量传输情况下没有影响。通过磁芯14和磁棒26的组合，能够实现具有低损耗的通过电感式耦合的有效能量传输。
第一线圈3的端子线10、11可以构建为绞合线，并且具有0.1mm2至2.5mm2的横截面。端子线10、11可以用例如尼龙、丝线或者膜的材料来包覆。第二线圈和第三线圈4、5的端子线15、16、21、22可以构建为绞合线并且具有0.5mm2至5mm2的横截面。端子线15、16、21、22可以用例如尼龙、丝线或者膜的材料来包覆。
为了冷却线圈4、5，可以设置有通风器。可替选地或者附加地，可以设置冷却片。电感器1可以在一侧或者在两侧上用盖来覆盖。此外，电感器1可以被浇注。

Claims (15)

1.一种尤其是用于磁耦合的能量传输的电感器，具有：
－线圈载体(2)，
－布置在线圈载体(2)上的第一线圈(3)，用于在第一功率范围中的能量传输，该第一线圈具有第一外直径D1，
－布置在线圈载体(2)上的第二线圈(4)，用于在第二功率范围中的能量传输，该第二线圈具有第二外直径D2，其中第二外直径D2大于第一外直径D1，
其特征在于，
具有磁芯(14)，其围绕第一线圈(3)的纵向中轴线(M1)。
2.根据权利要求1所述的电感器，其特征在于，具有如下控制单元(8)：其构建为使第一线圈(3)和第二线圈(4)彼此独立地、尤其是仅仅彼此独立地工作。
3.根据权利要求1或2所述的电感器，其特征在于，具有如下控制单元(8)：其构建为使得第一线圈(3)以第一工作频率F1工作，其中对于第一工作频率F1适用：100kHz≤F1≤220kHz，尤其是110kHz≤F1≤210kHz，并且尤其是120kHz≤F1≤200kHz。
4.根据权利要求1至3之一所述的电感器，其特征在于，具有如下控制单元(8)：其构建为使得第二线圈(4)以第二工作频率F2工作，其中对于第二工作频率F2适用：40kHz≤F2≤250kHz，尤其是50kHz≤F2≤200kHz，并且尤其是60kHz≤F2≤120kHz。
5.根据权利要求1至4之一所述的电感器，其特征在于，具有布置在线圈载体(2)上的第三线圈(5)，其具有外直径D3，该外直径D3大于外直径D2。
6.根据权利要求1至5之一所述的电感器，其特征在于，所述磁芯(14)单件式地构建，尤其是构建为环形芯。
7.根据权利要求1至5之一所述的电感器，其特征在于，所述磁芯(14)由多个芯元件(29)组成。
8.根据权利要求1至7之一所述的电感器，其特征在于，所述磁芯(14)包围第一线圈(3)，并且尤其是布置在第一线圈(3)和第二线圈(4)之间。
9.根据权利要求1至8之一所述的电感器，其特征在于，所述磁芯(14)和/或线圈(3，4，5)布置在线圈载体(2)的第一侧(S1)上，尤其是布置在上侧上。
10.根据权利要求1至9之一所述的电感器，其特征在于，具有多个磁棒(26)，其关于第一线圈(3)的纵向中轴线(M1)径向地布置。
11.根据权利要求1至10之一所述的电感器，其特征在于，多个磁棒(26)布置在线圈载体(2)的第二侧(S2)上，尤其是布置在下侧。
12.根据权利要求10或11所述的电感器，其特征在于，这些磁棒(26)在第二线圈(4)和/或第三线圈(5)的容纳区域(A2，A3)中、尤其是在第一线圈(3)的容纳区域(A1)之外延伸。
13.根据权利要求1至12之一所述的电感器，其特征在于，线圈载体(2)具有多个穿通开口(27，28)，用于冷却线圈(4，5)的至少之一。
14.根据权利要求1至13之一所述的电感器，其特征在于，所述线圈(3，4，5)的至少之一螺旋形地构建。
15.一种用于使电感器工作的方法，所述电感器尤其是用于磁耦合的能量传输，具有以下步骤：
－提供带有第一线圈(3)和第二线圈(4)以及磁芯(14)的电感器(1)，该磁芯围绕第一线圈(3)的纵向中轴线(M1)，
－使第一线圈(3)以第一工作频率F1在第一功率范围中工作，以及
－独立于第一线圈(3)地使第二线圈(4)以第二工作频率F2在第二功率范围中工作。
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