CN109390135A - 电感器和电感器装置 - Google Patents

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Abstract

电感器(2)包括具有励磁线圈轴线(9)的励磁线圈(4)和具有相应的屏蔽线圈轴线(11)的至少一个屏蔽线圈(5)。励磁线圈轴线(9)和屏蔽线圈轴线(11)限定角度δ，其中：60°≤δ≤120°，优选地75°≤δ≤105°，并且优选地85°≤δ≤95°。电感器(2)被屏蔽，并且可以以简单灵活的方式实现电场和磁场的衰减。

Description

电感器和电感器装置
相关申请的交叉引用
欧洲专利申请EP 17 185 444.1的内容通过引用结合在本文中。
技术领域
本发明涉及电感器和包括这种电感器的电感器装置。
背景技术
实现电磁兼容性是一项具有挑战性的任务，因为开关模式电源(SMPS)的开关频率和转换时间正在增加。由于开关模式电源的开关动作，电场和磁场由电感器产生。为了防止这些场的过度辐射，电感器通常被屏蔽。
US 6,262,870B1公开了一种开关电源，其具有连接到开关变压器的开关元件。开关变压器包括环形圈，该环形圈围绕变压器，并且由导电材料形成。环形圈抑制或消除由变压器的结构和操作引起的静电干扰。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能够以简单灵活的方式实现电场和磁场的衰减的电感器。优选地，本发明的一个目的是提供一种有效地减小近场辐射且具有高屏蔽效率的电感器。
该目的通过一种电感器来实现，该电感器包括：
具有励磁线圈轴线的励磁线圈，
具有相应的屏蔽线圈轴线的至少一个屏蔽线圈，
其中，至少一个屏蔽线圈围绕励磁线圈，
其中，励磁线圈布置在至少一个屏蔽线圈的屏蔽线圈内部中，
其中，至少一个屏蔽线圈延伸穿过励磁线圈的励磁线圈内部，
并且其中，励磁线圈轴线和相应的屏蔽线圈轴线(11；11、14)限定角度δ，其中：60°≤δ≤120°，优选地75°≤δ≤105°，并且优选地85°≤δ≤95°。
通过布置至少一个屏蔽线圈使得励磁线圈轴线和相应的屏蔽线圈轴线之间的角度δ在60°≤δ≤120°的范围内，优选地75°≤δ≤105°，并且优选地85°≤δ≤95°，可以以简单灵活的方式减小励磁线圈的电辐射和磁辐射。优选地，角度δ是90°。励磁线圈轴线是励磁线圈的纵向轴线，而屏蔽线圈轴线是相关联的屏蔽线圈的纵向轴线。励磁线圈产生磁场(H场)，其根据麦克斯韦-法拉第方程沿着磁场的垂直方向产生电场(E场)，反之亦然。由于角度δ，至少一个屏蔽线圈有效地抑制了E场的辐射以及由此H场的辐射。本发明的电感器具有高屏蔽效率，并且能够减小近场辐射。通过屏蔽线圈的数量和/或屏蔽线圈层的数量和/或屏蔽线圈导线的直径可以以简单灵活的方式将屏蔽效率适配到期望的频率。优选地，电感器恰好具有一个屏蔽线圈。由于减小的部件级辐射，本发明的电感器可以在汽车应用中有利地适用。
根据励磁线圈的励磁线圈绕组的第一螺距角φE和至少一个屏蔽线圈的相应的第二螺距角φS，励磁线圈绕组和相应的屏蔽线圈绕组限定角度α，其中：30°≤α≤150°，优选地45°≤α≤135°，并且优选60°≤α≤120°。优选地，角度α是90°。
电感器能够以简单灵活的方式实现电场和磁场的衰减。通过围绕励磁线圈，至少一个屏蔽线圈有效地在多个不同的方向上屏蔽电场和磁场。至少一个屏蔽线圈绕组围绕所有励磁线圈绕组。该至少一个屏蔽线圈限定了相应的屏蔽线圈内部。屏蔽线圈内部受屏蔽线圈绕组限制。励磁线圈至少部分地布置在屏蔽线圈内部中，使得屏蔽线圈绕组围绕励磁线圈。励磁线圈限定励磁线圈内部。励磁线圈绕组限制励磁线圈内部。通过延伸穿过励磁线圈内部，至少一个屏蔽线圈围绕励磁线圈，并且有效地屏蔽电场和磁场。屏蔽线圈绕组围绕励磁线圈，由此延伸穿过励磁线圈内部。
其中在投影平面中限定角度δ的电感器优选地平行于励磁线圈轴线，从而以简单灵活的方式实现电场和磁场的衰减。角度δ保证至少一个屏蔽线圈关于励磁线圈的精确定位。优选地，也在投影平面中限定角度α。
其中励磁线圈是螺线管并且励磁线圈轴线是直线的电感器能够以简单的方式实现电场和磁场的衰减。由于励磁线圈轴线是直线，因此至少一个屏蔽线圈可以容易地定位成使得相应的屏蔽线圈轴线与励磁线圈轴线形成角度δ。
其中相应的屏蔽线圈轴线是曲线并且至少部分地围绕励磁线圈轴线的电感器能够以简单灵活的方式实现电场和磁场的衰减。由于至少一个屏蔽线圈被设计成使得相应的屏蔽线圈轴线是至少部分地围绕励磁线圈轴线的曲线，因此可以在多个不同的方向上屏蔽励磁线圈的电场和磁场辐射。因此，屏蔽效率很高。
其中至少一个屏蔽线圈是环形线圈并且相应的屏蔽线圈轴线是圆弧的电感器有效地减小了电场和磁场的辐射。由于至少一个屏蔽线圈是环形线圈，因此励磁线圈被至少一个屏蔽线圈包围，并且电场和磁场在多个不同的方向上被屏蔽。因此，屏蔽效率很高。
其中至少一个屏蔽线圈具有椭圆形屏蔽线圈绕组的电感器能够以简单灵活的方式实现电场和磁场的衰减。由于椭圆的形状，屏蔽线圈绕组以简单灵活的方式围绕励磁线圈，并且至少一个屏蔽线圈可适配于励磁线圈的轴向长度。屏蔽线圈绕组在沿着相应的屏蔽线圈轴线的视图中限定了椭圆形状。因此，至少一个屏蔽线圈有效地减小了电场和磁场的辐射。
其中在励磁线圈的励磁线圈内部布置有芯部并且至少一个屏蔽线圈在芯部和励磁线圈之间延伸的电感器保证了高屏蔽效率。该至少一个屏蔽线圈在芯部和励磁线圈之间延伸，使得屏蔽线圈绕组围绕励磁线圈，并且部分地在励磁线圈内部延伸。尽管有芯部，至少一个屏蔽线圈也能够实现电场和磁场的衰减。
其中励磁线圈和相应的屏蔽线圈通过绝缘材料(优选地是树脂)相对于彼此固定的电感器能够以简单灵活的方式实现电场和磁场的衰减。由于绝缘材料，励磁线圈和至少一个屏蔽线圈以期望的角度δ相对于彼此固定。优选地，绝缘材料是树脂。
其中至少一个屏蔽线圈形成至少一个屏蔽线圈层的电感器以方便灵活的方式保证电场和磁场的衰减，其中，对于至少一个屏蔽线圈层的数量N：1≤N≤8，优选地2≤N≤4。屏蔽效率随着屏蔽线圈层的数量N的增加而增加。另外，屏蔽线圈层的数量N可以适应于期望的频率范围。优选地，至少一个屏蔽线圈具有直径为d的屏蔽线圈导线，其中：0.01mm≤d≤3.2mm，优选地0.04mm≤d≤1.0mm，优选地0.06mm≤d≤0.6mm，优选地0.09mm≤d≤0.2mm。
在第一实施例中，电感器恰好具有一个屏蔽线圈，该屏蔽线圈包括至少一个屏蔽线圈层。在第二实施例中，电感器具有至少两个屏蔽线圈，其中，各屏蔽线圈具有至少一个屏蔽线圈层。该至少两个屏蔽线圈具有相同数量或不同数量的屏蔽线圈层。优选地，各屏蔽线圈恰好具有一个屏蔽线圈层，使得屏蔽线圈的数量等于屏蔽线圈层的数量N。
其中励磁线圈和至少一个屏蔽线圈被金属外壳包围的电感器有效地减小了电场和磁场的辐射。由于有效地减小了电场和磁场(优选地是由至少一个屏蔽线圈引起的电场和磁场)，因此金属外壳提高了屏蔽效率。
另外，本发明的一个目的是提供一种电感器装置，其以简单灵活的方式实现电感器的电场和磁场的衰减。
该目的通过一种电感器装置来实现，该电感器装置包括：
根据本发明的电感器，
参考节点，
其中，至少一个屏蔽线圈的至少一个引脚连接到参考节点。各屏蔽线圈具有第一引脚和第二引脚。通过将各屏蔽线圈的至少一个引脚连接到参考节点，有效地改善了电场和磁场的衰减。至少一个屏蔽线圈有效地屏蔽了由励磁线圈引起的电场和磁场的辐射。各屏蔽线圈的第一引脚或第二引脚或两个引脚连接到参考节点。例如，参考节点是励磁线圈的引脚或电感器装置的基部。参考节点优选地连接到地。各屏蔽线圈的未连接到参考节点的引脚优选地根本不连接。
其中至少一个引脚经由电容器连接到参考节点的电感器装置保证了电场和磁场的衰减。通过电容器，屏蔽效率可以适应于期望的频率范围。例如，屏蔽线圈的第一引脚经由第一电容器连接到参考节点，而屏蔽线圈的第二引脚经由第二电容器连接至参考节点。通过电容器，屏蔽效率可以适应于所需的频带。
从下面参考附图对几个实施例的描述中，本发明的其他特征、优点和细节将变得显而易见。
附图说明
图1示出根据本发明的第一实施例的电感器装置；
图2示出图1中的电感器的正视图，但是该电感器仅具有励磁线圈和屏蔽线圈，而没有芯部和金属外壳；
图3示出图2中的电感器的顶视图；
图4示出图3中的励磁线圈和屏蔽线圈的定位的示意图；
图5示出电场强度E根据与励磁线圈轴线的径向距离x变化的曲线图；
图6示出电场的衰减A根据屏蔽线圈导线的频率f和直径d变化的曲线图；
图7示出根据本发明的第二实施例的电感器装置；
图8示出根据本发明的第三实施例的电感器装置，其中，屏蔽线圈形成多个屏蔽线圈层；
图9示出根据本发明的第四实施例的电感器装置，该电感器装置具有第一屏蔽线圈和第二屏蔽线圈；以及
图10示出图9中的励磁线圈和屏蔽线圈的定位的示意图。
具体实施方式
图1至图6示出本发明的第一实施例。电感器装置1包括电感器2和参考节点R，该参考节点R由金属基部3形成，并且连接到地。例如，金属基部3连接到车辆的底盘。
电感器2包括励磁线圈4、屏蔽线圈5、磁芯部6和金属外壳7。在图1中，仅部分地示出金属外壳7。
励磁线圈4具有多个励磁线圈绕组E1至En，其限制励磁线圈内部8，并且限定纵向励磁线圈轴线9。N是励磁线圈绕组的数量。励磁线圈4是螺线管。相关的励磁线圈轴线9同中心地布置在励磁线圈内部8中，并且具有直线形状。励磁线圈4具有第一引脚pE和第二引脚pE'。
屏蔽线圈5具有多个屏蔽线圈绕组S1至Sm，其限制屏蔽线圈内部10，并且限定弯曲的纵向屏蔽线圈轴线11。M是屏蔽线圈绕组的数量。屏蔽线圈5是环形线圈，并且屏蔽线圈轴线11具有圆弧形状。屏蔽线圈5围绕励磁线圈4，从而使得励磁线圈4布置在屏蔽线圈内部10中。因此，作为圆弧形状的曲线，屏蔽线圈轴线11同中心地围绕励磁线圈轴线9。由于屏蔽线圈5围绕励磁线圈4，因此屏蔽线圈绕组S1至Sm延伸穿过励磁线圈内部8，并且具有椭圆形状。椭圆形状取决于励磁线圈4的轴向长度和励磁线圈绕组E1至En的数量n。屏蔽线圈绕组S1至Sm延伸穿过励磁线圈内部8，并且在磁芯部6和励磁线圈4之间沿着径向布置。
励磁线圈4和屏蔽线圈5在投影平面P上限定角度δ，其中：60°≤δ≤120°，优选地75°≤δ≤105°，并且优选地85°≤δ≤95°。投影平面P平行于励磁线圈轴线9。例如，角度δ＝90°。角度δ描述了励磁线圈轴线9和屏蔽线圈轴线11之间的旋转或旋转位移。
励磁线圈4关于垂直于励磁线圈轴线9的平面具有螺距角φE，而屏蔽线圈5关于垂直于屏蔽线圈轴线11的平面具有螺距角φS。根据螺距角φE和φS，励磁线圈绕组E1至En和屏蔽线圈绕组S1至Sm定义角度α，其中：30°≤α≤150°，优选地45°≤α≤135°，并且优选地60°≤α≤120°。
屏蔽线圈5具有第一引脚p1和第二引脚p1'。第一引脚p1连接到参考节点R，但是，第二引脚p1'根本不连接。
励磁线圈4、屏蔽线圈5、电磁线圈6和金属外壳7通过绝缘材料15相对于彼此固定。在图1中，仅部分地示出绝缘材料15。例如，绝缘材料15是通过固化来固定所述部件的树脂。
屏蔽线圈5恰好形成一个屏蔽线圈层L1。因此，屏蔽线圈层的数量N：N＝1。屏蔽线圈5具有直径为d的屏蔽线圈导线，其中：0.01mm≤d≤3.2mm，优选地0.05mm≤d≤1.0mm，优选地0.06mm≤d≤0.6mm，优选地0.09mm≤d≤0.2mm。
图5示出取决于与励磁线圈轴线9的径向距离的电场(E场)强度。x坐标是与励磁线圈轴线9的径向距离，而y坐标是电场E的强度。E0表示在没有屏蔽线圈5时的励磁线圈4的电场强度。E1表示所述电感器装置1的电场强度。E2表示在第二引脚p1'也连接到参考节点R时的电场强度。屏蔽线圈5有效地减小了电场的辐射以及由此所产生的磁场的辐射。
图6示出电场的衰减A根据对于屏蔽线圈导线的第一直径d1和屏蔽线圈导线的第二直径d2的频率f变化的曲线图，其中d1>d2。例如，屏蔽线圈导线是铜做的。屏蔽线圈层L1的厚度D取决于且等于屏蔽线圈导线的直径d。屏蔽线圈导线的直径d适应于在期望频率f下的期望衰减A。当期望的衰减频率增大时，趋肤深度减小。因此，也减小了屏蔽线圈导线的直径d。
图7示出根据本发明的第二实施例的电感器装置。与第一实施例不同，第一引脚p1经由第一电容器C1连接到参考节点R，而第二引脚p1'经由第二电容器C2连接到参考节点R。电容器C1和C2能够使电场和磁场的衰减调整到期望频带。可以在第一实施例的描述中发现关于电感器装置1的设计和功能的其他细节。
图8示出根据本发明的第三实施例的电感器装置1。与上述实施例不同，屏蔽线圈5具有数量N＝3个屏蔽线圈层L1至LN。屏蔽线圈层L1至LN形成厚度D，该厚度D取决于屏蔽线圈导线的直径d和数量N。屏蔽线圈层L1至LN的数量N、屏蔽线圈层L1至LN的厚度D和屏蔽线圈导线的直径d适应于电场和磁场在期望频率下的期望衰减。Ei表示励磁线圈绕组E1至En中的一个，而Sj表示屏蔽线圈绕组S1至Sm中的一个。可以在上述实施例的描述中发现关于电感器装置1的设计和功能的其他细节。
图9和图10示出根据本发明的第四实施例的电感器装置1。与上述实施例不同，电感器装置1包括第一屏蔽线圈5和第二屏蔽线圈12。第二屏蔽线圈12具有多个屏蔽线圈绕组S1'至Sk'，其限制第二屏蔽线圈内部13，并且限定第二纵向屏蔽线圈轴线14。励磁线圈4和第一屏蔽线圈5布置在第二屏蔽线圈内部13中。第二屏蔽线圈12是环形线圈，而第二屏蔽线圈轴线14是围绕励磁线圈轴线11的圆弧形状的曲线。第二屏蔽线圈绕组S1'至Sk'延伸穿过励磁线圈内部8，并且具有椭圆形状，该椭圆形状取决于励磁线圈4的轴向长度。
励磁线圈轴线9和第一屏蔽线圈轴线11限定角度δ，而励磁线圈轴线9和第二屏蔽线圈轴线14限定对应的角度δ'。对于角度δ'：60°≤δ'≤120°，优选地75°≤δ'≤105°，并且优选地85°≤δ'≤95°。优选地，δ＝δ'。第二屏蔽线圈12具有第二螺距角φS'。励磁线圈绕组E1至En和第二屏蔽线圈绕组S1'至Sk'限定角度α'，其取决于螺距角φE和φS'。对于角度α'：30°≤α'≤150°，优选地45°≤α'≤135°，并且优选地60°≤α'≤120°。
屏蔽线圈5、12形成数量N＝2个屏蔽线圈层L1至LN。第一屏蔽线圈5的第一引脚p1和第二屏蔽线圈12的第一引脚p2连接到参考节点R。第一屏蔽线圈5的第二引脚p1'和第二屏蔽线圈12的第二引脚p2'不连接。可以在上述实施例的描述中发现关于电感器装置1的设计和功能的其他细节。
电感器装置1和相关的电感器2的特征可以根据需要彼此结合，以实现在期望的频率下电场和磁场的期望衰减和期望的屏蔽效率。

Claims (12)

1.一种电感器，包括
具有励磁线圈轴线(9)的励磁线圈(4)，
具有相应的屏蔽线圈轴线(11；11、14)的至少一个屏蔽线圈(5；5、12)，
其特征在于
所述至少一个屏蔽线圈(5；5、12)围绕励磁线圈(4)，
励磁线圈(4)布置在所述至少一个屏蔽线圈(5；5、12)的屏蔽线圈内部(10；10、13)中，
所述至少一个屏蔽线圈(5；5、12)延伸穿过励磁线圈(4)的励磁线圈内部(8)，
励磁线圈轴线(9)和相应的屏蔽线圈轴线(11；11、14)限定角度δ，其中：60°≤δ≤120°。
2.根据权利要求1所述的电感器，其特征在于
在平行于励磁线圈轴线(9)的投影平面(P)上限定角度δ。
3.根据权利要求1所述的电感器，其特征在于
励磁线圈(4)是螺线管，而励磁线圈轴线(9)是直线。
4.根据权利要求1所述的电感器，其特征在于
相应的屏蔽线圈轴线(11；11、14)是曲线，并且至少部分地围绕励磁线圈轴线(9)。
5.根据权利要求1所述的电感器，其特征在于
所述至少一个屏蔽线圈(5；5、12)是环形线圈，并且相应的屏蔽线圈轴线(11；11、14)是圆弧。
6.根据权利要求1所述的电感器，其特征在于
所述至少一个屏蔽线圈(5；5、12)具有椭圆形的屏蔽线圈绕组(S1至Sm；S1至Sm、S1'至Sk')。
7.根据权利要求1所述的电感器，其特征在于：
在励磁线圈(4)的励磁线圈内部(8)布置芯部(6)，而所述至少一个屏蔽线圈(5；5、12)在芯部(6)和励磁线圈(4)之间延伸。
8.根据权利要求1所述的电感器，其特征在于
励磁线圈(4)和相应的屏蔽线圈(5；5、12)通过绝缘材料(15)相对于彼此固定。
9.根据权利要求1所述的电感器，其特征在于
所述至少一个屏蔽线圈(5；5、12)形成至少一个屏蔽线圈层(L1至LN)，其中，对于所述至少一个屏蔽线圈层(L1至LN)的数量N：1≤N≤8。
10.根据权利要求1所述的电感器，其特征在于
励磁线圈(4)和所述至少一个屏蔽线圈(5；5、12)被金属外壳(7)包围。
11.一种电感器装置，包括
电感器(2)，包括
具有励磁线圈轴线(9)的励磁线圈(4)，
具有相应的屏蔽线圈轴线(11；11、14)的至少一个屏蔽线圈(5；5、12)，
其中，所述至少一个屏蔽线圈(5；5、12)围绕励磁线圈(4)，
其中，励磁线圈(4)布置在所述至少一个屏蔽线圈(5；5、12)的屏蔽线圈内部(10；10、13)中，
其中，所述至少一个屏蔽线圈(5；5、12)延伸穿过励磁线圈(4)的励磁线圈内部(8)，
其中，励磁线圈轴线(9)和相应的屏蔽线圈轴线(11；11、14)限定角度δ，
其中：60°≤δ≤120°，
参考节点(R)，
其中，所述至少一个屏蔽线圈(5；5、12)的至少一个引脚(p1；p1、p1'；p1、p2)连接到参考节点(R)。
12.根据权利要求11所述的电感器装置，其特征在于
所述至少一个引脚(p1、p1')经由电容器(C1、C2)连接到参考节点(R)。
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