CN111183581A - 具有磁热冷却的磁场的产生 - Google Patents

Abstract

一种设备，可以包括：用于产生直流电信号的直流电源；用于产生电脉冲的脉冲发生器；以及电气元件。脉冲发生器和直流电源可以电耦合在一起。电气元件可以接收直流电信号和电脉冲。电气元件可响应于接收到直流电信号而产生磁场以及响应于接收到电脉冲而冷却。

Description

具有磁热冷却的磁场的产生

技术领域

本发明涉及磁场的产生。更具体地，本发明涉及具有热电冷却的磁场的产生。

背景技术

电子电路可用于产生用于各种应用(例如马达)的磁场。这种类型的电路通常在操作期间产生热，这可能限制可以产生的磁场强度。例如，通常建立电流限制以确保电路不会过热。冷却电路可以增加电路接收额外电流的能力并产生更强的磁场。

发明内容

以下公开涉及磁场产生的改进。这里公开的实施例提供了具有热电冷却的磁场的产生的方法和设备。

在一个代表性实施例中，一种设备可包括：用于产生直流电信号的直流电源；用于产生电脉冲的脉冲发生器；以及电气元件。脉冲发生器和直流电源可以电耦合在一起。电气元件可以配置为接收直流电信号和电脉冲。电气元件可以被配置为响应于接收到直流电信号而产生磁场以及响应于接收到电脉冲而冷却。

在任何公开的实施例中，冷却电气元件可以增加电气元件接收直流电流的能力。在任何公开的实施例中，电气元件可包括电感元件。在任何公开的实施例中，电气元件可以具有大于1nH的电感。在任何所公开的实施例中，脉冲发生器可以配置成产生具有每秒至少100伏特的相对于时间的电压变化的电脉冲。

在任何公开的实施例中，该设备还可包括耦合到电气元件的能量回收元件。电气元件可以配置成使得当电气元件接收电脉冲时，电气元件将热转换成由能量回收元件接收的电能。在任何公开的实施例中，能量回收元件的输出可以耦合到直流电源。

在任何公开的实施例中，可以通过将直流电信号和电脉冲施加到变压器的相对绕组来组合直流电信号和电脉冲。例如，直流电信号和电脉冲中的一者可以施加到变压器的初级绕组，而直流电信号和电脉冲中的另一者可以施加到变压器的次级绕组。在任何公开的实施例中，电气元件和回收元件中的一者可以包括变压器的初级绕组，而电气元件和回收元件中的另一者可以包括变压器的次级绕组。

在另一代表性实施例中，一种设备可包括：用于产生直流电信号的直流电源；耦合到直流电源的第一电气元件；用于产生电脉冲的脉冲发生器；以及第二电气元件。第一电气元件可以被配置为接收直流电信号并响应于接收到直流电信号而产生磁场。第二电气元件可以配置成接收电脉冲并响应于接收到电脉冲而冷却。第一电气元件可以热耦合到第二电气元件，使得当第二电气元件被冷却时，第一电气元件被冷却。

在任何所公开的实施例中，第二电气元件可以被配置为响应于接收到电脉冲而将热转换成电能。在任何公开的实施例中，该设备还可包括能量回收元件，用于存储由接收电脉冲的第二电气元件产生的电能。在任何公开的实施例中，由第二电气元件产生的电能可以施加到直流电源。

在任何公开的实施例中，该设备还可包括连接到电气元件的振荡器。在任何公开的实施例中，该设备还可包括初级振荡器和连接到电气元件的次级振荡器。

在另一代表性实施例中，一种方法可以包括：产生直流电信号；产生电脉冲；将直流电信号和电脉冲组合成具有直流电信号分量和电脉冲分量的组合的电信号；以及将组合的电信号施加到电气元件。电气元件可以被配置为响应于接收到直流电信号分量而产生磁场以及响应于接收到电脉冲分量而冷却。

在任何公开的实施例中，电气元件可包括电感元件。在任何公开的实施例中，该方法可以进一步包括将由电气元件响应于接收到电脉冲而产生的电能施加到产生直流电信号的电源。

通过参考附图进行的以下详细描述，本发明的前述和其他目的、特征和优点将变得更加明显。

附图说明

图1是示例性磁场发生器的框图。

图2是包括能量回收元件的另一示例性磁场发生器的框图。

图3是示出图2的能量回收元件的进一步细节的框图。

图4是另一示例性磁场发生器的框图。

图5是另一示例性磁场发生器的框图。

图6是另一示例性磁场发生器的框图。

图7是包括振荡器的另一示例性磁场发生器的框图。

图8是包括初级振荡器和次级振荡器的另一示例性磁场发生器的框图。

图9是包括微处理器的另一示例性磁场发生器的框图。

图10示出了操作图1-9的磁场发生器的示例性方法。

具体实施方式

本公开涉及具有热电冷却的磁场发生器的实施例。磁场产生可用于各种应用，例如电动机、磁成像等。用于产生磁场的装置可包括线圈或螺线管，其中导体(例如，铜线)缠绕在芯部上(例如，空芯、铁芯)。围绕芯部的每匝绕组可以产生磁场，从而由装置产生的总磁场强度与绕组中的匝数成比例。装置的磁场强度也与通过线圈的电流量成比例。

当电流通过磁场装置的线圈时，线圈由于焦耳加热而变热。随着通过线圈的电流增加，线圈的温度增加。在某一温度下，由于过热，线圈可能不再正常工作，这会抑制线圈承载增加的电流的能力或者可能导致线圈物理降级。另外，随着线圈温度升高，其电阻可能增加，从而进一步降低其承载增加的电流的能力。因此，可以由装置产生的磁场强度受到线圈在击穿或失去功能之前可以经受的加热量的限制。

这种过热问题可以通过使线圈绝缘或使用可以在过热成为问题之前承载更多电流的较重规格的线材来减轻。然而，这些解决方案中的每个解决方案都增加了线圈的直径，这由此限制了线圈绕组可以包括的每单位体积的匝数，并且限制了可以产生的磁场强度。其他更精细的冷却线圈的方法会大大增加对装置进行操作的成本。因此，需要一种降低线圈温度的方法。本文公开了用于实现该目标的设备和方法。

图1示出了电路100的磁场产生系统的实施例。电路100包括直流电源102、脉冲发生器104和电气元件106。直流电源102可以产生恒定的直流(DC)电流。直流电源102可以包括电池、电容器、运算放大器(op-amp)或者可以输出直流电流的其他电源。电气元件106可以包括当向其施加直流电流时产生磁场的装置。在所示实施例中，电气元件106是电感器，电感器包括缠绕在芯部周围的线圈中的线材。当来自直流电源102的直流电流通过电感器106时，产生磁场。磁场的强度与直流电流的强度和线圈中的绕组数成比例。由直流电源102输出的直流电流量可以根据使用电路100的应用而变化。大多数马达需要0.1-10A的直流输出。电动汽车可能需要100-1000A。如上所述，当直流电流通过电感器106时，由于焦耳加热，其温度会升高并且该加热会限制由电路100产生的磁场强度。

脉冲发生器104可以是产生电脉冲的装置。在一些实施例中，脉冲发生器104可以以周期性的间隔产生连续的电脉冲流。理想地，脉冲发生器104产生电脉冲，其中脉冲发生器输出的电压在短时间内迅速增加。这可以通过具有短上升时间的方波，或者正弦波，锯齿波或具有高频率的类似输出电压波来完成。电路100可以通过脉冲发生器104的脉冲输出起作用，该脉冲发生器具有小到100V/s的dV/dt率(例如，在一段时间内的电压变化)。然而，脉冲发生器104可以输出具有至少100V/μs或甚至10,000至100,000V/μs或更高的dV/dt的脉冲。

当脉冲发生器104输出具有高dV/dt率的电脉冲时，电感器106将热能转换成电能并冷却，如本文所述。当由具有高dV/dt率的脉冲发生器104输出的电脉冲被施加到电感器106的一侧时，电气元件变得更冷并且在另一侧出现电压，电气元件的功率水平高于由脉冲发生器产生的功率水平。这样，脉冲发生器104输出的尖锐脉冲使电感器106将热能转换成电能，从而冷却电感器。由脉冲发生器104输出的脉冲的dV/dt率越高，热能转换为电能的量越大，并且电感器106就能被冷却得越多。这种现象可称为动能瞬变(KPT)。

在马达驱动中，电驱动器的瞬时方面可以被认为是相对于磁场变化率的直流信号。因此，尽管“驱动”可能看起来是具有电流反转的交流信号，但实际磁场及其效果是直流现象。上述KPT效应可以应用于时间尺度，使得来自电感器106中的焦耳加热的热到电能的转换是在这样的转换率下转换的，从而提供电感器的冷却。在外部，用于发生KPT效应的该信号可以被认为是交流信号以及交流驱动信号。然而，在实际发生冷却的较短时间尺度上，它由直流充分建模。

如图1所示，组合了直流电源102和脉冲发生器104的输出。由脉冲发生器104输出的电脉冲的幅度可以小于由直流电源102输出的电压的幅度。在所示实施例中，由脉冲发生器104产生的脉冲的幅度在电源102的直流电压的幅度的1-10％之间。此外，特别是如果脉冲具有高频率、窄脉冲宽度或者如果电感器具有高电感，电感器106通常对这些脉冲的响应很慢。在所示实施例中，电感器106的电感可以是至少1nH或更低，但是可以大于400μH。在所示实施例中，脉冲发生器104的输出具有至少2kHz的频率并且可以在1-5MHz之间。由于所有这些原因，由来自直流电源102的直流电流通过电感器106而引起的磁场可能被脉冲发生器104输出的脉冲稍微地改变，但基本上没有受到干扰。

在所示实施例中，由脉冲发生器104输出的脉冲具有正电压。然而，在一些实施例中，脉冲发生器104的输出对于至少部分脉冲可以是负的。在所示实施例中，直流电源102和脉冲发生器104的组合的输出信号是正电压，其具有围绕电源102的直流输出的扰动。然而，在一些实施例中，如果脉冲发生器输出的一部分脉冲的负电压大于直流电源的正电压，则直流电源102和脉冲发生器104的组合的输出在某些时间段期间可以是负的。

如果脉冲发生器104以周期性间隔连续输出电脉冲，则电感器106连续地将热能转换为电能并随每个脉冲冷却。这降低了由来自直流电源102的直流电流引起的电感器106的温度增加。这又允许来自直流电源102的电流增加而不会使电感器106过热。因此，这允许系统100产生比不存在脉冲发生器104的系统中可能的强度更大的磁场。或者，系统100可以用于从电感器106产生磁场，该电感器包括比在没有脉冲发生器104的系统中产生相同强度磁场所需的更小规格的线材。与能够产生可比较的磁场的其他电路相比，这可以降低电路100的成本和尺寸。

脉冲发生器104可以实现的电感器106冷却量取决于脉冲发生器输出的脉冲的dV/dt率，以及其他因素，包括构成电感器106的线材规格。在一些实施例中，由直流电源12输出的直流电流引起的电感器106的焦耳加热量被由脉冲发生器104的输出引起的冷却恰好抵消。在这些实施例中，电感器106产生磁场而根本不增加其温度，并且电路100可以被认为类似于超导体。

图2示出了另一个磁场产生电路200的示例性实施例。如图2所示，电路200包括直流电源102和脉冲发生器104，它们的输出被组合并被施加到电感器106上。与图1的示例一样，直流电源102的输出使电感器106产生磁场，而脉冲发生器104的输出引起电感器106冷却，从而增加电感器从直流电源102接收额外电流的能力并产生额外的磁场强度而不会过热。此外，电路200包括与电感器106并联的能量回收元件202。

如上所述，当电感器从具有高dV/dt率的脉冲发生器104接收电脉冲时发生的KPT效应不仅导致电感器106冷却，也会使电感器将热能转换为电能，从而在电感器上产生电压，其具有的电能大于直流电源102和脉冲发生器104的组合能量输出。在电路200中，该额外能量由能量回收元件202分接。在一些实施例中，能量回收元件202存储该产生的电能(例如，存储在电容器或电池中)。在其他实施例中，所产生的额外能量被馈送到直流电源102以帮助为电源供电。在这些实施例中，电感器106的焦耳加热用于至少部分地为电路200供电，从而降低了功率要求并提高了电路的效率。

图3示出了另一个磁场产生电路300的示例性实施例。在图3的实施例中，电路300包括直流电源102、脉冲发生器104、电感器106和能量回收元件202。在电路300中，能量回收元件202包括整流器302和电容器304、306。电容器304、306可以从电感器106中去除过量的交流(AC)分量而不中断直流电流的流动。整流器302可以将任何交流电转换为直流电并仅输出直流电。在一些实施例中，可以省略整流器302并且能量回收302可以输出交流电。尽管能量回收元件202被示出为在电感器106的正极分接，但是它可以耦合到电感器的负极。

图4示出了另一个磁场产生电路400的示例性实施例。在图4的实施例中，电路400包括直流电源102、脉冲发生器104、电感器106和整流器302。脉冲发生器104的输出可以耦合到线圈310，并且直流电源102的输出可以耦合到线圈312。线圈310、312可以缠绕在芯部314(例如，铁芯)上，使得它们包括变压器的初级和次级绕组，从而组合直流电源102和脉冲发生器104的输出。

电路400还可以包括线圈304和芯部306。电感器106和线圈304可以缠绕在芯部306上，以包含将电感器106耦合到线圈304的变压器。这允许将由电感器106产生的KPT效应产生的能量传递到线圈304。然后，整流器302可以将该能量转换为直流并存储或输出该电压。在一些实施例中，该电能可以输回到直流电源102，如上面结合图2所讨论的那样。

图5示出了另一个磁场产生电路500的示例性实施例。在图5的实施例中，电路500包括直流电源102、脉冲发生器104、电感器106、以及线圈304。在电路500中，直流电源102向电感器106提供直流电流以产生磁场。脉冲发生器104输出电脉冲，如上所述，电脉冲使得线圈304通过KPT效应将热能转换为电能，从而如上所述冷却线圈。电感器106和线圈304可以热耦合，使得热可以从电感器106传递到线圈304。在所示实施例中，电感器106和线圈304可以通过缠绕在相同的芯部周围而热耦合。在其他实施例中，电感器106和线圈304可以共享导热材料，导热材料允许它们之间的热传递，或者电感器106和线圈304可以定位成使得可以在它们之间辐射热。因此，当电感器106被焦耳加热所加热时，线圈304将通过KPT效应被冷却。因此，在电感器106和线圈304之间存在温度梯度。并且因为电感器106和线圈304是热耦合的，所以热从电感器106传递到线圈304，从而冷却电感器。这允许额外的电流施加到电感器106而不会过热，从而允许由电感器产生更强的磁场。

另外，如上所述，与脉冲发生器104输出的电功率相比，KPT效应使线圈304产生过剩电功率。在一些实施例中，该过剩电能被施加到直流电源102以帮助为直流电源供电。

图6示出了另一个磁场产生电路600的示例性实施例。除了电路600包括能量回收元件或负载602以外，电路600与电路500相同。如上所述，KPT效应使线圈产生的电能大于由脉冲发生器104输出的电能。在图6的示例性实施例中，该过剩能量由能量回收元件602存储。在一些实施例中，该过剩能量被施加到负载而不是被存储。

图7示出了另一个磁场产生电路700的示例性实施例。除了电路700包括与脉冲发生器104和线圈304串联耦合的振荡器702之外，电路700与图6的电路600相同。振荡器702可以是谐波振荡器，并且当由脉冲发生器104输出的脉冲触发时可以输出周期性振荡电压。一旦被脉冲发生器104输出的脉冲触发，振荡器702将周期信号输出到线圈304。振荡器702输出的信号强度随时间降低。然而，脉冲发生器104输出的每个后续脉冲都开始新的振荡周期。因此，即使脉冲发生器104输出脉冲宽度非常短的脉冲，振荡器702也可用于延长输入信号被供应至线圈304的时间量。

在操作中，图7的脉冲发生器104周期性地输出具有高dV/dt率的电脉冲。每个脉冲会导致振荡器702向线圈304输出振荡信号。线圈304可以冷却并将热能转换成电能，以增加其接收的电信号的功率。热可以从电感器106传递到线圈104从而为电气元件提供额外的热能以转换成电能。然后，能量回收元件602可以存储或消耗具有增加的功率的信号。

图8示出了另一个磁场产生电路800的示例性实施例。除了电路800包括初级振荡器802和次级振荡器804而不是单个振荡器702之外，电路800与图7的电路700相同。初级振荡器802可以类似于图7的振荡器702。次级振荡器804可以配置为当初级振荡器802响应来自脉冲发生器104的脉冲而输出振荡信号时，次级振荡器804输出谐振振荡信号，与初级振荡器802输出的振荡信号相比，所述谐振振荡信号具有更高的频率。这样，次级振荡器804可以放大施加到线圈304的信号。与先前的实施例一样，输出到能量回收元件602的电能大于由脉冲发生器104输出的电能。在图8的示例性实施例中，初级振荡器802和次级振荡器804被示出串联耦合在脉冲发生器104与线圈304之间。也可以使用其他配置，例如将线圈304设置在初级振荡器802与次级振荡器804之间。

图9示出了磁场产生电路900的另一示例性实施例。除了脉冲发生器104被包括微处理器902、开关904、906和电容器910的不同电路元件替换之外，电路900与图6的电路600类似。电路900可以包括可由微处理器902控制的第一开关904和第二开关906。微处理器902可以独立地打开和关闭开关904、906。第一开关904可以连接到电源908，且第二开关906可以接地。开关904、906可以并联，并且可以连接到电容器910。微处理器902可以交替地打开和关闭开关904、906以便输出方波。在第一时间间隔内，微处理器902可以关闭开关904并打开开关906。这使得来自电源908的电压被施加到电容器910上，从而导致正电压累积在电容器的一个板上。在第二时间间隔内，微处理器902可以打开开关904并关闭开关906。这使电容器910接地，从而导致电容器板上出现负电压。然后可以继续该过程，微处理器908重复打开开关904、906中的一个开关并关闭另一个开关，从而在电容器910的每个板上产生交替出现的一系列正电压和负电压。因此，电容器910输出的电压是具有高dV/dt率的方波。在一些示例中，开关904、906可以用晶体管(例如，CMOS晶体管)代替。

图10是概述操作具有热电冷却的磁场产生电路的示例方法的流程图，该方法可以在所公开技术的某些示例中执行。例如，所描绘的方法可以由电路100执行，并且下面的针对图1进行描述，但是也可以使用其他实施例。

在执行框1010，直流电源102产生直流电信号。在执行框1020，脉冲发生器104产生电脉冲。在执行框1030，组合由直流电源102输出的直流信号和由脉冲发生器104输出的电脉冲。组合信号产生具有直流信号分量和电脉冲分量的单个信号。在执行框1040，将组合的信号施加到电感器106以产生磁场。由于KPT效应，电感器106被冷却，使得可以在不过热的情况下向电感器施加更高的电流水平，从而产生比没有KPT效应时可能的更强的磁场。

鉴于可以应用所公开发明的原理的许多可能的实施例，应该认识到，所示实施例仅是本发明的优选示例，不应被视为限制本发明的范围。相反，本发明的范围由以下权利要求限定。因此，我们要求保护落入这些权利要求范围内的所有内容作为我们的发明。

Claims (15)

1.一种设备，包括：

用于产生直流电信号的直流电源；

用于产生电脉冲的脉冲发生器，其中所述脉冲发生器和所述直流电源电耦合在一起；以及

电气元件，所述电气元件被配置为接收所述直流电信号和所述电脉冲，其中，所述电气元件被配置为响应于接收到所述直流电信号而产生磁场，以及其中，所述电气元件被配置为响应于接收到所述电脉冲而冷却。

2.根据权利要求1所述的设备，其中冷却所述电气元件增加了所述电气元件接收直流电流的能力。

3.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述电气元件包括电感元件。

4.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述脉冲发生器被配置为产生具有每秒至少100伏特的相对于时间的电压变化的电脉冲。

5.根据任一前述权利要求所述的设备，还包括耦合到所述电气元件的能量回收元件；

其中，所述电气元件被配置成使得当所述电气元件接收所述电脉冲时，所述电气元件将热转换为由所述能量回收元件接收的电能。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述能量回收元件的输出耦合到所述直流电源。

7.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，通过将所述直流电信号和所述电脉冲施加到变压器的相对绕组来组合所述直流电信号和所述电脉冲。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述直流电信号和所述电脉冲中的一者被施加到所述变压器的初级绕组，而所述直流电信号和所述电脉冲中的另一者被施加到所述变压器的次级绕组。

9.一种方法，包括：

产生直流电信号；

产生电脉冲；

将所述直流电信号和所述电脉冲组合成具有直流电信号分量和电脉冲分量的组合的电信号；以及

将所述组合的电信号施加到电气元件；

其中，所述电气元件被配置为响应于接收到所述直流电信号分量而产生磁场，并且其中，所述电气元件被配置为响应于接收到所述电脉冲分量而冷却。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述电气元件包括电感元件。

11.根据权利要求9-10中的任一项所述的方法，还包括：

将由所述电气元件响应于接收到所述电脉冲而产生的电能施加到产生所述直流电信号的电源。

12.根据权利要求9-10中的任一项所述的方法，还包括：

将由所述电气元件响应于接收到所述电脉冲而产生的电能施加到能量回收元件。

13.根据权利要求9-10中的任一项所述的方法，还包括：

将由所述电气元件响应于接收到所述电脉冲而产生的电能施加到负载。

14.根据权利要求9-13中的任一项所述的方法，其中，将所述直流电信号和所述电脉冲组合成组合的电信号包括：将所述直流电信号和所述电脉冲中的一者施加到变压器的初级绕组，而将所述直流电信号和所述电脉冲中的另一者施加到变压器的次级绕组。

15.根据权利要求9-14中的任一项所述的方法，其中，所述电脉冲的一部分具有每秒至少100伏特的相对于时间的电压变化。

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