CN112106152A

CN112106152A - 具有高共模电感的电抗器

Info

Publication number: CN112106152A
Application number: CN201980033285.XA
Authority: CN
Inventors: T·霍瓦特
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Electronics AG; TDK Corp
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2020-12-18
Also published as: US20210202151A1; WO2019219921A1; DE102018112100A1

Abstract

具有高共模电感的电抗器（1）包括至少一个绕组以及磁芯（400），该磁芯具有至少第一支腿（10）和第二支腿（20）以及至少第一磁轭（30）和第二磁轭（40）。至少一个绕组放置在第一支腿（10）和第二支腿（20）中的至少一个上。第一磁轭和第二磁轭（30、40）中的至少一个具有至少一个气隙（50）。所提出的电抗器的设计使得能够通过增大的冷却效率来减小总体积。

Description

具有高共模电感的电抗器

技术领域

本发明涉及一种具有高共模电感的电抗器。该电抗器可以用于例如变频器（frequency converter）的DC链路中，其中可用空间受到严重限制。

背景技术

从谐波失真和EMC兼容性角度两者来看，电能的质量由相关标准调节。由于变频器是非线性负载，所以需要采取若干措施来满足标准并使其与电气干线兼容。两个关键的驱动谐波测量是总谐波含量（THC）和部分加权谐波含量（PWHC）。

为了维持这些，电感组件必须与变频器一起使用。电感组件可以是外部单元，也可以集成在驱动中。当前，最优选的解决方案是在驱动的DC链路中安装扼流圈（称为DC扼流圈或DC电抗器）。关于在变频器的DC链路中使用扼流圈的应用，扼流圈通常由常规的“UI”或“EI”芯制成，其中扼流圈用于耦合每个分支特定部分。

期望通过增大的冷却效率来提供具有高共模电感和小的总体积的电抗器。

发明内容

在权利要求1中规定了具有高共模电感的电抗器的实施例。

根据具有高共模电感的电抗器的实施例，电抗器包括至少一个绕组和磁芯。磁芯具有至少第一支腿和第二支腿、以及至少第一磁轭和第二磁轭。至少一个绕组被放置在第一支腿和第二支腿中的至少一个上。第一磁轭和第二磁轭中的至少一个具有至少一个气隙。

电抗器是一种滤波电感器，即，其中是磁芯的电感器，在其中是分支特定的支柱，在其周围布置分支特定的绕组。该解决方案具有特殊的特征，即，取决于应用，在磁轭中使用至少一个气隙。所提出的解决方案允许修改每个绕组之间的耦合，这是通过在磁轭中并因此在每个绕组之间的磁路中使用至少一个气隙，从而增大其磁阻。

通过在磁轭中使用间隙，可以使相应的磁轭以及因此磁芯“打开（open）”。所提出的电抗器的设计概念的主要优点是由于磁轭的“打开”而导致的增大的有效冷却表面。至少一个气隙使得气流能够通过窗，而使得绕组的冷却能力比使用常规的设计概念（例如“UI”、“EI”、UU”、“EE”的磁芯）的情况下更好。如果应用强制空气冷却，则可以最显著地发挥积极作用。然而，在自然惯例的情况下，确保通过磁轭通向空气的路径可能会具有积极影响。

此外，对于变频器应用，电抗器/电感器的磁特性（诸如共模电感和差模电感之比）将更优选。由于相对较高的共模电感，其中使用电抗器满足相关标准（例如IEC6100-3-12）要求的变频器的EMC滤波将更加容易。附加优点是由于较少的材料含量而导致的成本效益。

附加的特征和优点在下面的详细描述中阐述，并且部分地将从描述中对于本领域技术人员而言是显而易见的，或者通过实施如书面描述及其权利要求书以及所附附图中所描述的实施例而识别出。应理解，前面的一般描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，并且旨在提供概述或框架以理解权利要求的性质和特性。

附图说明

附图被包括以提供进一步的理解，并且并入在说明书中并构成说明书的一部分。附图示出了一个或多个实施例，并且与详细描述一起用于解释各种实施例的原理和操作。这样，根据结合附图进行的以下详细描述，将变得更充分理解本公开，在所述附图中

图1示出了具有磁路的两个分支特定部分的电抗器的概念的第一实施例；

图2示出了具有磁路的两个分支特定部分的概念的第二实施例；

图3示出了具有磁路的两个分支特定部分的概念的第三实施例；

图4示出了具有磁路的三个分支特定部分的概念的第一实施例；

图5示出了具有磁路的三个分支特定部分的概念的第二实施例；

图6示出了具有磁路的三个分支特定部分的概念的第三实施例；

图7示出了具有磁路的三个分支特定部分的概念的第四实施例；

图8示出了具有磁路的三个分支特定部分的概念的第五实施例；

图9示出了具有磁路的三个分支特定部分的概念的第六实施例；和

图10示出了具有高共模电感的电抗器的实施例的饱和曲线。

具体实施方式

具有高共模电感的电抗器/扼流圈1的实施例包括至少一个绕组和磁芯400。磁芯400具有至少第一支腿10和第二支腿20、以及至少第一磁轭30和第二磁轭40。至少一个绕组被放置在第一支腿10和第二支腿20中的至少一个上。第一磁轭30和第二磁轭40中的至少一个具有至少一个气隙50。

当在至少一个绕组中生成电流时，在磁芯400中生成磁场，使得磁场在磁芯400内从第一支腿10经由第一磁轭30被引导至第二支腿20，并且从第二支腿20经由第二磁轭40被引导至第一支腿10。第一支腿10和第二支腿20竖直地定向，并且第一磁轭30和第二磁轭40垂直于第一支腿和第二支腿（例如，水平地）定位。

图1至图3示出了电抗器1的各种实施例，其中，存在至少一个绕组100和第二绕组200。第一绕组100被放置在第一支腿10上，并且第二绕组200被放置在第二支腿20上。根据图1至图3所示的电抗器的实施例，电抗器包括两个支腿10和20，除了磁轭30和40之外，在这些支腿之间没有任何附加支腿/连接。支腿10、20和磁轭30、40具有相同的材料。

根据图1所示的电抗器的实施例，第一支腿10具有面向磁芯400内部的内侧面11。第二支腿20具有面向磁芯400内部的内侧面21。第一磁轭30具有面向第二支腿20的内侧面21的正面31。第二磁轭40具有面向第一支腿10的内侧面11的正面41。

磁芯400包括至少第一芯部410和第二芯部420。第一芯部410包括第一支腿10和第一磁轭30。第一支腿10和第一磁轭30被布置成使得第一芯部410具有第一L形结构。第一L形结构由一件制成。第二芯部420包括第二支腿20和第二磁轭40。第二支腿20和第二磁轭40被布置成使得第二芯部420具有第二L形结构。第二L形结构由一件制成。

至少一个气隙50包括第一气隙51和第二气隙52。第一气隙51布置在第一磁轭30中，并且第二气隙52布置在第二磁轭40中，使得第一芯部410和第二芯部420布置成彼此间隔开。

特别地，第一芯部410和第二芯部420布置成使得第一气隙51布置在第一磁轭30中，以使得第一磁轭30的正面31布置成与第二支腿20间隔开。如图1所示，第一芯部410和第二芯部420布置成使得第一气隙51布置在第一磁轭30中，以使得第一磁轭的正面31和第二支腿20的内面21布置成彼此间隔开。

根据图1中所示的电抗器1的实施例，第一芯部410和第二芯部420布置成使得第二气隙52布置在第二磁轭40中，以使得第二磁轭40的正面41布置成与第一支腿10间隔开。特别地，第一芯部410和第二芯部420布置成使得第二气隙52布置在第二磁轭40中，以使得第二磁轭40的正面41和第一支腿10的内面11布置成彼此间隔开。

图2和图3示出了电抗器1的其他实施例，其中，除了布置在第一磁轭30中的气隙51和布置在第二磁轭40中的第二气隙52之外，第一支腿10和第二支腿20中的至少一个具有至少一个其他气隙60。第一支腿10可以具有至少第三气隙61，并且第二支腿20可以具有至少第四气隙62。

根据图2所示的电抗器1的实施例，在第一支腿10中布置气隙61，并且在第二支腿20中布置第四气隙62。根据图3所示的电抗器1的实施例，第一支腿10具有气隙62a和附加气隙62b。第二支腿20具有气隙62a和附加气隙62b。

根据图2和图3所示的电抗器/扼流圈1的实施例，第一芯部410和第二芯部420分别被配置为C形部。在磁轭30中设置气隙51，并且在磁轭40中设置另一气隙52。磁轭30中的气隙51布置成使得磁轭30的正面31、32和磁轭40的正面41、42被设置成彼此相距一定距离。

关于图1至图3所示的电抗器的实施例，磁芯400的优选形状是如图1所示的L形。与具有一个或两个间隙的常规设计相比，该形状允许更大、更实用和有用的气隙尺寸，以使得电感的线性在过载条件下将更好。磁芯400的第一芯部410和第二芯部420的L形结构的附加优点是，扼流圈/电抗器的每个分支特定部分的自感将高于I形结构将用于磁芯的情况下的扼流圈/电抗器的每个分支特定部分的自感。

与部分地使分支特定部分解耦的相对较大气隙结合的这种现象导致了明显的共模电感、以及共模电流的滤波。在图2和图3所示的更复杂的实施例的情况下，可以通过支腿中的气隙和磁轭中的气隙之比来调整CM（共模）电感和DM（差模）电感之比。

磁轭中的气隙充满空气。不使用填充物以确保空气可以流过。然而，支腿中的气隙60、61、61a、61b、62、62a、62b可以填充有一些非磁性材料。没有金属材料是高度优选的。

图4至图9示出了各种电抗器的实施例，其允许将图1至图3中所示的概念扩展到三相应用。用于两个分支特定磁部的在图1至图3中使用的至少一个磁轭中具有至少一个气隙的电抗器的概念也可以与三个分支特定磁部一起使用。带间隙的磁轭的解耦作用也将增大扼流圈的CM电感。基于应用所需的磁能，也可以使用支腿中的一个或多个气隙。磁芯400的各个芯部的不同形状（诸如“L”、“T”、“C”和“I”）的组合可以用于实现期望的磁性能。三个分支特定磁部的概念的一些实施例由图4至9表示。

图4至图6示出了电抗器/扼流圈1的各种实施例，其中，磁芯400包括第一芯部410、第二芯部420和第三芯部430。三个芯部410、420和430可以具有相同的材料。第一芯部410和第二芯部420被配置为C形部，并且中间芯部430被配置为H形部。在第一磁轭30中设置气隙51a、51b，并且在第二磁轭40中设置气隙52a、52b。第一绕组100被放置在第一支腿10上，第二绕组200被放置在第二支腿20上，并且第三绕组300被放置在第三支腿70上。所有三个绕组都处于不同的电势，并且因此适当地彼此绝缘。换句话说，绕组的线圈之间没有任何电连接。

根据图5和图6所示的电抗器1的实施例，在第一芯部410的第一支腿10、第二芯部420的第二支腿20和第三芯部430的第三支腿70中设置附加气隙60。图5示出了电抗器的实施例，其中每个支腿10、20和70分别包括一个气隙61、62和63。图6示出了电抗器1的另一实施例，其中每个支腿10、20和70包括两个气隙61a、61b、62a、62b和63a、63b。因此，在绕组中设置气隙。

图7至图9示出了电抗器1的其他实施例，包括具有第一芯部410、第二芯部420和第三芯部430的磁芯400。第一芯部410和第二芯部420分别配置为C形结构。第一绕组部分430被配置为I形结构。三个芯部410、420和430可以具有相同的材料。

第一绕组100放置在第一支腿10上，第二绕组200放置在第二支腿20上，并且第三绕组300放置在第三支腿70上。所有三个绕组都处于不同的电势，并且因此适当地彼此绝缘。换句话说，绕组的线圈之间没有任何电连接。

根据图7至图9所示的电抗器1的实施例，在磁轭30中设置气隙51a、51b。此外，在磁轭40中设置气隙52a、52b。图8和9示出了电抗器1的实施例，其中支腿10、20和70附加地包括至少一个气隙60。图8示出了电抗器1的实施例，其中每个支腿10、20和70包括一个气隙61、62和63。根据图9所示的电抗器1的实施例，磁芯部410的支腿10包括两个气隙61a、61b。第二磁芯部420的支腿20具有两个气隙62a、62b，并且第三磁芯部430的支腿70包括两个气隙63a和63b。

参考图1至图9所示的电抗器1的各种实施例，气隙的数量必须分别通过设计来限定。可以在磁芯的磁轭（即，水平部分）中使用一个或多个气隙。如果应用所需的存储磁能在一定级别以下，则可以使用不带气隙的磁芯的支腿（即，竖直部分）。然而，如果需要高过载能力而使得电感器必须存储更多的磁能，则必须使用支腿中的一个或多个气隙来实现所需的磁性能，诸如电感对电流（L对I）特性（饱和曲线）。

支腿和绕组的数量也等于所连接电路的每个电势的数量。在DC“+”和“-”的情况下，电抗器包括两个支腿。在三相励磁L1、L2和L3的情况下，电抗器包括三个支腿。

电抗器的电感对电流特性可以分别通过匝数、芯横截面和气隙的组合进行调整。通过改变绕组匝数、芯横截面、以及气隙的数量和尺寸，可以达到应用所需的饱和度。

图1至图9的电抗器/扼流圈1的不同实施例的磁芯400的材料必须是铁磁材料。不同芯部410、420和430的固定可以以能够保证限定的气隙尺寸的任何方式进行。例如，如果硅钢片堆叠在彼此之上，则焊接可以是选项，其中必须始终考虑负载电流和最终应用。焊接过程的细节和参数（诸如焊缝的数量、宽度和深度以及安装板的材料和几何形状）必须根据应用单独限定。通常，电抗器的每个部分的机械固定可以以任何方式进行，例如通过胶合、拧紧或焊接，其确保具有限定的气隙尺寸。

典型地，具有两个分支特定的支柱和绕组的组合的实施例可以用于DC应用中。然而，该概念不限于DC，并且可以用于其中需要一个或两个电感组件的任何应用中。特定分支的绕组可以在内部连接以具有由于它们的磁耦合而具有相对较高的电感值的扼流圈/电抗器，或者可以设置有四个出口以具有磁耦合的两个扼流圈。耦合因数可以分别通过设计的几何形状进行调整。

提出的电抗器/扼流圈解决方案最适合于其中可用空间严重受限且强制空气冷却可用而使得需要高能量密度的应用。典型应用是变频器的DC电路。然而，不限于该应用，并且应当理解，根据所描述的方法而设计的扼流圈/电抗器将用于任何电感器相关的应用中。

除了从热方面的优点之外，从磁的观点来看，该概念还具有显著的优点。每个分支特定的绕组和铁磁材料的组合的两个磁路的这种耦合导致了CM电感以及CM电流滤波比针对常规的“UI”、“UU”、“EI”或“EE”芯概念的更高。这种现象是由于磁轭中的间隙所导致的。它部分地解耦两个分支特定部分。因此，CM电感（在一定限制内）可以通过其尺寸进行调整。在实际有用的气隙尺寸范围内，更大的气隙会导致更高的CM电感，这有助于保证变频器的倾注（decant）EMC性能。

图10示出了在磁芯的磁轭中包括至少一个气隙的电抗器的L对I曲线。从磁的角度来看，每个分支特定绕组和L形芯部的组合的两个磁路/磁芯部的这种耦合的附加优点是，CM电感并且因而CM电流滤波可以通过气隙进行调整。在图10所示的电抗器1的示例性实施例中，在线性相位处，CM电感的值是DM电感的13％。如果该电抗器将构建在UI概念上，则CM电感将降低25-30％。

参考符号的列表

1 电抗器/扼流圈

10 第一支腿

20 第二支腿

30 第一磁轭

40 第二磁轭

50 气隙

60 气隙

70 第三支腿

100 绕组

200 绕组

300 绕组

400 磁芯

410 第一芯部

420 第二芯部

430 第三芯部。

Claims

1.一种具有高共模电感的电抗器，包括：

- 至少一个绕组，

- 磁芯（400），其具有至少第一支腿（10）和第二支腿（20）以及至少第一磁轭（30）和第二磁轭（40），

- 其中，至少一个绕组被放置在第一支腿（10）和第二支腿（20）中的至少一个上，

- 其中，第一磁轭和第二磁轭（30、40）中的至少一个具有至少一个气隙（50）。

2.根据权利要求1所述的电抗器，

其中，当在所述至少一个绕组中生成电流时，在所述磁芯（400）中生成磁场，使得所述磁场在所述磁芯（400）内从第一支腿（10）经由第一磁轭（30）被引导至第二支腿（20）并且从第二支腿（20）经由第二磁轭（40）被引导至第一支腿（10）。

3.根据权利要求1或2所述的电抗器，

- 其中至少一个绕组（100、200）包括第一绕组和第二绕组（100、200），

- 其中第一绕组（100）被放置在第一支腿（10）上，并且第二绕组（200）被放置在第二支腿（20）上。

4.根据权利要求1至3所述的电抗器，

- 其中第一支腿（10）具有面向磁芯（400）内部的内侧面（11），并且第二支腿（20）具有面向磁芯（400）内部的内侧面（21），

- 其中第一磁轭（30）具有面向第二支腿（20）的内侧面（21）的正面（31），并且第二磁轭（40）具有朝向第一支腿（10）的内侧面（11）的正面（41）。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电抗器，

- 其中磁芯（400）包括至少第一芯部（410）和第二芯部（420），

- 其中第一芯部（410）包括第一支腿（10）和第一磁轭（30），第一支腿（10）和第一磁轭（30）布置成使得第一芯部（410）具有第一L形结构，

- 其中第二芯部（420）包括第二支腿（20）和第二磁轭（40），第二支腿（20）和第二磁轭（40）布置成使得第二芯部（420）具有第二L形结构。

6.根据权利要求5所述的电抗器，

其中至少一个气隙（50）包括第一气隙和第二气隙（51、52），其中第一气隙（51）布置在第一磁轭（30）中，并且第二气隙（52）布置在第二磁轭（40）中，使得第一芯部和第二芯部（410、420）布置成彼此间隔开。

7.根据权利要求6所述的电抗器，

其中第一芯部（410）和第二芯部（420）布置成使得第一气隙（51）布置在第一磁轭（30）中而使得第一磁轭（30）的正面（31）布置成与第二支腿（20）间隔开。

8.根据权利要求6或7所述的电抗器，

其中第一芯部（410）和第二芯部（420）布置成使得第一气隙（51）布置在第一磁轭（30）中而使得第一磁轭（30）的正面（31）和第二支腿（20）的内面（21）布置成彼此间隔开。

9.根据权利要求6至8所述的电抗器，

其中第一芯部（410）和第二芯部（420）布置成使得第二气隙（52）布置在第二磁轭（40）中而使得第二磁轭（40）的正面（41）布置成与第一支腿（10）间隔开。

10.根据权利要求6至9所述的电抗器，

其中第一芯部（410）和第二芯部（420）布置成使得第二气隙（52）布置在第二磁轭（40）中而使得第二磁轭（40）的正面（41）和第一支腿（10）的内面（11）布置成彼此间隔开。

11.根据权利要求1至10所述的电抗器，

其中第一支腿和第二支腿（10、20）中的至少一个具有至少一个其他气隙（60）。

12.根据权利要求11所述的电抗器，

其中第一支腿（10）具有至少第三气隙（61），并且第二支腿（20）具有至少第四气隙（62）。

13.根据权利要求5至12所述的电抗器，

- 其中磁芯（400）具有至少第三芯部（430），其包括第三支腿（70），

- 其中至少一个绕组包括第三绕组（300），

- 其中第三绕组（300）被放置在第三支腿（70）上。

14.根据权利要求13所述的电抗器，

其中第三支腿（70）具有至少第五气隙（63）。

15.根据权利要求13或14所述的电抗器，

- 其中第一芯部和第二芯部（410、420）分别形成为C形，

- 其中第三芯部（330）形成为T形或I形。