CN114121435A - 带有具有斜气隙的电感器的机动车可变电压转换器 - Google Patents

带有具有斜气隙的电感器的机动车可变电压转换器 Download PDF

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Abstract

本公开提供“带有具有斜气隙的电感器的机动车可变电压转换器”。一种电感器包括一对芯部分，所述芯部分具有锥形支腿和缠绕在所述锥形支腿上的绕组。所述芯部分中的每一个彼此邻近布置，使得所述锥形支腿限定所述芯部分之间的间隙，所述间隙相对于所述电感器的外表面从所述电感器的一端朝向所述电感器的另一端呈斜线延伸。

Description

带有具有斜气隙的电感器的机动车可变电压转换器
技术领域
本公开涉及机动车电力电子部件。
背景技术
电动化车辆可以包含一个或多个用于推进的电机，以及用于为电机提供能量的牵引电池。由于电机和牵引电池可能需要不同的电气参数，因此在其之间的电通信可能需要修改所提供或消耗的电力。
发明内容
一种机动车辆包括牵引电池、电机和可变电压转换器。所述可变电压转换器在所述牵引电池与所述电机之间传送电力。所述可变电压转换器具有电感器，所述电感器包括芯，所述芯具有一对U形部分，每个U形部分具有倾斜表面并且被布置成使得所述倾斜表面彼此邻近并间隔开以限定从所述芯的一端朝向所述芯的另一端呈斜线延伸的间隙。所述U形部分中的每一个可以包括基底和支腿。所述支腿可以限定所述倾斜表面。所述基底的厚度可以大于所述支腿的与所述基底相对的端部的厚度。所述U形部分中的每一个可以包括锥形支腿。所述U形部分可以是相同的。
一种机动车电力转换器包括一对串联连接的开关和电感器。所述电感器包括一对芯部分，所述芯部分具有锥形支腿、缠绕在所述锥形支腿上的绕组以及中心分接所述开关的端子。所述芯部分彼此邻近布置，使得所述锥形支腿限定所述芯部分之间的间隙，所述间隙相对于所述电感器的外表面从所述电感器的一端朝向所述电感器的另一端呈斜线延伸。所述芯部分可以是U形的。所述锥形支腿可以具有被布置成彼此邻近且间隔开的倾斜表面。所述间隙与所述外表面中的一个之间的角度可以小于45°。每个芯部分还可以具有基底。所述基底的厚度可以大于所述锥形支腿的与所述基底相对的端部的厚度。所述芯部分可以是相同的。
一种电感器包括芯和缠绕在所述芯上的绕组。所述芯包括一对U形部分，每个U形部分具有倾斜表面并且被布置成使得所述倾斜表面彼此邻近并间隔开以限定从所述芯的一端朝向所述芯的另一端呈斜线延伸的间隙。
附图说明
图1是电动驱动系统的示意图。
图2是常规电感器的平面图。
图3是电感器芯的透视图，其中气隙呈斜线延伸穿过所述电感器芯。
图4A和图4B分别是图2和图3的芯的透视图。
图5是图3的气隙和U形芯的一部分的侧视图。
图6是针对常规电感器和所提出的电感器的磁阻对气隙大小的曲线图。
具体实施方式
本文中描述了本公开的各个实施例。然而，所公开的实施例仅仅是示例性的，并且其他实施例可以采用未明确示出或描述的各种形式和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能会放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅仅解释为教导本领域普通技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任何一个示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征进行组合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改可以是特定应用或实现方式所期望的。
电力电子转换器/逆变器已广泛用于混合动力电动车辆和电动车辆驱动系统中。如图1所示，用于车辆12的电动驱动系统10包括牵引电池14、可变电压转换器16、用于DC总线19的直流链路电容器18、两个电力转换器(DC-AC逆变器)20、22、马达24和发电机26。可变电压转换器16包括与牵引电池14并联的电容器28、一对串联连接的开关30、32(例如，晶体管)以及在电容器和串联连接的开关30、32之间的电力电感器34。电力电感器34的端子中心分接串联连接的开关30、32。
在此示例中，DC-AC逆变器20包括三对串联连接的开关36、38、40、42、44、46。所述对中的每一对限定马达24的对应的相桥。DC-AC逆变器22还包括三对串联连接的开关48、50、52、54、56、58。所述对中的每一对限定马达发电机26的对应的相桥。开关36、38、40、42、44、46、48、50、52、54、56、58可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或其他可控半导体装置。在以下示例中，开关36、38、40、42、44、46、48、50、52、54、56、58被示出为IGBT。
可以通过可变电压转换器16的操作来增加与来自牵引电池14的电力相关联的电压，以最终递送到DC-AC逆变器20并且因此递送到马达24以推进车辆12。同样地，由发电机26捕获的再生电力可以通过DC-AC逆变器22等以存储在牵引电池14中。
图2示出了可以由可变电压转换器(诸如图1的可变电压转换器16)使用的常规电力电感器60。它包括被布置成在其之间限定气隙66的一对U形芯62、64和缠绕在U形芯62、64上的线圈68。电力电感器60的高电流能力通常需要气隙66是大的，这可能会影响在低电流下的电感。此外，气隙66的存在导致U形芯62、64之间的集中的边缘磁通，这可能导致高的铜AC损耗和局部的热变化(例如热点)。具有低磁导率的粉末芯可以替代地用于消除气隙66以及对应的边缘磁通和铜AC损耗。然而，这种电力电感器通常比它们的带气隙对应物更大且更重。替代地，可以改变气隙磁阻以调整电感，但是气隙横截面面积的变化将直接影响芯横截面面积，这可能增加芯和绕组材料，从而增加成本和重量。
这里，提出了具有沿着芯呈斜线延伸的气隙以更均匀地分布边缘磁通并减少相关联的铜AC损耗的电力电感器。气隙不再是侧面垂直于磁通方向的长方体，如在图2中。相反，它们可以是没有侧面垂直于磁通方向的菱面体。这些电力电感器可以允许更大的灵活性来以更少的铜和更少的芯材料进行设计，这可以降低电感器的重量和成本。它们可以在可变电压转换器(诸如图1的可变电压转换器16)的背景下使用。
图3示出了包括一对U形芯72、74的电力导体70的一部分。U形芯72具有一对支腿76，并且U形芯74具有一对支腿78。与图2的U形芯62、64不同，支腿76、78具有楔形外观。因此，支腿76、78分别具有倾斜表面80、82并分别具有外表面84、86。对于U形芯72、74中的每一个，基底分别连接支腿76、78。
出于进一步讨论的目的，倾斜表面80、82分别相对于外表面84、86限定被指定为“θ”的角度，倾斜表面80、82的长度被指定为“l”，并且倾斜表面80、82的宽度被指定为“w”。U形芯72、74被布置成使得倾斜表面80、82彼此邻近并且间隔开被指定为“d”的距离，以限定从电力导体70的一端到另一端呈斜线延伸的气隙88。
图4A和图4B分别示出了U形芯62、64和线圈68以及U形芯72、74和线圈90的边缘磁通的分布。在图4A的布置中，边缘磁通沿着U形芯62、64集中在线圈68的某个位置处。在图4B的布置中，边缘磁通沿着U形芯72、74更均匀地分布在线圈90上。铜AC损耗和局部温度变化因此减少，因为线圈90的每一匝仅具有一部分暴露于气隙的一部分。
与现有电感器相比，所提出的斜气隙电感器可以提供更多的优化自由度。气隙横截面面积与芯横截面面积分离：改变气隙横截面面积不会影响芯横截面面积。因此，电感器设计可能更灵活。可以使用更少的铜和更少的芯材料，这将降低电感器的重量和成本。
参考图3和图5，气隙88的横截面面积A为
A＝l·w
对于普通技术人员来说显而易见的是，气隙形状增加了气隙88的横截面积。因此，可以在不改变芯横截面面积的情况下增加电感。
例如，电感L可以近似为
L＝(N2*A*μ)/(2*lg*Sinθ)
其中N是线圈90的匝数，μ是气隙88的磁导率，并且lg是平行于外表面84、86测量的气隙88的宽度。对于给定的N、A、μ和lg，当θ为90°时，L最小化，如图2中的情况。
使用标准工具分析电感器示例。图4A和图4B的布置各自用N＝46和lg＝5mm的铁氧体芯进行检查。对于图4A的布置，θ＝90°。对于图4B的布置，θ＝28.55°。通过基于ANSYS的计算，图4A的布置产生197.8μH的电感，而图4B的布置产生657.4μH的电感。将图4B的N减小到26(从46减小)产生210μH的电感：铜减少43.5％。
以下比较进一步示出了现有布置(例如，参见图4A)与所提出的布置(例如，参见图4B)之间的性能差异。为了简化比较，做出了某些假设：1)两者都具有相同的匝数；2)两者都具有相同长度的包括芯和气隙的总磁路；3)两者都具有相同的芯横截面面积；4)两者都具有相同的绕组窗口；5)两者在400A时具有相同的电感；以及6)对于所提出的布置，θ为45°。图6示出了现有的布置和所提出的布置的磁阻对气隙长度的曲线，其中Rm是芯磁阻和气隙磁阻的总和。在400A时Rm1＝R'm1，这指示两种布置在400A时具有相同的电感，但是所提出的布置具有25.4mm的气隙，而现有的布置具有12mm的气隙。与现有的布置相比，所提出的布置产生大约80克的芯重量减轻。对于小于45°的θ，将有更多的芯重量减轻。当电感器电流较低时，两者的磁阻接近，例如，Rm2＝R'm2，这意味着电感接近。
在说明书中所使用的用词是描述性用词而非限制性用词，并且应理解，可以在不脱离本公开和权利要求的精神和范围的情况下做出各种改变。
如前所述，各个实施例的特征可以被组合以形成可能未明确描述或示出的另外的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为在一个或多个期望的特性方面提供优于其他实施例或现有技术实现方式的优点或相比其他实施例或现有技术实现方式是优选的，但是本领域的普通技术人员认识到，一个或多个特征或特性可以被折衷以实现期望的整体系统属性，所述期望的整体系统属性取决于具体的应用和实现方式。这些属性包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、大小、可维修性、重量、可制造性、易于组装等。因此，被描述为关于一个或多个特性不如其他实施例或现有技术实现方式所期望的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可能是期望的。
根据本发明，提供了一种机动车辆，其具有：牵引电池；电机；和可变电压转换器，所述可变电压转换器被配置为在所述牵引电池与所述电机之间传送电力，其中所述可变电压转换器具有电感器，所述电感器包括芯，所述芯具有一对U形部分，每个U形部分具有倾斜表面并且被布置成使得所述倾斜表面彼此邻近并间隔开以限定从所述芯的一端朝向所述芯的另一端呈斜线延伸的间隙。
根据一个实施例，所述U形部分中的每一个包括基底和支腿，并且其中所述支腿限定所述倾斜表面。
根据一个实施例，所述U形部分中的每一个包括基底和支腿，并且其中所述基底的厚度大于所述支腿的与所述基底相对的端部的厚度。
根据一个实施例，所述U形部分中的每一个包括锥形支腿。
根据一个实施例，所述U形部分是相同的。
根据本发明，提供了一种机动车电力转换器，其具有：一对串联连接的开关；和电感器，所述电感器包括一对芯部分，所述芯部分具有锥形支腿、缠绕在所述锥形支腿上的绕组以及中心分接所述开关的端子，其中所述芯部分彼此邻近布置，使得所述锥形支腿限定所述芯部分之间的间隙，所述间隙相对于所述电感器的外表面从所述电感器的一端朝向所述电感器的另一端呈斜线延伸。
根据一个实施例，所述芯部分是U形的。
根据一个实施例，所述锥形支腿具有被布置成彼此邻近且间隔开的倾斜表面。
根据一个实施例，所述间隙与所述外表面中的一个之间的角度小于45°。
根据一个实施例，每个芯部分还具有基底，并且其中所述基底的厚度大于所述锥形支腿的与所述基底相对的端部的厚度。
根据一个实施例，所述芯部分是相同的。
根据本发明，提供了一种电感器，其具有：芯，所述芯包括一对U形部分，每个U形部分具有倾斜表面并且被布置成使得所述倾斜表面彼此邻近并间隔开以限定从所述芯的一端朝向所述芯的另一端呈斜线延伸的间隙；和绕组，所述绕组缠绕在所述芯上以环绕所述间隙。
根据一个实施例，所述U形部分中的每一个包括基底和支腿，并且其中所述支腿限定所述倾斜表面。
根据一个实施例，所述U形部分中的每一个包括基底和支腿，并且其中所述基底的厚度大于所述支腿的与所述基底相对的端部的厚度。
根据一个实施例，所述U形部分中的每一个包括锥形支腿。
根据一个实施例，所述U形部分是相同的。

Claims (15)

1.一种机动车辆，其包括：
牵引电池；
电机；以及
可变电压转换器，所述可变电压转换器被配置为在所述牵引电池与所述电机之间传送电力，其中所述可变电压转换器具有电感器，所述电感器包括芯，所述芯具有一对U形部分，每个U形部分具有倾斜表面并且被布置成使得所述倾斜表面彼此邻近并间隔开以限定从所述芯的一端朝向所述芯的另一端呈斜线延伸的间隙。
2.如权利要求1所述的机动车辆，其中所述U形部分中的每一个包括基底和支腿，并且其中所述支腿限定所述倾斜表面。
3.如权利要求1所述的机动车辆，其中所述U形部分中的每一个包括基底和支腿，并且其中所述基底的厚度大于所述支腿的与所述基底相对的端部的厚度。
4.如权利要求1所述的机动车辆，其中所述U形部分中的每一个包括锥形支腿。
5.如权利要求1所述的机动车辆，其中所述U形部分是相同的。
6.一种机动车电力转换器，其包括：
一对串联连接的开关；和
电感器，所述电感器包括一对芯部分，所述芯部分具有锥形支腿、缠绕在所述锥形支腿上的绕组以及中心分接所述开关的端子，其中所述芯部分彼此邻近布置，使得所述锥形支腿限定所述芯部分之间的间隙，所述间隙相对于所述电感器的外表面从所述电感器的一端朝向所述电感器的另一端呈斜线延伸。
7.如权利要求6所述的机动车电力转换器，其中所述芯部分是U形的。
8.如权利要求6所述的机动车电力转换器，其中所述锥形支腿具有被布置成彼此邻近且间隔开的倾斜表面。
9.如权利要求8所述的机动车电力转换器，其中所述间隙与所述外表面中的一个之间的角度小于45°。
10.如权利要求6所述的机动车电力转换器，其中每个芯部分还具有基底，并且其中所述基底的厚度大于所述锥形支腿的与所述基底相对的端部的厚度。
11.如权利要求6所述的机动车电力转换器，其中所述芯部分是相同的。
12.一种电感器，其包括：
芯，所述芯包括一对U形部分，每个U形部分具有倾斜表面并且被布置成使得所述倾斜表面彼此邻近并间隔开以限定从所述芯的一端朝向所述芯的另一端呈斜线延伸的间隙；和
绕组，所述绕组缠绕在所述芯上以环绕所述间隙。
13.如权利要求12所述的电感器，其中所述U形部分中的每一个包括基底和支腿，并且其中所述支腿限定所述倾斜表面。
14.如权利要求12所述的电感器，其中所述U形部分中的每一个包括基底和支腿，并且其中所述基底的厚度大于所述支腿的与所述基底相对的端部的厚度。
15.如权利要求12所述的电感器，其中所述U形部分中的每一个包括锥形支腿。
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