CN116034441A - 具有受控漏磁通的磁性部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁性部件，包括两个铁磁半芯，这两个铁磁半芯堆叠并重叠以形成铁磁芯，该铁磁芯包括三个芯柱(11、12、13)，即：两个第一芯柱(11、13)和一个第二芯柱(12)，每个芯柱(11、12、13)由被间隙分开且面对面的两个半芯柱形成，每个芯柱(11、12、13)在其每个半芯柱上分别包括具有缠绕方向的初级绕组(111、121、131)和次级绕组(112、122、132)，该磁性部件的特征在于，在第二芯柱(12)上，初级绕组(121)和次级绕组(122)，以及它们的缠绕方向相对于第一芯柱(11、13)的那些绕组(111、112、131、132)是相反的。

Description

具有受控漏磁通的磁性部件
技术领域
本发明涉及磁性部件领域，特别是电力变压器领域。
更具体地，本发明涉及电力变压器的领域，例如集成到谐振电压转换器或任何其他类型的功率转换器中、或者集成到充电器中的电力变压器。特别地，本发明涉及诸如三相电力变压器的磁性部件。
背景技术
电力变压器允许电能从初级电路传递到次级电路。
众所周知的是，在电力变压器中使用磁芯和线圈，电流流过该线圈，产生允许电能从初级电路传递到次级电路的磁场。更准确地说，在电力变压器中，尤其是在采用磁化电感的功率转换器中或者在谐振功率转换器中，存在初级线圈和次级线圈，其由围绕磁芯的绕组形成并且在其间传递电能。
更具体地，在三相电力变压器中，三个初级绕组和三个次级绕组缠绕在具有合适形状的铁磁芯的不同部分上。E形铁磁芯(图1中示出了其一个例子)和三角形铁磁芯(图2中示出了其一个例子)尤其为人所知。
所有电力变压器都有漏电感，其导致较低的效率，因为初级电路中产生的一些磁通没有耦合到次级电路的绕组中。初级和次级绕组中可能会进一步出现额外的损耗。在非谐振电压转换器的情况下，还可能出现过电压。电力变压器的线圈的几何、以及同样用于磁芯的磁性材料、或者实际上尤其是所述磁芯的几何被配置成满足电气和磁标准。确定电力变压器的尺寸的一个目的特别是控制电力变压器的漏电感的值。
制造这种电力变压器的两种主要方法是已知的，特别是当它们是三相时。在图1的例子中，线圈是扁平的，并且初级绕组310和次级绕组320在铁磁芯30的每个芯柱31、32、33中形成两个重叠(superposed)层。使用扁绕组技术组装的这种已知的电力变压器3具有低漏电感。然而，在这种情况下，初级电路和次级电路中的寄生电容都非常高。此外，冷却置于下方的绕组、或者换句话说“埋入式”绕组是非常困难的。
在相同类型的E形铁磁芯上，也可以制造堆叠绕组。这种已知架构的一个优点在于易于集成和冷却。然而，这种架构具有高漏电感。
生产三相电力变压器4的另一种已知方式包括将绕组放置在等边三角形的铁磁芯上，因此，如图2所示，芯柱彼此成60°布置。
然而，这种三角形结构难以机械地集成。
在这种情况下，已知的是，在基于堆叠于E形铁磁芯上的绕组的架构下，使用漏电感来使谐振电感工作，从而促进能量从初级绕组传递到次级绕组。由此利用了看似不利的漏电感。
在图4中示出了这种已知的原理。如图4所示，初级绕组放置在顶部E形铁磁半芯上，次级绕组放置在底部E形铁磁半芯上。
与实现这种技术相关的技术问题在于：漏磁通不会形成回路。具体地，漏磁通集中在芯柱上，并从侧芯柱21、23“跳跃”到中心芯柱22，如图4所示。因此，磁通线平行于间隙。
因此，需要一种易于集成和冷却并且漏电感受控的三相电力变压器。
发明内容
为此，本发明的一个主题是一种磁性部件，该磁性部件包括两个铁磁半芯，这两个铁磁半芯堆叠并重叠以形成铁磁芯，铁磁芯包括三个芯柱，即：两个第一芯柱和一个第二芯柱，每个芯柱由被间隙分开的两个面对面的半芯柱形成，每个芯柱分别在形成所述芯柱的每个半芯柱上包括具有缠绕方向的初级绕组和次级绕组，该磁性部件的特征在于，在第二芯柱上，初级绕组和次级绕组及它们的缠绕方向与第一芯柱上的那些绕组是相反的。
特别地，第一芯柱可以是侧芯柱，第二芯柱可以是中心芯柱。
根据一个实施例，两个铁磁半芯具有所谓的“三角形”布置，其中，在每个铁磁半芯中，形成每个半芯的三个芯柱彼此分别呈60°。特别地，形成每个半芯的三个芯柱位于等边三角形的顶点。
有利地，两个铁磁半芯具有E形形状。
本发明还涉及一种包括如上简述的磁性部件的电力变压器。
本发明还涉及一种包括如上简述的电力变压器的电气设备件。
有利地，所述电气设备件包括冷却模块，该冷却模块包括空腔，该空腔形成容纳所述电力变压器的冷却池。
根据一个实施例，所述电气设备件形成充电器。
根据另一实施例，所述电气设备件形成功率转换器。
附图说明
通过阅读以下仅以示例方式给出的描述并参考以非限制性示例方式给出的附图，将更好地理解本发明，其中相同的参考标记用于表示相似的对象，附图中:
图1是已知的第一电力变压器的示意图，该电力变压器具有置于重叠层中的初级和次级绕组；
图2是已知的第一电力变压器的示意图，该电力变压器具有置于三角形铁磁芯上的初级和次级绕组；
图3是电力变压器的电路图；
图4是具有已知缺点的E形电力变压器的示意图；
图5是组装在E形铁磁芯上的根据本发明的电力变压器的一个例子的示意图。
将会注意到，附图以详细的方式示出了本发明，目的是允许实施本发明，所述附图当然可能用于在适当的时候更好地定义本发明。
具体实施方式
本发明涉及一种磁性部件，尤其是一种三相变压器。
图3示出了包括电力变压器的谐振电压转换器电路的等效电路图，其用于将输入电压VIN转换成输出电压VO。电力变压器包括初级和次级绕组。由流过初级绕组的电流产生的磁通允许能量被传递到次级电路。在初级电路中，存在由谐振电容器Cr、谐振电感器Lr和磁化电感器Lm形成的LLC谐振电路，该LLC谐振电路可以集成到电力变压器中。电力变压器由连接至初级绕组的、开关Q1、Q2的半桥来控制。连接至次级电路的二极管D1、D2可以避免返回电流。
图4和5分别示出了现有技术的电力变压器20和根据本发明的电力变压器10的一个例子的示意图，这两个变压器都基于E形铁磁芯。所述铁磁芯由面对面堆叠的两个E形半芯形成。
铁磁芯具有三个芯柱11、12、13、21、22、23，即：两个侧芯柱11、13、21、23和一个中心芯柱12、22。每个芯柱11、12、13、21、22、23由被间隙分开的两个面对面的半芯柱形成。每个芯柱11、12、13、21、22、23分别对应于三相电力变压器20和10的一个相。在基于E形芯的电力变压器中，E形的每个臂、或者换句话说所述铁磁芯的每个芯柱11、12、13、21、22、23，对应于电力变压器的一个相。类似地，在三角形变压器中，每个芯柱对应于三角形的一个顶点并连接至电力变压器的一个相。
在图4中，对于都位于顶部半芯柱上的所有初级绕组和都位于底部半芯柱上的次级绕组，绕组211、212、221、222、231、232分别以相同的方向缠绕。
代表现有技术并在图4中示意性示出的这种架构的缺点在于，一些漏磁通指向相反的方向。该磁通不会在对应于其相的芯柱中形成回路，而是从一个芯柱“跳跃”到下一个芯柱。特别地，磁通平行于间隙产生，并从每个侧芯柱21、23“跳跃”到中心芯柱22。换句话说，在每个侧芯柱21、23和中心芯柱22之间发生耦合。
这导致损耗的增加，并导致电力变压器20的中心处(即中心芯柱22中)的过热风险。
避免这种耦合的一种方式是将侧芯柱21、23从中心芯柱22进一步移开，以便防止磁通从侧芯柱21、23到中心芯柱22的这些“跳跃”，但铁磁芯的尺寸将因此增加。然而，这显然会导致电力变压器体积的增加，这是不利的。
图5示出了根据一个实施例的由本发明提出的解决方案。在中心芯柱12中，初级绕组121和次级绕组122被颠倒(inverted)，并且这些初级和次级绕组121、122的缠绕方向被颠倒。由此，中心芯柱12的初级绕组121与侧芯柱11、13的次级绕组112、132位于铁磁芯的同一侧。反过来，中心芯柱12的次级绕组122由此与侧芯柱11、13的初级绕组111、131位于铁磁芯的同一侧。此外，中心芯柱12的初级和次级绕组121、122的缠绕方向相对于侧芯柱11、13的绕组111、112、131、132的缠绕方向相反。
借助于根据本发明的架构，避免了磁通的芯柱间“跳跃”。具体地，如图5所示，不同于图4所示那样集中在中心芯柱12中，在各个芯柱11、12、13中产生的磁通分量成对地相互排斥。因此，在侧芯柱11、13中产生的磁通不会“跳跃”到中心芯柱12上。
因此，中心芯柱12中的磁通不会增加，从而降低了过热的风险。
与根据图5中实施例的本发明的实施方式相关联的一个优点在于使用标准E形芯，因为标准E形芯易于机械地集成，并且易于经由标准冷却技术冷却，特别是经由冷却池冷却，如已知的，从而允许获得绕组和芯的充分冷却。
此外，将会注意到，具有线性形式的E形芯的三相电力变压器是不对称的，因为形成在侧芯柱11、13上的相比形成在中心芯柱12上的相彼此相距更远。相比之下，在三角形电力变压器中，特别是当三角形是等边三角形的时候，各相是等距的，因为芯柱也是等距的。在E形电力变压器的情况下，本发明更值得推荐，因为它防止漏磁通采用与受控磁通相同的磁路。借助于本发明，漏磁通不会干扰受控磁通。换句话说，漏磁通不会抵消受控磁通，也不会产生额外的损耗。
在三角形变压器的情况下，特别是当三角形是等边三角形的时候，借助于本发明，可以省去外部电感元件。此外，在这种情况下，所有的芯柱都是等距的。
如上所述，根据本发明，这种电力变压器可以有利地集成到电气设备中，特别是用于机动车辆的电气设备，特别是充电器或功率转换器。
此外，在E形电力变压器的情况下，根据本发明的这种电力变压器可以容易地集成到电气设备件的外壳中，该电气设备包括具有空腔的冷却模块，该空腔形成容纳所述电力变压器的冷却池。

Claims (8)

1.一种磁性部件，包括两个铁磁半芯，所述两个铁磁半芯堆叠并重叠以形成铁磁芯，所述铁磁芯包括三个芯柱(11、12、13)，即：两个第一芯柱(11、13)和一个第二芯柱(12)，每个芯柱(11、12、13)由被间隙分开的两个面对面的半芯柱形成，每个芯柱(11、12、13)在形成所述芯柱的每个所述半芯柱上分别包括具有缠绕方向的初级绕组(111、121、131)和次级绕组(112、122、132)，所述磁性部件的特征在于，在所述第二芯柱(12)上，初级绕组(121)和次级绕组(122)和它们的缠绕方向相对于所述第一芯柱(11、13)的那些绕组(111、112、131、132)是相反的。
2.根据权利要求1所述的磁性部件，其中，所述两个铁磁半芯具有所谓的“三角形”布置，其中，在每个铁磁半芯中，形成每个半芯的所述三个芯柱彼此分别呈60°。
3.根据权利要求1所述的磁性部件，其中，所述两个铁磁半芯具有E形形状。
4.一种电力变压器(10)，包括根据前述权利要求中的一项所述的磁性部件。
5.一种电气设备件，包括根据前述权利要求所述的电力变压器(10)。
6.根据权利要求5所述的电气设备件，包括冷却模块，所述冷却模块包括空腔，所述空腔形成容纳所述电力变压器(10)的冷却池。
7.根据权利要求5或6所述的电气设备件，其形成充电器。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的电气设备件，其形成功率转换器。
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