CN116978683A - 一种旋转调节式可变电感 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转调节式可变电感，包括外壳，所述外壳内设有环形磁壁、环形骨架绕组、第一偏心磁芯和第二偏心磁芯，环形磁壁竖向设在外壳内，环形骨架绕组套装在环形磁壁中；还包括调节机构，调节机构用于第二偏心磁芯的升降，实现第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱之间气隙的调节，调节机构还用于调节第二偏心磁芯的转动，实现第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱之间正对面积大小的调节，通过气隙调节和/或正对面积调节，调节输出电感。本发明可在气隙调节范围内实现可变电感大范围连续可调。
Description
技术领域
本发明属于电感器技术领域，具体涉及一种旋转调节式可变电感。
背景技术
电感器是将电能转化为磁能的储能元件。电感器阻碍电流变化，在实际应用中，可以实现滤波、储能，调节增益，阻抗匹配等不同的功能。在高功率密度电路设计前期，各项电气指标处于摸索阶段，需要大量的测试进行验证。大量的测试需要不同规格、参数的电感，而每个电感需要经过设计、制作、安装、测试等流程，会耗费大量的时间成本和人力成本。实际应用中需要有感量可调的可变电感，以减小多种规格电感设计、制作的周期和人力成本，以提高生产效率。
现有技术中可变电感具有如下实现方案：
方案一：CN 201911035461.1和CN 202122542129.3号专利申请通过调节电感的绕组匝数N实现可变电感，但无法连续无极调节。
方案二：CN 202121263643.7 号专利通过螺杆调节磁芯气隙g，改变电感的磁导，实现可变电感。相比方案一，通过螺纹节距可对气隙g精细调节，实现电感连续可调。但在高功率密度场合的实际应用中，电感的高度具有严格限制以实现扁平化。例如，模块电源作为典型的高功率密度产品，被广泛应用于各种电子设备中，其全砖、1/2砖、1/4砖、1/6砖、1/8砖、1/16砖、1/32砖尺寸下的高度为12.7mm、11.5 mm、11.5 mm、11.5 mm、23.5 mm、11.5 mm。因此方案二对于高功率密度应用场合，电感采用扁平化设计时，其电感的调节范围受到极大限制，难以满足设计需求。
方案三：CN 202211405374.2号专利通过使用不同面积、长度的气隙组合构造磁芯气隙，CN 201820625572.2号专利组合使用铁氧体磁芯和非晶磁芯构成电感磁芯，改变了电感的饱和特性，实现了感值随电流变化的可变电感。但电感存在局部饱和，增加了损耗，不利于实现高效率的功率应用。
因此，研制一种适用于高效率、高功率密度应用领域，具有大调节范围的扁平化可变电感成为市场需求。
发明内容
本发明提供一种旋转调节式可变电感，以实现电感大范围调节。
本发明的具体技术方案如下：
一种旋转调节式可变电感，包括外壳，所述外壳内设有环形磁壁、环形骨架绕组、第一偏心磁芯、第二偏心磁芯和调节机构，环形磁壁竖向设在外壳内，环形骨架绕组套装在环形磁壁中；
所述第一偏心磁芯、第二偏心磁芯均设有磁轭和磁柱，并均设置在环形磁壁中，它们的磁轭直径均与环形磁壁内径适配，它们的磁柱均设于环形骨架绕组内侧；环形骨架绕组设于第一偏心磁芯的磁轭和第二偏心磁芯的磁轭之间；
第一偏心磁芯的磁柱偏心固装在其磁轭的上表面，第二偏心磁芯的磁柱偏心固装在其磁轭的下表面；第一偏心磁芯通过其磁轭安装在外壳底部，第二偏心磁芯设置在环形磁壁上部，并且第二偏心磁芯通过其磁轭与调节机构连接；调节机构用于第二偏心磁芯的升降，实现第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱之间气隙的调节，调节机构还用于调节第二偏心磁芯的转动，实现第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱之间正对面积大小的调节，通过气隙调节和/或正对面积调节，调节输出电感。
进一步地，环形磁壁竖向套装在外壳中，环形磁壁外周面与外壳内壁连接，环形磁壁底部设于外壳的底部，所述环形骨架绕组连接在环形磁壁内壁上。
进一步地，两个偏心磁芯的磁柱截面均为圆形，环形磁壁的轴线、环形骨架绕组的轴线、第一偏心磁芯的磁轭轴线及第二偏心磁芯的磁轭轴线均同轴，第一偏心磁芯的磁柱轴线偏离其磁轭轴线的偏心距离为x 1，第二偏心磁芯的磁柱轴线偏离其磁轭轴线的偏心距离为x 2；第一偏心磁芯的磁柱半径为r 1，第二偏心磁芯的磁柱半径为r 2；环形骨架绕组的内圆半径为r，其中，0<r 1<r，0<r 2<r；0<x 1≤ r-r 1，0<x 2≤r-r 2。
进一步地，第一偏心磁芯的磁柱半径和第二偏心磁芯的磁柱半径的设计满足：0<r 1 ≤1/2r，0<r 2 ≤ 1/2r；且r 1 = r 2，x 1 = x 2。
进一步地，第一、第二偏芯磁芯的磁柱的圆周与环形骨架绕组内圆相切。
进一步地，第一偏心磁芯的磁柱和第二偏心磁芯的磁柱的设计满足：r 1 = r 2 = x 1= x 2= 1/2r。
进一步地，环形磁壁采用整体结构或拼接结构，其高度不小于第一偏心磁芯的磁柱高度、第二偏心磁芯的磁柱高度、以及两者之间最大气隙的三者之和，且不大于环形磁壁外径的一半，以满足扁平电感特征。
进一步地，所述调节机构包括内轴、外轴和转盘，所述转盘设置在外壳内并与第二偏心磁芯的磁轭固定连接，所述外轴穿过外壳的顶盖与设在转盘顶部的套筒固定连接，该套筒与转盘可转动连接，外轴与顶盖之间采用螺纹配合；所述内轴可转动地套装在外轴中，内轴底部与转盘顶部固定连接，并通过内轴的转动带动第二偏心磁芯作旋转运动；外轴通过相对顶盖的旋转实现轴向升降，并通过套筒与转盘的连接实现内轴解耦，外轴带动第二偏心磁芯仅作轴向升降运动。
进一步地，调节机构还包括凸台，所述凸台固定设置于转盘的中部，凸台的内孔与内轴的底端过盈装配，所述套筒同轴间隙式装配在凸台的外部，套筒的内筒壁与外轴的底端通过螺纹连接，外轴顶部安装有连杆，套筒底部通过L型安装片与转盘顶端开设的L型滑槽实现可转动连接。
进一步地，所述内轴顶部设有圆盘，圆盘顶端设有基准线，外壳1顶盖表面对应圆盘的基准线标有0°~180°的角度刻度，圆盘基准线对准0°刻线时，第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱正对面积最大；圆盘基准线对准180°刻线时，第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱正对面积最小。
进一步地，第一、第二偏心磁芯之间气隙的最大调节值为1 mm。
进一步地，第一偏心、第二偏心磁芯的磁柱的截面分别采用圆形或正多边形。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明设计一种旋转调节式可变电感，通过对该旋转调节式可变电感中第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱之间气隙调节，以及磁柱之间正对面积调节，实现电感感值的大范围的、扁平化的连续调节。
本发明旋转调节式可变电感设计中，气隙最大调节范围设定为1 mm，通过调节两磁柱的偏心距离以及两磁柱半径，改变扁平化电感的调节范围。
本发明旋转调节式可变电感的环形磁壁高度不小于第一偏心磁芯的磁柱高度、第二偏心磁芯的磁柱高度、以及两者之间最大气隙三者之和，由此使环形磁壁形成闭合磁路，将气隙封闭于电感内部，极大地减小了电磁干扰。
本发明旋转调节式可变电感的可拓展性强，可扩展应用于实现变耦合系数的耦合电感。
附图说明
图1为旋转调节式可变电感的立体图；
图2为图1的剖面图；
图3为调节机构的装配爆炸图；
图4为第一偏心磁芯、第二偏心磁芯的尺寸结构示意图之一；
图5为图4的右视图；
图6为图4的A-A向视图；
图7为第一偏心磁芯、第二偏心磁芯的立体结构示意图之一；
图8为环形磁壁的尺寸结构示意图之一；
图9为旋转角度θ = 0°时的磁阻模型；
图10为旋转角度θ = 180°时的磁阻模型；
图11为第一偏心磁芯、第二偏心磁芯的尺寸结构示意图之二；
图12为图11的右视图；
图13为图11的A-A向视图；
图14为第一偏心磁芯、第二偏心磁芯的立体结构示意图之二；
图15为环形磁壁的尺寸结构示意图之二；
图16为仿真试验一的COMSOL三维仿真效果图；
图17为仿真试验二的COMSOL三维仿真效果图；
图18为仿真试验三的COMSOL三维仿真效果图；
图19为LLC电路图；
图20为应用实施例三验证本发明最优设计的COMSOL三维仿真效果图；
图21为本发明扩展应用于变耦合系数的耦合电感的示意图；
图22为应用实施例四验证耦合系数变化范围的COMSOL三维仿真效果图；
图23为环形磁壁拼接实现的示意图之一；
图24为环形磁壁拼接实现的示意图之二；
图25为环形磁壁拼接实现的示意图之三；
图26为第一偏心磁芯和第二偏心磁芯的磁柱截面为正三角形示意图；
图27为第一偏心磁芯和第二偏心磁芯的磁柱截面为正方形示意图；
图28为第一偏心磁芯与第二偏心磁芯的磁柱截面分别采用正三角形和正方形的组合示意图；
图29为应用实施例六不同组合的COMSOL三维仿真效果图；
其中，1-外壳；2-环形磁壁；3-第一偏心磁芯；4-第二偏心磁芯；5-1-凸台；5-2-套筒；5-3-L型安装片；5-4-转盘；6-内轴；7-外轴；8-圆盘；9-连杆；10-环形骨架绕组；
g为第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱之间气隙；x 1为第一偏心磁芯的磁柱轴线偏离其磁轭轴线的偏心距离；x 2为第二偏心磁芯的磁柱轴线偏离其磁轭轴线的偏心距离；r 0分别表示第一偏心磁芯磁轭的半径和第二偏心磁芯磁轭的半径；r 1为第一偏心磁芯的磁柱半径；r 2为第二偏心磁芯的磁柱半径；h 1分别表示第一偏心磁芯和第二偏心磁芯磁轭的高度；h 2分别表示第一偏心磁芯和第二偏心磁芯磁柱的高度；d 1、d 2分别为环形磁壁的内径和外径；h为环形磁壁的高度；r为环形骨架绕组的内圆半径。
具体实施方式
附图非限制性公开了本发明的几个具体实施实例，下面将结合附图对本发明做进一步描述。
实施例一：
本发明的旋转调节式可变电感，如图1~图3，包括外壳1、以及设置在外壳内的环形磁壁2、环形骨架绕组10、第一偏心磁芯3、第二偏心磁芯4和调节机构，环形磁壁2紧贴竖向套装设在外壳1中，环形磁壁2的外周面与外壳内壁连接，环形磁壁2底部设于外壳的底部，环形骨架绕组10套装在环形磁壁2中，环形骨架绕组10连接在环形磁壁内壁上；环形骨架绕组10设于第一偏心磁芯的磁轭和第二偏心磁芯的磁轭之间，包括骨架和绕制在的骨架外侧的绕组，绕组的导线选用实心导线、利兹线、铜箔或PCB绕组。
第一偏心磁芯3、第二偏心磁芯4均设有磁轭和磁柱，并均设置在环形磁壁2中，它们的磁轭直径均与环形磁壁2内径相适配，即环形磁壁2的内壁与第一偏心磁芯、第二偏心磁芯的磁轭恰好相切。且它们的磁柱均设于环形骨架绕组10内侧；第一偏心磁芯3、第二偏心磁芯4和环形磁壁2的磁芯材料采用硅钢片、铁氧体、微晶、坡莫合金材料中的一种或几种的组合。
如图2所示，第一偏心磁芯3是固定的，第二偏心磁芯4是可旋转的。第一偏心磁芯的磁柱偏心固装在其磁轭的上表面，第二偏心磁芯的磁柱偏心固装在其磁轭的下表面；第一偏心磁芯3通过其磁轭安装在外壳底部，第二偏心磁芯4设置在环形磁壁2上部，从而第二偏心磁芯4悬于第一偏心磁芯3的正上方，并且第二偏心磁芯4通过其磁轭与调节机构连接；调节机构用于第二偏心磁芯4的升降，实现第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱之间气隙的调节，调节机构还用于调节第二偏心磁芯4的转动，实现第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱之间正对面积大小的调节。
本发明通过第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱之间气隙调节和磁柱之间正对面积调节，实现磁芯间的等效导磁面积和气隙的调节，完成扁平化电感大范围连续可调。同时，两偏心磁芯的磁柱之间气隙越大，则旋转调节式可变电感的感值越小；两偏心磁芯的磁柱之间正对面积越大，则旋转调节式可变电感的感值越大。
实施例二：
本实施例进一步设计为：本例中调节机构包括内轴6、外轴7、转盘5-4和凸台5-1，转盘5-4设置在外壳1内并与第二偏心磁芯的磁轭固定连接，外轴7顶部安装有连杆9，外轴7穿过外壳的顶盖与设在转盘顶部的套筒5-2固定连接，外轴7与顶盖之间采用螺纹配合；内轴6可转动地套装在外轴7中，内轴6底部与转盘5-4顶部固定连接，凸台5-1固定设置于转盘5-4的中部，凸台5-1的内孔与内轴6的底端过盈装配，套筒5-2同轴间隙式装配在凸台5-1的外部，套筒的内筒壁与外轴的底端通过螺纹连接，套筒底部的外筒壁还沿圆周均匀铆接L型安装片5-3，L型安装片5-3与转盘5-4顶端开设的L型滑槽滑动连接，通过L型安装片5-3与转盘5-4顶端开设的L型滑槽实现外轴相对转盘的转动连接。
转动圆盘8使内轴6转动时，外轴7相对套筒5-2保持静止，此时第二偏心磁芯4围绕内轴旋转；转动连杆9使得外轴7轴向运动时，内轴6不转动，第二偏心磁芯4随外轴轴向运动；从而解耦实现旋转与轴向两个平面运动，实现两个调节自由度——两个偏心磁芯的正对面积和气隙，易于实现高度受限的扁平电感的大范围调节。
实施例三：
本实施例进一步设计在于：本例中两个偏心磁芯的磁柱截面均为圆形，环形磁壁的轴线、环形骨架绕组的轴线、第一偏心磁芯的磁轭轴线及第二偏心磁芯的磁轭轴线均同轴；环形磁壁2可采用由一个独立磁芯构成的整体结构或由多个独立磁芯构成的拼接结构；
如图4~图8所示，主要为环形磁壁2、第一偏心磁芯3和第二偏心磁芯4的设计。第一偏心磁芯的磁柱轴线偏离其磁轭轴线的偏心距离为x 1，第二偏心磁芯的磁柱轴线偏离其磁轭轴线的偏心距离为x 2；第一偏心磁芯的磁柱半径为r 1，第二偏心磁芯的磁柱半径为r 2；第一偏心磁芯磁轭的半径和第二偏心磁芯磁轭的半径相等均r 0。环形骨架绕组的内圆半径为r，其中，0<r 1<r，0<r 2<r；0<x 1≤ r-r 1，0<x 2≤r-r 2。第一偏心磁芯的磁轭高度和第二偏心磁芯磁轭的高度相等均为h 1，第一偏心磁芯磁柱的高度和第二偏心磁芯磁柱的高度相等均为h 2，环形磁壁的内径和外径分别为d 1和d 2，环形磁壁的高度为h，第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱之间气隙为g，最大气隙为g max；环形磁壁高度不小于第一偏心磁芯的磁柱高度、第二偏心磁芯的磁柱高度、以及两者之间最大气隙三者之和，且环形磁壁高度不大于环形磁壁外径的一半，以满足扁平电感特征，则有。
环形骨架绕组的高度等于第一偏心磁芯的磁柱高度与第二偏心磁芯的磁柱高度之和，由于环形骨架绕组10固定设置于第一偏心磁芯的磁轭顶端，当第一偏心磁芯与第二偏心磁芯间气隙为零时，第二偏心磁芯磁轭与环形骨架绕顶端恰好接触。以上设计使环形磁壁2形成闭合磁路，将气隙封闭于电感内部，极大地减小了电磁干扰。
r，r 0，d 1，d 2，h，h 1，h 2决定了扁平电感的体积，由实际应用中电感的安装区域确定。在r，r 0，d 1，d 2，h，h 1，h 2等尺寸确定后，r 1，r 2，x 1，x 2在一定范围内变化，其中0<r 1<r，0<r 2<r；0<x 1≤ r-r 1，0<x 2≤r-r 2，则r 1，r 2，x 1，x 2存在最优设计，使得电感的可调范围最大。那么为获取最优设计，本例分类讨论分析不同r 1，r 2，x 1，x 2尺寸组合下的磁阻模型。
如图9和图10所示，不同r 1，r 2，x 1，x 2尺寸组合下，本发明旋转调节式可变电感的磁阻R m 总体由磁芯磁阻和气隙磁阻两部分组成，磁芯磁阻和气隙磁阻根据磁通流过的区域又可细分为不同的小磁阻。其中，如图5所示，磁通流过第一偏心磁芯的区域，第一偏心磁芯内存在三个磁芯磁阻，R pan1、R pan2和R core1；磁通流过第二偏心磁芯的区域，第二偏心磁芯内存在三个磁芯磁阻，R pan3、R pan4和R core2；磁通流过环形磁壁的区域，环形磁壁内存在磁阻R shell ，该磁阻也属于磁芯磁阻；第一偏心磁芯与第二偏心磁芯的正对面积间存在气隙磁阻R g 。各小磁阻R x 可由下式计算得：
（1）
其中，l x 为R x 内磁通流过的路径长度，μ x 为R x 内材料的磁导率，A ex 为R x 内磁通流过的面积。小磁阻R x 代表R pan1、R pan2、R core1、R pan3、R pan4、R core2、R shell 或R g 。
由于磁芯区域的磁导率μ远大于气隙区域的磁导率μ 0，由式（1）可知，磁芯区域的磁阻远小于气隙区域的磁阻。因此，电感的感值大小主要由气隙磁阻大小决定。当旋转角θ改变时，第一偏心磁芯与第二偏心磁芯的正对面积改变，气隙磁阻所对应的磁通流过面积改变，从而实现可变电感。设定当θ = 0°时，第一偏心磁芯与第二偏心磁芯的正对面积最大，气隙磁阻最小，此时感值最大；设定当θ = 180°时，第一偏心磁芯与第二偏心磁芯的正对面积最小，气隙磁阻最大，此时感值最小。将图9和图10中气隙磁阻量化表达，结果参见表1。其中，r max = max(r 1, r 2)，r min = min(r 1, r 2)，μ 0为气隙磁阻的磁导率。
为了获得较大的感值调节范围，θ = 0°时的气隙磁阻应尽可能小，同时θ = 180°时的气隙磁阻应尽可能大。显然，由表1可知，当x 1 + x 2≥ r min + r max时，第一偏心磁芯与第二磁芯正对面积为0，此时气隙磁阻最大，感值最小；当|x 1 – x 2| ≤ r max – r min时，第一偏心磁芯与第二偏心磁芯正对面积最大，此时气隙磁阻最小，感值最大。因此，本例中第一偏心磁芯的磁柱和第二偏心磁芯的磁柱的设计满足：0<r 1<r，0<r 2<r ，x 1 + x 2≥ r min + r max且|x 1 – x 2| ≤ r max – r min。
表1磁阻模型的量化表达表
实施例四：
在实施例三的基础上，本例进一步设计在于，第一偏心磁芯的磁柱和第二偏心磁芯的磁柱的进一步优化设计满足：0<r 1 ≤1/2r，0<r 2 ≤ 1/2r；且r 1 = r 2，x 1 = x 2。
实施例五：
在实施例四的基础上，本例进一步设计在于，第一、第二偏芯磁芯的磁柱的圆周与骨架绕组内圆相切。
实施例六：
在实施例四的基础上，本例进一步设计在于，第一偏心磁芯的磁柱和第二偏心磁芯的磁柱的设计满足：r 1 = r 2 = x 1 = x 2 = 1/2r，在该设计条件下，旋转调节式可变电感的磁阻变化范围最大，旋转调节式可变电感的感值的可调范围最大。
实施例七：
本例进一步设计在于，内轴顶部设有圆盘8，圆盘顶端设有基准线，外壳1顶盖表面对应圆盘的基准线标有0°~180°的角度刻度，圆盘基准线对准0°刻线时，第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱正对面积最大；圆盘基准线对准180°刻线时，第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱正对面积最小。定义旋转角θ表示圆盘刻线指向的外壳1顶盖表面上的角度刻线。为保证θ = 0°时，第一偏心磁芯与第二偏心磁芯的磁柱具有最大正对面积，尺寸需满足：
（1）r 1 ≠ r 2，当max(r 1, r 2) – min(r 1, r 2)<| x 1 – x 2|<r 1 + r 2时，x 1+x 2>max(r 1,r 2) – min(r 1, r 2)；当| x 1 – x 2| ≤max(r 1, r 2) – min(r 1, r 2)时，0<x 1，0<x 2。
（2）r 1 = r 2，| x 1 – x 2|<r 1 + r 2。
实施例八：
在实施例一的基础上，本例进一步设计在于，第一、第二偏心磁芯之间气隙的最大调节范围为1 mm。
实施例九：
在实施例一的基础上，本例进一步设计在于，第一偏心、第二偏心磁芯的磁柱的截面分别采用圆形、正三角形、正方形等正多边形。
应用实例一：
本例对本发明的旋转调节式可变电感进行感值调节仿真试验，其中第一偏心磁芯3、第二偏心磁芯4和环形磁壁2均选用DMR95磁材，具体的尺寸结构参数如图11~图15所示：
环形骨架绕组的内圆半径为r = 12 mm ；
第一、第二偏心磁芯的磁柱轴线偏离其磁轭轴线的偏心距离x 1、x 2均为 6 mm，
第一、第二偏心磁芯的磁柱半径r 1与r 2均为 6 mm，直径均为12mm；
第一、第二偏心磁芯磁轭的半径r 0均为13 mm，直径均为26mm；
第一、第二偏心磁芯的磁轭高度h 1均为2 mm；
第一、第二偏心磁芯磁柱的高度h 2均为 3 mm；
环形磁壁的内径d 1 = 13 mm，直径为26mm；
环形磁壁的外径d 2 = 15mm，直径为30mm；
环形磁壁的高度h = 11.50 mm；
第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱之间气隙g = 0.10 mm。
仿真试验一：在旋转角θ= 0°且不改变的情形下，转动连杆使第二偏心磁芯轴向运动，调节气隙g在0.1 ~ 1 mm范围内变化。仿真试验结果如图16所示，由图16可知，气隙g在0.1 ~ 1 mm范围内变化时，感值变化范围为22 ~ 96 μH，最大感值与最小感值之比为4.4。但在实际生产环境下，由于螺距的生产精度限制，气隙的调节并非是连续的，而是以螺距为单位进行调节。根据标准JB/T9313-1999，特种细牙螺纹的最小螺距为0.35mm，因此气隙g在0.1 ~ 1 mm范围内实际上仅仅能取到g=0.1mm、0.45mm、0.8mm和1mm四个点值，实际上只能实现四个点的电感值调节，无法实现旋转调节式可变电感的感值在22 ~ 96 μH内连续调节。
仿真试验二：在气隙g= 0.1 mm且不改变的情形下，转动圆盘使第二偏心磁芯旋转，使旋转角θ在0° ~ 180°范围内变化。仿真试验结果如图17所示，由图17可知，旋转角θ在0° ~ 180°范围内变化时，感值变化范围为17.5 ~ 94.9 μH，最大感值与最小感值之比为5.42。相比仿真试验一，仿真试验二在不额外增加扁平化电感整体尺寸的情况下，感值的调节范围变大。此外伺服电机可控制旋转角θ精确到0.001°，可实现感值在17.5 ~ 94.9 μH内连续调节。
仿真试验三：转动连杆使第二偏心磁芯轴向运动，调节气隙g在0.1 ~ 1 mm范围内变化，并转动圆盘使第二偏心磁芯旋转，使旋转角θ在0° ~ 180°范围内变化。仿真试验结果如图18所示，由图18可知，感值变化范围为14.3 ~ 96 μH，最大感值与最小感值之比为6.71，相比仿真试验一和仿真试验二，仿真试验三的感值调节范围变大，充分说明了双调节自由度在拓宽电感调节范围方面的优势。结合实际生产精度，在气隙g = 0.1mm、0.45mm、0.8mm和1mm时，分别调节旋转角θ在0° ~ 180°范围内变化，感值可在14.3 ~ 96 μH内连续变化。
应用实例二：
本例将本发明的旋转调节式可变电感应用于LLC电路，如图19所示，该LLC电路为模块电源的经典电路，电路中输入电压Vin，第一可控MOS管Q1和第二可控MOS管Q2串联组成半桥；每个MOS管内置有反向并联二极管，且在漏极和源极之间存在输出寄生电容。电容Cr和电感Lr、和变压器的原边电感Lm构成了一个LLC谐振电路。变压器的副边感应电压，经过第一MOS管SR1和第二MOS管SR2，整流后得到电压V0为负载R0供电。LLC电路在前期调试中，需要改变谐振电感L r 的感值，配合不同的变频范围实现宽增益，测试能维持高效率的频率范围，来决定采取单级LLC电路或DCX+LLC电路的实施方案。在实际宽增益LLC电路设计中，为方便谐振电感L r 的设计，LLC电路的变频范围尽可能窄。Y. Chen et al., ″LCLCConverter With Optimal Capacitor Utilization for Hold-Up Mode Operation,″inIEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 3, pp. 2385-2396, March2019; Q. Zhao, W. Liu, Y. Wang, D. Wang and N. Wu, “A Novel Multiresonant DC–DC Converter With Wide Output-Voltage Range,” in IEEE Transactions on PowerElectronics, vol. 35, no. 6, pp. 5625-5638, June 2020等文章均采取最大频率与最小频率之比小于2的频率范围，实现LLC电路宽增益输出。Y. Chen et al., ″LCLCConverter With Optimal Capacitor Utilization for Hold-Up Mode Operation, ″ inIEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 3, pp. 2385-2396, March2019研究结果表明，当励磁电感L m 比谐振电感L r 变化2.57倍时，可实现最大频率与最小频率之比趋于2。由应用实施例一的仿真试验三可知，本发明的旋转调节式可变电感可实现谐振电感L r 变化6.71倍，满足应用需求。
应用实例三：
本实施例调节第一偏心磁芯的磁柱半径r 1在1mm ~r范围内变化，第二偏心磁芯的磁柱半径r 2在1 mm ~r范围内变化，并配合调节第一偏心磁芯的磁柱轴线偏离其磁轭轴线的偏心距离x 1在1mm~r– r 1，第二偏心磁芯的磁柱轴线偏离其磁轭轴线的偏心距离x 2在1mm~r– r 2范围内变化，使旋转角θ在0° ~ 180°范围内变化，第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱之间气隙g在0.1 ~ 1 mm范围内变化。环形骨架绕组的内圆半径r，第一偏心磁芯、第二偏心磁芯磁轭的半径r 0，第一、第二偏心磁芯的磁轭高度和第二偏心磁芯磁轭的高度h 1，第一偏心磁芯磁柱的高度和第二偏心磁芯磁柱的高度 h 2 ，环形磁壁的高度h ，同应用实例一。参见图20中(a)-(d)，当r 1 = r 2 = x 1 = x 2 = 1/2r时，电感的调节范围最大，与理论分析一致。图20中（a）对应r 1 = r 2，x 1 = x 2 = r – r 1，r = 12 mm 情形的电感的调节范围。(b) 对应r 1 = r 2 = 4 mm，x 1 = x 2情形的电感的调节范围。（c)对应 r 1 = 6 mm，r 2 = 4mm， x 2 = x 1 + 3 mm情形的电感的调节范围；(d)对应r 1 = 6 mm，r 2 = 4 mm， x 2 = x 1 – 3mm情形的电感的调节范围。
应用实例四：
本发明可扩展应用于实现变耦合系数的耦合电感。参见图21，在骨架上端绕制耦合电感的副边绕组，在骨架下端绕制耦合电感的原边绕组，图中P表示耦合电感的原边绕组，S表示耦合电感的副边绕组，旋转圆盘8，使旋转角θ在0° ~ 180°范围内变化。参见图22，可实现耦合系数在0.76 ~ 0.95范围内变化。
应用实例五：
参见图23-25，本实施例中的环形磁壁可为多个独立磁芯拼接而成，例如：
（1）图23中多个环形磁芯沿轴向堆叠构成环形磁壁；
（2）图24中多个矩形磁片沿外壳内壁贴合构成环形磁壁；
（3）图25中多个磁条在外壳底部沿径向铺设一圈后，再沿轴向堆叠构成环形磁壁。
应用实例六：
参见图26-28，本实施例中的第一偏心磁芯、第二偏心磁芯的磁柱截面可为圆形、正三角形、正方形等正多边形组合，例如：
（1）图26中，第一偏心磁芯磁柱截面、第二偏心磁芯磁柱截面均为正三角形；
（2）图27中，第一偏心磁芯磁柱截面、第二偏心磁芯磁柱截面均为正方形；
（3）图28中，第一偏心磁芯磁柱截面为正方形，第二偏心磁芯磁柱截面为正三角形；
图29给出了上述举例g = 0.1 mm，θ在0° ~ 180°范围内变化的仿真结果，感值均能实现至少3.5倍变化。
Claims (12)
1.一种旋转调节式可变电感，包括外壳，其特征在于，所述外壳内设有环形磁壁、环形骨架绕组、第一偏心磁芯、第二偏心磁芯和调节机构，环形磁壁竖向设在外壳内，环形骨架绕组套装在环形磁壁中；
所述第一偏心磁芯、第二偏心磁芯均设有磁轭和磁柱，并均设置在环形磁壁中，它们的磁轭直径均与环形磁壁内径适配，它们的磁柱均设于环形骨架绕组内侧；环形骨架绕组设于第一偏心磁芯的磁轭和第二偏心磁芯的磁轭之间；
第一偏心磁芯的磁柱偏心固装在其磁轭的上表面，第二偏心磁芯的磁柱偏心固装在其磁轭的下表面；第一偏心磁芯通过其磁轭安装在外壳底部，第二偏心磁芯设置在环形磁壁上部，并且第二偏心磁芯通过其磁轭与所述调节机构连接；调节机构用于第二偏心磁芯的升降，实现第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱之间气隙的调节，调节机构还用于调节第二偏心磁芯的转动，实现第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱之间正对面积大小的调节，通过气隙调节和/或正对面积调节，调节输出电感。
2.根据权利要求1所述旋转调节式可变电感，其特征在于，环形磁壁竖向套装在外壳中，环形磁壁外周面与外壳内壁连接，环形磁壁底部设于外壳的底部，所述环形骨架绕组连接在环形磁壁内壁上。
3.根据权利要求1所述旋转调节式可变电感，其特征在于，两个偏心磁芯的磁柱截面均为圆形，环形磁壁的轴线、环形骨架绕组的轴线、第一偏心磁芯的磁轭轴线及第二偏心磁芯的磁轭轴线均同轴，第一偏心磁芯的磁柱轴线偏离其磁轭轴线的偏心距离为x 1，第二偏心磁芯的磁柱轴线偏离其磁轭轴线的偏心距离为x 2；第一偏心磁芯的磁柱半径为r 1，第二偏心磁芯的磁柱半径为r 2；环形骨架绕组的内圆半径为r，其中，0<r 1<r，0<r 2<r；0 <x 1≤ r-r 1，0<x 2≤r-r 2。
4.根据权利要求3所述旋转调节式可变电感，其特征在于，第一偏心磁芯的磁柱半径和第二偏心磁芯的磁柱半径的设计满足：0 < r 1 ≤1/2r，0 < r 2 ≤ 1/2r；且r 1 = r 2，x 1 =x 2。
5.根据权利要求4所述旋转调节式可变电感，其特征在于，第一、第二偏芯磁芯的磁柱的圆周与环形骨架绕组内圆相切。
6.根据权利要求5所述旋转调节式可变电感，其特征在于，第一偏心磁芯的磁柱和第二偏心磁芯的磁柱的设计满足：r 1 = r 2 = x 1 = x 2= 1/2r。
7.根据权利要求1所述旋转调节式可变电感，其特征在于，环形磁壁采用整体结构或拼接结构，其高度不小于第一偏心磁芯的磁柱高度、第二偏心磁芯的磁柱高度、以及两者之间最大气隙的三者之和，且不大于环形磁壁外径的一半。
8.根据权利要求1所述旋转调节式可变电感，其特征在于，所述调节机构包括内轴、外轴和转盘，所述转盘设置在外壳内并与第二偏心磁芯的磁轭固定连接，所述外轴穿过外壳的顶盖与设在转盘顶部的套筒固定连接，该套筒与转盘可转动连接，外轴与顶盖之间采用螺纹配合；所述内轴可转动地套装在外轴中，内轴底部与转盘顶部固定连接，并通过内轴的转动带动第二偏心磁芯作旋转运动；外轴通过相对顶盖的旋转实现轴向升降，并通过套筒与转盘的连接实现内轴解耦，外轴带动第二偏心磁芯仅作轴向升降运动。
9.根据权利要求8所述旋转调节式可变电感，其特征在于，调节机构还包括凸台，所述凸台固定设置于转盘的中部，凸台的内孔与内轴的底端过盈装配，所述套筒同轴间隙式装配在凸台的外部，套筒的内筒壁与外轴的底端通过螺纹连接，外轴顶部安装有连杆，套筒底部通过L型安装片与转盘顶端开设的L型滑槽实现可转动连接。
10.根据权利要求1所述旋转调节式可变电感，其特征在于，所述内轴顶部设有圆盘，圆盘顶端设有基准线，外壳1顶盖表面对应圆盘的基准线标有0°~180°的角度刻度，圆盘基准线对准0°刻线时，第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱正对面积最大；圆盘基准线对准180°刻线时，第一偏心磁芯的磁柱与第二偏心磁芯的磁柱正对面积最小。
11.根据权利要求1所述旋转调节式可变电感，其特征在于，第一、第二偏心磁芯之间气隙的最大调节值为1 mm。
12.根据权利要求1所述旋转调节式可变电感，其特征在于，第一偏心、第二偏心磁芯的磁柱的截面分别采用圆形或正多边形。
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