CN118098778A - 基于磁场谐振原理的低频功率滤波器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及滤波器技术领域，特别涉及一种基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，该滤波器包括：至少一个谐振单元；谐振单元包括第一铁芯、第一绕组和第一电容；其中，第一绕组绕设于第一铁芯，且第一绕组与第一电容串联连接；第一铁芯的材料为导磁材料；第一铁芯的端部设有磁路接口A、磁路接口B、磁路接口C和磁路接口D，且磁路接口B和磁路接口C之间具有气隙。本申请提供的基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，可以实现对高压、大电流、中低频电流和电压的带通滤波和带阻滤波，弥补了现有滤波器的不足。

Description

基于磁场谐振原理的低频功率滤波器

技术领域

本申请涉及滤波器技术领域，特别涉及一种基于磁场谐振原理的低频功率滤波器。

背景技术

目前现有的模拟滤波器主要由电容、电感元件，通过串、并联组合而成，利用电容、电感对电能(而非磁场能)的储存特性实现对电压或者电流的滤波。这种模拟滤波器具有体积大、器件多、功耗高等问题，因此在大功率应用领域，通常以结构较为简单的低通滤波器为主，难以实现高通滤波器、带通滤波器等功能。

现有的通过设计滤波器的材料结构实现寄生电感和寄生电容间的谐振以实现滤波，由于寄生电容和寄生电感的值通常很小，因此只能用于高频领域，而且由于结构通常很精细，因此难以承受大电压、大电流的工况。因此，现有的模拟滤波方法只能对高频、低功率信号实现带通和带阻滤波，对于高电压、大电流、中低频的功率级能量流通常只能通过电感实现低通滤波，无法实现对高电压、大电流、中低频率的功率级电压和电流进行带通或带阻滤波。

发明内容

本申请实施例提供一种基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，可以实现对高压、大电流、中低频电流和电压的带通滤波和带阻滤波，弥补了现有滤波器的不足。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，包括：至少一个谐振单元；谐振单元包括第一铁芯、第一绕组和第一电容；其中，第一绕组绕设于第一铁芯，且第一绕组与第一电容串联连接；第一铁芯的材料为导磁材料；第一铁芯的端部设有磁路接口A、磁路接口B、磁路接口C和磁路接口D，且磁路接口B和磁路接口C之间具有气隙。

在一些示例性实施例中，当外磁场由磁路接口A或磁路接口D流入第一铁芯时，磁场穿过第一绕组以形成第一磁路；当第一磁路流过第一绕组时，磁场中部分漏磁从磁路接口B流向磁路接口C，形成第二磁路，同时为第一绕组充能，充能后的第一绕组与第一电容产生谐振。

在一些示例性实施例中，第一铁芯包括相对设置在第一凸出部和第二凸出部，磁路接口B设置于第一凸出部，磁路接口A设置于靠近磁路接口B的第一铁芯的端部，磁路接口C设置于第二凸出部，磁路接口D设置于靠近磁路接口C的第一铁芯的端部。

在一些示例性实施例中，第一铁芯包括第一子铁芯、第二子铁芯和第三子铁芯，第二子铁芯的两端分别与第一子铁芯和第三子铁芯连接；第一子铁芯和第三子铁芯相对设置，第一绕组绕设于第三子铁芯，且第一子铁芯和第三子铁芯之间具有气隙；磁路接口A设置于第一子铁芯的端部，磁路接口B设置于第一子铁芯面向第三子铁芯的侧壁，磁路接口C设置于第三子铁芯面向第一子铁芯的侧壁，磁路接口D设置于第三子铁芯的端部。

在一些示例性实施例中，第一铁芯包括第一子铁芯、第二子铁芯、第三子铁芯和第四子铁芯，第二子铁芯的两端分别与第一子铁芯和第三子铁芯连接，第四子铁芯位于第一子铁芯和第三子铁芯之间，且第四子铁芯的端部与第二子铁芯的中部连接；第一子铁芯和第三子铁芯关于第四子铁芯的纵向中轴线对称，第一绕组绕设于第四子铁芯，且第四子铁芯与第一子铁芯之间、以及第四子铁芯与第三子铁芯之间均具有气隙；第一子铁芯的端部和第三子铁芯的端部均设有磁路接口A，第一子铁芯的侧壁和第三子铁芯的侧壁均设有磁路接口B，第四子铁芯的端部设有磁路接口D，且第四子铁芯面向第一子铁芯的侧壁、面向第三子铁芯的侧壁上均设有磁路接口C。

在一些示例性实施例中，第一铁芯包括第一子铁芯、第二子铁芯和第三子铁芯，第一子铁芯为环状结构，第一子铁芯的端部和第三子铁芯的端部均与第二子铁芯连接；第一绕组绕设于第三子铁芯，且第三子铁芯与环状的第一子铁芯之间具有气隙；第一子铁芯的环状端部上设有磁路接口A，第一子铁芯的环状侧壁上设有磁路接口B，第三子铁芯的侧壁上设有磁路接口C，第三子铁芯的端部设有磁路接口D。

在一些示例性实施例中，基于磁场谐振原理的低频功率滤波器还包括：第二铁芯，第二铁芯上绕制第二绕组；第二绕组包括两个输入端口，输入端口用于连接需要滤波的电压或电流的交流信号；磁路接口D设置于第一铁芯与第二铁芯的连接处，第二铁芯远离第一铁芯的顶部侧壁上设有磁路接口E；当交流电流由第二绕组两端流入第二绕组时，第二绕组线圈将产生磁场，形成第三磁路，第二绕组磁场中部分漏磁从磁路接口D依次流经磁路接口E和磁路接口A，并在第一铁芯和第二铁芯中形成第一磁路，同时为第一绕组充能；当需要滤波的交变电压或电流信号施加于第二绕组的两个输入端口后，在第二绕组中产生的交流电流将激发交变磁场，并沿第三磁路从磁路接口E流出，形成第三磁路；同时，磁场中部分漏磁沿磁路接口D进入谐振单元，沿第一磁路穿过第一绕组，为第一绕组充能，使得第一绕组和第一电容产生谐振，产生沿第二磁路的交变磁场；当第一绕组和第一电容谐振电流在某一频率达到阈设峰值时，流经第二磁路的磁场显著增强，并有部分磁场沿第一磁路流过第二绕组，且流过第二绕组的磁场相位与输入端口信号在第二绕组上产生的磁场相位相反，从而抵消当前频率下的电压或电流输入信号，产生带阻滤波器的效果。

在一些示例性实施例中，第二铁芯的横截面为L形或U形。

在一些示例性实施例中，基于磁场谐振原理的低频功率滤波器还包括：第二铁芯，第二铁芯与第四子铁芯连接，且第二铁芯上绕制第二绕组；第二绕组包括两个输入端口，输入端口用于连接需要滤波的电压或电流的交流信号；磁路接口D设置于第一铁芯与第四子铁芯的连接处，第二铁芯远离第四子铁芯的端部的两个侧壁上均设有磁路接口E；当交流电流由第二绕组两端流入第二绕组时，第二绕组线圈将产生磁场，形成第三磁路，第二绕组磁场中部分漏磁从磁路接口D依次流经磁路接口E和磁路接口A，并在第一铁芯和第二铁芯中形成第一磁路，同时为第一绕组充能；当需要滤波的交变电压或电流信号施加于第二绕组的两个输入端口后，在第二绕组中产生的交流电流将激发交变磁场，并沿第三磁路从磁路接口E流出，形成第三磁路；同时，磁场中部分漏磁沿磁路接口D进入谐振单元，沿第一磁路穿过第一绕组，为第一绕组充能，使得第一绕组和第一电容产生谐振，产生沿第二磁路的交变磁场；当第一绕组和第一电容谐振电流在某一频率达到阈设峰值时，流经第二磁路的磁场显著增强，并有部分磁场沿第一磁路流过第二绕组，且流过第二绕组的磁场相位与输入端口信号在第二绕组上产生的磁场相位相反，从而抵消当前频率下的电压或电流输入信号，产生带阻滤波器的效果。

在一些示例性实施例中，上述基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，包括两个对称布置在第二绕组两侧的谐振单元；通过调节两个谐振单元的两个磁路接口A之间的距离、每个谐振单元的气隙大小、第一绕组的匝数、第一电容的容值，从而调节滤波效果和中心频率。

在一些示例性实施例中，上述基于磁场谐振原理的低频功率滤波器还包括：绕制在第二铁芯上的第二绕组；第二绕组包括两个输入端口，输入端口用于连接需要滤波的电压或电流的交流信号；磁路接口E和磁路接口A之间的距离为0，所述第一铁芯的截面呈一个O形或两个O形；当需要滤波的电压或电流交变信号连接在第二绕组两端时，第二绕组中会有交变电流流过，进而在第一铁芯中产生沿第一磁路的交变磁场；当所产生的磁场流过第一绕组时，第一绕组内会产生电流，并产生一个与第二绕组所产生磁场方向相反的磁场，抵消第二绕组磁场，阻碍输入信号流经第二绕组；当输入信号的频率达到特定频率时，第一绕组和第一电容会产生谐振，第一绕组产生的磁场将与第二绕组产生的磁场同相位，进而使得输入信号在这个特定频率下通过第二绕组，即起到带通滤波器的效果；滤波器包括两个对称布置在第二绕组两侧的谐振单元；通过调节两个谐振单元的两个磁路接口A之间的距离、每个谐振单元的气隙大小、第一绕组的匝数、第一电容的容值，从而调节滤波效果和中心频率。

本申请实施例提供的技术方案至少具有以下优点：

本申请实施例提供一种基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，该滤波器包括：至少一个谐振单元；谐振单元包括第一铁芯、第一绕组和第一电容；其中，第一绕组绕设于第一铁芯，且第一绕组与第一电容串联连接；第一铁芯的材料为导磁材料；第一铁芯的端部设有磁路接口A、磁路接口B、磁路接口C和磁路接口D，且磁路接口B和磁路接口C之间具有气隙。当外磁场由磁路接口A或磁路接口D流入第一铁芯时，会穿过第一绕组，组成第一磁路；当第一磁路流过第一绕组时，会有一部分漏磁从磁路接口B流向磁路接口C，形成第二磁路；同时为第一绕组充能，第一绕组充能后，将于第一电容产生谐振。本申请提供的基于磁场谐振原理的低频功率滤波器与传统带通、低通滤波器只是对电压或电流的电能进行滤波不同，本申请的滤波器是利用谐振单元产生的磁场与施加在输入端的交变电压或电流产生的磁场相位相反、幅值相近的特点，通过磁场相互抵消，实现对电压或电流的滤波。因此可以实现对大功率、高电压、高电流电能的带通或带阻滤波。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本申请一实施例提供的基于磁场谐振原理的低频功率滤波器的谐振单元的截面结构示意图。

图2为本申请另一实施例提供的基于磁场谐振原理的低频功率滤波器的谐振单元的截面结构示意图。

图3为图2示出的基于磁场谐振原理的低频功率滤波器的谐振单元的立体图。

图4为本申请又一实施例提供的基于磁场谐振原理的低频功率滤波器的谐振单元的截面结构示意图。

图5为图4所示的谐振单元的替代方案的立体图。

图6为图4所示的谐振单元的另一替代方案的立体图。

图7为本申请一实施例提供的基于图1所示的谐振单元的滤波器截面结构示意图。

图8为图7所示的滤波器的替代方案的截面结构示意图。

图9为图7所示的滤波器的另一替代方案的截面结构示意图。

图10为本申请一实施例提供的基于图2所示的谐振单元的滤波器截面结构示意图。

图11为图10所示的滤波器的替代方案的截面结构示意图。

图12为图10所示的滤波器的另一替代方案的截面结构示意图。

图13为本申请一实施例提供的基于图4所示的谐振单元的滤波器截面结构示意图。

图14为图13所示的滤波器的替代方案的截面结构示意图。

图15为图13所示的滤波器的另一替代方案的截面结构示意图。

图16为本申请一实施例提供的基于两个图1所示的谐振单元的滤波器截面结构示意图。

图17为图16所示的滤波器的替代方案的截面结构示意图。

图18为图16所示的滤波器的另一替代方案的截面结构示意图。

图19为本申请一实施例提供的如图12所示的滤波器在磁路接口E和磁路接口A之间的距离为0的情况下，滤波器的截面结构示意图。

图20为图19所示的滤波器的替代方案的截面结构示意图。

图21为本申请一实施例提供的在串有多个绕组和电容的情况下谐振单元的截面结构示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有的低频大功率模拟滤波器结构复杂、难以对大功率输入进行滤波，而且，功率滤波器件只能进行简单的低通滤波，难以实现带通、带阻滤波的问题，即现有的无法实现对高电压、大电流、中低频率的功率级电压和电流进行带通或带阻滤波。

现有的滤波器在大功率应用领域，通常以结构较为简单的低通滤波器为主，难以实现高通滤波器、带通滤波器等功能。专利CN211479840U提出了一种用于电源的集成滤波器(集成电感)，通过将不同发热程度的线圈集成在一个铁芯上，使得电感的平均发热量较低，降低了散热要求。专利CN107659129A、CN202004639U提出了两种共模差模磁集成滤波器，这些方案主要是提出了两种线圈和磁芯的组合结构用于实现差模或共模滤波，本质上是一种基于电感的低通滤波器。专利CN114883111A提出一种将壳体、母线电容、直流母排、稳压电容、磁环集成在一起的集成滤波器方案。本质上是在直流母线和稳压电容上集成了磁环实现低通滤波。上述方案虽然可以承受较大电压和电流，但是本质上都是利用磁环、电感等电感性元件实现低通滤波，难以实现带通、带阻滤波等方案。

另一方面，在高频应用(频率达到MHz甚至达到GHz的领域)，通过合理设计导电材料、介电材料的结构，可以在结构中产生一定的寄生电感和电容，利用结构中的寄生电感或电容实现谐振，可以实现带通、带阻滤波功能。但是这些滤波器只能工作在高频(频率达到MHz甚至达到GHz)低功率的应用(例如通信、射频等)，难以在频率在几百kHz甚至几十kHz的大功率场合应用。

例如：专利CN116094489A、CN116318003A通过铜柱、电容介质、电感介质等实现了电容元件和电感元件的集成，可用于对高频信号(滤波器通带中心频率为1GHz)的滤波。但是这种滤波器只能对低电压、低电流的信号进行滤波，难以承受高压、大电流的情况。专利CN113690555A、CN113937096A、CN116960588A通过将不同介电常数材料组合形成电感和电容效应，形成谐振，实现带通滤波。但是该滤波器同样只能对高频(数GHz频率)、低功率信号进行滤波。专利CN201610796833.2提出一种基于开口谐振环结构的超材料微波滤波器，这是由开口谐振环结构连结电容，以提升通带高端外抑制性和对称性。专利CN202010677785.1提出一种太赫兹超材料滤波器，由多层高分子材料与多层金属材料又称超材料单元，超材料单元堆叠使得入射的太赫兹信号发生谐振并吸收谐振频率下的太赫兹波；专利CN201711158654.7通过将衬底的薄膜雕琢成特定图案从而形成超材料，根据打在衬底上的电磁波的偏振从而控制透射率达到滤波的目的。专利CN201810131434.3通过调节两个相互平行的超材料平面来达到改变其谐振结构的耦合状态，以此来调节微波、太赫兹波和光波波段的信号。专利CN202110712256.5提出了一种微带带阻滤波器技术，其核心在于其基于扇形和扇环结构的设计，通过导电连接件在扇形和扇环之间进行连接，从而调节工作频率。该滤波器使用导体图案预定于介电基板上，并且可以通过调整导电连接件的位置来实现不同频率的滤波。上述基于谐振的滤波方法均通过设计材料结构实现寄生电感和寄生电容间的谐振实现滤波，由于寄生电容和寄生电感的值通常很小，因此只能用于高频领域，而且由于结构通常很精细，因此难以承受大电压、大电流的工况。即现有技术无法实现对高电压、大电流、中低频率的功率级电压和电流进行带通或带阻滤波。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，包括：至少一个谐振单元；谐振单元包括第一铁芯、第一绕组和第一电容；其中，第一绕组绕设于第一铁芯，且第一绕组与第一电容串联连接；第一铁芯的材料为导磁材料；第一铁芯的端部设有磁路接口A、磁路接口B、磁路接口C和磁路接口D，且磁路接口B和磁路接口C之间具有气隙。本申请实施例提供一种基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，可以实现对高压、大电流、中低频电流和电压的带通滤波和带阻滤波，弥补了现有滤波器技术的不足。

下面将结合附图对本申请的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

参看图1，本申请实施例提供一种基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，包括：至少一个谐振单元；谐振单元包括第一铁芯101、第一绕组102和第一电容103；其中，第一绕组102绕设于第一铁芯101，且第一绕组102与第一电容103串联连接；第一铁芯101的材料为导磁材料；第一铁芯101的端部设有磁路接口A、磁路接口B、磁路接口C和磁路接口D，且磁路接口B和磁路接口C之间具有气隙。

本申请主要针对现有低频大功率模拟滤波器结构复杂、难以对大功率输入进行滤波等问题；以及功率滤波器件只能进行简单的低通滤波，难以实现带通、带阻滤波的问题，基于磁场谐振原理，本申请提出一种谐振单元，并在所提出的谐振单元的基础上，提出了结构简单的大功率低频带通和带阻滤波器，可以实现对高压、大电流、中低频电流和电压的带通滤波和带阻滤波，弥补了现有滤波器的不足。

本申请首先提出一种具有双磁路的谐振单元，基于所提出的谐振单元，本申请进而提出了一种带阻滤波器和一种带通滤波器。与传统带通、低通滤波器只是对电压或电流的电能进行滤波不同，本申请利用谐振单元产生的磁场与施加在输入端的交变电压或电流产生的磁场相位相反、幅值相近的特点，通过磁场相互抵消，实现对电压或电流的滤波。因此可以实现对大功率、高电压、高电流、低频电能的带通或带阻滤波。

本申请提出一种基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，包括至少一个谐振单元，谐振单元截面结构如图1所示，其主要结构为一个呈C形且具有4个磁路接口(磁路接口A、B、C、D)的双磁路结构。该谐振单元由第一铁芯101、第一绕组102、第一电容103组成，其中第一绕组102绕设于第一铁芯101，第一电容103与第一绕组102串接。

第一铁芯101由导磁材料构成，第一铁芯101上设有磁路接口A、磁路接口B、磁路接口C、磁路接口D，在磁路接口B和磁路接口C之间设有气隙。当外磁场由磁路接口A或磁路接口D流入第一铁芯101时，磁场穿过第一绕组102以形成第一磁路；当第一磁路流过第一绕组102时，磁场中部分漏磁从磁路接口B流向磁路接口C，形成第二磁路，同时为第一绕组102充能，充能后的第一绕组102与第一电容103产生谐振。通过调节磁路接口B和磁路接口C直接的气隙、第一电容103的容值、第一绕组102的匝数等可以实现调节谐振单元的谐振频率。

如图1所示，在一些实施例中，第一铁芯101包括相对设置在第一凸出部(图1中第一铁芯101左侧端部的凸出部)和第二凸出部(图1中第一铁芯101右侧端部的凸出部)，磁路接口B设置于第一凸出部，磁路接口A设置于靠近磁路接口B的第一铁芯101的端部，磁路接口C设置于第二凸出部，磁路接口D设置于靠近磁路接口C的第一铁芯101的端部。

图1所示的谐振单元的一种替代方案如图2所示，磁路接口B和磁路接口C可以与铁芯做成一体，而不必凸出。如图2所示，在一些实施例中，第一铁芯101包括第一子铁芯(图2中位于左侧的铁芯)、第二子铁芯(图2中位于底部的铁芯)和第三子铁芯(图2中位于右侧的铁芯)，第二子铁芯的两端分别与第一子铁芯和第三子铁芯连接；第一子铁芯和第三子铁芯相对设置，第一绕组102绕设于第三子铁芯，且第一子铁芯和第三子铁芯之间具有气隙；磁路接口A设置于第一子铁芯的端部，磁路接口B设置于第一子铁芯面向第三子铁芯的侧壁，磁路接口C设置于第三子铁芯面向第一子铁芯的侧壁，磁路接口D设置于第三子铁芯的端部。

需要说明的是，第一子铁芯、第二子铁芯和第三子铁芯可以由一整块铁芯制成，即第一子铁芯、第二子铁芯和第三子铁芯可以为一体结构。如图2所示，第三子铁芯上绕制第一绕组102，第一子铁芯和第三子铁芯面对面设置，且第一子铁芯、第三子铁芯位于第二子铁芯的上方；第一子铁芯、第二子铁芯和第三子铁芯共同构成“C”形结构。

图2所示的谐振单元的立体图如图3所示。类似地，通过调节磁路接口B和磁路接口C直接的气隙、第一电容103的容值、第一绕组102的匝数等可以实现调节谐振单元的谐振频率。

图1所示的谐振单元的一种替代方案如图4所示，两个第一铁芯101可以合并为一个对称结构，且共用一组第一电容103和第一绕组102。图4所示方案的立体图如图5、图6所示，其第一铁芯101的径向截面可以是方形也可以是圆形。

如图4和图5所示，在一些实施例中，第一铁芯101包括第一子铁芯、第二子铁芯、第三子铁芯和第四子铁芯(图5所示的位于谐振单元中部的铁芯，第一绕组102绕设于其上)，第二子铁芯的两端分别与第一子铁芯(位于第四子铁芯右侧的铁芯)和第三子铁芯(位于第四子铁芯左侧的铁芯)连接，第四子铁芯位于第一子铁芯和第三子铁芯之间，且第四子铁芯的端部与第二子铁芯的中部连接；第一子铁芯和第三子铁芯关于第四子铁芯的纵向中轴线对称，第一绕组102绕设于第四子铁芯，且第四子铁芯与第一子铁芯之间、以及第四子铁芯与第三子铁芯之间均具有气隙；第一子铁芯的端部和第三子铁芯的端部均设有磁路接口A，第一子铁芯的侧壁和第三子铁芯的侧壁均设有磁路接口B，第四子铁芯的端部设有磁路接口D，且第四子铁芯面向第一子铁芯的侧壁、面向第三子铁芯的侧壁上均设有磁路接口C。

需要说明的是，图4和图5中第一子铁芯、第二子铁芯、第三子铁芯和第四子铁芯可以由一整块铁芯制成，即第一子铁芯、第二子铁芯、第三子铁芯和第四子铁芯可以为一体结构，共同构成第一铁芯101。

如图6所示，在一些实施例中，第一铁芯101包括第一子铁芯(环绕第一绕组102的环状铁芯)、第二子铁芯(位于该谐振单元底部)和第三子铁芯(位于该谐振单元中部，第一绕组102环绕于其上)，第一子铁芯为环状结构，第一子铁芯的端部和第三子铁芯的端部均与第二子铁芯连接；第一绕组102绕设于第三子铁芯，且第三子铁芯与环状的第一子铁芯之间具有气隙；第一子铁芯的环状端部上设有磁路接口A，第一子铁芯的环状侧壁上设有磁路接口B，第三子铁芯的侧壁上设有磁路接口C，第三子铁芯的端部设有磁路接口D。

需要说明的是，图6中第一子铁芯、第二子铁芯和第三子铁芯可以由一整块铁芯制成，即第一子铁芯、第二子铁芯和第三子铁芯可以为一体结构，共同构成第一铁芯101。

基于图1至图6所示谐振单元，本申请还提出了一种滤波器。基于图1所示方案的滤波器如图7所示。

如图7所示，在图1所示方案的磁路接口D上，连接第二铁芯104，并在第二铁芯104上绕制第二绕组105；需要滤波的电压或电流的交流信号连接于第二绕组105的两个端口(输入端口1、输入端口2)。需要说明的是，第一铁芯101和第二铁芯104可以由一整块铁芯制成。

如图7所示，在一些实施例中，基于磁场谐振原理的低频功率滤波器还包括：第二铁芯104，第二铁芯104上绕制第二绕组105；第二绕组105包括两个输入端口(输入端口1、输入端口2)，输入端口用于连接需要滤波的电压或电流的交流信号；磁路接口D设置于第一铁芯101与第二铁芯104的连接处，第二铁芯104远离第一铁芯101的顶部侧壁上设有磁路接口E；当交流电流由第二绕组105两端流入第二绕组时，第二绕组线圈将产生磁场，形成第三磁路，第二绕组磁场中部分漏磁从磁路接口D依次流经磁路接口E和磁路接口A，并在第一铁芯101和第二铁芯104中形成第一磁路，同时为第一绕组102充能。

当需要滤波的交变电压或电流信号施加于第二绕组105的两个输入端口后，在第二绕组105中产生的交流电流将激发交变磁场，并沿第三磁路从磁路接口E流出，形成第三磁路；同时，磁场中部分漏磁沿磁路接口D进入谐振单元，沿第一磁路穿过第一绕组102，为第一绕组102充能，使得第一绕组102和第一电容103产生谐振，产生沿第二磁路的交变磁场。

当第一绕组102和第一电容103谐振电流在某一频率达到阈设峰值时，流经第二磁路的磁场显著增强，并有部分磁场沿第一磁路流过第二绕组105，且流过第二绕组105的磁场相位与输入端口信号在第二绕组105上产生的磁场相位相反，从而抵消当前频率下的电压或电流输入信号，产生带阻滤波器的效果。与传统只是对电压或电流的电能进行滤波不同，本申请所提方案是利用谐振单元产生的磁场与施加在输入端的交变电压或电流产生的磁场相位相反、幅值相近的特点，通过磁场相互抵消，实现对电压或电流的滤波。

需要说明的是，第一磁路既是第二绕组105一部分磁场流过的磁路，也是第一绕组102谐振后一部分磁场流过的磁路。

在一些实施例中，第二铁芯104的横截面为L形或U形。

图8为图7所示滤波器方案的一种替代方案，即第二铁芯截面也可以做成“L”形。进一步地，第二铁芯截面也可以做成“U”形，如图9所示，通过调节磁路接口E和磁路接口A之间的第二气隙的长度，可以调节滤波效果。

类似图7，基于图2所示谐振单元的滤波器如图10所示。

类似图8、图9，图10所示滤波器的替代方案如图11、图12所示。

类似图7，基于图4所示谐振单元的滤波器如图13所示。

如图13所示，在一些实施例中，基于磁场谐振原理的低频功率滤波器还包括：第二铁芯104，第二铁芯104与第四子铁芯(位于该谐振单元中部的铁芯)连接，且第二铁芯104上绕制第二绕组105；第二绕组105包括两个输入端口(输入端口1和输入端口2)，两个输入端口用于连接需要滤波的电压或电流的交流信号；磁路接口D设置于第一铁芯101与第四子铁芯的连接处，第二铁芯104远离第四子铁芯的端部的两个侧壁上均设有磁路接口E。

当交流电流由第二绕组105两端流入第二绕组105时，第二绕组105线圈将产生磁场，形成第三磁路，第二绕组105磁场中部分漏磁从磁路接口D依次流经磁路接口E和磁路接口A，并在第一铁芯101和第二铁芯104中形成第一磁路，同时为第一绕组充能。

当需要滤波的交变电压或电流信号施加于第二绕组105的两个输入端口后，在第二绕组105中产生的交流电流将激发交变磁场，并沿第三磁路从磁路接口E流出，形成第三磁路；同时，磁场中部分漏磁沿磁路接口D进入谐振单元，沿第一磁路穿过第一绕组102，为第一绕组102充能，使得第一绕组102和第一电容103产生谐振，产生沿第二磁路的交变磁场。

当第一绕组102和第一电容103谐振电流在某一频率达到阈设峰值时，流经第二磁路的磁场显著增强，并有部分磁场沿第一磁路流过第二绕组105，且流过第二绕组105的磁场相位与输入端口信号在第二绕组105上产生的磁场相位相反，从而抵消当前频率下的电压或电流输入信号，产生带阻滤波器的效果。

类似图8、图9，图13所示滤波器的替代方案如图14、图15所示。

在一些实施例中，上述基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，包括两个对称布置在第二绕组105两侧的谐振单元，如图16所示。通过调节两个谐振单元的两个磁路接口A之间的距离、每个谐振单元的气隙大小、第一绕组102的匝数、第一电容103的容值，从而调节滤波效果和中心频率。

如图16所示，为了增强谐振单元的滤波效果，可以将两个图1所示的谐振单元对称布置于第二绕组105两侧，其滤波原理与图7所示方案相同；通过调节两个谐振单元的两个磁路接口A之间的距离、每个谐振单元自身气隙大小、第一绕组102的匝数、第一电容103的容值，可以调节滤波效果和中心频率。

如图17、图18所示，图16中所示方案也可以由图2、图4的谐振单元组成替代方案。

需要说明的是，存在一种极端情况，即图12中磁路接口E和磁路接口A之间的距离为0，此时图12中滤波器的第一铁芯101的截面为一个“O”形(也可以看作“0”形)截面，如图19所示。第一铁芯101的截面也可以为两个并列的“O”形(也可以看作两个并列的“0”形)的铁芯截面，如图20所示。

如图19、图20所示的带通滤波器，第二绕组105绕制在第一铁芯101上，第二绕组105包括两个输入端口(输入端口1、输入端口2)，输入端口用于连接需要滤波的电压或电流的交流信号；其带通滤波原理为：滤波器的第一铁芯101的截面图为一“0”形或两个“0”形的铁芯截面。此时由于第一铁芯磁阻很小，因此图12中的第二磁路、第三磁路被短路，只有第一磁路。当需要滤波的电压或电流交变信号连接在第二绕组两端时，第二绕组105中会有交变电流流过，进而在第一铁芯101中产生沿第一磁路的交变磁场。当所产生的磁场流过第一绕组102时，第一绕组102内会产生电流，并产生一个与第二绕组105所产生磁场方向相反的磁场，抵消第二绕组102磁场，阻碍输入信号流经第二绕组105。当输入信号的频率达到特定频率时，第一绕组102和第一电容103会产生谐振，第一绕组102产生的磁场将与第二绕组102产生的磁场同相位，进而使得输入信号在这个特定频率下可以通过第二绕组105，即起到带通滤波器的效果。

将图15所示方案中磁路接口E和磁路接口A之间的距离为0，此时图15中滤波器的第一铁芯101的截面为两个并列的“0”形，如图20所示，其滤波原理与图19所示方案相同，在此不再赘述。

需要说明的是，上述带通滤波器还包括两个对称布置在第二绕组105两侧的谐振单元；通过调节两个谐振单元的两个磁路接口A之间的距离、每个谐振单元的气隙大小、第一绕组的匝数、第一电容的容值，从而调节滤波效果和中心频率。

当一个谐振单元的第一铁芯101上串有多个绕组和电容时，如图21所示(图中103n、102n分别表示所串入的第n个电容和第n个绕组)，该谐振单元将在多个频率上发生谐振。因此将图21所示的谐振单元带入上述各个滤波器，将实现多个中心频率的带阻或带通滤波。

图21所示一个谐振单元的铁芯上串接多个第一电容和第一绕组的结构，通过串接多个电容、绕组，可以实现谐振单元在不同频率上的谐振。利用图21所示的谐振单元替代图7至图20中的谐振单元，实现对多个频率进行带通滤波或带阻滤波的功能。

需要说明的是，本申请的附图中的第一铁芯101和第二铁芯104可以由一整块铁芯制成，为了叙述方便，本申请将铁芯区分为第一铁芯和第二铁芯。

与现有技术相比，本申请提供的基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，优势在于：本申请的滤波器与传统带通、低通滤波器只是对电压或电流的电能进行滤波不同，本申请所提方案是利用谐振单元产生的磁场与施加在输入端的交变电压或电流产生的磁场相位相反、幅值相近的特点，通过磁场相互抵消，实现对电压或电流的滤波。因此可以实现对大功率、高电压、高电流电能的带通或带阻滤波。本申请提供的基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，已经通过仿真和实验进行验证，效果良好。

由以上技术方案，本申请实施例提供一种基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，该滤波器包括：至少一个谐振单元；谐振单元包括第一铁芯101、第一绕组102和第一电容103；其中，第一绕组102绕设于第一铁芯101，且第一绕组102与第一电容103串联连接；第一铁芯101的材料为导磁材料；第一铁芯101的端部设有磁路接口A、磁路接口B、磁路接口C和磁路接口D，且磁路接口B和磁路接口C之间具有气隙。

当外磁场由磁路接口A或磁路接口D流入第一铁芯101时，会穿过第一绕组102，组成第一磁路；当第一磁路流过第一绕组102时，会有一部分漏磁从磁路接口B流向磁路接口C，形成第二磁路；同时为第一绕组102充能，第一绕组102充能后，将于第一电容103产生谐振。本申请提供的基于磁场谐振原理的低频功率滤波器与传统带通、低通滤波器只是对电压或电流的电能进行滤波不同，本申请的滤波器是利用谐振单元产生的磁场与施加在输入端的交变电压或电流产生的磁场相位相反、幅值相近的特点，通过磁场相互抵消，实现对电压或电流的滤波。因此可以实现对大功率、高电压、高电流电能的带通或带阻滤波。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本申请的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本申请的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，其特征在于，包括：至少一个谐振单元；

所述谐振单元包括第一铁芯、第一绕组和第一电容；其中，

所述第一绕组绕设于所述第一铁芯，且所述第一绕组与所述第一电容串联连接；

所述第一铁芯的材料为导磁材料；所述第一铁芯的端部设有磁路接口A、磁路接口B、磁路接口C和磁路接口D，且所述磁路接口B和所述磁路接口C之间具有气隙。

2.根据权利要求1所述的基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，其特征在于，当外磁场由磁路接口A或磁路接口D流入所述第一铁芯时，磁场穿过所述第一绕组以形成第一磁路；当所述第一磁路流过所述第一绕组时，磁场中部分漏磁从磁路接口B流向磁路接口C，形成第二磁路，同时为所述第一绕组充能，充能后的第一绕组与所述第一电容产生谐振。

3.根据权利要求2所述的基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，其特征在于，所述第一铁芯包括相对设置在第一凸出部和第二凸出部，磁路接口B设置于所述第一凸出部，磁路接口A设置于靠近磁路接口B的第一铁芯的端部，磁路接口C设置于所述第二凸出部，磁路接口D设置于靠近磁路接口C的第一铁芯的端部。

4.根据权利要求2所述的基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，其特征在于，所述第一铁芯包括第一子铁芯、第二子铁芯和第三子铁芯，所述第二子铁芯的两端分别与所述第一子铁芯和所述第三子铁芯连接；所述第一子铁芯和所述第三子铁芯相对设置，所述第一绕组绕设于所述第三子铁芯，且所述第一子铁芯和所述第三子铁芯之间具有气隙；

磁路接口A设置于所述第一子铁芯的端部，磁路接口B设置于所述第一子铁芯面向所述第三子铁芯的侧壁，磁路接口C设置于所述第三子铁芯面向所述第一子铁芯的侧壁，磁路接口D设置于所述第三子铁芯的端部。

5.根据权利要求2所述的基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，其特征在于，所述第一铁芯包括第一子铁芯、第二子铁芯、第三子铁芯和第四子铁芯，所述第二子铁芯的两端分别与所述第一子铁芯和所述第三子铁芯连接，所述第四子铁芯位于所述第一子铁芯和所述第三子铁芯之间，且所述第四子铁芯的端部与所述第二子铁芯的中部连接；所述第一子铁芯和所述第三子铁芯关于所述第四子铁芯的纵向中轴线对称，所述第一绕组绕设于所述第四子铁芯，且所述第四子铁芯与所述第一子铁芯之间、以及所述第四子铁芯与所述第三子铁芯之间均具有气隙；

所述第一子铁芯的端部和所述第三子铁芯的端部均设有磁路接口A，所述第一子铁芯的侧壁和所述第三子铁芯的侧壁均设有磁路接口B，所述第四子铁芯的端部设有磁路接口D，且所述第四子铁芯面向所述第一子铁芯的侧壁、面向所述第三子铁芯的侧壁上均设有磁路接口C。

6.根据权利要求2所述的基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，其特征在于，所述第一铁芯包括第一子铁芯、第二子铁芯和第三子铁芯，所述第一子铁芯为环状结构，所述第一子铁芯的端部和所述第三子铁芯的端部均与所述第二子铁芯连接；所述第一绕组绕设于所述第三子铁芯，且所述第三子铁芯与环状的第一子铁芯之间具有气隙；

所述第一子铁芯的环状端部上设有磁路接口A，所述第一子铁芯的环状侧壁上设有磁路接口B，所述第三子铁芯的侧壁上设有磁路接口C，所述第三子铁芯的端部设有磁路接口D。

7.根据权利要求3或4所述的基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，其特征在于，还包括：第二铁芯，所述第二铁芯上绕制第二绕组；所述第二绕组包括两个输入端口，所述输入端口用于连接需要滤波的电压或电流的交流信号；

磁路接口D设置于所述第一铁芯与所述第二铁芯的连接处，所述第二铁芯远离所述第一铁芯的顶部侧壁上设有磁路接口E；

当交流电流由第二绕组两端流入第二绕组时，第二绕组线圈将产生磁场，形成第三磁路，第二绕组磁场中部分漏磁从磁路接口D依次流经磁路接口E和磁路接口A，并在第一铁芯和第二铁芯中形成第一磁路，同时为第一绕组充能；

当需要滤波的交变电压或电流信号施加于所述第二绕组的两个输入端口后，在所述第二绕组中产生的交流电流将激发交变磁场，并沿所述第三磁路从磁路接口E流出，形成第三磁路；同时，磁场中部分漏磁沿磁路接口D进入谐振单元，沿所述第一磁路穿过所述第一绕组，为所述第一绕组充能，使得所述第一绕组和所述第一电容产生谐振，产生沿所述第二磁路的交变磁场；

当所述第一绕组和所述第一电容谐振电流在某一频率达到阈设峰值时，流经所述第二磁路的磁场显著增强，并有部分磁场沿所述第一磁路流过所述第二绕组，且流过所述第二绕组的磁场相位与输入端口信号在所述第二绕组上产生的磁场相位相反，从而抵消当前频率下的电压或电流输入信号，产生带阻滤波器的效果。

8.根据权利要求5所述的基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，其特征在于，还包括：第二铁芯，所述第二铁芯与所述第四子铁芯连接，且所述第二铁芯上绕制第二绕组；所述第二绕组包括两个输入端口，所述输入端口用于连接需要滤波的电压或电流的交流信号；

磁路接口D设置于所述第一铁芯与所述第四子铁芯的连接处，所述第二铁芯远离所述第四子铁芯的端部的两个侧壁上均设有磁路接口E；

当交流电流由第二绕组两端流入第二绕组时，第二绕组线圈将产生磁场，形成第三磁路，第二绕组磁场中部分漏磁从磁路接口D依次流经磁路接口E和磁路接口A，并在第一铁芯和第二铁芯中形成第一磁路，同时为第一绕组充能；

当需要滤波的交变电压或电流信号施加于所述第二绕组的两个输入端口后，在所述第二绕组中产生的交流电流将激发交变磁场，并沿所述第三磁路从磁路接口E流出，形成第三磁路；同时，磁场中部分漏磁沿磁路接口D进入谐振单元，沿所述第一磁路穿过所述第一绕组，为所述第一绕组充能，使得所述第一绕组和所述第一电容产生谐振，产生沿所述第二磁路的交变磁场；

当所述第一绕组和所述第一电容谐振电流在某一频率达到阈设峰值时，流经所述第二磁路的磁场显著增强，并有部分磁场沿所述第一磁路流过所述第二绕组，且流过所述第二绕组的磁场相位与输入端口信号在所述第二绕组上产生的磁场相位相反，从而抵消当前频率下的电压或电流输入信号，产生带阻滤波器的效果。

9.根据权利要求7所述的基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，包括两个对称布置在所述第二绕组两侧的谐振单元；通过调节两个谐振单元的两个磁路接口A之间的距离、每个谐振单元的气隙大小、第一绕组的匝数、第一电容的容值，从而调节滤波效果和中心频率。

10.根据权利要求1所述的基于磁场谐振原理的低频功率滤波器，其特征在于，还包括：绕制在所述第一铁芯上的第二绕组；所述第二绕组包括两个输入端口，所述输入端口用于连接需要滤波的电压或电流的交流信号；

磁路接口E和磁路接口A之间的距离为0，所述第一铁芯的截面呈一个O形或两个O形；

当需要滤波的电压或电流交变信号连接在第二绕组两端时，第二绕组中会有交变电流流过，进而在第一铁芯中产生沿第一磁路的交变磁场；

当所产生的磁场流过第一绕组时，第一绕组内会产生电流，并产生一个与第二绕组所产生磁场方向相反的磁场，抵消第二绕组磁场，阻碍输入信号流经第二绕组；当输入信号的频率达到特定频率时，第一绕组和第一电容会产生谐振，第一绕组产生的磁场将与第二绕组产生的磁场同相位，进而使得输入信号在这个特定频率下通过第二绕组，即起到带通滤波器的效果；

所述滤波器包括两个对称布置在第二绕组两侧的谐振单元；通过调节两个谐振单元的两个磁路接口A之间的距离、每个谐振单元的气隙大小、第一绕组的匝数、第一电容的容值，从而调节滤波效果和中心频率。