CN1231057A - 线圈 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能够用于变压和扼流器线圈的线圈结构。本发明的目的是得到这样的线圈,它显示出较小的铁耗,并且由于电流增大而造成的电感的减少较小。其结构为一个线圈,它包括由非晶或微晶金属做成的环形铁心(2),如图1所示,在环形铁心的表面上放置和固定至少一个条形铁心(5),条形铁心的长度比所述环形铁心的内直径长,在所述条形铁心上缠绕导电材料(6)。特别地,其结构为一个线圈,它包括至少两个环形铁心(2、2),在它们的表面之间插入并固定至少一个条形铁心(3),条形铁心的长度比所述环形铁心的内直径长,在所述的条形铁心上缠绕导电材料(5)。此外,与在环形铁心上缠绕铜线的传统的线圈(诸如环形线圈)相比,能够以容易得多的方法制造本发明的线圈。与使用切割铁心和环形铁心的传统的线圈相比,本发明的线圈还显示出较小的铁耗,因此提供了能够节能和显示出由于电流增大而造成的电感减小较少的优点。由于这个原因,本发明的线圈能够在诸如变压器和扼流器线圈等很宽的应用范围内使用。

Description

线圈

技术领域

本发明涉及线圈。说得更具体些，本发明涉及用于变压器、扼流圈线圈、等等的那些线圈，它们包括一个环形铁心和一个置于其面上的条形铁心，并且具有这样的结构，其中，条形铁心上缠绕有导电材料，从而线圈只带来很小的铁耗，并且易于制造。

背景技术

生产用于电力或电子线路的线圈的传统做法是在条形、管形或环形磁性材料上缠绕诸如铜线等导电材料。除了这些线圈之外，近年来对于诸如高频电路等应用广泛使用了在环形磁性材料上缠绕铜线的环形线圈。此外，也广泛使用了那些使用卷绕铁心的线圈，把磁性材料的薄带相互卷绕和层叠在一起形成矩形环而得到卷绕铁心。一般，把铜线缠绕在形状为首尾衔接的铁心(诸如环形线圈)上的工作很复杂，因而不能容易地使之自动化。此外，如果铁心的形状和缠绕线圈变化很大，则难于有效地生产环形线圈，因而在提高成批生产率方面有限制。

此外，作这不直接把铜线缠绕在环形铁心或卷绕铁心上的一种方法可采用另一种方法，其中，把缠绕在线圈架上的铜线插入分裂成两个部分的切割铁心的切割部分，或者插入E形和倒E形铁心的组合的每一端。这种方法也很复杂，因而显示不出良好的可加工性。此外，由于这些类型的线圈受线圈架和线圈的尺寸误差的影响，因此难于把线圈的尺寸做得较小和使其密度较高。

本发明的发明人研究了这样的线圈结构，它们能解决这些问题并且可以用简单的步骤来制造线圈，同时还显示出优良的成批生产率、良好的经济性以及很小的铁耗。结果发现，可以制造出这样的线圈，它能够以高的生产率生产，并且与传统的线圈(把铜线缠绕在卷绕铁心上做成)相比，它的铁耗很小，所用的方法是把导电材料缠绕在条形铁心上，同时采用这样的结构，它包括一个环形铁心和一个放在环形铁心面上的条形铁心。这导致了本发明。

发明概述

本发明涉及一种线圈，它包括一个由非晶或微晶金属做成的环形铁心以及在其表面上放置和固定至少一个条形铁心，条形铁心的长度比上述环形铁心的内直径长，在上述条形铁心上缠绕导电材料。最佳结构是这样的线圈，它包括至少两个上述环形铁心，在它们的表面之间插入并固定至少一个条形铁心，条形铁心的长度比上述环形铁心的内直径长，导电材料缠绕在上述条形铁心上。

附图概述

图1是本发明的线圈的示意图的一个例子。

图2是本发明的线圈的另一个例子的示意图。

图3示出本发明的线圈以及传统的切割铁心的磁通密度-铁耗曲线。

图4示出本发明的线圈的叠加电流-电感曲线。

1  线圈

2  环形铁心

3  矩形环形铁心的长边

4  矩形环形铁心的短边

5  条形铁心

6  铜线

7  环形铁心的非晶金属或微晶金属带

8  条形铁心的磁性材料带

9  环形铁心和条形铁心之间的接触区域

10 空隙

A  本发明的线圈的磁通密度-铁耗曲线

B  传统的切割铁心线圈的磁通密度-铁耗曲线

a  本发明的切割铁心的叠加电流-电感曲线

b  传统的环形线圈的叠加电流-电感曲线

本发明的较佳实施例

下面是通过使用附图给出的本发明的描述。图1是本发明的线圈的示意图的一个例子。在图1中，线圈1包括两个环形铁心2、2和条形铁心5，条形铁心5插入并固定在上述一组环形铁心之间，铜线6缠绕在条形铁心5上。

线圈的环形铁心由非晶或微晶金属做成。以环形的形状卷绕金属带7，并且层层相叠，从而形成铁心。在本发明中，采用非晶或微晶金属作为环形铁心的材料。这样做可以得到显示出铁耗很小的线圈。

非晶金属是没有晶格结构的金属，使熔化金属骤冷可以获得非晶金属。作为本发明的线圈的卷绕铁心的材料，最好是具有下述成分的合金，它包含作为其主要金属成分的从Fe、Co或Ni中选出的过渡金属，特别是Fe，以及作为其非金属成分的B、C、P或Si，这是由于该合金的铁耗很小而饱和磁通密度很高。

微晶金属是软性的微晶磁性合金材料。它的构成方法如下。通过把包含作为基本成分的Fe、Si或B和诸如Cu、Nb、Ta、Mo和Zr等少量元素的合金熔化和骤冷，制备无晶格结构的金属带，然后对该金属带进行热处理，使之形成结晶，以构成10nm数量级的超微晶。

通常，环形铁心的形状是矩形环形状，它包括长边3和短边4，如图1所示，但铁心形状也可以是圆环形状的或椭圆形的。铁心是用下述方法生产的，其中，把非晶或微晶金属的长带卷绕在芯子上并且层层相叠。

在本发明中，线圈是用这样的方法构成的，把一个条形铁心放在至少一个环形铁心上，并且把导电材料缠绕在条形铁心上，但是可把一个(或几个)条形铁心插在不少于两个环形铁心的面之间。如图1所示，一个条形铁心5夹在两个形状相同的环形铁心2之间，采用所述的结构，对于给定的电流值能够得到较大的电感。由于这个原因，这种结构在电磁性能方面和易于制造方面是有利的。另一方面，对于线圈，当电流增大时电感减小。然而，如图2所示，由条形铁心以层的形式放置在一个环形铁心上获得的那些线圈，在较强的电流下，具有电感显示出很小的减小趋势和保持很大的电感的效果。由于这个原因，可以合适地选择这种结构以满足使用要求。

放置在环形铁心上的条形铁心的数目通常是1，但该数目也可以不小于2。

对于用作条形铁心的磁性材料没有特别的限制，因而用于环形铁心的铁氧体、坡莫合金等等以及非晶金属、微晶金属和硅钢可用作上述磁性材料。

条形铁心相对于环形铁心的位置没有限制，只要能够把条形铁心放置在环形铁心的面上。然而，如果环形铁心具有矩形环的形状，则最好把条形铁心放置在环形铁心的中心部分，与一个环形铁心(尤其是它的长边)平行。此外，条形铁心的长度必须比环形铁心的内缘长度更长，从而能够把条形铁心放置在环形铁心上。一般，条形铁心的长度等于或略小于环形铁心的外缘的长度。

条形铁心的形状可以是任何不确定的形状，但最好是矩形，并且具有与环形铁心的有效截面积相等的有效截面积。

取决于材料的类型，把薄板或薄块的叠层用作条形铁心的形式。在薄带形式的材料(诸如非晶或微晶金属和硅钢)的情形中，把大量的形状相同的薄板层叠起来。可以把薄板卷绕成柱形。在用层叠薄板做成条形铁心的情形中，如果有需要，也可以把树脂(诸如环氧树脂)注入，以固定薄板。在铁氧体的情形中，使用块形铁心。

在使用由非晶或微晶金属做成的磁带8的叠层构成条形铁心的情形中，最好通过以这样的方式层叠磁带以构成条形铁心，带的宽度方向与环形铁心的环面方向成直角，如图1所示(在图1中，带8的宽度方向沿朝上和朝下的方向，并且与沿水平位置放置的环形铁心的面相交。)使用这样的环形铁心提供了一个好处，由于不产生涡流，因而铁耗很小，因为在环形铁心的边(图1中的长边3)处，带8的层叠面与带7的层叠面平行，环形铁心的长边与条形铁心平行，此外，构成环形铁心的磁带的面不与构成条形铁心的磁带接触。

把条形铁心放置和固定在环形铁心的面上或者插入并固定在两个环形铁心的面之间。然而，在条形铁心和环形铁心之间的接触区域9或者相互接触地固定，或者在它们之间有空隙，取决于线圈的使用。在变压器的情形中，使条形铁心的面和环形铁心的面如此接触，例如通过把上述的面磨光而使得它们之间的空隙尽可能的小。然而，在扼流线圈的情形中，如图2所示提供特定的空隙。在条形铁心夹在两个环形铁心的面之间，为线圈设置空隙的情形中，可以把空隙设置在条形铁心和两个环形铁心之间，在条形铁心和环形铁心相互接触的两端。

用导电材料缠绕条形铁心，从而形成线圈。铜线是最常用的导电材料。按照应用可任意地选择匝数。可以把导电材料直接缠绕成条形铁心的形状。然而，条形铁心也可以用缠绕在线圈架等等之上的导电材料来覆盖。在本发明的任何一种情形中，由于铜线缠绕在条形铁心上，能够很容易地完成工作。此外，在本发明中，由于在条形铁心上缠绕铜线而形成线圈，线圈照样可以使用，但是，如果需要的话，也可在环形铁心上缠绕铜线。

通过把环形卷绕铁心和在其上卷绕了导电材料的条形铁心加以组合，就能够简便地制造本发明的线圈。由于这个原因，用本发明可以生产任何可选尺寸的线圈，并且按照所用的材料、应用和性能要求，可以适当地选择尺寸。

本发明的线圈不仅能容易地和经济地制造，并且还有铁耗较小和能耗较低的优点。

此外，对于本发明的线圈，在条形铁心上缠绕铜线，条形铁心放置在周围的环形铁心框架内。因此，线圈的结构紧凑，因而能够缩小包括该线圈的设备的尺寸。

由于具有这些特性，本发明的线圈可用于诸如变压器和扼流线圈等应用。当线圈用作扼流器线圈时，通过适当地调节在条形铁心和环形铁心之间的接触区域处的空隙而使用它。例子 例1

通过把非晶金属带(它可从Nippon Amorphous Metals Co.，Ltd.购得，成分为：Fe(主要成分)、Ni、Si和B)在矩形的芯子上卷绕和层层相叠而制备两个矩形的环形铁心，其矩形内框尺寸为60×55mm，其外框尺寸为75×70mm，高度为10mm。此外，通过层叠上述非晶金属带(10mm宽)制备条形铁心，其长度为80mm，宽度为30mm(沿带的层叠方向)，高度为10mm(沿带的宽度方向)，用铜线在条形铁心上缠绕50匝，并且把这个经卷绕的条形铁心夹在上述两个矩形的环形铁心之间，其结果是形成了如图1所示的线圈。

在1kHz的频率下，用数字功率计2532(从Yokogawa Electric corporation购得)对上述线圈测量铁耗-磁通密度的关系。测量结果示于图3的A。比较例1

通过切割矩形环形铁心的中心部分制备一个切割铁心，矩形内框尺寸为70×20mm，外框尺寸为105×52mm，而高度为25mm，该铁心是通过把在例1中相同的非晶金属带在矩形芯子上卷绕和层叠而成。在这个铁心上缠绕50匝铜线，结果制备了一个切割铁心线圈。

以例1中描述的相似方式，使用切割铁心线圈，测量铁耗-磁通密度的关系。测量的结果示于图3中的B。

从图3能够看出，与在切割铁心上缠绕铜线得到的传统的切割铁心线圈相比，本发明的线圈显示出较小的铁耗和能耗。例2

通过把条形铁心放置在用于例1的矩形环形铁心上，并且在矩形环形铁心和条形铁心之间的两个接触区域设置3mm的空隙而形成扼流器线圈，如图2所示。在1kHz的频率下，测量了该线圈的叠加电流和电感之间的关系，从而估算了直流叠加性质。结果示于图4的a。比较例2

制备了一个圆形的环形铁心，其外直径为60mm，内直径为35mm，宽度为25mm，空隙为3mm，该铁心的重量与例1制备的线圈的铁心的重量大致相等。在上述圆形的环形铁心上缠绕47匝铜线做成环形线圈，并且在1kHz的频率下测量该线圈的叠加电流与电感之间的关系，从而估算其直流叠加性质。结果示于图4的b。

从图4可以看出，与传统的环形线圈相比，由于电流的增大，本发明的线圈的电感显示出较小的减少。

工业应用的可能性

在本发明中，只要简便地把在其上缠绕有导电材料的条形铁心插入环形卷绕铁心，就能得到线圈，于是与通过在环形铁心上缠绕铜线的传统的线圈相比，本发明提供了非常容易的线圈制造方法。

此外，与使用传统的切割铁心相比，本发明的线圈显示出较小的铁耗，因而提供了能够节能和由于电流增大而造成较小的电感减少的优点。由于这个原因，本发明的线圈能够在诸如变压器和扼流器线圈等很宽的应用范围中使用。

权利要求书

                     按照条约第19条的修改

1.一种线圈，其特征在于，包括一个由非晶或微晶金属做成的环形铁心，在所述环形铁心的面上放置和固定至少一个由非晶或微晶金属做成的条形铁心，所述条形铁心的长度比所述环形铁心的内直径长，在所述条形铁心上缠绕导电材料。

2.如权利要求1所述的线圈，其特征在于，所述条形铁心由如此层层相叠的磁带构成，即，所述磁带的宽度方向与所述环形铁心的面方向垂直。

3.如权利要求1至2任何一条所述的线圈，其特征在于，所述环形铁心是矩形的环形铁心，所述条形铁心的长度比所述矩形环形铁心的长边的内缘长，把所述条形铁心放置在所述矩形环形铁心的两条长边的中间附近，并与所述长边平行。

4.如权利要求1至3任何一条所述的线圈，其特征在于，在所述环形铁心的面和所述条形铁心之间设置空隙。

5.一种变压器，其特征在于，它使用如权利要求1至4任何一条所述的线圈。

6.一种扼流线圈，其特征在于，它使用如权利要求1至4任何一条所述的线圈。

Claims (7)

1.一种线圈，其特征在于，包括由非晶或微晶金属做成的环形铁心，在所述环形铁心的面上放置和固定至少一个条形铁心，所述条形铁心的长度比所述环形铁心的内直径长，在所述条形铁心上缠绕导电材料。

2.一种线圈，其特征在于，包括至少两个由非晶或微晶金属做成的环形铁心，在它们的表面之间插入并固定至少一个条形铁心，所述条形铁心的长度比所述环形铁心的内直径长，在所述条形铁心上缠绕导电材料。

3.如权利要求1或2所述的线圈，其特征在于，所述条形铁心由如此层层相叠的磁带构成，即，所述磁带的宽度方向与所述环形铁心的面方向垂直。

4.如权利要求1至3任何一条所述的线圈，其特征在于，所述环形铁心是矩形的环形铁心，所述条形铁心的长度比所述矩形环形铁心的长边的内缘长，把所述条形铁心放置在所述矩形环形铁心的两条长边的中间附近，并与所述长边平行。

5.如权利要求1至4任何一条所述的线圈，其特征在于，在所述环形铁心的面和所述条形铁心之间设置空隙。

6.一种变压器，其特征在于，它使用如权利要求1至5任何一条所述的线圈。

7.一种扼流线圈，其特征在于，它使用如权利要求1至5任何一条所述的线圈。

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