CN1868008A - 可控制电感器 - Google Patents

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Abstract

一种可控制电感器，包括第一和第二同轴和同心管元件，所述元件通过磁性端耦合器在两端彼此相连接，绕在两个所述元件上的第一绕组，和绕在至少一个所述元件上的第二绕组，第一元件的绕组轴线垂直于元件的轴线，第二绕组元件的绕组轴线与元件轴线重合，此电感器的特征在于：所述第一和第二磁性元件是用各向异性磁性材料制成，使得在由第一所述绕组产生的磁场方向的磁导率远高于在由第二所述绕组产生的磁场方向的磁导率。

Description

可控制电感器
本发明涉及可控制电感器，更具体地说，是一种包含由各向异性材料构成的第一和第二同轴和同心管元件的可控制电感器，其中所述元件通过一些磁端耦合器在两端相互连接，第一绕组绕在两个所述磁性管元件上，第二绕组绕在所述磁性管元件的至少一个上，第一绕组的绕组轴线垂直于至少一个磁性管元件的轴线，第二绕组的绕组轴线与该轴线重合，通电时第一绕组产生第一方向的磁场，此方向与第一磁导率方向重合，通电时第二绕组产生第二方向的磁场，此方向与第二磁导率方向重合，第一磁导率比第二磁导率大得多。
很早以来就希望利用控制场来控制电感器件中的主场。
US 4210859描述了一种器件，它包含内圆柱和外圆柱，它们通过一些连接元件相互连接。在这种器件中，主绕组是绕在芯上并通过圆柱的中心孔。绕组轴线跟随沿圆柱周边的通路。这个绕组在圆柱的壁上产生环形磁场，并在连接元件内产生圆形磁场。控制绕组绕在圆柱的轴线上。因此将在圆柱的纵向产生场。正如通常在磁性材料中那样，芯的磁导率随着加到控制绕组中的控制电流的作用而改变。由于圆柱和连接元件是由同一种材料制成，故在两种类型的元件中磁导率的改变速度是相同的。因此，必须限制控制场的大小，以防止芯的饱和和控制场的分解。这样一来，这种电感器的控制范围就受到限制，且在US 4210859中的器件体积比较小，限制了该器件的功率处理能力。
其它的器件包括只有主磁路部分的磁导率可以控制。不过，这种方法大大限制了器件的控制范围。例如，US 4393157中描述了一种用各向异性片材料做的可变电感器。此电感器包括两个彼此垂直连接的环元件，其交叠面积有限。每个环元件有绕组。可以对其中的磁场进行控制的器件的部分只限于环相交叠的区域。这个有限的可控制区域是主场和控制场闭合磁路的一小部分。芯部分将首先饱和(芯各部分不会同时达到饱和，因为不同的场作用于不同的区域)，且这种饱和将引起杂散场在主磁通中产生损耗。局部饱和使得器件的控制范围很有限。
因此，现有技术无法在能处理很大功率的芯中控制其磁导率而不引起很大的损耗。现有技术的许多缺点将影响到电感器件的所有几何形状，特别是由片金属做的曲线结构，因为在这类曲线结构中将产生很大的涡电流和迟滞损耗。
本发明将克服这些缺点，并实现一种适用于大功率应用的低损耗可控制电感器。一般而言，本发明可用来通过控制磁畴在横向的位移而控制在卷起方向的磁通传导。
在本发明的一种形式中，是通过在横向加上控制场而控制卷起方向的晶粒取向材料的磁导率。在一种实施例中，晶粒取向钢做的可控制电感器件是在横向被磁化。在另一种实施例中，提供了一种包含第一和第二同轴和同心管元件的可控制电感器。这些元件通过磁性端耦合器在两端彼此连接。第一绕组绕在两个所述元件上，而第二绕组绕在所述元件中至少一个上。第一绕组的绕组轴线垂直于元件轴线，而第二绕组的绕组轴线和元件轴线重合。第一和第二磁性元件用各向异性磁性材料制成，使得由第一绕组引起的磁场方向的磁导率远大于由第二绕组引起的磁场方向的磁导率。在这种实施例的一种形式中，各向异性材料是从下列两组材料中选取：晶粒取向硅钢和磁畴控制的高磁导率晶粒取向硅钢。
在一个实施例中，磁性端耦合器由各向异性材料制成，且提供一种由第一绕组产生的低磁导率磁场通路，和一种由第二绕组产生的高磁导率磁场通路。此可控制电感器还可以在磁性管元件边缘和端耦合器之间包含薄绝缘片。
在另一个实施例中，本发明提供了一种包含闭合磁路的可控制磁结构。此闭合磁路包括磁路第一元件，和磁路第二元件。每个磁路元件是用具有高磁导率方向的各向异性材料制成。此可控制磁结构还包含绕在闭合磁路第一部分上的第一绕组，和取向与第一绕组正交的第二绕组。当各绕组被激励(即通电)时，第一绕组在第一磁路元件的高磁导率方向产生第一磁场，第二绕组在垂直第一场的方向产生第二场。
在这个实施例的一种形式中，可控制磁结构包含第一磁路元件，其为管元件和第二磁路元件，其为端耦合器，后者将第一管元件与第二管元件相连接。在这个实施例的一种形式中，第一管元件和第二管元件处在同轴围绕轴线的位置，且高磁导率方向是相对于此轴线的环形方向。另外，第二高磁导率方向可以是相对于轴线的径向方向。在此实施例的另一种形式中，可控制磁结构是用晶粒取向材料制成。在此实施例还有一种形式中，可控制磁结构是电感器。
在另一个实施例中，绝缘层处在磁路第一元件和磁路第二元件之间的闭合磁路中。在另一个实施例中，磁路第二元件的体积为磁路第一元件体积的10％至20％。
在本发明还有一个实施例中，为磁性可控制电感器提供了芯。此芯包含第一和第二同轴和同心管元件，每个管元件用各向异性磁性材料制成。
每个管元件界定一条轴线，且管元件通过磁性端耦合器在两端彼此相连接。另外，在平行于该元件轴线的第一方向芯呈现第一磁导率，它比垂直于该元件轴线的第二方向的第二磁导率高得多。在此实施例的一种形式中，第一和第二管元件用卷起片材料制成，它包含片端和绝缘材料的涂层。在另一种形式中，第一管元件包含平行于该元件轴线的第三方向上的间隙，且第一和第二管元件在第一和第二管元件之间的接点处用微米级薄绝缘层连在一起。在还有一种形式中，空气隙沿每个管元件的轴线方向伸展，且第一元件的第一磁阻等于第二元件的第二磁阻。在一种实施例中，绝缘材料从MAGNETITE-S和UNISIL-H组成的一组材料中选择。另外，该可控制电感器可包括第三磁导率，它存在于耦合器相对于该元件轴线的环形方向和第四磁导率，它存在于耦合器相对于该元件轴线的径向方向。在此实施例的一种形式中，第四磁导率远大于第三磁导率。
在本发明的另一种形式中，提供了磁性耦合器器件来相互连接第一和第二同轴和同心管元件，为可控制电感器提供磁芯。此磁性端耦合器用各向异性材料制造，且为第一绕组产生的磁场提供低磁导率通路，为第二绕组产生的磁场提供高磁导率通路。在此实施例的一种形式中，磁性耦合器包含横向相当于装配好的芯中管元件的晶粒取向方向的晶粒取向片金属。另外，晶粒取向方向相当于已装配好的芯中管元件的横向，以保证端耦合器的饱和发生在管元件之后。在此实施例的一种形式中，磁性端耦合器用单根磁性材料丝制成。在此实施例的另一种形式中，磁性端耦合器用多股的磁性材料丝制成。
磁性端耦合器可以用各种方法制造。在一种实施例中，端耦合器是通过将磁性片材料卷起形成环形芯而制成。芯的尺寸和形状与管元件相配，且芯沿垂直于材料晶粒取向(GO)方向的平面分成两半。另外，将端耦合器的宽度调节为使各段在管元件端部将第一管元件和第二管元件连接起来。在另一个实施例中，磁性端耦合器用单股或多股磁性材料丝绕成环形芯而制成，且此环形芯沿垂直所有丝的平面分成两半。
在另一个实施例，本发明实现一种低剩磁的可变电感器件，故该器件可以很容易在AC运行的工作周期间复位，并能提供近似线性的大电感变化。
现在通过以下各附图表示的例子对本发明加以详细说明：
图1表示一片磁性材料和卷起方向和轴线方向的相对的位置。
图2表示一个已卷起的芯及其中限定的卷起方向和轴线方向。
图3表示一片晶粒取向材料和其中限定的晶粒方向和横向。
图4表示一个晶粒取向材料卷起的芯和其中限定的晶粒方向和横向。
图5表示一个管元件中不同方向的相对位置。
图6表示按本发明一个实施例的器件一部分的示意图。
图7表示按图6实施例的器件。
图8表示按图7中器件的剖面图。
图9表示按本发明一个实施例的器件在磁性端耦合器和圆柱芯之间的绝缘片的位置。
图10表示用磁性片材料制造的磁性端耦合器。
图11表示用多股磁性材料制作磁性端耦合器的环形芯。
图12表示按本发明一个实施例制作磁性端耦合器的环形磁性材料剖面图。
图13表示按本发明一个实施例的磁性端耦合器内的晶粒方向和横向。
图14表示用来制作磁性端耦合器的环形芯，其形状被调整成与按本发明一个实施例的管元件相配合。
图15表示按本发明一个实施例用磁性丝制作的环形芯。
图16表示图15中环形芯的剖面图。
图17表示晶粒取向材料的磁畴结构。
在制造磁性芯时采用片条材料。这些芯可以例如通过将片材料卷成圆柱体或者将几个片叠在一起然后切割将形成芯的元件来制成。在用来制造“卷起”芯的材料中至少可以定义两个方向，如卷起方向(“RD”)和轴线方向(“AD”)。
图1和图2分别表示一片磁性材料和一个卷起芯。图中标示了卷起方向和轴线方向(RD，AD)。如图2所示，卷起芯的卷起方向跟随圆柱的周边，而轴线方向和圆柱轴线重合。
磁性能随材料中的方向而变化的材料称为各向异性材料。图3和4表示在一片晶粒取向各向异性材料中定义的几个方向。晶粒取向(“GO”)材料是在滚轮之间分几步卷起大块材料而制成，同时还要将得到的片加热和冷却。在制造过程中，材料涂上绝缘层，它能使磁畴减少并使材料的损耗相应下降。材料的变形处理使得其中晶粒(因而是磁畴)主要按一个方向取向。磁导率在此方向达到最大值。通常把这个方向称为GO方向。与GO方向正交的方向被称为横向(“TD”)。例如，UNISIL和UNISIL-H就属于各向异性磁性材料类型。在一个实施例中，晶粒取向材料提供非常高百分数的可以用于在横向旋转的磁畴。所以材料的损耗很低，且通过在横向TD加上控制场可以改善对晶粒取向方向磁导率的控制。
其它类型的各向异性材料是各种无定形合金。所有这些类型的共同特性是，我们可以定义“容易的”或“软的”磁化方向(高磁导率)，和“困难的”或“硬的”磁化方向(低磁导率)。高磁导率方向的磁化是通过磁畴壁的运动实现的，而低磁导率方向的磁化是通过磁畴磁化在场方向的旋转实现的。其结果是在高磁导率方向产生方形的m-h回线，在低磁导率方向产生线性m-h回线(此处磁极化m是作为场强h的函数)。另外，在一个实施例中，在横向的m-h回线没有矫顽力且剩磁为零。在本说明中，在说到高磁导率方向时使用术语GO，而在谈到低磁导率方向时使用术语横向(“TD”)。这些术语不仅用于晶粒取向材料，而且用于本发明用到的任何各向异性芯材料。在一个实施例中，GO方向和RD方向是同一方向。在另一种实施例中，TD方向和AD方向是同一方向。在另一种实施例中，各向异性材料从一组无定形合金中选择，包括METGLAS磁合金2605SC，METGLAS磁合金2605SA1，METGLAS磁合金2605CO，METGLAS磁合金2714A，METGLAS磁合金2826MB，和Nanokristallin R102。在还有一种实施例中，各向异性材料是从包括铁基合金、钴基合金、和铁-镍基合金的一组无定形合金中选择。
虽然上面是谈到使用各向异性材料，但也可以使用其它的材料，只要它们具有下列特性的适当组合：(1)在RD中有高的峰值磁极化和磁导率；(2)低损耗；(3)在TD中磁导率低；(4)在TD中有低的峰值磁极化和磁导率；和(5)在横向有旋转磁化。表1列举了一部分可做成片条的材料及这些材料的某些与本发明一个或几个实施例有关的特性。
                                     表1
  材料   Bmax(在800A/m)   损耗(在1.5T，50Hz)   材料类型   厚度
  Unisil-H103-27-P5   1.93T   0.74W/kg   晶粒取向   0.27mm
  Unisil-H105-30-P5   1.93T   0.77W/kg   晶粒取向   0.30mm
  NO 20级   1.45T   2.7W/kg   无取向   0.2mm
  Unisil-M140-30-S5   1.83T   0.85W/kg最大磁导率约6000   晶粒取向   0.3mm
  Unisi1-140-30-S5，在横向的AC磁化曲线   1.4T(在120A/m，1.15T)   最大磁导率约800
图5表示按本发明的一个具有可变电感的管元件实施例。因为这个元件是通过卷起一片各向异性材料制成，我们可以定义卷起方向(RD)，轴线方向(AD)，高磁导率(GO)方向，和低磁导率(TD)方向。图5显示了该元件中这些方向的相对位置。此管元件可以具有任何截面，因为截面的形状只决定于片绕它卷起的元件的形状。若片是在具有方形截面的平行四边形上卷起，则管元件将为方形截面。同样，若片是在具有椭圆截面的管上卷起，将形成椭圆截面的管。在一种实施例中，管元件是圆柱体。
图6是按本发明的一种器件实施例100一部分的示意图。此器件100包含第一管元件101和第二管元件102，这些元件通过磁性端耦合器在两端彼此相连接。为清楚起见，图中未显示这些磁性端耦合器。第一绕组103绕在元件101和102上，绕组轴线垂直于元件轴线。通电时此绕组产生的磁场(Hf、Bf)将沿着元件周边的方向，也即相对于元件轴线而言的环形方向。第二绕组104绕在元件102上，绕组轴线平行于元件轴线。通电时此绕组产生的磁场(Hs、Bs)平行于元件轴线的方向，也即相对于元件轴线的轴线方向。在一个实施例中，第二绕组104的绕组轴线与元件轴线重合。在另一个实施例中，各元件轴线彼此不互相重合。
若把图6的绕组和磁场与图5的卷起材料芯结合起来，就形成按本发明一个实施例的器件100。在此实施例的一种形式中，由第一绕组103产生的在磁场(Hf、Bf)方向(即GO，RD方向)的磁导率远高于由第二绕组104产生的在磁场(Hs、Bs)方向(即TD，AD方向)的磁导率。
在一个实施例中，第一绕组103组成主绕组，且第二绕组组成控制绕组。在此实施例的一种形式中，主场(Hf、Bf)产生在高磁导率方向(GO，RD方向)，控制场(Hs、Bs)产生在低磁导率方向(TD，AD方向)。
当采用各向异性材料来提供如图5和6所示的器件100时损耗最低。不管这个器件100是用在线性应用还是开关应用都是这个结果。在线性应用下，该器件100被接通并保持在电路中作为电感。在开关应用下，该器件100被用来将另一个器件与电源接通和断开。
低损耗可让器件100用于高功率应用中，例如在使用范围可以从几百kVA至几MVA的变压器的电路中应用。
如方程44)所示，芯的功率处理能力取决于在高磁导率下的最大阻塞电压Ub及在最低可控磁导率值下的最大磁化电流Im：
Ps＝Ub·Im                           44)
若把磁化电流和阻塞电压表达为磁场密度Bm的函数，则视在功率Ps可表示为：
Ps＝·f·Bm2Vj/(μo·μr)            45)
式中Vj是芯中主磁通路径的体积，μo是自由空间的磁导率，μr是芯的相对磁导率。方程45)表明，功率处理能力与芯的体积和相对磁导率两者有关。在很高的磁导率下，磁化电流最低且只传送很小量的功率。
从方程45)清楚可见，芯每体积单位的视在功率Ps与相对磁导率μr有关。对于两个相似的芯，若其中第一芯的最低相对磁导率是第二芯最低相对磁导率的一半，则第一芯的视在功率为第二芯的两倍。因此，给定芯体积的功率处理能力受到芯体积的最低相对磁导率的限制。
与此相应，在一个实施例中，磁性端耦合器的体积约为主芯的10％-20％，但磁性端耦合器的体积根据芯结构和所需的功率处理能力的不同可进一步降低至该百分比的1/2或1/4。在一个这种实施例中，磁性端耦合器的体积约为主芯体积的5％-10％。在还有一个实施例中，磁性端耦合器的体积为主芯体积的2.5％-5％。
有一篇文章描述了在晶粒取向(GO)层制品内磁化曲线和迟滞损耗的新现象理论，文章的题目是“晶粒取向Fe-Si中任意方向的磁化曲线，迟滞回线，和损耗的综合模型”，作者为Fiorillo等人，发表于IEEE Transactions on Magnetics，Vol.38，NO.3，May 2001(下面简称为“Fiorillo等”)。Fiorillo等提供了下面事实的理论和实验证明：占据引起横向磁化的体积用于卷起方向的磁化。因此，该文表明，可以利用另一方向的场来控制一个方向的磁导率。
Fiorillo等还提供了GO材料中的处理模型。例如，它提供了一种包含在GO芯片内任何方向的磁化曲线，迟滞回线和能量损耗的模型。此模型以单晶近似为依据，并说明当沿TD加上场时磁畴按复杂的方式演化。参考图17，GO片包含基本沿RD方向的180°磁畴壁的图式。去磁化状态(图17a)的特征是磁化强度Js沿着[001]和[010]方向。当在TD方向加上场时(图17b)，基本的180°磁畴通过90°磁畴壁处理转变为由体磁畴组成的图式，其磁化强度沿着[100]和[010]方向(即相对于层制品平面成45°角)。当这个新磁畴结构占据一部分样品体积时，宏观磁化强度值为：
J90＝Jsυ90/(2)1/2                    46)
式中J90＝在TD方向的磁化强度，
    Js＝在RD方向的磁化强度，
    υ90＝部分样品体积。
在磁化处理终了可得到的最大磁化强度是J90＝1.42特斯拉，且通过磁畴的瞬间旋转还可以进一步增大。
Fiorillo等还证明，被180°磁畴占据的样品体积由于90°磁畴的生长而下降。因此，可利用横向控制场和可控制磁畴位移来控制加在卷起方向的场的磁导率或通导。
Hubert等人在“磁畴”一书，Springer 2000，416-417页和532-533页中对GO钢内横向磁化特性作了说明。通过控制横向磁畴位移来控制卷起方向的磁导率是最有利的，这主要因为当垂直于180°壁加上场时可避免180°壁的运动。因此，在已经TD磁化体积内主场不影响正交的控制场。
与GO方向和TD方向磁化机理不相同的GO钢相反，非取向钢的磁化主要包括180°磁畴壁位移，因此在非取向钢内受到控制的体积连续受到主场和控制场两者的影响。
图7表示按本发明的一个器件实施例100。该图显示了第一管元件101，第一绕组103，和磁性端耦合器105，106。上面已对管元件磁性材料的各向异性特性作了说明，这种材料在卷起方向(RD)具有软的磁化方向(GO)。
这种管元件是通过卷起一片GO材料而形成的。在一个实施例中，这种GO材料是损耗最小的高品质钢，如Cogent的Unisil HM 105-30P5。
GO钢在横向的磁导率约为GO方向的1-10％，与材料有关。因而，如果两个绕组具有相同匝数，则在横向产生场的绕组的电感只有在GO方向产生场的主绕组电感的1-10％。利用这个电感比例可以高度控制主绕组产生场的方向的磁导率。另外，对于横向的控制通量，其峰值磁极化要比GO方向低20％左右。因而在本发明一个实施例的器件中的磁性端耦合器不会被主磁通或控制磁通饱和，且在任何时候都能使控制场集中在材料内。
为了防止涡电流损耗和控制场二次闭路，在一个实施例中，在各相邻片材料层之间夹着绝缘层。这一层是作为片材料上的涂层而加上的。在一个实施例中，这种绝缘材料是从包括MAGNETITE和MAGNETITE-S的组中选择。但是，也可以采用其它绝缘材料，如Rembrandtin LackGes.m.b.H公司制造的C-5和C-6等，只要它们的机械强度足以经受生产过程，并有足够的机械强度以防止在各相邻箔层之间电短路。这类绝缘材料还有一些好的特性，就是适宜于应力释放退火和浇注铝密封。在一个实施例中，这种绝缘材料包含无铬的有机/无机混合系统。在另一个实施例中，这种绝缘材料包含一种含无机填充剂和涂剂的热稳定有机聚合物。
图8是按本发明的一个器件实施例100的剖面图。在这个实施例中，第一管元件101包含沿元件轴线方向的间隙107，它处在第一管元件的第一层和第二层之间。间隙107的主要作用是按具体应用调整功率处理能力和材料的体积。在芯纵向存在空气隙将减小芯的剩磁。这将在芯磁导率被控制绕组内的电流减小时引起主绕组电流的谐波成分下降。薄绝缘层被安放在元件101的两部分之间的间隙107内。在这个实施例的一种形式中，不把磁性端耦合器分成两部分。
图9-16涉及到磁性端耦合器的不同实施例。在一个实施例中，用于磁性端耦合器的材料是各向异性。在这个实施例的一种形式中，磁性端耦合器为由第一绕组103产生的主磁场Hf提供一个硬磁化(低磁导率)通路。由第二绕组104(图7中未示出)产生的控制场Hs将与磁性端耦合器内的高磁导率和管元件内的低磁导率通路相遇。
磁性端耦合器或控制磁通连接器可以用磁性材料GO片金属或丝制成，其控制场在GO方向且主场在横向。丝可以是单股丝或多股丝。
在一个实施例中，磁性耦合器用GO钢制成，以保证该端耦合器不会在管元件或TD方向的圆柱芯之前饱和，而是将控制磁通集中通过管元件。在另一个实施例中，磁性耦合器用纯铁制造。
现在将说明相应于图7的一个器件实施例中端耦合器的磁场性能。开始时，即当第二绕组或控制绕组104未被激励时，只有很小一部分(约0.04-0.25％)主场Hf进入磁性端耦合器的体积，因为磁性端耦合器内在主场方向(TD)的磁导率很低。在主场方向Hf，TD的磁导率是通过端耦合器的8至50，与所用结构和材料有关。结果，主磁通Bf进入管元件或圆柱芯101，102的体积内。另外，由于主磁通集中，主芯101，102的磁导率可以往下调到10左右。
控制磁通路径(图6和7中的Bs)在管元件101，102的芯壁之一内沿轴线上升并在另一个元件的芯壁内下降，同时通过磁性端耦合器105，106在同心管元件101，102的每一端闭合。
控制磁通(B)路径具有很小的空气隙，它是由磁性端耦合器105，106和圆柱芯圆形端部区域之间的薄绝缘片108提供的(图9)。这对于防止产生从第一绕组103经过由第一、第二管元件101，102和磁性端耦合器105，106造成的“绕组”的变压器作用的闭合电流路径是很重要的。
如前所述，按本发明一个实施例的磁性端耦合器是用几片磁性材料(层制品)制成的。此实施例示于图10-14。图10表示从上面看到的一个GO片钢的磁性端耦合器105及管元件101和102。每段端耦合器105(例如，段105a和105b)是从径向向内的端110逐渐过渡到径向向外的端112，径向向内的端110比径向向外的端112窄。图10所示的方向GO和TD适用于端耦合器的每一段105a，105b。在图10左边和右边上的一部分端耦合器105已移开，以显示内芯102和外芯101的片端114。图11表示一个环形元件116，当把它切割成两部分时就提供各磁性端耦合器。图12表示环形芯的一个截面及磁性材料片(如层制品)105’的相对位置。图12和13表示磁性端耦合器内的磁畴方向，它与主场的方向重合。图14表示如何调整磁性端耦合器段105的尺寸和形状，以保证耦合器在每一端将第一管元件101(外圆柱芯)连接到第二管元件102(内圆柱芯)。在图14中，径向向内端110比径向向外端112窄。
在本发明另一个实施例中，见图15，相同类型的段是用磁性丝做的。端耦合器用多股或单股磁性材料丝制造。由磁性材料形成的环形形状被切割成两半，如图15中的剖面A-A所示。图16表示磁性丝的端部如何提供磁场Hf的进入和出口区。每个丝提供磁场Hf的通路。
为了能增加可控制电感器件的功率处理能力，芯可以用叠层片条材料来做。这对开关也很有利，因为这里要求磁导率迅速改变。
本领域技术人员可对这里所述内容作各种更改，修正，或采用别的实施方案，这不超出下面权利要求书界定的本发明的思想和范围。因而，本发明不是由上面的示例性说明来界定，而是通过下面权利要求书的思想和范围来界定。

Claims (29)

1.一种可控制电感器，包括：
由各向异性材料制成的第一和第二同轴和同心磁性管元件，其中，所述元件用磁性端耦合器在两端彼此相连接；
缠绕在两个所述磁性管元件上的第一绕组；和
缠绕在至少一个所述磁性管元件上的第二绕组；
其中第一绕组的绕组轴线垂直于至少一个磁性管元件的轴线，第二绕组的绕组轴线与该轴线重合，通电时第一绕组在与第一磁导率方向重合的第一方向产生磁场，通电时第二绕组在与第二磁导率方向重合的第二方向产生磁场，以及
其中，第一磁导率远大于第二磁导率。
2.如权利要求1的可控制电感器，其中各向异性材料从下面一组材料中选择：晶粒取向硅钢和磁畴控制的高磁导率晶粒取向硅钢。
3.如权利要求1的可控制电感器，其中磁性端耦合器用各向异性材料制成，且为第一绕组产生的磁场提供低磁导率通路，为第二绕组产生的磁场提供高磁导率通路。
4.如权利要求1的可控制电感器，还包括处在磁性管元件边缘和端耦合器间的薄绝缘片。
5.如权利要求1的可控制电感器，其中磁性端耦合器的体积是磁性管元件体积的10-20％。
6.如权利要求1的可控制电感器，其中磁性端耦合器的体积是磁性管元件体积的25-50％。
7.如权利要求1的可控制电感器，其中由第一绕组引起的磁场方向是在相对于至少一个元件的轴线的环形方向。
8.如权利要求1的可控制电感器，其中由第二绕组引起的磁场方向是在相对于至少一个元件的轴线的径向方向。
9.一种磁性可控制电感器的芯，包括：
第一和第二同轴和同心管元件，每个管元件由各向异性磁性材料构成且界定轴线；
其中管元件用磁性端耦合器在两端彼此相连接；且
其中芯在平行元件轴线的第一方向提供的第一磁导率远高于在垂直于元件轴线的第二方向的第二磁导率。
10.如权利要求9的可控制电感器，其中第一和第二管元件是由卷起的片材料制成，它包含片端部和绝缘材料涂层。
11.如权利要求9的可控制电感器，其中第一管元件包括：
第一层；第二层；和沿平行元件轴线的第三方向的间隙，其中第一管元件的第一层和第二层用微米级薄绝缘层在位于第一和第二层之间的连接处连在一起。
12.如权利要求9的可控制电感器，还包括：
沿每个管元件轴线方向伸展的空气隙，且其中第一元件的第一磁阻等于第二元件的第二磁阻。
13.如权利要求10的可控制电感器，其中绝缘材料从包含MAGNETITE-S和UNISIL-H的一组材料中选择。
14.如权利要求9的可控制电感器，其中第三磁导率存在于端耦合器中相对于元件轴线的环形方向，第四磁导率存在于耦合器中相对于元件轴线的径向方向，且第四磁导率远大于第三磁导率。
15.一种用来相互连接第一和第二同轴和同心管元件以为可控制电感器提供磁芯的磁性耦合器器件，包括：
由各向异性材料构成的磁性端耦合器，低磁导率通路与第一绕组产生的磁场方向重合，高磁导率通路与第二绕组产生的磁场方向重合，其中磁场是在绕组通电时产生的。
16.如权利要求15的可控制电感器，其中第一和第二管元件是用各向异性磁性材料制成，其中沿由第一绕组产生的磁场方向的磁导率远大于沿由第二绕组产生的磁场方向的磁导率，其中磁性端耦合器包含晶粒取向片金属，其横向相应于已组装芯内的管元件的晶粒取向方向，且晶粒取向方向相应于已组装芯内的管元件的横向，以保证端耦合器在管元件之后才饱和。
17.如权利要求15的可控制电感器，其中磁性端耦合器还包括磁性材料单丝和多股丝中的至少一种。
18.如权利要求15的可控制电感器，其中磁性端耦合器是通过将磁性片材料卷起成环形芯而制成，其中芯的尺寸和形状能与管元件相配，其中芯沿垂直于材料晶粒取向方向的平面分为两半，且其中磁性耦合器宽度调节成使段在管元件端部把第一管元件连至第二管元件。
19.如权利要求15的可控制电感器，其中磁性端耦合器包含多股丝和单丝磁性材料中的至少一种，其绕成环形，且
其中环形沿垂直于所有丝的平面分成两半。
20.一种可控制磁结构，包括：
闭合磁路，包含磁路第一元件和磁路第二元件，每个所述第一和第二磁路元件包含一种具有高磁导率方向的各向异性材料；
绕在该闭合磁路第一部分上的第一绕组，和取向与第一绕组正交的第二绕组，
其中第一磁场是由沿第一磁路元件的高磁导率方向的第一绕组产生的，且
其中第二磁场是由沿与第一场方向正交的方向的第二绕组产生的。
21.如权利要求20的可控制磁结构，其中磁路第一元件是管元件，且磁路第二元件是端耦合器。
22.如权利要求21的可控制磁结构，其中磁路第一元件包含两个围绕轴线同轴的管元件，其中高磁导率方向是相对该轴线的环形方向。
23.如权利要求22的可控制磁结构，其中第二高磁导率方向是相对于该轴线的径向方向。
24.如权利要求20的可控制磁结构，其中可控制磁结构是电感器。
25.如权利要求20的可控制磁结构，还包括晶粒取向材料。
26.如权利要求25的可控制磁结构，其中晶粒取向材料是磁畴控制的高磁导率晶粒取向硅钢。
27.如权利要求20的可控制磁结构，还包括位于磁路第一元件和磁路第二元件之间的闭合磁路内的绝缘物。
28.如权利要求20的可控制磁结构，其中磁路第二元件的体积是磁路第一元件体积的10-20％。
29.如权利要求20的可控制磁结构，其中第二场方向相应于磁路第二元件内的第二高磁导率方向。
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Assignee: Fjord Technologies Inc

Assignor: Magtech As

Contract record no.: 2015990000798

Denomination of invention: Variable inductor

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License type: Exclusive License

Record date: 20150909

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