RU2560918C2 - Способ увеличения добротности плоской спиральной катушки индуктивности - Google Patents
Способ увеличения добротности плоской спиральной катушки индуктивности Download PDFInfo
- Publication number
- RU2560918C2 RU2560918C2 RU2012151566/07A RU2012151566A RU2560918C2 RU 2560918 C2 RU2560918 C2 RU 2560918C2 RU 2012151566/07 A RU2012151566/07 A RU 2012151566/07A RU 2012151566 A RU2012151566 A RU 2012151566A RU 2560918 C2 RU2560918 C2 RU 2560918C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- turns
- width
- coil
- turn
- axis
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
- H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
- H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
- H01F41/04—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing coils
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F5/00—Coils
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Coils Or Transformers For Communication (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
- Manufacturing Cores, Coils, And Magnets (AREA)
Abstract
Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в повышении эффективности проектирования и изготовления высокодобротной планарной спиральной катушки индуктивности с преобладающими омическими потерями. Способ увеличения добротности плоской спиральной катушки индуктивности с произвольным заданным числом витков заключается в том, что выбирают ширину каждого витка и межвитковые расстояния в указанной плоской спиральной катушке индуктивности таким образом, чтобы обеспечить распределение тока, повторяющее распределение тока в одном витке, имеющем те же геометрические размеры, что и указанная плоская спиральная катушка индуктивности. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Заявляемое изобретение относится к области электротехники, а более конкретно - к способам более эффективного проектирования и изготовления высокодобротной планарной спиральной катушки индуктивности с преобладающими омическими потерями.
Плоские катушки индуктивности широко применяются для решения различных прикладных задач, например для передачи энергии без проводов [1] или для создания высокочастотных интегральных микросхем [2]. При решении таких задач катушка индуктивности часто является частью резонансного LC-контура, в котором один или несколько конденсаторов соединяются с рассматриваемой катушкой индуктивности. Большинство практических задач для своего успешного решения требуют резонансного контура с наибольшей возможной добротностью [1-5, 7-9]. Геометрические размеры катушки индуктивности и рабочая частота обычно определяются конкретным практическим применением. Одна из актуальных практических проблем заключается в увеличении добротности колебательного контура, в состав которого входит катушка индуктивности с заданными геометрическими размерами (внутренний и внешний радиусы) и резонансная частота которого также фиксирована. Поскольку добротность колебательного контура не может превышать постоянную катушки (отношение реактивного и активного сопротивлений катушки индуктивности), то для создания высокодобротного контура необходимо спроектировать катушку индуктивности с высокой постоянной.
Наиболее простая катушка индуктивности с высокой постоянной катушки представляет собой один широкий виток из металла (Фиг.1). Такая катушка индуктивности обладает очень низким омическим сопротивлением, что и приводит к высокому значению постоянной. Однако индуктивность такой катушки также оказывается малой. В большинстве приложений это приводит к тому обстоятельству, что действительная часть импеданса соответствующего конденсатора, необходимого для настройки рассматриваемого колебательного контура на резонансную частоту, намного превосходит активное сопротивление индуктора. В итоге это приводит к значительному уменьшению добротности контура. Таким образом, для успешного решения практических задач необходимо спроектировать катушку индуктивности с высокой постоянной катушки и в то же время с достаточно высоким активным сопротивлением, предназначенным для уменьшения влияния конденсатора на добротность LC-контура.
Одно из возможных решений вышеупомянутой проблемы заключается в использовании спиральной катушки индуктивности с одинаковой шириной витков и одинаковым расстоянием между витками. Использование такой катушки приводит к одновременному увеличению ее сопротивления R и индуктивности L катушки. Таким образом, можно добиться значительного превышения сопротивления многовитковой катушки индуктивности над действительной частью импеданса соответствующего конденсатора, и рассматриваемый конденсатор не будет оказывать значительного влияния на добротность колебательного контура.
Описанная спиральная геометрия катушки индуктивности может быть усовершенствована с целью получения более высокой постоянной катушки. Один из способов усовершенствования заключается в изменении ширины витков и расстояний между ними (изменении этих параметров при переходе от витка к витку). Данный подход описан в работах [2], [4] и [5].
В работе [4] не объясняется, каким образом можно выбрать оптимальную ширину витков и расстояние между ними. Таким образом, он не содержит в себе практической инструкции по созданию оптимальной катушки индуктивности, и итоговая добротность колебательного контура оказывается случайной в зависимости от выбранных ширин витков и межвитковых расстояний.
Работы [2, 5], лишены вышеупомянутого недостатка. Ширина витков и межвитковые расстояния выбираются таким образом, чтобы их значения образовывали арифметическую и/или геометрическую прогрессию. Эти методы достаточно хорошо проявили себя на практике, например метод из работы [2] привел к увеличению добротности на 67%. Однако вычисление оптимальных значений для ширин витков и межвитковых расстояний представляет собой весьма трудоемкую операцию и требует значительных усилий. Вычисление ожидаемой добротности также представляет собой непростую задачу.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать более эффективный процесс проектирования неоднородной спиральной катушки индуктивности с высоким значением постоянной катушки.
Технический результат достигается за счет увеличения добротности спиральной катушки индуктивности, в основном путем оптимизации соотношения размеров ее компонентов. При этом заявляется способ увеличения добротности (Q) плоской спиральной катушки индуктивности с произвольным заданным количеством витков (N), заключающийся в том, что ширину каждого витка и ширину межвитковых расстояний в указанной плоской спиральной катушке индуктивности выбирают таким образом, что распределение тока повторяет распределение тока в одном витке, имеющем те же геометрические размеры, что и указанная плоская спиральная катушка индуктивности.
Иными словами, предлагается способ выбора межвитковых расстояний и ширин витков, который приводит к результатам, сравнимым с лучшими образцами, известными из уровня техники, но является значительно более простым в реализации. Итоговая добротность колебательного контура в заявляемом способе близка по своему значению к постоянной катушки индуктивности, представляющей из себя простой виток из металла с такой же геометрией, как и у проектируемой катушки (Фиг.1).
Заявляемый способ основан на определении оптимальной ширины витков однородной спиральной катушки. Ключевая идея состоит в том, чтобы добиться высокого значения постоянной катушки для описанного индуктора. Спиральная геометрия позволяет увеличить индуктивность L и активное сопротивление R одновременно, не приводя к значительному уменьшению постоянной катушки.
В сравнении со спиральной катушкой с неизменной шириной витков и неизменным межвитковым расстоянием заявляемый способ приводит к значительно более низким значениям сопротивления R, в то время как индуктивность L практически не изменяется. В итоге это приводит к увеличению постоянной катушки и к увеличению добротности колебательного контура.
На Фиг.1 представлена катушка индуктивности, выполненная в форме широкого витка из металла, где:
I - металлический виток с внутренним радиусом а и шириной w.
На Фиг.2 показано разбиение витка на пять областей, где:
II - области, по которым протекают равные токи.
На Фиг.3 показан график зависимости полного тока, протекающего через область в виде тора с прямоугольным поперечным сечением с внутренним радиусом а и произвольной шириной х≤w от ширины тора х.
На Фиг.4 приведен пример спиральной катушки индуктивности с геометрией, выполненной в соответствии с данным изобретением.
Для того чтобы спроектировать катушку индуктивности с высокой постоянной катушки и в то же время с достаточно высоким активным сопротивлением, сначала необходимо рассмотреть простой широкий металлический виток с внутренним радиусом а и внешним a+w (см. Фиг.1). Суммарный ток, протекающий через такой виток, обозначен как I0 (в примере на иллюстрациях I0=1А). Предположим, что необходимо разбить его на N-витков (N будет определено ниже). Тогда следует разбить исходный виток на N областей, с суммарным током, протекающим через каждую их них, равным I0/N (см. Фиг.2). В примерах, приведенных на иллюстрациях, N=5. Для вычисления ширины соответствующих областей d1, d2…dN, можно, например, воспользоваться подходящим программным обеспечением, таким как COMSOL Multiphysics [6], ANSYS HFSS и т.п. Для этого необходимо выполнить следующие операции:
- Установить зависимость суммарного тока, протекающего через область в форме тора с прямоугольным поперечным сечением с внутренним радиусом а и произвольной шириной х≤w, от этой ширины х с помощью подходящего программного обеспечения;
- Построить график вышеупомянутой зависимости (см. Фиг.3). По оси Y должен быть отложен суммарный ток, а по оси Х - ширина области х;
- Разбить область значений на оси Y на N равных частей. Такое деление соответствует выбору областей, по которым текут одинаковые токи;
- Нанести линии, параллельные оси X, из точек разбиения оси Y (см. предыдущий шаг). Эти линии пересекут график изображенной зависимости в некоторых точках;
- Построить перпендикуляры из этих точек на ось X. Получившиеся сегменты определяют искомые ширины d1, d2…dN (см. Фиг.3);
Последним шагом является проектирование спиральной линии с витками, ширины которых равны соответственно d1, d2…dN (см. Фиг.4). Эта спиральная линия и есть проектируемая катушка индуктивности, обеспечивающая высокую добротность соответствующего колебательного контура.
Число витков N определяется двумя факторами. Один из них - это технология изготовления спиральной катушки. При большом числе витков ширина внутреннего витка будет наименьшей, поскольку в одновитковой катушке плотность тока достигает своего максимума вблизи внутреннего периметра. Таким образом, технология изготовления катушки индуктивности должна позволять сделать такой тонкий виток. Другой фактор определяет наименьшее число витков. Для спирального индуктора с малым числом витков активное сопротивление R будет сравнимо с эквивалентным сопротивлением соответствующего конденсатора и/или сопротивлением пайки, что приведет к значительному уменьшению добротности рассматриваемого колебательного контура. В принципе, катушка индуктивности сохраняет работоспособность при наличии от 1 до 20 витков, однако в конкретных примерах реализации изобретения рекомендуется экспериментально подбирать оптимальное число витков, обеспечивающее желаемую добротность. Например, для катушки индуктивности с внешним радиусом 70 мм и внутренним радиусом 20 мм, предназначенной для работы на резонансной частоте 6.78 МГц, оптимальное число витков находится в пределах 8-11.
Заявляемый способ позволяет увеличить постоянную катушки индуктивности до 100%, в сравнении с постоянной для спиральной катушки с одинаковой шириной витков и одинаковым межвитковым расстоянием. Этот результат сопоставим с результатами, описанными в работах [2, 5], где используются другие способы увеличения постоянной катушки. Однако заявляемый способ является значительно более простым в реализации.
Заявляемый способ может найти практическое применение при разработке высокодобротных плоских катушек индуктивности, которые широко используются для решения различных практических задач.
Источники информации
1. Andre Kurs et al. "Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances", Science 317, 83 (2007).
2. Shen Pei et al. "Improving the quality factor of an RF spiral inductor with non-uniform metal width and non-uniform coil spacing", J. Semicond. 32(6), 2011.
3. Eberhard Waffenschmidt and Toine Staring “Limitation of inductive power transfer for consumer applications", Power, 2009;
4. Hsu et al. “Planar spiral inductor structure having enhanced Q value", US Pat. App. 2008/0174398.
5. Shoumian Chen et al. "Plane spiral inductor". Patent CN101719415.
6. COMSOL Multiphysics,
http://wwAv.comsol.com/products/multiphysics/.
7. Патент США 8294546.
8. Патент США 8304935.
9. Патент США 8294546.
Claims (4)
1. Способ увеличения добротности плоской спиральной катушки индуктивности с произвольным заданным числом витков, заключающийся в том, что выбирают ширину каждого витка и межвитковые расстояния в указанной плоской спиральной катушке индуктивности таким образом, чтобы обеспечить распределение тока в сечении катушки, повторяющее распределение тока в одном витке, имеющем те же геометрические размеры, что и указанная плоская спиральная катушка индуктивности.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что число витков спиральной катушки индуктивности задают в диапазоне от 1 до 20.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ширину витков вычисляют из условия, что полный ток, протекающий через каждый из вышеупомянутых витков, имеет значение Io/N, где Io - значение полного тока, протекающего через плоский виток, а N - число витков.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ширину каждого витка плоской спиральной катушки индуктивности выбирают путем выполнения следующих операций:
- с помощью программного обеспечения устанавливают зависимость суммарного тока, протекающего через один виток в форме тора с прямоугольным сечением с внутренним радиусом а и произвольной шириной х≤W (W - ширина витка), от этой ширины х;
- строят график вышеупомянутой зависимости, где по оси Y отложен суммарный ток, а по оси X - ширина области x;
- область значений на оси Y разбивают на N равных частей, где N - заданное число витков, по которым текут одинаковые токи;
- наносят линии, параллельные оси X, из точек разбиения оси Y, пересекающие график изображенной зависимости в некоторых точках;
- строят перпендикуляры из этих точек на ось X, причем получившиеся сегменты определяют искомые ширины витков d1, d2… dN;
- проектируют плоскую спиральную катушку с витками, ширины которых равны соответственно d1, d2… dN.
- с помощью программного обеспечения устанавливают зависимость суммарного тока, протекающего через один виток в форме тора с прямоугольным сечением с внутренним радиусом а и произвольной шириной х≤W (W - ширина витка), от этой ширины х;
- строят график вышеупомянутой зависимости, где по оси Y отложен суммарный ток, а по оси X - ширина области x;
- область значений на оси Y разбивают на N равных частей, где N - заданное число витков, по которым текут одинаковые токи;
- наносят линии, параллельные оси X, из точек разбиения оси Y, пересекающие график изображенной зависимости в некоторых точках;
- строят перпендикуляры из этих точек на ось X, причем получившиеся сегменты определяют искомые ширины витков d1, d2… dN;
- проектируют плоскую спиральную катушку с витками, ширины которых равны соответственно d1, d2… dN.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012151566/07A RU2560918C2 (ru) | 2012-12-03 | 2012-12-03 | Способ увеличения добротности плоской спиральной катушки индуктивности |
KR1020130135298A KR102040751B1 (ko) | 2012-12-03 | 2013-11-08 | 품질 계수가 향상된 평면 나선 인덕션 코일 및 품질 계수가 향상된 평면 나선 인덕션 코일의 설계 방법 |
US14/095,430 US9712209B2 (en) | 2012-12-03 | 2013-12-03 | Planar spiral induction coil having increased quality (Q)-factor and method for designing planar spiral induction coil |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012151566/07A RU2560918C2 (ru) | 2012-12-03 | 2012-12-03 | Способ увеличения добротности плоской спиральной катушки индуктивности |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012151566A RU2012151566A (ru) | 2014-06-10 |
RU2560918C2 true RU2560918C2 (ru) | 2015-08-20 |
Family
ID=51126564
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012151566/07A RU2560918C2 (ru) | 2012-12-03 | 2012-12-03 | Способ увеличения добротности плоской спиральной катушки индуктивности |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102040751B1 (ru) |
RU (1) | RU2560918C2 (ru) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101818170B1 (ko) | 2016-03-17 | 2018-01-12 | 주식회사 모다이노칩 | 코일 패턴 및 그 형성 방법, 이를 구비하는 칩 소자 |
WO2019216689A1 (ko) * | 2018-05-11 | 2019-11-14 | 한국전자통신연구원 | 저손실 스파이럴 코일 |
KR102150565B1 (ko) * | 2018-05-11 | 2020-09-01 | 한국전자통신연구원 | 저손실 스파이럴 코일 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1472960A1 (ru) * | 1987-02-09 | 1989-04-15 | В.В.Хайрюзов | Индуктивный элемент |
RU2024086C1 (ru) * | 1991-01-02 | 1994-11-30 | Московский институт электромеханики и автоматики | Индуктивный элемент |
CN101719415A (zh) * | 2009-12-30 | 2010-06-02 | 华东师范大学 | 平面螺旋电感 |
US8294546B2 (en) * | 2009-02-07 | 2012-10-23 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Method for manufacturing module with planar coil, and module with planar coil |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3488869B2 (ja) * | 2001-03-16 | 2004-01-19 | Tdk株式会社 | 平面コイルおよび平面トランス |
GB0210886D0 (en) * | 2002-05-13 | 2002-06-19 | Zap Wireless Technologies Ltd | Improvements relating to contact-less power transfer |
-
2012
- 2012-12-03 RU RU2012151566/07A patent/RU2560918C2/ru not_active IP Right Cessation
-
2013
- 2013-11-08 KR KR1020130135298A patent/KR102040751B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1472960A1 (ru) * | 1987-02-09 | 1989-04-15 | В.В.Хайрюзов | Индуктивный элемент |
RU2024086C1 (ru) * | 1991-01-02 | 1994-11-30 | Московский институт электромеханики и автоматики | Индуктивный элемент |
US8294546B2 (en) * | 2009-02-07 | 2012-10-23 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Method for manufacturing module with planar coil, and module with planar coil |
CN101719415A (zh) * | 2009-12-30 | 2010-06-02 | 华东师范大学 | 平面螺旋电感 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20140072796A (ko) | 2014-06-13 |
RU2012151566A (ru) | 2014-06-10 |
KR102040751B1 (ko) | 2019-11-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103928218A (zh) | 具有高饱和电流与低磁芯损耗的磁性装置 | |
US20150061812A1 (en) | Structure and method for high performance multi-port inductor | |
RU2560918C2 (ru) | Способ увеличения добротности плоской спиральной катушки индуктивности | |
Sullivan | Prospects for advances in power magnetics | |
Kyaw et al. | High-Q resonator with integrated capacitance for resonant power conversion | |
Biglarbegian et al. | Design considerations for high power density/efficient PCB embedded inductor | |
RU2412559C2 (ru) | Способ конструирования высокочастотного резонатора, в частности, для использования в циклотроне, высокочастотный резонатор, выполненный таким способом, и циклотрон, в котором применяется такой резонатор | |
JP2007305490A (ja) | 加熱コイルの製造方法及び電磁誘導加熱調理器の加熱コイル | |
Corti et al. | Evaluation of additive manufacturing for wireless power transfer applications | |
Jenkins et al. | Design and implementation of planar inductors for low voltage GaN-based power converters | |
RU2523932C1 (ru) | Плоская катушка индуктивности с повышенной добротностью | |
CN201478056U (zh) | 新型高频大功率变压器铁心 | |
Sah et al. | Analysis and optimization of wireless power transfer link | |
TWI659436B (zh) | 非對稱式螺旋狀電感 | |
Outzguinrimt et al. | Optimal design of a three phase magnetic flux leakage transformer for industrial microwave generators | |
Liu et al. | Design and optimization of high frequency transformer with nanocrystalline core | |
Fincan et al. | A study on comparing analytical methods for coil design in high frequency wireless energy transfer | |
JP7322954B2 (ja) | 電力変換装置及びその制御方法 | |
US20220108823A1 (en) | Inductor | |
Wojda | Winding resistance and winding power loss of high-frequency power inductors | |
CN102611325B (zh) | 一种基于高阶谐振技术的逆变电路负载匹配的方法 | |
JP2017092071A (ja) | インダクタンス素子およびインダクタンス素子の評価方法 | |
Kim et al. | Optimal design of a small circular wire coil for maximum Q-factor in the MHz frequency | |
CN216054196U (zh) | 一种磁集成电感器和双路交错pfc电路 | |
Ibuchi et al. | A study on copper loss minimization of air-core reactor for high frequency switching power converter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181204 |