TWI608694B - Static magnetoresistive magnetic amplifying device - Google Patents

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Description

靜態磁阻式磁電放大裝置
本發明是有關於一種電能放大裝置，特別是指一種靜態磁阻式磁電放大裝置。
參見圖1所示，習知變壓器，例如一種由E型鐵心及I型鐵心組成的變壓器1，其上的初級線圈11與次級線圈12是以緊實耦合(tight coupling)方式繞設於鐵心上，且由於習知鐵心通常由單一材料製成，先天的材料特性限制使得鐵心之間需保留氣隙以避免磁飽和，但也因此產生負磁性阻尼效應，使得其輸出能量小於輸入能量，即增益值永遠小於1，且輸出端OUT的反電動勢會直接衝擊輸入端IN，渦電流損失大，因此即使變壓器1的轉換效率再高，亦只能做電能的傳遞或轉移。
因此，本發明的目的即在於提供一種靜態磁阻式磁電放大裝置，其藉由切換開關控制具有正磁性阻尼效應的開關磁阻式變壓器。
於是，本發明一種靜態磁阻式磁電放大裝置，接受一直流電源輸入，並包括：三個開關磁阻式變壓器， 每一開關磁阻式變壓器包含一鐵心單元，該鐵心單元具有一中柱而概呈「日」形，並包含具有電容性的至少一矽鋼片組，以及與該矽鋼片組重疊並具有電感性的一非晶質鐵心，且每一開關磁阻式變壓器還包含一鬆散耦合地繞設在該鐵心單元之與該中柱概呈平行的一第一側邊的第一線圈，以及一串並聯諧振電路，其包括鬆散耦合地繞設在該鐵心單元之與該第一側邊相反的第二側邊的一第二線圈及一第三線圈，一與該第二線圈串聯的第一電容，以及一與該第一電容串聯且與該第三線圈並聯的第二電容；三個阻尼電路，每一阻尼電路電耦接在相對應的該開關磁阻式變壓器的該串並聯諧振電路與該直流電源之間，且各該阻尼電路用以吸收相對應的該串並聯諧振電路產生的一交流訊號的電能，再分別對該直流電源釋放電能；及一驅動電路，包含三個與該直流電源並聯的開關電路，每一個開關電路與相對應的該開關磁阻式變壓器的該第一線圈電耦接，以控制該第一線圈與該直流電源導接與否。
且在本發明的一實施例中，每一個開關電路包括兩個橋臂，每一橋臂具有一上開關、一下開關以及兩個與該上開關及該下開關對應且反向並聯的飛輪二極體，而且該第一線圈電耦接在兩個橋臂的上開關與下開關的一接點之間，且該等開關電路受控制使該等第一線圈分別與該直流電源導接，讓該直流電源輸出的電流從該第一線圈的一端或另一端輸入。
且在本發明的一實施例中，該鐵心單元包含兩 個矽鋼片組，其分別固定在該非晶質鐵心的相反兩面並與該非晶質鐵心重疊。
且在本發明的一實施例中，該靜態磁阻式磁電放大裝置還包括一與該等開關電路電耦接的控制器，其產生三個控制訊號分別控制相對應的該開關電路導通與否，且該等控制訊號相位相差120度。
且在本發明的一實施例中，該阻尼電路的一輸入端與相對應的該串並聯諧振電路電耦接，而其一輸出端與該直流電源電耦接，且該直流電源是一可充電電池；該阻尼電路包括順向串聯並與該直流電源並聯的兩個二極體，兩個串聯並與該直流電源並聯的無極性電容，及一與該直流電源並聯的有極性電容，且該輸入端其中一接點與該第二線圈之未與該第一電容連接的一端電耦接，而該輸入端的其中另一接點與該第二電容之未與該第一電容連接的一端電耦接。
且在本發明的一實施例中，該等無極性電容是一高頻電容。
且在本發明的一實施例中，該阻尼電路的一輸入端與相對應的該串並聯諧振電路電耦接，而其一輸出端與該直流電源電耦接，且該直流電源是一可充電電池；該阻尼電路包括順向串聯的一第一電感及一第二電感，並聯的一第三電感及一第四電感，以及與該第三電感電耦接的一第一二極體和與該第四電感電耦接的一第二二極體，其中該第一二極體的陽極與該第三電感和該第四電感的一接 點電耦接，且其陰極與該直流電源的一端電耦接，而該第二二極體的陽極與該第三電感和該第四電感的另一接點電耦接，且其陰極與該直流電源的另一端電耦接，而且該第二電感之未與該第一電感連接的一端還與該第三電感和該第四電感的另一接點電耦接。
因此，本發明藉由持續控制該等開關電路作動，使開關磁阻式變壓器的第一線圈各別與直流電源導接，讓直流電源輸出的電流對第一線圈激磁，使其所繞設的鐵心單元瞬間磁飽和再瞬間消磁，以藉由鐵心單元不斷地磁場換相，而產生一渦電流耦合至第二線圈及第三線圈，並使開關磁阻式變壓器的諧振電路與控制訊號產生諧振，而持續地產生交流弦波訊號，並由相對應的阻尼電路吸收交流弦波訊號的能量，再由各阻尼電路分別對直流電源充電，藉此將具有正磁性阻尼效應的鐵心單元內蘊藏的磁能轉換成電能輸出，並提升直流電源的電力及續航力，達到本發明兼具省電及高效能的功效與目的。
2‧‧‧阻尼電路
5‧‧‧驅動電路
6‧‧‧鐵心單元
7‧‧‧串並聯諧振電路
8‧‧‧控制器
51-53‧‧‧開關電路
61‧‧‧中柱
62、64‧‧‧矽鋼片組
63‧‧‧非晶質鐵心
65‧‧‧第一側邊
67‧‧‧第二側邊
81-83‧‧‧控制訊號
R、S、T‧‧‧開關磁阻式變壓器
Vdc‧‧‧直流電源
L1‧‧‧第一線圈
L2‧‧‧第二線圈
L3‧‧‧第三線圈
C1‧‧‧第一電容
C2‧‧‧第二電容
S1、S3‧‧‧上開關
S2、S4‧‧‧下開關
D‧‧‧飛輪二極體
R+、S+、T+‧‧‧一端
R-、S-、T-‧‧‧另一端
A1-A3‧‧‧交流弦波訊號
IN‧‧‧輸入端
OUT‧‧‧輸出端
D1、D2‧‧‧二極體
D3‧‧‧第一二極體
D4‧‧‧第二二極體
Cs1、Cs2‧‧‧無極性電容
Cp‧‧‧有極性電容
Ls1‧‧‧第一電感
Ls2‧‧‧第二電感
Lp1‧‧‧第三電感
Lp2‧‧‧第四電感
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是習知一種變壓器的構造示意圖；圖2至圖4是本發明靜態磁阻式磁電放大裝置的一實施例所包含的三個開關磁阻式變壓器的構造及電路示意圖；圖5是本實施例所包含的一驅動電路的電路示意圖； 圖6是本實施例的開關磁阻式變壓器的鐵心單元之立體分解圖；圖7是本實施例的開關磁阻式變壓器的鐵心單元之立體組合圖；圖8是本實施例的開關磁阻式變壓器的鐵心單元之另一種實施態樣的立體組合圖；圖9是本實施例的阻尼電路的一種實施例的詳細電路圖；圖10是本實施例的阻尼電路的另一種實施例的詳細電路圖；圖11是本實施例的控制器產生的三個控制訊號的波形示意圖；圖12是本實施例的驅動電路其中一個開關電路作動示意圖；圖13是本實施例的三個開關磁阻式變壓器分別輸出的三個交流弦波訊號的波形示意圖；及圖14是本實施例的驅動電路其中兩個開關電路作動示意圖。
參見圖2至圖5所示，是本發明靜態磁阻式磁電放大裝置的一實施例，其接受一直流電源Vdc輸入，並包括三個開關磁阻式變壓器R、S、T，三個對應電耦接在各該開關磁阻式變壓器R、S、T與直流電源Vdc之間的阻尼電路2，以及一驅動電路5，其與直流電源Vdc並聯且與 該等開關磁阻式變壓器R、S、T電耦接，以驅動該等開關磁阻式變壓器R、S、T。
其中，如圖2至圖4所示，該等開關磁阻式變壓器R、S、T的構造完全相同，每一開關磁阻式變壓器R、S、T皆包含一鐵心單元6，且如圖6和圖7所示，鐵心單元6具有一中柱61而概呈「日」形，並包含具有電容性的一矽鋼片組62以及與矽鋼片組62重疊並具有電感性的一非晶質鐵心63；此外，如圖8所示，鐵心單元6還可包含另一矽鋼片組64，且兩個矽鋼片組62、64分別固定在非晶質鐵心63的相反兩面並與非晶質鐵心63重疊。
再者，如圖2至圖4所示，每一開關磁阻式變壓器R、S、T還包含一鬆散耦合地繞設在鐵心單元6之與中柱61概呈平行的一第一側邊65的第一線圈L1，以及一串並聯諧振電路7，其包括鬆散耦合地繞設在鐵心單元6之與第一側邊65相反的第二側邊67的一第二線圈L2及一第三線圈L3，一與第二線圈L2串聯的第一電容C1，以及一與第一電容C1串聯並與第三線圈L3並聯的第二電容C2。藉此，第二線圈L2與第一電容C2構成一串聯諧振電路，且第三線圈L3與第二電容C2構成一並聯諧振電路。
而且，由於第一線圈L1、第二線圈L2及第三線圈L3與鐵心單元6是鬆散耦合而呈電性絕緣，且矽鋼片組62(及矽鋼片組64)與非晶質鐵心63之間沒有氣隙，使得由第一線圈L1輸入電流對鐵心單元6充磁時，鐵心單元6會迅速達到磁飽和，並於停止輸入電流至第一線圈L1時， 鐵心單元6會瞬間消磁並產生正磁性阻尼效應(磁場換相)，同時釋放磁能產生的渦電流耦合至第二線圈L2及第三線圈L3。
且如圖2至圖4所示，阻尼電路2電耦接在相對應的開關磁阻式變壓器R、S、T的串並聯諧振電路7與直流電源Vdc之間，亦即阻尼電路2的輸入端IN與串並聯諧振電路7電耦接，而其輸出端OUT與直流電源Vdc電耦接，其中直流電源Vdc是一可充電電池(或稱蓄電池)。而且如圖9所示，阻尼電路2的一種實施例包括順向串聯並與直流電源Vdc並聯的兩個二極體D1、D2，兩個串聯並與直流電源Vdc並聯的無極性電容Cs1、Cs2，及一與直流電源Vdc並聯的有極性電容Cp，例如超級電容、電解電容等，其中無極性電容Cs1、Cs2為一高頻電容，因此無極性電容Cs1、Cs2與有極性電容Cp共同組成一能夠吸取大量電能的阻尼電容器。而且，阻尼電路2的輸入端IN其中一接點21與第二線圈L2之未與第一電容C1連接的一端電耦接，且輸入端IN的其中另一接點22與第二電容C2之未與第一電容C1連接的一端電耦接。此外，有關上述阻尼電容器的特性及其功能的詳細說明可以參見台灣第M477033號專利。
再者，如圖10所示，阻尼電路2的另一種實施例包括順向串聯的第一電感Ls1及第二電感Ls2，並聯的第三電感Lp1及第四電感Lp2，以及與第三電感Lp1電耦接的第一二極體D3和與第四電感Lp2電耦接的第二二極體 D4，其中第一電感Ls1的一端(即阻尼電路2的輸入端IN的一接點21與第二線圈L2電耦接，且第二電感Ls2之未與第一電感Ls1連接的一端(即阻尼電路2的輸入端IN的另一接點22)與第二電容C2之未與第一電容C1連接的一端電耦接，並且該另一接點22還與第三電感Lp1和第四電感Lp2的另一接點電耦接。第一二極體D3的陽極(P)與第三電感Lp1和第四電感Lp2的一接點電耦接，且其陰極(N)與直流電源Vdc的一端電耦接，而第二二極體D4的陰極(N)與第三電感Lp1和第四電感Lp2的另一接點電耦接，且其陽極(P)與直流電源Vdc的另一端電耦接。而且第一電感Ls1、第二電感Ls2、第三電感Lp1和第四電感Lp2共同組成一能夠吸取電能的阻尼電感器，此外，有關前述阻尼電感器的特性及功能的詳細說明可以參見台灣第M470365號專利。
參見圖5所示，驅動電路5包含三個與直流電源Vdc並聯的開關電路51、52、53。該等開關電路51-53完全相同，且每一個開關電路51-53與相對應的開關磁阻式變壓器R、S、T的第一線圈L1電耦接，以控制該第一線圈L1與直流電源Vdc導接與否。更確切地說，開關電路51包含兩個與直流電源Vdc並聯的橋臂，每一橋臂具有一上開關S1、S3、一下開關S2、S4，以及各別與上開關S1、S3及下開關S2、S4反向並聯的飛輪二極體D，且開關磁阻式變壓器R的第一線圈L1電耦接在兩個橋臂之間，亦即第一線圈L1的一端R+與其中一橋臂的上開關S1及下開關 S2的接點電耦接，第一線圈L1的另一端R-與其中另一橋臂的上開關S3及下開關S4的接點電耦接。同理，如圖5所示，開關磁阻式變壓器S的第一線圈L1的兩端S+、S-電耦接在開關電路52的兩個橋臂之間，且開關磁阻式變壓器T的第一線圈L1的兩端T+、T-電耦接在開關電路53的兩個橋臂之間。
另外，本實施例還包括一與該等開關電路51-53電耦接的控制器8，且如圖11所示，控制器8產生三個控制訊號(PWM訊號)81、82、83用以分別控制相對應的開關電路51、52、53導通與否，且該等控制訊號81-83相位相差120度。亦即該等控制訊號81-83會被以120度的相位差依序輸出至相對應的開關電路51-53，使開關電路51-53能夠在控制訊號81-83的一個周期內分別作動。
因此，如圖12所示，當控制器8輸出控制訊號81時，在控制訊號81的正半周期間，開關電路51的上開關S1及下開關S4被導通，直流電源Vdc經由上開關S1及下開關S4與開關磁阻式變壓器R的第一線圈L1導接，而輸出電流對第一線圈L1激磁，使鐵心單元6因受到第一線圈L1之磁場充磁而迅速達到磁飽和並瞬間變成磁鐵，然後，當控制訊號81的正半周結束時，上開關S1與下開關S4被由導通狀態切換至不導通，鐵心單元6因磁場換相瞬間消磁而產生的一渦電流將耦合至第二線圈L2及第三線圈L3，此時，控制訊號81的一預設頻率將會使串並聯諧振電路7產生諧振而輸出一交流弦波訊號A1，如圖13所示， 同時，阻尼電路2與串並聯諧振電路7產生諧振，使該交流弦波訊號A1(正半周)的能量傳遞至阻尼電路2，例如圖9所示，該交流弦波訊號A1(正半周)會經由二極體D1整流並對阻尼電路2的無極性電容Cs1充電；或者，例如圖10所示，該交流弦波訊號A1(正半周)會經由阻尼電路2的第一電感Ls1及第二電感Ls2耦合至第三電感Lp1及第四電感Lp2，並經過二極體D3整流後，對直流電源Vdc充電。
接著，在控制訊號81的負半周期間，如圖14所示，其控制下開關S2及上開關S3導通，使直流電源Vdc經由上開關S3及下開關S2與第一線圈L1導接，而輸出電流對第一線圈L1激磁，再次使鐵心單元6迅速達到磁飽和而瞬間變成磁鐵，然後，當控制訊號81的負半周結束時，下開關S2與上開關S3被切換至不導通，鐵心單元6因磁場換相瞬間消磁而產生的渦電流耦合至第二線圈L2及第三線圈L3，同時，如同上述，控制訊號81會使串並聯諧振電路7產生諧振而持續輸出交流弦波訊號A1，如圖13所示，同時，阻尼電路2與串並聯諧振電路7產生諧振，使該交流弦波訊號A1(負半周)的能量傳遞至阻尼電路2，例如圖9所示，該交流弦波訊號A1(負半周)會經由二極體D2整流並對阻尼電路2的無極性電容Cs2充電，且因為無極性電容Cs1、Cs2串聯的電壓與有極性電容Cp相同，且無極性電容Cs1、Cs2本身無極性，故當直流電源Vdc的電位低於有極性電容Cp時，有極性電容Cp能對直流電源Vdc充電而順利釋放電能。又或者，例如圖10所示，該交流弦 波訊號A1(負半周)會經由阻尼電路2的第一電感Ls1及第二電感Ls2耦合至第三電感Lp1及第四電感Lp2，並經過二極體D4整流後，對直流電源Vdc充電。由此可知，交流弦波訊號A1的頻率與控制訊號81相同。
而且，如圖11所示，在輸出控制訊號81之後，控制器8接著輸出與控制訊號81相位差120度的控制訊號82至開關電路52，並控制開關電路52作動，如同上述之開關電路51，使開關磁阻式變壓器S的鐵心單元6因充磁而瞬間變成磁鐵，並因磁場換相瞬間消磁而產生一渦電流耦合至第二線圈L2及第三線圈L3，同時，如同上述，控制訊號82會使開關磁阻式變壓器S的串並聯諧振電路7產生諧振而輸出一交流弦波訊號A2，如圖13所示，且該交流弦波訊號A2的能量會被上述阻尼電路2吸收，並經由阻尼電路2對直流電源Vdc充電。且交流弦波訊號A2的頻率與控制訊號82相同，並與交流弦波訊號A1相位相差120度。
同理，如圖11所示，在輸出控制訊號82之後，控制器8接著輸出與控制訊號82相位差120度的控制訊號83至開關電路53，並控制開關電路53作動，如同上述之開關電路51，使得開關磁阻式變壓器T的鐵心單元6因充磁而瞬間變成磁鐵，並因磁場換相瞬間消磁而產生一渦電流耦合至第二線圈L2及第三線圈L3，同時，如同上述，控制訊號83會使開關磁阻式變壓器T的串並聯諧振電路7產生諧振而輸出一交流弦波訊號A3，如圖13所示，且該 交流弦波訊號A3的能量會被上述阻尼電路2吸收，並經由阻尼電路2對直流電源Vdc充電。且交流弦波訊號A3的頻率與控制訊號83相同，並與交流弦波訊號A2相位相差120度。
綜上所述，當控制器8利用控制訊號81-83持續控制開關電路51-53作動，使開關磁阻式變壓器R、S、T的第一線圈L1各別與直流電源Vdc間斷地導接，讓直流電源Vdc輸出的電流對第一線圈L1激磁，使其所繞設的鐵心單元6瞬間磁飽和再瞬間消磁，以藉由鐵心單元6不斷地磁場換相，而產生一渦電流耦合至第二線圈L2及第三線圈L3，並使開關磁阻式變壓器R、S、T的串並聯諧振電路7與控制訊號81-83產生諧振，而持續地產生交流弦波訊號A1-A3，並由相對應的阻尼電路2吸收交流弦波訊號的能量，再由各阻尼電路2分別對直流電源Vdc充電，藉此將具有正磁性阻尼效應的鐵心單元6內蘊藏的磁能轉換成電能輸出，並提升直流電源Vdc的電力及續航力，達到本發明兼具省電及高效能的功效與目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2‧‧‧全波整流電路
6‧‧‧鐵心單元
7‧‧‧串並聯諧振電路
61‧‧‧中柱
65‧‧‧第一側邊
67‧‧‧第二側邊
R‧‧‧開關磁阻式變壓器
Vdc‧‧‧直流電源
L1‧‧‧第一線圈
L2‧‧‧第二線圈
L3‧‧‧第三線圈
C1‧‧‧第一電容
C2‧‧‧第二電容
R+‧‧‧一端
R-‧‧‧另一端

Claims (7)

  1. 一種靜態磁阻式磁電放大裝置，接受一直流電源輸入，並包括：三個開關磁阻式變壓器，每一該開關磁阻式變壓器包含一鐵心單元，該鐵心單元具有一中柱而概呈「日」形，並包含具有電容性的至少一矽鋼片組，以及與該矽鋼片組重疊並具有電感性的一非晶質鐵心，且每一該開關磁阻式變壓器還包含一鬆散耦合地繞設在該鐵心單元之與該中柱概呈平行的一第一側邊的第一線圈，以及一串並聯諧振電路，其包括鬆散耦合地繞設在該鐵心單元之與該第一側邊相反的第二側邊的一第二線圈及一第三線圈，一與該第二線圈串聯的第一電容，以及一與該第一電容串聯且與該第三線圈並聯的第二電容；三個阻尼電路，每一阻尼電路電耦接在相對應的該開關磁阻式變壓器的該串並聯諧振電路與該直流電源之間，且各該阻尼電路用以吸收相對應的該串並聯諧振電路產生的一交流訊號的電能，再分別對該直流電源釋放電能；及一驅動電路，包含三個與該直流電源並聯的開關電路，每一個開關電路與相對應的該開關磁阻式變壓器的該第一線圈電耦接，以控制該第一線圈與該直流電源導接與否。
  2. 如請求項1所述的靜態磁阻式磁電放大裝置，其中每一個開關電路包括兩個橋臂，每一橋臂具有一上開關、一 下開關以及兩個與該上開關及該下開關對應且反向並聯的飛輪二極體，而且該第一線圈電耦接在兩個橋臂的上開關與下開關的一接點之間，且該等開關電路受控制使該等第一線圈分別與該直流電源導接，讓該直流電源輸出的電流從該第一線圈的一端或另一端輸入。
  3. 如請求項1所述的靜態磁阻式磁電放大裝置，其中該鐵心單元包含兩個矽鋼片組，其分別固定在該非晶質鐵心的相反兩面並與該非晶質鐵心重疊。
  4. 如請求項1所述的靜態磁阻式磁電放大裝置，還包括一與該等開關電路電耦接的控制器，其產生三個控制訊號分別控制相對應的該開關電路導通與否，且該等控制訊號相位相差120度。
  5. 如請求項1所述的靜態磁阻式磁電放大裝置，其中該阻尼電路的一輸入端與相對應的該串並聯諧振電路電耦接，而其一輸出端與該直流電源電耦接，且該直流電源是一可充電電池；該阻尼電路包括順向串聯並與該直流電源並聯的兩個二極體，兩個串聯並與該直流電源並聯的無極性電容，及一與該直流電源並聯的有極性電容，且該輸入端其中一接點與該第二線圈之未與該第一電容連接的一端電耦接，而該輸入端的其中另一接點與該第二電容之未與該第一電容連接的一端電耦接。
  6. 如請求項5所述的靜態磁阻式磁電放大裝置，其中該等無極性電容是一高頻電容。
  7. 如請求項1所述的靜態磁阻式磁電放大裝置，其中該阻 尼電路的一輸入端與相對應的該串並聯諧振電路電耦接，而其一輸出端與該直流電源電耦接，且該直流電源是一可充電電池；該阻尼電路包括順向串聯的一第一電感及一第二電感，並聯的一第三電感及一第四電感，以及與該第三電感電耦接的一第一二極體和與該第四電感電耦接的一第二二極體，其中該第一二極體的陽極與該第三電感和該第四電感的一接點電耦接，且其陰極與該直流電源的一端電耦接，而該第二二極體的陽極與該第三電感和該第四電感的另一接點電耦接，且其陰極與該直流電源的另一端電耦接，而且該第二電感之未與該第一電感連接的一端還與該第三電感和該第四電感的另一接點電耦接。
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