專利名稱：局部反向耦合環(huán)形電感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電磁元件，尤其涉及一種局部反向耦合環(huán)形電感器。
背景技術(shù)：
開關(guān)電源變換器被用來變換或穩(wěn)定電壓、電流及頻率等，目前大部分變換器使用 獨立的非耦合電感，也有部分變換器將獨立電感串聯(lián)/并聯(lián)使用。耦合電感的運用受限于 傳統(tǒng)的鐵芯形狀如C型鐵芯、E型鐵芯、氣隙鐵芯以及線圈的繞法，普遍存在濾波電感值較 大、漏感較多、噪音大、電磁干擾和射頻干擾污染較重、耗材多成本高、運行能耗高的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出一種局部耦合環(huán)形電感 器，該環(huán)形電感器具有濾波電感值需求小、漏感少、噪音小、零電磁干擾、射頻干擾污染小、 耗材少、體積小、成本低、運行能耗小等優(yōu)點。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是一種局部反向耦合環(huán)形電感，包 括環(huán)狀鐵芯，環(huán)狀鐵芯包括設(shè)于中部的中部鐵芯，分別設(shè)于該中部鐵芯上下層的頂部鐵芯 和底部鐵芯；三層鐵芯上分別巻繞有頂部線圈和底部線圈。 在一個實施例中，頂部線圈包括均勻環(huán)繞在頂部鐵芯上的頂部線圈短繞組，和與 其串聯(lián)的均勻環(huán)繞在頂部鐵芯和中部鐵芯上頂部線圈長繞組；底部線圈包括均勻環(huán)繞在底 部鐵芯上的底部線圈短繞組，和與其串聯(lián)的均勻環(huán)繞在底部鐵芯和中部鐵芯上的底部線圈 長繞組。 在另一個實施例中，頂部線圈包括均勻環(huán)繞在頂部鐵芯和中部鐵芯上的頂部線圈
長繞組；底部線圈包括均勻環(huán)繞在底部鐵芯和中部鐵芯上的底部線圈長繞組。 在另外一個實施例中，頂部線圈包括均勻環(huán)繞在頂部鐵芯上的頂部線圈短繞組，
和與其串聯(lián)的均勻環(huán)繞在頂部鐵芯和中部鐵芯上的頂部線圈長繞組；底部線圈包括均勻環(huán)
繞在底部鐵芯上的底部線圈短繞組，和與其串聯(lián)的均勻環(huán)繞在中部鐵芯上的底部線圈互感 繞組。 在較佳實施例中，頂部線圈在中部鐵芯上產(chǎn)生的磁感應(yīng)方向與底部線圈在中部鐵 芯上產(chǎn)生的磁感應(yīng)方向相反，兩線圈反向耦合。頂部鐵芯和底部鐵芯由同種低磁導率材料 組成，中部鐵芯由高磁導率材料組成。 本發(fā)明公開的局部反向耦合環(huán)形電感器，鐵芯部分有三層，利用中部鐵芯上的頂 部線圈和底部線圈進行反向局部耦合，以減小紋波電流，消除漏感，消除耦合部分的低頻諧 波，減少電感噪音、電磁和射頻干擾，使所需濾波電感值減少為原來的三分之二，體積和重 量縮小一半，降低制造成本和運行能耗。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作出詳細的說明，其中
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圖1為本發(fā)明第一實施例的立體示意圖；圖2為本發(fā)明第一實施例的繞線示意圖；圖3為本發(fā)明第二實施例的繞線示意圖；圖4為本發(fā)明第三實施例的繞線示意圖；圖5為一種現(xiàn)有DC轉(zhuǎn)換AC換流器的電路圖；圖6為本發(fā)明第一實施例的第一種應(yīng)用圖；圖7為本發(fā)明第一實施例的第二種應(yīng)用圖；圖8為本發(fā)明第三實施例的一種應(yīng)用圖；圖9為紋波電流與互感系數(shù)關(guān)系圖；圖10為紋波電流和耦合因素的關(guān)系圖；圖11為紋波電流、互感系數(shù)M和耦合因素K的關(guān)系圖；圖12為耦合與非耦合情況下電感磁通量、紋波電流對照圖；圖13為反向的局部耦合與非耦合情況下中部鐵芯磁通量、電感電流對照圖。
具體實施例方式
圖1為本發(fā)明第一實施例的立體示意圖，從圖中可以看出本發(fā)明包括環(huán)狀鐵芯， 環(huán)狀鐵芯包括設(shè)于中部的中部鐵芯2，分別設(shè)于該中部鐵芯2上下層的頂部鐵芯1和底部鐵 芯3 ;三層鐵芯上分別巻繞有頂部線圈LI和底部線圈L2。 圖2為本發(fā)明第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看出第一實施例頂部線圈LI 包括均勻環(huán)繞在頂部鐵芯1上的頂部線圈短繞組L11，和與其串聯(lián)的均勻環(huán)繞在頂部鐵芯 1和中部鐵芯2上頂部線圈長繞組L12 ;底部線圈L2包括均勻環(huán)繞在底部鐵芯3上的底部 線圈短繞組L21，和與其串聯(lián)的均勻環(huán)繞在底部鐵芯3和中部鐵芯2上的底部線圈長繞組 L22。圖6、示出了第一實施例的第一種應(yīng)用例，在繞制L1、L2線圈時，通過調(diào)整繞組的繞向 使頂部線圈Ll在中部鐵芯2上繞組的方向與底部線圈L2在中部鐵芯2上繞組的方向相 反，分別由兩線圈的線頭輸入電流時，兩線圈反向耦合。運用于DC轉(zhuǎn)換AC換流器中，起到 減小所需濾波電感值，增加功效的作用。圖7示出了第一實施例的第二種應(yīng)用例，在繞制線 圈時，Ll、 L2在中部鐵芯2上繞組的方向相同，然后在置于DC轉(zhuǎn)換AC換流器中，通過對調(diào) 線圈露在外部的線頭線尾，調(diào)整電流流經(jīng)的方向，使頂部線圈在中部鐵芯上產(chǎn)生的磁感應(yīng) 方向與底部線圈在中部鐵芯上產(chǎn)生的磁感應(yīng)方向相反，兩線圈同樣反向耦合。
圖3為本發(fā)明第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，第二實施例的鐵芯部分與第一實施例的 相同。頂部線圈Ll包括均勻環(huán)繞在頂部鐵芯1和中部鐵芯2上的頂部線圈長繞組L12 ;底 部線圈L2包括均勻環(huán)繞在底部鐵芯3和中部鐵芯2上的底部線圈長繞組L22。容易理解本 實施例中，頂部線圈Ll在中部鐵芯2上繞組的方向與底部線圈L2在中部鐵芯2上繞組的 方向相反，兩線圈反向耦合。 圖4為本發(fā)明第三實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看出本發(fā)明第三實施例的鐵 芯部分與第一實施例相同。頂部線圈Ll包括均勻環(huán)繞在頂部鐵芯1上的頂部線圈短繞組 Lll，和與其串聯(lián)的均勻環(huán)繞在頂部鐵芯1和中部鐵芯2上的頂部線圈長繞組L12 ;底部線 圈L2包括均勻環(huán)繞在底部鐵芯3上的底部線圈短繞組L21，和與其串聯(lián)的均勻環(huán)繞在中部 鐵芯2上的底部線圈互感繞組L23。如此設(shè)置是為了簡化工藝，在第一實施例中頂部線圈長繞組L12要環(huán)繞在頂部鐵芯1和中部鐵芯2上，底部線圈長繞組L22都要環(huán)繞在底部鐵芯3 和中部鐵芯2上，這要交錯纏繞方式給生產(chǎn)加工帶來極大不便。故此第三實施例在第一實 施例的基礎(chǔ)上做了變形改進，去掉底部線圈長繞組L22，用環(huán)繞在中部鐵芯2上的底部線圈 互感繞組L23代替，底部線圈短繞組L21與底部線圈互感繞組L23組成底部線圈L2，這樣沒 有第一實施例交錯纏繞的難題，加工大為簡便。圖8示出了第三實施例的一種應(yīng)用例，在繞 制Ll、 L2線圈時，通過調(diào)整繞組的繞向使頂部線圈長繞組L12在中部鐵芯2上繞組的方向 與底部線圈互感繞組L23的方向相反，分別由兩線圈的線頭輸入電流時，兩線圈反向耦合。 容易理解，L12和L23的繞組方向也可繞成相反，通過對調(diào)線圈露在外部的線頭線尾，調(diào)整 電流流經(jīng)的方向，亦可使兩線圈同樣反向耦合。同理，第二實施例，也有這樣兩種應(yīng)用例。
在繞制線圈時，通過組合各繞組的繞向，使頂部線圈Ll在中部鐵芯2上繞組的方 向與底部線圈L2在中部鐵芯2上繞組的方向相反，兩線圈反向耦合。 在所有實施例中，頂部鐵芯1和底部鐵芯3可使用低磁導率材料，中部鐵芯2可使 用高磁導率材料。 本發(fā)明可運用于交流轉(zhuǎn)直流變換器、直流轉(zhuǎn)交流變換器、多電平IGBT變流器、正 弦波電流的增壓整流及PFC輸入?，F(xiàn)以兩相DC轉(zhuǎn)換AC的換流器為例說明本發(fā)明的原理，參 看圖5，圖中有正負兩極電源，四個開關(guān)Tl、 T2、 T3和T4，線圈Ll，線圈L2，輸出端output, 輸出電容。L1、L2為獨立電感，在非耦合的情況下，每個電感上的P麗電壓波形是簡單的矩 形脈沖，這些脈沖電平等于所連的DC電源電平，它的頻率等于控制部分的開關(guān)的頻率。因 此，通過每一個電感的電流，由基本的低頻諧波和高頻紋波電流組成，形狀為三角形，如圖 12中的a、b線所示。磁通量和感應(yīng)值B存在于兩個電感的每一個鐵芯中，其波形跟隨電流 II和12的波形，流過非耦合電感Ll和L2。如圖12中的c、 d線所示。
在本發(fā)明中Ll、 L2采用了局部耦合，其原理是創(chuàng)造一部分共同磁通 個電感的線圈中，自感應(yīng)磁通依然各自分別與自身線圈相交鏈
耦合電感的基本公式遵循
并交鏈到兩 /入二
微積分方禾
、王
u1L1Mdi1和*1L1Mi1
u2M1_2i2並M匕2i2
由于自感線圈和互感線圈之間的變壓器效應(yīng)，
以及加倍它的開關(guān)頻率，線路中的紋波電流的峰峰值和有效值減少。紋波電流的減少，有利
于提高變換器的的性能，有利于設(shè)計電感的參數(shù)，包括互感系數(shù)M或者耦合因素K，K的定義 為k = M/SQR(Ll*L2)。紋波電流是互感系數(shù)M的一個函數(shù)。圖11顯示了當L1、L2自感為 100uH，互感系數(shù)M從luH變化到1000uH時，引起紋波的變化，它對應(yīng)的系數(shù)K的值從0. 01 變化到O. 9，圉中清晰地表明了大的互感系數(shù)對紋波電流的影響是很小的。在k為0. 33附近 時，對紋波電流的減少作用是巨大的，當K值增大至0. 5以上時影響效果就變得不明顯了， 這也是本發(fā)明之所以要采用局部耦合的原因。圖ll最上面兩條曲線，顯示的是在其它條件 相同的情況下有、無耦合的負載電流的變化，曲線波動大的是無耦合的負載電流曲線，有耦 合的負載電流波動明顯小。圖9亦示出了紋波電流與互感系數(shù)的關(guān)系，從圖中可以看出互 感系數(shù)從0到200之間時，對紋波電流的影響大，當互感系數(shù)從600再往上增加時，紋波電 流的變化就不大了。為了實現(xiàn)局部耦合的目的，本發(fā)明將L1、L2繞在三層鐵芯上，L1、L2通 過中層中部鐵芯2進行局部耦合。頂部鐵芯1和底部鐵芯3使用低磁導率材料，中部鐵芯2 使用高磁導率材料。纏繞在頂部鐵芯1和底部鐵芯3上的線圈的作用是產(chǎn)生電感，所以其 鐵芯選用了低磁導率材料，中部鐵芯2的作用是產(chǎn)生互感磁通，所以選用高磁導率的材料。
5自感磁通被鎖定在頂部鐵芯1或底部鐵芯3中，互感磁通被鎖定在中部鐵芯2鐵芯中。由 于兩線圈之間的變壓器效應(yīng)，并增加開關(guān)頻率，局部耦合電感能減少紋波電流，這意味著在 流經(jīng)電感的電流大小不變的情況下，局部耦合電感能使用更低的電感值L。圖ll和圖12顯 示了這個現(xiàn)象，在同樣的峰峰值的紋波電流例如100A，耦合電感的需要電感值100uH，而非 耦合電感需要電感值150uH。耦合電感的感值減少至非耦合電感的三分之二，所需的電感值 減少意味著能耗的減少，所需濾波電感值減少為原來的三分之二，同時電感器的體積和重 量縮小一半。局部耦合電感因為所需要的感應(yīng)系數(shù)值為非耦合電感的三分之二，自感應(yīng)磁 通以同樣的比例減少。對比圖12示出的非耦合的兩個電感的磁通曲線c、 d和局部耦合電 感頂部鐵芯1和底部鐵芯3中自感應(yīng)磁通e、f曲線，曲線c、d的磁通量為0. 1WB， e、f的磁 通量低于50mWb，意B未著局部耦合電感的自感磁通較非耦合電感減少超過兩倍。在本發(fā)明的 中部鐵芯中磁通量被顯著地減小，原因是在繞制繞組時，通過調(diào)整繞線方向使L1和L2的在 中部鐵芯上繞組的方向彼此相反，兩線圈形成反向耦合。參看圖6、7、8示出的的應(yīng)用例，從 而實現(xiàn)負耦合的效果。它完全消除了存在于中部鐵芯部分的所有低頻諧波以及其直流分量 所產(chǎn)生的磁通量。其中直流分量擁有最高的電磁感應(yīng)量。只有剩下的高頻磁通量通過非常 小的感應(yīng)量顯示出來。為了對比在同樣的紋波電流的情況下，耦合與非耦合電感的參數(shù)，根 據(jù)實驗數(shù)據(jù)圖12繪出了耦合狀態(tài)下兩個電感的紋波電流曲線t和u， r為無耦合情況下的 負載電流曲線，s為有耦合的情況下的負載電流曲線，有耦合時的負載電流波動明顯較小。 g為配合鐵心內(nèi)的磁通量曲線，該曲線在耦合鐵芯中以士10mWb的值震蕩，這意味著減少量 大于10倍！鐵芯中的磁通量B決定了鐵芯的損耗。渦流電流損耗與82成比例，與感應(yīng)值 的平方相接近。磁滯損耗與B16—"成比例，因此，在磁性材料中增加兩倍的感應(yīng)值，會導致 增加接近4倍的鐵芯損耗。這就是為什么本發(fā)明能夠通過使磁通量的某些成分完全消失和 急劇減少，使鐵芯損耗顯著地減少，從而使整體效率有了極大的提升。 圖IO為紋波電流和耦合因素K的關(guān)系圖，該圖展示了多條耦合因素K的曲線，耦 合因素K值從-0. 9、 -0. 8到O，共10條曲線。紋波電流逐漸減少，說明在分離電感應(yīng)用耦 合電磁作用，在正耦合時能減少紋波電流，正耦合意味著增加成本。在本發(fā)明中，局部耦合 電感以負偶合的形式實現(xiàn)減少紋波電流，并且節(jié)約成本，這相對于分離耦合電感，在性能和 經(jīng)濟性上都有極大的提高。 圖13為反向局部耦合與非耦合情況下中部鐵芯磁通量、電感電流對照圖，圖中曲 線h為非耦合情況下鐵芯內(nèi)的磁通曲線，曲線i為反向的局部耦合情況下中部鐵芯內(nèi)的磁 通曲線，可以明顯的看出有反向局部耦合的電感器中部鐵芯內(nèi)的磁通大大降低。曲線j和k 為非耦合情況下兩線圈內(nèi)的紋波電流，曲線n和m為反向局部耦合情況下兩線圈內(nèi)的紋波 電流，可以看出有反向局部耦合的電感器在通電的瞬間(l毫秒以內(nèi))其紋波電流小于非耦 合的電感器的電流。 以上描述了本發(fā)明的較佳實施方式，但是本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的熟練技術(shù)人員應(yīng)當理 解，這些僅是舉例說明，沒有窮盡所有實施方式，可以對這些實施方式做出多種變更或修 改，而不背離本發(fā)明的原理和實質(zhì)，都落入本發(fā)明保護的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種局部反向耦合環(huán)形電感，包括環(huán)狀鐵芯，其特征在于所述環(huán)狀鐵芯包括設(shè)于中部的中部鐵芯(2)，設(shè)于該中部鐵芯(2)上層的頂部鐵芯(1)和設(shè)于該中部鐵芯下層的底部鐵芯(3)；所述三層鐵芯上分別卷繞有頂部線圈(L1)和底部線圈(L2)。
2. 如權(quán)利要求1所述的局部反向耦合環(huán)形電感器，其特征在于所述的頂部線圈包括均勻環(huán)繞在頂部鐵芯(1)上的頂部線圈短繞組(Lll)，和與其串聯(lián)的均勻環(huán)繞在頂部鐵芯 (1)和中部鐵芯(2)上的頂部線圈長繞組(L12);所述的底部線圈包括均勻環(huán)繞在底部鐵芯 (3)上的底部線圈短繞組(L21)，和與其串聯(lián)的均勻環(huán)繞在底部鐵芯(3)和中部鐵芯(2)上 的底部線圈長繞組(L22)。
3. 如權(quán)利要求1所述的局部反向耦合環(huán)形電感器，其特征在于所述的頂部線圈包括 均勻環(huán)繞在頂部鐵芯(1)和中部鐵芯(2)上頂部線圈長繞組(L12);所述的底部線圈包括 均勻環(huán)繞在底部鐵芯(3)和中部鐵芯(2)上的底部線圈長繞組(L22)。
4. 如權(quán)利要求1所述的局部反向耦合環(huán)形電感器，其特征在于所述的頂部線圈包括 均勻環(huán)繞在頂部鐵芯(1)上的頂部線圈短繞組(Lll)，和與其串聯(lián)的均勻環(huán)繞在頂部鐵芯 (1)和中部鐵芯(2)上的頂部線圈長繞組(L12);所述的底部線圈包括均勻環(huán)繞在底部鐵芯 (3)上的底部線圈短繞組(L21)，和與其串聯(lián)的均勻環(huán)繞在中部鐵芯(2)上的底部線圈互感 繞組(L23)。
5. 如權(quán)利要求2至4任一項所述的局部反向耦合環(huán)形電感器，其特征在于所述頂部 線圈(Ll)在中部鐵芯(2)上產(chǎn)生的磁感應(yīng)方向與底部線圈(L2)在中部鐵芯(2)上產(chǎn)生的 磁感應(yīng)方向相反，兩線圈反向耦合。
6. 如權(quán)利要求2至4任一項所述的局部反向耦合環(huán)形電感器，其特征在于所述的頂 部鐵芯(1)和底部鐵芯(3)由同種低磁導率材料組成，中部鐵芯(2)由高磁導率材料組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種局部反向耦合環(huán)形電感，包括環(huán)狀鐵芯，其特征在于所述環(huán)狀鐵芯包括設(shè)于中部的中部鐵芯(2)，分別設(shè)于該中部鐵芯(2)上下層的頂部鐵芯(1)和底部鐵芯(3)；所述三層鐵芯上分別卷繞有頂部線圈(L1)和底部線圈(L2)。本發(fā)明公開的局部反向耦合環(huán)形電感器，鐵芯部分有三層，利用中部鐵芯上的頂部線圈和底部線圈進行反向局部耦合，以減小紋波電流，消除漏感，消除耦合部分的低頻諧波，減少電感噪音、電磁和射頻干擾，使所需濾波電感值以三分之二的比例減少，以減小紋波電流，消除漏感，消除耦合部分的低頻諧波，減少電感噪音、射頻干擾，減少體積，減少材料用量，降低使用材料的等級和運行能耗。
文檔編號H01F27/24GK101694804SQ200910190788
公開日2010年4月14日 申請日期2009年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者馬雷克 申請人:特富特科技(深圳)有限公司;