專利名稱：可控制電感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可控制電感器，更具體地說，是一種包含由各向異性材料構(gòu)成的第一和第二同軸和同心管元件的可控制電感器，其中所述元件通過一些磁端耦合器在兩端相互連接，第一繞組繞在兩個(gè)所述磁性管元件上，第二繞組繞在所述磁性管元件的至少一個(gè)上，第一繞組的繞組軸線垂直于至少一個(gè)磁性管元件的軸線，第二繞組的繞組軸線與該軸線重合，通電時(shí)第一繞組產(chǎn)生第一方向的磁場，此方向與第一磁導(dǎo)率方向重合，通電時(shí)第二繞組產(chǎn)生第二方向的磁場，此方向與第二磁導(dǎo)率方向重合，第一磁導(dǎo)率比第二磁導(dǎo)率大得多。
很早以來就希望利用控制場來控制電感器件中的主場。
US 4210859描述了一種器件，它包含內(nèi)圓柱和外圓柱，它們通過一些連接元件相互連接。在這種器件中，主繞組是繞在芯上并通過圓柱的中心孔。繞組軸線跟隨沿圓柱周邊的通路。這個(gè)繞組在圓柱的壁上產(chǎn)生環(huán)形磁場，并在連接元件內(nèi)產(chǎn)生圓形磁場?？刂评@組繞在圓柱的軸線上。因此將在圓柱的縱向產(chǎn)生場。正如通常在磁性材料中那樣，芯的磁導(dǎo)率隨著加到控制繞組中的控制電流的作用而改變。由于圓柱和連接元件是由同一種材料制成，故在兩種類型的元件中磁導(dǎo)率的改變速度是相同的。因此，必須限制控制場的大小，以防止芯的飽和和控制場的分解。這樣一來，這種電感器的控制范圍就受到限制，且在US 4210859中的器件體積比較小，限制了該器件的功率處理能力。
其它的器件包括只有主磁路部分的磁導(dǎo)率可以控制。不過，這種方法大大限制了器件的控制范圍。例如，US 4393157中描述了一種用各向異性片材料做的可變電感器。此電感器包括兩個(gè)彼此垂直連接的環(huán)元件，其交疊面積有限。每個(gè)環(huán)元件有繞組?？梢詫ζ渲械拇艌鲞M(jìn)行控制的器件的部分只限于環(huán)相交疊的區(qū)域。這個(gè)有限的可控制區(qū)域是主場和控制場閉合磁路的一小部分。芯部分將首先飽和(芯各部分不會同時(shí)達(dá)到飽和，因?yàn)椴煌膱鲎饔糜诓煌膮^(qū)域)，且這種飽和將引起雜散場在主磁通中產(chǎn)生損耗。局部飽和使得器件的控制范圍很有限。
因此，現(xiàn)有技術(shù)無法在能處理很大功率的芯中控制其磁導(dǎo)率而不引起很大的損耗?，F(xiàn)有技術(shù)的許多缺點(diǎn)將影響到電感器件的所有幾何形狀，特別是由片金屬做的曲線結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵谶@類曲線結(jié)構(gòu)中將產(chǎn)生很大的渦電流和遲滯損耗。
本發(fā)明將克服這些缺點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)一種適用于大功率應(yīng)用的低損耗可控制電感器。一般而言，本發(fā)明可用來通過控制磁疇在橫向的位移而控制在卷起方向的磁通傳導(dǎo)。
在本發(fā)明的一種形式中，是通過在橫向加上控制場而控制卷起方向的晶粒取向材料的磁導(dǎo)率。在一種實(shí)施例中，晶粒取向鋼做的可控制電感器件是在橫向被磁化。在另一種實(shí)施例中，提供了一種包含第一和第二同軸和同心管元件的可控制電感器。這些元件通過磁性端耦合器在兩端彼此連接。第一繞組繞在兩個(gè)所述元件上，而第二繞組繞在所述元件中至少一個(gè)上。第一繞組的繞組軸線垂直于元件軸線，而第二繞組的繞組軸線和元件軸線重合。第一和第二磁性元件用各向異性磁性材料制成，使得由第一繞組引起的磁場方向的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于由第二繞組引起的磁場方向的磁導(dǎo)率。在這種實(shí)施例的一種形式中，各向異性材料是從下列兩組材料中選取晶粒取向硅鋼和磁疇控制的高磁導(dǎo)率晶粒取向硅鋼。
在一個(gè)實(shí)施例中，磁性端耦合器由各向異性材料制成，且提供一種由第一繞組產(chǎn)生的低磁導(dǎo)率磁場通路，和一種由第二繞組產(chǎn)生的高磁導(dǎo)率磁場通路。此可控制電感器還可以在磁性管元件邊緣和端耦合器之間包含薄絕緣片。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種包含閉合磁路的可控制磁結(jié)構(gòu)。此閉合磁路包括磁路第一元件，和磁路第二元件。每個(gè)磁路元件是用具有高磁導(dǎo)率方向的各向異性材料制成。此可控制磁結(jié)構(gòu)還包含繞在閉合磁路第一部分上的第一繞組，和取向與第一繞組正交的第二繞組。當(dāng)各繞組被激勵(lì)(即通電)時(shí)，第一繞組在第一磁路元件的高磁導(dǎo)率方向產(chǎn)生第一磁場，第二繞組在垂直第一場的方向產(chǎn)生第二場。
在這個(gè)實(shí)施例的一種形式中，可控制磁結(jié)構(gòu)包含第一磁路元件，其為管元件和第二磁路元件，其為端耦合器，后者將第一管元件與第二管元件相連接。在這個(gè)實(shí)施例的一種形式中，第一管元件和第二管元件處在同軸圍繞軸線的位置，且高磁導(dǎo)率方向是相對于此軸線的環(huán)形方向。另外，第二高磁導(dǎo)率方向可以是相對于軸線的徑向方向。在此實(shí)施例的另一種形式中，可控制磁結(jié)構(gòu)是用晶粒取向材料制成。在此實(shí)施例還有一種形式中，可控制磁結(jié)構(gòu)是電感器。
在另一個(gè)實(shí)施例中，絕緣層處在磁路第一元件和磁路第二元件之間的閉合磁路中。在另一個(gè)實(shí)施例中，磁路第二元件的體積為磁路第一元件體積的10％至20％。
在本發(fā)明還有一個(gè)實(shí)施例中，為磁性可控制電感器提供了芯。此芯包含第一和第二同軸和同心管元件，每個(gè)管元件用各向異性磁性材料制成。
每個(gè)管元件界定一條軸線，且管元件通過磁性端耦合器在兩端彼此相連接。另外，在平行于該元件軸線的第一方向芯呈現(xiàn)第一磁導(dǎo)率，它比垂直于該元件軸線的第二方向的第二磁導(dǎo)率高得多。在此實(shí)施例的一種形式中，第一和第二管元件用卷起片材料制成，它包含片端和絕緣材料的涂層。在另一種形式中，第一管元件包含平行于該元件軸線的第三方向上的間隙，且第一和第二管元件在第一和第二管元件之間的接點(diǎn)處用微米級薄絕緣層連在一起。在還有一種形式中，空氣隙沿每個(gè)管元件的軸線方向伸展，且第一元件的第一磁阻等于第二元件的第二磁阻。在一種實(shí)施例中，絕緣材料從MAGNETITE-S和UNISIL-H組成的一組材料中選擇。另外，該可控制電感器可包括第三磁導(dǎo)率，它存在于耦合器相對于該元件軸線的環(huán)形方向和第四磁導(dǎo)率，它存在于耦合器相對于該元件軸線的徑向方向。在此實(shí)施例的一種形式中，第四磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于第三磁導(dǎo)率。
在本發(fā)明的另一種形式中，提供了磁性耦合器器件來相互連接第一和第二同軸和同心管元件，為可控制電感器提供磁芯。此磁性端耦合器用各向異性材料制造，且為第一繞組產(chǎn)生的磁場提供低磁導(dǎo)率通路，為第二繞組產(chǎn)生的磁場提供高磁導(dǎo)率通路。在此實(shí)施例的一種形式中，磁性耦合器包含橫向相當(dāng)于裝配好的芯中管元件的晶粒取向方向的晶粒取向片金屬。另外，晶粒取向方向相當(dāng)于已裝配好的芯中管元件的橫向，以保證端耦合器的飽和發(fā)生在管元件之后。在此實(shí)施例的一種形式中，磁性端耦合器用單根磁性材料絲制成。在此實(shí)施例的另一種形式中，磁性端耦合器用多股的磁性材料絲制成。
磁性端耦合器可以用各種方法制造。在一種實(shí)施例中，端耦合器是通過將磁性片材料卷起形成環(huán)形芯而制成。芯的尺寸和形狀與管元件相配，且芯沿垂直于材料晶粒取向(GO)方向的平面分成兩半。另外，將端耦合器的寬度調(diào)節(jié)為使各段在管元件端部將第一管元件和第二管元件連接起來。在另一個(gè)實(shí)施例中，磁性端耦合器用單股或多股磁性材料絲繞成環(huán)形芯而制成，且此環(huán)形芯沿垂直所有絲的平面分成兩半。
在另一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)一種低剩磁的可變電感器件，故該器件可以很容易在AC運(yùn)行的工作周期間復(fù)位，并能提供近似線性的大電感變化。
現(xiàn)在通過以下各附圖表示的例子對本發(fā)明加以詳細(xì)說明

圖1表示一片磁性材料和卷起方向和軸線方向的相對的位置。
圖2表示一個(gè)已卷起的芯及其中限定的卷起方向和軸線方向。
圖3表示一片晶粒取向材料和其中限定的晶粒方向和橫向。
圖4表示一個(gè)晶粒取向材料卷起的芯和其中限定的晶粒方向和橫向。
圖5表示一個(gè)管元件中不同方向的相對位置。
圖6表示按本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的器件一部分的示意圖。
圖7表示按圖6實(shí)施例的器件。
圖8表示按圖7中器件的剖面圖。
圖9表示按本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的器件在磁性端耦合器和圓柱芯之間的絕緣片的位置。
圖10表示用磁性片材料制造的磁性端耦合器。
圖11表示用多股磁性材料制作磁性端耦合器的環(huán)形芯。
圖12表示按本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例制作磁性端耦合器的環(huán)形磁性材料剖面圖。
圖13表示按本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的磁性端耦合器內(nèi)的晶粒方向和橫向。
圖14表示用來制作磁性端耦合器的環(huán)形芯，其形狀被調(diào)整成與按本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的管元件相配合。
圖15表示按本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例用磁性絲制作的環(huán)形芯。
圖16表示圖15中環(huán)形芯的剖面圖。
圖17表示晶粒取向材料的磁疇結(jié)構(gòu)。
在制造磁性芯時(shí)采用片條材料。這些芯可以例如通過將片材料卷成圓柱體或者將幾個(gè)片疊在一起然后切割將形成芯的元件來制成。在用來制造“卷起”芯的材料中至少可以定義兩個(gè)方向，如卷起方向(“RD”)和軸線方向(“AD”)。
圖1和圖2分別表示一片磁性材料和一個(gè)卷起芯。圖中標(biāo)示了卷起方向和軸線方向(RD，AD)。如圖2所示，卷起芯的卷起方向跟隨圓柱的周邊，而軸線方向和圓柱軸線重合。
磁性能隨材料中的方向而變化的材料稱為各向異性材料。圖3和4表示在一片晶粒取向各向異性材料中定義的幾個(gè)方向。晶粒取向(“GO”)材料是在滾輪之間分幾步卷起大塊材料而制成，同時(shí)還要將得到的片加熱和冷卻。在制造過程中，材料涂上絕緣層，它能使磁疇減少并使材料的損耗相應(yīng)下降。材料的變形處理使得其中晶粒(因而是磁疇)主要按一個(gè)方向取向。磁導(dǎo)率在此方向達(dá)到最大值。通常把這個(gè)方向稱為GO方向。與GO方向正交的方向被稱為橫向(“TD”)。例如，UNISIL和UNISIL-H就屬于各向異性磁性材料類型。在一個(gè)實(shí)施例中，晶粒取向材料提供非常高百分?jǐn)?shù)的可以用于在橫向旋轉(zhuǎn)的磁疇。所以材料的損耗很低，且通過在橫向TD加上控制場可以改善對晶粒取向方向磁導(dǎo)率的控制。
其它類型的各向異性材料是各種無定形合金。所有這些類型的共同特性是，我們可以定義“容易的”或“軟的”磁化方向(高磁導(dǎo)率)，和“困難的”或“硬的”磁化方向(低磁導(dǎo)率)。高磁導(dǎo)率方向的磁化是通過磁疇壁的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，而低磁導(dǎo)率方向的磁化是通過磁疇磁化在場方向的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。其結(jié)果是在高磁導(dǎo)率方向產(chǎn)生方形的m-h回線，在低磁導(dǎo)率方向產(chǎn)生線性m-h回線(此處磁極化m是作為場強(qiáng)h的函數(shù))。另外，在一個(gè)實(shí)施例中，在橫向的m-h回線沒有矯頑力且剩磁為零。在本說明中，在說到高磁導(dǎo)率方向時(shí)使用術(shù)語GO，而在談到低磁導(dǎo)率方向時(shí)使用術(shù)語橫向(“TD”)。這些術(shù)語不僅用于晶粒取向材料，而且用于本發(fā)明用到的任何各向異性芯材料。在一個(gè)實(shí)施例中，GO方向和RD方向是同一方向。在另一種實(shí)施例中，TD方向和AD方向是同一方向。在另一種實(shí)施例中，各向異性材料從一組無定形合金中選擇，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。在還有一種實(shí)施例中，各向異性材料是從包括鐵基合金、鈷基合金、和鐵-鎳基合金的一組無定形合金中選擇。
雖然上面是談到使用各向異性材料，但也可以使用其它的材料，只要它們具有下列特性的適當(dāng)組合(1)在RD中有高的峰值磁極化和磁導(dǎo)率；(2)低損耗；(3)在TD中磁導(dǎo)率低；(4)在TD中有低的峰值磁極化和磁導(dǎo)率；和(5)在橫向有旋轉(zhuǎn)磁化。表1列舉了一部分可做成片條的材料及這些材料的某些與本發(fā)明一個(gè)或幾個(gè)實(shí)施例有關(guān)的特性。
表1
圖5表示按本發(fā)明的一個(gè)具有可變電感的管元件實(shí)施例。因?yàn)檫@個(gè)元件是通過卷起一片各向異性材料制成，我們可以定義卷起方向(RD)，軸線方向(AD)，高磁導(dǎo)率(GO)方向，和低磁導(dǎo)率(TD)方向。圖5顯示了該元件中這些方向的相對位置。此管元件可以具有任何截面，因?yàn)榻孛娴男螤钪粵Q定于片繞它卷起的元件的形狀。若片是在具有方形截面的平行四邊形上卷起，則管元件將為方形截面。同樣，若片是在具有橢圓截面的管上卷起，將形成橢圓截面的管。在一種實(shí)施例中，管元件是圓柱體。
圖6是按本發(fā)明的一種器件實(shí)施例100一部分的示意圖。此器件100包含第一管元件101和第二管元件102，這些元件通過磁性端耦合器在兩端彼此相連接。為清楚起見，圖中未顯示這些磁性端耦合器。第一繞組103繞在元件101和102上，繞組軸線垂直于元件軸線。通電時(shí)此繞組產(chǎn)生的磁場(Hf、Bf)將沿著元件周邊的方向，也即相對于元件軸線而言的環(huán)形方向。第二繞組104繞在元件102上，繞組軸線平行于元件軸線。通電時(shí)此繞組產(chǎn)生的磁場(Hs、Bs)平行于元件軸線的方向，也即相對于元件軸線的軸線方向。在一個(gè)實(shí)施例中，第二繞組104的繞組軸線與元件軸線重合。在另一個(gè)實(shí)施例中，各元件軸線彼此不互相重合。
若把圖6的繞組和磁場與圖5的卷起材料芯結(jié)合起來，就形成按本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的器件100。在此實(shí)施例的一種形式中，由第一繞組103產(chǎn)生的在磁場(Hf、Bf)方向(即GO，RD方向)的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)高于由第二繞組104產(chǎn)生的在磁場(Hs、Bs)方向(即TD，AD方向)的磁導(dǎo)率。
在一個(gè)實(shí)施例中，第一繞組103組成主繞組，且第二繞組組成控制繞組。在此實(shí)施例的一種形式中，主場(Hf、Bf)產(chǎn)生在高磁導(dǎo)率方向(GO，RD方向)，控制場(Hs、Bs)產(chǎn)生在低磁導(dǎo)率方向(TD，AD方向)。
當(dāng)采用各向異性材料來提供如圖5和6所示的器件100時(shí)損耗最低。不管這個(gè)器件100是用在線性應(yīng)用還是開關(guān)應(yīng)用都是這個(gè)結(jié)果。在線性應(yīng)用下，該器件100被接通并保持在電路中作為電感。在開關(guān)應(yīng)用下，該器件100被用來將另一個(gè)器件與電源接通和斷開。
低損耗可讓器件100用于高功率應(yīng)用中，例如在使用范圍可以從幾百kVA至幾MVA的變壓器的電路中應(yīng)用。
如方程44)所示，芯的功率處理能力取決于在高磁導(dǎo)率下的最大阻塞電壓Ub及在最低可控磁導(dǎo)率值下的最大磁化電流ImPs＝Ub·Im 44)若把磁化電流和阻塞電壓表達(dá)為磁場密度Bm的函數(shù)，則視在功率Ps可表示為Ps＝·f·Bm2Vj/(μo·μr)45)式中Vj是芯中主磁通路徑的體積，μo是自由空間的磁導(dǎo)率，μr是芯的相對磁導(dǎo)率。方程45)表明，功率處理能力與芯的體積和相對磁導(dǎo)率兩者有關(guān)。在很高的磁導(dǎo)率下，磁化電流最低且只傳送很小量的功率。
從方程45)清楚可見，芯每體積單位的視在功率Ps與相對磁導(dǎo)率μr有關(guān)。對于兩個(gè)相似的芯，若其中第一芯的最低相對磁導(dǎo)率是第二芯最低相對磁導(dǎo)率的一半，則第一芯的視在功率為第二芯的兩倍。因此，給定芯體積的功率處理能力受到芯體積的最低相對磁導(dǎo)率的限制。
與此相應(yīng)，在一個(gè)實(shí)施例中，磁性端耦合器的體積約為主芯的10％-20％，但磁性端耦合器的體積根據(jù)芯結(jié)構(gòu)和所需的功率處理能力的不同可進(jìn)一步降低至該百分比的1/2或1/4。在一個(gè)這種實(shí)施例中，磁性端耦合器的體積約為主芯體積的5％-10％。在還有一個(gè)實(shí)施例中，磁性端耦合器的體積為主芯體積的2.5％-5％。
有一篇文章描述了在晶粒取向(GO)層制品內(nèi)磁化曲線和遲滯損耗的新現(xiàn)象理論，文章的題目是“晶粒取向Fe-Si中任意方向的磁化曲線，遲滯回線，和損耗的綜合模型”，作者為Fiorillo等人，發(fā)表于IEEE Transactions on Magnetics，Vol.38，NO.3，May 2001(下面簡稱為“Fiorillo等”)。Fiorillo等提供了下面事實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)證明占據(jù)引起橫向磁化的體積用于卷起方向的磁化。因此，該文表明，可以利用另一方向的場來控制一個(gè)方向的磁導(dǎo)率。
Fiorillo等還提供了GO材料中的處理模型。例如，它提供了一種包含在GO芯片內(nèi)任何方向的磁化曲線，遲滯回線和能量損耗的模型。此模型以單晶近似為依據(jù)，并說明當(dāng)沿TD加上場時(shí)磁疇按復(fù)雜的方式演化。參考圖17，GO片包含基本沿RD方向的180°磁疇壁的圖式。去磁化狀態(tài)(圖17a)的特征是磁化強(qiáng)度Js沿著
和
方向。當(dāng)在TD方向加上場時(shí)(圖17b)，基本的180°磁疇通過90°磁疇壁處理轉(zhuǎn)變?yōu)橛审w磁疇組成的圖式，其磁化強(qiáng)度沿著[100]和
方向(即相對于層制品平面成45°角)。當(dāng)這個(gè)新磁疇結(jié)構(gòu)占據(jù)一部分樣品體積時(shí)，宏觀磁化強(qiáng)度值為J90＝Jsυ90/(2)1/246)式中J90＝在TD方向的磁化強(qiáng)度，Js＝在RD方向的磁化強(qiáng)度，υ90＝部分樣品體積。
在磁化處理終了可得到的最大磁化強(qiáng)度是J90＝1.42特斯拉，且通過磁疇的瞬間旋轉(zhuǎn)還可以進(jìn)一步增大。
Fiorillo等還證明，被180°磁疇占據(jù)的樣品體積由于90°磁疇的生長而下降。因此，可利用橫向控制場和可控制磁疇位移來控制加在卷起方向的場的磁導(dǎo)率或通導(dǎo)。
Hubert等人在“磁疇”一書，Springer 2000，416-417頁和532-533頁中對GO鋼內(nèi)橫向磁化特性作了說明。通過控制橫向磁疇位移來控制卷起方向的磁導(dǎo)率是最有利的，這主要因?yàn)楫?dāng)垂直于180°壁加上場時(shí)可避免180°壁的運(yùn)動(dòng)。因此，在已經(jīng)TD磁化體積內(nèi)主場不影響正交的控制場。
與GO方向和TD方向磁化機(jī)理不相同的GO鋼相反，非取向鋼的磁化主要包括180°磁疇壁位移，因此在非取向鋼內(nèi)受到控制的體積連續(xù)受到主場和控制場兩者的影響。
圖7表示按本發(fā)明的一個(gè)器件實(shí)施例100。該圖顯示了第一管元件101，第一繞組103，和磁性端耦合器105，106。上面已對管元件磁性材料的各向異性特性作了說明，這種材料在卷起方向(RD)具有軟的磁化方向(GO)。
這種管元件是通過卷起一片GO材料而形成的。在一個(gè)實(shí)施例中，這種GO材料是損耗最小的高品質(zhì)鋼，如Cogent的Unisil HM 105-30P5。
GO鋼在橫向的磁導(dǎo)率約為GO方向的1-10％，與材料有關(guān)。因而，如果兩個(gè)繞組具有相同匝數(shù)，則在橫向產(chǎn)生場的繞組的電感只有在GO方向產(chǎn)生場的主繞組電感的1-10％。利用這個(gè)電感比例可以高度控制主繞組產(chǎn)生場的方向的磁導(dǎo)率。另外，對于橫向的控制通量，其峰值磁極化要比GO方向低20％左右。因而在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的器件中的磁性端耦合器不會被主磁通或控制磁通飽和，且在任何時(shí)候都能使控制場集中在材料內(nèi)。
為了防止渦電流損耗和控制場二次閉路，在一個(gè)實(shí)施例中，在各相鄰片材料層之間夾著絕緣層。這一層是作為片材料上的涂層而加上的。在一個(gè)實(shí)施例中，這種絕緣材料是從包括MAGNETITE和MAGNETITE-S的組中選擇。但是，也可以采用其它絕緣材料，如Rembrandtin LackGes.m.b.H公司制造的C-5和C-6等，只要它們的機(jī)械強(qiáng)度足以經(jīng)受生產(chǎn)過程，并有足夠的機(jī)械強(qiáng)度以防止在各相鄰箔層之間電短路。這類絕緣材料還有一些好的特性，就是適宜于應(yīng)力釋放退火和澆注鋁密封。在一個(gè)實(shí)施例中，這種絕緣材料包含無鉻的有機(jī)/無機(jī)混合系統(tǒng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，這種絕緣材料包含一種含無機(jī)填充劑和涂劑的熱穩(wěn)定有機(jī)聚合物。
圖8是按本發(fā)明的一個(gè)器件實(shí)施例100的剖面圖。在這個(gè)實(shí)施例中，第一管元件101包含沿元件軸線方向的間隙107，它處在第一管元件的第一層和第二層之間。間隙107的主要作用是按具體應(yīng)用調(diào)整功率處理能力和材料的體積。在芯縱向存在空氣隙將減小芯的剩磁。這將在芯磁導(dǎo)率被控制繞組內(nèi)的電流減小時(shí)引起主繞組電流的諧波成分下降。薄絕緣層被安放在元件101的兩部分之間的間隙107內(nèi)。在這個(gè)實(shí)施例的一種形式中，不把磁性端耦合器分成兩部分。
圖9-16涉及到磁性端耦合器的不同實(shí)施例。在一個(gè)實(shí)施例中，用于磁性端耦合器的材料是各向異性。在這個(gè)實(shí)施例的一種形式中，磁性端耦合器為由第一繞組103產(chǎn)生的主磁場Hf提供一個(gè)硬磁化(低磁導(dǎo)率)通路。由第二繞組104(圖7中未示出)產(chǎn)生的控制場Hs將與磁性端耦合器內(nèi)的高磁導(dǎo)率和管元件內(nèi)的低磁導(dǎo)率通路相遇。
磁性端耦合器或控制磁通連接器可以用磁性材料GO片金屬或絲制成，其控制場在GO方向且主場在橫向。絲可以是單股絲或多股絲。
在一個(gè)實(shí)施例中，磁性耦合器用GO鋼制成，以保證該端耦合器不會在管元件或TD方向的圓柱芯之前飽和，而是將控制磁通集中通過管元件。在另一個(gè)實(shí)施例中，磁性耦合器用純鐵制造。
現(xiàn)在將說明相應(yīng)于圖7的一個(gè)器件實(shí)施例中端耦合器的磁場性能。開始時(shí)，即當(dāng)?shù)诙@組或控制繞組104未被激勵(lì)時(shí)，只有很小一部分(約0.04-0.25％)主場Hf進(jìn)入磁性端耦合器的體積，因?yàn)榇判远笋詈掀鲀?nèi)在主場方向(TD)的磁導(dǎo)率很低。在主場方向Hf，TD的磁導(dǎo)率是通過端耦合器的8至50，與所用結(jié)構(gòu)和材料有關(guān)。結(jié)果，主磁通Bf進(jìn)入管元件或圓柱芯101，102的體積內(nèi)。另外，由于主磁通集中，主芯101，102的磁導(dǎo)率可以往下調(diào)到10左右。
控制磁通路徑(圖6和7中的Bs)在管元件101，102的芯壁之一內(nèi)沿軸線上升并在另一個(gè)元件的芯壁內(nèi)下降，同時(shí)通過磁性端耦合器105，106在同心管元件101，102的每一端閉合。
控制磁通(B)路徑具有很小的空氣隙，它是由磁性端耦合器105，106和圓柱芯圓形端部區(qū)域之間的薄絕緣片108提供的(圖9)。這對于防止產(chǎn)生從第一繞組103經(jīng)過由第一、第二管元件101，102和磁性端耦合器105，106造成的“繞組”的變壓器作用的閉合電流路徑是很重要的。
如前所述，按本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的磁性端耦合器是用幾片磁性材料(層制品)制成的。此實(shí)施例示于圖10-14。圖10表示從上面看到的一個(gè)GO片鋼的磁性端耦合器105及管元件101和102。每段端耦合器105(例如，段105a和105b)是從徑向向內(nèi)的端110逐漸過渡到徑向向外的端112，徑向向內(nèi)的端110比徑向向外的端112窄。圖10所示的方向GO和TD適用于端耦合器的每一段105a，105b。在圖10左邊和右邊上的一部分端耦合器105已移開，以顯示內(nèi)芯102和外芯101的片端114。圖11表示一個(gè)環(huán)形元件116，當(dāng)把它切割成兩部分時(shí)就提供各磁性端耦合器。圖12表示環(huán)形芯的一個(gè)截面及磁性材料片(如層制品)105’的相對位置。圖12和13表示磁性端耦合器內(nèi)的磁疇方向，它與主場的方向重合。圖14表示如何調(diào)整磁性端耦合器段105的尺寸和形狀，以保證耦合器在每一端將第一管元件101(外圓柱芯)連接到第二管元件102(內(nèi)圓柱芯)。在圖14中，徑向向內(nèi)端110比徑向向外端112窄。
在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中，見圖15，相同類型的段是用磁性絲做的。端耦合器用多股或單股磁性材料絲制造。由磁性材料形成的環(huán)形形狀被切割成兩半，如圖15中的剖面A-A所示。圖16表示磁性絲的端部如何提供磁場Hf的進(jìn)入和出口區(qū)。每個(gè)絲提供磁場Hf的通路。
為了能增加可控制電感器件的功率處理能力，芯可以用疊層片條材料來做。這對開關(guān)也很有利，因?yàn)檫@里要求磁導(dǎo)率迅速改變。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可對這里所述內(nèi)容作各種更改，修正，或采用別的實(shí)施方案，這不超出下面權(quán)利要求書界定的本發(fā)明的思想和范圍。因而，本發(fā)明不是由上面的示例性說明來界定，而是通過下面權(quán)利要求書的思想和范圍來界定。
權(quán)利要求
1.一種可控制電感器，包括由各向異性材料制成的第一和第二同軸和同心磁性管元件，其中，所述元件用磁性端耦合器在兩端彼此相連接；纏繞在兩個(gè)所述磁性管元件上的第一繞組；和纏繞在至少一個(gè)所述磁性管元件上的第二繞組；其中第一繞組的繞組軸線垂直于至少一個(gè)磁性管元件的軸線，第二繞組的繞組軸線與該軸線重合，通電時(shí)第一繞組在與第一磁導(dǎo)率方向重合的第一方向產(chǎn)生磁場，通電時(shí)第二繞組在與第二磁導(dǎo)率方向重合的第二方向產(chǎn)生磁場，以及其中，第一磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于第二磁導(dǎo)率。
2.如權(quán)利要求1的可控制電感器，其中各向異性材料從下面一組材料中選擇晶粒取向硅鋼和磁疇控制的高磁導(dǎo)率晶粒取向硅鋼。
3.如權(quán)利要求1的可控制電感器，其中磁性端耦合器用各向異性材料制成，且為第一繞組產(chǎn)生的磁場提供低磁導(dǎo)率通路，為第二繞組產(chǎn)生的磁場提供高磁導(dǎo)率通路。
4.如權(quán)利要求1的可控制電感器，還包括處在磁性管元件邊緣和端耦合器間的薄絕緣片。
5.如權(quán)利要求1的可控制電感器，其中磁性端耦合器的體積是磁性管元件體積的10-20％。
6.如權(quán)利要求1的可控制電感器，其中磁性端耦合器的體積是磁性管元件體積的25-50％。
7.如權(quán)利要求1的可控制電感器，其中由第一繞組引起的磁場方向是在相對于至少一個(gè)元件的軸線的環(huán)形方向。
8.如權(quán)利要求1的可控制電感器，其中由第二繞組引起的磁場方向是在相對于至少一個(gè)元件的軸線的徑向方向。
9.一種磁性可控制電感器的芯，包括第一和第二同軸和同心管元件，每個(gè)管元件由各向異性磁性材料構(gòu)成且界定軸線；其中管元件用磁性端耦合器在兩端彼此相連接；且其中芯在平行元件軸線的第一方向提供的第一磁導(dǎo)率遠(yuǎn)高于在垂直于元件軸線的第二方向的第二磁導(dǎo)率。
10.如權(quán)利要求9的可控制電感器，其中第一和第二管元件是由卷起的片材料制成，它包含片端部和絕緣材料涂層。
11.如權(quán)利要求9的可控制電感器，其中第一管元件包括第一層；第二層；和沿平行元件軸線的第三方向的間隙，其中第一管元件的第一層和第二層用微米級薄絕緣層在位于第一和第二層之間的連接處連在一起。
12.如權(quán)利要求9的可控制電感器，還包括沿每個(gè)管元件軸線方向伸展的空氣隙，且其中第一元件的第一磁阻等于第二元件的第二磁阻。
13.如權(quán)利要求10的可控制電感器，其中絕緣材料從包含MAGNETITE-S和UNISIL-H的一組材料中選擇。
14.如權(quán)利要求9的可控制電感器，其中第三磁導(dǎo)率存在于端耦合器中相對于元件軸線的環(huán)形方向，第四磁導(dǎo)率存在于耦合器中相對于元件軸線的徑向方向，且第四磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于第三磁導(dǎo)率。
15.一種用來相互連接第一和第二同軸和同心管元件以為可控制電感器提供磁芯的磁性耦合器器件，包括由各向異性材料構(gòu)成的磁性端耦合器，低磁導(dǎo)率通路與第一繞組產(chǎn)生的磁場方向重合，高磁導(dǎo)率通路與第二繞組產(chǎn)生的磁場方向重合，其中磁場是在繞組通電時(shí)產(chǎn)生的。
16.如權(quán)利要求15的可控制電感器，其中第一和第二管元件是用各向異性磁性材料制成，其中沿由第一繞組產(chǎn)生的磁場方向的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于沿由第二繞組產(chǎn)生的磁場方向的磁導(dǎo)率，其中磁性端耦合器包含晶粒取向片金屬，其橫向相應(yīng)于已組裝芯內(nèi)的管元件的晶粒取向方向，且晶粒取向方向相應(yīng)于已組裝芯內(nèi)的管元件的橫向，以保證端耦合器在管元件之后才飽和。
17.如權(quán)利要求15的可控制電感器，其中磁性端耦合器還包括磁性材料單絲和多股絲中的至少一種。
18.如權(quán)利要求15的可控制電感器，其中磁性端耦合器是通過將磁性片材料卷起成環(huán)形芯而制成，其中芯的尺寸和形狀能與管元件相配，其中芯沿垂直于材料晶粒取向方向的平面分為兩半，且其中磁性耦合器寬度調(diào)節(jié)成使段在管元件端部把第一管元件連至第二管元件。
19.如權(quán)利要求15的可控制電感器，其中磁性端耦合器包含多股絲和單絲磁性材料中的至少一種，其繞成環(huán)形，且其中環(huán)形沿垂直于所有絲的平面分成兩半。
20.一種可控制磁結(jié)構(gòu)，包括閉合磁路，包含磁路第一元件和磁路第二元件，每個(gè)所述第一和第二磁路元件包含一種具有高磁導(dǎo)率方向的各向異性材料；繞在該閉合磁路第一部分上的第一繞組，和取向與第一繞組正交的第二繞組，其中第一磁場是由沿第一磁路元件的高磁導(dǎo)率方向的第一繞組產(chǎn)生的，且其中第二磁場是由沿與第一場方向正交的方向的第二繞組產(chǎn)生的。
21.如權(quán)利要求20的可控制磁結(jié)構(gòu)，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.如權(quán)利要求21的可控制磁結(jié)構(gòu)，其中磁路第一元件包含兩個(gè)圍繞軸線同軸的管元件，其中高磁導(dǎo)率方向是相對該軸線的環(huán)形方向。
23.如權(quán)利要求22的可控制磁結(jié)構(gòu)，其中第二高磁導(dǎo)率方向是相對于該軸線的徑向方向。
24.如權(quán)利要求20的可控制磁結(jié)構(gòu)，其中可控制磁結(jié)構(gòu)是電感器。
25.如權(quán)利要求20的可控制磁結(jié)構(gòu)，還包括晶粒取向材料。
26.如權(quán)利要求25的可控制磁結(jié)構(gòu)，其中晶粒取向材料是磁疇控制的高磁導(dǎo)率晶粒取向硅鋼。
27.如權(quán)利要求20的可控制磁結(jié)構(gòu)，還包括位于磁路第一元件和磁路第二元件之間的閉合磁路內(nèi)的絕緣物。
28.如權(quán)利要求20的可控制磁結(jié)構(gòu)，其中磁路第二元件的體積是磁路第一元件體積的10-20％。
29.如權(quán)利要求20的可控制磁結(jié)構(gòu)，其中第二場方向相應(yīng)于磁路第二元件內(nèi)的第二高磁導(dǎo)率方向。
全文摘要
一種可控制電感器，包括第一和第二同軸和同心管元件，所述元件通過磁性端耦合器在兩端彼此相連接，繞在兩個(gè)所述元件上的第一繞組，和繞在至少一個(gè)所述元件上的第二繞組，第一元件的繞組軸線垂直于元件的軸線，第二繞組元件的繞組軸線與元件軸線重合，此電感器的特征在于所述第一和第二磁性元件是用各向異性磁性材料制成，使得在由第一所述繞組產(chǎn)生的磁場方向的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)高于在由第二所述繞組產(chǎn)生的磁場方向的磁導(dǎo)率。
文檔編號H01F29/14GK1868008SQ200480029914
公開日2006年11月22日 申請日期2004年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月14日
發(fā)明者E·豪格斯, F·斯特蘭 申請人:馬格技術(shù)公司