專利名稱：有隙鐵芯上的磁性線圈的低交流電阻箔式繞組的制作方法
相關(guān)申請交叉引用本申請要求了于2004年3月29日提交的第60/557,268號美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，該申請并入本文作為參考。
背景技術(shù)：
磁性線圈可攜帶較大的直流電流和交流波紋電流。即使交流電流相對于直流電流而言很小，但磁性線圈中的交流損耗也可能相當(dāng)大。
減小磁性線圈中的交流損耗(有時候描述為減小交流電阻)的一種方法是使用李茲(litz)線。李茲線由多個絕緣的線束形成，理論上，它具有與相同截面面積的單個線束相比較小的交流電阻。交流電流在導(dǎo)體表面附近流動，被稱為趨膚效應(yīng)(skin effect)。李茲線在被適當(dāng)纏繞時可減小這一趨膚效應(yīng)。造成磁性線圈中的損耗的另一效應(yīng)是鄰近效應(yīng)(proximity effect)，第一導(dǎo)線或線束產(chǎn)生的磁場在第二導(dǎo)線或線束中形成渦流即為鄰近效應(yīng)。李茲線可減小鄰近效應(yīng)。
李茲線的一個缺點在于，與相同截面面積的單個線束相比，李茲線具有較大的直流電阻，使其不能理想地應(yīng)用于直流電流比交流電流大的情況。李茲線也比單個線束和箔具有較高成本。
減小磁性線圈中交流損耗的另一技術(shù)是使用形狀優(yōu)化的導(dǎo)線繞組，其中，導(dǎo)線(可以是李茲線)設(shè)置為遠(yuǎn)離磁芯中的間隙。使用形狀優(yōu)化的導(dǎo)線繞組的缺點包括繞組更復(fù)雜和昂貴，并且如果使用李茲線，則同樣會增加直流電阻。
減小磁性線圈中交流損耗的又一技術(shù)是在磁芯中使用多個小間隙而不是單個大間隙。但是，這會增加磁性線圈的成本，而且已經(jīng)顯示，優(yōu)化的繞組形狀可優(yōu)于使用多間隙磁芯的方法。
通常，使用箔式繞組來構(gòu)造攜帶較大直流電流的磁性線圈(例如，大功率電感器、回掃變壓器等)。箔式繞組具有較小直流電阻，但與多層繞組一樣，在某些情況下，交流損耗與層數(shù)的平方成比例。動力應(yīng)用中使用的磁性線圈通常需要磁芯中具有空氣間隙，以避免磁飽和，從而控制電感以及存儲磁能。在高頻應(yīng)用(以及低頻應(yīng)用)中，例如并入開關(guān)功率變換器的應(yīng)用中，空氣間隙附近的磁場引起磁性線圈(尤其是間隙附近的繞組的部分)中的較大交流損耗。
雖然以上技術(shù)、尤其是形狀優(yōu)化的繞組可能有效，但并入這些技術(shù)的設(shè)計中的直流電流比交流電流大得多，因此，由于直流電阻的顯著增加而不可接受。對于大直流電流繞組而言，經(jīng)常使用銅箔，這是因為使用銅箔可獲得比使用圓線更高的充填因數(shù)(繞組窗口容納銅的部分)。但是，銅箔繞組尤其易受來自于間隙彌散場的感應(yīng)渦流的影響。這是因為彌散場包含與箔的平面垂直的磁通量分量，即使在繞組中的交流電流比直流電流小得多的情況下，這也可能引起顯著的損耗。
圖1示出了箔纏繞磁性線圈10的分解的三維視圖。所示的磁性線圈10具有磁芯12和箔纏繞線圈14。為了說明目的，箔纏繞線圈14被示出為從磁芯12的中心柱16上移除(即，在正常工作時，中心柱16通過箔纏繞線圈14的中心孔15延伸，參見圖2、圖3A和圖3B)。中心柱16具有間隙18，以避免磁性線圈10在工作期間的磁飽和。磁芯12具有兩個繞組窗口20和22。圖2示出了磁性線圈10的正面圖，顯示了磁芯12具有安裝在中心柱16上的箔線圈14。
圖3A示出了穿過磁性線圈10的垂直剖面A-A，在磁芯12的中心柱16上安裝有箔纏繞線圈14。圖3A示出了磁芯12和箔纏繞線圈14的銅箔繞組30。所示的銅箔繞組30填充磁芯12的繞組窗口20和22。
圖3B顯示了圖3A的剖面A-A的間隙18周圍區(qū)域的放大部分40。放大部分40顯示了圍繞中心柱16的內(nèi)部銅箔繞組30以及在磁性線圈10工作期間發(fā)生在間隙18周圍的間隙彌散場32。特別地，間隙彌散場32在銅箔繞組30中引起渦流，這將會增加交流損耗，尤其是對于高頻交流電流而言。
因此，希望能夠去除或最小化間隙彌散場32對于箔式繞組30的影響，以減小交流損耗，而不會明顯增加磁性線圈10的直流電阻。


圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中的箔纏繞磁性線圈10的分解三維視圖；圖2示出了圖1的磁性線圈的正面圖；圖3A示出了通過圖1的磁性線圈的垂直剖面；圖3B顯示了圖3A的剖面中、間隙周圍區(qū)域的放大部分；圖4是示出了中心柱中具有單個間隙并且銅箔繞組中具有形狀優(yōu)化的空腔的磁芯的、通過磁性線圈的垂直剖面；圖5顯示了通過圖4的磁性線圈的水平剖面，示出了繞組中的、磁芯的中心柱周圍的空腔；圖6示出了具有能形成如圖4所示空腔的開口的箔；圖7是示出了中心柱中具有單個間隙的磁芯以及示出了具有V形空腔的箔式繞組的、通過磁性線圈的垂直剖面；圖8顯示了具有能形成圖7的空腔的開口的箔；圖9是通過磁性線圈的垂直剖面，該磁性線圈的磁芯在繞組形成的空腔外部的柱中具有間隙；圖10顯示了具有能形成圖9所示空腔的圓形開口的箔；圖11顯示了圖9的繞組，其中去除了磁芯，以示出由圖10的圓形開口形成的錐形空腔；圖12是示出了具有多個間隙的磁芯的、通過磁性線圈的垂直剖面；圖13顯示了具有適合于制造圖12的繞組的開口的箔；圖14示出了具有六個間隙的磁芯和形成空腔的繞組；圖15顯示了適合于制造圖14的繞組的箔。
具體實施例方式
以下描述的磁性線圈使用具有一個或多個間隙的磁芯以及未完全通過磁芯中的間隙區(qū)域中的繞組窗口延伸的箔式繞組，從而能夠減小磁性線圈的交流電阻并從而減小交流損耗。
圖4是通過磁性線圈400的垂直剖面，示出了具有分為兩個部分的中心柱406的磁芯402。圖4是示意性的，并未按比例繪制。中心柱406的兩個部分限定出軸線407；單個間隙408以垂直于軸線407的對稱平面B-B為中心。銅箔繞組404圍繞中心柱406的兩個部分以及間隙408，如圖所示。磁芯402具有繞組窗口410和412，繞組窗口410和412容納銅箔繞組404，如圖所示。所示的由間隙408形成的間隙彌散場415位于繞組窗口410中。窗口412中具有類似的彌散場，但為了清晰說明而未示出。銅箔繞組404具有去除了銅的部分，以形成以對稱平面B-B中的間隙408為中心的空腔414，如圖所示?？涨?14避免或減小了間隙彌散場415在繞組404中形成將導(dǎo)致磁性線圈400中的交流損耗的渦流。
如圖所示，銅箔繞組404在間隙408附近被切開有空腔414?？涨?14示出了適合于較大交流電流(即，箔式繞組404內(nèi)的交流電流為直流電流中較大部分的情況)的近似半圓空腔形狀(即，最大箔間隙gf的寬度近似等于繞組窗口412的寬度h)。隨著箔式繞組404中交流電流變?yōu)橹绷麟娏髦休^小部分，由于交流損耗變得不甚顯著，因而可減小箔間隙gf。由于為形成空腔414而去除箔增加了繞組404中的直流損耗而減小了交流損耗(例如，與沒有空腔414的繞組404相比)，因此間隙408附近的空腔414的大小和形狀可調(diào)節(jié)，以優(yōu)化直流損耗和交流損耗之間的折衷。
有幾種方式來解釋這種結(jié)構(gòu)可帶來的一些優(yōu)點。一種解釋是，在間隙408的區(qū)域中具有較少的銅，因此由間隙彌散場415引起的渦流較小。另一種解釋涉及繞組404中高頻電流的分布。也就是說，在層厚與趨膚深度可比的簡單箔式繞組中，反向電流在繞組的相反側(cè)上流動，從而使得底部繞組層在面向間隙408的表面上具有為末端電流N倍的電流，其中，N是匝數(shù)(對于箔式繞組而言，等于層數(shù))。在第一層中，該電流在間隙408附近集中，高頻電流主要在銅箔繞組404的各匝的外露邊緣405附近流動(所示的邊緣405位于窗口412中，但并非所有邊緣405均被標(biāo)出，并且為了清楚說明，邊緣405并未在窗口410中示出)。由于在交流電流流動的位置與間隙408之間沒有銅插入，因此間隙408導(dǎo)致的磁場不會引起附加的(或可感知的)渦流。雖然由空腔414導(dǎo)致的外露邊緣405與總的箔截面積(例如，繞組窗口410的面積)相比較小，但所形成的交流電阻減小了(例如，與如圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)相比)。在gf近似等于繞組窗口412的寬度h并且空腔414為半圓形時形成較小交流電阻(以及因此形成較小交流損耗)的原因在于，邊緣405與間隙408近似等距離，從而使得在繞組404的各個邊緣405內(nèi)出現(xiàn)近似相等的交流電流密度。
當(dāng)gf增加超過寬度h時(參見圖4)，交流電阻增加(交流電阻增加)。但是，在某些情況下，較大的gf值可能是理想的，這是因為，與沒有空腔的箔式繞組中的交流損耗相比，在gf大于繞組窗口412的寬度h的兩倍時交流損耗仍然會減小。
在僅使用高頻交流電流的箔式繞組中并入空腔時，同樣具有優(yōu)勢。
圖5顯示了通過圖4的磁性線圈400的水平剖面B-B，示出了磁芯402的中心柱406周圍的繞組404。圖5是示意性的，并未按比例繪制。所示的繞組404繞中心柱406被切除一部分，從而使得由間隙408導(dǎo)致的間隙彌散場415不會在繞組404中引起較大的渦流。
圖6示出了箔600中的開口606。當(dāng)箔600從端部602開始被纏繞時，可創(chuàng)建圖4的空腔414，箔600的內(nèi)邊緣605形成圖4的邊緣405。如圖所示，開口606在端部602處具有與空腔414的寬度gf相對應(yīng)的寬度gf。為了說明目的，所示的箔600被縮小(即，未按比例顯示)。在用以創(chuàng)建繞組404的箔纏繞過程之前或之中，箔600可被切割以形成開口606。
圖7和圖8可結(jié)合以下描述一起參看。圖7和圖8是示意性的，并未按比例繪制。圖7是通過磁性線圈700的垂直剖面，示出了在中心柱406中具有單個間隙408的磁芯402以及具有V形空腔714的銅箔繞組704。圖8顯示了具有開口806的箔800，從而在(從端部802開始)纏繞以形成繞組704時形成空腔714。箔800和繞組704與磁性線圈400的繞組404相比可以較容易、因此較便宜地制造。在一個實施方案中，箔800可由兩個或更多的單個梯形箔片構(gòu)成，其被纏繞在一起以形成具有空腔714的繞組704。
雖然用于最小化交流電阻的理想空腔形狀可為半圓形，但V形可較容易切割，在很多情況下，使用V形而不是半圓形以節(jié)省成本。使用半圓形獲得的較小的改進(jìn)在磁性線圈中出現(xiàn)較大交流電流時能獲得更好的性能。另外，在繞組中交流電流相對于直流電流較小的情況下，空腔的大小可按幾種方式減小a)可減小半圓的寬度，使它變成橢圓；b)可減小半圓的直徑(即，可根本不切除距離間隙最遠(yuǎn)的繞組層)；以及c)可使用橢圓和V形的特征?？墒褂闷渌螤?可以近似于半圓和/或V形，也可以不同于半圓和/或V形)用于空腔414和714，而并未背離本發(fā)明的范圍。
圖9是通過磁性線圈900的垂直剖面，該磁性線圈900的磁芯902在繞組904外部的柱910中具有間隙908。圖9是示意性的，并未按比例繪制。繞組904繞磁芯902的無隙柱906纏繞，并具有V形空腔914。圖10顯示了具有橢圓開口1006、1008、1010和1012的箔1000。開口1006、1008、1010和1012是伸長的，以保持從間隙908到箔1000繞各個開口的邊緣等距離。圖10是示意性的，并未按比例繪制。開口1012的形狀例如可包括與開口1012的平面中的間隙908的直線性相對應(yīng)的(頂部和底部的)直線。開口1006、1008、1010和1012隔開，它們的大小被設(shè)置為使得當(dāng)箔1000(從端部1002開始)被纏繞以形成繞組904時，開口1012位于開口1010的上方、開口1010位于開口1008的上方、以及開口1008位于開口1006的上方。開口1006、1008、1010和1012從而在繞組904中形成空腔914。圖11顯示了將繞組904從磁芯902移出以示出由開口1006、1008、1010和1012形成的錐形空腔914。圖11是示意性的，并未按比例繪制?？梢岳斫?，可在箔1000上以適當(dāng)間隔形成更多或更少的開口，以形成繞組904的空腔914。在另一實施方案中，可使用切割工具來在形成繞組904之后形成空腔914。
圖12是通過磁性線圈1200的垂直剖面，示出了分別在三個柱1204、1206和1208中具有多個間隙1214、1216和1218的磁芯1202以及箔式繞組1219。圖12是示意性的，并未按比例繪制。磁芯1202具有繞中心柱1206的繞組窗口1210和1212，它們?nèi)菁{銅箔繞組1219，如圖所示。銅箔繞組1219在環(huán)繞間隙1214、1216和1218的區(qū)域中去除了銅，如空腔1220、1222和1224所示，以避免或抑止將在磁性線圈1200中造成交流損耗的渦流。
磁性線圈1200的繞組窗1212具有寬度h。由于繞組窗口1212在各側(cè)都具有間隙1216和1218，因此空腔1222和1224的最佳寬度gf近似等于h/2。類似地，由于繞組窗口1210具有與繞組窗口1212相等的尺寸，因此空腔1220的最佳寬度同樣約為h/2。
圖13顯示了具有適合于形成圖12的繞組1219的開口1306、1308、1310、1312、1314、1316和1318的箔1300。圖13是示意性的，并未按比例繪制。箔1300(從端部1 302開始)被纏繞，從而使得開口1306形成空腔1222、開口1308、1312和1316位于彼此上方以形成空腔1220、以及開口1310、1314和1318位于彼此上方以形成空腔1224?？梢岳斫?，可在箔1300上以適當(dāng)間隔形成更多或更少的開口，以形成繞組1219的空腔1220、1222和1224。
通過在磁性線圈的磁芯中包含多個間隙以及在每個間隙附近的箔式繞組中形成空腔，可進(jìn)一步減小設(shè)計用于大交流電流的磁性線圈中的交流電阻。圖14示出了具有磁芯1402的磁性線圈1400，其中，磁芯1402具有六個間隙。具體而言，磁芯1402在左柱1404中具有兩個間隙1410、1412，在中心柱1406中具有兩個間隙1414、1416，在右柱1408中具有兩個間隙1418、1420。圖14是示意性的，并未按比例繪制。繞組1419包括位于間隙1410附近的空腔1422、位于間隙1412附近的空腔1423、位于間隙1414附近的空腔1424、位于間隙1416附近的空腔1425、位于間隙1418附近的空腔1426、以及位于間隙1420附近的空腔1427。
圖15顯示了適合于制造圖14的繞組1419的箔1500。圖15是示意性的，并未按比例繪制。箔1500(從端部1502開始)被纏繞以形成繞組1419。箔1500的開口1506和1508分別形成繞組1419的空腔1424和1425。開口1510、1514和1518形成空腔1422；開口1522、1526和1530形成空腔1423；開口1512、1516和1520形成空腔1426；而開口1524、1528和1532形成空腔1427?？梢岳斫猓_口1506至1532是示意性的，可在形成繞組1419之前在箔1500中形成更多或更少的開口。
可以理解，可使用其它構(gòu)造的箔開口來形成繞組的空腔，以用于具有不同數(shù)量的間隙的磁性線圈，或用于在不同位置具有間隙的磁性線圈。一個實施例是UU鐵心而不是EE鐵心(其中，U和E代表鐵心件形狀)，并在兩個柱中均具有間隙(線圈纏繞在每個柱上)，或者可僅在一個柱中具有間隙。在另一實施例中，可使用UI或EI鐵心(其中，U、I和E代表鐵心件形狀)，在I件和U件之間或I件和E件之間的接合處具有間隙，并且對應(yīng)地設(shè)置空腔。
注意，本發(fā)明對于包含一個或多個較大低頻交流分量和一個或多個較小高頻交流分量的電流波形也能正常發(fā)揮作用，只要低頻分量的頻率足夠低，以使得這些頻率處的電阻接近于繞組的直流電阻即可。
可在不背離本發(fā)明的范圍的前提下對以上方法和系統(tǒng)進(jìn)行改變。因此應(yīng)該理解，以上說明書中包含的或附圖中顯示的內(nèi)容應(yīng)被視為示意性而非限制性。所附的權(quán)利要求旨在覆蓋本文描述的一般的和特殊的特征，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的范圍在文字上的陳述應(yīng)由權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種減小磁性線圈中的交流損耗的方法，所述方法包括在磁芯中形成至少一個間隙，所述間隙以與所述磁芯的第一柱和第二柱所限定的軸線相垂直的對稱面為中心；形成箔式繞組，所述箔式繞組圍繞所述第一柱、所述第二柱和所述間隙，以限定出關(guān)于所述第一軸線基本對稱的開口，所述開口包括從所述第一柱和所述第二柱以向外的方向延伸的空腔；以及設(shè)置所述箔式繞組，使得所述空腔關(guān)于所述對稱面基本對稱，以減小所述交流損耗。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，所述形成箔式繞組的步驟包括由兩個或多個成形的箔片形成所述箔式繞組。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，所述形成箔式繞組的步驟包括由一個具有開口的箔片形成所述箔式繞組。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述磁芯形成繞組窗口，所述形成箔式繞組的步驟包括形成所述箔式繞組，以使得在所述間隙僅位于所述繞組窗口的一側(cè)時，所述空腔的最大寬度等于繞組窗口寬度的兩倍。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述磁芯形成繞組窗口，所述形成箔式繞組的步驟包括形成所述箔式繞組，以使得在所述間隙位于所述繞組窗口的兩側(cè)時，所述空腔的最大寬度等于繞組窗口寬度。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，所述形成箔式繞組的步驟包括將所述箔式繞組形成為具有至少一個半圓形空腔。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，所述形成箔式繞組的步驟包括將所述箔式繞組形成為具有至少一個V形空腔。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，所述形成箔式繞組的步驟包括將所述箔式繞組形成為具有至少一個近似半圓形的空腔。
9.具有減小的交流損耗的磁性線圈，所述磁性線圈包括磁芯，具有沿第一軸線朝向彼此延伸的第一柱和第二柱，在所述第一柱和第二柱之間限定出至少一個間隙，所述間隙以與所述第一軸線相垂直的對稱面為中心；以及箔式繞組，其圍繞所述第一柱、所述第二柱和所述間隙，以限定出關(guān)于所述第一軸線基本對稱的開口；所述開口包括從所述第一柱和所述第二柱以向外的方向延伸的至少一個空腔，所述空腔關(guān)于所述對稱面基本對稱。
10.如權(quán)利要求9所述的磁性線圈，其中，所述磁性線圈包括繞組窗口，其具有繞組窗口寬度；以及位于所述繞組窗口一側(cè)的一個或多個間隙；其中，各個空腔的最大寬度等于所述繞組窗口寬度的兩倍。
11.如權(quán)利要求9所述的磁性線圈，其中，所述磁性線圈包括繞組窗口，其具有繞組窗口寬度；以及位于所述繞組窗口兩側(cè)的多個間隙；其中，各個空腔的最大寬度等于所述繞組窗口寬度的一半。
12.如權(quán)利要求9所述的磁性線圈，其中，所述至少一個空腔包括半圓形。
13.如權(quán)利要求9所述的磁性線圈，其中，所述至少一個空腔包括V形。
14.一種構(gòu)造磁性線圈的繞組的方法，所述方法包括在磁芯中形成至少一個間隙，所述間隙以與所述磁芯的第一柱和第二柱所限定的軸線相垂直的對稱面為中心；在所述繞組中形成一個或多個空腔，其中，在與磁芯組合時，各個空腔位于所述間隙附近并關(guān)于所述對稱面基本對稱，以減小由所述間隙引起的交流損耗。
15.一種構(gòu)造磁性線圈的方法，所述方法包括形成磁芯，所述磁芯具有沿第一軸線朝向彼此延伸的第一柱和第二柱，在所述第一柱和所述第二柱之間限定出至少一個間隙，所述間隙以與所述第一軸線相垂直的對稱面為中心；形成繞組，所述繞組圍繞所述第一柱、所述第二柱和所述間隙，以限定出關(guān)于所述第一軸線基本對稱的開口，所述開口包括從所述第一柱和所述第二柱以向外的方向延伸的至少一個空腔，所述空腔關(guān)于所述對稱面基本對稱，以及使所述繞組與所述磁芯相結(jié)合，從而使得所述間隙位于所述空腔附近。
全文摘要
公開了一種能夠減小磁性線圈中的交流損耗的系統(tǒng)和方法，其中，所述磁性線圈的磁芯具有一個或多個間隙。將箔式繞組形成為具有一個或多個空腔，并將其設(shè)置在磁芯周圍，以使得空腔位于間隙附近。
文檔編號H01F41/06GK1938797SQ200580010166
公開日2007年3月28日 申請日期2005年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月29日
發(fā)明者查爾斯·羅杰·沙利文, 詹尼弗·潑洛克 申請人:達(dá)特默斯大學(xué)托管會