电感器磁心线圈装置及其制造方法 【发明领域】
本发明涉及一种电感器磁心线圈装置，其被用作电气和电子电路例如变换器、逆变器、噪声滤波器、谐振电路等电路中的磁元件。
【发明背景】
当前在电气和电子电路例如AC-DC和DC-DC变换器、逆变器、电子噪声滤波器、电子谐振电路等电路的电感元件中广泛使用两种类型的磁心。一种是没有物理间隙的环形磁心，而另一种则具有至少一个间隙。在两种情况下，铜绕组必须被绕在磁心上，从而形成磁电感器。当所需的铜线尺寸细时，铜绕组可以被自动地绕制并且可以购买到用于这种操作的设备。不过，由于这种操作的性质，这种设备需要一种类似于缝纫机那样的使用柔性线的线处理机构。当线的尺寸粗时，这种自动处理则变得困难，因而手动地绕制铜绕组便成为一种常规作法。因此，需要简化现有的绕制铜绕组的机构，使得在总体上提高绕组地生产率，并消除用于需要粗规格导线的元件所需的手工操作。
发明概述
按照本发明，提供一种磁心装置及其制造方法。磁心具有至少一个物理间隙，并且通过用电绝缘体涂覆具有间隙的磁心，或者通过用具有物理间隙绝缘壳覆盖所述具有间隙的磁心来形成一个绝缘的磁心装置，其中所述绝缘壳的物理间隙的尺寸接近于所述磁心间隙的尺寸。铜线穿过磁心或磁心装置的间隙，从而被绕制在所述磁心或磁心装置上。也可以通过围绕磁心或磁心装置的圆周的切线方向转动磁心或磁心装置进行铜线的绕制。为了改善有间隙的磁心的磁性能，引入一个非常规的间隙，其方向偏离环绕磁心的径向。具有非常规的间隙的改进了磁特性的磁心可以被容纳在常规的没有间隙的磁心壳中，并且在其上可以绕制铜绕组，以便将其作为电感器使用。在另一方面，铜绕组部分可以被单独地预制，然后把有间隙的磁心或磁心装置通过所述间隙插入预制的绕组中。在绕组绕制操作期间或绕制操作之后，所述磁心或磁心装置的间隙部分可以填充磁的或非磁的隔离物。本发明的磁心线圈组装方法比现有的方法简单得多，因而可以用全自动化或半自动化的方法来实现，从而以一致的操作来提高磁心线圈装置的生产率。
按照本发明的方法制造的磁心线圈装置特别适用于这些装置，例如，功率变换器、逆变器、电噪声滤波器、电谐振器和类似装置。
附图简要说明
通过参考本发明的下列详细说明和附图，可以更充分地理解本发明，并且更清楚地了解本发明的优点，其中：
图1表示本发明的一个磁心线圈装置；
图2表示图1的磁心线圈装置的磁心装置结构；
图3表示本发明的绕制铜绕组的方法，其中磁心装置是相对静止的；
图4表示本发明的绕制铜绕组的方法，其中磁心装置是转动的；
图5表示插入磁隔离物或非磁隔离物的过程；
图6表示所述隔离物由磁材料和绝缘体构成的情况；
图7示意地表示相对于不同的磁心结构，直流偏流与电感的函数关系；
图8示意地表示相对于不同的磁隔离物材料，直流偏流与电感的函数关系；
图9表示本发明的另一种磁心线圈装置；
图10表示图9所示的磁心线圈装置的磁心装置的物理结构；
图11表示图9的磁心线圈装置的预制的线圈结构；
图12表示使用预制的线圈制造图9所示的磁心线圈装置的过程；
图13表示图9的磁心线圈装置的铜线的截面是圆形时的情况；
图14表示图9的磁心线圈装置的铜线的截面是矩形时的情况；
图15表示图9的磁心线圈装置的铜线的截面是梯形时的情况；
图16表示现有技术的磁心线圈装置；
图17表示现有技术的磁心线圈装置；
图18表示现有技术的绕制铜线圈的方法；
图19表示本发明的磁心线圈装置在1kHz时直流偏流与电感函数关系，其中曲线A和B分别相应于图9和图1的磁心线圈装置，其具有1mm的间隙；
图20表示对于本发明的磁心线圈装置，在不同频率下作为磁感应的函数的磁心损失，其中曲线A和B分别相应于图9和图1的磁心线圈装置，其具有1mm的间隙。
发明详细说明
一种用于磁心线圈装置的比较简单的制造方法，通过自动加工改善了磁心线圈装置的性能及其生产力。图1表示本发明的磁心线圈装置。磁心1由具有宽度为G的间隙11a的磁心11，和被分为两个部分的分别具有间隙12a，13a的绝缘壳12和13构成，所述绝缘壳如图2所示。图3a-3d所示的步骤说明了在磁心装置1上绕制线圈的顺序。首先通过图3a的磁心装置1的间隙10插入铜线21，如图3b所示。在绕完第一匝之后，借助于通过间隙10移动所述导线进行相继匝的绕制，如图3c、3d所示，直到绕完预定的匝数。上述的操作可以获得本发明的图1所示的基本磁心线圈装置。还可以通过图4所示的方法进行磁心线圈的绕制，其中零件21是铜线，零件22是线轴。该工艺从把铜线21的一端21a固定到磁心装置上的一点开始，如图4a所示。通过围绕磁心周边的切线方向转动磁心装置完成线圈的绕制。这样，不需要转动线轴。这种操作可以获得图1所示的磁心线圈装置1。
在上述的过程中，当磁心涂覆有绝缘层，或者当铜线涂覆有足够的绝缘层时，可以不需要图2所示的绝缘壳12和13。和基于缝纫机原理的现有的线圈绕制方法相比，相应于图3和图4所示的方法简单得多，因而容易实现自动化。
当间隙部分10中需要隔离物3时，可以在线圈绕制期间或者在线圈绕制之后插入所述隔离物，如图5所示。在该图中，隔离物3是由非磁材料或者导电材料制成的，在这种情况下，在隔离物的表面上可以涂覆绝缘层。隔离物3可以由层叠的磁材料31构成，如图5b所示，或者由基于粉末的磁材料32制成的，如图5c所示。在这些情况下，有效气隙是G1+G2，如图6所示，其中只示出了隔离物31，标号33和34是非磁性的黏合剂。在隔离物被插入之后，则完成了图1所示的最终的磁心线圈装置1。
图7比较本发明的磁心线圈装置的电感的直流偏流特性。当一个用于控制的磁心线圈装置被用作具有相应于曲线C的特性的作为直流偏流的函数的电感的轭流线圈时，区域A和B分别相应于“有效的”和“无效的”直流偏置区域。此处的术语“有效”和“无效”指的是所述扼流圈分别作为有效的和无效的电感器工作。如果相对于控制磁心线圈装置减小图1中的间隙G，或者增加铜绕组的匝数，则作为直流偏流的函数的电感曲线移动到曲线C’。如果相对于控制磁心线圈装置增加间隙G或者减少铜绕组的匝数，则得到曲线C”。
如果图1中的磁心11具有图8所示的作为直流偏流的函数的电感特性C1，其中A1和B1分别相应于有效区域和无效区域，并且图5所示的磁心插入材料31或32具有偏流特性C2，则当把相应于C1的材料用于磁心11，并把相应于C2的材料用于图6中的隔离物31或32时，则得到合成的偏流特性C0。
按照本发明，还提供了用于制造磁心线圈装置的另一种方法。图9示出了所述磁心线圈装置的一个例子，其中零件6是宽度为G的隔离物，零件4磁心装置，零件5是具有两个引线53和54的铜绕组。图10是磁心装置4的顶视图，其中Z是环形磁心轴线的中心。这种磁心结构和图1-6所示的磁心结构的主要区别在于间隙40的位置，间隙40的中心距离Y轴(X＝0)为X＝ZQ-G/2，其中ZQ是Z和间隙的一端之间的距离，如图10所示。如图10所示，当ZQ＝ZR时，其中ZR是磁心装置的内径，则平面QT正切于磁心装置的内圆。图11表示预制的线圈50，其内径使得所述磁心装置可以插入所述线圈中。例如，图11中的距离H应当略大于图10所示的磁心装置的宽度W。图12a表示如何把预制的线圈50通过间隙40装入图10所示的磁心装置中。当把线圈50置于磁心装置4上时，可以在间隙40中插入隔离物6，如图12b所示，并且线圈的布置可以被调整，使得铜绕组在磁心装置上均匀分布，如图12c所示。在图11和图12中的线圈是矩形的，但是也可以采用圆柱形的，以便实现相同的目的。图9的隔离物6可以是磁材料制成的或非磁材料制成的，如图5所示。当隔离物6由导电材料制成时，其表面可以覆盖一层绝缘带或绝缘覆层。这样，上述的方法便可获得图9所示的具有引线53和54的磁心线圈装置。
上述的磁心线圈装置的优点包括能够单独地制造磁心装置和铜线圈，每种加工都是利用简单而廉价的设备全自动或半自动地进行。此外，由于在磁心的间隙区域的表面积的增加，图10的间隙宽度G可以大于与其具有相同的物理尺寸的图1的磁心的间隙宽度，并可以保持相同的总的有效导磁率。在另一方面，如果间隙尺寸不变，当采用图9的磁心线圈装置时，和图1的磁心线圈装置相比，有效导磁率增加、磁心损耗减小。图10的磁心结构的磁性能也可以在外磁心壳没有间隙的磁心线圈装置中实现，这对应于自动线圈绕制不成问题的情况。
本发明提供了一种用于为磁心自动绕制线圈的方法，按照本发明，图12a的预制的线圈50不仅可以利用具有图13b所示的圆形截面51的导线，此时得到的磁心线圈装置的顶视图如图13a所示，其中示出了间隙6、线圈5和磁心装置4，而且能够利用具有图14b所示的矩形截面55的导线，此时获得图14a所示的磁心线圈装置，还可以利用具有如图15b所示的梯形截面56的导线，此时得到图15a所示的磁心线圈装置。图15a所示的磁心线圈装置帮助增加铜导线的截面，这使得用于导电的总面积增加，这又可以减小磁心线圈装置的尺寸和绕组间的电容。此外，因为图15b所示的线圈截面的几何形状，使得图15a所示的线圈结构容易形成图12所示的预制线圈50。
为了示出本发明和现有技术之间的差别，提供了图16-18。图16 表示现有技术的磁心线圈装置，其中磁心装置7具有铜绕组8，所述绕组具有电引线83和84。图17表示具有间隙G的磁心71，和绝缘壳的两个半个部分72和73。图18a表示磁心装置7，其在环形磁心装置的中部具有孔70。图18b表示线圈绕制过程的开始，其中铜导线81的一端81a被穿入图18a所示的磁心装置的孔70中。接着按照图18c所示进行后续的铜绕组的绕制。在图18b、c中表示的铜绕组的绕制过程需要类似于缝纫机那样的机械加工。
例子
1、样品的准备
通过固结磁粉末或者在一个心轴上缠绕磁金属带制备磁心。在需要时，随后对磁心进行热处理，以便达到所需的磁性能。所述磁心利用研磨切割工具或者利用水射流切割，从而形成间隙。在每个磁心上装上铜绕组，以进行磁测量。
2、磁测量
利用市场上可得到的感应电桥测量磁心线圈装置的电感，并利用在IEEE Standard 393-1991中所述的方法测量磁心的磁心损耗。
3、磁心线圈装置的磁性能
对按照本发明的磁心线圈装置进行了评价。图19对于两种磁心线圈装置比较了在1kHz下测量的作为偏流的函数的电感，其中一种具有图9所示的结构，可以获得曲线A，另一种相应于图1的结构，可以获得曲线B。对于两种情况的磁心的尺寸是22mm×15mm×15mm，所述尺寸分别是外径，内径和磁心高度。对于两种情况，间隙G为1mm。磁心材料是铁粉末。图9的磁心结构比图1的磁心结构在较低的偏流下具有较高的电感，而在较高的偏流下其趋势相反。由图7所示的情况看来，这表示当采用图9的磁心装置的结构时，和图1所示的结构相比，间隙G可以增加而不影响作为偏流的函数的电感特性。增加的间隙尺寸使得图12所示的磁心线圈装置的加工容易进行。如果需要在较低的直流偏流区域获得较高的导磁率，可以比图1所示的结构更优先地采用图9所示的磁心线圈装置，而不用减小间隙尺寸。
对作为磁感应的函数的图19中的两种类型的磁心的磁心损失在不同的频率下进行测量，如图20所示。显然，相应于曲线A的图9的磁心结构的磁心损失在任何频率下比相应于曲线B的图1的磁心结构的磁心损失要低，而它们具有相同的间隙尺寸。
至此相当充分地说明了本发明，应当理解，并不需要严格地限制于这些细节，在由所附权利要求书限定的本发明范围内，本领域的技术人员可以对所述细节作出进一步的变型和改进。