使用各向同性复合磁性材料、具有高功率重量 比的低频功率变换器和功率电感器 【发明领域】
本说明提供了几种变换器和电感器的结构，其中之一在图1a和1b中示出，此结构使用磁芯10，该磁芯具有环绕一个主旋转轴线11的圆柱对称体(见图1c)，磁芯具有绕组12，电感器盒内只有一个绕组，被封闭在磁芯10内。这些变换器和/或自耦变换器的初级绕组12，直接连接工作频率在50Hz至1000Hz范围的交流(AC)电源13(见图12)。这些电源的使用功率在1伏安(VA)与10千伏安(kVA)之间。制造这些器件的磁芯10用的材料是用铁粉和树脂制成的各向同性软磁复合材料。
所推荐的结构使器件的功率重量比最大。这些器件既可以单独使用，也可以与使用二极管和/或可控硅和/或晶体三极管的整流器14结合使用以提供电源，此电源用于具有电子元器件线路的装置。此器件还可用于构成分配变换器、隔离变换器和电感器，这些变换器和电感器具有低的外形或不具有低的外形。
【发明背景】
从19世纪末以来，迭片软磁材料已经用于制造单相或多相变换器和电感器，将其使用在功率范围宽(从1VA至几kVA)的一般商用交流电源中(频率从50Hz至1000Hz)。这些彼此隔离的迭片呈现一种令人感兴趣的磁特性，这种磁特性具有高水平的饱和电感(接近1.8T)。迭片的隔离还允许磁损失最小，因为磁力线在迭片的平面内循环(磁力线只在二维空间内循环)。于是磁芯的形状因这一约束而采用并限制为环形和E、C或I-形(E形磁芯、C形磁芯或I形磁芯)以及这些拓朴结构的全部组合。
这些器件的装配成本比较高，因为其制造过程需要许多步骤，包括迭片地成型、冲制、安装与叠放、绕组的插入及其绝缘，安装外部支承和端子板。这些变换器可以按标准尺寸供应市场以覆盖广的功率范围。
使用迭片的缺点之一是，对于频率值在50Hz至1000Hz(例如50、60或400Hz)常用范围内的交流供电系统而言，会产生严重的可以听见的噪声，对此可参看授予Inokuti、Yukio等的美国专利No.259051“制造具有低噪声和优良形状特性的低铁损晶粒定向钢的方法”。迭片之间的电气绝缘也在很大程度上降低了迭片间的热传递，热的主要部分在迭片平面内循环，即只在二维空间循环。磁芯对于因绕组内铜损和磁芯内磁损所产生的热向周围环境的传递所起的作用因此是有限的。在使用迭片的这种结构中，绕组和迭片之间的温升仍旧是变换器功率重量比的重要限制。
当发生饱和时，迭片所用磁性材料的导磁率变化是极为重要的。因此必须加大变换器和电感器的尺寸，以便在交流电源电压变化的情况下避免饱和。当发生饱和时，磁化电流会以极大的比例增加，绕组会产生过大的热。
象E形、C形、和I形磁芯这样的传统形状，不能使变换器和电感器的功率体积比和功率重量比达到最大。在这些结构中还有严重的磁逸散场和泄漏磁通量，这些泄漏磁通量在器件的外部环境循环，而且，例如可对电气和电子回路中感生寄生扰动。在必须消除变换器或电感器的逸散磁辐射的应用场合，通常使用环形磁芯(例如音频放大器电源所用的变换器)，可参看由Wilkinson提出的美国专利No.3,668,589“低频磁芯电感器结构”。但是这种磁芯绕组的绕制过程困难，而且这种变换器和电感器因绕组内铜损和磁芯中磁损所产生的热向周围环境的传递并不有效。
环绕一个主旋转轴线呈对称圆柱形且其绕组封闭其中这样的磁芯，最适于制造变换器和电感器。在这种结构中，存在对铜体积的最佳利用和绕组之间的良好磁耦合。功率重量比和功率体积比最大。但是，不可能用迭片制造这种形状的磁芯，因为环绕一个主旋转轴线呈对称圆柱形的磁芯将绕组封闭于其中，磁力线在三维空间循环。必须使用一种具有低电导率的各向同性软磁材料。
从30年代以来，具有圆柱对称体形状的磁芯(例如筒形磁芯)已经用具有低电导率铁素体类的各向同性烧结软磁材料制成，此类磁芯用于高频电源(频率从20kHz至300kHz)，可参见授予Pollock等人的美国专利No.4,602,957“磁粉压制品”。这些材料的磁学特性和热学特性是各向同性的，因此其磁损失在高达500kHz至几MHz的广阔的频率范围都最小，对此可参见授予Rich III等人的美国专利No.4,507,640“高频变换器”。几家销售商例如Philips、Siemens等已经提供范围广、具有不同形状的标准尺寸的铁素体磁芯，这些磁芯具有C、E和I型、环型、ETD磁芯和筒型磁芯，以制造高频变换器和电感器。但是，在低频领域，变换器和电感器的功率重量比还是正比于软磁材料的饱和感应值。铁素体材料的饱和感应值较低，接近0.4T，这就限制了这种材料在从50Hz至1000Hz例如50Hz、60Hz和400Hz这样传统交流电源系统的低频领域内应用。铁素体材料于是被限制在高频领域应用。由于是烧结的，铁素体材料还是脆，其所能制造磁芯的尺寸和形状因此也是有限的。例如，由于这些材料的脆性，在其成型过程中不可能在磁芯上直接压制出冷却翼片。
其它种类的磁性材料已经推荐用于制造低频或高频用的筒型磁芯变换器，正如在授予Soileau等人的美国专利No.4,601,765和授予Lupinski的美国专利No.4,201,837所公开的那样。通常，烧结材料生产成本高，且所推荐的磁芯的外表面不具有冷却翼片以使其功率重量比最大。
几种新的软磁复合物近来已经在粉末冶金领域开发出来，(例如Quebec Metal Powders Inc的ATOMET EM-1，参见由I.C.Gélinas、L.P.Lefebvre、S.Pelletier、P.Viarouge提出的论文“汽车用铁-树脂复合物性质的温度效应”，该论文是美国汽车工程师学会(SAE)的技术论文970421(7页)，是工程师协会向1997年2月24-27日在DetroitMichigan举行的“Advancing Mobility Land Sea Air and Space”国际会议提交的)。在这种各向同性软磁材料中，铁薄片被树脂覆盖层彼此隔离。这些材料需要一个冲压过程和一种低温热处理。于是其生产成本得以降低。这些材料更适于需要大量生产的应用领域，尽管这些材料每一公斤的制造成本仍然高于每一公斤迭片的成本(接近高两倍)。
通过使用模制技术，可以在单个工序制成复杂形状的磁芯。还可以用传统工具加工软磁复合材料，尽管象软磁铁素体这样的粉末冶金材料只能用金刚石磨轮校正。
软磁复合材料在从50Hz至1000Hz的低频应用领域中的使用仍旧没有得到发展，这是由于这些材料的导磁率比迭片的导磁率低。(软磁复合材料的相对导磁率接近200，而传统等级迭片的相对导磁率为1500)。
在频率为50Hz和60Hz时，软磁复合材料中的磁损失高于软磁迭片材料的磁损失。(软磁复合材料在1.2T时接近5至15W/kg，而软磁迭片材料为2W/kg)。但是在频率为400Hz时，某些软磁复合材料的磁损失可以比上述作为参考的技术论文中所见的磁损失低两倍。
发明的公开
我们已经发现，尽管初看起来软磁复合材料并不表现出制造变换器所感兴趣的磁特性(相对导磁率在1.2T时接近120)，用各向同性软磁复合材料制成具有环绕一个主旋转轴线的对称圆柱形结构的磁芯，与用迭片制成的传统磁芯的变换器相比，可用于提高变换器的功率重量比和功率体积比。
如果具有环绕一个主旋转轴线呈对称圆柱形结构的磁芯的绕组是封闭于磁芯中，且该磁芯设有与其制成一体的冷却翼片，该冷却翼片也用与磁芯材料相同的软磁复合材料制成的，就可能提高功率重量比，因为磁芯和变换器因铜损与磁损所产生热向周围发散的外表面增大了。在本发明中，我们推荐将这些冷却翼片用磁芯自身的软磁复合材料直接在磁芯上制成，因为这种材料的机械特性允许在压力加工过程中这样制造。冷却翼片不需要任何其它制造步骤，因为冷却翼片与磁芯自身都是直接压力加工而成。不过，冷却翼片也可以在磁芯压力加工成之后，用机械精加工(机械加工)磁芯而获得。这种冷却翼片与可以安装在磁芯上的铝质冷却翼片比较，具有更好的热传递效率。因为在磁芯结构与冷却翼片之间没有接触热阻。
需要指出，软磁复合材料的导热率类似于铁的导热率。但是，软磁复合材料的热特性也是各向同性的，在三维方向的导热率具有相同数值。因此绕组相对于周围环境的温升仍旧低，于是就可能实现这样的设计，这种设计进一步减少器件的总质量。如果冷却翼片适当地设置成指向磁力线循环的方向，磁力线还可以在作为磁芯一部分的冷却翼片中循环。于是冷却翼片是磁激活的，可进一步减小所需要材料的总量。这个优点对于制造高达10kVA的单相变换器特别重要。
不存在可以听见的噪声也是交流应用中所用磁芯的一个重要优点，这种磁芯可以用软磁复合材料实现。外逸散磁场的消失也是交流系统所用具有对称圆柱形磁芯的又一个重要优点。
发明概述
根据本发明的主要方面，提供了一种变换器，此变换器用于频率从50Hz至1000Hz的低频应用领域。这种变换器包括具有环绕一个主旋转轴线呈对称圆柱形的磁芯。磁芯用包含铁和树脂的各向同性软磁复合材料制成。绕组被封闭在磁芯内，环绕磁芯的中央柱设置，并与磁芯磁耦合。磁芯由磁芯分部组成。
根据本发明又一主要方面，提供了一种电感器，此电感器用于从直流至1000Hz的低频应用领域。这种电感器包括具有环绕一个主旋转轴线呈对称圆柱形形状的磁芯。磁芯用包含铁和树脂的各向同性软磁复合材料制成。一个绕组被封闭在磁芯内，环绕磁芯的中央柱设置，并与磁芯磁耦合。磁芯由磁芯分部组成。
附图简介
本发明的推荐实施例将结合附图进行说明，其中，
图1a是根据本发明制造的磁芯的一个分部，该磁芯分部具有环绕一个主旋转轴线的对称圆柱形，绕组窗和磁芯的横截面为圆形；
图1b是图1a的侧视图；
图1c是两个如图1a和1b所示的磁芯分部装配体的侧视图；
图2a是电感器所用磁回路的侧视图，该图示出了在磁芯两个分部之间的气隙；
图2b是另一个侧视图，该图示出了在磁芯中心部的气隙；
图3a是沿图3b中A-A’线所示方向观察的顶视图，该图示出了磁芯具有环绕一个主旋转轴线的对称圆柱形，绕组窗和磁芯的横截面为圆形；
图3b是沿图3a中剖切线B-B所示方向观察的剖视图；
图4a是沿图4b中A-A线所示方向观察的磁芯的顶视图，该图示出了磁芯具有环绕一个主旋转轴线的对称圆柱形，绕组窗和磁芯的横截面为具有圆角的矩形；
图4b是沿图4a中剖切线B-B所示方向观察的剖视图；
图5a是沿图5b中A-A线所示方向观察的磁芯的顶视图，该图示出了磁芯具有环绕一个主旋转轴线的对称圆柱形，绕组窗和磁芯的横截面为矩形；
图5b是沿图5a中剖切线B-B所示方向观察的剖视图；
图6a是沿图6b中A-A线所示方向观察的磁芯的顶视图，该图示出了磁芯具有环绕一个主旋转轴线的对称圆柱形，磁芯的横截面外轮廓为矩形而绕组窗的横截面为梯形；
图6b是沿图6a中剖切线B-B所示方向观察的剖视图；
图7a是沿图7b中A-A线所示方向观察的磁芯的顶视图，该图示出了磁芯具有环绕一个主旋转轴线的对称圆柱形，磁芯的横截面外轮廓为梯形而绕组窗的横截面为矩形；
图7b是沿图7a中剖切线B-B所示方向观察的剖视图；
图8a和图8b分别是图1c所示根据本发明设计制造的磁芯的侧视图和顶视图，不过磁芯设有冷却翼片；
图9a和图9b分别是图4b所示根据本发明实施例制造的磁芯的侧视图和顶视图，不过具有环绕磁芯设置的冷却翼片；
图10a和图10b分别是图5b所示根据本发明实施例制造的磁芯的侧视图和顶视图，不过具有相对于磁芯侧壁延伸的冷却翼片；
图11a是沿图11b中A-A线所示方向观察的磁芯的顶视剖视图，该图示出了在磁芯的每一个分部制出一个槽；
图11b是图11a的侧视图；
图11c是沿图11b中A-A线所示方向观察的磁芯的又一个顶视剖视图，该图示出了在磁芯的每一个分部制出数个槽，用于减小磁芯中的涡旋电流的环流；
图11d是图11c的侧视图；和
图12是框图，该框图示出了具有一个或几个次级绕组的变换器与整流器回路连接的应用例子，用于作为电子元器件的直流电源。
对推荐实施例的说明
本说明介绍几种变换器和电感器的结构，其中之一在图1a和1b中示出，该结构使用一种磁芯10，此磁芯具有环绕主旋转轴线11的对称圆柱形(见图1c)，绕组12中只有一个绕组在电感器壳内，绕组封闭在磁芯10内。这些变换器和/或自耦变换器的初级绕组，直接连接至工作频率在50Hz至1000Hz范围的交流电源13(见图12)。这些应用的电源功率在1VA至10kVA的范围。制造这些器件的磁芯10所用各向同性软磁复合材料，是由铁粉和树脂制成。
所推荐的结构使器件的功率重量比最大。这些器件可以单独使用，或与使用二极管和/或可控硅和/或晶体三极管的整流器14结合使用，以提供电源，该电源用于具有电子元器件线路的装置。此器件还可用于构成分配变换器、隔离变换器和电感器，这些变换器和电感器具有低的外轮廓或不具有低的外轮廓。磁芯10是用铁和树脂组成的各向同性软磁复合材料经过加工或压力加工工艺过程制成。
用所介绍的技术方案，可以制造出比使用迭片的变换器和电感器的传统结构的功率重量比更高的变换器15和电感器16(见图12)。
参看图1a至4b可见本发明所推荐结构的形状，是绕一个主旋转轴线11的圆柱对称体(见图1c)；一个或多个绕组12、12’封闭在磁芯10内。在圆柱体对称平面(通过旋转轴线的平面)内，绕组窗16和磁芯10的横截面可以是矩形(图5b)、圆形(图3b)或椭圆形(图4b)。具有这种设置，由于磁芯10的屏蔽效应，可以在绕组12之间获得良好的耦合，使外部散逸磁场最小。由于使用软磁复合材料，还消除了可以听见的噪声。
磁芯10是由两个相同的部分即分部10’和10”构成以简化制造，绕组12和12’绕磁芯的中央柱17设置。一个或两个小直径孔18可在磁芯10两个分部的底面或一侧制出，以将一个内绕组或多于一个内绕组的输出导线与变换器或电感器的外输出端子(未示出)连接。
电感器的磁芯10可以具有气隙19，此气隙可以通过将其两个分部10’ 和10”(图2a)分离实现，或通过使用具有不同长度的中央柱和外壳实现(图2b)。在此情况下，较好的做法是在中央柱17上制出气隙19’使外逸散磁场最小。还可以增大中央气隙以取消中央柱。
绕组窗16横截面的形状，与磁芯在圆柱体对称平面内，即在通过旋转轴线11的平面内的形状可以不同。
具有如图1a至1c所示圆形横截面，可以使磁性材料的总量最小，并可以减小铁损，因为磁力线的重新分布是均匀的，而且没有象在图5a和图5b中所示矩形横截面绕组窗结构的角部存在局部饱和的现象。
也可以使用椭圆形横截面或如图4b所示具有圆角部的矩形横截面。这种磁芯结构比图5a和5b所示结构更适于软磁复合材料的压力加工工艺过程，而却存在相同的优点。
还可以使用如图6b所示的磁芯，绕组窗的横截面为梯形，其外轮廓的横截面20是矩形，或者如图7b所示，绕组窗16的横截面是矩形，磁芯横截面的外轮廓21是梯形。这些磁芯结构所用磁性材料的总量最小，但不如图1a至1c所示结构那样完善。
图1a至7b所推荐的全部磁芯10，可以制成具有不同的形状因子(磁芯高度与其外直径的比值)以适应特定的应用约束条件。低轮廓的变换器和电感器可以容易地以低成本制造，因为使用了软磁铁-树脂复合材料。例如，低轮廓的电感器和变换器，良好地适于在这样的电子卡上使用，这种电子卡正如美国专利5,175,525中所讨论的那样设置在框架内，其中，卡之间的间距有限。
参看图8a至10b，为了优化变换器或电感器的热传递和使其功率重量比最大，最好在磁芯10上增设冷却翼片22。在本发明中所介绍的技术方案中，包括使用软磁材料本身在器件的外表面23直接制出冷却翼片22。这些冷却翼片22与磁芯10的结构制成一体，因此可以在压力加工工艺过程中在同一工序中完成。软磁复合材料的热传导率高，从绕组12或绕组12、12’和磁芯10至周围环境的热传递是有效的。还可以最大限度地利用冷却翼片的磁性材料，以使磁力线在其中循环。用这样的设置，软磁材料的用量进一步减少。在这种情况下，冷却翼片22必须指向磁力线循环的方向。冷却翼片22可以在磁芯10的整个外表面上制出，或者如图10a和10b所示只在此外表面的一部分上制出。在图示水平面23’上没有设置冷却翼片，但也可以将冷却翼片设置在这些表面23’上。需要指出，在本发明所介绍的结构中，冷却翼片的最优方向总是在圆柱体对称平面内，即在通过旋转轴线11的平面内。使用这种冷却翼片22允许进一步改善功率重量比，该比值与器件功率成正比。
现在参看图11a至11d，需要指出，当所用软磁复合材料的导电率较高时，需要制出一个或几个宽度小的槽24，以减小在磁芯内涡流的循环，并减少磁损失。需要指出，槽24的平面25必须是圆柱体对称平面，即通过旋转轴线11的平面。
具有三个柱的传统三相变换器和电感器用E形磁芯制成。在对应于三相电源每一相的每一个柱上有一个或几个绕组。具有三个柱的结构，各相绕组都是磁耦合的。三相变换器和电感器可以用本发明所述结构的三个不同磁芯(每一相一个磁芯)来实现。利用这种设置，如果磁芯被气隙彼此分隔，各相绕组可以被磁隔离，如果磁芯彼此直接安装在一起，则可以磁耦合。还可以将各个磁芯设置成具有120度的空间相位移，以获得各相绕组的对称耦合。
具有分布式气隙的单相电感器可以通过将几个磁芯叠放而制成，该磁芯形状如图2a或2b所示，具有小宽度的气隙19和19’。由于每一个磁芯10具有小气隙19，在接近气隙19的绕组区16内因邻近效应(proximity effect)而产生的铜损(copper losses)减小。
变换器根据本发明和软磁复合材料实现，如图12所示，该软磁复合材料与使用二极管14’和/或可控硅和/或晶体三极管的一个或几个整流器14结合使用，此时，交流电源电流谐波的注频(injection)满足IEC-555-2标准的要求，因为磁化电流的谐波组成及其幅值较小。
在此所述推荐实施例的任何明显的更改，均不超出本发明的范围，所提出的这种更改均在所提权利要求的范围内。