[發(fā)明專利]使用各向同性復合磁性材料、具有高功率重量比的低頻功率變換器和功率電感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 00814907.0
• 申請日: 2000-09-14
• 公開（公告）號: CN1384968A
• 公開（公告）日: 2002-12-11
• 發(fā)明（設計）人: 菲利普·維亞魯熱;熱羅姆·克羅斯
• 申請（專利權）人: 塞萊姆電子技術公司
• 主分類號: H01F27/34
• 分類號: H01F27/34;H01F17/04;H01F27/255
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 王景林

發(fā)明領域

本說明提供了幾種變換器和電感器的結構，其中之一在圖1a和1b中示出，此結構使用磁芯10，該磁芯具有環(huán)繞一個主旋轉軸線11的圓柱對稱體(見圖1c)，磁芯具有繞組12，電感器盒內只有一個繞組，被封閉在磁芯10內。這些變換器和/或自耦變換器的初級繞組12，直接連接工作頻率在50Hz至1000Hz范圍的交流(AC)電源13(見圖12)。這些電源的使用功率在1伏安(VA)與10千伏安(kVA)之間。制造這些器件的磁芯10用的材料是用鐵粉和樹脂制成的各向同性軟磁復合材料。

所推薦的結構使器件的功率重量比最大。這些器件既可以單獨使用，也可以與使用二極管和/或可控硅和/或晶體三極管的整流器14結合使用以提供電源，此電源用于具有電子元器件線路的裝置。此器件還可用于構成分配變換器、隔離變換器和電感器，這些變換器和電感器具有低的外形或不具有低的外形。

發(fā)明背景

從19世紀末以來，迭片軟磁材料已經用于制造單相或多相變換器和電感器，將其使用在功率范圍寬(從1VA至幾kVA)的一般商用交流電源中(頻率從50Hz至1000Hz)。這些彼此隔離的迭片呈現一種令人感興趣的磁特性，這種磁特性具有高水平的飽和電感(接近1.8T)。迭片的隔離還允許磁損失最小，因為磁力線在迭片的平面內循環(huán)(磁力線只在二維空間內循環(huán))。于是磁芯的形狀因這一約束而采用并限制為環(huán)形和E、C或I-形(E形磁芯、C形磁芯或I形磁芯)以及這些拓樸結構的全部組合。

這些器件的裝配成本比較高，因為其制造過程需要許多步驟，包括迭片的成型、沖制、安裝與疊放、繞組的插入及其絕緣，安裝外部支承和端子板。這些變換器可以按標準尺寸供應市場以覆蓋廣的功率范圍。

使用迭片的缺點之一是，對于頻率值在50Hz至1000Hz(例如50、60或400Hz)常用范圍內的交流供電系統(tǒng)而言，會產生嚴重的可以聽見的噪聲，對此可參看授予Inokuti、Yukio等的美國專利No.259051“制造具有低噪聲和優(yōu)良形狀特性的低鐵損晶粒定向鋼的方法”。迭片之間的電氣絕緣也在很大程度上降低了迭片間的熱傳遞，熱的主要部分在迭片平面內循環(huán)，即只在二維空間循環(huán)。磁芯對于因繞組內銅損和磁芯內磁損所產生的熱向周圍環(huán)境的傳遞所起的作用因此是有限的。在使用迭片的這種結構中，繞組和迭片之間的溫升仍舊是變換器功率重量比的重要限制。

當發(fā)生飽和時，迭片所用磁性材料的導磁率變化是極為重要的。因此必須加大變換器和電感器的尺寸，以便在交流電源電壓變化的情況下避免飽和。當發(fā)生飽和時，磁化電流會以極大的比例增加，繞組會產生過大的熱。

象E形、C形、和I形磁芯這樣的傳統(tǒng)形狀，不能使變換器和電感器的功率體積比和功率重量比達到最大。在這些結構中還有嚴重的磁逸散場和泄漏磁通量，這些泄漏磁通量在器件的外部環(huán)境循環(huán)，而且，例如可對電氣和電子回路中感生寄生擾動。在必須消除變換器或電感器的逸散磁輻射的應用場合，通常使用環(huán)形磁芯(例如音頻放大器電源所用的變換器)，可參看由Wilkinson提出的美國專利No.3,668,589“低頻磁芯電感器結構”。但是這種磁芯繞組的繞制過程困難，而且這種變換器和電感器因繞組內銅損和磁芯中磁損所產生的熱向周圍環(huán)境的傳遞并不有效。

環(huán)繞一個主旋轉軸線呈對稱圓柱形且其繞組封閉其中這樣的磁芯，最適于制造變換器和電感器。在這種結構中，存在對銅體積的最佳利用和繞組之間的良好磁耦合。功率重量比和功率體積比最大。但是，不可能用迭片制造這種形狀的磁芯，因為環(huán)繞一個主旋轉軸線呈對稱圓柱形的磁芯將繞組封閉于其中，磁力線在三維空間循環(huán)。必須使用一種具有低電導率的各向同性軟磁材料。