專(zhuān)利名稱(chēng)：可變電感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可變電感器及改變感應(yīng)電路元件的感應(yīng)系數(shù)的方法。具體地，涉及這樣一種可變電感器，其中，感應(yīng)電路元件的感應(yīng)系數(shù)是利用一個(gè)電信號(hào)改變的。
可以應(yīng)用磁性材料的飽和效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生如

圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)中的電流控制可變電感器。這種類(lèi)型的可變電感器通常具有一個(gè)有限的1-10的變化范圍，并且具有穿過(guò)每個(gè)串聯(lián)控制線圈的電容和電壓的寄生效應(yīng)，串聯(lián)控制線圈限制了電感器的質(zhì)量系數(shù)。另外，現(xiàn)有技術(shù)中的這些電流控制可變電感器通常需要0到500mA范圍內(nèi)的非常高的控制電流。圖1示出上述現(xiàn)有技術(shù)中的電流控制可變電感器，其中中央線圈14的感應(yīng)系數(shù)L14由輸出給外控制線圈12和13的電流Ic控制。
更具體地，圖1示出一磁鐵芯11，該磁鐵芯由能被飽和的磁性材料組成，并帶有三個(gè)鐵芯柱15，16和17。外鐵芯柱15和17具有相同的線圈12和13并以所示的串聯(lián)方式相連接?？刂凭€圈12和13以這樣的方式纏繞和連接，即磁鐵芯的單個(gè)鐵芯柱15和17的由控制電流Ic通過(guò)外線圈12和13引起的磁通量φc是相等的并指向相反的方向。相反的磁通量φ導(dǎo)致在中央鐵芯柱16的磁通量的抵消。磁通量的抵消防止了在中央線圈14和串聯(lián)控制線圈12和13之間的交流信號(hào)耦合。如果通過(guò)中央線圈14的終端施加一交流電壓，那么在串聯(lián)線圈12和13中將感應(yīng)出電壓，而電壓卻是相反極性，這樣通過(guò)控制線圈12和13的串聯(lián)連接的電壓將保留為零。中央線圈14的磁通路徑包括外鐵芯柱15和17，中央鐵芯柱16和連接部分18-21。如果通過(guò)線圈12和13的控制電流Ic變得足夠大到可以飽和磁鐵芯的鐵芯柱15和17，由于中央線圈14的磁通路徑被飽和而使其感應(yīng)系數(shù)L14減小?？刂齐娏鱅c越高，感應(yīng)系數(shù)L14越低。但是，中央鐵芯柱16并不會(huì)由于控制電流Ic而飽和。
感應(yīng)電路元件的感應(yīng)系數(shù)與磁鐵芯的磁導(dǎo)率和匝數(shù)有關(guān) 其中L是感應(yīng)電路元件的感應(yīng)系數(shù)；μ0是磁鐵芯的磁導(dǎo)率；A是磁鐵芯的橫截面積；N是感應(yīng)元件的匝數(shù)；l是電感元件的長(zhǎng)度。
根據(jù)公式1，由于中央鐵芯柱沒(méi)有飽和，最小感應(yīng)系數(shù)L14是由中央鐵芯柱16的鐵芯材料的磁導(dǎo)率及其匝數(shù)來(lái)限定的。圖1現(xiàn)有技術(shù)的電路的另一個(gè)不想要的副效應(yīng)是串聯(lián)控制線圈12和13的每個(gè)感應(yīng)系數(shù)明顯地隨著控制電流Ic的改變而改變。實(shí)際上，控制線圈12和13的感應(yīng)系數(shù)變化比中央線圈14的感應(yīng)系數(shù)變化大得多。這種情況在現(xiàn)有技術(shù)的可變電感器為調(diào)節(jié)回路的部分時(shí)就設(shè)立了明顯的限制。圖1中現(xiàn)有技術(shù)的電路電感器具有有限的變化范圍或需要0-500mA的非常高的控制電流。而且，通過(guò)每一控制線圈12和13的電壓和控制線圈12和13的寄生電容限定了線圈比和/或操作頻率。控制線圈12和13的感應(yīng)系數(shù)明顯地隨著控制電流Ic而變化。
U.K.專(zhuān)利715,610公開(kāi)了具有飽和磁鐵芯的可變電感元件。圖2A和2B示出U.K.715,610的可變電感器。圖2A的可變電感器在一個(gè)三鐵芯柱式磁鐵芯的外鐵芯柱上具有串聯(lián)線圈，因此與上述圖1中的一樣。圖2B示出在一個(gè)三鐵芯柱式磁鐵芯的外鐵芯柱上的并聯(lián)線圈和在中央鐵芯柱上的控制線圈。在‘610U.K.專(zhuān)利中并沒(méi)有教授在可變電感器中相對(duì)于外鐵芯柱的磁橫截面來(lái)設(shè)定中央鐵芯柱的磁橫截面從而外磁鐵柱和中央磁鐵柱具有大致同等水平的飽和以便為獲得隨控制線圈電流變化的控制線圈的一基本恒定的感應(yīng)系數(shù)。而且，在‘610U.K.專(zhuān)利也沒(méi)有教授將一三鐵芯柱式磁鐵芯的連接鐵芯柱的部分從中央鐵芯柱的橫截面向外鐵芯柱的橫截面逐漸減小以為獲取一給定控制電流下的感應(yīng)系數(shù)的最大變化范圍。而且，‘610U.K.專(zhuān)利教授了使用額外的物體或薄條給上面圖2A所示的三鐵芯柱可變電感器的中央鐵芯柱增加截面面積。‘610U.K.專(zhuān)利的圖7示出上述圖2A三鐵芯柱磁放大器的透視圖，其中額外增加地橫截面積為a×e。如果不能獲取保持控制線圈的大致恒定的感應(yīng)系數(shù)將很難實(shí)現(xiàn)上述目的。
已知的磁放大器具有三鐵芯柱式磁鐵芯，在外鐵芯柱的并聯(lián)線圈和在中央鐵芯柱的單獨(dú)線圈。Whiteley的美國(guó)專(zhuān)利No.2,229,952公開(kāi)了該類(lèi)型的磁放大器實(shí)施例。但是，磁放大器比起可變電感器是根據(jù)不同的原理進(jìn)行操作，并且具有不同的輸入和輸出。例如，在上述提到的Whiteley的磁放大器中，圍繞中央鐵芯柱的控制線圈中的電流偏置了鐵芯磁化并且不能飽和鐵芯。鐵芯由于二極管5的作用被發(fā)生器4產(chǎn)生的交流信號(hào)飽和，一次只有一個(gè)外鐵芯柱被飽和。每個(gè)外鐵芯柱在不同時(shí)間飽和。每個(gè)外鐵芯柱交替飽和，即交流信號(hào)的每個(gè)周期中，飽和然后不飽和。通過(guò)控制線圈2的電流決定了在磁鐵芯被飽和期間的半周期的部分。平均直流電壓輸出與通過(guò)控制線圈2的電流量有關(guān)。根據(jù)控制線圈2中的控制電流操作磁放大器來(lái)控制直流輸出電壓。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種電流可控并具有有限控制電流的可變電感器。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供電流可控且不產(chǎn)生寄生效應(yīng)的可變電感器。
本發(fā)明附加的一個(gè)目的是提供一個(gè)電流控制可變電感器，其中具有變化的感應(yīng)系數(shù)的電路元件磁鐵芯能飽和。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種電流可控制的可變電感器，其中具有變化的感應(yīng)系數(shù)的電路元件的最小感應(yīng)系數(shù)并不受鐵芯材料磁導(dǎo)率的限制。
本發(fā)明的又一目的是提供一種去除了在磁鐵芯橫截面積階梯(steps)的電流控制可變電感器。
本發(fā)明的又一目的是提供一種電流控制可變電感器，其中具有可變感應(yīng)系數(shù)的電路元件的最小感應(yīng)系數(shù)比現(xiàn)有技術(shù)中允許的最小值要小。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種可變電感器，其中，控制線圈的電容不限制線圈比。
另外，本發(fā)明的目的是提供一種電流控制可變電感器，其中通過(guò)控制線圈的電壓并不限制操作頻率。
本發(fā)明第一實(shí)施例的又一目的是提供一種電流控制可變電感器，其中控制線圈的感應(yīng)系數(shù)隨著控制線圈中電流的改變基本恒定。
通過(guò)提供根據(jù)第一實(shí)施例的可變電感器來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，第一實(shí)施例的電感器包括由飽和磁性材料制成的一鐵芯，鐵芯具有三個(gè)鐵芯柱，鐵芯柱包括一中央鐵芯柱和兩個(gè)外鐵芯柱；在中央鐵芯柱的控制線圈與每個(gè)外鐵芯柱上的并聯(lián)連接的控制線圈，其方式使得在中央鐵芯柱中由通過(guò)外鐵芯柱上線圈中電流產(chǎn)生的磁通量相互抵消；其中通過(guò)控制線圈的電流通過(guò)改變外鐵芯柱的飽和度引起通過(guò)外鐵芯柱線圈的感應(yīng)系數(shù)的變化，控制線圈的感應(yīng)系數(shù)隨著控制線圈中電流的改變基本恒定；中央鐵芯柱的磁截面相對(duì)于外鐵芯柱的磁截面使得二者具有大致相等的飽和度。
在最佳實(shí)施例中，中央鐵芯柱的磁截面與外鐵芯柱的磁截面的總和相等或比其稍大一點(diǎn)。另外，在最佳實(shí)施例中，連接三個(gè)鐵芯柱的鐵芯部分從中央鐵芯柱的磁截面到外鐵芯柱的磁截面逐漸變細(xì)。而且，在一個(gè)最佳實(shí)施例中，中央鐵芯柱是由一個(gè)單個(gè)的磁性元件形成，在另一個(gè)最佳實(shí)施例中，連接鐵芯柱的部分和鐵芯柱可以為圓形磁截面。
還公開(kāi)了一種根據(jù)控制電流來(lái)改變感應(yīng)電路元件的感應(yīng)系數(shù)的方法，包括a)獲取一個(gè)由飽和磁性材料制成的三鐵芯柱磁鐵芯，中央鐵芯柱的磁截面相對(duì)于兩個(gè)外鐵芯柱的磁截面設(shè)置成二者在以下步驟d)中具有大致相等的飽和度；b)纏繞外鐵芯柱上的并聯(lián)連接線圈使得在中央鐵芯柱中由通過(guò)并聯(lián)線圈的電流引起的磁通量相互抵消；c)纏繞中央鐵芯柱的控制線圈；d)變化控制線圈中控制電流以改變外鐵芯柱的飽和度進(jìn)而改變每個(gè)并聯(lián)線圈的感應(yīng)系數(shù)；在中央鐵芯柱的控制線圈的感應(yīng)系數(shù)隨著控制線圈中控制電流的變化基本上保持恒定。本發(fā)明第二實(shí)施例的另一個(gè)目的是提供一種用最小控制電流獲取最大變化范圍感應(yīng)系數(shù)的電流控制可變電感器，這是通過(guò)將連接三個(gè)鐵芯柱的鐵芯部分的截面從中央鐵芯柱到外鐵芯柱的截面逐漸變細(xì)為使將中央鐵柱芯中的磁力線全部導(dǎo)入外鐵柱芯。
通過(guò)提供如下可變電感器可以實(shí)現(xiàn)上述目的該可變電感器包括一個(gè)由飽和磁性材料制成的鐵芯，所述鐵芯具有三個(gè)鐵芯柱，包括一個(gè)中央鐵芯柱和兩個(gè)外鐵芯柱；在中央鐵芯柱上有一個(gè)控制線圈，在每個(gè)外鐵芯柱上各有一線圈，兩者并聯(lián)連接，以這樣的方式使得在中央鐵芯柱中，由通過(guò)外鐵芯柱上線圈的電流引起的磁通量相互抵消；其中通過(guò)中央鐵芯柱上控制線圈的電流引起橫穿過(guò)外鐵芯柱上線圈的變化的感應(yīng)系數(shù)；中央鐵芯柱的磁截面相對(duì)于外鐵芯柱的磁截面設(shè)置成外鐵芯柱被飽和，中央鐵芯柱不被飽和，連接三個(gè)鐵芯柱的鐵芯部分從中央鐵芯柱的截面向外鐵芯柱的截面逐漸變細(xì)。
同樣也提出根據(jù)控制電流來(lái)改變一個(gè)感應(yīng)電路元件的感應(yīng)系數(shù)的第二種方法，該方法包括a)獲得一個(gè)由飽和磁性材料制成的三鐵芯柱式鐵芯，鐵芯的中央鐵芯柱的磁截面相對(duì)于兩個(gè)外鐵芯柱的磁截面設(shè)置成外鐵芯柱被飽和，中央鐵芯柱不被飽和，連接三鐵芯柱的鐵芯部分從中央鐵芯柱的截面向外鐵芯柱的截面逐漸變細(xì)；b)在三鐵芯柱式鐵芯的外鐵芯柱上纏繞并聯(lián)線圈，纏繞方式使得在中央鐵芯柱中由通過(guò)并聯(lián)線圈的電流產(chǎn)生的磁通量相互抵消；c)在中央鐵芯柱上纏繞一個(gè)控制線圈；d)改變控制線圈中的控制電流以使外鐵芯柱飽和進(jìn)而改變每個(gè)并聯(lián)線圈的感應(yīng)系數(shù)；e)改變控制電流使外鐵芯柱飽和同時(shí)使中央鐵芯柱不飽和。
從下面的最佳實(shí)施例中，結(jié)合附圖和權(quán)利要求會(huì)更容易地理解本發(fā)明的上述和其它的目的，特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。
最佳實(shí)施例的描述參照?qǐng)D3，圖中示出本發(fā)明的可變電感器。
本發(fā)明的可變電感器40包括一個(gè)由飽和磁性材料制成的鐵芯41。鐵芯41具有三個(gè)鐵芯柱42、43和44。鐵芯柱43是中央鐵芯柱，鐵芯柱42和44是外鐵芯柱。中央鐵芯柱43是一單個(gè)磁性元件。換句話說(shuō)，在沿著操作中控制電流Ic感應(yīng)的的鐵芯柱的長(zhǎng)度上并垂直于磁通量φ的流動(dòng)方向切割的整個(gè)截面上，中央鐵芯柱43是磁性材料制成的一單個(gè)元件。圍繞著中央鐵芯柱43纏繞一個(gè)控制線圈45，分別圍繞外鐵芯柱42和44纏繞相同的外線圈46和47。外線圈46和47穿過(guò)交流信號(hào)源并聯(lián)連接起來(lái)，其纏繞方式使得在圖示的中央鐵芯柱43中由通過(guò)外線圈46和47的電流感應(yīng)出的磁通量φc相互抵消。
直流控制電流Ic輸入控制線圈45中?？刂齐娏鱅c的變化會(huì)引起穿過(guò)外線圈46和47的感應(yīng)系數(shù)L46和L47的變化。然而，在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，控制線圈45的感應(yīng)系數(shù)L45隨著其控制電流Ic的變化基本保持恒定。
在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，中央鐵芯柱43的磁截面相對(duì)于外鐵芯柱42和44的磁截面設(shè)置成外鐵芯柱(42，44)和中央鐵芯柱(43)具有大致相等的飽和度。在第一實(shí)施例的最佳方案中，通過(guò)使中央鐵芯柱43的磁截面等于或略大于外鐵芯柱42和44的磁截面總和來(lái)實(shí)現(xiàn)大致相等的飽和度。中央鐵芯柱43的磁截面可以略大于外鐵芯柱42和44的磁截面總和，但是磁截面的差別必須足夠小到中央鐵芯柱43和外鐵芯柱42和44具有大致相等的飽和度。這樣，如果中央鐵芯柱約80％飽和，外鐵芯柱必須也有約80％飽和。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，中央鐵芯柱43的磁截面相對(duì)于外鐵芯柱42和44的磁截面設(shè)成外鐵芯柱42和44飽和，而中央鐵芯柱43不飽和，連接三個(gè)鐵芯柱的鐵芯部分48-51形成如下方式以便鐵芯的連接部分48-51從中央鐵芯柱43的截面到外鐵芯柱42和44的截面逐漸變細(xì)，如圖4B的進(jìn)一步描述。在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，感應(yīng)系數(shù)L45隨著控制線圈45中控到電流Ic的變化不會(huì)保持恒定。
在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，外鐵芯柱42和44與中央鐵芯柱43具有大致相等的飽和度，而且控制線圈L45的感應(yīng)系數(shù)隨著控制線圈45中控制電流Ic的變化基本恒定，通過(guò)使連接三鐵芯柱的鐵芯連接部分48-51的截面從中央鐵芯柱43的截面到外鐵芯柱42和44的截面逐漸變細(xì)以為了將中央鐵芯柱43的磁力線集中到外鐵芯柱42和44中，這樣可以用較小的控制電流Ic獲得較大范圍的感應(yīng)系數(shù)L46和L47。連接部分48-51的截面可以是圓形或橢圓形?？商娲?，連接部分的截面可以是其它形狀，如矩形。從中央鐵芯柱43的較大截面到外鐵芯柱42和44的較小截面可以?xún)H在截面形狀的一維或在其兩維上形成。正如在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，僅通過(guò)將鐵芯連接部分48-51的截面部分變細(xì)使得外鐵芯柱42和44飽和而中央鐵芯柱43不飽和，這樣就可用最小的控制電流Ic獲得最大范圍的感應(yīng)系數(shù)。但是，如上所述，在第二實(shí)施例中，控制線圈的感應(yīng)系數(shù)L45隨著其控制電流的變化不會(huì)保持恒定。
從本發(fā)明的第一和第二實(shí)施例看，整個(gè)鐵芯41可以如圖3所示形成一個(gè)由磁性材料構(gòu)成的完整的元件，或者如圖4A所示形成兩個(gè)E型磁性部分。
更具體地，圖4A示出用于上述圖3中本發(fā)明的鐵芯41的變型。鐵芯41正如圖3一樣具有三個(gè)鐵芯柱42，43和44。另外，鐵芯41包括在三鐵芯柱之間的連接部分48，49，50和51。但是，在圖4A所示的實(shí)施例中，鐵芯41是由兩個(gè)磁性材料構(gòu)成的E型部分41a和41b連接在一起以便在邊界52處兩部分面對(duì)面從而形成三鐵芯柱式鐵芯。
圖4B是沿圖4A線B-B的鐵芯41的剖面圖。如圖4B所示每個(gè)鐵芯柱42，43和44的截面為圓形。如圖4A中所示每個(gè)鐵芯柱42，43和44的截面在鐵芯柱的全長(zhǎng)上保持恒定。如圖4B所示，中央鐵芯柱43的截面面積等于或大于外鐵芯柱42和44的截面面積。更具體地，在第一實(shí)施例中，中央鐵芯柱43的磁截面等于或略大于外鐵芯柱42和44的磁截面的總和。在第二實(shí)施例中，中央鐵芯柱43的磁截面顯著地大于外磁芯柱42和44的磁截面總和。
另外，對(duì)于本發(fā)明的第一和第二實(shí)施例，如圖4B所示，連接三鐵芯柱42，43和44的鐵芯部分50和51從中央鐵芯柱43朝外鐵芯柱42和44逐漸變細(xì)。因此，連接部分50和51(連接部分48和49也同樣)的截面沿著該部分長(zhǎng)度變化，接近中央鐵芯柱43的每個(gè)連接部分的截面面積大于接近外鐵芯柱42和44的相同的連接部分的截面面積。
圖4C是沿圖4A中線4C-4C的鐵芯41的剖面圖。如果沿著穿過(guò)連接部分51和49的對(duì)稱(chēng)水平線并朝鐵芯柱44看可以獲得同樣的剖面圖。(另外，從圖3的鐵芯41可以獲得相同的視圖，但是這些視圖沒(méi)有邊界52。)如圖4C所示，鐵芯柱42(在圖4C中未示出的鐵芯柱43和44也同樣)沿著其長(zhǎng)度方向具有恒定的截面面積。除此，連接部分50和48的截面為圓形。如圖4B所示，連接部分48和50的圓形截面面積沿著連接部分的長(zhǎng)度而變化，其中，靠近外鐵芯柱42和44的每個(gè)連接部分的截面面積小于靠近中央鐵芯柱43的每個(gè)連接部分的截面面積。
圖4D是圖4A所示的鐵芯41的可替代實(shí)施例的與圖4C相類(lèi)似的視圖，示出連接部分48和50為矩形截面。連接部分48-51的截面可以是其它形式。連接部分48-51的截面面積可以沿該部分長(zhǎng)度上在一維或兩維上進(jìn)行變化，其中，靠近中央鐵芯柱43的每個(gè)連接部分的截面面積大于靠近外鐵芯柱42和44的相同的連接部分的截面面積。
盡管圖4A示出的中央鐵芯柱43包括一個(gè)第一部分43a和一個(gè)第二部分43b，第一部分是磁性材料制成的部分41a的一部分，第二部分是磁性材料制成的部分41b的一部分，但是中央鐵芯柱43仍然如上定義被認(rèn)為是一個(gè)“單個(gè)磁性元件”?！皢蝹€(gè)磁性元件”意思是在垂直于操作中磁通量φ的流動(dòng)方向的至少一個(gè)截面的全部為磁性材料制成的一個(gè)連續(xù)的單獨(dú)元件表示為一個(gè)磁性元件(例如鐵芯的一個(gè)鐵芯柱)。在操作中磁通量φ沿著中央鐵芯柱43的長(zhǎng)度方向流過(guò)。垂直于磁通量φ的截面并不是由多個(gè)磁元件構(gòu)成，如疊層片和用來(lái)增加元件的截面而加入額外的物體。由界限52示出的磁性材料部分41a和41b之間的劃分并沒(méi)有增加中央鐵芯柱43的截面面積，也并不意味著中央鐵芯柱43是由不只一個(gè)“單個(gè)磁性元件”組成，因?yàn)榇怪庇诓僮髦写磐苛鲃?dòng)方向切開(kāi)的截面示出僅為一個(gè)單個(gè)磁性元件。在整個(gè)截面上使用同樣的磁性材料。
在操作中，對(duì)于本發(fā)明的第一實(shí)施例，中央鐵芯柱43的磁截面相對(duì)于外鐵芯柱42和44的磁截面設(shè)置成外鐵芯柱和中央鐵芯柱具有大致相等的飽和度，通過(guò)中央線圈45的控制電流Ic通過(guò)改變外鐵芯柱42和44的飽和度引起穿過(guò)外線圈46和47的感應(yīng)系數(shù)L46和L47發(fā)生變化。但是，控制線圈45的感應(yīng)系數(shù)L45隨著通過(guò)該線圈45的控制電流Ic的變化基本保持恒定。通過(guò)線圈45的控制電流Ic要足夠大到鐵芯41的外鐵芯柱42和44飽和，其降低了鐵芯的磁導(dǎo)率，使并聯(lián)外線圈46和47的感應(yīng)系數(shù)L46和L47降低?？刂齐娏鱅c變得越高，感應(yīng)系數(shù)L46和L47變得越低。另外，對(duì)于第一實(shí)施例，鐵芯41的連接部分48-51逐漸變細(xì)以確保在從鐵芯柱到連接臂的截面有一個(gè)最小增量的增加或是“階梯”(“step”)。在截面面積的“階梯”使得繞“階梯”處鐵芯材料部分不飽和。這限制了感應(yīng)系數(shù)的最小值和變化范圍。逐漸變細(xì)的連接部分對(duì)于通過(guò)控制線圈45的給定的控制電流Ic而言允許感應(yīng)系數(shù)L46和L47更大的變化范圍。鐵芯41的圓形截面與例如矩形的其它類(lèi)型截面相反提供了通過(guò)截面的磁通量的更均勻的分布，其導(dǎo)致鐵芯柱和連接部分的磁性材料更均勻地飽和。這樣，對(duì)于給定的控制線圈電流Ic可以獲得更大的變化范圍。另外，對(duì)于給定的截面圓形具有最短的可能的周長(zhǎng)。因此，圍繞鐵芯41的圓形鐵芯柱的給定匝數(shù)比其它具有如矩形的不同截面的鐵芯柱需要更短的繞線的總長(zhǎng)度。繞線總長(zhǎng)越短使得可變電感器40的能耗越低。
但是，也可以使用其它形狀的鐵芯柱和連接部分的截面。而且，連接部分48-51中的一個(gè)截面可以在一維或二維上逐漸變細(xì)。實(shí)用的實(shí)施例對(duì)于連接部分48-51采用了矩形截面，如圖5的透視圖所示僅在一維上逐漸變細(xì)。圖5是圖3所示的本發(fā)明的透視圖。
對(duì)于中央鐵芯柱(在垂直于操作中磁通量流動(dòng)方向的全部截面)使用一個(gè)單個(gè)磁性元件允許恒定的控制線圈感應(yīng)系數(shù)L45。為使控制線圈45的感應(yīng)系數(shù)保持恒定需要如下條件1.在外鐵芯柱42和44上的外線圈46和47并聯(lián)連接；2.中央鐵芯柱43的磁截面等于外鐵芯柱42和44的磁截面的總和；3.連接部分48-51不完全飽和。如果連接部分不完全飽和，在鐵芯柱即將進(jìn)入飽和時(shí)線圈耦合處于接觸狀態(tài)。由于連接部分具有比外鐵芯柱更大的截面，因此其保持不飽和。當(dāng)連接部分如圖示那樣逐漸變細(xì)，以上則是正確的。
如果中央鐵芯柱43的磁截面略大于外鐵芯柱42和43的磁截面總和以使二者具有大致相等的飽和度，這樣控制線圈45的感應(yīng)系數(shù)基本上保持恒定。
如圖3所示的本發(fā)明操作中，在中央鐵芯柱43上的控制線圈45的感應(yīng)系數(shù)L45與圖1中已有技術(shù)電路的感應(yīng)系數(shù)L12和L13相比具有較低的值。另外，控制線圈45的感應(yīng)系數(shù)隨著控制電流Ic的變化不會(huì)發(fā)生明顯變化。事實(shí)上如上所述，如果中央鐵芯柱43的磁截面確實(shí)等于外鐵芯柱42和44的磁截面總和，控制線圈45的感應(yīng)系數(shù)根本不隨控制電流Ic而變化。在一具有如原始線圈的線圈45的變壓器上外線圈46和47作為短接次級(jí)線圈。這樣，控制線圈45的感應(yīng)系數(shù)L45僅由變壓器的漏感應(yīng)系數(shù)(leakage inductance)來(lái)決定。因此，控制線圈45的感應(yīng)系數(shù)L45可以是一個(gè)低的且恒定的值。
在中央鐵芯柱43的磁截面基本上大于外鐵芯柱42和44的截面，而且連接臂從中央鐵芯柱43到外鐵芯柱42和44逐漸變細(xì)的情況下，由于僅是外鐵芯柱42和44被控制電流Ic而飽和，所以對(duì)于給定的控制電流Ic可以獲得最大變化范圍的感應(yīng)系數(shù)。中央鐵芯柱43不飽和。這在第二實(shí)施例中已描述，但是在第二實(shí)施例中，控制線圈45的感應(yīng)系數(shù)基本上不恒定。
在操作中，如果外鐵芯柱42和44的磁截面總和小于中央鐵芯柱43的磁截面，在其余鐵芯柱飽和之前外鐵芯柱42和44飽和。當(dāng)只有外鐵芯柱42和44被飽和，隨著控制電流Ic的相同的變化可以獲得感應(yīng)系數(shù)L46和L47更大的變化，或者對(duì)于感應(yīng)系數(shù)L46和L47相同的變化獲得控制電流Ic的更小變化。在外鐵芯柱42和44上的磁性材料被控制電流Ic飽和。因?yàn)?，最小的感?yīng)系數(shù)L46和L47是由匝數(shù)確定而不是由磁性材料的磁導(dǎo)率確定。
相反，對(duì)于圖1的已有技術(shù)，線圈16的最小感應(yīng)系數(shù)依靠于磁性材料的磁導(dǎo)率，因?yàn)?，在現(xiàn)有技術(shù)的可變電感器中，中央鐵芯柱16上的磁性材料沒(méi)有飽和。因此，在上述情況中，依靠于磁導(dǎo)率的上述公式1適用于限定最小感應(yīng)系數(shù)。
本發(fā)明還構(gòu)想了一種根據(jù)控制電流Ic來(lái)改變一個(gè)感應(yīng)電路元件46或47的感應(yīng)系數(shù)L46和L47的第一方法。在第一種方法中，獲取一個(gè)由飽和磁性材料制成的三鐵芯柱式鐵芯，鐵芯41的一個(gè)中央鐵芯柱43的磁截面相對(duì)于鐵芯41的兩個(gè)外鐵芯柱42和44的磁截面設(shè)置成在控制電流變化時(shí)，外鐵芯柱42和44及中央鐵芯柱43具有基本相等的飽和度，并聯(lián)連接的線圈46和47纏繞在外鐵芯柱42和44，其方式以便在中央鐵芯柱43中由通過(guò)并聯(lián)線圈46和47的電流引起的磁通量φ相互抵消。另外，將控制線圈45纏繞在中央鐵芯柱43上?？刂凭€圈45上的控制電流Ic發(fā)生變化以改變鐵芯41的外鐵芯柱42和44的飽和度進(jìn)而改變?cè)谕忤F芯柱42和44上每個(gè)并聯(lián)線圈46和47的感應(yīng)系數(shù)L46和L47。在中央鐵芯柱43上的控制線圈45的感應(yīng)系數(shù)L45隨著控制線圈45中控制電流Ic的變化基本保持恒定。
本發(fā)明又構(gòu)想了根據(jù)控制電流Ic來(lái)改變一感應(yīng)電路元件46或47的感應(yīng)系數(shù)L46和L47的第二種方法。在第二種方法中，獲得一個(gè)由飽和磁性材料制成的三鐵芯柱式鐵芯41。鐵芯41的一個(gè)中央鐵芯柱43的磁截面相對(duì)于外鐵芯柱42和44的磁截面設(shè)置成外鐵芯柱42和44飽和，中央鐵芯柱43不飽和，連接三鐵芯柱42，43和44的鐵芯部分48-51從中央鐵芯柱43的截面到外鐵芯柱42和44的截面逐漸變細(xì)。并聯(lián)線圈46和47纏繞在外鐵芯柱42和44上，其方式以便在中央鐵芯柱43中由通過(guò)并聯(lián)線圈46和47的電流引起的磁通量相互抵消。將控制線圈45纏繞在中央鐵芯柱43上。改變控制線圈45的控制電流Ic使外鐵芯柱飽和進(jìn)而改變每個(gè)并聯(lián)線圈46和47的感應(yīng)系數(shù)L46和L47。
改變控制電流Ic使外鐵芯柱42和44飽和同時(shí)使中央鐵芯柱43不飽和。連接部分48-51不完全飽和。事實(shí)上，只有最接近外鐵芯柱的連接部分被飽和。
盡管本發(fā)明就最佳實(shí)施例進(jìn)行了描述，但對(duì)該領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不違背本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)構(gòu)想任何變化和改型都是顯而易見(jiàn)的。對(duì)最佳實(shí)施例所作的附圖和說(shuō)明書(shū)僅是舉例說(shuō)明而不是限制本發(fā)明的范圍，而且其意圖在于在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)覆蓋所有的變化和改型。
權(quán)利要求
1.一種可變電感器，包括一個(gè)由飽和磁性材料制成的鐵芯，所述鐵芯具有三個(gè)鐵芯柱，包括一個(gè)中央鐵芯柱和兩個(gè)外鐵芯柱；在上述中央鐵芯柱上的一個(gè)控制線圈和在每個(gè)上述外鐵芯柱上并聯(lián)連接的線圈，以這樣的方式使得在上述中央鐵芯柱中由通過(guò)上述外鐵芯柱上線圈的電流引起的磁通量相互抵消；其特征在于通過(guò)所述控制線圈的電流利用改變外鐵芯柱的飽和度引起穿過(guò)外鐵芯柱上線圈的感應(yīng)系數(shù)的變化，所述控制線圈的感應(yīng)系數(shù)隨著上述控制線圈中電流的改變而基本保持恒定；所述中央鐵芯柱的磁截面相對(duì)于所述外鐵芯柱的磁截面設(shè)置成所述中央鐵芯柱及外鐵芯柱基本上具有相等的飽和度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的可變電感器，其特征在于所述中央鐵芯柱的磁截面等于或大于所述外鐵芯柱的磁截面的總和。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的可變電感器，其特征在于連接所述三個(gè)鐵芯柱的鐵芯部分是從所述中央鐵芯柱到所述外鐵芯柱逐漸變細(xì)的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的可變電感器，其特征在于所述中央鐵芯柱是由一單個(gè)的磁性元件形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的可變電感器，其特征在于所述鐵芯中的至少一個(gè)鐵芯柱具有基本上為圓形的截面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的可變電感器，其特征在于連接所述鐵芯柱的至少一個(gè)鐵芯部分具有大致為圓形的截面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的可變電感器，其特征在于連接所述鐵芯柱的鐵芯部分至少在一維上逐漸變細(xì)。
8.一種可變電感器，包括一個(gè)由飽和磁性材料制成的鐵芯，所述鐵芯具有三個(gè)鐵芯柱，包括一個(gè)中央鐵芯柱和兩個(gè)外鐵芯柱；在中央鐵芯柱上的一個(gè)控制線圈和在每個(gè)外鐵芯柱上并聯(lián)連接的線圈，以這樣的方式使得在上述中央鐵芯柱中由通過(guò)上述外鐵芯柱上線圈的電流引起的磁通量相互抵消；其特征在于通過(guò)所述控制線圈的電流引起穿過(guò)所述外鐵芯柱上線圈的變化的感應(yīng)系數(shù)；所述中央鐵芯柱的磁截面相對(duì)于所述外鐵芯柱的磁截面設(shè)置成所述外鐵芯柱被飽和，而所述中央鐵芯柱沒(méi)有被飽和，連接所述三個(gè)鐵芯柱的鐵芯部分從所述中央鐵芯柱截面到所述外鐵芯柱截面逐漸變細(xì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的可變電感器，其特征在于所述鐵芯的至少一個(gè)鐵芯柱具有大致為圓形的截面。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的可變電感器，其特征在于連接所述三個(gè)鐵芯柱的至少一個(gè)鐵芯部分具有一個(gè)大致為圓形的截面。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的可變電感器，其特征在于連接所述三個(gè)鐵芯柱的鐵芯部分至少在一維上逐漸變細(xì)。
12.一種根據(jù)控制電流改變感應(yīng)電路元件的感應(yīng)系數(shù)的方法，包括a)獲取一個(gè)由飽和磁性材料制成的三鐵芯柱式磁鐵芯，所述磁鐵芯的一個(gè)中央鐵芯柱磁截面相對(duì)于兩個(gè)外鐵芯柱磁截面設(shè)置成所述中央鐵芯柱及所述外鐵芯柱在如下d)步驟中具有大致相等的飽和度；b)在所述鐵芯的所述外鐵芯柱上纏繞并聯(lián)線圈，其方式如下使得在所述中央鐵芯柱中由通過(guò)所述并聯(lián)線圈的電流引起的磁通量相互抵消；c)纏繞所述中央鐵芯柱的一個(gè)控制線圈；d)改變所述控制線圈的控制電流以改變所述鐵芯的外鐵芯柱的飽和度進(jìn)而改變每個(gè)所述并聯(lián)線圈的感應(yīng)系數(shù)；在所述中央鐵芯柱的所述控制線圈的感應(yīng)系數(shù)隨著所述控制線圈的電流變化而基本保持恒定。
13.一種根據(jù)控制電流改變感應(yīng)電路元件的感應(yīng)系數(shù)的方法，包括a)獲取一個(gè)由飽和磁性材料制成的三鐵芯柱式磁鐵芯，所述磁鐵芯的一個(gè)中央鐵芯柱磁截面相對(duì)于兩個(gè)外鐵芯柱磁截面設(shè)置成所述外鐵芯柱被飽和而所述中央鐵芯柱沒(méi)有被飽和，連接所述三個(gè)鐵芯柱的鐵芯部分從所述中央鐵芯柱的截面到所述外鐵芯柱的截面逐漸變小。b)在所述鐵芯的所述外鐵芯柱上纏繞并聯(lián)線圈，其方式如下使得在所述中央鐵芯柱中由通過(guò)所述并聯(lián)線圈的電流引起的磁通量相互抵消；c)纏繞所述中央鐵芯柱的一個(gè)控制線圈；d)改變所述控制線圈的控制電流以使所述鐵芯的外鐵芯柱飽和進(jìn)而改變每個(gè)所述并聯(lián)線圈的感應(yīng)系數(shù)；e)進(jìn)行改變所述控制電流的步驟以使所述鐵芯的外鐵芯柱飽和同時(shí)使所述中央鐵芯柱不飽和。
全文摘要
一種具有可飽和磁鐵芯的可變電感器,該磁鐵芯具有三個(gè)鐵芯柱(42,43,44),包括一個(gè)中央鐵芯柱(43)和兩個(gè)外鐵芯柱。在中央鐵芯柱上纏繞著一個(gè)控制線圈(45),在外鐵芯柱上纏繞著兩個(gè)并聯(lián)連接的外線圈(46,47)。在外鐵芯柱上線圈的感應(yīng)系數(shù)隨著通過(guò)控制線圈的電流而變化。通過(guò)控制線圈的電流改變了外鐵芯柱的飽和度。在一個(gè)實(shí)施例中,控制線圈的感應(yīng)系數(shù)隨著控制線圈內(nèi)電流的變化基本保持恒定。在另一個(gè)實(shí)施例中,外鐵芯柱被飽和而中央鐵芯柱不被飽和。連接三個(gè)鐵芯柱的鐵芯部分(48－51)從中央鐵芯柱(43)的截面到外鐵芯柱(42,44)的截面逐漸變小。本發(fā)明還涉及根據(jù)控制電流改變感應(yīng)電路元件的感應(yīng)系數(shù)的方法。
文檔編號(hào)H01F27/24GK1379419SQ0210187
公開(kāi)日2002年11月13日 申請(qǐng)日期2002年1月17日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月18日
發(fā)明者阿里安·M·揚(yáng)森 申請(qǐng)人:Nmb(美國(guó))公司