專利名稱：用于感應(yīng)組件的扼流圈和制造該扼流圈的方法
用于感應(yīng)組件的扼流圈和制造該扼流圈的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的目的是如在權(quán)利要求1的前序中限定的用于諸如dudt濾波器的感應(yīng)組件的扼流圈，以及如在權(quán)利要求12的前序中限定的，用于制造感應(yīng)組件的扼流圈的方法。
dudt濾波器在特別是電動機(jī)驅(qū)動器和風(fēng)力發(fā)動機(jī)中用于減緩脈寬調(diào)制(PWM)電壓的上升沿和下降沿。其目標(biāo)是當(dāng)使用長電動機(jī)電纜時(shí)防止發(fā)生有害過電壓。名稱dudt來自術(shù)語du (delta u),即電壓的變化，以及dt (delta t),即時(shí)間的變化。因而，dudt (或者更確切為du/dt)意思是每一時(shí)間變化的電壓變化。這種濾波器為低通濾波器，并且其包括扼流圈和電容器。通常已知的dudt濾波器原理在于，當(dāng)將快速變化的電壓連接至濾波器扼流圈時(shí)，該濾波器電容器通過該扼流圈緩慢充電，在該情況下，從電容器接收的輸出電壓緩慢變化。
然而，因?yàn)槌潆娒}沖期間存儲在扼流圈中的能量也釋放到電容器中，所以dudt濾波器可能本身導(dǎo)致輸出電壓中的電壓過沖。因此，濾波器必須包括衰減，否則濾波器本身在輸出電壓中導(dǎo)致過大電壓過沖。能夠通過與扼流圈并聯(lián)的電阻、與濾波器電容器串聯(lián)的電阻、利用扼流圈芯體的損耗或者組合這些方法來執(zhí)行電壓過沖的衰減，[PaulΤ.Finlayson, "Output filters for PWM drives with induction motors", IEEE, 1997]。這些是通常已知的技術(shù)。使用扼流圈的自身損耗以用于衰減電壓過沖是基于經(jīng)設(shè)計(jì)從而在電壓過沖頻率處損耗的扼流圈。傳統(tǒng)上，當(dāng)為此使用芯體損耗時(shí)，dudt濾波器的電壓過沖的衰減通過扼流圈阻抗的相位而被設(shè)置。通常的硅鋼疊片被使用作為芯體材料。
然而，因?yàn)樽杩沟南辔环€(wěn)定為由材料的磁導(dǎo)率、感應(yīng)系數(shù)和幾何參數(shù)和空氣間隙設(shè)置的某一水平，并且通過傳統(tǒng)的dudt濾波器不再可能易于從該水平轉(zhuǎn)換，如果不是不可能，難以將dudt濾波器的電壓過沖衰減設(shè)置為如上所述的期望水平。另外，因?yàn)榀B片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生用于傳熱的不連續(xù)點(diǎn)并且可能在結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)熱點(diǎn)，難以冷卻疊片芯體結(jié)構(gòu)。
因?yàn)榀B片結(jié)構(gòu)自然為二維的，即其僅在有限方向良好工作，通過疊片芯體，也常常難以將適當(dāng)尺寸的扼流圈制作為其幾何受限的尺寸。另外，疊片硅鋼的問題在于，其感應(yīng)系數(shù)隨著頻率增加而降低。雖然疊片硅鋼的扼流圈在50Hz頻率的感應(yīng)系數(shù)將適合dudt濾波器，然而，由于硅鋼疊片的不良高頻率特性，該感應(yīng)系數(shù)通常在發(fā)生dudt濾波的頻率(例如，ΙΟΟΚΗζ-ΙΜΗζ)降低為更小。在該情況下,dudt衰減下降,并且必須通過提高濾波器電容器的電容來補(bǔ)償該衰減下降，這將提高價(jià)格和損耗。
本發(fā)明的目標(biāo)是消除上述缺點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)特別在dudt濾波器中使用的最佳衰減的扼流圈。本發(fā)明的一個(gè)目的也是實(shí)現(xiàn)制造上述扼流圈的有利和可靠方法。由這種扼流圈組成的濾波器能夠靈活地用于對脈寬調(diào)制(PWM)信號進(jìn)行dudt濾波。根據(jù)本發(fā)明的扼流圈特征在于權(quán)利要求1的特征部分中公開的內(nèi)容。相應(yīng)地，根據(jù)本發(fā)明的方法特征在于權(quán)利要求12的特征部分公開的內(nèi)容。本發(fā)明的其他實(shí)施例特征在于其他權(quán)利要求中公開的內(nèi)容。
也可在本申請的描述部分中討論其他發(fā)明性實(shí)施例。也能夠與下文提出的權(quán)利要求不同地限定本申請的發(fā)明性內(nèi)容。另外，可以說，能夠至少在一些適當(dāng)情況下認(rèn)為從屬權(quán)利要求的至少一些特征其本身是發(fā)明性的。
根據(jù)本發(fā)明的解決方案的其中一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，能夠易于調(diào)節(jié)衰減dudt濾波器的電壓過沖衰減。另外，能夠有效冷卻該濾波器，并且其制造靈活并且高效。另外，這種濾波器緊湊并且其適合小空間。
在下文中，將參考附圖，通過其實(shí)施例的一些實(shí)例的幫助更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中:


圖1示出LC低通濾波器的電路圖，
圖2示出一種通常已知的dudt濾波器的輸出電壓，
圖3示出作為頻率的函數(shù)的通常已知的dudt濾波器的扼流圈阻抗的經(jīng)驗(yàn)測量相位，
圖4象征性示出未衰減dudt濾波器的輸入和輸出電壓的形式，
圖5示出作為時(shí)間的函數(shù)的硅鋼疊片和根據(jù)本發(fā)明的dudt濾波器的芯體材料的測量磁導(dǎo)率，
圖6示出結(jié)構(gòu)性元件、線圈和具有扼流圈的空氣間隙的芯體，并且也示出通過直流電壓源和開關(guān)的PWM信號的形成，
圖7示出未衰減dudt濾波器的輸入和輸出電壓，并且也示出扼流圈的電流，
圖8示出芯體中感應(yīng)的渦電流，
圖9示出完全衰減dudt濾波器的輸入和輸出電壓，并且也示出扼流圈的阻性電流，
圖10示出根據(jù)本發(fā)明的dudt濾波器的輸入和輸出電壓，并且也示出扼流圈的感應(yīng)和阻性電流，
圖11示出作為例證的芯體的結(jié)構(gòu)性元件的熱處理模式，
圖12示出芯體的結(jié)構(gòu)性元件，并且也示出通過改變磁通量在其中感應(yīng)的渦電流，
圖13示出由疊片組成的芯體，
圖14示出根據(jù)本發(fā)明的芯體的結(jié)構(gòu)性元件，
圖15示出具有不同圈數(shù)的扼流圈的阻抗的測量相位，
圖16示出根據(jù)本發(fā)明的dudt濾波器的截面端視圖，
圖17示出根據(jù)本發(fā)明的dudt濾波器的扼流圈的芯體的可能結(jié)構(gòu)性元件，該結(jié)構(gòu)性元件包括凹槽，
圖18示出根據(jù)本發(fā)明的液冷dudt濾波器，以及
圖19示出根據(jù)本發(fā)明的氣冷dudt濾波器。
圖1示出包括扼流圈2和電容器3的dudt濾波器I的電路圖。dudt濾波器I的通常已知的原理在于，當(dāng)將快速變化電壓7連接至扼流圈2的左手端時(shí)，電容器3通過扼流圈2緩慢充電，在該情況下，從電路的右手端獲得更緩慢變化的電壓4。被連接至濾波器的電纜的電容也能夠起濾波器電容器的作用，在該情況下，不必總是需要物理電容器3。
圖2示出通常已知的dudt濾波器I的輸出電壓4的波形。能夠看出，在輸出電壓4中存在過沖5，然而其明確地將被衰減。如上所述，能夠通過與濾波器電容器串聯(lián)的電阻、與扼流圈并聯(lián)的電阻、利用扼流圈芯體的損耗或者組合這些方法來執(zhí)行電壓過沖的衰減。這些都是通常已知的技術(shù)。
因?yàn)椴恍枰獑为?dú)的衰減組件，所以使用扼流圈的芯體損耗以用于衰減電壓過沖是有吸引力的。傳統(tǒng)上，當(dāng)將芯體損耗用于此時(shí)，通過扼流圈的阻抗相位來設(shè)置dudt濾波器的電壓過沖衰減。眾所周知，扼流圈的阻抗( )包括感應(yīng)部分和阻性部分，其中阻性部分描述了損耗:
Zl = j ω L+Rs
感應(yīng)和阻性阻抗的比率設(shè)定了阻抗的相位，以便0°相應(yīng)于完全損耗阻抗，并且90°相應(yīng)于完全無損阻抗。圖3示出作為頻率的函數(shù)的三相硅鋼疊片扼流圈的阻抗的測量相位6。能夠看出，在其中需要衰減的頻率范圍中(本文中例如為100kHz-3MHz)，相位6約為54°。這執(zhí)行電壓過沖的衰減。然而，因?yàn)樵谕ǔＲ阎慕鉀Q方案中，扼流圈阻抗的相位穩(wěn)定于材料的特性和幾何限定的特定水平，并且不可能自由調(diào)節(jié)，如果不是不可能，也難以調(diào)整衰減的水平。
圖4以虛線示出PWM信號的上升沿7，并且以連續(xù)線示出dudt濾波器的近似輸出電壓4。能夠看出，濾波器的輸出電壓4比輸入電壓，即PWM電壓7，變化更緩慢。在該情況下，濾波器產(chǎn)生dudt衰減/濾波。然而，能夠看出，因?yàn)槌潆娒}沖期間已存儲在扼流圈中的能量也釋放到電容器中，濾波器導(dǎo)致輸出電壓4中的電壓過沖5。濾波器必須包括衰減，否則濾波器本身導(dǎo)致輸出電壓中的太大電壓過沖(在圖5中，術(shù)語過沖指代上述電壓過沖)。輸入電壓7的值與PWM信號步調(diào)一致地在O和DC線路的電壓之間變化，并且通常將電壓過沖5表達(dá)為DC線路電壓的百分?jǐn)?shù)。電壓的最大過沖能夠?yàn)镈C線路的大小，在該情況下，電壓過沖為100%，并且輸出電壓的絕對峰值為DC線路電壓的兩倍。因此值得注意，dudt濾波器必須包括dudt (升速)衰減并且也包括過沖(電壓過沖)衰減。
在圖5中描述削弱現(xiàn)有技術(shù)dudt濾波器的性能的另一問題。在圖中能夠看出，當(dāng)頻率增大時(shí)，硅鋼疊片的磁導(dǎo)率8下降。而根據(jù)本發(fā)明的芯體材料的磁導(dǎo)率9在高頻率下仍保持恒定。當(dāng)關(guān)于該問題檢查dudt衰減時(shí)，可以說疊片硅鋼的問題在于，其感應(yīng)系數(shù)，并且因此其dudt衰減隨著頻率增大而下降。在低頻率下在扼流圈中獲得的感應(yīng)系數(shù)是有限的，并且芯體材料的飽和度對其限制。在發(fā)生dudt濾波的頻率(例如，IOOkHz-1MHz)下使用硅鋼疊片的情況下，實(shí)現(xiàn)比低頻飽和度限制的相當(dāng)小的感應(yīng)系數(shù)。在此情況下，dudt衰減下降，并且必須通過提高濾波器電容器的電容補(bǔ)償該下降，這提高了價(jià)格和損耗。
另外，下列問題類型由上述硅鋼疊片的特性導(dǎo)致:1)由于低頻率磁導(dǎo)率大，低頻感應(yīng)系數(shù)易于增大到不必要地大，并且為了最小化扼流圈芯體的質(zhì)量不可能使用多個(gè)線圈圈數(shù)。由于根據(jù)本發(fā)明的芯體的磁導(dǎo)率較低，所以能夠使用多個(gè)線圈圈數(shù)，在該情況下，能夠最小化扼流圈芯體的質(zhì)量。2)在濾波器作為RC型而非LC型運(yùn)行的情況下，在高頻率，硅鋼疊片阻性而非感應(yīng)運(yùn)行。在該情況下，濾波器具有不必要的大損耗和陡上升沿，尤其是在上升沿開始處。3)基于硅鋼疊片的扼流圈的特性，諸如衰減穩(wěn)定于特定水平，并且不易于將特性從上述水平調(diào)節(jié)到更適合的另一水平。
在下文中，我們將研究作為dudt濾波器I的衰減元件的芯體10的運(yùn)行的時(shí)間平面。圖6示出扼流圈2，其包括芯體10，芯體10包括空氣間隙12和線圈11。另外，圖6示出能夠如何通過開關(guān)13中斷直流電壓14形成PWM電壓7。能夠如下計(jì)算包括空氣間隙的這種扼流圈的感應(yīng)系數(shù):
權(quán)利要求
1.用于感應(yīng)組件的扼流圈(2)，所述感應(yīng)組件是諸如具有電容器(3)的dudt濾波器(1)，所述扼流圈(2)包括至少芯體(10)和線圈(11)，并且所述扼流圈(2)被構(gòu)造成通過使用和調(diào)節(jié)由結(jié)構(gòu)性元件(19)組成的芯體(10)的芯體損耗來衰減電壓過沖(5)，其特征在于，所述芯體(10)由相對于所述芯體(10)的尺寸盡可能大的、且其形式為多面體形狀的細(xì)長的結(jié)構(gòu)性元件(19)裝配成，在所述結(jié)構(gòu)性元件中，磁通量(20)經(jīng)布置以穿過由所述結(jié)構(gòu)性元件(19)形成的芯體橫截面面積，其中沿最后一個(gè)結(jié)構(gòu)性元件的磁通量的傳播方向上的橫截面面積大于沿整個(gè)芯體(10)的磁通量方向上的橫截面面積的15%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的扼流圈(2)，其特征在于，通過使用本質(zhì)上均勻的結(jié)構(gòu)性元件(19)、并且還通過使用所述結(jié)構(gòu)性元件(19)的姿態(tài)、形狀、材料和/或熱處理、并且還通過布置所述磁通量(20)以穿過結(jié)構(gòu)性元件(19)的最大橫截面面積，在設(shè)計(jì)階段、裝配階段和/或運(yùn)行階段已將所述芯 體損耗調(diào)整為期望的那些損耗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的扼流圈(2)，其特征在于，所述芯體(10)由結(jié)構(gòu)性元件(19)組成，在所述結(jié)構(gòu)性元件中，通過結(jié)構(gòu)性元件(19)的形狀來選擇渦電流(16)的路徑，以便由所述渦電流(16)產(chǎn)生的損耗在產(chǎn)生20-80%電壓過沖的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的扼流圈(2)，其特征在于，所述芯體(10)已由絕緣金屬粉末壓制的本質(zhì)上均勻的結(jié)構(gòu)性元件(19)構(gòu)造成，用所述結(jié)構(gòu)性元件(19)的材料的磁導(dǎo)率、電阻系數(shù)和/或幾何尺寸來調(diào)節(jié)在對所述電容器(3)充電期間的感應(yīng)電流(15)和阻性電流(17)的比率。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的扼流圈(2)，其特征在于，在所述扼流圈的全部操作頻率范圍內(nèi)，所述芯體材料的磁導(dǎo)率的值本質(zhì)上恒定。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的扼流圈(2)，其特征在于，為了實(shí)現(xiàn)最佳的可能磁導(dǎo)率和電阻系數(shù)，已用不同溫度(Tl、T2、...TN)下經(jīng)歷不同時(shí)間(t_l、t_2、...tN)的最優(yōu)化熱處理模式對所述結(jié)構(gòu)性元件(19)進(jìn)行了熱處理。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的扼流圈(2)，其特征在于，所述芯體(10)根據(jù)本質(zhì)上最適合將要制造的每個(gè)濾波器(I)的結(jié)構(gòu)性元件構(gòu)造而被裝配成本質(zhì)上多面體形狀，所述結(jié)構(gòu)性元件構(gòu)造由結(jié)構(gòu)性元件(19)組成并且被試驗(yàn)和重復(fù)地實(shí)現(xiàn)。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的扼流圈(2)，其特征在于，線圈(11)由多個(gè)平行連接的絕緣電纜制成，并且特征在于線圈(11)包括至少兩圈。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的扼流圈(2)，其特征在于，將冷卻液體管(26)集成到所述芯體(10)中。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的扼流圈(2)，其特征在于，在設(shè)備柜中將所述線圈電纜(11)的末端(28)連接至其最終連接點(diǎn)，而不需要要求接合點(diǎn)的單獨(dú)和昂貴的軌道。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的扼流圈(2)，其特征在于，所述線圈(11)包括一個(gè)堆疊在另一個(gè)的頂部上的多個(gè)板(31)。
12.—種制造感應(yīng)組件的扼流圈(2)的方法，所述感應(yīng)組件是諸如具有電容器(3)的dudt濾波器(1)，所述扼流圈(2)包括至少芯體(10)和線圈(11)，并且所述扼流圈(2)被構(gòu)造成通過使用和調(diào)節(jié)由結(jié)構(gòu)性元件(19)組成的芯體(10)的芯體損耗來衰減電壓過沖(5)，其特征在于，所述芯體(10)由相對于所述芯體(10)的尺寸盡可能大的、其形式為多面體形狀的細(xì)長的結(jié)構(gòu)性元件(19)裝配成，在所述結(jié)構(gòu)性元件中，磁通量(20)經(jīng)布置以穿過由所述結(jié)構(gòu)性元件(19)形成的所述芯體橫截面面積，其中沿最后一個(gè)結(jié)構(gòu)性元件(19)的磁通量的傳播方向上的橫截面面積大于沿整個(gè)芯體(10)的磁通量(20)方向上的橫截面面積的15%。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，通過使用本質(zhì)上均勻的結(jié)構(gòu)性元件(19)、并且還通過使用所述結(jié)構(gòu)性元件(19)的姿態(tài)、形狀、材料和/或熱處理，在設(shè)計(jì)階段、裝配階段和/或運(yùn)行階段將所述芯體損耗調(diào)整為期望的那些損耗，并且其特征在于，所述芯體(10)由結(jié)構(gòu)性元件(19)裝配成,在所述結(jié)構(gòu)性元件中，通過結(jié)構(gòu)性元件(19)的形狀來選擇渦電流(16)的路徑，以便由所述渦電流(16)產(chǎn)生的損耗在產(chǎn)生20-80%電壓過沖的范圍內(nèi)，并且其特征在于，所述磁通量(20 )經(jīng)布置以穿過結(jié)構(gòu)性元件(19 )的最大橫截面面積。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述芯體(10)由絕緣金屬粉末壓制的本質(zhì)上均勻的結(jié)構(gòu)性元件(19)裝配成，用所述結(jié)構(gòu)性元件(19)的材料的磁導(dǎo)率、電阻系數(shù)和/或幾何尺寸來調(diào)節(jié)在對所述電容器(3 )充電期間的感應(yīng)電流(15 )和阻性電流(17 )的比率。
15.根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述的方法，其特征在于，為了實(shí)現(xiàn)最佳的可能磁導(dǎo)率和電阻系數(shù)，用不同溫度(Tl、T2、...TN)下經(jīng)歷不同時(shí)間(t_l、t_2、...tN)的最優(yōu)化熱處理模式，在所述芯體(10)的制造階段熱處理所述芯體(10)的所述結(jié)構(gòu)性元件(19)。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求12-15的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述芯體(10)根據(jù)本質(zhì)上最適合將要制造的每個(gè) 濾波器(I)的結(jié)構(gòu)性元件構(gòu)造而被裝配為本質(zhì)上多面體形狀，所述結(jié)構(gòu)性元件構(gòu)造由結(jié)構(gòu)性元件(19)組成并且使用下列一個(gè)或更多階段被試驗(yàn)和重復(fù)地實(shí)現(xiàn): -濾波器(I)由所述結(jié)構(gòu)性元件(19)構(gòu)造，并且在實(shí)踐應(yīng)用中測量由其產(chǎn)生的電壓的波形，之后，如果所述構(gòu)造不在期望限度內(nèi)，則 -拆解通過所述結(jié)構(gòu)性元件(19)形成的所述構(gòu)造，并且改變所述結(jié)構(gòu)性元件(19)的方向 -以另一尺寸的結(jié)構(gòu)性元件代替所述結(jié)構(gòu)性元件(19) -以已另一方式經(jīng)過熱處理的結(jié)構(gòu)性元件代替所述結(jié)構(gòu)性元件(19) -以由另一材料制造的結(jié)構(gòu)性元件等等代替所述結(jié)構(gòu)性元件(19)，以及 -檢查一種或更多這些變化對所述電壓的波形產(chǎn)生的效果，并且繼續(xù)重復(fù)處理，直到找到期望的構(gòu)造。
全文摘要
本發(fā)明的目的是用于dudt濾波器的扼流圈(2)，所述扼流圈使用芯體損耗以用于衰減電壓過沖。所述扼流圈的芯體(10)由絕緣金屬粉末壓制的結(jié)構(gòu)性元件(19)組成，通過將所述結(jié)構(gòu)性元件結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)緊湊扼流圈芯體。所述結(jié)構(gòu)性元件(19)的磁性和幾何特性在其制造階段能夠被靈活調(diào)節(jié)，在此情況下，能夠比現(xiàn)有技術(shù)更自由地調(diào)整所述扼流圈的衰減。另外，所述結(jié)構(gòu)性元件(19)能夠被標(biāo)準(zhǔn)化，這帶來了生產(chǎn)模塊性，并且通過其實(shí)現(xiàn)了效率和靈活性。
文檔編號H01F3/08GK103155055SQ201180039939
公開日2013年6月12日 申請日期2011年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者亞爾科·薩洛邁基 申請人:亞爾科·薩洛邁基