CN112103027A - 电气电感器装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供“电气电感器装置”。一种被配置成产生磁场的电感器包括围绕磁芯设置的线圈。所述芯包括悬浮在非磁性基质中的磁性粉末。所述磁性粉末包括球状颗粒、盘状颗粒和细长纤维。所述盘状颗粒具有与所述磁场基本上平行的半径。所述细长纤维具有与所述磁场基本上平行的长度。

Description

电气电感器装置
技术领域
本公开涉及包括线圈和磁芯的电气电感器装置。
背景技术
电气电感器装置可以包括电线(即，线圈)，所述电线被配置成在激励时产生磁场。
发明内容
一种被配置成产生磁场的电感器包括围绕磁芯设置的线圈。所述芯包括悬浮在非磁性基质中的磁性粉末。所述磁性粉末具有球状颗粒和盘状颗粒。所述盘状颗粒具有半径和厚度。所述盘状颗粒的半径与磁场基本上平行，并且盘状颗粒的厚度基本上垂直于产生的磁场。
一种被配置成产生磁场的电感器包括围绕磁芯设置的线圈。所述芯包括悬浮在非磁性基质中的磁性粉末。所述磁性粉末具有球状颗粒和细长纤维。所述细长纤维具有长度和圆形横截面。所述纤维的长度与磁场基本上平行，并且纤维的横截面基本上垂直于产生的磁场。
一种被配置成产生磁场的电感器包括围绕磁芯设置的线圈。所述芯包括悬浮在非磁性基质中的磁性粉末。所述磁性粉末包括球状颗粒、盘状颗粒和细长纤维。盘状颗粒具有与磁场基本上平行的半径。细长纤维具有与产生的磁场基本上平行的长度。
附图说明
图1示出了示例性电气电感器；
图2是沿着图1中的2-2线截取的电气电感器的横截面视图；
图3是示出由磁性粉末和非磁性基质制成的电感器芯的相对磁导率的曲线图，所述磁导率是基于磁性粉末的颗粒的形状和非磁性基质相对于电感器芯的总体积的体积；
图4是具有盘状颗粒的磁性粉末的灰度显微图像；
图5A是具有形成磁性粉末的颗粒的细长纤维的磁性粉末的灰度显微图像；
图5B是图5A中的区域5B的放大图；
图6示出了由磁性粉末和非磁性基质制成的电感器芯的第一实施例，其中所述磁性粉末由球状颗粒和盘状颗粒组成；
图7示出了由磁性粉末和非磁性基质制成的电感器芯的第二实施例，其中所述磁性粉末由球状颗粒和细长纤维组成；以及
图8示出了由磁性粉末和非磁性基质制成的电感器芯的第三实施例，其中所述磁性粉末由球状颗粒、盘状颗粒和细长纤维组成。
具体实施方式
本文描述了本公开的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅是示例并且其他实施例可以采取各种形式和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能会被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅作为教导本领域技术人员以不同方式采用实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任一个示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征进行组合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型的应用的代表性实施例。然而，对于特定应用或实现方式，可能希望与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改。
参考图1和图2，示出了电气电感器10。电气电感器10包括线圈12，所述线圈围绕电感器芯14设置(例如缠绕在其上)，所述电感器芯可以是磁性电感器芯。电感器芯14可以由具有软磁体的性质的材料制成。电感器芯14具有磁矩16，所述磁矩表示构成电感器芯14的磁体的磁强度和取向。更具体地，磁矩16表示从磁体的南极延伸到北极的磁偶极矩。可以根据物体在由构成电感器芯14的永磁体产生的磁场中经历的扭矩来定义磁矩16。当诸如电池或发电机之类的电源连接到线圈12的端子20并且将电力输送到线圈12时，线圈12被激励并产生磁场。由线圈12产生的磁场由图2中的线18表示。磁电感器芯14可以放大由线圈12产生的磁场。应当理解，图1和图2的电气电感器10仅用于说明目的，并且电气电感器10可以具有替代的形状。例如，电气电感器10可以是环形电感器，包括气隙的C形电感器，或者可以是其中线圈被芯包围的设计。
电感器是一种电气装置，其包括围绕芯(例如，电感器芯14)缠绕成线圈(例如，线圈12)的电线。当电流流过线圈时，电感器将能量存储在磁场中。根据芯中使用的材料，电感器可以分为“空气芯”设计、“叠层芯”设计和/或“粉末芯”设计。在粉末芯电感器设计中，芯可以由铁磁性粉末构成，所述铁磁性粉末被电绝缘的非磁性基质包围，所述电绝缘的非磁性基质可以是粘结剂材料或基于聚合物的材料(诸如环氧树脂)。粉末芯电感器是一种分布式气隙芯，其可以具有所需的性质，诸如高电阻率、低涡流损耗和良好的电感稳定性。然而，随着构成电感器芯的非磁性基质材料的百分比增加，粉末芯电感器设计的磁导率降低。
参考图3，曲线图100示出了由磁性粉末和非磁性基质制成的电感器芯的相对磁导率，所述磁导率是基于磁性粉末的颗粒的形状和电感器芯的非磁性基质相对于电感器芯的总体积的体积。图3所示的磁导率是更具体地相对于真空磁导率。图3示出了由磁性粉末制成的电感器芯的导磁率随着电感器芯中的非磁性基质材料的体积相对于电感器芯的总体积增加而降低。
线102表示相对于由具有球状颗粒的磁性粉末制成的电感器芯的非磁性基质的体积的电感器芯的磁导率。为了保持相对磁导率为至少40(这在某些应用中电感器有用所需要的)，构成具有球状颗粒的电感器芯的非磁性基质材料的量需要减少到小于电感器芯总体积的7％。这可以通过利用压实成型来装载磁性粉末来实现，其中在电感器芯的制造期间向磁性粉末和非磁性基质材料施加大的压力，以便增加磁性粉末的体积并减小非磁性基质材料的体积。对于其他电感器芯制造方法，诸如注塑成型、传递成型和3D打印，可能难以在磁性粉末上施加足够大的负载来增加磁性粉末的体积并减少非磁性基质材料的体积。
磁性粉末的颗粒的形状由于去磁作用而影响芯的磁导率。具有盘状或片状颗粒的磁性粉末可以用于增加电感器芯相对于由非磁性基质材料组成的电感器芯的体积的磁导率。线104表示电感器芯相对于由具有盘状颗粒的磁性粉末制成的电感器芯的非磁性基质材料的体积的磁导率。参考图4，示出了具有盘状颗粒22的磁性粉末的灰度显微图像。盘状颗粒22可以各自具有半径r和厚度t。在优选的实施例中，每个盘状颗粒22的半径r与厚度t的比可以为至少2:1。在另一个优选的实施例中，每个盘状颗粒22的半径r与厚度t的比可以为至少10:1。
当电感器芯由具有盘状颗粒22的磁性粉末制成时，并且当盘状颗粒22的宽表面(或片状平面)24和半径r与电感器激励时电感器产生的外部磁场H对准时，芯磁导率随非磁性基质材料相对于由具有球状颗粒的磁性粉末制成的电感器芯的体积的变化而较慢地衰减。电感器芯的磁导率取决于盘状颗粒的宽表面24与由电感器产生的外部磁场之间的对准。盘状颗粒22的宽表面24的对准可以通过在用于构造电感器芯的制造或模制过程期间向电感器芯施加磁场来实现。在制造期间，磁场沿与电感器激励时将产生的外部磁场相同的方向施加，使得盘状颗粒22的宽表面24与随后电感器产生的外部磁场对准。更具体地，盘状颗粒22的宽表面24和半径r可以基本上平行于电感器激励时产生的外部磁场H，并且盘状颗粒22的厚度t可以基本上垂直于电感器激励时产生的外部磁场H。基本上平行可以指在完全平行到与完全平行相差10°的范围内的任何增量值。基本上垂直可以指在完全垂直到与完全垂直相差10°的范围内的任何增量值。
如图3所示，为了使芯的相对磁导率达到40或更高，可以将具有盘状颗粒22的电感器芯的非磁性基质材料的体积增加到电感器芯的总体积的26％，而由球状磁性颗粒制成的电感芯中的非磁性基质材料的体积可能只增加到电感器芯的总体积的7％。但是，一些电感器设计可能不需要芯的相对磁导率等于或大于40的芯。例如，一些设计可能只需要芯的相对磁导率大约为10或更高，这将进一步允许具有盘状颗粒22的电感器芯的非磁性基质材料的体积增加到电感器芯的总体积的70％。应当理解，未被非磁性基质材料占据的电感器的任何剩余体积将被磁性粉末占据。
具有横截面为圆形的细长纤维的磁性粉末可以用于增加电感器芯相对于由非磁性基质材料组成的电感器芯的体积的磁导率。图3中的线106表示电感器芯相对于由具有细长纤维的磁性粉末制成的电感器芯的非磁性基质材料的体积的磁导率。参考图5A和图5B，示出了具有细长纤维26的磁性粉末的灰度显微图像。所述细长纤维26可以各自具有长度l和圆形横截面28。每根细长纤维26的圆形横截面28可以具有半径r。在优选的实施例中，每根细长纤维26的长度l与半径r的比可以为至少2:1。在另一个优选的实施例中，每根细长纤维26的长度l与半径r的比可以为至少10:1。
当电感器芯由具有细长纤维26的磁性粉末制成并且细长纤维26的长轴或长度l与电感器激励时产生的外部磁场H对准时，芯磁导率随非磁性基质材料相对于由具有球状颗粒的磁性粉末制成的电感器芯和由具有盘状颗粒的磁性粉末制成的电感器芯的体积的变化而更慢地衰减。电感器芯的磁导率取决于细长纤维26的长度l与由电感器产生的外部磁场之间的对准。细长纤维26的长度l的对准可以通过在用于构造电感器芯的制造或模制过程期间施加磁场来实现。在制造期间，磁场沿与电感器激励时将产生的外部磁场相同的方向施加，使得细长纤维26的长度l与随后电感器产生时的外部磁场对准。更具体地，细长纤维26的长度l可以与电感器激励时产生的外部磁场H基本上平行，并且细长纤维26的圆形横截面28(或更具体地，表示圆形横截面28的表面)可以基本上垂直于电感器激励时产生的外部磁场H。基本上平行可以指在完全平行到与完全平行相差10°的范围内的任何增量值。基本上垂直可以指在完全垂直到与完全垂直相差10°的范围内的任何增量值。
如图3所示，为了使芯的相对磁导率达到40或更高，可以将具有细长纤维26的电感器芯的非磁性基质材料的体积增加到电感器芯的总体积的58％，而由球状磁性颗粒制成的电感芯中的非磁性基质材料的体积可能只增加到电感器芯的总体积的7％。但是，一些电感器设计可能不需要芯的相对磁导率等于或大于40的芯。例如，一些设计可能只需要芯的相对磁导率大约为10或更高，这将进一步允许具有细长纤维26的电感器芯的非磁性基质材料的体积增加到电感器芯的总体积的90％。应当理解，未被非磁性基质材料占据的电感器的任何剩余体积将被磁性粉末占据。
与由磁性球状粉末制成的芯相比，由薄片和纤维制成的芯可能会增加涡流损耗，这是由于在电感器线圈产生的外部磁场中粉末的尺寸较大所致。为了平衡芯损耗和芯磁导率，具有球状颗粒和盘状颗粒和/或细长纤维的磁性粉末可以用于构造电感器芯。提出了几种用于电感器芯的磁性粉末设计，这些设计实现有用的磁导率，同时又不将非磁性相限于电感器芯总体积的小百分比。
参考图6，示出了由磁性粉末和非磁性基质材料32制成的电感器芯30的第一实施例。应当理解，电感器芯30是包括电感器芯30和线圈(例如，图1和图2)的电感器的子部件。出于说明目的，线圈未包括在图6中。所述磁性粉末由球状颗粒34和盘状颗粒36组成。盘状颗粒36具有与关于图4描述的盘状颗粒22相同的性质。盘状颗粒36的宽表面和半径r可以基本上平行于电感器激励时产生的外部磁场H。盘状颗粒36的厚度t可以基本上垂直于电感器激励时产生的外部磁场H。非磁性基质材料32占磁芯30的体积范围可以为在磁芯总体积的5％与70％之间，而磁性粉末占磁芯的体积范围可以为在磁芯30的总体积的30％与95％之间。
参考图7，示出了由磁性粉末和非磁性基质材料42制成的电感器芯40的第二实施例。应当理解，电感器芯40是包括电感器芯40和线圈(例如，图1和图2)的电感器的子部件。出于说明目的，线圈未包括在图7中。所述磁性粉末由球状颗粒44和细长纤维46组成。细长纤维46具有与关于图5A描述的细长纤维26相同的性质。细长纤维46的长度l可以基本上平行于电感器激励时产生的外部磁场H。细长纤维46的圆形横截面48(或更具体地，表示圆形横截面48的表面)可以基本上垂直于电感器激励时产生的外部磁场H。非磁性基质材料42占磁芯40的体积范围可以为在磁芯总体积的5％与70％之间，而磁性粉末占磁芯的体积范围可以为在磁芯40的总体积的30％与95％之间。
参考图8，示出了由磁性粉末和非磁性基质材料52制成的电感器芯50的第三实施例。应当理解，电感器芯50是包括电感器芯50和线圈(例如，图1和图2)的电感器的子部件。出于说明目的，线圈未包括在图8中。所述磁性粉末由球状颗粒54、盘状颗粒56和细长纤维58组成。盘状颗粒56具有与关于图4描述的盘状颗粒22相同的性质。盘状颗粒56的宽表面和半径r可以基本上平行于电感器激励时产生的外部磁场H。盘状颗粒56的厚度t可以基本上垂直于电感器激励时产生的外部磁场H。细长纤维58具有与关于图5A描述的细长纤维26相同的性质。细长纤维58的长度l可以基本上平行于电感器激励时产生的外部磁场H。细长纤维58的圆形横截面60(或更具体地，表示圆形横截面60的表面)可以基本上垂直于电感器激励时产生的外部磁场H。非磁性基质材料52占磁芯50的体积范围可以为在磁芯总体积的5％与70％之间，而磁性粉末占磁芯的体积范围可以为在磁芯50的总体积的30％与95％之间。
在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以做出各种改变。如前所描述的，各个实施例的特征可以被组合以形成可能没有被明确描述或示出的其他实施例。尽管各个实施例可能已经被描述为就一个或多个所期望特性而言相较其他实施例或现有技术实现方式来说提供优点或是优选的，但是本领域的普通技术人员将认识到，一个或多个特征或特性可以折衷以实现期望的总体***属性，这取决于特定应用和实现方式。因而，就一个或多个特性而言被描述为不如其他实施例或现有技术实现方案理想的实施例处在本公开的范围内，并且对于特定应用来说可能是期望的。
根据本发明，提供了一种被配置成产生磁场的电感器，所述电感器具有：围绕磁芯设置的线圈，所述芯包括悬浮在非磁性基质中的磁性粉末，所述磁性粉末具有球状颗粒和盘状颗粒，所述盘状颗粒具有半径和厚度，其中盘状颗粒的半径与磁场基本上平行，并且盘状颗粒的厚度基本上垂直于产生的磁场。
根据实施例，非磁性基质占磁芯的体积的范围为在磁芯的总体积的5％与70％之间。
根据实施例，磁性粉末占磁芯的体积的范围为在磁芯的总体积的30％与95％之间。
根据实施例，盘状颗粒的半径与厚度之比为至少2:1。
根据实施例，磁性粉末还包括具有与磁场基本上平行的长度的细长纤维。
根据实施例，所述细长纤维具有基本上垂直于磁场的圆形横截面。
根据实施例，纤维的长度与纤维的圆形横截面的半径的比为至少2:1。
根据本发明，一种被配置成产生磁场的电感器包括：围绕磁芯设置的线圈，所述芯包括悬浮在非磁性基质中的磁性粉末，所述磁性粉末具有球状颗粒和细长纤维，所述细长纤维具有长度和圆形横截面，其中纤维的长度与磁场基本上平行，并且纤维的横截面基本上垂直于产生的磁场。
根据实施例，非磁性基质占磁芯的体积的范围为在磁芯的总体积的5％与70％之间。
根据实施例，磁性粉末占磁芯的体积的范围为在磁芯的总体积的30％与95％之间。
根据实施例，纤维的长度与纤维的圆形横截面的半径的比为至少2:1。
根据实施例，磁性粉末还包括具有半径和厚度的盘状颗粒，其中盘状颗粒的半径与磁场基本上平行。
根据实施例，盘状颗粒的厚度基本上垂直于磁场。
根据实施例，盘状颗粒的半径与厚度的比为至少2:1。
根据本发明，提供了一种被配置成产生磁场的电感器，其具有：围绕磁芯设置的线圈，所述芯包括悬浮在非磁性基质中的磁性粉末，所述磁性粉末包括球状颗粒、具有与产生的磁场基本上平行的半径的盘状颗粒和具有与产生的磁场基本上平行的长度的细长纤维。
根据实施例，非磁性基质占磁芯的体积的范围为在磁芯的总体积的5％与70％之间。
根据实施例，盘状颗粒具有基本上垂直于磁场的厚度。
根据实施例，盘状颗粒的半径与厚度的比为至少2:1。
根据实施例，所述细长纤维具有基本上垂直于磁场的圆形横截面。
根据实施例，纤维的长度与纤维的圆形横截面的半径的比为至少2:1。

Claims (15)

1.一种被配置成产生磁场的电感器，其包括：
围绕磁芯设置的线圈，所述芯包括悬浮在非磁性基质中的磁性粉末，所述磁性粉末具有球状颗粒和盘状颗粒，所述盘状颗粒具有半径和厚度，其中所述盘状颗粒的所述半径与所述磁场基本上平行，并且所述盘状颗粒的所述厚度基本上垂直于所述产生的磁场。
2.如权利要求1所述的电感器，其中所述非磁性基质占所述磁芯的体积的范围为在所述磁芯的总体积的5％与70％之间。
3.如权利要求1所述的电感器，其中所述磁性粉末占所述磁芯的体积的范围为在所述磁芯的总体积的30％与95％之间。
4.如权利要求1所述的电感器，其中所述盘状颗粒的所述半径与所述厚度的比为至少2:1。
5.如权利要求1所述的电感器，其中磁性粉末还包括具有与所述磁场基本上平行的长度的细长纤维。
6.如权利要求5所述的电感器，其中所述细长纤维具有基本上垂直于所述磁场的圆形横截面。
7.如权利要求6所述的电感器，其中所述纤维的所述长度与所述纤维的所述圆形横截面的半径的比为至少2:1。
8.一种被配置成产生磁场的电感器，其包括：
围绕磁芯设置的线圈，所述芯包括悬浮在非磁性基质中的磁性粉末，所述磁性粉末具有球状颗粒和细长纤维，所述细长纤维具有长度和圆形横截面，其中所述纤维的所述长度与所述磁场基本上平行，并且所述纤维的所述横截面基本上垂直于所述产生的磁场。
9.如权利要求8所述的电感器，其中所述纤维的所述长度与所述纤维的所述圆形横截面的半径的比为至少2:1。
10.如权利要求8所述的电感器，其中磁性粉末还包括具有半径和厚度的盘状颗粒，其中所述盘状颗粒的所述半径与所述磁场基本上平行。
11.如权利要求10所述的电感器，其中所述盘状颗粒的所述厚度基本上垂直于所述磁场。
12.如权利要求10所述的电感器，其中所述盘状颗粒的所述半径与所述厚度的比为至少2:1。
13.一种被配置成产生磁场的电感器，其包括：
围绕磁芯设置的线圈，所述芯包括悬浮在非磁性基质中的磁性粉末，所述磁性粉末包括，
球状颗粒，
具有与所述产生的磁场基本上平行的半径的盘状颗粒，以及
具有与所述产生的磁场基本上平行的长度的细长纤维。
14.如权利要求13所述的电感器，其中所述盘状颗粒具有基本上垂直于所述磁场的厚度。
15.如权利要求13所述的电感器，其中所述细长纤维具有基本上垂直于所述磁场的圆形横截面。
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