CN111226295A

CN111226295A - 线圈

Info

Publication number: CN111226295A
Application number: CN201880036853.7A
Authority: CN
Inventors: 托德·赛德尔
Original assignee: Comsys AB
Current assignee: Comsys AB
Priority date: 2017-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2020-06-02
Also published as: DK3625810T3; EP3625810B1; US12014862B2; WO2018210842A1; US20200194163A1; EP3625810A1

Abstract

本披露涉及一种线圈(100)，该线圈包括：多部分导体(110)，该多部分导体具有(相对于其截面而言的)长延伸部，该多部分导体包括彼此电绝缘的两个或更多个导体(A，B)，其中，在该多部分导体(110)的截面中，所述两个或更多个导体(A，B)中的至少两个导体在中心轴线(120)的方向上彼此邻近地布置，其中，所述多部分导体(110)绕该中心轴线(120)缠绕多于一匝，使得该多部分导体(110)的第一部分(130)在该中心轴线(120)的方向上与该多部分导体(110)的第二部分(132)邻近地布置，并且其中，对于每一匝，所述两个或更多个导体(A，B)的所述邻近布置相对于彼此并且相对于该线圈(100)的中心轴线(120)的方向是相同的。

Description

线圈

技术领域

本披露涉及一种线圈。更具体地，本披露涉及一种电磁线圈。

背景技术

电磁线圈是电导体，诸如呈线圈、螺线或螺旋形状的导线。电磁线圈用于电气工程中、用于电流与磁场相互作用的应用中、用于诸如电感器、电磁体、变压器和传感器线圈等设备中。

对于需要相对较大交流电流的应用，即有源前端输出滤波器的扼流圈、驱动器的输出滤波器的dU/dt扼流圈、有源谐波滤波器的电网侧扼流圈，将存在较大的时变磁场。这种磁场将通过电磁感应影响在电导体内流动的电流的分布。交变磁场在邻近导体中感应涡流，从而影响流过这些邻近导体的电流的分布。结果是电流集中在导体的距承载同一方向电流的附近导体最远的区域。与邻近导体对DC电流的电阻相比，这种所谓的邻近效应(proximity effect)可以显著增加这些邻近导体的AC电阻。效果随频率增加。在更高的频率下，导体的AC电阻可以很容易超过其DC电阻的十倍。此外，由于交流电流而感应的涡流也会影响单条导线内的电流分布。这种所谓的趋肤效应(skin effect)也将有助于增加导体的AC电阻。顾名思义，电流将主要在导体的“表皮”上流动。更具体地，电流将主要在导体的外表面与导体内被称为趋肤深度的水平之间流动。因此，趋肤效应和邻近效应实际上是相同的整体物理机制的结果，即由于时变磁场的存在而感应的涡流。

由于邻近效应和趋肤效应而增加的导体中的AC电阻对于高能量交流电流应用可能会成为一个重大问题。一个缺点是更高的电阻将在系统中引入不想要的功率损耗。这进而将在导体内生成不想要的热量，并从而升高系统的温度。此外，这将使线圈较为低效。

发明内容

因此，需要一种允许降低线圈导体内电流分布的不均匀性的经改进的线圈。因此，根据第一方面，提供了一种线圈，该线圈包括：多部分导体，该多部分导体具有相对于其截面而言的长延伸部，该多部分导体包括具有基本相等截面的彼此电绝缘的两个或更多个导体，其中，在该多部分导体的截面中，所述两个或更多个导体中的至少两个导体在中心轴线的方向上彼此邻近地布置，其中，所述多部分导体绕该中心轴线缠绕多于一匝，使得该多部分导体的第一部分在该中心轴线的方向上与该多部分导体的第二部分邻近地布置，并且其中，对于每一匝，所述两个或更多个导体的所述邻近布置相对于彼此并且相对于该线圈的中心轴线的方向是相同的。

该多部分导体充当传统线圈中的导线，但是该多部分导体的导体很大并且看起来更像弯曲的金属杆或金属带。该多部分导体中的该多个导体相当于传统线圈的导线中的线股。

该线圈可以是有利的，因为其有助于两个导体内部更均匀的电流分布。其原因之一是，在趋肤深度与导体大小相比较小的情况下，在该多部分导体内使用两个或更多个导体可以帮助更有效地分布电流，从而降低最大电流密度。另一个原因是，由于该多部分导体的缠绕方式，该两个或更多个导体相对于该线圈的边缘的位置发生了变化。因此，该多部分导体中的第一导体在第一部分中将位于靠近该线圈的边缘的位置，使得该第一导体沿该中心轴线的方向具有仅位于该第一导体的一侧的与该第一导体不同的导体。然而，在该多部分导体中的第二部分中，该第一导体将位于该线圈内部，使得该第一导体沿该中心轴线的方向具有位于该第一导体的两侧的与该第一导体不同的(多个)导体。

位于边缘处的导体部分将经受最强的邻近效应，这是因为由邻近导体生成的磁场将相长地添加到该位于边缘处的导体部分内的场。沿该中心轴线的方向位于该线圈内的导体部分将经受较弱的邻近效应，因为由两侧的邻近导体生成的磁场将部分相消地添加到位于该线圈内的导体部分内的磁场。由于每个导体将部分地位于靠近边缘的位置并且部分地位于线圈内部的位置，因此整体的邻近效应将减小，并且因此该线圈的整体电阻将降低。进一步的优点是，该两个或更多个导体将受到相似程度的涡流的影响。因此，当该两个或更多个导体并联连接到AC电源时，该两个或更多个导体中的每个导体中的AC电阻以及因此电流将是相似的。仍进一步的优点是，该多部分导体中的导体将具有相同的长度，从而呈现相等的电阻。

根据一些实施例，该线圈进一步包括插入所述第一部分与所述第二部分之间的至少一个电绝缘元件。该电绝缘元件具有使该多部分导体的一层匝与该多部分导体的另一层匝电绝缘的功能，其中，这些层在该线圈的中心轴线的方向上彼此插叠。该电绝缘元件具有使该线圈的谐振频率增加到更高频率的效果。

根据一些实施例，该线圈进一步包括输入接口，其中，该输入接口被适配用于将电流输入到该多部分导体的该两个或更多个导体中。该输入接口用于在该多部分导体中的所有导体中输入相同的电流，并且可以例如是焊接方案或者将该多部分导体中的导体连接在一起的任何解决方案。

根据一些实施例，该多部分导体绕该中心轴线缠绕多匝。

根据一些实施例，该多部分导体绕该中心轴线缠绕，使得在第一匝中该中心轴线与该多部分导体之间的距离大于在第二匝中该中心轴线与该多部分导体之间的距离。

根据一些实施例，该多部分导体进一步包括将该第一部分与该第二部分进行连接的中间部分，其中，该中间部分位于同该中心轴线与该多部分导体之间的最近距离相对应的位置。通过将该中间部分朝向该中心轴线放置，并且从该线圈的中间缠绕匝，该线圈的连接部分将相对于该中心轴线位于该线圈的外部。线圈的这种绕组有时称为α线圈或α绕组。这些线圈相对于该线圈的中心轴线从中间缠绕两层匝。这些层沿相反的方向缠绕，其中后来的匝相对于中心轴线位于先前的匝之外，使得缠绕导体的连接部分都相对于该中心轴线位于该线圈的外围。

根据一些实施例，该两个或更多个导体具有基本上矩形的截面，该两个或更多个导体中的每个导体都布置成使得该导体的截面的最长尺寸垂直于该中心轴线。由此使该多部分导体的邻近效应最小化。

根据一些实施例，该两个或更多个导体具有基本上矩形的截面，该两个或更多个导体中的每个导体都布置成使得该导体的截面的最长尺寸与该中心轴线共线。由于每个导体于是更容易弯曲，因此有助于对使用多部分导体的线圈的制造。

根据一些实施例，该两个或更多个导体的截面的尺寸分别在1mm至8mm和5mm至25mm的范围内。

根据一些实施例，该两个或更多个导体通过绝缘材料与彼此电绝缘。根据一些实施例，每个导体被以重叠方式缠绕该导体的绝缘带材料电绝缘开。

根据一些实施例，每个导体的电绝缘进一步包括浸渍到该绝缘带材料中的热固性聚合物。

根据一些实施例，该热固性聚合物为以下各项中的一项或多项：树脂、环氧树脂、聚氨酯、清漆。

根据一些实施例，该多部分导体包括两个导体。这可以是优点，因为该两个导体中的每个导体都将布置在该线圈的边缘，从而有效地减小了由于邻近效应引起的电阻。

应当理解，该多部分导体可以具有多于两个导体。例如，根据一些实施例，该多部分导体包括三个导体。使用多于两个导体的优点在于，由于趋肤效应而导致的AC电阻将降低。但是，使用多于两个导体将增加由于邻近效应而导致的AC电阻，因为某些导体不会存在于边缘处。因此，将存在影响AC电阻的竞争过程。因此，可以根据线圈的优选性能来不同地选择导体的数量。

根据以下给出的详细说明，本发明的进一步适用范围将变得清楚。然而，应理解，虽然指示了本发明的优选实施例，但详细说明和具体示例仅以说明性的方式给出，因为本领域普通技术人员根据该详细说明将清楚本发明的范围内的各种变化和修改。

因此，应当理解，本发明不限于所描述的设备的特定零部件或所描述的方法的步骤，因为这种设备和方法可以改变。还应当理解，本文所使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，并不旨在是限制性的。必须注意，除非上下文另有明确规定，否则如在本说明书和所附权利要求中所使用的那样，冠词“一(a，an)”、“该(the)”以及“所述”旨在是指存在一个或多个元件。因此，例如，提及“单元”或“该单元”可以包括若干设备等。此外，词语“包含(comprising)”、“包括(including)”、“含有(containing)”和类似用语不排除其他元件或步骤。

附图说明

将参照附图通过举例更详细地描述本发明，这些附图示出了当前优选的实施例。

图1示出了根据本披露的实施例的包括两个导体的线圈的透视图。

图2示出了图1中的线圈的透视图，其中，该线圈被隔离胶带缠绕。

图3示出了图2中的线圈的截面。

图4示出了根据本披露的实施例的包括三个导体的线圈的透视图。

具体实施方式

现在下文将参照这些附图对本发明进行更全面地描述，在附图中示出了本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以被实施为许多不同的形式并且不应被解释为限于在此提出的这些实施例；而是，这些实施例被提供用于获得彻底性和完整性、并且向技术人员充分地传达本发明的范围。

图1示出了包括多部分导体110的线圈100。线圈100旨在用于高交流电流应用，诸如有源滤波器等。多部分导体110包括两个导体A、B，该两个导体通过电绝缘清漆层118与其周围环境并且与彼此电绝缘。清漆层118非常薄并且仅约20μm厚。该两个导体A、B在线圈100的中心轴线120的方向上彼此邻近地布置。多部分导体110绕中心轴线120缠绕多于一匝。在图1所示的示例中，多部分导体110绕中心轴线120缠绕6匝。多部分导体110绕中心轴线120缠绕，使得该多部分导体的第一部分在中心轴线120的方向上与该多部分导体的第二部分邻近地布置。这种几何形状有助于这两个导体A、B内部更均匀的电流分布，因为由于多部分导体110的缠绕方式，这两个导体A、B相对于彼此的位置发生了变化。例如，参考图1，多部分导体110中的第一导体A在第一部分130中将位于靠近线圈100的边缘的位置，使得第一导体A沿中心轴线120的方向具有仅位于第一导体A的一侧的第二导体B。然而，在该多部分导体中的第二部分132中，第一导体A将位于线圈内部，使得第二导体沿中心轴线120的方向位于第一导体A的两侧。通过这种布置，每个导体将部分地位于靠近线圈的边缘的位置并且部分地位于线圈内部。这可以降低在导体上感应的涡流的影响，并且因此可以降低线圈的整体AC电阻。对于低AC频率和/或对于较小的导体截面面积，效果将更加明显。进一步的优点是，这两个导体将受到相似程度的涡流的影响。因此，当这两个导体并联连接到AC电源时，第一导体A中的电流将类似于第二导体B中的电流。

为了能够实现刚刚描述的绕组，可行的是：从中间部分开始绕组，其中，该多部分导体在中心轴线120的方向上从第一部分130到第二部分132；并且在两个方向上成匝地缠绕该多部分导体110，针对这些匝中的每一匝，第一部分130和第二部分132分别缠绕以使得每个新匝比前一匝更远离中心轴线120。连接部分136、138由此可以相对于中心轴线位于外侧，并且相对于中心轴线120位于相同的角度位置。

导体之间的任何空隙均由环氧树脂填充，以避免在线圈中形成气隙从而以不利的方式影响热传导。

参照图1至图4，线圈100进一步包括插入第一部分130与第二部分132之间的电绝缘元件114。电绝缘元件114具有使多部分导体110的一层匝与多部分导体110的另一层匝电绝缘的功能，其中，这些层在线圈的中心轴线120的方向上彼此插叠。电绝缘元件114可以由塑料材料、玻璃钢等制成。该基板具有使线圈的谐振频率增加到更高频率的效果。因此，由电绝缘元件114提供的电绝缘程度(例如由该电绝缘元件的材料和/或厚度决定)可以用于根据特定要求改变线圈100的谐振频率。

如图1所示，导体A、B具有基本上矩形的截面。此外，导体A、B中的每一个被布置成使得该导体的截面的最长尺寸垂直于中心轴线120。在线圈100中，导体A、B的截面在与中心轴线120平行的维度上的尺寸为3mm，并且在与中心轴线120垂直的方向上的尺寸为12mm。

如图1中可见，线圈100绕中心轴线120绕了六匝。线圈进行缠绕，使得多部分导体110的第一部分130(“顶层”)和多部分导体110的第二部分132(“底层”)具有相似的长度，即对应于约三匝的长度。除了第一部分130和第二部分132之外，多部分导体110还将包括中间部分134，该中间部分被布置成将第一部分130与第二部分132进行连接。此外，线圈将包括被布置成连接到例如电网和/或电路的连接部分136、138。

此外，第一部分130和第二部分132中的每一个包括三匝。如图1中可见，这通过以下方式实现：使多部分导体110绕中心轴线120缠绕，使得在第一匝中中心轴线120与该多部分导体之间的距离大于在第二匝中中心轴线120与多部分导体110之间的距离。换言之，对于多部分导体110的每个部分，多部分导体110进行缠绕以便遵循从线圈的外(较大)半径的位置到线圈110的内(较短)半径的位置的螺线曲率。

电绝缘对于线圈的可靠操作至关重要。在图2和图3中，示出了线圈如何具有绝缘罩112，该绝缘罩包括以重叠方式缠绕导体的隔离带材料。这种隔离带材料的一个示例是DuPont^TM的

410。该重叠通常约为50％。隔离带材料使用树脂或清漆浸渍，以产生具有高度均匀性的高度电绝缘。在绝缘层中，沿导体A、B的特定位置处可能出现诸如小气穴的缺陷。这种缺陷可能会严重降低热传导，并且此外，由于导体的邻近部分之间的局部放电而增加撕裂的风险。为了克服这个问题，对线圈进行处理，使得气穴充满热固性聚合物，诸如清漆、树脂、环氧树脂或聚氨酯116。通过将另一种材料(例如，氧化铝或氢氧化铝)添加到热固性聚合物中，可以进一步增加热传导。可以通过使用真空渗透来减轻对腔的有效填充。

线圈可以包括具有多于两个导体的多部分导体210。图4示出了具有包括三个导体A、B、C的多部分导体的线圈200。对于线圈200，第二导体B沿着中心轴线120的方向将始终在第二导体B的两侧都存在另一导体。然而，第一导体A和第三导体C将位于多部分导体210的第一部分230或第二部分232内在线圈200的边缘处。

本领域的技术人员认识到，本发明决不会局限于上述优选实施例。相反地，在所附权利要求的范围内，许多修改和变化是可能的。

例如，多部分导体可以包括沿中心轴线120的方向并且也可能沿着与线圈的径向轴线平行的轴线布置的多个导体。这些导体可以具有非矩形的截面，如例如圆形的截面。

可替代地，所披露的实施例的变化可以由技术人员在实践所要求保护的发明时通过学习附图、披露内容、以及所附权利要求来理解并实现。

Claims

1.一种线圈(100)，包括：

多部分导体(110)，该多部分导体具有(相对于其截面而言的)长延伸部，该多部分导体包括(具有相等截面的)彼此电绝缘开的两个或更多个导体(A，B)，

其中，在该多部分导体(110)的截面中，所述两个或更多个导体(A，B)中的至少两个导体在该线圈(100)的中心轴线(120)的方向上彼此邻近地布置，

其中，所述多部分导体(110)绕该中心轴线(120)缠绕多于一匝，使得该多部分导体(110)的第一部分(130)在该中心轴线(120)的方向上与该多部分导体(110)的第二部分(132)邻近地布置，并且

其中，对于每一匝，所述两个或更多个导体(A，B)的所述邻近布置相对于彼此并且相对于该线圈(100)的中心轴线(120)的方向是相同的。

2.根据权利要求1所述的线圈(100)，进一步包括至少一个电绝缘元件(114)，该至少一个电绝缘元件插在所述第一部分(130)与所述第二部分(132)之间。

3.根据权利要求1或2所述的线圈(100)，进一步包括输入接口，其中，该输入接口被适配用于将电流输入到该多部分导体(110)的该两个或更多个导体(A，B)中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的线圈(100)，其中，所述多部分导体(110)绕该中心轴线(120)缠绕多匝。

5.根据前述权利要求中任一项所述的线圈(100)，其中，所述多部分导体(110)绕该中心轴线(120)缠绕，使得在第一匝中该中心轴线(120)与该多部分导体(110)之间的距离大于在第二匝中该中心轴线(120)与该多部分导体(110)之间的距离。

6.根据权利要求5所述的线圈(100)，其中，该多部分导体(110)进一步包括将所述第一部分(130)与所述第二部分(132)进行连接的中间部分(134)，其中，所述中间部分(134)位于同所述中心轴线(120)与所述多部分导体(110)之间的最近距离相对应的位置处。

7.根据前述权利要求中任一项所述的线圈(100)，其中，该两个或更多个导体(A，B)具有基本为矩形的截面，该两个或更多个导体(A，B)中的每个导体都布置成使得该导体的截面的最长尺寸垂直于该中心轴线(120)。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的线圈(100)，其中，该两个或更多个导体(A，B)具有基本为矩形的截面，该两个或更多个导体(A，B)中的每个导体都布置成使得该导体的截面的最长尺寸与该中心轴线(120)共线。

9.根据前述权利要求中任一项所述的线圈(100)，其中，该两个或更多个导体(A，B)的截面的尺寸分别在1mm至8mm和5mm至25mm的范围内。

10.根据前述权利要求中任一项所述的线圈(100)，其中，该两个或更多个导体(A，B)通过绝缘材料与彼此电绝缘。

11.根据前述权利要求中任一项所述的线圈(100)，其中，每个导体被以重叠方式缠绕该导体的绝缘带材料电绝缘开。

12.根据权利要求11所述的线圈(100)，其中，每个导体的电绝缘进一步包括浸渍到该绝缘带材料中的热固性聚合物。

13.根据权利要求12所述的线圈(100)，其中，该热固性聚合物为以下各项中的一项或多项：树脂、环氧树脂、聚氨酯、清漆。

14.根据前述权利要求中任一项所述的线圈(100)，其中，该多部分导体(110)包括两个导体(A，B)。

15.根据权利要求1至13中任一项所述的线圈(200)，其中，该多部分导体(110)包括三个导体(A，B，C)。