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CN1457498A - 具有对初级和次级绕组之间互自感容性并联补偿的感应耦合系统 - Google Patents

具有对初级和次级绕组之间互自感容性并联补偿的感应耦合系统 Download PDF

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CN1457498A
CN1457498A CN02800487A CN02800487A CN1457498A CN 1457498 A CN1457498 A CN 1457498A CN 02800487 A CN02800487 A CN 02800487A CN 02800487 A CN02800487 A CN 02800487A CN 1457498 A CN1457498 A CN 1457498A
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Abstract

为了提高感应式耦合系统的性能，通过对在磁轭之间气隙附近的初级磁轭(2)和/或次级磁轭(6)上添加辅助绕组(26，28)来增加初级绕组(4)和次级绕组(8)之间的磁耦合。电容器(30，32)连接在辅助绕组(26，28)上，并与辅助绕组的电感一起在初级AC电压(Vp)的工作频率上谐振。结果就增加了初级和次级(4，8)绕组之间的磁耦合，而不必增大磁组合的尺寸。

Description

具有对初级和次级绕组之间互自感容性并联补偿的 感应耦合系统
本发明涉及一种感应式耦合系统，该系统包括：具有初级磁轭(2)和次级磁轭(6)的可磁化铁芯，在初级磁轭(2)上提供有用于与AC电源(Vp)连接的初级绕组(4)，在次级磁轭(6)上提供有次级绕组(8)，初级磁轭(2)和次级磁轭(6)具有相对应的端面(10，14；12，16)，这些端面用于在初级磁轭(2)和次级磁轭(6)之间传递磁能。
这样的感应式耦合系统称为变压器，它可以构成或可以不构成运行在高频下的DC-DC变换器的一部分，在该变压器中，变压器铁芯的初级和次级磁轭的相互之间是固定放置的，并且相互之间在机械上是完整的。一个实例是所谓的“电源插头”(power plug)，其中，通过DC-DC转换器将电网电压转换成较低的运行电压，该较低的运行电压与电网电压之间没有直接的电气接触。
这样的感应式耦合系统还有熟知的用于可重复充电设备中的无接触式感应充电系统，如可重复充电设备如电动牙刷、剃须刀和移动电话。在此情况下，初级和次级磁轭可以分开，将初级磁轭容纳在所谓的“支架”(stand)中，而将次级磁轭容纳在可重复充电设备中。可重复充电设备在使用之后放置在支架的后面，初级和次级磁轭之间这样相互放置，以使磁轭与它们的绕组再次形成变压器。
在上述两种情况中，磁轭的端面之间的相对较大的气隙减弱了耦合系统的初级部分与次级部分之间的磁耦合。在固定变压器的情况中，可能是成本和尺寸公差的原因引起这种较大的气隙，而在感应充电系统的情况中，主要的原因是由于支架和设备设计的特性。较大气隙的结果是使得从初级磁轭端面发出很大一部分磁力线不会被相应的次级磁轭的端面所检测到。这就导致很大无功电流流经初级绕组，并在初级绕组与驱动初级绕组的电子元件中产生损耗。
一个解决方法是可以增加磁轭的尺寸以使磁轭之间的磁耦合增强，但这样做一方面将导致成本增加，另一方面限制了设计的自由。
因此，本发明的一个目的是提供一种感应式耦合系统，该系统表现出在耦合系统的初级和次级部分之间改善的磁耦合。
为了实现上述目的，在介绍中所指的感应耦合的特征是，所述的感应式耦合系统包括了在初级AC电压的频率下，对耦合系统的互自感进行容性并联补偿的装置。
在感应式耦合系统的等效模型中，初级和次级部分之间的磁耦合由互自感表示。较弱的磁耦合表明它自己与初级漏感相比是较低值的互自感。容性并联补偿提供了一个与互自感并联连接的电容，并且该电容与互自感一起形成在初级绕组AC电源的频率上谐振的并联谐振电路。在并联谐振的情况中，并联电路的阻抗高，且几乎不再有无功电流从并联电路流出和流向并联电路。这样将相当大地减少气隙的阻碍影响，因此，几乎所有的磁能将从耦合系统的初级部分流向次级部分而不需要对它们磁轭的尺寸作改动。
容性并联补偿最好以辅助绕组的形式实现，该辅助绕组被安放在至少一个上述的端面附近，电容与辅助绕组连接并与辅助绕组一起在初级AC电源的频率上谐振。
所附权利要求中请求保护的各种优点可以通过在感应式耦合系统的磁轭上安装一个或更多个辅助绕组来实现，所述磁轭可以是U型或E型的。
以下将参考附图对本发明作更详细的说明，其中：
图1示意性的表示了传统感应式耦合系统；
图2是传统感应式耦合系统的电气等效电路图；
图3是依据本发明的感应式耦合系统的电气等效电路图；
图4表示依据本发明的感应式耦合系统的第一个实施例；
图5表示依据本发明的感应式耦合系统的第二个实施例；
图6表示依据本发明的感应式耦合系统的第三个实施例；
图7表示依据本发明的感应式耦合系统的第四个实施例；
图8是提供了依据本发明感应式耦合系统的可重复充电设备与支架的组合的简单电气图；以及
图9是图8组合的正面图。
在图中相应的元件用相同的参考符号表示。
图1示意性的表示了传统的感应式耦合系统。该系统包括具有初级磁轭2和次级磁轭6的可磁化铁芯，在初级磁轭2上提供有能与初级AC电源Vp连接的初级绕组4，在次级磁轭6上提供有用于导出次级AC电源Vs的次级绕组8。初级磁轭2和次级磁轭6是例如U型的，并且初级绕组4和次级绕组8都被安放在各自磁轭的中央部分。初级磁轭2具有两个端面10和12，它们分别与相应的端面14和16相对，气隙18安排于相应的端面之间。
初级磁轭2和次级磁轭6相互之间可以固定放置，例如，在用于电网电压适配器的变压器中，也叫做电源插头(power plug)。但是，磁轭也可以是可分离的，初级磁轭被放在充电装置中或支架中，在支架中可以放置可重复充电设备。次级磁轭放在可重复充电设备中，并且当可重复充电设备放置在支架中时，次级磁轭的端面处于与初级磁轭端面相对位置。可重复充电设备和支架两者均具有外壳，并且为了强度和安全的原因，不能使用极小壁厚的外壳，以使在支架中的初级磁轭的端面与在可重复充电设备中的次级磁轭的端面之间的距离达到最小。因此相应地就存在相对较大的气隙18。
相对较大的气隙18导致初级磁轭2和次级磁轭6之间较弱的磁耦合，因为在初级磁轭2中产生的磁力线的大部分不能由次级磁轭6探测到。这将导致无功电流流过初级绕组4，其结果将导致在初级绕组自身和在初级绕组的驱动电子元件中的较大的欧姆损耗。所有这些对系统的效率和成本都有不利的影响。虽然通过增加磁轭的尺寸，同时增大了端面，能够提高效率，但是这样做将同时导致较高的成本并减小设计的自由。
图2表示依据图1的感应式耦合系统的电气等效电路图，其中Lsp是初级漏感，Lss是次级漏感，而互自感Lm表示节点22和公共节点24之间的漏感。符合要求的变压器要求节点22和24之间与初级漏感Lsp和次级漏感Lss相比最大的阻抗，即互自感Lm，。
由于这样不能得到最小尺寸的气隙和/或较大的磁轭尺寸，所以如图3所示，通过与互自感Lm并联连接的电容Cm来获得节点22和24之间的较高阻抗。能够获得节点22和24之间的非常高的阻抗，是因为该系统运行在互自感Lm与互电容Cm产生并联谐振的频率下。换句话说，发生了对互自感的容性并联补偿。
图4表示对互自感进行容性并联补偿的感应式耦合系统的第一个实施例。为此，在初级磁轭2的端面10和12、气隙18的位置附近提供了两个辅助绕组26和28。电容30和32与这两个辅助绕组26和28连接，这些电容与辅助绕组的自感一起在初级AC电压Vp的频率上产生谐振。结果，负磁阻与气隙中的正磁阻串联。当谐振产生时，两个磁阻大小相同，相互抵消。可以理解，只要在初级磁轭2或次级磁轭6的一个上安装一个辅助绕组和一个电容就可以获得这种效果。
图5表示第二个实施例，在这个实施例中，还在次级磁轭6上提供了辅助绕组34和36以及连接在其上的电容38和40。这将导致更进一步地减小气隙的磁阻。
图6表示了一种修改，其中，将初级绕组4和次级绕组8安装在初级磁轭2与次级磁轭6相互相反的分支上，且其中，将辅助绕组36和26及其相关电容30和40安放在磁轭另外相互相反的分支上。
可以理解，图4、5和6中所示的U型磁轭还可以是C型的，或者是满足这种目的任何其它具有两个分支的形状。C型的初级磁轭与U型的次级磁轭的组合，或者相反的组合也是可能的。磁轭的端面可以是矩形，或者圆形或者任何其它的形状。初级磁轭的端面与次级磁轭的端面具有不同的形状也是可能的。
图7表示了一种修改，其中包括3个分支的、E型磁轭。初级绕组50被安放在初级磁轭54的中间分支52上，同时两个外部的分支56和58的端部上分别安放有辅助绕组60和62，并且分别有电容64和66与它们相连接。辅助绕组72安放在次级磁轭70的中间分支68的端部上，并且电容74与辅助绕组72连接。次级绕组被分成两个子绕组76和78，它们被安放在次级磁轭70的两个外部分支80和82上。
图8表示可重复充电设备90和支架92的组合的简化电气图。次级磁轭6和次级绕组8放置在可重复充电设备90内部，而初级磁轭2和初级绕组4，还有辅助绕组26和28及其相关电容30和32被放置在支架92中，所有这些都如图4所示。但是，在图5、6和7中所示的修改可以完全等效地用于实现该目的。支架92还包括驱动电子装置94，它本身是熟知的用于驱动初级绕组4。所述的驱动电子装置94将电网电压96转换成DC电压，该DC电压通过振荡器电路被转换为驱动初级绕组4的AC电压。可重复充电设备90还包括整流器98和与次级绕组8串联连接的可重复充电电池100。可重复充电电池100为负载102提供电源，负载102的类型依赖于可重复充电设备的类型。如图9所示，可重复充电设备90可以是例如，电动剃须刀，它可以放置在支架92的合适的空间104中，为电池100重复充电。在支架92中的初级磁轭2和在可重复充电设备90中的次级磁轭6被放置在支架92和设备90的外壳内，以使当设备90被放置在支架92的空间104中时，使初级磁轭2和次级磁轭6的端面相互面对，使两个磁轭之间能产生磁耦合。在此情况下，在次级绕组8上可以获得次级AC电压，通过整流器98利用该AC电压为电池100充电。在电动剃须刀的情况下，负载102包括例如，驱动电机(未示出)，剃须头106和用于电机的开/关(未示出)。支架92和可重复充电设备90一起形成了一个非接触式感应充电系统，该系统非常适合于前面所述的电动剃须刀，因为它是水密的，还因为它不受灰尘和腐蚀的影响，而不象接触式充电设备那样。利用辅助绕组和电容对互自感进行容性并联补偿的应用能提高对可重复充电电池100的充电电流，而不需要增大磁轭2和6的尺寸。可以理解，这种非接触式的充电系统并不局限于电动剃须刀，它还可以用作其它的可重复充电设备中，如电动牙刷、移动电话、电钻等等。

Claims (9)

1.一种感应式耦合系统包括：具有初级磁轭(2)和次级磁轭(6)的可磁化铁芯，在初级磁轭(2)上提供有用于连接初级AC电压(Vp)的初级绕组(4)，在次级磁轭(6)上提供有次级绕组(8)，该初级磁轭(2)和次级磁轭(6)具有相应的用于在初级磁轭(2)和次级磁轭(6)之间传递磁能的端面(10，14；12，16)，其特征在于所述的感应式耦合系统包括用于在初级AC电压(Vp)的工作频率上对耦合系统的互自感(Lm)进行容性并联补偿的装置(Cm)。
2.如权利要求1的感应式耦合系统，特征在于用于容性并联补偿的装置包括辅助绕组(26)，辅助绕组(26)被放置在至少一个所述端面(10)附近，电容器(30)连接在该辅助绕组上，并和辅助绕组在初级AC电压(Vp)的工作频率上谐振。
3.如权利要求2的感应式耦合系统，特征在于初级磁轭(2)和次级磁轭(6)是有2个分支的。初级绕组(4)被放置在初级磁轭(2)的中央部分，而辅助绕组(26，28)和电容器(30，32)被放置在初级磁轭(2)的两个端面中的每一个(10，12)的附近。
4.如权利要求3的感应式耦合系统，特征在于次级绕组(8)被放置在次级磁轭(6)的中央部分，辅助绕组(34，36)和电容器(38，40)还被放置在次级磁轭(6)的两个端面中的每一个(14，16)的附近。
5.如权利要求2的感应式耦合系统，特征在于初级磁轭(2)和次级磁轭(6)是有2个分支的。初级绕组(4)被放置在初级磁轭(2)的一个分支上，而辅助绕组(26)和电容器(30)被放置在初级磁轭(2)的另一个分支的端面(10)的附近。
6.如权利要求5的感应式耦合系统，特征在于次级绕组(8)被放置在次级磁轭(6)的一个分支上，而辅助绕组(36)和电容器(40)被另外放置在次级磁轭(6)另一个分支的端面(16)的附近。
7.如权利要求2的感应式耦合系统，特征在于初级磁轭(54)和次级磁轭(70)是E型的，具有中间分支(50；68)和两个外部分支(56，58；80，82)，而初级绕组(50)被放置在初级磁轭(54)的中间分支上，辅助绕组(60，62)和电容器(64，66)被放置在初级磁轭(54)的两个外部分支(56；58)的两个端面中的每一个附近。
8.如权利要求7的感应式耦合系统，特征在于次级绕组被分开(76；78)放置在次级磁轭(70)的两个外部分支(80；82)上，而辅助绕组(72)和电容器(74)被另外放置在次级磁轭(70)的中间分支(68)的端面附近。
9.一种可重复充电设备(90)和支架(92)的组合，用于在支架(92)中放置可重复充电设备(90)，以便在可重复充电设备(90)中为可充电电池(100)充电，其特征在于为这种组合提供了一种如前面任一项权利要求中所说明的感应式耦合系统，其中，初级磁轭(2)和初级绕组(4)位于在支架(92)中，而次级磁轭(6)和次级绕组(8)位于可重复充电设备(90)中。
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