TWI479516B

TWI479516B - 非線性電感

Info

Publication number: TWI479516B
Application number: TW102114018A
Authority: TW
Inventors: Tsungnan Kuo; Mingxian Li
Original assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2015-04-01
Also published as: TW201442046A; US20140313002A1; EP2793242A1

Description

非線性電感

本發明是有關於一種電感，且特別是有關於一種具有一組不對稱磁阻之非線性電感。

採用變頻器驅動的電機系統，由於變頻器與馬達上之線路上存在高頻切換的訊號，產生了不必要的電磁干擾，降低了變頻器整體的功率因素，亦對驅動端的負載產生了諧波失真。

在低電流操作時的變頻器系統所引起的總諧波失真通常較大，當諧波失真過大時可能會對系統內其他設備造成損害或運轉效能下降。為了解決諧波失真的問題，一般應用上會與變頻器串聯一非線性電感以抑制諧波失真。

一般而言，使用感值較大的電感可以較明顯地降低諧波失真，但過大的電感在高電流的操作環境下亦會造成在變頻器兩端產生壓降，故常見應用上會使用非線性電感來完成低電流高感值，高電流低感值的特性，以各自符合在低電流或高電流之操作環境下所需要的電感感值。

然而，現行實現非線性電感的做法往往是利用氣隙的形狀變化來製作非線性電感，且在製作上需要特別開模製作特殊的磁芯來達成，因此造成不必要的額外成本支出。

為了解決上述的問題，本發明內容之一態樣是在提供一種非線性電感，透過簡化結構與多種彈性調整方式，以達到各種應用上所需之感值調整。

本揭示內容之一態樣是關於一種非線性電感，其中包含第一磁芯、第二磁芯、第三磁芯、第四磁芯、第五磁芯以及線圈單元。第二磁芯與第一磁芯平行排列。第三磁芯、第四磁芯以及第五磁芯皆垂直設置第一磁芯與第二磁芯之間。前述的第四磁芯與第五磁芯平行配置於第三磁芯之兩側。線圈單元纏繞第三磁芯，當直流電流通過線圈單元時會形成感應磁通量，此感應磁通量通過第四磁芯之第一磁阻相異於感應磁通量通過第五磁芯之第二磁阻。

依據本發明一實施例，前述的第四磁芯與第一磁芯之間以及第四磁芯與第二磁芯之間各自存在一第一氣隙，且第五磁芯與第一磁芯之間以及第五磁芯與第二磁芯之間各自存在一第二氣隙，其中上述的第一氣隙與第二氣隙寬度相異，藉此形成相異之第一磁阻與第二磁阻。

前述的第三磁芯與第一磁芯之間以及第三磁芯與第二磁芯之間各自存在一第三氣隙，其中上述的第一氣隙大於第三氣隙，且第三氣隙大於第二氣隙。

依據本發明另一實施例，前述的第四磁芯與第二磁芯之間存在第一氣隙，且第五磁芯與第二磁芯之間存在第二氣隙，其中第一氣隙與第二氣隙寬度相異，藉此形成相異之第一磁阻與第二磁阻。

前述的第三磁芯、第四磁芯以及第五磁芯皆直接連接至第一磁芯，且第三磁芯與第二磁芯之間存在一第三氣隙，其中第一氣隙大於第三氣隙，且第三氣隙大於第二氣隙。

前述的各實施例中，其中第四磁芯之一截面積可相異於第五磁芯之一截面積，藉此形成相異之第一磁阻與第二磁阻。

依據本發明又另一實施例，其中前述第三磁芯為順磁性材料，且前述的第一磁芯、第二磁芯、第四磁芯以及第五磁芯為非順磁性材料。

綜上所述，透過應用上述的實施例，本發明之非線性電感透過簡化的元件結構減少製作上額外開模的成本，且感值有多種彈性調整方式，進而達到各種應用上之規格需求。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附符號之說明如下：

100、200、500、600、700‧‧‧非線性電感

110、210、510、610、710‧‧‧第一磁芯

120、220、520、620、720‧‧‧第二磁芯

130、230、530、630、730‧‧‧第三磁芯

140、240、540、640、740‧‧‧第四磁芯

150、250、550、650、750‧‧‧第五磁芯

160、260、560、660、760‧‧‧線圈單元

300、302、570、572、670、770‧‧‧等效感值曲線

400‧‧‧磁路模型

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係依照本發明一實施例繪示一種非線性電感之示意圖；第2圖係依照本發明一實施例中第1圖中之非線性電感的配置之示意圖；第3圖係第2圖中之非線性電感之等效電感值與電流關係示意圖；第4圖係依照第2圖中之非線性電感所對應之等效磁路模型之示意圖；第5A圖係依照本發明又一實施例繪示第1圖中之非線性電感的另一配置之示意圖；第5B圖係第5A圖中之非線性電感之等效電感值與電流關係示意圖；第6A圖係依照本發明另一實施例繪示第1圖中之非線性電感的另一配置之示意圖；第6B圖係第6A圖中之非線性電感之等效電感值與電流關係示意圖；第7A圖係依照本發明又一實施例繪示第1圖中之非線性電感的另一配置之示意圖；以及第7B圖係第7A圖中之非線性電感之等效電感值與電流關係示意圖。

下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的範圍。此外，圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。為使便於理解，下述說明中相同元件將以相同之符號標示來說明。

關於本文中所使用之『約』、『大約』或『大致』一般通常係指數值之誤差或範圍於百分之二十以內，較好地是於百分之十以內，而更佳地則是於百分之五以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，例如可如『約』、『大約』或『大致』所表示的誤差或範圍，或其他近似值。

關於本文中所使用之『第一』、『第二』、...等，並非特別指稱次序或順位的意思，亦非用以限定本發明，其僅僅是為了區別以相同技術用語描述的元件或操作而已。

第1圖係依照本發明一實施例繪示一種非線性電感之示意圖。如第1圖所示，非線性電感100包含第一磁芯110、第二磁芯120、第三磁芯130、第四磁芯140、第五磁芯150以及線圈單元160。其中第二磁芯120與第一磁芯110平行排列，而第三磁芯130、第四磁芯140、第五磁芯150皆垂直設置在第一磁芯110與第二磁芯120之間，且第四磁芯140與第五磁芯150平行配置於該第三磁芯130之兩側。線圈單元160可為具有多個閘的線圈，線圈單元纏繞著第三磁芯130，當直流電流通過線圈單元160時會產生對應的感應磁通量，其中感應磁通量通過第四磁芯140之等效磁阻(以下簡稱第一磁阻)相異於感應磁通量通過第五磁芯150之等效磁阻(以下簡稱第二磁阻)。由於非線性電感100之整體等效電感值與第四磁芯140之第一磁阻以及第五磁芯150之第二磁阻相關，因此透過調整第一與第二磁阻，便可完成前述的彈性調整非線性電感的感值。

以下將描述本發明內容中不同的實施例，以完成上述相異的第一磁阻與第二磁阻。請參照第2圖，第2圖係依照本發明一實施例繪示第1圖中之非線性電感的配置之示意圖，且第2圖中非電性電感200的元件皆分別對應於第1圖中所示之元件，需要說明的是第2圖中的第四磁芯240與第一磁芯210之間以及第四磁芯240與第二磁芯220之間各自存在第一氣隙g₁，且第五磁芯250與第一磁芯210之間以及第五磁芯250與第二磁芯220之間各自存在第二氣隙g₂，其中第一氣隙g₁與第二氣隙g₂之寬度相異，其中通過第四磁芯240的感應磁通量須跨越第一氣隙g₁，而通過第五磁芯250的感應磁通量則須跨越寬度相異的第二氣隙g₂，藉此在第四磁芯240與第五磁芯250上形成相異之第一磁阻與第二磁阻。

此外，如第2圖所示，第三磁芯230與第一磁芯210之間以及第三磁芯230與第二磁芯220之間各自存在第三氣隙g₃。

在一實施例中，上述的第一氣隙g₁之寬度大於第三氣隙g₃之寬度，更大於第二氣隙g₂之寬度，舉例而言，第一氣隙g₁之寬度約為0.9公釐(mm)、第二氣隙g₂之寬度約為0.225mm以及第三氣隙g₃之寬度約為0.45mm，對應的等效電感值與電流關係圖如第3圖所示之實線曲線 300，其中對照用的虛線曲線302為第1圖所示之非線性電感100中第一磁阻與第二磁阻為相同時之等效電感值與電流之關係曲線。相較之下，透過兩個不同寬度的氣隙產生相異的第一磁阻與第二磁阻之非線性電感200，在低電流操作時可提高等效感值(約為5.78mH)，而在高電流操作下亦能夠具有較大的等效飽和磁通量，讓非線性電感200能夠應用在更大的操作電流範圍。

此外，我們可以利用等效磁路模型來分析第2圖所示之非線性電感200。請參照第4圖，第4圖係依照第2圖中之非線性電感200繪示對應之等效磁路模型之示意圖。第4圖中的磁動勢NI對應至第2圖中的線圈單元中的N閘線圈，與其流經之電流大小I，且其中R_g1、R_g2以及R_g3則分別為第2圖中之第一氣隙g₁、第二氣隙g₂以及第三氣隙g₃所對應之等效磁阻。我們可以從等效磁路模型400得知非線性電感200之等效磁阻R_total=2R_g3+2(R_g1｜｜R_g2)，由於氣隙之寬度與磁阻之大小為正相關，以第2圖的例子而言，第一氣隙g₁之寬度大於第三氣隙g₃之寬度，且第三氣隙g₃之寬度大於第二氣隙g₂之寬度，對應的等效磁阻之關係為R_g1>R_g3>R_g2。由於第一氣隙g₁之等效磁阻R_g1較大，在低電流操作下在第三磁芯230與線圈單元260上產生之磁通大部分經由R_g2進行傳遞，亦即在第五磁芯250上之磁通密度較高，此時非線性電感200之等效磁阻可修正為R_total≒2R_g3+2R_g2。換句話說，在低電流操作時，非線性電感200之感值與第二氣隙g₂之等效磁阻R_g2較為相關。

再者，當非線性電感200操作在高電流之操作環境時，第五磁芯250所能接收的磁通量趨近飽和，對應的等效磁阻R_g2亦逐漸增大，在第三磁芯230與線圈單元260上產生之磁通開始經由R_g1進行傳遞，亦即第四磁芯240的磁通密度開始增加，此時非線性電感200所對應等效磁阻可修正為R_total≒2R_g3+2R_g1。簡言之，在高電流操作時，非線性電感200之感值與第一氣隙g₁之等效磁阻R_g1較為相關。

再者，一般而言，電感元件之等效磁阻越大，整體感值越小，而氣隙之寬度又與磁阻成正相比，因此，當氣隙之寬度越大，電感元件之等效感值就越小，故可透過調整第一氣隙g1與第二氣隙g2之寬度，形成上述相異的磁阻R_g1與磁阻R_g2的配置，藉此達到在不同電流環境下能有不同的等效感值之特性。

第5A圖係依照本發明又一實施例繪示第1圖中之非線性電感的另一配置之示意圖，且第5A圖中非線性電感500的元件皆分別對應於第1圖中非線性電感100所示之元件。如第5A圖所示，在本實施例中第四磁芯540與第二磁芯520之間存在第一氣隙g₁，第五磁芯550與該第二磁芯520之間存在第二氣隙g₂，且第一氣隙g₁與第二氣隙g₂寬度相異，藉此形成相異之第一磁阻與第二磁阻。且在本實施例中第三磁芯530、第四磁芯540以及第五磁芯550皆直接連接至第一磁芯510，藉此第一磁芯510、第三磁芯530、第四磁芯540以及第五磁芯550為一體成型的磁性元件，此一磁性元件(第一磁芯510、第三磁芯530、第四磁芯540以及第五磁芯550)與第二磁芯520大致形成E-I型磁芯。第三磁芯530與該第二磁芯520之間存在一第三氣隙g₃，其中第一氣隙g₁大於第三氣隙g₃，更大於第二氣隙g₂。

舉例而言，第一氣隙g₁之寬度約為1.35mm，第二氣隙g₂之寬度約為0.45mm以及第三氣隙g₃之寬度約為0.9mm。此時對應的等效電感值與電流關係圖如第5B圖所示之實線曲線570，其中對照用的虛線曲線572為第5A圖所示之非線性電感500中各氣隙寬度皆為相同(約為0.9mm)時之等效感值曲線。從第5B圖的實線曲線570可得知透過不同的氣隙寬度的調整，在E-I型磁芯的結構中亦可達到低電流高感值、高電流低感值之特性。

另外，由於各磁芯之磁阻與對應的磁芯之截面積成反比，在氣隙不同的情況下，我們更可以透過調整各磁芯之截面積來進一步地調整磁阻之大小。舉例而言，請參照第6A圖，第6A圖為本發明另一實施例繪示第2圖中之非線性電感的另一配置之示意圖，且第6A圖中非線性電感600的元件皆各自對應於第2圖中非線性電感200所示之元件。舉例而言，如第6A圖所示，在具有不同的氣隙寬度的情況下，將第四磁芯640之一截面積的寬度D₁配置為相異於第五磁芯650之一截面積的寬度D₂，藉此產生更大的磁阻阻值變化，以取得不同的感值調整範圍。

例如，如先前所述第一氣隙g₁之寬度約為0.9mm、第二氣隙g₂之寬度約為0.225mm以及第三氣隙g₃之寬度約為0.45mm且第四磁芯640之截面積的寬度D₁約為22.2mm，且第五磁芯650之截面積的寬度D₂約為33.3mm。此時對應的等效電感值與電流關係圖如第6B圖所示之實線曲線670，在前述對照用的虛線曲線302中低電流下之感值約為4mH，而本實施例中的實線曲線670中低電流下之感值約為6.43mH。總言之，同時調整各氣隙寬度與磁芯的截面積可達到更大的感值變化。

或者，再以第5圖中的非線性電感500為例，在第三磁芯530、第四磁芯540以及第五磁芯550皆直接連接至第一磁芯510，且該第三磁芯530與該第二磁芯520之間存在第一氣隙的情況下，亦可透過調整第四磁芯540截面積之寬度與第五磁芯550截面積之寬度來形成相異更大的第一磁阻與第二磁阻，亦可取得不同的感值調整範圍。

再者，如前述第4圖之等效磁路模型分析可得知，當電流流經第三磁芯230與線圈單元260所產生之磁通，會與第四磁芯240與第五磁芯250共同使用。因此，為了進一步地提高整體電感的磁通使用率，我們可以提高第三磁芯之飽和磁通量。

舉例而言，請參照第7A圖，第7A圖係依照本發明又一實施例繪示第1圖中之非線性電感的另一配置之示意圖，且第7A圖中非線性電感700的元件皆各自對應於第1圖中非線性電感100所示之元件。如第7A圖所示，其中第三磁芯730為順磁性材料，且第一磁芯710、第二磁芯720、第四磁芯740以及第五磁芯750為非順磁性材料。例如，當第三磁芯730可為順磁性材料，而第一磁芯710、第二磁芯720、第四磁芯740以及第五磁芯750為可非順磁性材料時，且第一氣隙g₁之寬度約為0.9mm、第二氣隙g₂之寬度約為0.225mm以及第三氣隙g₃之寬度約為0.45mm，此時對應的等效電感值與電流關係圖如第7B圖所示之實線曲線770，相較於前述對照用的虛線曲線302，透過上述之配置，可提升第三磁芯730之飽和磁通量，同時亦達到不同的電感感值調整。

要注意的是，在上述的各實施例中各個磁芯之間可透過一外部支撐的方式來完成上述的各種配置方式，舉例而言，在各個磁芯之間可透過一個支架將各個磁芯依據不同實施方式配置，以節省額外開模製造特殊氣隙之成本。

上述各種實施例中所使用之方式，可以依據應用所需之規格來進一步地綜合使用，譬如同時調整各磁芯之截面積與各氣隙之寬度，以達到不同範圍的感值調整。

透過上述多種實施例可得知本發明內容所示之非線性電感有著多種彈性調整電感感值之方式，且不用額外開模製作特殊的氣隙便可達到低電流高感值，高電流低感值的特性。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

200‧‧‧非線性電感

210‧‧‧第一磁芯

220‧‧‧第二磁芯

230‧‧‧第三磁芯

240‧‧‧第四磁芯

250‧‧‧第五磁芯

260‧‧‧線圈單元

Claims

一種非線性電感，包含：一第一磁芯；一第二磁芯，與該第一磁芯平行排列；一第三磁芯，垂直設置該第一磁芯與該第二磁芯之間；一第四磁芯，垂直設置該第一磁芯與該第二磁芯之間；一第五磁芯，垂直設置該第一磁芯與該第二磁芯之間，該第四磁芯與該第五磁芯平行配置於該第三磁芯之兩側，其中該第三磁芯為一順磁性材料，且該第一磁芯、該第二磁芯、該第四磁芯以及該第五磁芯為一非順磁性材料；以及一線圈單元，纏繞該第三磁芯，一直流電流通過該線圈單元形成一感應磁通量，該感應磁通量通過該第四磁芯之一第一磁阻相異於該感應磁通量通過該第五磁芯之一第二磁阻。
如請求項1所述之非線性電感，其中該第四磁芯與該第一磁芯之間以及該第四磁芯與該第二磁芯之間各自存在一第一氣隙，該第五磁芯與該第一磁芯之間以及該第五磁芯與該第二磁芯之間各自存在一第二氣隙，該些第一氣隙與該些第二氣隙寬度相異，藉此形成相異之該第一磁阻與該第二磁阻。
如請求項2所述之非線性電感，其中該第三磁芯與該第一磁芯之間以及該第三磁芯與該第二磁芯之間各自存在一第三氣隙，其中該些第一氣隙大於該些第三氣隙，且該些第三氣隙大於該些第二氣隙。
如請求項1所述之非線性電感，其中該第四磁芯與該第二磁芯之間存在一第一氣隙，該第五磁芯與該第二磁芯之間存在一第二氣隙，該第一氣隙與該第二氣隙寬度相異，藉此形成相異之該第一磁阻與該第二磁阻。
如請求項4所述之非線性電感，其中該第三磁芯、該第四磁芯以及該第五磁芯皆直接連接至該第一磁芯，該第三磁芯與該第二磁芯之間存在一第三氣隙，其中該第一氣隙大於該第三氣隙，且該第三氣隙大於該第二氣隙。
如請求項2、3、4或5所述之非線性電感，其中該第四磁芯之一截面積相異於該第五磁芯之一截面積，藉此形成相異之該第一磁阻與該第二磁阻。
一種非線性電感，包含：一第一磁芯；一第二磁芯，與該第一磁芯平行排列；一第三磁芯，垂直設置該第一磁芯與該第二磁芯之間；一線圈單元，纏繞該第三磁芯；一第四磁芯，垂直設置該第一磁芯與該第二磁芯之間；一第五磁芯，垂直設置該第一磁芯與該第二磁芯之間，該第四磁芯與該第五磁芯平行配置於該第三磁芯之兩側，其中該第三磁芯為一順磁性材料，且該第一磁芯、該第二磁芯、該第四磁芯以及該第五磁芯為一非順磁性材料；其中，該第四磁芯與該第一磁芯之間以及該第四磁芯與該第二磁芯之間各自存在一第一氣隙，該第五磁芯與該第一磁芯之間以及該第五磁芯與該第二磁芯之間各自存在一第二氣隙，該第三磁芯與該第一磁芯之間以及該第三磁芯與該第二磁芯之間各自存在一第三氣隙，該些第一氣隙大於該些第三氣隙，且該些第三氣隙大於該些第二氣隙。
一種非線性電感，包含：一第一磁芯；一第二磁芯，與該第一磁芯平行排列；一第三磁芯，垂直設置該第一磁芯與該第二磁芯之間；一線圈單元，纏繞該第三磁芯；一第四磁芯，垂直設置該第一磁芯與該第二磁芯之間；一第五磁芯，垂直設置該第一磁芯與該第二磁芯之間，該第四磁芯與該第五磁芯平行配置於該第三磁芯之兩側，其中該第三磁芯為一順磁性材料，且該第一磁芯、該第二磁芯、該第四磁芯以及該第五磁芯為一非順磁性材料；其中，該第五磁芯之一截面積大於該第四磁芯之一截面積，該第四磁芯與該第一磁芯之間以及該第四磁芯與該第二磁芯之間各自存在一第一氣隙，該第五磁芯與該第一磁芯之間以及該第五磁芯與該第二磁芯之間各自存在一第二氣隙，該第三磁芯與該第一磁芯之間以及該第三磁芯與該第二磁芯之間各自存在一第三氣隙，該些第一氣隙大於該些第三氣隙，且該些第三氣隙大於該些第二氣隙。
一種非線性電感，包含：一第一磁芯；一第二磁芯，與該第一磁芯平行排列；一第三磁芯，直接連接至該第一磁芯，垂直設置該第一磁芯與該第二磁芯之間；一第四磁芯，直接連接至該第一磁芯，垂直設置該第一磁芯與該第二磁芯之間；一第五磁芯，直接連接至該第一磁芯，垂直設置該第一磁芯與該第二磁芯之間，該第四磁芯與該第五磁芯平行配置於該第三磁芯之兩側，其中該第三磁芯為一順磁性材料，且該第一磁芯、該第二磁芯、該第四磁芯以及該第五磁芯為一非順磁性材料；以及一線圈單元，纏繞該第三磁芯，其中，該第四磁芯與該第二磁芯之間存在一第一氣隙，該第五磁芯與該第二磁芯之間存在一第二氣隙，該第三磁芯與該第二磁芯之間存在一第三氣隙，該第一氣隙大於該第三氣隙，且該第三氣隙大於該第二氣隙。