CN1669097A - 感性元件及该元件的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种感性元件(1)，用于构成磁回路，该感性元件具有至少一个线圈式绕组(3)和至少一个带有铁磁的铁芯材料的铁芯(4)，其中所述铁芯为了中断磁回路具有一条裂缝(7、8)和至少另一条裂缝(8、7)。该感性元件的特征在于，该裂缝分别具有至少1.0mm的裂缝宽度。该铁芯譬如由两部分组成，该两部分相互相对地布置在裂缝(7、8)上并通过裂缝宽度被相互间隔。有利的是该元件以基本上相等的裂缝的裂缝宽度对称。利用由高频绞合线和由适合高频的铁芯材料制成的铁芯制成的线圈式绕组，小型感性元件是可得到的，该元件即使在高功率容量时也具有高品质Q及因此具有低的电损耗。为了提高品质，该感性元件附加地具有冷却装置，用于冷却线圈式绕组。在此该装置具有带有聚合物材料和能导热的填充材料的复合材料。该感性元件在照明领域中的所谓的电子预接装置(EVG)中被采用。
Description
本发明涉及一种用于构成磁回路的感性元件，该感性元件具有至少一个线圈式绕组和至少一个具有铁磁铁芯材料的铁芯，其中该铁芯为了中断磁回路而具有一条裂缝和至少另一条裂缝。此外，给出该元件的应用。
电子预接装置(EVG)作为电子电压转换器和/或电子电流转换器在照明领域中被采用。EVG具有至少一个感性元件。该感性元件譬如为扼流圈或变压器。该感性元件具有线圈式绕组。该线圈式绕组具有大量电导体绕组，用于通过在导体中流动的电流产生磁通量。该线圈式绕组也用于通过改变线圈式绕组中的磁感应产生电压。为了放大该磁感应以及为了减少磁散射损耗，线圈式绕组大多位于具有铁磁材料的铁芯上。该铁磁铁芯材料譬如是铁素体。该铁芯引起尽可能闭合的磁回路。
EVG越来越小型化。该小型化尤其是涉及EVG的感性元件。感性元件的小的结构尺寸可以在始终不变的功率容量时通过较高的开关频率达到。但是较高的开关频率导致电损耗的提高并因此导致感性元件品质的降低。该品质是感性元件的电质量的量度。由于下降的品质，在越来越小型化的感性元件中、尤其是在高交流电压时可达到不允许的高工作温度，利用该高交流电压来驱动该感性元件。
本发明的任务在于，提供一种感性元件，该感性元件即使在施加高交流电压时也具有高品质。
该任务通过用于构成磁回路的感性元件来解决，该感性元件具有至少一个线圈式绕组和至少一个具有铁磁铁芯材料的铁芯，其中该铁芯为了中断磁回路具有一条裂缝和至少另一条裂缝。该感性元件的特征在于，该裂缝分别具有至少为1.0mm的裂缝宽度。结果产生相对更宽的总裂缝，该总裂缝被划分为至少两条裂缝。该裂缝的裂缝宽度尤其是从分别从包括1.2mm在内至包括10mm在内的范围中选出。优选地该裂缝宽度为2mm至10mm。
裂缝是所期望的磁回路的中断。优选地，在此在该裂缝的总延伸上，裂缝宽度近似相等。该延伸譬如是裂缝的横向、纵向或径向。该裂缝为了中断磁回路而至少部分具有非铁磁材料。该非铁磁材料譬如是抗磁材料或顺磁材料。根据本发明磁回路在至少两个位置上被中断。该中断通过裂缝来完成。该裂缝宽度导致，磁回路在至少2×0.5mm的长度中被中断。令人惊奇地证明，尽管利用几百伏特的交流电压控制感性元件，基于该裂缝可实现相对高的品质Q。因而，感性元件与具有不同形状的裂缝的感性元件相比更小的结构尺寸是可能的。
在特别的扩展方案中，铁芯至少由两部分组成，该两部分在裂缝上相互相对地布置并通过裂缝宽度相互间隔。
优选地，该裂缝中的至少一个是空气裂缝。这意味着，该铁芯的通过裂缝确定的中间空隙包含空气。裂缝的非铁磁材料是空气。但是也可将其他的非铁磁的、气态的材料布置在空气裂缝中。与此相对也可考虑非铁磁的固态的或液态的材料。该材料譬如是聚合物材料。有利地譬如是胶粘剂的应用，铁芯的部分与该胶粘剂粘在一起。该胶粘剂不仅导致磁回路的中断。该胶粘剂也导致铁芯的部分之间的材料决定的接触。
在本发明的特别的扩展方案中，该裂缝具有基本上相等的裂缝宽度。铁芯譬如由两个部分组成，这两个部分通过两条裂缝相互分开。所述两个部分通过相同宽的裂缝相互以分别相等的间隔相互布置。基本上相等意味着，直至裂缝宽度的10％的小偏差也是允许的。
在另一个扩展方案中，该线圈式绕组具有内部区域和外部区域，而铁芯的裂缝被布置在线圈式绕组的内部区域和/或外部区域中。譬如在内部区域中布置一条裂缝而在外部区域中布置两条裂缝。优选地外部区域中的裂缝通过基本上相等的裂缝宽度突出自己。在此也可能是，线圈式绕组的内部区域中的裂缝具有比外部区域中的两条裂缝明显更宽的裂缝宽度。但是优选地，所有裂缝的裂缝宽度基本上是相等的。
铁芯可以是不对称的。这意味着，该铁芯通过应用对称操作不能被运送到自身。在另一个扩展方案中，铁芯基本上是对称的。基本上在此意味着，可以存在关于精确对称的偏差。此外基本上意味着，对称涉及该铁芯的这样的组成部分，该组成部分主要对铁芯的功能和特性负责。对称的铁芯通过在点(对称中心)、直线(对称轴)或平面(对称平面)上的镜像逐渐变为自己。所述的对称单元譬如被布置在线圈式绕组的内部空间中。该对称单元譬如是对称平面，该对称平面垂直于线圈式绕组的绕组轴来布置。该线圈式绕组的绕组轴通过导线沿其缠绕的方向被给出。该铁芯譬如由两个部分组成，该两个部分通过对称平面上的镜像分别相互运送。该对称平面为此也优选地包含裂缝而该铁芯由相互镜像构成的部分组成。该铁芯譬如具有RM6铁芯形状或可与其比较的铁芯形状。该铁芯形状是E形铁芯与罐形铁芯的组合。
由线圈式绕组和铁芯组成的整个元件尤其具有基本上对称的结构。这意味着，不仅铁芯而且线圈式绕组基本上是对称地建立的。譬如线圈式绕组和铁芯通过共同的反射平面上的镜像被运送到自身。基本上对称的在此意味着，对称的偏差也完全是可调节的。该偏差譬如涉及线圈式绕组的绕组的数量或形状、铁芯的形状以及线圈式绕组和铁芯相互的布置。
铁芯的铁芯材料尤其是适合高频的。优选地铁芯材料是具有约10MHz的截止频率的M33铁芯材料的形式的铁素体。该铁芯材料具有锰和锌。同样可考虑K1、K6或K12铁芯材料。该铁芯材料具有镍和锌。K6铁芯材料譬如具有7MHz的截止频率。
在一个特别的扩展方案中，线圈式绕组具有带有大量相互电绝缘的单导线的高频绞合线。绞合线是由许多金属线(单导线)缠绕的或交织的导线。在高频绞合线中，单导线相互绝缘，以减少由于集肤效应和涡流产生的损耗。由此与带有不相互绝缘的单导线的绞合线相比在相同的横截面的情况下达到更低的高频损耗电阻。单导线尤其是至少具有一个从包括10μm至包括50μm的范围中选出的单导线直径。尤其是从包括5至包括100的范围中选出多个。优选地从包括10至包括30的范围中选出多个。譬如10和更多的单导线被布置为一条高频绞合线。因此可以提供具有相对大的表面积和由此具有相对低的高频损耗电阻的线圈式绕组。
该感性元件尤其是扼流圈或变压器。扼流圈允许直流通过。相反，交流通过扼流圈来限制。该扼流圈针对高频电流具有高的电抗。该变压器至少由两个线圈式绕组组成。但是也可为变压器布置多于两个的线圈式绕组。可替换地，变压器由一个线圈式绕组组成，该线圈式绕组通过电抽头被分成两个部分。
为了继续提高已经通过所说明的结构措施可实现的高品质，此外感性元件被冷却。为此，根据特别的扩展方案至少存在一个用于冷却线圈式绕组的冷却装置，该冷却装置具有至少带有至少一种聚合物材料和至少一种能导热的填充材料的复合材料。
借助冷却装置可将线圈式绕组中在感性元件工作时形成的热量有效地导出。通过有效地导出该热量，线圈式绕组达到相对小的温度提高。该小的温度提高导致线圈式绕组中电阻的相对小的提高。结果产生与未冷却的线圈式绕组相比提高的感性元件的品质。
复合材料优选地由具有能导热的和导电差的填充材料的电绝缘的或导电差的聚合物材料组成。该聚合物材料可具有天然的和/或人工聚合物。天然聚合物譬如是生胶。人工聚合物是塑料。
在此聚合物材料作为复合材料的基本材料构成一个母体，在该母体中嵌入填充材料。在此可存在多种填充材料。该一种或多种填充材料可以是粉末状的或纤维状的。填充材料分子的直径从μm范围中被选出，该μm范围从100nm达到100μm。聚合物材料中的填充材料的填充度在此优选地被如此选出，以致超过凝结界限。在凝结界限之下，单个填充材料分子相互接触的概率非常低。这导致相对低的特定导热系数。当凝结界限被超过时，填充材料分子以相对高的概率相互接触。由此得出相对高的复合材料的特定的导热系数。
填充材料是能导热的并优选地也是电绝缘的或导电差的。这导致，感性元件也可利用相对高的工作电压来驱动。工作电压譬如总计直至2000V。该复合材料即使在该数量级的工作电压时也是耐压的。陶瓷材料特别适合作为能导热的和同时电绝缘的或导电差的填充材料。具有所述特性的陶瓷材料譬如是氧化铝(Al2O3)。
为了有效的运走在线圈式绕组中的感性元件工作中形成的热量时，冷却装置的复合材料优选地直接与线圈式绕组连接。从该线圈式绕组运走热量通过导热来完成。
在一个特别的扩展方案中，冷却装置至少具有一个带有复合材料的薄膜，该薄膜与线圈式绕组有直接的、能导热的接触。该薄膜和线圈式绕组这样被连接，使得能够进行从线圈式绕组到薄膜的导热。该薄膜和线圈式绕组相互碰触。该薄膜的薄膜厚度(薄膜强度)譬如总计0.22mm。依赖于复合材料(聚合物材料的类型、填充材料的类型和填充度等)在此可达到0.15K/Wm直至6.5K/Wm的特定的导热系数λ。尽管相对小的薄膜厚度，耐压强度在此可总计1kV至6kV。
为了保证有效地通过冷却装置导热，尤其是可应用具有复合材料的软薄膜。该薄膜是可塑性和/或可弹性变形的。线圈式绕组可近似形状确定地被嵌入到薄膜中。薄膜与线圈式绕组之间的热接触面在此特别大，通过该接触面进行导热。
在一个特别的扩展方案中，冷却装置至少具有一种填料，该填料具有带有至少另一种聚合物材料和至少另一种能导热的填充材料的至少另一种复合材料，而且该填料与线圈式绕组和/或薄膜有直接的、能导热的接触。该复合材料和该另一种复合材料可以是相同的或不同的。相同的情况适用该复合材料和该另一种复合材料的单个组件。线圈式绕组和/或薄膜部分地或全部被嵌入具有另一种复合材料的填料中。由于该另一种复合材料能导热并通过嵌入在填料与线圈式绕组或薄膜之间存在近乎完整的形状确定，所以线圈式绕组和薄膜的热量通过填料十分有效地被导出。此外通过应用填料达到感性元件内的均匀的温度分布。该元件的线圈式绕组被均匀冷却。这同样贡献于感性元件的提高的品质。
既在薄膜处又在填料处可能的是，在填料、薄膜和线圈式绕组之间存在中间空隙(空腔)，该中间空隙填满空气并因而有助于填料、薄膜和线圈式绕组相互热绝缘。有效地导出热量基于中间空隙是不可能的。因而在一个特别的扩展方案中，在薄膜与线圈式绕组之间和/或在填料与线圈式绕组之间存在的中间空隙具有能导热的材料，用于中间空隙的热过渡。该中间空隙优选地完全利用能导热的材料来填充。这导致从线圈式绕组导出热量的改进。优选地为此应用能导热的材料，该材料另外是电绝缘的。能导热的材料因而特别是从油、浆糊、蜡和/或胶粘剂的组中选出。利用该能导热的和同时电绝缘的材料保证，即使在应用高工作电压时也给出为此所需的耐压强度。
该感性元件的冷却装置被这样安排，使得在线圈式绕组中在感性元件工作时形成的热量可有效地向外部导出。为此引起热量从冷却装置的复合材料离开而继续传输。该热量的继续传输譬如通过对流来完成。为此在具有复合材料的冷却装置上流过能吸收热量的流体。该流体譬如是液体或者气体或气体混合物。
优选地，该热量的继续传输通过导热来完成。因而在一个特别的扩展方案中，在感性元件处，具有复合材料的薄膜和/或具有复合材料的填料与散热片通过导热导热式地连接。借助该散热片导致，在感性元件工作时线圈式绕组、冷却装置和散热片之间存在尽可能小的温度区别。为此优选地这样来安排散热片，使得该散热片可吸收大量的热量。该散热片的热容量是大的。也可考虑的是，在散热片处导致有效地运走热量。该散热片譬如是由以高导热能力而出众的材料制成的冷却器。为了维持温度梯度，冷却器可通过对流来冷却。
感性元件根据本发明的第二方面应用在电子预接装置中，其中电气输入功率被转换为电气输出功率。输入功率和输出功率通常是不同的。尤其是在此该元件利用具有包括100kHz至包括200MHz的范围中的频率的交流电压来驱动。该频率范围被称为高频范围。
在一个特别的扩展方案中，应用直至2000伏特的交流电压。已证明，借助裂缝即使在具有几MHz的频率的几百伏特时也可实现高品质。这导致，感性元件可被小型化，并且尽管如此可在高品质和低内部损耗时实现高功率容量。该感性元件因此可被称为小型的HF-HV(高频-高伏特)元件。
感性元件也可在用于点燃放电灯的点火变压器中被采用。为了点燃放电灯，放电灯通过具有高交流电压(初始电压)的电路来控制。因而在另一个扩展方案中，应用具有直至40kV的交流电压的电压脉冲。元件利用高的交流电压短时间地在几个μm(点火持续时间)内被控制。
根据多个实施例和附图进一步介绍本发明。附图是示意性的并没有描述比例正确的图片。
图1从侧面示出感性元件。
图2示出该感性元件的品质电压图。
图3a和3b从上面和在沿连接线I-I的横截面中示出感性元件的铁芯的RM结构。
图4至6在一侧的横截面中示出分别具有冷却装置的来自图1的感性元件。
图7在一侧的横截面中示出具有冷却装置的感性元件的断面。
感性元件1是HF-HV(高频-高伏特)变压器(图1)。元件1具有线圈式绕组3和铁芯4。线圈式绕组以绕组轴12而出众，沿着该绕组轴线圈式绕组3的导线被缠绕。线圈式绕组3是具有30根单导线的高频绞合线14。单导线的导线直径为约30μm。铁芯4是铁素体铁芯并由M33铁芯材料制成。该铁芯具有RM6铁芯形状(图3a和3b)。铁芯是E形铁芯和具有中心孔15的罐形铁芯的组合。铁芯4具有在铁芯中心的裂缝7，该裂缝围绕中心孔15被布置在线圈式绕组3的内部区域10中。两条另外的裂缝8被布置在分别在铁芯4的铁芯腿6中的线圈式绕组3的外部区域11中。所有三条裂缝7和8都是空气裂缝。裂缝7和8的裂缝宽度分别以约3mm而基本上相等。
铁芯基本上是对称的。该铁芯由两个关于反射平面13镜像对称地布置的部分5组成，该部分相互相对地被布置在裂缝7和8上并通过裂缝宽度9相互间隔。反射平面13位于三条裂缝7和8中。然而通过该布置，不仅铁芯4、而且线圈式绕组3基本上是对称布置的。这结果产生基本上关于反射平面13是对称的感性元件。
在图2中示出的品质电压图是在HF-HV变压器1的初级电感为24μH而频率为2.7MHz时借助回路谐振方法来测量的。可明显看出，即使在有效交流电压(UL[Veff])为几百伏特时也可达到相对高的组件品质。尽管在如在RM6铁芯形状中给出的小的结构尺寸时的高频率，高品质是可达到的。
小型HF-HV变压器的线圈式绕组3根据其他实施方案来冷却。为此存在冷却装置20，用于冷却线圈式绕组3。
根据第一实施方案，冷却装置20具有带有导热的复合材料的薄膜21。该复合材料的基本材料是导热和导电差的聚合物材料。在该聚合物材料中具有高的导热性和低的导电性的填充材料被嵌入。薄膜21具有约0.22mm的薄膜厚度。该特定的导热系数λ为约4K/Wm。电的耐压强度达到至约6kV。
线圈式绕组3的高频绞合线14和薄膜21围绕匹配RM6铁芯形状的线圈体30缠绕。在此薄膜21和线圈式绕组3这样围绕线圈体30布置，使得线圈式绕组3的高频胶合线14和薄膜21从线圈体30出发沿半径方向交替(图4和图5)。所应用的薄膜21用作线圈式绕组3的高频绞合线14的中间绝缘层。结果产生沿半径方向的有效的从线圈式绕组3离开的导热路径24。沿着导热路径24，在高频绞合线14中在感性元件1工作时形成的热量被有效地导出。
根据可替换的实施方案，线圈式绕组3的高频绞合线14和多个薄膜21分别单独径向对准线圈体30。多腔解决方案被实现，该多腔解决方案也称为盘式绕组。此处也导致热量通过导热路径24来有效地导出。
为了进一步导出热量，感性元件1或感性元件1的冷却装置20被嵌入到具有另一种能导热的复合材料的填料22中(图4和6)。填料22与线圈式绕组3的部分导热式地直接接触。这意味着，通过线圈式绕组3的高频绞合线14与一个薄膜21或多个薄膜21之间的热接触面可通过导热导出热量。为了有效地导出热量，填料22与散热片25通过导热导热式地连接。散热片25是具有高导热能力的材料的薄板。结果产生在感性元件工作时线圈式绕组3与散热片25之间的相对小的温度差。
替换填料22，其他的导热通过具有相对高的导热系数的导热囊26来完成(图2)。通过该导热囊26薄膜21或线圈式绕组3的热量沿散热片25的方向被转交，该导热囊通过带有相对高的导热系数的间隔陶瓷28与薄膜21连接。
不仅在填料22的情况下、而且在薄膜21的情况下可存在中间空隙27，该中间空隙降低效率，以该效率来冷却线圈式绕组3(图7)。该中间空隙27根据另一种实施方案填满能导热的和电绝缘的或导电差的浆糊。
Claims (22)
1.感性元件(1)，用于构成磁回路，该感性元件具有至少一个线圈式绕组(3)和至少一个带有铁磁的铁芯材料的铁芯(4)，其中该铁芯(4)为了中断磁回路具有一条裂缝(7、8)和至少另一条裂缝(8、7)，其特征在于，
该裂缝(7、8)分别具有至少为1.0mm的裂缝宽度(9)。
2.如权利要求1所述的元件，其中所述裂缝宽度(9)从包括2.0mm至包括10mm的范围中被选出。
3.如权利要求1或2所述的元件，其中所述铁芯(4)由至少两部分(5)组成，所述两部分相互相对地布置在裂缝(7、8)上并通过裂缝宽度(9)相互间隔。
4.如权利要求1至3之一所述的元件，其中所述裂缝(7、8)中的至少一条为空气裂缝。
5.如权利要求1至4之一所述的元件，其中所述裂缝(7、8)具有基本上相等的裂缝宽度(9)。
6.如权利要求1至5之一所述的元件，其中所述线圈式绕组(3)具有一个内部区域(10)和一个外部区域(11)，而且所述铁芯(4)的所述裂缝(7、8)被布置在线圈式绕组(3)的内部区域(10)和/或外部区域(11)中。
7.如权利要求1至6之一所述的元件，其中所述铁芯(4)基本上是对称的。
8.如权利要求1至7之一所述的元件，其中所述铁芯(4)的铁芯材料是适合高频的。
9.如权利要求1至8之一所述的元件，其中所述线圈式绕组(3)具有带有多个相互电绝缘的单导线的高频绞合线(14)。
10.如权利要求9所述的元件，其中所述单导线具有至少从包括10μm至包括50μm的范围中选出的单导线直径。
11.如权利要求9或10所述的元件，其中多个是从包括5至包括100的范围中选出的。
12.如权利要求1至11之一所述的元件，其中所述元件是扼流圈或变压器。
13.如权利要求1至12之一所述的元件，其中至少存在一个冷却装置(20)，用于冷却线圈式绕组(3)，该线圈式绕组(3)具有至少一种带有至少一种聚合物材料和至少一种能导热的填充材料的复合材料。
14.如权利要求13所述的元件，其中所述冷却装置(20)具有至少一个带有复合材料的薄膜(21)，该薄膜与线圈式绕组有直接的、能导热的接触。
15.如权利要求13或14所述的元件，其中所述冷却装置(20)具有至少一种填料(22)，该填料具有至少另一种带有至少另一种聚合物材料和至少另一种能导热的填充材料的复合材料，而且该填料与线圈式绕组(3)和/或薄膜(21)有直接的、能导热的接触。
16.如权利要求13至15之一所述的元件，其中在薄膜(21)与线圈式绕组(3)之间和/或在填料(22)与线圈式绕组(3)之间存在的中间空隙(27)具有能导热的用于中间空隙(27)的热过渡的材料。
17.如权利要求16所述的元件，其中导热材料从油、浆糊、蜡和/或胶粘剂的组中被选出。
18.如权利要求13至17之一所述的元件，其中带有复合材料的薄膜(21)和/或带有另一种复合材料的填料(22)与散热片(25)通过导热导热式地连接。
19.如权利要求1至18之一所述的元件在电子预接装置中的应用，在所述电子预接装置中电输入功率被转换为电输出功率。
20.如权利要求19所述的应用，其中所述元件利用具有包括100kHz至包括200MHz的范围中的频率的交流电压来驱动。
21.如权利要求19或20所述的应用，其中应用直至2000V的交流电压。
22.如权利要求19或20所述的应用，其中具有直至40kV的交流电压的电压脉冲被应用。
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