具有位置相關導磁率的軟磁芯的制作方法
【專利說明】具有位置相關導磁率的軟磁芯
[0001]本發明涉及一種由軟磁材料構成、例如用于制造電感的芯。
[0002]在電子控制設備、例如直流-直流-轉換器(DC-DC-轉換器)中，經常將具有低導磁率芯材料的儲能扼流圈、儲能變換器或者濾波扼流圈例如應用為電感儲能器。在這種電感構件的芯中，能夠根據構造形式出現極其不均勻的場分布。因此，一般而言，芯材料在位置上沒有得到最優的調控和/或利用。甚至在對稱性相對高的環狀芯扼流圈中，情況也顯然是這樣，并且在內直徑外直徑之比比較大的情況下導致較不優化的解決方案，這是因為在體積給定的情況下達不到最大可能的電感和/或在電感給定的情況下得不到最小或者花費最少的解決方案。
[0003]上面提到的芯調控效應在當今常見的導磁率分布均勻的芯中同樣通過部分的飽和效應形成與調控相關的、有效的芯導磁率。隨之而來的是構件特性明顯變差，例如電流轉換器中的測量誤差變大。現在，這只能通過芯的相對應的超尺寸來承受，所述超尺寸避免了拓寬的過渡中的運行進入飽和，這又增加了成本。
[0004]本發明的任務是，提供軟磁芯，其在體積相等的情況下相比于已知芯具有更好的特性和/或在特性相同的情況下具有更小的體積。
[0005]該任務通過一種軟磁芯來解決，其中，在所述芯的至少兩個不同位置上出現的導磁率不同。
[0006]術語“不同導磁率”理解為，兩個導磁率之間的差大于由制造公差和測量精度所引起的差。那么，在所出現的最小導磁率和最大導磁率之間的比例例如可以大于1: 1.1或者1: 1.2或者1: 1.5或者1: 2或者1: 3或者1: 5。
[0007]接下來借助附圖的圖中示出的實施例來更詳細地解釋該發明。其中:
[0008]圖1示意性地示出軟磁環狀芯，其具有被引導穿過環狀芯開口的導體；
[0009]圖2在圖形中示出在芯半徑上場強的走向以及徑向線性的導磁率增長的走向；
[0010]圖3在圖形中相對于恒定導磁率走向示出徑向線性的導磁率增長的情況下相對的電感增加；
[0011]圖4在圖形中示出芯中電感貢獻的徑向相關性；
[0012]圖5在圖形中針對第一情況示例示出在產生有效場強的電流上的導磁率；
[0013]圖6在圖形中針對第二情況示例示出產生有效場強的電流上的導磁率；
[0014]圖7在圖形中針對圖5中所示出情況示出在有效場強上的有效導磁率；
[0015]圖8在圖形中針對圖6中所示出情況示出在有效場強上的磁通量；
[0016]圖9在圖形中示例性地示出在不同的外直徑和內直徑下具有恒定導磁率的芯的通量-場強-回線的、幾何形狀相關的倒圓的測量；
[0017]圖10在圖形中示出在第一尺寸下電感與直流電流相關的走向，所述直流電流通過在圖1中示出的布置中的導體；
[0018]圖11在圖形中針對第二尺寸示出電感與直流電流相關的走向，所述直流電流通過在圖1中示出的布置中的導體；
[0019]圖12在表格中針對四種不同情況示出圖1中所示出布置的參數；
[0020]圖13在圖形中針對結合圖12示出的情況示出電感與直流電流相關的走向，所述直流電流通過在圖1中示出的布置的導體；
[0021]圖14示意性地示出具有階梯型導磁率走向的兩件式芯的結構；
[0022]圖15在圖形中示出在應用兩件式芯的情況下與一件式芯相比電感與直流電流相關，所述直流電流通過圖1中示出的布置的導體；
[0023]圖16在圖形中針對一件式芯和兩件式芯示出在電流強度不同的情況下在平均直徑上的電感貢獻；
[0024]圖17在圖形中示出在熱處理不同的情況下在拉應力上感應的各向異性；
[0025]圖18在圖形中針對不同的熱處理示出與拉應力相關的導磁率；
[0026]圖19在塊狀圖中不出一種用于制造具有可變芯導磁率的芯的布置；
[0027]圖20針對利用根據圖19的裝置制造的芯示出導磁率在場強上的走向；
[0028]圖21在圖形中對于用于制造帶的方法示出芯導磁率與帶位置相關的走向，其中所述帶具有在帶長度上變化的導磁率；
[0029]圖22在圖形中對于由納米晶體材料構成的、具有拉應力感應的各向異性的不同環狀帶芯示出在場強上的磁化；
[0030]圖23示意性地示出一件式纏繞的、導磁率在半徑上變化的芯的結構；
[0031]圖24示意性地示出具有按壓和纏繞的芯部分的兩件式芯的結構；
[0032]圖25在圖形中對于作為圖21中所示出方法的替代、用于制造導磁率在帶長度上變化的帶的方法示出芯導磁率與帶位置相關的走向；
[0033]圖26在示意性的簡圖中示出用于在圖25中示出的方法中使用的纏繞布置；
[0034]圖27在圖形中針對示例性的梯度芯示出與磁場強度相關的磁通量；
[0035]并且
[0036]圖28在圖形中示出在帶位置上導磁率以及芯場強的走向。
[0037]本發明允許通過針對相應的使用情況對任意形狀的磁芯進行與位置相關的導磁率匹配而提供優化的解決方案并且因而例如能夠實現體積減小和/或成本更低廉的芯。因而，能夠根據這些芯的幾何形狀例如在理想情況下與環狀芯中相比在芯體積相等的情況下達到百分之幾十的電感增大。與之相聯系的還有:這樣的芯具有線性磁滯區域到飽和中明顯更清晰的過渡和/或具有導磁率恒定和/或導磁率變化不那么強的調控區域。在此，也開啟了如下可能性，即，通過相對應地受控的、與理想情況的偏差來設定適宜地倒圓的、有效的磁滯形狀。這通過如下方式來實現:芯導磁率的位置相關性匹配由構件的幾何形狀引起的不均勻場分布。由此將在芯體積上不均勻存在的飽和效應降到最低或者甚至避免所述飽和效應。根據所使用的芯材料和芯形狀，這通過不同的方式實現。常見的芯形狀例如為環形、U形、I形或者類似形狀。
[0038]在環狀芯的情況下，磁場強度H與半徑r成反比，使得
[0039]H = N.Ι/(2πι.)，
[0040]其中，N是被引導穿過芯開口的導體的匝數，并且I是流經該導體的電流的電流強度。這種布置在圖1中示出，其中，匝數N= I的導體I被引導穿過環狀芯2的開口。芯2具有限定該開口的內直徑Dp外直徑1以及高度h。上面所提及的場強下降導致:在其材料典型的、與場強相關的通量曲線(也稱為B (H)曲線(磁通密度B、場強H))上向外強度一直變弱地調控均勻的磁芯材料。因此，大致簡單來說，芯的內部區域可能已經接近飽和或者處于飽和，即以對應地減少的效果工作，而外部區域僅被微弱地調控。外直徑與內直徑之比越大，該效應就越顯著。例如，對于h — 00的高度和/或Φ = J (1/2 Ji r).μ ο.μ (r).Ι) ?h ?dr,在導磁率恒定的情況下，以非常接近的方式，下式成立:
[0041 ] L = Φ/Ι = (μ0μ]ι)/2π).In(DaZDi)
[0042]在徑向線性的導磁率增長的情況下:
[0043]L= Φ/Ι = ( μ 0 μ jh/2 π ).(DaZD1-1) wobei μ (r) = ( μ j/Dj).r。
[0044]在此，Φ是磁通量，Utl為磁場常數，μ為導磁率，μ i為內直徑D i上的導磁率，μ (r)用于徑向線性的導磁率增長。
[0045]通過芯材料的導磁率配置成向外增長，能夠碰到所說明的問題。因此，位置在徑向上進一步向外的芯層中的能量密度明顯提高，因此其電感貢獻明顯提高。
[0046]此夕卜，圖