电气电感器装置的制作方法

本公开涉及电气电感器装置，所述电气电感器装置包括诸如导线或线圈的电导体以及磁芯。

背景技术：

电气电感器装置可以包括电线(例如，线圈)，所述电线被配置成在激励时产生磁场。

技术实现要素：

一种被配置成将能量存储在磁场中的电感器包括磁芯和电导体。所述磁芯限定中心孔。所述磁芯包括悬浮在非磁性基质中的磁性粉末。所述磁性粉末具有球形颗粒和薄片形颗粒，所述球形颗粒和所述薄片形颗粒被布置成使得所述薄片形颗粒与所述球形颗粒的比率在沿着所述磁芯的横截面区域从所述中心孔径向向外延伸的方向上从与所述中心孔相邻的第一区域向与所述磁芯的外周边相邻的第二区域增加。所述球形颗粒和所述薄片形颗粒还被布置成使得所述磁芯的磁导率在沿着所述磁芯的所述横截面区域从所述中心孔径向向外延伸的所述方向上增加。所述电导体设置在所述中心孔内并且被配置成将电流输送到所述电感器以产生用于能量存储的所述磁场。

一种被配置成将能量存储在磁场中的电感器包括导线和芯。所述导线被配置成将电流输送到所述电感器以产生所述磁场。所述芯围绕所述导线径向设置。所述芯包括悬浮在非磁性基质中的磁性颗粒。所述磁性颗粒被布置成使得，所述芯的磁导率在沿着所述磁芯的横截面区域从所述导线径向向外延伸的方向上从与所述导线相邻的第一区域向与所述磁芯的外周边相邻的第二区域增加。

一种形成电感器的方法包括：形成复合材料片材，所述复合材料片材包括悬浮在非磁性基质中的薄片形磁性颗粒；在形成所述片材时，在纵向方向上沿着所述片材从与所述片材的第一横向侧相邻的第一区域向与所述片材的第二横向侧相邻的第二区域增加所述薄片形磁性颗粒的密度；在所述纵向方向上卷绕所述片材以形成限定中心孔的磁芯，其中所述薄片形磁性颗粒的所述密度在沿着所形成磁芯的横截面区域从所述中心孔径向向外延伸的方向上从与所述中心孔相邻的第三区域向与所述磁芯的外周边相邻的第四区域增加，并且其中所述磁芯的磁导率在沿着所述所形成磁芯的所述横截面区域从所述中心孔径向向外延伸的所述方向上增加。

附图说明

图1示出了示例性电气电感器，具体来说螺旋电气电感器；

图2a示出了用于形成由复合材料制成的片材的挤压工艺；

图2b是图2a中概述的区域2b的放大图；

图3示出了卷绕片材以形成用于电气电感器的芯的工艺；

图4是沿着图1中的线4-4截取的横截面图；以及

图5是示出了形成芯和电气电感器的工艺或方法的流程图。

具体实施方式

本文描述了本公开的实施例。然而，应理解，所公开的实施例仅仅是示例并且其它实施例可以采取各种形式和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅解释为教导本领域技术人员以不同方式采用实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任一者示出和描述的各种特征可以与一个或多个其它附图中示出的特征进行组合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，符合本公开的教导的特征的各种组合和修改对于特定应用或实现方式可能是期望的。

电感器被配置成当电流流过电感器的线圈(例如，参看下面的导线14)时将能量存储在磁场中。根据芯中使用的材料，电感器可以分为“空气芯”设计、“叠层芯”设计和/或“粉末芯”设计。在粉末芯电感器设计中，芯可以由铁磁粉末构成，所述铁磁粉末被电绝缘的非磁性基质包围，所述电绝缘的非磁性基质可以是粘合剂材料或基于聚合物的材料，诸如环氧树脂。粉末芯电感器是一种分布式气隙芯，其可以具有所需的性质，诸如高电阻率、低涡流损耗和良好的电感稳定性。

分布式气隙电感器设计有效地减少了边缘效应损耗。而且，在分布式气隙电感器设计中，当装置运行时，可能存在不均匀的磁通分布。不均匀性是由沿着不同磁通路径的等效磁阻引起的。在均匀芯或整个芯中具有单个磁导率值的芯中，当在导体中流动电流时，靠近导体的区域具有较高的磁通密度，而外部区域具有非常低的磁通密度。换句话说，芯的外部部分可能对电感器的性能的贡献较少。为了解决问题，本文公开一种减小电感器的芯内的磁导率差异的不均匀芯。

参考图1，示出了电气电感器10。电气电感器10可以是螺旋电气电感器。电气电感器10包括电感器磁芯12和设置在电感器磁芯12内的电导体或导线14(可以称为线圈)。更具体地，导线14可以设置在由电感器磁芯12限定的中心孔内。导线14被配置成将电流输送到电感器10并且产生磁场。电感器磁芯12可以由铁磁材料制成。当诸如电池或发电机的电源连接到导线14的端子(未示出)并且将电输送到导线14时，导线14被激励并产生磁场。电感器磁芯12可以放大由导线14产生的磁场。应理解，图1的电气电感器10仅用于说明的目的，并且电气电感器10可以具有替代的形状。

参考图2a，示出了用于形成复合材料片材16的挤压工艺。然后，片材16可以用于构造电感器10的电感器磁芯12。具有薄片形磁性颗粒18的粉末被迫通过由挤压模具22限定的狭缝20，以使薄片形磁性颗粒18沿着线性路径或沿着纵向方向24对准。粉末可以是薄片形磁性颗粒18和第二类型的颗粒26的混合物。薄片形颗粒是具有由厚度t分开的一对基本上平行且平面外表面27的颗粒，如图2b所示。所述一对基本上平行且平面外表面27的长度或宽度与薄片形磁性颗粒18的厚度t的比率的范围可以在3:1与100,000:1之间。薄片形颗粒的基本上平行且平面外表面27可以形成任何形状。例如，基本上平行且平面外表面27可以为圆形、椭圆形、矩形、正方形、平行四边形等。基本上平行可以指在完全平行与距完全平行15°之间的任何增量值。所述一对基本上平行且平面外表面27可以具有相对于彼此保持基本上平行的线性或非线性轮廓。

可以在迫使薄片形磁性颗粒18和第二类型的颗粒26的混合物通过由挤压模具22限定的狭缝20之前混合薄片形磁性颗粒18和第二类型的颗粒26。第二类型的颗粒26可以是球形颗粒，可以是非磁性颗粒，可以是非薄片形的磁性颗粒(例如，球形磁性颗粒)，或其任何组合。粉末可以与非磁性基质材料28混合，使得粉末的颗粒(即，薄片形磁性颗粒18和第二类型的颗粒26)悬浮在非磁性基质材料28中。非磁性基质材料28可以是粘合剂材料或基于聚合物的材料，诸如环氧树脂。然后将粉末和非磁性基质材料28从模具22输出以形成复合材料片材16，其中薄片形磁性颗粒18在复合材料片材16内沿着纵向方向24对准。替代地，可以在挤压工艺之前用非磁性基质材料28涂覆粉末。

根据电感器磁芯12的期望磁导率，可以利用薄片形磁性颗粒18和第二类型的颗粒26的不同比率来构造复合材料片材16，然后使用所述复合材料片材来构造电感器磁芯12。应注意，挤压工艺的设置可以与所示的不同。例如，可以替代地迫使粉末通过两个旋转的滚筒或轮之间的间隙。在挤压工艺期间，可以加热粉末以增加粉末的流动性并促进薄片形磁性颗粒18在纵向方向24上的对准。狭缝20宽度可以逐渐减小，以进一步促进薄片在纵向方向24上的对准。具有不规则形状或球形的颗粒(例如，第二类型的颗粒26)相对于对准的薄片形磁性颗粒18具有更大的等效气隙。因此，添加具有不规则形状或球形的颗粒(例如，第二类型的颗粒26)降低复合材料片材16的磁导率并最终降低电感器磁芯12的磁导率，而添加对准的薄片形磁性颗粒18增加复合材料片材16的磁导率并最终增加由复合材料片材16构成的电感器磁芯12的磁导率。

通过更改或改变薄片形磁性颗粒18与第二类型的颗粒26的比率，可以调节复合材料片材16的磁导率并最终调节电感器磁芯12的磁导率。例如，在图2a中，薄片形磁性颗粒18与第二类型的颗粒26的比率可以在挤压工艺期间变化或逐渐增加，使得复合材料片材16的磁导率从片材16的第一端29到片材16的第二端30逐渐增加。与第一端29相邻的片材16的第一区域32可以具有范围在1:1与2:1之间的薄片形颗粒18与第二类型的颗粒26的比率，与第二端30相邻的片材16的第二区域34可以具有范围在4:1与100:1之间的薄片形颗粒18与第二类型的颗粒26的比率，以及在第一区域和第二区域之间的第三区域36可以具有范围在2:1与4:1之间的薄片形颗粒18与第二类型的颗粒26的比率。应注意，粉末可以完全由朝向片材16的第二端30的薄片形颗粒18构成。替代地，可能没有球形或不规则形状的粉末。磁导率的变化也可以通过增加粘合剂(即，非磁性基质材料28)或其它非铁磁材料的比率来实现。

复合材料片材16可以卷起并进一步制造成不同的形状。如图3中所示，片材16可以从右手侧(即，从第一端29)卷到左手侧(即，第二端30)。由于薄片形颗粒18与第二类型的颗粒26的较低比率，所得的圆柱体在中心具有较低磁导率，并且由于薄片形颗粒18与第二类型的颗粒26的较高比率，在外周表面附近具有较高磁导率。然后，所得的圆柱体用于形成磁芯12。

现在参考图4，示出了电感器10的横截面图。电感器磁芯12限定中心孔或居中定位的孔36。导线14设置在中心孔36内，并且电感器磁芯12围绕导线14径向设置。替代地，可以将片材16直接卷绕在导线14上以形成电感器10。一旦导线14设置在中心孔36内，电感器磁芯12和导线14就可以共同缠绕成不同形状的电感器。例如，电感器磁芯12和导线14可以共同地缠绕成螺旋形状，使得电感器10是如图1中所示的螺旋电感器。此外，一旦片材16已经卷起，每个薄片形颗粒18的所述对基本上平行且平面外表面27被布置成围绕中心孔36和/或导线14同心地延伸。

电感器磁芯12的磁导率在沿着电感器磁芯12的横截面区域从中心孔38和导线14径向向外延伸的方向38上增加。更具体地，由于靠近中心孔36的薄片形颗粒18与第二类型的颗粒26的较低比率以及由于靠近外周边44的薄片形颗粒18与第二类型的颗粒26的较高比率，电感器磁芯12的磁导率可以在沿着电感器磁芯12的横截面区域从与中心孔36相邻的第一区域40延伸到与电感器磁芯12的外周边44相邻的第二区域42的径向方向38上增加。在径向方向38上，磁导率的增加以及薄片形颗粒18与第二类型的颗粒26的比率的增加可以是逐渐的。薄片形颗粒18与第二类型的颗粒26的比率的范围可以在第一区域40中在1:1与2:1之间内且在第二区域42中在4:1与100:1之间。

由于磁导率由片材16的微结构控制，因此通过改变薄片形颗粒18与第二类型的颗粒26的比率，不同的设计是可行的。因此，可以实现任何期望的磁导率分布。通过利用片材16作为构造单元，可以制造不同类型的电感器。例如，可以通过围绕导体(例如，导线14)卷绕片材16，然后将组合的片材16和导体缠绕成螺旋形来构造图1中所示的螺旋电感器设计。

参考图5，示出了形成电感器磁芯12和电气电感器10的工艺或方法100的流程图。方法100在框102处开始于形成复合材料片材16，所述复合材料片材包括悬浮在非磁性基质28中的薄片形磁性颗粒18。复合材料片材16还可以包括如上所述的第二类型的颗粒26。接下来，方法100前进到框104，其中薄片形磁性颗粒18的密度在纵向方向24上沿着片材16从与片材16的第一端29相邻的第一区域32向与片材的第二端30相邻的第二区域34增加。替代地或除了增加薄片形磁性颗粒18的密度之外，在框104处，薄片形磁性颗粒18与第二类型的颗粒26的比率可以在纵向方向24上沿着片材16从与片材16的第一端29相邻的第一区域32向与片材的第二端30相邻的第二区域34增加。在正形成片材16时，薄片形磁性颗粒18的密度和/或薄片形磁性颗粒18与第二类型的颗粒26的比率增加。然后，方法100前进到框106，其中薄片形磁性颗粒18在纵向方向24上沿着片材16对准。在正形成片材16时，但在非磁性基质28固化或变硬之前，薄片形磁性颗粒18可以对准。

一旦完成框102、104和106中的步骤，所述方法就前进到框108，其中片材16被卷绕以形成电感器磁芯12。更具体地，片材在纵向方向24上卷绕以形成电感器磁芯12，使得电感器磁芯12限定中心孔36，因此，薄片形磁性颗粒18的密度在沿着所形成的电感器磁芯12的横截面区域从中心孔36径向向外延伸的方向38上从与中心孔36相邻的第一区域40向与电感器磁芯12的外周边44相邻的第二区域42增加，并且因此电感器磁芯12的磁导率在沿着所形成的电感器磁芯12的横截面区域从中心孔36径向向外延伸的方向38上增加。

接下来，所述方法前进到框110，其中电导体或导线14设置在电感器磁芯12的中心孔36内。替代地，可以将片材16直接卷绕在导线14上。然后，方法100前进到框112，其中共同地缠绕电感器芯12和电导体或导线14以形成电感器，诸如图1中所示的螺旋形电感器10。根据方法100，在形成电感器磁芯12和电气电感器10时，电感器磁芯12或电感器10可以在任何时刻整体地进行热处理或烧结。

应理解，图5中的流程图仅用于说明目的，并且方法100不应被解释为限于图5中的流程图。方法100的一些步骤可以进行重新布置，而其它步骤可以完全被省略。应理解，对于区域、方向或本文所述的任何其它部件、状态或状况的第一、第二、第三、第四等的标注可以在权利要求中进行重新布置，使得它们关于权利要求是按时间顺序排列。

在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以做出各种改变。如前所述，各种实施例的特征可以被组合以形成可能没有明确描述或示出的其它实施例。尽管各个实施例可能已经被描述为就一个或多个所期望特性而言相较其它实施例或现有技术实现方式来说提供优点或是优选的，但是本领域的普通技术人员将认识到，一个或多个特征或特性可以折衷以实现期望的总体系统属性，这取决于特定应用和实现方式。因此，就一个或多个特性而言被描述为不如其它实施例或现有技术实现方式期望的实施例处在本公开的范围内，并且对于特定应用来说可能是期望的。

根据本发明，提供一种被配置成将能量存储在磁场中的电感器，所述电感器具有限定中心孔的磁芯，所述磁芯包括悬浮在非磁性基质中的磁性粉末，所述磁性粉末具有球形颗粒和薄片形颗粒，所述球形颗粒和所述薄片形颗粒被布置成使得所述薄片形颗粒与所述球形颗粒的比率在沿着所述磁芯的横截面区域从所述中心孔径向向外延伸的方向上从与所述中心孔相邻的第一区域到与所述磁芯的外周边相邻的第二区域变化，并且使得所述磁芯的磁导率在沿着所述磁芯的所述横截面区域从所述中心孔径向向外延伸的所述方向上变化；以及电导体，所述电导体设置在所述中心孔内并且被配置成将电流输送到所述电感器以产生所述磁场。

根据实施例，所述薄片形颗粒中的每一个具有由所述薄片形颗粒的厚度分开的一对基本上平行且平面外表面，并且其中每个薄片形颗粒的所述一对基本上平行且平面外表面被布置成围绕所述中心孔同心地延伸。

根据实施例，所述磁芯包括卷绕的材料片材，所述卷绕的材料片材由悬浮在所述非磁性基质中的所述磁性粉末组成。

根据实施例，所述磁芯和所述电导体共同地缠绕成螺旋形，使得所述电感器是螺旋电感器。

根据实施例，所述比率从至多2:1到至少100:1变化。

根据本发明，提供一种被配置成将能量存储在磁场中的电感器，所述电感器具有导线，所述导线被配置成将电流输送到所述电感器以产生所述磁场；以及芯，所述芯围绕所述导线径向地设置，所述芯包括悬浮在非磁性基质中的磁性颗粒，其中所述磁性颗粒被布置成使得所述芯的磁导率在沿着所述芯的横截面区域从所述导线径向向外延伸的方向上从与所述导线相邻的第一区域向与所述芯的外周边相邻的第二区域增加。

根据实施例，所述磁性颗粒包括薄片形颗粒。

根据实施例，所述芯还包括悬浮在非磁性基质中的非磁性颗粒。

根据实施例，所述薄片形颗粒与所述非磁性颗粒的比率在沿着所述芯的所述横截面区域从所述导线径向向外延伸的方向上增加。

根据实施例，所述比率从所述第一区域内的至多2:1增加到所述第二区域内的至少4:1。

根据实施例，所述薄片形颗粒中的每一个具有由所述薄片形颗粒的厚度分开的一对基本上平行且平面外表面，并且其中每个薄片形颗粒的所述一对基本上平行且平面外表面被布置成围绕所述导线同心地延伸。

根据实施例，所述磁性颗粒包括薄片形颗粒和球形颗粒。

根据实施例，所述薄片形颗粒与所述球形颗粒的比率在沿着所述芯的所述横截面区域从所述导线径向向外延伸的方向上增加。

根据实施例，所述比率从所述第一区域内的至多2:1增加到所述第二区域内的至少4:1。

根据实施例，所述薄片形颗粒中的每一个具有由所述薄片形颗粒的厚度分开的一对基本上平行且平面外表面，并且其中每个薄片形颗粒的所述一对基本上平行且平面外表面被布置成围绕所述导线同心地延伸。

根据实施例，所述芯和所述电导体共同地缠绕成螺旋形，使得所述电感器是螺旋电感器。

根据实施例，所述芯包括卷绕的材料片材，所述卷绕的材料片材由悬浮在所述非磁性基质中的所述磁性粉末组成。

根据本发明，一种形成电感器的方法包括：形成复合材料片材，所述复合材料片材包括悬浮在非磁性基质中的薄片形磁性颗粒；在形成所述片材时，在纵向方向上沿着所述片材从与所述片材的第一端相邻的第一区域向与所述片材的第二端相邻的第二区域增加所述薄片形磁性颗粒的密度；以及在所述纵向方向上卷绕所述片材以形成限定中心孔的磁芯，其中所述薄片形磁性颗粒的所述密度在沿着所形成磁芯的横截面区域从所述中心孔径向向外延伸的方向上从与所述中心孔相邻的第三区域向与所述磁芯的外周边相邻的第四区域增加，并且其中所述磁芯的磁导率在沿着所述所形成磁芯的所述横截面区域从所述中心孔径向向外延伸的方向上增加。

在本发明的一个方面，所述方法包括在卷绕所述片材之前使所述薄片形磁性颗粒沿着所述片材在所述纵向方向上对准。

在本发明的一个方面，所述方法包括将电线设置在所述中心孔内；以及共同地缠绕所述所形成磁芯和所述电线以形成所述电感器。