一种复用磁路的三相高频电感
阅读说明：本技术 一种复用磁路的三相高频电感 (Three-phase high-frequency inductor of multiplexing magnetic circuit ) 是由 冯颖盈 姚顺 刘钧 徐金柱 李旭升 王虎 于 2021-02-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种复用磁路的三相高频电感,包括A、B、C相电感绕组磁芯采用罒字形框架结构,磁芯采用罒字形框架结构,由上磁芯横梁(1)、下磁芯横梁(2)、第一磁芯立柱(3)、第二磁芯立柱(4)、第三磁芯立柱(5)、第四磁芯立柱(6)围拢成左窗口(10)、中窗口(11)、右窗口(12)；所述第二磁芯立柱中的A相磁通Φa和B相磁通Φb同相,所述第三磁芯立柱中的B相磁通Φb和C相磁通Φc同相；本发明复用了磁路,相当于B相复用了A相和C相的磁路,磁件体积、重量减小,减少成本,减少热损耗,优化磁元件的散热。(The invention discloses a three-phase high-frequency inductor with a multiplexing magnetic circuit, which comprises an A, B, C-phase inductance winding magnetic core which adopts a -shaped frame structure, and a magnetic core which adopts a -shaped frame structure, wherein a left window (10), a middle window (11) and a right window (12) are enclosed by an upper magnetic core beam (1), a lower magnetic core beam (2), a first magnetic core upright post (3), a second magnetic core upright post (4), a third magnetic core upright post (5) and a fourth magnetic core upright post (6); the A-phase magnetic flux phi a and the B-phase magnetic flux phi B in the second magnetic core column are in the same phase, and the B-phase magnetic flux phi B and the C-phase magnetic flux phi C in the third magnetic core column are in the same phase; the invention multiplexes the magnetic circuit, which is equivalent to the magnetic circuit multiplexing the A phase and the C phase in the B phase, the volume and the weight of the magnetic element are reduced, the cost is reduced, the heat loss is reduced, and the heat dissipation of the magnetic element is optimized.)
技术领域
本发明涉及电感元件，尤其涉及一种复用磁路的三相高频电感。
背景技术
常见的三相PFC拓扑有三相六开关、Vienna拓扑，以及他们的变形，拓扑结构如图1和图2所示。他们的特点是三个输入电感La，Lb，Lc是对称的，在设计时电感感量相同，大小材质也相同。这三个电感的工作状态也是一样的，输入电流大小相同，而相位相差120°。所以在类似的应用场景下，电感设计时为了减小磁芯的体积，往往会选择三相共用磁芯来减小磁元件的体积。但在现有的三相集成电感中共用磁芯中，有部分磁通相互抵消，使得元件体积无法进一步减小、磁损耗居高不下。
因此，如何设计一种体积小巧、磁损耗居小、散热良好的三相高频电感是业界亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出一种复用磁路的三相高频电感。
本发明采用的技术方案是设计一种复用磁路的三相高频电感，包括A相电感绕组、B相电感绕组、C相电感绕组，以及磁芯，所述磁芯采用罒字形框架结构，由上磁芯横梁、下磁芯横梁、第一磁芯立柱、第二磁芯立柱、第三磁芯立柱、第四磁芯立柱围拢成左窗口、中窗口、右窗口；所述A相电感绕组缠绕在左窗口四周的侧壁上，产生A相磁通Φa；所述B相电感绕组缠绕在中窗口四周的侧壁上，产生B相磁通Φb；所述C相电感绕组缠绕在右窗口四周的侧壁上，产生C相磁通Φc；所述第二磁芯立柱中的A相磁通Φa和B相磁通Φb同相，所述第三磁芯立柱中的B相磁通Φb和C相磁通Φc同相。
所述A相电感绕组分成两段，分别缠绕在左窗口所在位置的上磁芯横梁和下磁芯横梁上；所述B相电感绕组分成两段，分别缠绕在中窗口所在位置的上磁芯横梁和下磁芯横梁上；所述C相电感绕组分成两段，分别缠绕在右窗口所在位置的上磁芯横梁和下磁芯横梁上。
在一个设计方案中，所述A相电感绕组、B相电感绕组和C相电感绕组皆采用左螺旋绕制结构；其中A相和C相电感绕组中的电流由绕组头端流向尾端，B相电感绕组中的电流由绕组尾端流向头端；或者A相和C相电感绕组中的电流由绕组尾端流向头端，B相电感绕组中的电流由绕组头端流向尾端。
在另一个设计方案中，所述A相电感绕组、B相电感绕组和C相电感绕组皆采用右螺旋绕制结构，其中A相和C相电感绕组中的电流由绕组头端流向尾端，B相电感绕组中的电流由绕组尾端流向头端；或者A相和C相电感绕组中的电流由绕组尾端流向头端，B相电感绕组中的电流由绕组头端流向尾端。
在另外一个设计方案中，所述A相电感绕组和C相电感绕组皆采用左螺旋绕制结构，B相电感绕组采用右螺旋绕制结构；其中A相、B相和C相电感绕组中的电流皆由绕组头端流向尾端；或者A相、B相和C相电感绕组中的电流皆由绕组尾端流向头端。
在其他一个设计方案中，所述A相电感绕组和C相电感绕组皆采用右螺旋绕制结构，B相电感绕组采用左螺旋绕制结构；其中A相、B相和C相电感绕组中的电流皆由绕组头端流向尾端；或者A相、B相和C相电感绕组中的电流皆由绕组尾端流向头端。
各相电感绕组分成两段，两段绕组匝数相等，分别缠绕在上磁芯横梁和下磁芯横梁上。
本发明提供的技术方案的有益效果是：一、复用了磁路，本来每一相都需要磁路，但是通过此种设计，相当于B相复用了A相和C相的磁路；二、磁件体积、重量减小，比起三个独立开的磁元件方便安装，大幅度减小安装难度；三、进而减少成本，体积减小，可以减小成本；四、减少热损耗，磁元件的损耗与其体积成正比，体积减小，损耗也会减小，复用部分的磁通减小之后放热量大幅度减小，可以优化磁元件的散热。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是三相PFC拓扑结构示意图；
图2是三相Vienna PFC拓扑结构示意图；
图3是现有三相高频电感结构示意图；
图4是本发明改变B相电流流向使磁通相同的绕线示意图；
图5是本发明改变绕线使磁通相同的绕线示意图；
图6是现有三相高频电感温度分布示意图；
图7是本发明三相高频电感温度分布示意图；
图8是现有的和本发明电感磁通曲线对照图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出的三相高频电感，在三相电力系统中利用磁通抵消的方法来复用磁路，从而减小有效横截面积，可以减小磁元件的体积和重量，进而减小成本，减小体积就会减小整个磁元件的损耗，优化散热。
参看图3示出的现有三相高频电感结构示意图，三相电网每一相电压之间的相位相差120°，假设：，；；可以得到磁通量分别为；；；假如绕线的匝数相等，那么三相交流电流产生的磁通也是大小相同，相位相差120°。按照图3所示的绕线方法，A相和B相的交汇处的磁通是反向的，那么按照向量相减的规则，共用磁芯处的磁通为，此时的磁通相对与完全独立、不共用磁芯的解决方案来说体积会减小0.27，但是共用部分的截面积会是单独的倍；但是如果公用部分的磁通是同相的，那么按照向量相加的规则，磁通和原来的相比幅值没有变化，只是相位改变了，所以在这种设计下，共用部分的磁芯有效横截面积没有增加，减小磁元件的体积。
本发明公开了一种复用磁路的三相高频电感，参看图4，三相高频电感包括A相电感绕组7、B相电感绕组8、C相电感绕组9，以及磁芯，所述磁芯采用罒字形框架结构，由上磁芯横梁1、下磁芯横梁2、第一磁芯立柱3、第二磁芯立柱4、第三磁芯立柱5、第四磁芯立柱6围拢成左窗口10、中窗口11、右窗口12；所述A相电感绕组缠绕在左窗口四周的侧壁上，产生A相磁通Φa；所述B相电感绕组缠绕在中窗口四周的侧壁上，产生B相磁通Φb；所述C相电感绕组缠绕在右窗口四周的侧壁上，产生C相磁通Φc；所述第二磁芯立柱中的A相磁通Φa和B相磁通Φb同相，所述第三磁芯立柱中的B相磁通Φb和C相磁通Φc同相。
需要指出，为了表述方便，本文使用了许多方位词和数量词，如：上下、左中右、头端尾端、第一第二第三第四，这些词是为了表述各元件的位置关系，方便同附图对照起来看，方便人们理解本发明，但并不用于限定本发明。
在较佳实施例中，所述A相电感绕组7分成两段，分别缠绕在左窗口10所在位置的上磁芯横梁1和下磁芯横梁2上；所述B相电感绕组8分成两段，分别缠绕在中窗口11所在位置的上磁芯横梁1和下磁芯横梁2上；所述C相电感绕组9分成两段，分别缠绕在右窗口12所在位置的上磁芯横梁1和下磁芯横梁2上。
参看图4示出的一个实施例：所述A相电感绕组7、B相电感绕组8和C相电感绕组9皆采用左螺旋绕制结构；其中A相和C相电感绕组中的电流由绕组头端流向尾端，B相电感绕组中的电流由绕组尾端流向头端；或者A相和C相电感绕组中的电流由绕组尾端流向头端，B相电感绕组中的电流由绕组头端流向尾端。
本发明是在三相共用磁芯的磁元件中通过改变绕线或者电流流向来保持共用部分的磁通同向，利用三相电网相位相差120°的特点，使得共用部分的磁通的幅值不变，可以有效减小磁芯体积。以图4中第二磁芯立柱4为例，按照向量相加的规则，磁通和原来的相比幅值没有变化，只是相位改变了，所以在这种设计下，共用部分的磁芯有效横截面积没有增加，减小磁元件的体积。图8示出了现有的和本发明电感磁通曲线对照图，这是一张仿真图，A相电感绕组产生的A相磁通的曲线如“Φa”所示，如果在共用的第二磁芯立柱4中磁通是相减的，其合成的曲线如“Φa-Φb”所示，相对于Φa来说是增大了1.73倍。如果在共用的第二磁芯立柱4中磁通是相加的，其合成的曲线如“Φa+Φb”所示，磁通的大小和单相的一样。采用本发明后，共用的磁芯立柱中的磁通量没有增加，从而可以减小电感体积减小损耗。
对于不想改变绕线方向的方案来说，可以通过交换B相电流的流通方向来改变两侧共用磁芯的部分的磁通，对磁元件来说，也可以保持B相不变，改变A和C相的电流流向。如图4所示。在另一个实施例中，所述A相电感绕组7、B相电感绕组8和C相电感绕组9皆采用右螺旋绕制结构，其中A相和C相电感绕组中的电流由绕组头端流向尾端，B相电感绕组中的电流由绕组尾端流向头端；或者A相和C相电感绕组中的电流由绕组尾端流向头端，B相电感绕组中的电流由绕组头端流向尾端。
对于不方便调换电流方向的方案来说，还可以通过更改绕线方法来改变磁通方向。可以单独使B相的绕线方向和A相C相相反，来得到相同的效果。如图5所示。
在另外一个实施例中，所述A相电感绕组7和C相电感绕组9皆采用左螺旋绕制结构，B相电感绕组8采用右螺旋绕制结构；其中A相、B相和C相电感绕组中的电流皆由绕组头端流向尾端；或者A相、B相和C相电感绕组中的电流皆由绕组尾端流向头端。
在其他一个实施例中，所述A相电感绕组7和C相电感绕组9皆采用右螺旋绕制结构，B相电感绕组8采用左螺旋绕制结构；其中A相、B相和C相电感绕组中的电流皆由绕组头端流向尾端；或者A相、B相和C相电感绕组中的电流皆由绕组尾端流向头端。
按照此种思路对同一个电感进行仿真。按照相同的散热条件，相同的电流输入大小，仅对输入的B相电流的流向进行改变，发现最终的损耗和散热有了明显的区别。图6的温度分布为按照图3的电流流向下的温度分布。图7的温度分布是按照图4的电流流向下的温度分布。对比这两个条件下的温度，看出更改电流方向之后中间磁芯的温度下降了18℃，连带着整个电感的温度都有一定程度的下降。
在三相电网中共用三相电的磁元件系统，都可以用这种思路设计，在共用磁芯的部分通过改变磁通的方向来尽可能地抵消磁通，实现方法简单来说可以通过让B相的电流流向不同，或者B相的绕线不同来实现磁通抵消。
各相电感绕组分成两段，两段绕组匝数相等，分别缠绕在上磁芯横梁1和下磁芯横梁2上。
以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。
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