基于磁路饱和的电流控制元件的制作方法

1.本发明涉及一种电流控制元件，所述电流控制元件包括：第一磁芯，所述第一磁芯形成磁路；线圈，所述线圈被设计成在第一磁芯通电时在第一磁芯中产生磁通量；以及第二磁芯，所述第二磁芯距第一磁芯一定距离布置。


背景技术：

2.在各种实施例中，电流控制元件在现有技术中是已知的，例如继电器、晶体管开关、晶闸管开关、光耦合器开关等。一些提供电流分离，一些是非接触式的，一些具有极陡的开关特征且一些适合于极高电流。然而，已知的装置受到各种限制，并且缺少一种用于极高电流的极稳固装置，所述装置可以提供非接触式的电流分离，不需要额外的电子元件，不含移动部分，具有较小传导损耗并且提供陡峭的开关或限流特征。


技术实现要素：

3.因此，本发明的目标是提供一种改进的电流控制元件。具体来说，应提供克服以上限制的电流控制元件。
4.本发明的目标通过如在开头段落中公开的布置解决，所述布置另外包括布置在第一磁芯与第二磁芯之间的第一气隙中的磁阻导体。
5.电流控制元件如下起作用：当通过线圈的电流增加时，通过第一磁芯的磁通量也增加。在某一时刻，第一磁芯是饱和的，并且由通过线圈的额外电流引起的额外磁通量在第一磁芯外部流动。电流控制元件以某种方式设计，使得所述额外通量被引导通过第二磁芯，从而使磁阻导体也暴露于磁场。因此，改变磁阻导体的电阻且因此改变通过磁阻导体的电流。磁阻导体(具体而言其有源部分，例如其半导体结构)有利地放置于高磁通量(即，高浓度通量线)的区域中。
6.以某种方式选择第一磁芯饱和且磁场发散到第二磁芯中的点或范围，使得与此磁通量相关的电流对应于电流控制元件的开关阈值或开关范围。具体来说，电流控制元件的标称开关电流处于所述开关阈值。
7.因此，通常可以定义用于通过线圈的电流i的“标称开关电流”inom或“开关阈值”。贯穿本公开，两个术语可以互换使用。磁通量在低于标称开关电流inom或开关阈值时主要存在于第一磁芯中，并且在处于和高于标称开关电流inom或开关阈值时发散到第二磁芯中。因此，存在高于标称开关电流inom或高于开关阈值的通过磁阻导体的实质性横向磁场，所述横向磁场影响磁阻导体的电阻。
8.电流控制元件可以包括外壳，所述外壳具有用于通过线圈的电流i的标称开关电流inom，或印刷在外壳上的涉及标称开关电流inom的信息。此信息可以是与特定标称开关电流inom相关联的部件编号或符号或颜色。
9.应注意，在全部或无一者的意义上，不存在进入第二磁芯中的磁通量的“二进制”或“数字”交换，但取决于设计，变化是连续的并且也是陡峭的。
10.因此，严格来说，这是第一磁芯饱和且磁场发散到第二磁芯中的范围。因此，以某种方式设计电流控制元件，使得与此磁通量相关的电流对应于电流控制元件的开关范围。具体来说，电流控制元件的标称开关电流在所述开关范围内。
11.通常可以通过以有用方式选择第一磁芯的材料和截面来影响第一磁芯饱和的点或范围。较小截面以及具有较低饱和通量密度的磁性材料导致较早饱和，因此导致较低开关点或开关范围。
12.有利地，以某种方式设计第一磁芯，使得在开关点或开关范围处饱和的第一磁芯的部分布置在磁阻导体和第二磁芯附近。远高于开关点或开关范围饱和的第一磁芯的其它部分距磁阻导体和第二磁芯更大距离布置。可以通过使第一磁芯的靠近磁阻导体和第二磁芯的区域中的截面比其它地方小来实现此行为。替代地或另外，可以通过使用在靠近磁阻导体和第二磁芯的区域中比其它地方具有更低饱和通量密度的磁性材料来实现此行为。
13.具体来说，布置在磁阻导体和第二磁芯附近的第一磁芯的支腿或部分的截面可以小于第一磁芯的其它支腿中或第一磁芯的其它部分中的截面。替代地或另外，具有较低饱和通量密度的磁性材料可以用于布置在磁阻导体和第二磁芯附近的第一磁芯的支腿或部分，并且具有较高饱和通量密度的磁性材料可以用于第一磁芯的其它支腿或部分中。
14.通过以上措施，获得具有多个有利特征的电流控制元件。首先，可以获得控制电路和受控电路的电流分离。第二，电流控制元件是非接触式的。并且第三，当控制电流达到其开关阈值时，磁阻导体的电阻急剧增加。因此，可以近似(二进制)接通/断开行为。此外，所公开的电流控制元件非常稳固且适合于高电流(即，其在标称电流下具有小电阻)。因此，所述电流控制元件适合重型应用。
15.第一磁芯通常可以形成a)不具有第二气隙的闭合磁路，或b)具有至少一个第二气隙的开放磁路。气隙提供以下优点：当第一磁芯饱和时，通过线圈的电流流过且因此可以控制开关阈值。优选地，以某种方式选择第二气隙的长度，使得当达到标称电流时第一磁芯饱和。
16.在此上下文中，如果在b)的情况下，第一磁芯包括第一子部分和单独的第二子部分，其间(即，在第一子部分与第二子部分之间)具有至少一个第二气隙，则这是有利的。第二子部分比第一子部分更靠近磁阻导体和第二磁芯。当达到标称电流时，第二子部分应优选地饱和，并且第二子部分应在第一子部分之后饱和，这可以通过设计第二气隙的长度、设计第一和第二子部分的截面和/或选择第一和第二子部分的材料来实现。在第二子部分已饱和之后，将额外磁通量传送到第二磁芯中。为了实现所需功能，具体来说，可以使第二子部分的截面小于第一子部分的截面。替代地或另外，具有较低饱和通量密度的磁性材料可以用于第二子部分，并且具有较高饱和通量密度的磁性材料可以用于第一子部分。
17.进一步地，第一磁芯具体来说可以形成单环形状或多环形状的磁路。如果存在第一子部分和第二子部分，则第一子部分在单环的情况下类似于“u”成形，并且在双环磁路的情况下类似于“e”或“m”成形。
18.有利地，磁阻导体的电阻随着通过磁阻导体的磁通量增加而增加。以此方式，可以提供断开特征或限流特征，换句话说，一种常闭触点或断开触点。然而，原则上，磁阻导体的电阻还可以随着通过磁阻导体的磁通量增加而减小。以此方式，可以提供接通特征，换句话说，一种常开触点或闭合触点。通常，在未施加磁场的情况下，后一种材料的电阻通常相当
高。此外，如果施加相当强的磁场，则那些材料的电阻变化通常在两个数量级的范围内。
19.在权利要求和说明书以及附图中公开了其它有利的实施例。
20.在电流控制元件的优选实施例中，磁阻导体触点第一磁芯和第二磁芯。此配置实现良好热传递且保持磁阻导体相当冷。如果存在第二子部分，则磁阻导体具体而言接触第二子部分和第二磁芯。
21.有利地，第一磁芯(单独)的磁阻比第一磁芯以及第二磁芯的磁阻低至少10倍。以此方式，磁通量主要保持在第一磁芯内，直至开关阈值。
22.有利地，第一磁芯和/或第二磁芯由钒波明德合金制成。钒波明德合金是包括钴(co)、铁(fe)和钒(va)，具体来说具有大于2特斯拉的饱和通量的软铁磁合金。一般来说，应该以某种方式设计第一磁芯的材料以及其截面，使得可以在没有饱和或仅低饱和的情况下处理多达开关阈值的磁通量。如果选择钒波明德合金，则第一磁芯的截面可以保持较小。通过类似方式，应该以某种方式设计第二磁芯以及其截面，使得可以处理高于开关阈值的磁通量。如果选择钒波明德合金，则第二磁芯的截面也可以保持较小。
23.优选地，第一子部分由钒波明德合金(其具有约或大于2特斯拉的饱和通量)制成和/或第二子部分由高导磁合金(其为镍铁软铁磁且具有约1特斯拉的饱和通量)或铁氧体(具有0.5特斯拉或更小的饱和通量)。另外，第二磁芯也可以由钒波明德合金制成。这些材料可以很好地支持第一磁芯的行为，即第二子部分在标称电流下饱和且在第一子部分中发生饱和效应之前充分地饱和。
24.有利地，磁阻导体具有半导体-金属混合结构并且根据非凡磁阻效应操作。非凡磁阻(emr)是一种磁阻效应，其允许由在1:10.000以及更大的区域中施加磁场引起的电阻变化。当施加横向磁场时，在半导体-金属混合系统中发生所述效应。在不具有磁场的情况下，磁阻导体具有低电阻。在施加磁场时，磁阻导体具有高得多的电阻。因此，此材料适合于所公开的“开关”应用。
25.在有利的实施例中，电流控制元件包括线圈在其间切换的两个控制端子，以及磁阻导体在其间切换的两个受控电流端子。以此方式，形成装置，通过所述装置，包含磁阻导体的第一电路中的电流由包含线圈的第二电路中的电流控制。
26.在另一有利的实施例中，电流控制元件包括两个自动限流器端子，以及在其间切换的线圈和磁阻导体的串联连接。以此方式，可以限制电路中的电流。因此，在此实施例中，电流控制元件变成“限流元件”，例如断路器。
27.在两个实施例中，如果电阻器在两个受控电流端子之间或在两个自动限流器端子之间切换，则这是有利的。以此方式，可以设置或影响在受控电流端子之间或在自动限流器端子之间的总电阻变化的范围。此外，在没有电阻器的情况下，电能将必须仅在磁阻材料中耗散，电能可能以不合需要的方式加热磁阻材料，甚至破坏磁阻材料。电阻器提供用于电气(短路)电流的替代电路径。
28.有利地，电流控制元件具有用于通过线圈的电流i的标称开关电流inom，其中
[0029]-在电流范围i《0.9
·
inom中，第一磁芯中的磁通量密度是第二磁芯中的磁通量密度的至少10倍，并且其中
[0030]
.在电流范围i》1.1
·
inom中，第二磁芯中的磁通量密度是第一磁芯中的磁通量密度的至少0.5倍。
[0031]
通过以合适方式设计第一磁芯和第二磁芯，具体来说通过相应地设置气隙且通过适当地选择截面和材料，磁通量在低于标称开关电流inom时主要存在于第一磁芯中，并且在处于和高于标称开关电流inom时发散到第二磁芯中。
附图说明
[0032]
现在将在下文中参考特定实施例更详细地描述本发明，然而本发明不限于这些实施例。
[0033]
图1示出具有无气隙的闭合第一磁芯的电流控制元件的第一实例；
[0034]
图2示出具有与磁阻导体并联切换的电阻器的电流控制元件的第二实例；
[0035]
图3示出限流元件的实例；
[0036]
图4示出在第一磁芯中具有气隙的限流元件；
[0037]
图5示出在第一磁芯中具有两个气隙的限流元件；
[0038]
图6示出限流元件，其中磁阻导体与第一磁芯和第二磁芯接触；
[0039]
图7示出具有第一磁芯的m形第一子部分的限流元件；
[0040]
图8示出在低于标称开关电流的电流范围内的电流控制元件中的磁通量；
[0041]
图9示出在标称开关电流处的在图8的电流控制元件中的磁通量；
[0042]
图10示出在高于标称开关电流的电流范围内的在电流控制元件中的磁通量；
[0043]
图11示出磁阻导体的第一示例性结构，以及
[0044]
图12示出磁阻导体的第二示例性结构。
具体实施方式
[0045]
通常，相同的部件或类似的部件用相同/类似的名称和附图标记表示。说明书中公开的特征适用于分别具有相同/相似名称和附图标记的部件。指示定向和相对位置(上、下、侧向等)与相关联的附图有关，并且定向和/或相对位置的指示必须根据情况在不同附图中相应地进行更改。
[0046]
图1以示意性侧视图示出电流控制元件1a的第一实例。电流控制元件1a包括：第一磁芯2a，所述第一磁芯形成磁路；线圈3，所述线圈被设计成在第一磁芯2a通电时在所述第一磁芯中产生磁通量；以及第二磁芯4a，所述第二磁芯距第一磁芯2a一定距离布置。此外，电流控制元件1a包括布置在第一磁芯2a与第二磁芯4a之间的第一气隙6中的磁阻导体5。
[0047]
电流控制1a元件进一步具有线圈3在其间切换的两个控制端子tc1、tc2，以及磁阻导体5在其间切换的两个受控电流端子tci1、tci2。因此，在两个控制端子tc1、tc2之间的电压产生通过线圈3的电流，并且进而产生第一磁芯2a中的磁通量且还取决于第二磁芯4a中的电流的值。以此方式，影响或控制在两个受控电流端子tci1、tci2之间的电阻，这通过使用图8到10更详细地解释。
[0048]
应注意，以某种方式设计第一磁芯2a，使得在开关阈值处饱和的第一磁芯的部分布置在磁阻导体5和第二磁芯4a附近。详细地说，布置在磁阻导体5和第二磁芯4a附近的第一磁芯2a的较低支腿的截面小于其它支腿的截面。因此，与在其它支腿中相比，在较低支腿中较早地发生饱和。因为第一磁芯2a的较低支腿布置在磁阻导体5和第二磁芯4a附近，所以额外磁通量可靠地发散到第二磁芯4a中且因此穿过磁阻导体5。替代地或另外，具有较低饱
和通量密度的磁性材料可以用于较低支腿，并且具有较高饱和通量密度的磁性材料可以用于其它支腿，这也导致较低支腿中的较早饱和。
[0049]
图2示出与图1的电流控制元件1a非常类似的电流控制元件1b的另一实例。相反，电阻器7在两个受控电流端子tci1、tci2之间切换。以此方式，可以设置或影响两个受控电流端子tci1、tci2之间的总电阻变化的范围。此外，电阻器7提供用于电气(短路)电流的替代电路径，使得当磁阻导体5切断电流时，电能可以在电阻器7中耗散。因此，可以避免磁阻导体5的非期望加热。
[0050]
图3示出与图2的电流控制元件1b非常类似的电流控制元件1c的另一实例。相反，电流控制元件1c包括两个自动限流器端子tli1、tli2，以及在其间切换的线圈3和磁阻导体5的串联连接。以此方式，可以限制电流控制元件1c为其一部分的电路中的电流。因此，在此实施例中，电流控制元件1c变成“限流元件”，例如断路器。通常，电阻器7可以与磁阻导体5并联或不与磁阻导体5并联切换。
[0051]
图4示出与图3的电流控制元件1c类似的电流控制元件1d的另一实例。相反，不存在电阻器7，第二磁芯4b以与第二磁芯4a(其为条形，而不是u形)不同的方式成形，并且第一磁芯2b不形成无第二气隙的闭合磁路(情况a)，而是具有第二气隙8a的开放磁路(情况b)。第二气隙8a提供以下优点：当第一磁芯2b饱和时，通过线圈3的电流流过且因此可以控制开关阈值。优选地，以某种方式选择第二气隙8a的长度，使得当达到标称电流时第一磁芯2b饱和。
[0052]
图5示出与图4的电流控制元件1d类似的电流控制元件1e的另一实例。相反，存在两个第二气隙8b，并且第一磁芯2c包括第一子部分9a和单独的第二子部分10，其间具有第二气隙8b。这是控制第一磁芯2c的饱和何时开始以及何时达到开关阈值的替代实施例。优选地，以某种方式选择第二气隙8b的长度，使得当达到标称电流时第二子部分10饱和。在第二子部分10已饱和之后，将额外磁通量传送到第二磁芯4b中。优选地，在第一子部分9a中发生任何饱和效应之前，第二子部分10充分地饱和。
[0053]
图6示出与图5的电流控制元件1e类似的电流控制元件1f的另一实例。相反，磁阻导体5接触第一磁芯2c和第二磁芯4b，详细地说，接触第二子部分10和第二磁芯4b。此配置实现良好热传递且保持磁阻导体5相当冷。
[0054]
图7示出与图6的电流控制元件1f类似的电流控制元件1g的另一实例。相反，第一子部分9b不是u形，而是m形或e形。以此方式，存在三个区域，而不是两个区域，其中磁通量穿过磁阻导体5。与图1到6中所示的实施例相比，这可以有助于改变磁阻导体5的电阻。
[0055]
图8到10现在说明电流控制元件1g的功能。图8示出在低于标称开关电流i《inom或低于开关阈值的电流范围内的电流控制元件1g中的磁通量。如可见，通量线集中在第一磁芯9b中，并且在磁阻导体5和第二磁芯4b中不存在大量磁通量。
[0056]
图9示出在标称开关电流i＝inom下或在开关阈值下电流控制元件1g中的磁通量。如可见，通量线仍集中在第一磁芯9b中，并且磁通量仅在很小程度上发散到磁阻导体5以及第二磁芯4b中。
[0057]
图10最后示出在高于标称开关电流i》inom或高于开关阈值的电流范围内的电流控制元件1g中的磁通量。如可见，通量线在相当大的程度上发散到磁阻导体5以及第二磁芯4b中。具体来说，大量通量线穿过磁阻导体5。
[0058]
应注意，图8到10中所说明的功能类似于图1到7中所示的所有实施例的功能或与图1到7中所示的所有实施例的功能相当。这是在图8到10的上下文中公开以及在下文中公开的技术教示适用于图1到7中所示的所有实施例的原因。
[0059]
为了支持或提供上文所描述的行为，第一磁芯2a..2d(单独)的磁阻优选地比第一磁芯2a..2d以及第二磁芯4a、4b的磁阻低至少10倍。以此方式，磁通量主要保持在第一磁芯2a..2d内，直至标称开关电流i》inom或直至开关阈值。
[0060]
为了支持或提供以上行为，
[0061]-在电流范围i《0.9
·
inom中，第一磁芯2a..2d中的磁通量密度优选地是第二磁芯4a、4b中的磁通量密度的至少10倍，并且
[0062]
.在电流范围i》1.1
·
inom中，第二磁芯4a、4b中的磁通量密度优选地是第一磁芯2a..2d中的磁通量密度的至少0.5倍。
[0063]
通过以合适方式设计第一磁芯2a..2d和第二磁芯4a、4b，具体来说通过相应地设置气隙8a、8b以及通过选择第一磁芯2a..2d的截面和材料，磁通量在低于标称开关电流inom时主要存在于第一磁芯2a..2d中，并且在处于或高于标称开关电流inom时发散到第二磁芯4a、4b中。应注意，在全部或无一者的意义上，不存在进入第二磁芯4a、4b中的磁通量的“二进制”交换，但取决于图1到10中所说明的设计，变化是连续的并且也是陡峭的。
[0064]
如前所述，可以通过选择第一子部分9b和第二子部分10的合适截面来实现所需行为。在图8到10的实例中，与第一子部分9b的截面相比，第二子部分10的截面较小。因此，在第一子部分9a中发生任何饱和效应之前，第二子部分10充分地饱和。
[0065]
有利地，第一磁芯2a..2d和/或第二磁芯4a、4b由钒波明德合金制成。通常，应该以某种方式设计第一磁芯2a..2d的材料以及其截面，使得可以处理多达开关阈值的磁通量。如果选择钒波明德合金，则第一磁芯2a..2d的截面可以保持较小。通过类似方式，应该以某种方式设计第二磁芯4a、4b以及其截面，使得可以处理高于开关阈值的磁通量。如果选择钒波明德合金，则第二磁芯4a、4b的截面也可以保持较小。
[0066]
优选地，第一子部分9a、9b由钒波明德合金制成，和/或第二子部分10由高导磁合金制成，所述高导磁合金是镍铁软铁磁合金。另外，第二磁芯4a、4b优选地也可以由钒波明德合金制成。此材料选择的方式支持第一磁芯2c、2d的行为：第二子部分10在标称电流inom下饱和，并且在第一子部分9a、9b中发生任何饱和效应之前，第二子部分10充分地饱和。
[0067]
电流控制元件1a..1f通常可以包括外壳(图中未示出)，所述外壳具有用于通过线圈3的电流i的标称开关电流inom，或印刷在外壳上的涉及标称开关电流inom的信息。此信息可以是与特定标称开关电流inom相关联的部件编号或符号或颜色。
[0068]
有利地，磁阻导体5具有半导体-金属混合结构并且根据非凡磁阻效应操作。非凡磁阻(emr)是一种磁阻效应，其允许由在1:10.000以及更大的区域中施加磁场引起的电阻变化。当施加横向磁场时，在半导体-金属混合系统中发生所述效应。在不具有磁场的情况下，磁阻导体5具有低电阻。在施加磁场时，磁阻导体5具有高得多的电阻。因此，此材料非常适合“开关”应用。具体来说，可以提供断开特征或限流特征，换句话说，一种常闭触点或断开触点。
[0069]
然而，原则上，磁阻导体5的电阻还可以随着通过磁阻导体5的磁通量增加而减小。以此方式，可以提供接通特征，换句话说，一种常开触点或闭合触点。
[0070]
图11以截面图示出磁阻导体5a的第一示例性结构。在两个受控电流端子tci1、tci2之间(或者在两个自动限流器端子tli1、tli2之间)，磁阻导体5a包括交替的负掺杂层n 和高负掺杂层n ，其中金属部分m嵌入高负掺杂层n 中。
[0071]
在图12中所示的磁阻导体5b的替代实施例中，在负掺杂层n 与高负掺杂层n 之间存在正掺杂层p 。
[0072]
应注意，视具体情况，一个实施例的特征可以应用于另一实施例。例如，电阻器7可以是图1到7中所描绘的实施例中的任一者的一部分。进一步地，电流控制功能和限流功能与磁路的特定设计无关，而是取决于线圈3和磁阻导体5是否串联切换。
[0073]
还应注意，术语“包括”不排除其它元件，并且使用冠词“一”或“一个”不排除多个。还可以组合结合不同实施例描述的元件。还应当注意，权利要求书的附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。
[0074]
附图标记列表
[0075]
1a..1g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电流控制元件
[0076]
2a..2d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一磁芯
[0077]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
线圈
[0078]
4a、4b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二磁芯
[0079]
5、5a、5b
ꢀꢀꢀ
磁阻导体
[0080]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一气隙
[0081]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电阻器
[0082]
8a、8b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二气隙
[0083]
9a、9b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一磁芯的第一子部分
[0084]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一磁芯的第二子部分
[0085]iꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电流
[0086]
inom
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
标称电流
[0087]
tc1、tc2
ꢀꢀꢀꢀ
控制终端
[0088]
tci1、tci2
ꢀꢀ
受控电流端子
[0089]
tli1、tli2
ꢀꢀ
自动限流器端子
[0090]
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
负掺杂层
[0091]
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
高负掺杂层
[0092]mꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
金属部分
[0093]
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
正掺杂层