用于高频和高功率应用的电感器的制作方法

本发明涉及用于高频和高功率应用的电感器、高功率发生器、用于产生x射线的设备和用于产生x射线的方法以及计算机程序单元和计算机可读介质。

背景技术：

现代发电机必须以高功率和高频运行。例如，x射线发生器必须输送介于30kw至120kw之间的峰值功率，并且功率逆变器在约20至100khz的高频下工作。为了使损耗最小化，同样已知的是使用谐振逆变器。这些电路至少需要谐振电感器和电容器。总系统电感由任何高压变压器和附加谐振电感器所固有的杂散电感所限定。存在变压器提供完整电感的已知设计。(这种变压器在de102014202531a1中予以描述)。

这些解决方案的缺点在于它们与相对高的杂散场相关联，这些杂散场可能在相邻部件(例如印刷电路板和金属外壳)中产生涡流。

ep1414051a1描述了一种用于制造线圈装置的方法，该方法包括用于制造空气芯线圈的步骤以及用于将空气芯线圈固定到芯的周边的步骤。在用于制造空气芯线圈的步骤中，制造一种空气芯线圈，其中沿卷绕轴线方向布置的多个单元卷绕部件中的每一个具有一个或多个匝，并且在卷绕轴线的方向上相邻的单元卷绕部件具有不同的内圆周长度。

us1656933a涉及一种制造环形线圈的方法，在这种线圈中，绕组形成于线圈的内圆周处，而在线圈的单层的外圆周处形成双层。

技术实现要素：

具有用于在高频下产生高功率的改进技术将会是有利的，该技术具有一般用途，包括用于x射线源的技术。利用独立权利要求所述的主题实现了本发明的目的，其中其它实施例被结合在从属权利要求中。应当注意，本发明的下述方面也适用于高频和高功率应用所使用的电感器、高功率发生器、用于产生x射线的设备、用于产生x射线的方法及计算机程序单元和计算机可读介质。

在第一方面，提供了一种用于高频和高功率应用的电感器，包括：

-至少一个导线导体；和

-线圈区。

由至少一个导线导体构成的绕组包括缠绕在线圈区周围以形成大致环面形状的至少一个导线导体，该环面形状以沿着该环面形状的轴向方向延伸的轴线为中心。在线圈区的外部范围处，由至少一个导线导体构成的外部绕组位于基本上与轴线相距第一径向距离的位置处。在线圈区的内部范围处，由至少一个导线导体构成的内部绕组分别位于基本上与轴线相距第二径向距离的位置处和基本上与轴线相距第三径向距离的位置处。当由至少一个导体构成的内部绕组处于第二径向距离处时，由至少一个导体构成的下一个内部绕组处于第三径向距离处。

换言之，使用双绕组方案，其中代替使用围绕磁芯的单匝，改为使用两匝。换句话说，在该环形的内侧上，线圈彼此叠置，而在该环形的外侧上，这些匝彼此相邻。因此，环形形状在其周围具有同样呈环形形状的双绕组(或实际上是三绕组)，其中，在线圈区的外部范围上，绕组彼此相邻，而在线圈区的内部范围上，绕组彼此叠置，其中，两个转向部彼此叠置，用于双绕组方案，并且三个绕组彼此叠置，用于三绕组方案。

换句话说，提供了一种用于高频率、高功率和低噪声应用的电感器，其中，提供了线圈的高品质因数。因此，能够实现与低损耗相关联的高能量存储能力。

以这种方式，可以减少杂散场。

以这种方式，提供了在需要紧密电磁兼容性和/或用于高性能应用的情况下的适用性。

此外，电感器在高频率和高功率下不会经历高损耗。由于以下因素，导致电感线圈不会出现高交流损耗：1)可以使用利兹导线，这使由于皮肤和邻近效应造成的损耗最小化；2)可以计算该芯的优化横截面，3)杂散场被通过绕组方案减小，因此减少了由金属外壳中的涡流引起的杂散场所引起的损耗。

因此，可以减少金属外壳中的涡流损耗和相邻电子设备(例如印刷电路板)中的干扰。

换句话说，任何使用电感器的电路都可以利用具有双(实际上是三)绕组方案的电感器，并且在该电路中，可以减少杂散场并改善电磁兼容性和高性能。

在一个示例中，在线圈区的内部范围处，由至少一个导线导体构成的绕组被形成为成对的绕组。从轴线延伸穿过一对绕组的第一绕组的径向线也基本上延伸穿过这对绕组的第二绕组。

换言之，内部绕组可被精确地叠置。

在一个示例中，第一径向距离基本上是第二径向距离和第三径向距离的平均值的两倍。

以这种方式，线圈区的内侧上的导线可彼此接触，而在这些导线之间没有间隙，并且同样，线圈区的外侧上的导线可以彼此接触，而在这些导线之间没有间隙。

换句话说，绕组方案接近或形成围绕该芯(线圈区)的铜屏蔽(或铜层)。以这种方式，磁通量被限于芯内。当在该屏蔽中存在较小的间隙时，即在绕组之间具有的较少且较小的间隙时，该屏蔽在防止漏磁的方面是更为有效的。如果不将内部绕组精确地叠置，则将需要比以其它方式所需要的内部半径更大的内部半径，并且外部半径将会并不是内部半径的n倍。那么将会存在比在该环形的外部半径上所需的间隙更多的间隙，并且由绕组所形成的屏蔽会是无效的。

以这种方式，可以减少杂散场。

在第一方面，线圈区包括空气间隙，并且其中，由至少一个导线导体构成的绕组包括被穿过该空气间隙带回的由至少一个导线导体构成的至少一个绕组。

换言之，提供补偿绕组，其被穿过线圈绕组的中心带回。

以这种方式，可以减少由于绕组是螺旋形的而非一系列圆所产生的杂散场。

换句话说，在空气间隙中沿着磁轴线在与主缠绕相反的方向上设置一个绕组，并且以这种方式，补偿由芯上的缠绕方向所产生的一部分场。

在一个示例中，前者被定位在该空气间隙内。前者具有至少一个支撑件。至少一个支撑件被配置成使得被穿过该空气间隙带回的由至少一个导线导体构成的至少一个绕组由该至少一个支撑件支撑。

在一个示例中，至少一个导体包括第一导线导体和第二导线导体。绕组由第一导线导体和第二导线导体形成。

换言之，代替使用具有两匝的单根导线，使用两根导线来实现双绕组(或者两根导线以实现三绕组，其中，一根导线是双股的，或者三根导线实现了三绕组)。

以这种方式，线圈的自谐振被增强。

两个线圈绕组的方向使得它们彼此协助以产生磁通量。一般而言：所有线圈绕组(或子线圈绕组)和所有子线圈的电连接的方向使得它们彼此协助以产生所需的磁通量。

换句话说，提供两个完整的线圈，它们都在线圈区的周围形成环面，其可包括空气间隙或者就是空气间隙。

在一个示例中，由至少一个导线导体构成的绕组被形成为成对的绕组。第一对绕组包括位于第二径向距离处的第一导线导体和位于第三径向距离处的第二导线导体。与第一对绕组相邻的一对绕组包括位于第三径向距离处的第一导线导体和位于第二径向距离处的第二导线导体。

换言之，当使用两根导线而非一根导线时，两根导线交替进行，这是因为如果一根导线在一个转向部上、在该环形的内侧上位于另一根导线的顶部上，则它在下一转向期间在该环形的内侧上位于底部上。该交替方案不必严格地发生在每个转向部之后。相反，在每个第二或第三转向部之后乃至在不止第三转向部之后，可以在该环形的内侧上将一根导线交替施加在另一导线的顶部上。然而，在这种情况下，提供交替方案，以使每根导线每次都与另一根导线放置在同一位置(内部半径处—该环形的内侧的—底部或顶部位置)。

利用适当的交替绕组方案，这可被扩展到不止2根电线。由于可以增加导线的数量以进行匝绕(使用两根并行的导线绕一匝在能量方面可被视为与使用一根导线绕两匝相当)，因此可以增加子线圈的数量或线圈段的数量以形成完整的线圈。因此，两个半部线圈可以被串联或并联连接并共用一个共同的芯(例如空气芯)。但是，可以使用不止两个线圈(例如6或12个子线圈)。这些子线圈也可被串行或并行连接，以便以整个线圈的所需电感值而结束。这提供了更多的设计灵活性。

因此，一个环形线圈可被根据需要划分成多个子线圈。每个子线圈可被使用双绕组或三绕组制成。这些多绕组可被使用平行导线制成，而非使用一根导线制成单个绕组。

换句话说，使用两根并行的导线绕一匝在能量方面相当于使用一根导线绕两匝。这增加了线圈的自谐振，这是因为较少的匝数转化为较高的自谐振，这在某些应用中是有益的。如果使用更多的导线，该效果显然会变得更为显著：三条导线并行绕一匝相当于一条导线绕三匝。当使用不止一根导线时，保持该交替方案，并且以这种方式，电流被均等地分布在这些导线之间。

在一个示例中，线圈区包括空气间隙，并且由第一导线导体构成的绕组被穿过空气间隙带回，并且由第二导线导体构成的绕组被穿过空气间隙带回。

在一个示例中，用于至少一个导体的连接端子被彼此相邻定位。

以这种方式，有助于电连接的简单性。

在一个示例中，至少一个导体包括利兹导线。

利兹导线的使用有利于复杂布线几何形状的实施例，并且还有助于促进所讨论的双绕组和三绕组方案。使用呈由一股单独的导线形成的导线的形式的利兹导线减少了由于其自身导线中的电流而产生的趋肤效应的负面影响。使用呈由一股单独的导线形成的导线的形式的利兹导线降低了由于相邻导线中的电流所导致的表面电流的邻近效应的负面影响—否则这可能是线圈区的内部范围(例如空气间隙)上的一个问题，这会导致交流损耗。

在第二方面，提供了一种高功率发生器，包括：

-根据第一方面的用于高频和高功率应用的电感器。

在第三方面，提供了一种用于产生x射线的设备，包括：

-x射线源；

-电源，其包括根据第二方面的高功率发生器。

电源被配置为产生电压。x射线源包括阴极和阳极。阴极被相对于阳极定位，并且阴极和阳极是可操作的，使得从阴极发射的电子以对应于电压的能量与阳极相互作用。电子与阳极相互作用以产生x射线。

在第四方面，提供了一种用于产生x射线的方法，包括：

-利用电源产生电压，其中，电压的产生包括利用根据第二方面的高功率发生器；

-将x射线源的阴极相对于x射线源的阳极定位；

-从阴极发射电子；

-使从阴极发射的电子以对应于电压的能量与阳极相互作用；

-从阳极产生x射线，其中，电子与阳极相互作用以产生x射线。

根据另一方面，提供了一种如前所述的计算机程序单元控制设备，其在计算机程序单元中在由处理单元执行时，适于执行如前所述的方法步骤。

根据另一方面，提供了一种计算机可读介质，其存储有如前所述的存储计算机元件。

有利地，由上述方面中的任一个提供的益处同样适用于所有其它方面，并且反之亦然。

参考下文描述的实施例，以上方面和示例将变得明白并得以阐明。

附图说明

下面将参考以下附图描述示例性实施例：

图1在左手图中示出了电感器的示意性示例，其中2根导线是并行的，每个绕组扭转180°，并且在右手图中示出了电感器的剖面；

图2示出了电感器的第一绕组的示意性示例；

图3示出了电感器的绕组的示意性示例；

图4在顶部图中示出了呈拆卸形式的线圈架并在底部图中示出了呈组装形式的线圈架的示意性示例；

图5示出了用于产生x射线的设备的示意性示例；和

图6示出了用于产生x射线的方法的示例。

具体实施方式

图1在左手图中示出了电感器10的示例性示例并在右手图中示出了电感器的剖面。在空气间隙内示出了补偿绕组50，该补偿绕组50可通过由至少一个导线导体20的第一导线导体22构成的绕组52及由其第二导线导体24构成的绕组54形成。然而，这里描述的双绕组且实际上是三绕组方案可被用在除了空气芯之外的芯(例如磁芯)的周围，在这种情况下，可以不使用补偿绕组50。因此，绕组可被认为是围绕线圈区30，而非必须围绕空气间隙。而且，除了使用呈两根导线22和24(或实际上是三根导线)的形式的至少一个导线导体20之外，可以使用单根导线来形成下面描述的双绕组。而且，应该注意的是，图1中所示的电感器被示意性地表示，使得补偿绕组50并未被示出为由围绕该芯的绕组形成—这在图1中出于简化表示的目的而示出。图2示出了如何将至少一个导线导体中的一根导线22缠绕在空气芯的周围，其中绕组52被穿过该空气芯带回。在图2中，再次为了简化起见，并未示出第二导线导体24，但是如图1中所示，它也将被缠绕在该空气芯的周围，使得这两个绕组在芯的内侧上彼此叠置，但在芯的外侧上彼此相邻。此外，除了具有两根导线以外，单根导线22可被以双绕组构造来缠绕。

更为详细地参考图1，示出了用于高频和高功率应用的电感器10。电感器10包括至少一个导线导体20和线圈区30。由至少一个导线导体20构成的绕组包括被缠绕在线圈区30的周围以形成大致环面形状的至少一个导线导体20，该大致环面形状以沿着该环面形状的轴向方向延伸的轴线为中心。因此，该轴线向下延伸穿过图1中所示的绕组的中心，并且参考图3，该轴线在半径r、a和b从其延伸的位置处延伸出页面。继续参考图1，在线圈区30的外部范围处，由至少一个线导体20构成的外部绕组位于基本上与该轴线相距第一径向距离的位置处。在线圈区30的内部范围内，由至少一个导线导体20构成的内部绕组分别位于基本上与该轴线相距第二径向距离的位置处以及基本上与该轴线相第三径向距离的位置处。当由至少一个导体20构成的内部绕组处于第二径向距离处时，由至少一个导体构成的下一个内部绕组处于第三径向距离处。因此参考图3，其示出了简化的电感器，为了便于可视化，并未示出上述双绕组，外部绕组处于第一半径b处，并且内部绕组实际上是图1中所示的双绕组，而非图3中所示的单个绕组。因此，电感器10中的内部半径a实际上是这些绕组的两个半径。

在一个示例中，处于第一径向距离处的由至少一根导线构成的绕组彼此精确地相邻，或者换言之接触。换言之，位于芯(或线圈区)的外侧的绕组彼此对接。

在一个示例中，处于第三径向距离处的由至少一根导线构成的绕组彼此精确地相邻，或者换言之触及。换言之，位于线圈区的内侧的绕组彼此对接。

在一个示例中，在线圈区的内部范围处，由至少一个导线导体构成的绕组分别位于基本上与该轴线相距第二径向距离的位置处、基本上与该轴线相距第三径向距离的位置处以及基本上与该轴线相距第四径向距离的位置处。换言之，使用三绕组方案，其中，代替使用围绕线圈区的单匝，使用了三匝。换句话说，在该环形的内侧上，三个匝彼此叠置，而在该环形的外侧上，这些匝彼此相邻。

在一个示例中，线圈区包括空气间隙。

通过在例如x射线发生器所需的高功率水平下具有空气芯而非磁芯，减少了高频下的高损耗并且降低了与热管理相关的要求。然后可以实现具有任何电感值的电感器，这些电感器与基于诸如sic和gan之类的宽带隙半导体的转换技术是兼容的，这些半导体可以在高于100khz乃至高达1mhz的转换频率下以及在几百安培的电流下运行。

根据一个示例，在线圈区30的内部范围处，由至少一个导线导体20构成的绕组被形成为成对的绕组40。从轴线延伸穿过一对绕组的第一绕组40a的径向线也基本上延伸穿过这对绕组的第二绕组40a。

在一个示例中，在线圈区的内部范围处，由至少一个导线导体构成的绕组被形成为绕组的三联体(triplet)。从轴线延伸穿过绕组的该三联体中的第一个的径向线也基本上延伸穿过绕组的该三联体中的第二个，并且还延伸穿过绕组的该三联体中的第三个。

在一个示例中，外部半径约是内部半径的n倍，其中n是内部半径上的绕组上的层数。因此，具有n＝2及n＝3和更高数量的电感器是可能的。

根据一个示例，第一径向距离基本上是第二径向距离和第三径向距离的平均值的两倍。

在一个示例中，第一径向距离基本上是第二径向距离和第三径向距离和第四径向距离的平均值的三倍。因此，再次，线圈区的内侧上的导线可彼此接触，线圈区的外侧的导线也可以彼此接触。根据一个示例，线圈区30包括空气间隙，并且由至少一个导线导体20构成的绕组包括被穿过该空气间隙带回的由至少一个导线导体构成的至少一个绕组50。

在一个示例中，“返回”绕组被与线圈几何形状同轴地放置在线圈的中心平面内。

在一个示例中，被穿过空气间隙带回的由至少一个导线导体构成的至少一个绕组处于与轴线相距一半径的位置处，使得所获得的杂散场被最小化。可以通过模拟和/或手动调整来确定具体半径。

根据一个示例，前者位于空气间隙30内。前者具有至少一个支撑件。该至少一个支撑件被配置成使得被穿过该空气间隙带回的由至少一个导线导体20构成的至少一个绕组50由至少一个支撑件支撑。前者的一个示例在图4中示出。

在一个示例中，环形结构60被定位在空气间隙30内。该环形结构具有至少一个凹槽。该至少一个凹槽被配置成使得被通过空气间隙带回的由至少一个导线导体20构成的至少一个绕组50安置在该至少一个凹槽中。环形结构的一个示例在图4中示出。

以这种方式，补偿绕组可以被精确地定位并被保持在适当位置中。

在一个示例中，环形结构由热塑性塑料制成。根据一个示例，至少一个导体20包括第一导线导体22和第二导线导体24。这些绕组由第一导线导体和第二导线导体形成。

在一个示例中，至少一个导体包括第一导线导体和第二导线导体及第三导线导体。这些绕组由第一导线导体和第二导线导体及第三导线导体形成。换句话说，代替使用具有三匝的单根导线，使用三根导线来实现该双绕组。

根据一个示例，由至少一个导线导体20构成的绕组被形成为成对的绕组40。第一对绕组42包括处于第二径向距离处的第一导线导体22和处于第三径向距离处的第二导线导体24。与第一对绕组相邻的一对绕组44包括处于第三径向距离处的第一导线导体22和处于第二径向距离处的第二导线导体24。

根据一个示例，线圈区包括空气间隙。由第一导线导体22构成的绕组52被穿过空气间隙30带回，并且由第二导线导体24构成的绕组54被穿过该空气间隙带回。

在一个示例中，由第三导线导体构成的绕组被穿过空气芯带回。

根据一个示例，用于至少一个导体的连接端子被彼此相邻地定位。

在一个示例中，至少一个导体可以是任何普通类型的导线，例如铜线。

在一个示例中，至少一个导体可由一束单独的导线形成。

根据一个示例，至少一个导体20包括利兹导线。

在一个示例中，电感器被配置为在高达100khz的频率下运行。在一个示例中，电感器被配置为在高达1mhz的频率下运行。在一个示例中，电感器被配置为在高达100安培的电流下运行。在一个示例中，电感器被配置为仅使用利用自然对流进行的空气冷却在150khz下以高达1000安培的电流运行。

图5示出了用于产生x射线的设备200。该设备200包括高功率发生器100。该高功率发生器包括如参考图1-3所述的用于高频和高功率应用的电感器10。因此，该高功率发生器适用于诸如x射线发生器之类的高功率系统，也适于用在例如汽车应用中。当使用空气芯时，即使在高功率应用中，该芯也将并不饱和。由于饱和问题并不存在，因此该线圈具有出色的线性度。在使用空气芯的情况下，并不存在芯损耗。此外，由于空气芯没有损耗也不饱和，因此不存在芯特性的与温度相关的漂移。因此，具有高频和高功率以及低噪声适用性的(例如，具有空气芯的)电感器可被用于高效地产生高功率。

继续参考图5，用于产生x射线的设备200包括x射线源210和电源220，该电源220包括如上所述的高功率发生器100。电源220被配置为产生电压。x射线源210包括阴极212和阳极214。阴极212被相对于阳极214定位，并且阴极212和阳极214是可操作的，使得从阴极212发射的电子以对应于电压的能量与阳极214相互作用。电子与阳极214相互作用以产生x射线。

图6示出了用于在其基本步骤中产生x射线的方法300。该方法300包括：

-在也被称为步骤a)的制造步骤310中，利用电源220产生电压，其中，电压的产生包括利用高功率发生器100；

-在也被称为步骤b)的定位步骤320中，将x射线源210的阴极212相对于x射线源210的阳极214定位；

-在也被称为步骤c)的发射步骤330中，从阴极212发射电子；

-在也被称为步骤d)的相互作用步骤340中，使从阴极212发射的电子以对应于电压的能量与阳极214相互作用；

-在也被称为步骤e)的产生步骤350中，从阳极214产生x射线，其中，电子与阳极214相互作用以产生x射线。

在另一示例性实施例中，提供了一种计算机程序或计算机程序单元，其特征在于，其被配置为执行根据前述实施例(适当的系统)中的一个所述的方法的方法步骤。

因此，计算机程序单元可以被存储在计算机单元上，该计算机单元也可以是实施例的一部分。该计算单元可以被配置为执行或诱导执行上述方法的步骤。而且，它可以被配置成操作上述设备的部件。计算单元可以被配置为自动运行和/或执行用户的命令。可以将计算机程序加载到数据处理器的工作存储器中。因此，数据处理器可以被配备成执行根据前述实施例中的一个所述的方法。

本发明的该示例性实施例涵盖了从一开始就使用本发明的计算机程序和通过更新将现有程序转换为使用本发明的程序的计算机程序。

此外，计算机程序单元可能能够提供所有必要的步骤以实现如上所述的方法的示例性实施例的过程。

根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种计算机可读介质，例如cd-rom，其中，该计算机可读介质具有存储在其上的计算机程序单元，该计算机程序单元由前一部分予以描述。

计算机程序可被存储和/或分布在适用介质上，该适用介质为例如光学存储介质或与其它硬件一起提供或作为其它硬件的一部分提供的固态介质，但该计算机程序也可以被以其它的形式发送，例如通过互联网或其它有线或无线电信系统发送。

然而，该计算机程序也可以被呈现在诸如万维网之类的网络上，并且可以从这种网络下载到数据处理器的工作存储器中。根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种用于使计算机程序单元可用于下载的介质，该计算机程序单元被布置成执行根据本发明的前述实施例中的一个所述的方法。

必须注意，结合不同主题描述了本发明的实施例。特别地，结合方法类型权利要求描述了一些实施例，而结合装置类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中收集，除非另有通知，否则除了属于一种类型主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征之间的任何组合也被视为被利用本申请予以公开。但是，所有特征都可被组合在一起，从而提供超过特征的简单总和的协同效果。

虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这种图示和描述将被视为是说明性或示例性的而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和从属权利要求，实践所要求保护的发明的本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的其它变型。

在权利要求中，词语“包括”并不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一种”并不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中所列举的若干项目的功能。在相互不同的从属权利要求中列举某些措施的这一事实并不表明这些措施的组合不能被有效地使用。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。