CN105869853B - 一种磁芯元件及变压器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁芯元件及变压器。磁性元件包括至少三个芯柱及绕设于至少一个芯柱上的绕组；其中，所述至少三个芯柱的至少一侧设有相对初始磁导率等于1的介质。本发明将现有的相对初始磁导率高的磁性盖板替换为ur＝1的介质，例如空气或盖板，与现有的磁性元件相比，本发明的磁芯的至少一侧设置ur＝1的介质，使得原先在该侧形成的气隙处扩散的磁通得以比较均匀的分布，大幅降低气隙产生的损耗，因而绕组损耗只剩趋肤效应和邻近效应产生的损耗。并且，本发明并未增加磁性元件的体积，甚至在无盖板的情况下可减小磁性元件的体积，进而提高功率密度。

Description

一种磁芯元件及变压器

技术领域

本发明涉及磁芯元件，尤其涉及一种能够削弱气隙造成的涡流损耗的磁芯元件。

背景技术

近年来，开关电源的小型化是一个重要的发展趋势。在开关电源中，磁性元件在体积、重量、损耗和成本中都占据了较大的比例，因而磁性元件的设计和优化就显得至关重要。提高开关电源的频率是降低磁性元件体积，提高功率密度的有效手段，也是目前磁设计的热点。在高频磁设计中，应用最多的绕组是PCB绕组，这是因为和传统的绕线结构的绕组相比，PCB绕组在制成、成本、可重复性、便于模块化等方面有巨大优势。而在磁芯方面，和其他磁性材料相比，铁氧体的损耗和成本都比较低，因而在目前的变压器和电感设计中，有一大部分是利用铁氧体作为磁芯的。由于铁氧体的磁导率较高，铁氧体的相对磁导率一般高达几百甚至几千，为了实现磁性元件的感量，磁芯中会开有气隙来承担磁压降，储存能量，使磁元件不致饱和。

如图1所示为一开气隙的EI磁芯沿平行于磁通方向的切面图。图中虚线代表磁通，箭头为磁通方向，磁通方向可以随电流方向改变而改变，上盖板1与芯柱2之间的间隙形成气隙G。磁性元件的多个芯柱2之间的窗口W中磁场强度在气隙附近比较大，在磁芯附近比较小；另外磁通通过气隙时会朝窗口W内扩散，即图1中A处所示的磁感线，从而影响气隙G附近的绕组，使得绕组损耗上升。在高频涡流效应的作用下，不止绕组线圈的趋肤效应和邻近效应损耗会明显增加，气隙附近的扩散磁通也会产生很大的涡流损耗。

为了减小气隙在绕组上产生的涡流损耗，业界有采用线径更细的里兹线作为绕组来改善这一情况，但是里兹线绕组的窗口填充率低，绕制耗费工时，并且细的里兹线很容易断。

现有技术中也有采用低磁导率磁芯来避免开气隙，但是磁粉芯这类低磁导率磁芯其损耗远远大于铁氧体。现有技术中也采用在铁氧体磁芯上开多条分布气隙以减小气隙的效应，但工艺复杂耗时。另外也有使绕组排布到远离气隙的位置，使其避开磁场强度较大的地方，但显然损失了体积。

发明内容

基于上述问题，本发明提供了一种磁性元件，以在不增加磁性元件体积的情况下削弱气隙造成的涡流损耗，从而减小磁性元件的损耗。

为达成上述目的，本发明提供一种磁性元件，其包括：至少三个芯柱；及绕组，其绕设于至少三个芯柱其中至少一者上；其中，至少三个芯柱的至少一侧设有相对初始磁导率等于1的介质。

本发明还提供一种变压器，其包括：第一芯柱；第二芯柱；及绕组，其绕设于第一芯柱和第二芯柱上；其中，第一和第二芯柱的至少一侧设有相对初始磁导率等于1的介质。

本发明相较于现有技术的有益效果在于：本发明将现有的相对初始磁导率高的磁性盖板替换为相对初始磁导率(ur)＝1的介质，例如空气或盖板，与现有的磁性元件相比，本发明的磁芯的至少一侧设置ur＝1的介质，使得原先在该侧形成的气隙处扩散的磁通得以比较均匀的分布，大幅降低气隙产生的损耗，因而绕组损耗只剩趋肤效应和邻近效应产生的损耗。并且，本发明并未增加磁性元件的体积，甚至在无盖板的情况下可减小磁性元件的体积，进而提高功率密度。

附图说明

图1为现有的具有气隙的磁芯元件的示意图。

图2为本发明第一实施例的磁芯元件的示意图，其示出了通电后的磁通分布。

图3a、3b分别示出本发明第一实施例的磁芯元件的两种形式的俯视图。

图4为本发明第一实施例的磁芯元件的示意图，其示出了芯柱高度和窗口宽度。

图5为本发明第二实施例的磁芯元件的示意图。

图6为本发明第三实施例的磁芯元件的示意图。

图7为本发明第四实施例的磁芯元件的示意图。

图8为本发明第五实施例的磁芯元件的示意图。

图9为本发明第六实施例的磁芯元件的俯视图。

图10为本发明第七实施例的磁芯元件的俯视图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，可能夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的主要技术创意。

第一实施例

参照图2所示，本实施例提供一种磁性元件，其包括磁芯10及绕设于所述磁芯10上的绕组20。绕组可为PCB绕组、邮票状铜片、线饼等平面结构。磁芯10可包括下盖板14及设置于下盖板14上的三个芯柱，即位于中间的中芯柱11及其两边的左芯柱12和右芯柱13。磁芯10可由同一种或不同种材料，本实施例中，磁芯10整体是由相对初始磁导率ur>1的磁性材料制成。中芯柱11及左芯柱12、右芯柱13的高度可以是等高也可以不等高。各芯柱的截面可为圆形，矩形或跑道形，其中芯柱的截面为沿着垂直于芯柱的高度方向所截的面。磁芯10可为图3a所示的E形磁芯，即左芯柱12和右芯柱13是分开的两个边柱，或者为图3b所示的类似一个罐形的磁芯，即，左芯柱12和右芯柱13连成了一个整体，例如通过在磁芯上开一个缺口，将绕组的出线连到磁芯外面。磁芯形状不限于上述的有E型、罐型、U形，还包含PQ型，PJ型，RM型等其他任意磁芯形状。图中3a、3b中附图标记5是指磁芯10和绕组20之间因为公差或者安规等原因留出的空间。

图2中附图标记G表示磁性元件中承担磁压的部分，称之为气隙。所谓气隙，是指在闭合磁路中，磁场强度在相对初始磁导率(ur)＝1介质中经过的那段距离。

在磁芯10的至少一侧设有ur＝1的介质。本实施例中，磁芯10的上侧无盖板等类似遮盖物，也就是说，磁芯10的上侧暴露于外界空气中，而空气的ur大致等于1。图2中虚线示出了磁芯和气隙中的磁通分布，当电流方向发生改变时，磁通方向也会相应的发生改变。由此看出，此实施例中气隙G上磁场强度H在靠近绕组20的铜皮处分布均匀平滑，方向基本平行于铜皮上表面，由于磁芯10的上侧覆盖了ur＝1的介质，因而几乎没有垂直于铜皮宽度方向的磁场强度H来切割铜皮，因此可大幅降低在绕组上气隙造成的损耗，另外，由于无盖板设计，磁芯损耗也相应的减小了，仅有趋肤效应和邻近效应造成的涡流损耗。

因此，与现有的设置相对初始磁导率高的上盖板的磁性元件相比，本实施例磁芯上无盖板，即磁芯由ur＝1的介质覆盖，使得原先在气隙处扩散的磁通得以比较均匀的分布，大幅降低气隙产生的损耗，因而绕组损耗只剩趋肤效应和邻近效应产生的损耗。另外，由于无盖板设计，磁芯损耗自然也相应的减小。

另外，芯柱及绕组的形式不限于此，在其他实施例中，可设置三个以上的芯柱，绕组可绕设于其中一个或多个芯柱上。

优选的，可对磁芯结构进一步改进，以达到更佳降低损耗的效果，具体为：如图4所示，定义中芯柱11的上端，也即中芯柱11靠近空气的一端到绕组20上表面的最近距离为d0，左芯柱12的上端到绕组20上表面的最近距离为d1，右芯柱13的上端到绕组20上表面的最近距离为d2。若左芯柱12和右芯柱13组成如图3b所示的一个整体，则定义该整体的上端到绕组20表面的最近距离为d1。相邻两个芯柱之间形成具有一宽度的窗口W，绕组20容置于窗口W内，本实施例中共有两个窗口W，其宽度分别为le1和le2。d0、d1和d2(或d0和d1)中比较小的数值记为d，d＝min(d0,d1,d2)或d＝min(d0,d1)，两个窗口W宽度中，比较大的数值记为le，即le＝max(le1,le2)。若绕组距离中芯柱11或左右边柱12、13太近，气隙G中扩散的磁场强度H就会切割到绕组，产生较大的涡流损耗。本实施例中，上述高度和宽度满足以下条件：d>le/4，在此条件下，气隙G中扩散的磁场强度H不会切割到绕组20，绕组20附近的磁场强度H分布均匀平滑，几乎平行于绕组铜皮宽度方向，因而磁性元件中基本没有气隙引起的损耗。

另外，可调节中芯柱11和左右边柱12、13的高度，以改变变压器或电感的感量大小。中芯柱11和左右边柱12、13可以等高，可通过同时调节它们的高度来达到所需的感量。中芯柱11和左右边柱12、13也可以不等高，可通过分别调节它们的高度以方便、准确的调节感量。此种调节感量的方式，比传统的开气隙和垫气隙方式更加容易操作，更能降低由于气隙导致的损耗。

第二实施例

参阅图5，本实施例的磁性元件与第一实施例的不同之处在于：ur＝1的介质为盖板，盖板可由绝缘材料制成，例如塑料、木头等。本实施例中，是在磁芯10的上侧间隔地设置ur＝1的上盖板30，例如，上盖板30可以通过粘料或其他材料间隔地固定于磁芯10之上，上盖板30与绕组20平行设置。而磁性元件的其他结构，包括中芯柱11、左芯柱12、右芯柱13及下盖板14都是由ur>1的相同或不同的磁性材料制成。

如图所示，此实施例中气隙G上磁场强度H在靠近绕组20的铜皮处分布均匀平滑，方向基本平行于铜皮上表面，由于磁芯10的上侧覆盖了ur＝1的上盖板，因而几乎没有垂直于铜皮宽度方向的磁场强度H来切割铜皮，因此可大幅降低在绕组上气隙造成的损耗。另外，上盖板还可起到固定等作用。

类似的，也可将绕组高度和芯柱之间的窗口W的宽度设计为满足第一实施例中所述的条件，在此条件下，气隙G中扩散的磁场强度H不会切割到绕组20，绕组20附近的磁场强度H分布均匀平滑，几乎平行于绕组铜皮宽度方向，因而磁性元件中基本没有气隙引起的损耗。

第三实施例

参阅图6，本实施例的磁性元件与第二实施例的不同之处在于：各个芯柱的上端具有向窗口W内延伸的凸起，使得相邻芯柱在凸起处之间的距离较小。也就是说，中芯柱11与左芯柱12以及中芯柱11与右芯柱13之间的距离是非一致的，并非如第一、第二实施例中，保持相同的距离。中芯柱与左芯柱的凸起之间的最小距离大于中芯柱与左芯柱所对应的窗口宽度的50％，同样，中芯柱与右芯柱的凸起之间的最小距离大于中芯柱与右芯柱所对应的窗口宽度的50％。以中芯柱与左芯柱为例，中芯柱11与左芯柱12的凸起之间的最小距离为D1，中芯柱11与左芯柱12对应于的窗口W的宽度为le1。上述距离和宽度满足以下条件：D1/le1>50％。同时满足如第一、二实施例中的磁芯高度和窗口宽度的条件：d”＝min(d0,d1,d2)>le＝max(le1,le2)/4，其中d0为中芯柱凸起的下表面到绕组20上表面的距离，d1为左芯柱凸起的下表面到绕组20上表面的距离，d2为右芯柱凸起的下表面到绕组20上表面的距离。在此情况下，中芯柱11与左芯柱12的凸起之间的最小距离为D1，即气隙长度占据了窗口宽度le1的大部分，因而磁场强度H在气隙长度方向也比较平滑，磁场强度H几乎是平行于绕组铜皮的宽度方向的，故可避免绕组气隙造成的涡流损耗。

应注意的是，中芯柱与左右芯柱可以任意形式向窗口内突出，例如，该凸起的截面为梯形、矩形或不规则形状。

本实施例中，右芯柱13与左芯柱12为相对于中芯柱11对称，故省略对右芯柱13的说明。在其他实施例中，中芯柱11与左芯柱12的距离与中芯柱11与右芯柱13之间的距离不同，可根据上述数值关系分别设计左芯柱12和右芯柱13，以避免气隙造成的涡流损耗。

第四实施例

参阅图7，本实施例的磁性元件与第一实施例的不同之处在于：磁芯10包括三个分开设置的中芯柱11、左芯柱12及右芯柱13，其由相同或不同的ur>1的磁性材料制成。在磁芯10的上侧和下侧设有ur＝1的介质，本实施例中该介质为空气。尽管未在图7中示出磁通分布，但实际上，气隙G上磁场强度H在靠近绕组20的铜皮处分布均匀平滑，方向基本平行于铜皮上表面，由于磁芯10的上侧和下侧均覆盖了ur＝1的介质，因而几乎没有垂直于铜皮宽度方向的磁场强度H来切割铜皮，因此可大幅降低在绕组上气隙造成的损耗。

本实施例中，由于磁芯10上下两侧均未设置盖板，即均存在气隙，由此感量较低、频率较高。

如图7所示，绕组20的上表面到各芯柱上端点的距离分别为d0、d1及d2，绕组20的下表面到芯柱各下端点的距离分别为d0’、d1’及d2’。类似的，满足如第一实施例中的磁芯高度和窗口宽度的条件：d＝min(d0,d1,d2)>le＝max(le1,le2)/4，或者d’＝min(d0’,d1’,d2’)>le＝max(le1,le2)/4。在此条件下，气隙G中扩散的磁场强度H不会切割到绕组20，绕组20附近的磁场强度H分布均匀平滑，几乎平行于绕组铜皮宽度方向，因而磁性元件中基本没有气隙引起的损耗。

第五实施例

参阅图8，本实施例的磁性元件与第四实施例的不同之处在于：磁芯10上下两侧分别设置ur＝1的上盖板30和下盖板40，上盖板30、下盖板40与磁芯10之间形成气隙G。尽管未在图8中示出磁通分布，但实际上，气隙G上磁场强度H在靠近绕组20的铜皮处分布均匀平滑，方向基本平行于铜皮上表面，由于磁芯10的上侧和下侧均覆盖了ur＝1的介质，因而几乎没有垂直于铜皮宽度方向的磁场强度H来切割铜皮，因此可大幅降低在绕组上气隙造成的损耗。另外，上盖板还可起到固定等作用。

类似的，也可将绕组高度和芯柱之间的窗口的宽度设计为满足第四实施例中所述的条件，在此条件下，气隙G中扩散的磁场强度H不会切割到绕组20，绕组20附近的磁场强度H分布均匀平滑，几乎平行于绕组铜皮宽度方向，因而磁性元件中基本没有气隙引起的损耗。

第六实施例

参阅图9所示的磁性元件的俯视图，本实施例的磁性元件与第一实施例的不同之处在于：中芯柱11上套有绕组20，中芯柱11周围设有多个边芯柱，即除了左边芯柱12’、右边芯柱13’以外还设有上边芯柱15’、下边芯柱16’等。本实施例中，多个边芯柱独立设置，在其他实施例中，多个边芯柱之间可互相连接，绕组可绕设于中芯柱以及至少一边芯柱上。本实施例中，各芯柱均由ur>1的磁性材料制成。

本实施例可结合第一至第五实施例中任一种形式，例如，磁芯可设有ur>1的磁性材料制成的上盖板或下盖板；或者，磁芯的上侧和/或下侧可设有ur＝1的介质，该介质为空气或盖板。

另外，当磁芯尺寸和窗口宽度也满足类似第一实施例中的要求时，即绕组的上表面至各个芯柱靠近ur＝1的介质端端点距离中的最小值大于各个窗口(窗口是由相邻的两个芯柱之间形成的)中宽度最大的窗口宽度的1/4时，能够消除气隙造成的损耗影响。

第七实施例

参阅图10所示的磁性元件的俯视图，本实施例的磁性元件为变压器，其包括第一芯柱51、第二芯柱52及绕设于第一芯柱51和第二芯柱52上的绕组60。第一芯柱51和第二芯柱52均由ur>1的磁性材料制成。其中，第一芯柱51和第二芯柱52的至少一侧设有相对初始磁导率等于1的介质。

本实施例可结合第一至第五实施例中任一种形式，例如，第一芯柱51和第二芯柱52可设有ur>1的磁性材料制成的上盖板或下盖板；或者，第一芯柱51和第二芯柱52的上侧和/或下侧可设有ur＝1的介质，该介质为空气或盖板。

另外，定义窗口W的宽度le为相邻两绕组60之间的距离，当磁芯尺寸和窗口宽度也满足类似第一实施例中的要求时，能够消除气隙造成的损耗影响。

综上所述，本发明将现有的相对初始磁导率高的磁性盖板替换为ur＝1的介质，例如空气或盖板，与现有的磁性元件相比，本发明的磁芯的至少一侧设置ur＝1的介质，使得原先在该侧形成的气隙处扩散的磁通得以比较均匀的分布，大幅降低气隙产生的损耗，因而绕组损耗只剩趋肤效应和邻近效应产生的损耗。并且，本发明并未增加磁性元件的体积，甚至在无盖板的情况下可减小磁性元件的体积，进而提高功率密度。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (23)

1.一种磁性元件，其包括：

至少三个芯柱；及

绕组，其绕设于所述至少三个芯柱其中至少一者上，使得绕组的两端均围绕在所述其中至少一芯柱的外周；

其中，所述至少三个芯柱的至少一侧设有相对初始磁导率等于1的介质。

2.如权利要求1所述的磁性元件，其中，所述介质为空气，其设置于所述芯柱的上侧和/或下侧。

3.如权利要求1所述的磁性元件，其中，所述相对初始磁导率等于1的介质为盖板，其间隔地设置于所述芯柱的上侧和/或下侧。

4.如权利要求1所述的磁性元件，其中，所述芯柱的上侧设有所述介质。

5.如权利要求4所述的磁性元件，其中，相邻两个所述芯柱之间形成具有一宽度的窗口，绕组部分容置于所述窗口内，各个所述窗口中宽度最大的窗口的宽度为le，各个所述芯柱的上端到所述绕组的上表面的最小距离为d，其中，d>le/4。

6.如权利要求5所述的磁性元件，其中，更包含一磁性盖板，所述芯柱的下侧设置于所述磁性盖板上。

7.如权利要求4所述的磁性元件，其中，所述芯柱的下侧设有所述介质。

8.如权利要求7所述的磁性元件，其中，相邻两个所述芯柱之间形成具有一宽度的窗口，绕组部分容置于所述窗口内，各个所述窗口中宽度最大的窗口的宽度为le，各个所述芯柱的上端到所述绕组的上表面的最小距离为d，各个所述芯柱的下端到所述绕组的下表面的最小距离为d’，其中，d>le/4或者d’>le/4。

9.如权利要求4所述的磁性元件，其中，相邻两个所述芯柱之间形成具有一宽度的窗口，绕组部分容置于所述窗口内，各个芯柱的上端具有向所述窗口内延伸的凸起，相邻两个所述芯柱的所述凸起之间的最小距离大于两个所述芯柱所对应的所述窗口宽度的50％。

10.如权利要求9所述的磁性元件，其中，各个所述窗口中宽度最大的窗口的宽度为le，各个所述芯柱的所述凸起的下表面到所述绕组的上表面的最小距离为d”，其中d”>le/4。

11.如权利要求1所述的磁性元件，其中，所述芯柱的截面为圆形、矩形或跑道形。

12.如权利要求1所述的磁性元件，其中，所述绕组为平面绕组。

13.如权利要求12所述的磁性元件，其中，所述平面绕组包括PCB绕组、邮票状铜片或线饼。

14.如权利要求1所述的磁性元件，其中，所述至少三个芯柱包括一中芯柱及多个围绕中芯柱设置的边芯柱。

15.如权利要求14所述的磁性元件，其中，所述边芯柱之间互相连接。

16.如权利要求14所述的磁性元件，其中，所述绕组绕设于所述中芯柱上。

17.如权利要求14所述的磁性元件，其中，所述绕组绕设于所述中芯柱以及至少一所述边芯柱上。

18.如权利要求1所述的磁性元件，其中，所述至少三个芯柱的高度相同。

19.如权利要求1所述的磁性元件，其中，所述至少三个芯柱其中至少两者的高度不同。

20.如权利要求14所述的磁性元件，其中，各个所述边芯柱相对于所述中芯柱对称设置。

21.一种变压器，其包括：

第一芯柱；

第二芯柱；及

绕组，其绕设于所述第一芯柱和所述第二芯柱上，使得绕组的两端均围绕在所述第一芯柱和所述第二芯柱的外周；

其中，所述第一和所述第二芯柱的至少一侧设有相对初始磁导率等于1的介质。

22.如权利要求21所述的变压器，其中，更包含磁性盖板，所述第一和所述第二芯柱的下侧设置于所述磁性盖板上，所述第一和所述第二芯柱的上侧设有所述介质。

23.如权利要求22所述的变压器，其中，所述第一和所述第二芯柱之间形成窗口，所述窗口的宽度为le，所述第一芯柱的上端到所述绕组的上表面和所述第二芯柱的上端到所述绕组的上表面的最小距离为d，其中，d>le/4。