CN103871716A

CN103871716A - 一种磁集成结构

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Publication number: CN103871716A
Application number: CN201410054938.1A
Authority: CN
Inventors: 张逸成; 杨晓盛; 韦莉; 姚勇涛; 李志栋; 张佳佳; 叶尚斌; 刘帅; 詹地夫; 顾帅; 沈玉琢
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2014-02-18
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本发明提出了一种磁集成结构，属于电磁技术领域。该磁集成结构包括平躺的“日”字型磁芯、缠绕于其左边柱上的第一边柱绕组和第二边柱绕组、缠绕于其右边柱上的第三边柱绕组和第四边柱绕组以及缠绕于其中柱上的中柱绕组。第一边柱绕组与第三边柱绕组连接，且正向耦合；第二边柱绕组与第四边柱绕组连接，且正向耦合。本发明磁集成结构在应用于集成变压器和电感器时，电感器绕组产生的磁通会经过变压器的磁路，能够充分利用磁芯材料，减小磁芯体积；在应用于集成共模电感和差摸电感时，差模电感绕组产生的磁通会经过共模电感部分，从而使得整个磁芯得到充分利用，减小滤波器的体积，而且共模电感器和差模电感器解耦，两者可以单独调整，互不影响。

Description

一种磁集成结构

技术领域

本发明属于电磁技术领域，涉及一种磁集成结构。

背景技术

在航空航天、电动汽车、光伏发电等诸多领域中，大功率电力电子变换器是必不可少的部件。如何有效地减小磁性元件的体积，提升功率密度，提高转换效率，改善电磁干扰（EMI）情况，不仅关系到变换器本身的正常工作，而且也关系到系统整体性能的优化、能源利用效率的提高以及控制部分的稳定可靠运行。将变换器中变压器和电感器集成在一起、滤波器中差模和共模电感集成在一起，可以减小磁性元件的整体体积，提高电力电子变换器的功率密度。

图1所示为现有技术中典型的变压器和电感器磁集成结构的结构示意图。该结构通常由两块E型磁芯31、32构成，变压器原边绕组34和副边绕组35绕在磁芯边柱上，另外一个边柱上缠绕电感绕组33。磁芯的电感部分和变压器部分可以开有气隙36、37，磁芯中柱无气隙。该结构可以实现电感和变压器的解耦集成，其缺点在于：在实际使用过程中，磁芯的变压器部分通常不含直流磁通分量，但会有较大的交流磁通分量，为了控制变压器损耗，交流磁通分量会有所限制，限制值通常远低于磁芯材料的饱和值，从而导致变压器部分磁芯运用不充分；而电感部分含有较大的直流磁通分量，为了防止该部分的磁芯饱和，需要加大气隙36或者增大电感部分的磁芯截面积，在大功率应用场合，该结构的损耗和体积增大明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够充分利用磁芯材料，有利于减小磁性元件体积的磁集成结构。

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种磁集成结构，包括平躺的“日”字型磁芯、缠绕于所述“日”字型磁芯左边边柱上的第一边柱绕组和第二边柱绕组、缠绕于所述“日”字型磁芯右边边柱上的第三边柱绕组和第四边柱绕组以及缠绕于所述“日”字型磁芯中柱上的中柱绕组；第一边柱绕组的一端与第三边柱绕组的一端连接，且正向耦合；第二边柱绕组的一端与第四边柱绕组的一端连接，且正向耦合。

所述左边边柱及所述左边边柱上绕组的等效磁阻等于所述右边边柱及所述右边边柱上绕组的等效磁阻。

第一绕组的匝数等于第三绕组的匝数；第二绕组的匝数等于第四绕组的匝数。

所述磁芯的左边边柱、中柱和右边边柱分别开有第一气隙、第二气隙和第三气隙。

第一气隙、第二气隙和第三气隙等于零。

所述平躺的“日”字型磁芯包括开口向下的E型磁芯和平躺的I型磁芯。

所述磁集成结构还包括缠绕于所述左边边柱上的n组绕组和缠绕于所述右边边柱上的n组绕组；所述n大于等于1；所述缠绕于左边边柱上的n组绕组与所述缠绕于右边边柱上的n组绕组一一对应，对应的两组所述绕组的一端连接，且正向耦合。

所述对应的两组所述绕组的匝数相等。

所述平躺的“日”字型磁芯包括开口相对的两个E型磁芯。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：本发明磁集成结构能够大大节省磁性元件的整体体积，提高电力电子变换器的功率密度。例如在应用于集成变压器和电感器时，电感器绕组产生的磁通会经过变压器的磁路，能够充分利用磁芯材料，减小磁芯体积；在应用于集成共模电感和差摸电感时，差模电感绕组产生的磁通会经过共模电感部分，从而使得整个磁芯得到充分利用，减小滤波器的体积，而且共模电感器和差模电感器解耦，两者可以单独调整，互不影响。

附图说明

图1是现有技术中典型的变压器和电感器磁集成结构的结构示意图；

图2a是本发明第一实施例中磁集成结构的结构示意图；

图2b是图2a的等效磁路图；

图2c是图2a的等效电路图；

图3是本发明第二实施例中磁集成结构的结构示意图；

图4是本发明第三实施例中磁集成结构的结构示意图。

附图中：R11、左边边柱及左边边柱上绕组的等效电阻；R12、右边边柱及右边边柱上绕组的等效电阻；10、中柱绕组；11、第一边柱绕组；12、第二边柱绕组；13、第三边柱绕组；14、第四边柱绕组；16、第一气隙；17、第二气隙；18、第三气隙；21、I型磁芯；22、E型磁芯；1001、中柱绕组；1101、第一边柱绕组；1201、第二边柱绕组；1301、第三边柱绕组；1401、第四边柱绕组；1501、第五边柱绕组；1901、第六边柱绕组；1601、第一气隙；1701、第二气隙；1801、第三气隙；2101、I型磁芯；2201、E型磁芯；1002、中柱绕组；1102、第一边柱绕组；1202、第二边柱绕组；1302、第三边柱绕组；1402、第四边柱绕组；1502、第五边柱绕组；1902、第六边柱绕组；1602、第一气隙；1702、第二气隙；1802、第三气隙；2102、E型磁芯；2202、E型磁芯；31、E型磁芯；32、E型磁芯；33、电感绕组；34、变压器原边绕组；35、变压器副边绕组；36、气隙；37、气隙。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

为了减小磁性元件的整体体积，提高电力电子变换器的功率密度，本发明提出了一种能够充分利用磁芯材料，有利于减小磁性元件体积的磁集成结构。

如图2a所示为本发明第一实施例中磁集成结构的结构示意图。本实施例中以该磁集成结构作为变压器与电感器磁集成结构为例进行说明。该磁集成结构包括一个平躺的“日”字形磁芯，由E形磁芯22和I型磁芯21迭置构成。在该平躺的“日”字形磁芯的中柱上缠绕电感绕组即中柱绕组10、在其左边边柱上缠绕部分变压器原边绕组即第一边柱绕组11和部分变压器副边绕组即第二边柱绕组12，剩余部分的变压器原边绕组即第三边柱绕组13和变压器副边绕组第四边柱绕组14缠绕在其右边边柱上。第一边柱绕组11的一端与第三边柱绕组13的一端相互连接，使得两者组成正向耦合关系；第二边柱绕组12的一端和第四边柱绕组14的一端相互连接，也使得两者组成正向耦合关系。边柱和中柱上从左到右分别开有第一气隙16、第二气隙17和第三气隙18。图2b为图2a的等效磁路图；图2c为图2a的等效电路图。

本实施例中，边柱绕组的匝数和气隙满足下列公式：

N_P1=N_P2；

N_S1=N_S2；

R11=R12；

其中，N_P1为绕在左边边柱上原边绕组的匝数；N_P2为绕在右边边柱上原边绕组的匝数；N_S1为绕在左边边柱上副边绕组的匝数；N_S2为绕在右边边柱上副边绕组的匝数；R11为左边边柱和左边边柱上绕组的等效电阻；R12为右边边柱和右边边柱上绕组的等效电阻。

因此，中柱绕组10产生的交流磁通在第一边柱绕组11和第三边柱绕组13上感应出的电动势大小相同，方向相反。由于第一边柱绕组11和第三边柱绕组13相互连接且正向耦合，所以在整个原边绕组上，因中柱绕组10而产生的感应电动势相互抵消。同理，变压器副边绕组因中柱绕组10而产生的感应电动势也相互抵消，所以，电感器无任何影响。从而变压器和电感器实现了解耦。

第一边柱绕组11、第二边柱绕组12、第三边柱绕组13和第四边柱绕组14构成了变压器的原边绕组和副边绕组，中柱绕组10为电感器绕组。由于电感器绕组位于中柱上，变压器原、副边的部分绕组缠绕在一个边柱上，其余的原、副边绕组缠绕在另一个边柱上，电感器绕组产生的磁通会经过变压器的磁路，从而使得磁芯材料得到充分利用，减小磁芯体积。

该磁集成结构也可集成差模和共模电感器。此时，第一边柱绕组11、第二边柱绕组12、第三边柱绕组13和第四边柱绕组14为共模电感器绕组，中柱绕组10是差模电感器绕组。在通常的应用场合下，共模电感绕组基本不产生直流偏置磁通，而差模电感绕组会存在一定的直流偏置磁通，本发明的优点在于，差模电感绕组产生的磁通会经过共模电感部分，从而使得整个磁芯得到充分利用，减小滤波器的体积，而且共模电感器和差模电感器解耦，两者可以单独调整，互不影响。

本实施例中，第一气隙16、第二气隙17和第三气隙18也可以等于零。

图3是本发明第二实施例的磁集成结构的结构示意图，同样以其作为变压器和电感器的磁集成结构为例进行说明。该磁集成结构也包括与第一实施例相同的平躺的“日”字型闭合磁芯，该平躺的“日”字型闭合磁芯由E型磁芯2201和I型磁芯2101迭置构成。

在“日”字型磁芯的中柱上缠绕电感器绕组即中柱绕组1001，在“日”字型的一个边柱上缠绕部分变压器原边绕组即第一边柱绕组1101和部分变压器副边绕组即第二边柱绕组1201和第六边柱绕组1501，其余部分的变压器原、副边绕组即第三边柱绕组1301、第四边柱绕组1401和第六边柱绕组1901缠绕在“日”字型磁芯的另外一个边柱上，第一边柱绕组1101的一端与第三边柱绕组1301的一端相互连接，使两绕组成正向耦合关系，第一边柱绕组1101和第三边柱绕组1301组成变压器原边绕组；第二边柱绕组1201的一端与第四边柱绕组1401的一端相互连接，使两绕组也成正向耦合关系，第二边柱绕组1201和第四边柱绕组1401组成变压器的第一个副边绕组；第五边柱绕组1501的一端与第六边柱绕组1901的一端相互连接，使两绕组成正向耦合关系，第五边柱绕组1501和第六边柱绕组1901组成变压器的第二个副边绕组。

绕组中柱和边柱上的气隙从左到右分别为第一气隙1601、第三气隙1801和第二气隙1701，这三个气隙可以等于零。调节边柱绕组匝数以及气隙等，使变压器和电感器实现解耦。

本实施例不同于第一实施例的是变压器多出了一组副边绕组，在本发明的范围内，还可以有更多组的副边绕组。同样，本实施例也可以用于构造共模电感和差摸电感的磁集成结构。

图4是本发明第三实施例的磁集成结构的结构示意图，同样以其作为变压器和电感器的磁集成结构为例进行说明。该磁集成结构同样具有“日”字型闭合磁芯，不同的是该磁芯由两个E形磁芯即第一E型磁芯2202和第二E形磁芯2302以开口相对的方式组成。

在“日”字型磁芯的中柱上缠绕电感绕组即中柱绕组1002，在“日”字型的一个边柱上缠绕部分变压器原边绕组即第一边柱绕组1102和部分变压器副边绕组即第二边柱绕组1202和第五边柱绕组1502，其余部分的变压器原、副边绕组即第三边柱绕组1302、第四边柱绕组1402和第六边柱绕组1902缠绕在“日”字型磁芯的另外一个边柱上，第一边柱绕组1102的一端与第三边柱绕组1302的一端相互连接，使两绕组成正向耦合关系，第一边柱绕组1102和第三边柱1302组成变压器原边绕组；第二边柱绕组1202的一端与第四边柱绕组1402的一端相互连接，使两绕组也成正向耦合关系，第二边柱绕组1202和第四边柱绕组1402组成变压器的第一个副边绕组；第五边柱绕组1502的一端与第六边柱绕组1902的一端相互连接，使两绕组成正向耦合关系，第五边柱绕组1502和第六边柱绕组1902组成变压器的第二个副边绕组。

绕组边柱和中柱上的气隙从左到右分别为第一气隙1602、第三气隙1802和第二气隙1702，这三个气隙可以等于零。调节边柱绕组匝数以及气隙等，使变压器和电感器实现解耦。

本实施例比第一实施例的变压器多出了一组副边绕组，在本发明的范围内，还可以有更多组的副边绕组。同样，本实施例也可以用于构造共模电感和差摸电感的磁集成结构。

本发明磁集成结构在本发明的范围内有不同的构造或变形，当应用于集成变压器和电感器时，电感器绕组产生的磁通会经过变压器的磁路，能够充分利用磁芯材料，减小磁芯体积。当应用于集成共模电感和差摸电感时，差模电感绕组产生的磁通会经过共模电感部分，从而使得整个磁芯得到充分利用，减小滤波器的体积，而且共模电感器和差模电感器解耦，两者可以单独调整，互不影响。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种磁集成结构，其特征在于：包括平躺的“日”字型磁芯、缠绕于所述“日”字型磁芯左边边柱上的第一边柱绕组和第二边柱绕组、缠绕于所述“日”字型磁芯右边边柱上的第三边柱绕组和第四边柱绕组以及缠绕于所述“日”字型磁芯中柱上的中柱绕组；

第一边柱绕组的一端与第三边柱绕组的一端连接，且正向耦合；第二边柱绕组的一端与第四边柱绕组的一端连接，且正向耦合。

2.根据权利要求1所述的磁集成结构，其特征在于：所述左边边柱及所述左边边柱上绕组的等效磁阻等于所述右边边柱及所述右边边柱上绕组的等效磁阻。

3.根据权利要求1所述的磁集成结构，其特征在于：第一绕组的匝数等于第三绕组的匝数；第二绕组的匝数等于第四绕组的匝数。

4.根据权利要求1所述的磁集成结构，其特征在于：所述磁芯的左边边柱、中柱和右边边柱分别开有第一气隙、第二气隙和第三气隙。

5.根据权利要求4所述的磁集成结构，其特征在于：第一气隙、第二气隙和第三气隙等于零。

6.根据权利要求1所述的磁集成结构，其特征在于：所述平躺的“日”字型磁芯包括开口向下的E型磁芯和平躺的I型磁芯。

7.根据权利要求1所述的磁集成结构，其特征在于：所述磁集成结构还包括缠绕于所述左边边柱上的n组绕组和缠绕于所述右边边柱上的n组绕组；所述n大于等于1；

所述缠绕于左边边柱上的n组绕组与所述缠绕于右边边柱上的n组绕组一一对应，对应的两组所述绕组的一端连接，且正向耦合。

8.根据权利要求7所述的磁集成结构，其特征在于：所述左边边柱及所述左边边柱上绕组的等效磁阻等于所述右边边柱及所述右边边柱上绕组的等效磁阻。

9.根据权利要求7所述的磁集成结构，其特征在于：所述对应的两组所述绕组的匝数相等。

10.根据权利要求1所述的磁集成结构，其特征在于：所述平躺的“日”字型磁芯包括开口相对的两个E型磁芯。