一种高频变压器和电感的磁集成元件的制作方法

1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种高频变压器和电感的磁集成元件。


背景技术：

2.变压器、电感器是电力电子变换器中广泛用到的基础磁元件。目前，行业内正致力于运用磁集成技术将多个不同磁元件集成在一起，从而缩小磁元件的尺寸、降低磁元件的损耗、减少磁元件的数量、降低磁元件的成本，最终提高电力电子变换器的功率密度。
3.中国专利申请cn101308724a公开了一种变压器和电感的磁集成结构，如图1所示，其具有“田”字型闭合磁芯，其中一个中心柱上缠绕变压器绕组，另一个中心柱上缠绕电感绕组。两中心柱上分别设有变压器间隙和电感间隙，变压器绕组产生的磁通和电感绕组产生的磁通在两者公共的磁芯上方向相反。该磁集成结构在空间位置上具有较好的稳定性，提高了电力电子变换器的功率密度。
4.需要说明的是，上述磁集成结构存在一定局限性。这是由于该磁集成结构增加了一只开口向上的e型磁芯，使得其整体上体积偏大。此外，该磁集成结构还增加了电感绕组，其制作也较为复杂，成本上也存在劣势。因此，亟需提供一种体积较小的、无需电感绕组的高频变压器和电感的磁集成元件。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的在于：提供一种体积较小的、无需电感绕组的高频变压器和电感的磁集成元件。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种高频变压器和电感的磁集成元件，包括：环型磁芯、上u型磁芯和下u型磁芯；
8.其中，所述的上u型磁芯安装于环型磁芯侧面的上部，所述的下u型磁芯安装于环型磁芯侧面的下部，所述的上u型磁芯和下u型磁芯开口相对布置，所述的环型磁芯左端部和右端部分别绕制高频变压器的初级绕组和次级绕组。
9.优选地，所述的环型磁芯呈圆环柱形状，所述的环型磁芯侧面的上部穿过所述的上u型磁芯的u型桥洞，所述的环型磁芯侧面的下部穿过所述的下u型磁芯的u型桥洞；所述的上u型磁芯和所述的下u型磁芯均布置于环型磁芯的左右对称面上，所述的上u型磁芯的u型面和所述的下u型磁芯的u型面均垂直于所述的环型磁芯的环平面。
10.优选地，所述的环型磁芯的材质为磁各向异性材质，所述的环型磁芯的环向和轴向的磁导率高于其径向的磁导率。
11.优选地，所述的上u型磁芯和所述的下u型磁芯的材质均为磁各向同性材质。
12.优选地，所述的环型磁芯由沿其轴向排列的片状环型磁芯单元叠制而成，相邻片状环型磁芯单元之间用绝缘材料隔开。
13.优选地，所述的初级绕组和所述的次级绕组左右对称布置且各自在所述的环型磁芯上绕制所形成的扇形区的圆心角θ≥150
°
。
14.优选地，所述的上u型磁芯的u型桥洞的内底面距所述的环型磁芯的最短距离为a，所述的上u型磁芯的u型桥洞的内侧面距所述的环型磁芯的最短距离为b；
15.所述的下u型磁芯的u型桥洞的内底面距所述的环型磁芯的最短距离为a，所述的下u型磁芯的u型桥洞的内侧面距所述的环型磁芯的最短距离为b；
16.a大于b。
17.优选地，所述的上u型磁芯的两个侧面的最低点高于环型磁芯的内环且上u型磁芯的两个侧面的最低点距环型磁芯的内环的最短距离为c；
18.所述的下u型磁芯的两个侧面的最高点低于环型磁芯的内环且下u型磁芯的两个侧面的最高点距环型磁芯的内环的最短距离为c；
19.0mm＜c＜10mm。
20.优选地，所述的高频变压器和电感的磁集成元件，还包括安装于所述的环型磁芯外周的绝缘护壳，所述的上u型磁芯、所述的下u型磁芯均卡装于所述的绝缘护壳上。
21.优选地，所述的初级绕组和次级绕组均为多股圆铜线绕制而成。
22.基于上述结构的高频变压器和电感的磁集成元件，本发明具有如下技术效果：
23.1)在环型磁芯上方和下方设置一对u型磁芯(上u型磁芯和下u型磁芯)，而上u型磁芯和下u型磁芯在平行于电感磁通方向的磁导率高、损耗低，电感磁通将部分从一个u型磁芯流向另一个u型磁芯，从而减少电感磁通垂直穿过环型磁芯的磁通大小，降低磁芯涡流损耗尤其是高频涡流损耗，提高效率。
24.2)整个磁集成元件仅需环型磁芯和一对u型磁芯，在环型磁芯上绕制初级绕组和次级绕组，无需电感绕组。整体结构简易，体积较小，易于制作且成本更为低廉。
25.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是现有技术中的一种变压器和电感的磁集成结构。
28.图2是本发明实施例所提供的高频变压器和电感的磁集成元件的主视图。
29.图3是本发明实施例所提供的高频变压器和电感的磁集成元件的变压器磁通及漏磁通示意图。
30.图4是本发明实施例所提供的高频变压器和电感的磁集成元件的左视图，图中略去初级绕组和次级绕组。
31.图5为本发明实施例所提供的上u型磁芯、下u型磁芯和环型磁芯组合的主视图。
32.附图标记中：1-初级绕组、2-次级绕组、3-一对u型磁芯、31-上u型磁芯、32-下u型磁芯、4-环型磁芯、5-片状环型磁芯单元、6-绝缘材料。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在介绍本发明及其原理之前，首先介绍一下影响磁芯磁损的主要因素。根据斯坦梅茨公式，磁芯工作时单位体积的损耗为：p＝kc*f
α
*b
maxβ
，这里b
max
是外部正弦激励时外部磁感应强度的峰值；f为外部磁场的工作频率；kc、α、β是一个常量。磁芯损耗又具体分为磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗，高频下涡流损耗在总损耗中占据相当大比重。
35.如图2所示，本发明实施例提供的高频变压器和电感的磁集成元件包括一环型磁芯4、一对u型磁芯3(由上u型磁芯31和下u型磁芯32组成)；
36.其中，上u型磁芯31安装于环型磁芯4侧面的上部，下u型磁芯32安装于环型磁芯4侧面的下部，上u型磁芯31和下u型磁芯32开口相对布置，环型磁芯4左端部和右端部分别绕制高频变压器的初级绕组1和次级绕组2。
37.从以上内容可以看出：本发明的整个磁集成元件仅需环型磁芯4和一对u型磁芯3(由上u型磁芯31和下u型磁芯32组成)，在环型磁芯4上绕制初级绕组1和次级绕组2，无需电感绕组。整体结构简易，体积较小，易于制作且成本更为低廉。
38.另外，基于上述结构的磁集成元件，变压器磁通及漏磁通图如图3所示。环型磁芯4的漏磁场产生的磁通主要集中于其上部和下部未被绕制绕组所覆盖的区域。上u型磁芯31和下u型磁芯32开口相对地在此区域将环型磁芯包裹，电感磁通将部分从一对u型磁芯3中的一个u型磁芯流向另一个u型磁芯，从而减少漏磁通垂直穿过(即从径向穿过)环型磁芯4的磁通(即斯坦梅茨公式中的b
max
)大小，从而降低磁芯涡流损耗，尤其是高频涡流损耗。
39.为了便于制作并取得较好的降低损耗效果，环型磁芯4通常为圆环型磁芯(即整个环型磁芯4呈圆环柱形状)，环型磁芯4侧面的上部穿过上u型磁芯31的u型桥洞，环型磁芯4侧面的下部穿过下u型磁芯32的u型桥洞；上u型磁芯31和下u型磁芯32位于该圆环型磁芯的左右对称面上，且上u型磁芯31和下u型磁芯32的u型平面均垂直于环型磁芯4的环平面。上述这样设置，可以进一步降低磁芯涡流损耗，尤其是高频涡流损耗。
40.作为上述实施例的进一步优选方案，环型磁芯4的材质为纳米晶、非晶带材等磁各向异性材质。这样设置的原因在于：磁各向异性材质具有损耗较低、饱和磁通密度较高的特点。这里的环型磁芯4由磁各向异性材质卷绕而成，由于磁各向异性材质的特性，环型磁芯4沿环向和轴向的磁导率高、磁损耗较小，沿环型磁芯4的径向磁导率小、磁损耗较高。上u型磁芯31和下u型磁芯32的材质均为铁氧体等磁各向同性质，上u型磁芯31(或下u型磁芯32)可以为整体结构，也可以为多个u形的片状磁芯叠置而成。
41.作为上述实施例的进一步优选，如图4所示，环型磁芯4由多个沿环型轴向(即图2中的前后方向)叠制而成的片状环型磁芯单元5组成，相邻片状环型磁芯单元5之间用绝缘材料6隔开。此外，初级绕组1和次级绕组2左右对称布置且各自在所述的环型磁芯4上绕制所形成的扇形区的圆心角θ≥150
°
。尽量增大初次级绕组2在环型磁芯4上形成的扇形区域圆心角θ，优选控制θ≥150
°
。通过该方式，能够尽量减少上u型磁芯31和下u型磁芯32的漏磁沿轴向和环向尺寸(即减少漏磁部面积的大小)来减少涡流损耗。
42.这里需要阐述的是，在上述实施例所介绍的高频变压器和电感的磁集成元件基本结构的基础上，本发明对各组成的尺寸和相对位置进行进一步优化设置如下：对于上u型磁芯31和下u型磁芯32中的任一u型磁芯，其u型桥洞的内底面距环型磁芯的最短距离为a，其u型桥洞的内侧面距环型磁芯的最短距离b，本发明中设置a，b两者的大小关系为a大于b，这样设置的好处在于：当a大于b时，可更好地减少涡流损耗。
43.此外，作为上述实施例的进一步优选，如图5所示：上u型磁芯31的两个侧面的最低点高于环型磁芯4的内环且上u型磁芯31的两个侧面的最低点距环型磁芯4的内环的最短距离为c；下u型磁芯32的两个侧面的最高点低于环型磁芯4的内环且下u型磁芯32的两个侧面的最高点距环型磁芯4的内环的最短距离为c；本发明中设置c的大小关系如下：0mm＜c＜10mm；这样设置的好处在于：当c满足0mm＜c＜10mm时，可在减少涡流损耗和减少u型磁芯两个方面取得较好的平衡。
44.为了保证环型磁芯4和上u型磁芯31以及下u型磁芯32之间位置的相对固定，上u型磁芯31和下u型磁芯32均可采用任何公知的方式直接或间接地安装于环型磁芯4上。例如，在环型磁芯4外周安装绝缘护壳(图2、图3、图4中均未示出绝缘护壳)，用以对环型磁芯4进行防护，上u型磁芯31和下u型磁芯32均卡装于绝缘护壳上。当然，也可以对环型磁芯4和上u型磁芯31(或下u型磁芯32)进行整体灌装。
45.这里同时给出本发明实施例的试验结果：基于上述高频变压器和电感的磁集成元件的基本结构，选用3个外径360mm、内径140mm、厚度为20mm的片状环型磁芯单元5(纳米晶材质)叠加，片状环型磁芯单元5为圆环型且之间用绝缘材料6隔开，然后置于绝缘护壳中，一对u型铁氧体磁芯沿环型磁芯4直径方向(即环型磁芯4的正上、正下方向)、对称对向地包裹于环型磁芯4绝缘护壳上，u型铁氧体磁芯u型桥洞底部距环型磁芯4的最近距离为10mm，u型铁氧体磁芯u型桥洞内侧部距环型磁芯的最近距离为4mm，环型磁芯4左右两侧分别绕制变压器的初级绕组1和次级绕组2，初级绕组1和次级绕组2在环型磁芯4上形成的扇形区域圆心角θ基本相当，且θ＝150
°
，初级绕组1和次级绕组2均使用ф0.1mm*2500股多股圆铜线四根并绕，各12匝，所得高频变压器和电感的磁集成元件应用于开关频率f＝3khz的电路中，实测变压器功率60kw，电感值50uh，磁集成元件总损耗为280w，效率达到99.5％。
46.从以上试验结果可以看出：本发明所提供的高频变压器和电感的磁集成元件具有如下优点：降低磁芯涡流损耗尤其是高频涡流损耗，提高效率。
47.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。