CN101853729A - 具有永磁偏磁的磁性元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有永磁偏磁的磁性元件，包括用以形成磁通回路且具有至少一个气隙断口的磁芯，其特征在于：所述磁芯上绕设有工作线圈，所述磁芯的气隙断口至少一侧面上设有一对永磁体，所述永磁体上设有至少一个软磁磁芯，以连通两永磁体，从而形成与气隙断口并联的含永磁体磁支路，所述磁性元件的气隙断口的磁阻小于与之并联的含永磁体磁支路的磁阻5倍以上。本发明可以有效提高磁性元件磁芯抗直流电流偏磁能力，提高一定直流偏磁电流下的电感量，或减小磁芯截面积，减小体积或降低工作线圈的用铜量长度和电阻；同时可以克服传统带永磁体磁性元件容易被电流脉冲退磁、永磁体在高频磁通下涡流损耗引起温度升高导致永磁体在高温下容易失效的缺点。

Description

具有永磁偏磁的磁性元件

技术领域

本发明涉及一种具有永磁偏磁的磁性元件，适合应用于磁性元件的磁芯上存在较大的直流（或较低频率）磁通，并叠加有较高频率的交流磁通的情况。

背景技术

磁性元件特别是功率电感在各种功率变换器中有十分广泛的应用，如PFC电路的Boost电感，DC/DC变换器的输出滤波电感，UPS，变频器和逆变器中的输出电感等。但随着功率的提高和偏磁磁密的增加就会带来磁芯的饱和，从而使得电感量下降。为了解决这个问题，进一步提高功率电感的抗磁饱和能力，人们将永磁材料应用在功率电感上，以利用永磁材料的偏磁能力来抵消电感线圈直流电流造成的偏磁。现有技术1将永磁材料放置于磁芯气隙中。对于铁氧体永磁材料，电阻率比较高，在高频磁通下，引起的涡流损耗比较小，但是铁氧体永磁材料的剩磁磁密和矫顽磁力比较低，允许的工作温度也比较低，在工作中，容易造成退磁失效。对于稀土烧结永磁材料，剩磁磁密和矫顽磁力大大提高，允许的工作温度也较高，但是电阻率比较低，在高频磁通下，会带来很大的涡流，造成损耗和温度的增加，使永磁体失效。为了克服这个问题，现有技术2将永磁体放置在磁气隙的附近，并通过软磁体连接形成磁回路，而永磁体是采用稀土磁性粉末与粘结剂形成的粘结磁铁，因此具有较高的电阻率，从而降低高频涡流损耗。但是粘结永磁的偏磁能力虽然比铁氧体永磁体高，但比稀土烧结永磁体的偏磁能力低很多，难以得到很好的效果。而且根据该现有技术的介绍和实施例，虽然永磁体位于气隙附近，但还是会有很大一部分交流磁通会通过该永磁体，在其中产生涡流效应、发热以及退磁失效。因此，如何解决上述问题是本发明的目的。

发明内容

本发明的目的是一种具有永磁偏磁的磁性元件，该发明能有效提高磁芯的抗偏磁能力。

本发明解决方案是：一种具有永磁偏磁的磁性元件，包括用以形成磁通回路且具有至少一个气隙断口的磁芯，其特征在于：所述磁芯上绕设有工作线圈，所述磁芯的气隙断口至少一侧面上设有一对永磁体，所述永磁体上设有至少一个软磁磁芯，以连通两永磁体，从而形成与气隙断口并联的含永磁体磁支路，所述磁性元件的气隙断口的磁阻小于与之并联的含永磁体磁支路的磁阻5倍以上。本发明的技术特点是可以利用电阻率较小但具有较大偏磁能力的烧结稀土永磁材料以提高直流偏磁性能，同时通过磁路磁阻结构参数的设计以及采用永磁磁路上环绕的短路线圈克服烧结稀土材料永磁体本身电阻率较小所带来的由于高频磁通引起的涡流损耗大从而导致永磁体温度过高失效以及永磁体容易被电流脉冲退磁的问题。

本发明的优点在于：本发明可以提高磁性元件磁芯的抗偏磁能力，提高一定直流偏磁电流下的电感量，或减小磁芯截面积，减小体积或减小工作线圈的长度和电阻；同时可以克服传统带永磁体磁性元件尤其是电感线圈元件的永磁体容易被电流脉冲退磁、永磁体损耗大、温度高以及在高温下容易失效的缺点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为图1的磁路示意图

图3为本发明的另一结构示意图

图4为本发明实施例1

图5为本发明实施例2

图6为本发明实施例3

图7为本发明实施例4。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步的阐述。

如图1和图2所示，本发明的具有永磁偏磁的磁性元件，包括用以形成磁回路且具有至少一个气隙断口2的磁芯1，所述磁芯1上绕设有工作线圈3，所述磁芯的气隙断口2至少一侧面上设有一对永磁体4，所述永磁体4上设有至少一个软磁磁芯5，以连通两永磁体4，形成永磁体磁支路，所述永磁体支路上环绕有至少一匝的短路线圈6。

上述永磁体的磁极性是叠加的，其所产生的磁通极性是与工作线圈直流电流分量产生的磁通极性相反。

本发明采用稀土烧结永磁体，放置于气隙附近，同时通过磁路结构和磁路磁阻参数设计，使得永磁体产生的大部分偏磁磁通经过磁性元件主磁路，以抵消磁性元件线圈直流电流在主磁路上产生的直流偏磁，而磁性元件线圈产生的交流磁通则绝大部分经过气隙，只有很小一部分经过永磁体磁路。并进一步通过在永磁体磁路上设置包围永磁体磁路截面的短路线圈，此短路线圈导体的电阻率与永磁体的电阻率相差10²数量级以上，从而通过短路线圈感应电流的作用进一步屏蔽交流磁通经过永磁体磁回路，以进一步降低永磁体的发热和增强其抗退磁的能力。构成永磁体磁路的材料除了永磁体外，还可包含软磁体材料，由于只有很小一部分交流磁通经过永磁体磁路，因此可以选择饱和磁密较高的软磁材料，如矽钢片，磁粉芯等。对于如图2所示的磁路结构，包含三个磁路分支，即由电感磁芯1组成的主磁路分支，由气隙2组成的气隙磁路分支和由永磁体4和软磁块连接桥5组成的永磁体磁路分支，设其磁阻分别为R_Core,R_Gap和R_Magnet，为了达到上述目的，在磁路参数设计上，各部分磁路的磁阻需要满足公式R_Magnet>>R_Gap>>R_Core的条件，这三个磁阻大小差异越大，效果越好。对于如图3所示的磁路结构，由于磁路和工作线圈的对称结构，在磁路参数设计上，只要满足R_Magnet>>R_Gap，就可达到上述设计目的。

上述气隙断口2可由C型、U型、E型、EE型或EI型等磁芯构成。

上述永磁偏磁的磁性元件可以作为输入、输出滤波电感、扼流圈或磁芯存在直流偏磁的变压器等。

上述磁性元件也可由至少两对EE型或EI型等磁芯组成，如图4，图5所示；其中1为气隙断口，2为磁性元件磁芯，3为永磁体，4为软磁块连接桥，5为工作线圈，相同结构与相同编号表示同一名称；至少只在两对磁芯中柱开一对气隙断口，或只在两对磁芯边柱开两对气隙断口；至少两对永磁体，极化方向形成闭合环，由细箭头表示；至少一对软磁块连接桥臂；至少一对励磁线圈分别放置在两对EE或EI磁芯中柱上，其直流磁通方向用粗箭头表示。所述永磁体设置在所述磁芯中柱上下两面，所述两对磁芯间隔一定距离，用所述软磁块作为桥臂连接，所述软磁体连接桥设置在永磁体上，以形成同向极化环路。所述磁性线圈元件在EE型或EI型磁芯柱上至少开有一对气隙断口。所述至少两对永磁体的极化方向在磁柱沿同一环路方向，在所述至少两对永磁体上放置至少一对软磁块连接桥。未开气隙侧磁芯柱可以比通用E型磁柱截面积减小或使得工作线圈长度减小，节约用铜量。所述磁性元件可以作为两路输出滤波电感。

此发明以电感线圈元件为例，但不仅限于此。可以同样适用于需要采用永磁材料提高磁路磁芯抗偏磁能力的组合磁性元件结构，如变压器，多路输出集成电感及其类似物。具体实施例如下：

图6为，由磁芯1，线圈3，两同高边柱气隙断口2，四个永磁体4，软磁材料5，和至少一匝的短路线圈6组成。细箭头（永磁体的极化方向和偏磁方向）与粗箭头（线圈直流产生的磁场方向）相对出现，可同时反向。由于永磁体偏磁的作用，使得工作线圈所通的直流电功率可以大幅度提升。而工作线圈上所载的高频交流分量，由于短路线圈6的作用，并且其电阻率分别与永磁体，软磁材料电阻率的数量级相差1E-2和1E-5，使得高频交流分量产生的涡流，绝大部分消耗在短路线圈上。

图7的设计思想与图6相同，由于永磁体更多，使得电功率可以有限度的进一步提升。

以上所述仅为本发明的较典型实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种具有永磁偏磁的磁性元件，包括用以形成磁通回路且具有至少一个气隙断口的磁芯，其特征在于：所述磁芯上绕设有工作线圈，所述磁芯的气隙断口至少一侧面上设有一对永磁体，所述永磁体上设有至少一个软磁磁芯，以连通两永磁体，从而形成与气隙断口并联的含永磁体磁支路，所述磁性元件的气隙断口的磁阻小于与之并联的含永磁体磁支路的磁阻5倍以上。

2.根据权利要求1所述的具有永磁偏磁的磁性元件，其特征在于：所述永磁体是采用具有较强永磁特性且电阻率较低的烧结钕铁硼等稀土永磁材料。

3.根据权利要求1所述的具有永磁偏磁的磁性元件，其特征在于：所述含永磁体磁支路上环绕有至少一匝的短路线圈。

4.根据权利要求1或2或3所述的具有永磁偏磁的磁性元件，其特征在于：所述永磁体的磁极性是叠加的，其所产生的磁通极性是与工作线圈直流电流分量产生的磁通极性相反。

5.根据权利要求1所述的具有永磁偏磁的磁性元件，其特征在于：所述气隙断口可由C型、U型、E型、EE型或EI型磁芯构成。

6.根据权利要求1所述的具有永磁偏磁的磁性元件，其特征在于：所述永磁偏磁的磁性元件可以作为需要承受较大直流电流的输入、输出直流滤波电感、扼流圈或磁芯存在直流偏磁的变压器。

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