CN102360781B - 磁芯采用嵌套结构的可分离变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁性元件制造领域，特别涉及到电力电子高频功率磁性元件。本发明提出一种磁芯采用嵌套结构的可分离变压器，它包括高磁导率的磁芯、套设于磁芯柱的骨架、卷绕于骨架上的线圈以及磁芯之间气隙，其特征在于：卷绕原边线圈和副边线圈的磁芯宽度不同，且卷绕着变压器原边和副边线圈的磁芯采用嵌套装配结构，磁芯与磁芯之间有较大的气隙。本发明可用作非接触充电器的可分离变压器，可以有效增大变压器原边和副边磁芯间的对应面积，具有变压器耦合系数高，漏感小，激磁电感大，磁芯内磁路均匀，机械强度高以及便于生产等优点。

Description

磁芯采用嵌套结构的可分离变压器

技术领域

本发明属于磁性元件制造领域，特别涉及到电力电子高频功率磁性元件。

背景技术

基于电磁感应耦合原理的非接触充电技术涉及电力电子变流、电磁耦合等技术，与传统接触式充电技术比较，由于可实现无导线接触传输电能，不仅可以克服已有充电技术所固有的由导线接触所带来的如电火花、连接不方便以及安全等问题，特别适用于易燃爆、潮湿、运动物体（如电动车等）、植入人体医疗器件等供电场合，而且非接触感应充电器还可以很方便嵌入在需要供电场合，实现随时随地供电，具有很好应用前景。

由于非接触充电器的高频功率变压器原边和副边不是固定装配，是分离可移动的，中间有较大的气隙，从而导致变压器漏感较大、激磁电感较小（因此该高频变压器也称作可分离变压器或者松耦合变压器），不仅在开关器件上产生较大的电压应力和开关损耗以及较多的高频泄露磁场，而且影响非接触充电器系统的稳定性和传输电能的能力，因此可分离变压器已成为非接触充电系统关键器件之一，涉及结构开发、电气建模以及优化设计等。

图1、2为已有的采用传统磁芯结构的可分离变压器结构示意图，图1的磁芯为EE型，变压器原边线圈12和副边线圈11分别绕制在磁芯中柱上，此时原边磁芯14与副边磁芯13之间的对应面积为磁芯柱的横截面积，磁芯间存在气隙15。图2的磁芯为UU型，变压器原边线圈12和副边线圈11分别绕制在磁芯底边柱上，原边磁芯14与副边磁芯13之间的对应面积也为磁芯柱的横截面积。由于磁芯柱的横截面积相对比较小以及磁芯间开有气隙，磁芯的磁阻会比较大，从而变压器漏磁通变大，激磁电感减小，耦合系数减小。图3为采用一种改进型磁芯结构的可分离变压器，原边线圈12和副边线圈11分别绕制在磁芯底边柱上，在磁芯柱的气隙处加了一块横向的磁芯，此时原边磁芯14与副边磁芯13之间的对应面积为磁芯柱的横截面积加添加的横向磁芯的截面积，因此增大了磁芯之间的对应面积，从而减小了磁芯磁阻，也增大了变压器耦合系数。但该结构为非标准化的，磁芯加工不容易，且外加的磁芯使得磁芯内部的磁路长度差异大，导致磁芯内部磁通不均匀，而可能使磁芯容易饱和。图4为采用平面磁性元件技术构造的可分离变压器，变压器原边线圈12采用阵列化印刷电路板PCB构造为一个平台，副边线圈11放置在平台上，该结构可以较好解决便携电子产品发电端与受电端放置位置随机问题，但也存在电能传输能力比较小以及没有充电的区域高频磁场泄露严重的不足，不仅导致严重电磁干扰，而且可能在便携电子产品上感应致命涡流损耗，损坏电子设备，并可能损坏人身健康。 

发明内容

本发明目的是公开一种可以有效增大变压器原边和副边磁芯间对应面积的新型磁芯结构，适用作非接触充电器用的高频可分离变压器。具有变压器耦合系数高，漏感小，激磁电感大，磁芯内磁路均匀，机械强度高以及便于生产等优点。

本发明采用以下方案实现：一种磁芯采用嵌套结构的可分离变压器，包括卷绕有原边线圈的第一磁芯和卷绕有副边线圈的第二磁芯，所述的第一磁芯和第二磁芯分别套设有骨架；其特征在于：所述的第二磁芯嵌套在所述的第一磁芯里面，且两磁芯之间隔有气隙；该嵌套结构应满足：Lcp=2*acp+2* ag+Lcs，且ag>0， bg>0，Lps>0；其中：Lcp表示第一磁芯的宽度、acp表示第一磁芯柱的厚度、Lcs表示第二磁芯的宽度、ag表示第一磁芯和第二磁芯侧面之间的气隙长度，bg表示第一磁芯和第二磁芯底面之间的气隙长度，Lps表示第一磁芯和第二磁芯侧面之间嵌套重叠的长度。 

在本发明一实施例中，所述变压器由卷绕原边线圈的高磁导率磁芯、卷绕副边线圈的高磁导率磁芯、骨架、原边线圈、副边线圈、气隙构成。由于变压器的磁芯采用嵌套装配结构，相对于图1、2传统磁芯结构以及图3改进磁芯结构的可分离变压器，此时绕有原边线圈的磁芯与绕有副边线圈的磁芯之间对应面积为磁芯边柱内外侧边的面积，而不再是磁芯的横截面积，由于磁芯的侧边面积比其横截面积要大，因此可以有效增大可分离变压器原边和副边线圈磁芯间的有效对应面积。

本发明优点：由于可分离变压器原边和副边线圈的磁芯间有效对应面积增大，因此在磁芯间气隙长度不变情况下，气隙的磁阻将减小，变压器原边线圈和副边线圈之间的漏磁通将减小，高频磁场泄露减小，这使得原边和副边线圈耦合系数变大，变压器的漏感将减小，激磁电感将增大，进而提高充电系统效率和传输电能能力。新结构可以采用已有的两种规格不同的磁芯作为绕原边和副边线圈的磁芯，因此不需要特别加工磁芯，具有结构简单便于生产以及机械强度高的特点。  

附图说明  

图1是传统EE型磁芯的可分离变压器结构示意图。

图2是传统UU型磁芯的可分离变压器结构示意图。

图3是改进UU型磁芯的可分离变压器结构示意图。

图4是采用平面磁技术的可分离变压器结构示意图

图5本发明可分离变压器结构示意图。

图6本发明可分离变压器磁芯结构前视图。

图7本发明可分离变压器磁芯结构左侧视图。

图8本发明可分离变压器原边线圈磁芯的右磁芯柱横截面图。

具体实施方式

下面参照附图5、6、7、8对本发明的实施方式予以详细说明，实施例以UU型磁芯为例。如图5所示，本实施例由卷绕原边线圈的磁芯51、卷绕副边线圈的磁芯53、骨架52、骨架54、原边线圈55、副边线圈56、气隙57构成。实施例的结构装配为，骨架52套在卷绕原边线圈的磁芯51上，原边线圈55卷绕在骨架52上，骨架54套在卷绕副边线圈的磁芯53上，副边线圈56卷绕在骨架54上，卷绕副边线圈的磁芯53嵌套装在卷绕原边线圈的磁芯51里面，中间隔着气隙57，该气隙57可采用空气隙构成或者采用低磁导率材料构成。图6、7、8为实施例磁芯的结构图，其中Lcp、acp、tcp表示绕制原边线圈磁芯51的宽度、磁芯柱厚度、磁芯柱深度，Lcs表示绕制副边线圈磁芯53的宽度。ag表示原边线圈磁芯51和副边线圈磁芯53侧面之间的气隙长度，bg表示原边线圈磁芯51和副边线圈磁芯53底面之间的气隙长度。Lps表示原边线圈磁芯51和副边线圈磁芯53侧面之间嵌套重叠的长度，对应面积为阴影面积sps，即原副边磁芯对应的面积。阴影面积ss为原边线圈磁芯51的右磁芯柱横截面。为满足本发明的嵌套装配，需满足Lcp=2*acp+2* ag+Lcs，且ag>0，bg>0，Lps>0。

在新结构中，卷绕原边线圈的磁芯51与卷绕副边线圈的磁芯53之间的对应面积为磁芯51的内侧面和磁芯53的外侧面，即阴影面积sps（为简化分析认为磁芯内的磁通只从sps对应的气隙经过），此时变压器磁芯的闭合磁路由磁芯51、磁芯53、气隙57组成，则变压器磁芯闭合磁路的磁阻近似为Rm= 2* ag /(μ*sps)，其中μ为气隙磁导率。可见变压器的磁芯磁阻随着面积sps增大而减小，根据电感量与磁阻关系，易知变压器的激磁电感将增大，漏感将减小。通过调整磁芯51和磁芯53侧面之间嵌套重叠的长度Lps可以容易调整该对应面积。对于采用磁芯柱横截面积作为磁芯对应面的传统变压器磁芯结构，磁芯磁阻的对应面积为磁芯柱横截面积sp。由于磁芯的侧边面积比其横截面积要大，即sps比 sp大的多，因此可以有效增大可分离变压器原边和副边线圈的磁芯间有效对应面积。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (2)

1.一种磁芯采用嵌套结构的可分离变压器，包括卷绕有原边线圈的第一磁芯和卷绕有副边线圈的第二磁芯，所述的第一磁芯和第二磁芯分别套设有骨架；其特征在于：所述的第二磁芯嵌套在所述的第一磁芯里面，且两磁芯之间隔有气隙；该嵌套结构应满足：Lcp=2*acp+2* ag+Lcs，且ag>0，bg>0，Lps>0；其中：Lcp表示第一磁芯的宽度、acp表示第一磁芯柱的厚度、Lcs表示第二磁芯的宽度、ag表示第一磁芯和第二磁芯侧面之间的气隙长度，bg表示第一磁芯和第二磁芯底面之间的气隙长度，Lps表示第一磁芯和第二磁芯侧面之间嵌套重叠的长度；所述的磁芯采用UU型结构。

2.根据权利要求1所述的磁芯采用嵌套结构的可分离变压器，其特征在于：所述第一磁芯与第二磁芯之间的气隙采用空气隙构成或者采用低磁导率材料构成。

Images