CN103366922B - 带有预偏磁的磁性元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种带有预偏磁的磁性元件，包括：磁芯，所述磁芯上具有气隙；缠绕在磁芯上的绕组；和位于磁芯磁路中的永磁体；其中，所述永磁体在磁路中产生的磁场方向与绕组电流在磁路中产生的磁场方向相反；当绕组电流为零时，永磁体在磁路中产生的磁场强度不超过磁芯的饱和磁通密度；所述磁芯上具有凹槽，选择凹槽的位置使得绕组产生的磁场在该位置中出现最小值；所述永磁体位于凹槽内。永磁体产生较小的涡流，从而可以避免永磁体由于过热而退磁，而且体积小，组装方便。
Description
技术领域
本发明涉及磁性元件，尤其涉及一种带有预偏磁的磁性元件及其制造方法。
背景技术
现有技术中，直流电抗器、直流电感和反激变压器均工作于磁化曲线的第一象限。为了承受一定的直流，这些磁性元件一般都需要开气隙；因为开气隙会导致磁路有效磁导率下降，所以为了解决增大感值和提高耐直流之间的矛盾，一般做法就是增大磁芯体积，从而导致体积和成本的增加。为了解决上述问题，如图1a所示，可以将上述磁性元件的磁化曲线的工作范围拓展到一、三象限，这样会增大抗直流能力，从而避免增大磁芯体积。如图1b所示，这种方法的思路也可以表示为将上述磁性元件的直流偏置曲线向右平移。提供预偏磁的方式主要有两种，电流偏磁和永磁偏磁，由于电流偏磁需要提供电流并占用窗口绕线，所以一般考虑使用永磁体来提供偏磁激励源。如图1c所示，其中的虚线表示绕组(图中显示为圆形截面)产生磁通的方向，实线表示永磁体产生偏磁磁通的方向，两者相互抵消，从而加大磁芯承受大电流的能力，提高磁芯的饱和特性。但是，这样的预偏磁方式在高频场合产生的永磁涡流损耗严重，发热量很大，甚至导致永磁体退磁。
为了解决该问题，现有技术中提供一种带有预偏磁的磁性元件，如图2所示，带有预偏磁的电感300包括：中柱301，边柱302，缠绕在中柱301上的绕组303；气隙307和307′，分别位于边柱的两侧的中部；气隙307和307′为贯通的空隙；永磁体305、306，分别位于边柱的一侧的磁芯外部、气隙307的两侧；软磁连接体304，叠置于永磁体305和306之上，用于连接永磁体305和306；永磁体305′、306′，分别位于边柱另一侧的磁芯外部、气隙307′两侧；软磁连接体304′，叠置于永磁体305′和306′之上，用于连接永磁体305′和306′。
但是，上述带有预偏磁的磁性元件使电感占用的体积增大，而且需要额外的固定元件固定永磁体和磁芯，组装不方便。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有预偏磁的磁性元件及其制造方法，磁性元件体积小、组装方便。
根据本发明一个方面，提供一种带有预偏磁的磁性元件，包括：磁芯，所述磁芯上具有气隙；缠绕在磁芯上的绕组；和位于磁芯磁路中的永磁体；
其中，所述永磁体在磁路中产生的磁场方向与绕组电流在磁路中产生的磁场方向相反；
当绕组电流为零时，永磁体在磁路中产生的磁场强度不超过磁芯的饱和磁通密度；
所述磁芯上具有凹槽，选择凹槽的位置使得绕组产生的磁场在该位置中出现最小值；
所述永磁体位于凹槽内。
可选的，所述凹槽的位置与气隙的位置相邻；该磁性元件被设置成永磁体磁阻大于气隙磁阻。
可选的，所述磁芯包括：
I片，所述I片为长方体外形的磁芯；和
E片，所述E片为E字形的磁芯，其包括两个边柱、一个底部和一个中柱；
所述I片和E片构成大体封闭的磁芯结构。
可选的，所述凹槽位于I片中部；
所述永磁体的形状和体积与所述槽配合，所述永磁体的一端位于凹槽内，另一端与E片的中柱连接。
可选的，所述磁芯包括：
I片，所述I片为长方体外形的磁芯；和
U片，所述U片为U字形磁芯，包括左右对称的两个边柱和一个底部。
可选的，所述凹槽位于I片一端或两端；
所述永磁体的形状和体积与所述凹槽配合；
所述永磁体的一端位于凹槽内，另一端与U片的边柱连接。
根据本发明另一个方面，提供一种带有预偏磁的磁性元件的制造方法，所述磁性元件包括：磁芯，所述磁芯上具有气隙；缠绕在磁芯上的绕组；和位于磁芯磁路中的永磁体；
所述方法包括：
选择开槽的位置，使得绕组产生的磁场在该位置中出现最小值；并且该位置使所述绕组通电时产生的磁场尽可能少地通过；
在磁芯上开槽；和
在槽中填入永磁体；所述永磁体在磁路中产生的磁场方向与绕组电流在磁路中产生的磁场方向相反；当绕组电流为零时，永磁体在磁路中产生的磁场强度不超过磁芯的饱和磁通密度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)永磁体产生较小的涡流，从而可以避免永磁体由于过热而退磁；
(2)在磁芯上开槽设置永磁体的方法避免增加磁芯占用的空间，并且方便装配。
附图说明
图1a是现有技术中，永磁体预偏磁前后的等效B-H曲线；
图1b是现有技术中，预偏磁前后电感的直流特性；
图1c是现有技术中，加入永磁体后磁力线分布简化示意图；
图2是现有技术中，一种带有预偏磁的磁性元件的立体结构示意图；
图3a是现有技术中，一种磁性元件的立体结构示意图；
图3b是当图3a所示的电感的绕组通电时，电感产生的磁力线分布图以及永磁体摆放位置的可选示意图；
图4a是本发明一个实施例中带有预偏磁的磁性元件的组装过程示意图；
图4b是图4a中I型磁芯开槽后的结构示意图；
图4c是图4a所示的带有预偏磁的磁性元件的立体结构示意图；
图5a-5b是图4c所示的磁性元件的永磁体预偏磁电感直流等效电路模型和交流等效电路模型；
图6是图4c所示的磁性元件在有激励电流时的磁力线分布图；
图7是本发明又一个实施例中提供的多种带有预偏磁的磁性元件的剖面图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术中的一种电感如图3a所示，电感100包括中柱103和边柱104，边柱104构成带有内开口的闭合框型结构，中柱103连接框型结构的两条对边从而将内开口分隔成两部分。绕组102缠绕在电感100的中柱103上，在中柱103与边柱连接处开气隙101，二者分别与内开口的两部分连通。
电感100的绕组102通电后，其磁力线分布图如图3b所示，其中的区域201、202、203、204、205和206为磁力线基本不通过区域。
为了使得绕组通电时产生的磁通尽量少地经过永磁体。根据磁力线分布图，在上述区域201～206处设置永磁体，可以尽量减少永磁体产生的涡流损耗，从而可以避免永磁体由于过热而退磁。并且，永磁体在磁路中产生的磁场方向与绕组电流在磁路中产生的磁场方向相反；当绕组电流为零时，永磁体在磁路中产生的磁场强度不超过磁芯的饱和磁通密度。
基于上述分析，根据本发明的一个实施例，提供一种带有预偏磁的磁性元件。如图4a所示，该磁性元件包括：
I片401；所述I片为长方体外形的磁芯，在其中部位置开槽，该槽为贯通的长方体形状的凹槽402(如图4b所示)；
永磁体403；永磁体的形状和体积与所述槽配合，适于容纳于所述凹槽内；
E片404；所述E片为一个放倒的E字形的磁芯，其包括边柱和中柱，中柱406上缠绕绕组405。
组合后的电感如图4c所示，其在E片404的中柱406与I片401之间、并且分别在永磁体403的两侧具有气隙407和407′。
本实施例中，永磁体403填入凹槽402后，突出凹槽，并与中柱上方贴合，形成气隙407和407’。在本发明其它实施例中，永磁体403也可以完全或不完全填满凹槽的空间。
本实施例中，凹槽402的位置为图3b中所示的位置202；在本发明其他实施例中，凹槽402的位置也可以位于其他位置202～206，凹槽402也可以有多个。
图5a为上述磁性元件400的永磁体预偏磁电感直流等效电路模型，图5b为上述磁性元件400的永磁体预偏磁电感交流等效电路模型。在图5a和5b中，Rm表示永磁体磁路磁组，Rg表示气隙磁路磁阻，Rc表示绕组磁路磁阻。如果Rm》Rg》Rc(即Rm远大于Rg，Rg远大于Rc)，则可以进一步保证绝大部分交流磁通在软磁磁芯与气隙中流通，直流磁通在铁氧体与永磁体中流通，永磁体产生较小的涡流，从而可以避免永磁由于过热而退磁。
本实施例中提供的磁性元件400在激励电流为40A时的磁通分布如图6所示，其中，激磁电流产生的磁力线走向如虚线所示，永磁产生的磁力线走向如实线所示。
图6中的数值表示气隙和永磁片的尺寸大小，例如，(结合图4c)永磁体403在x方向的尺寸为1.8mm、在y方向的尺寸为4.5mm，气隙407和407′在y方向的尺寸为1.55mm，中柱在x方向的尺寸为12mm。经磁阻计算，此设计的电感磁阻Rc∶Rg∶Rm＝1∶34∶566；符合Rc《Rg《Rm(即Rc远小于Rg，Rg远小于Rm)的关系。本领域技术人员可以理解，这些尺寸数据只是示例，对于不同的电感这些参数都是不一样的。
图4c所示的磁性元件与将永磁体设置在外部的磁性元件相比，优点还包括：(1)组装方便；因为外置永磁体需要多片，所以永磁体彼此间的摆放方向很重要，如果在组装过程中出现错误，两个永磁片产生的磁场方向相互抵消，此时就不再具有偏磁的作用；(2)无需额外的软磁连接体；因为外置永磁例如在边柱两侧开气隙加永磁，需要软磁铁氧体为永磁提供磁路通道，并且要求该软磁连接体具有很高的Bs，不易饱和。
在本发明的又一个实施例中，提供多种与图4c所述实施例相似的磁性元件，如图7所示(其中，右侧部分实施例效果更好)。
具体的，磁性元件1和2包括：
I片，所述I片为长方体外形的磁芯，在其两端开槽用于放置永磁体，所述槽为贯通的凹槽，其截面为矩形；
U片，所述U片为正常放置的U字形磁芯，包括左右对称的两个边柱和一个底部；并且在U片的所述底部缠绕绕组；
两块永磁体501、502，其体积和形状与所述I片的凹槽配合，适于容纳于所述凹槽内；所述永磁体501、502的一端放置在凹槽内，另一端与U片相连。
磁性元件1和2的区别在于永磁体501、502的位置(即凹槽的位置)，在磁性元件2中，永磁体501、502更靠近U片的外边缘，使得绕组通电时产生的磁通更少地经过永磁体，从而可以避免永磁体由于过热而退磁。
另外，永磁体501、502在磁路中产生的磁场方向与绕组电流在磁路中产生的磁场方向相反；当绕组电流为零时，永磁体在磁路中产生的磁场强度不超过磁芯的饱和磁通密度。
相似地，磁性元件3和4包括：
I片和E片，在E片中柱上缠绕绕组；
I片的两端开槽，该槽为贯通的凹槽，其截面为矩形；
两块永磁体，永磁体的形状和体积与凹槽配合，永磁体的一端分别放置在所述两个凹槽中，另一端与E片的两个边柱连接。
磁性元件3和4的区别在于永磁体的位置(即凹槽的位置)，在磁性元件4中，永磁体更靠近E片的边柱的外边缘，使得绕组通电时产生的磁通更少地经过永磁体，从而可以避免永磁体由于过热而退磁。
另外，永磁体在磁路中产生的磁场方向与绕组电流在磁路中产生的磁场方向相反；当绕组电流为零时，永磁体在磁路中产生的磁场强度不超过磁芯的饱和磁通密度。
相似地，磁性元件5和6包括：
两个I片，所述I片为长方体外形的磁芯，在其两端开槽用于放置永磁体，所述槽为贯通的凹槽，其截面为矩形；
一个“工”片，所述“工”片为正常放置的“工”字形状的磁芯，其包括上下两个边柱和一个中柱，在“工”片中柱上缠绕绕组；
四块永磁体，永磁体的形状和体积与凹槽配合，永磁体的一端分别放置在所述四个凹槽中，另一端分别与“工”片的两个边柱的两端连接。
磁性元件5和6的区别在于永磁体的位置(即凹槽的位置)，在磁性元件6中，永磁体更靠近“工”片的边柱的外边缘，使得绕组通电时产生的磁通更少地经过永磁体，从而可以避免永磁体由于过热而退磁。
另外，永磁体在磁路中产生的磁场方向与绕组电流在磁路中产生的磁场方向相反；当绕组电流为零时，永磁体在磁路中产生的磁场强度不超过磁芯的饱和磁通密度。
相似地，磁性元件7包括：I片，在I片中部缠绕绕组；和U片，在U片两个边柱和底部分别缠绕绕组。
在I片的一端和U片的一个边柱的与I片相对的一端上分别开槽，用于放置永磁体，该槽为贯通的凹槽。
磁性元件7还包括一块永磁体，永磁体的两端分别位于上述两个凹槽中。永磁体靠近U片的边柱的外边缘，使得绕组通电时产生的磁通更少地经过永磁体，从而可以避免永磁体由于过热而退磁。
另外，永磁体在磁路中产生的磁场方向与绕组电流在磁路中产生的磁场方向相反；当绕组电流为零时，永磁体在磁路中产生的磁场强度不超过磁芯的饱和磁通密度。
本领域的技术人员可以理解，图7所示的实施例中的形状、尺寸、数量可以根据实际需求进行改变；而且，承载所述永磁体的凹槽可以是贯通的，也可以是不贯通的。
应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。
Claims (10)
1.一种带有预偏磁的磁性元件，包括：
磁芯，所述磁芯上具有气隙；
缠绕在磁芯上的绕组；和
位于磁芯磁路中的永磁体；
其特征在于：
所述永磁体在磁路中产生的磁场方向与绕组电流在磁路中产生的磁场方向相反；
当绕组电流为零时，永磁体在磁路中产生的磁场强度不超过磁芯的饱和磁通密度；
所述磁芯上具有凹槽，选择凹槽的位置使得绕组产生的磁场在该位置中出现最小值；
所述永磁体位于凹槽内。
2.根据权利要求1所述的带有预偏磁的磁性元件，其特征在于：
所述凹槽的位置与气隙的位置相邻；
该磁性元件被设置成永磁体磁阻大于气隙磁阻。
3.根据权利要求1所述的带有预偏磁的磁性元件，其特征在于：所述磁芯包括：
I片，所述I片为长方体外形的磁芯；和
E片，所述E片为E字形的磁芯，其包括两个边柱、一个底部和一个中柱；
所述I片和E片构成封闭的磁芯结构。
4.根据权利要求3所述的带有预偏磁的磁性元件，其特征在于：
所述凹槽位于I片中部；
所述永磁体的形状和体积与所述凹槽配合，所述永磁体的一端位于凹槽内，另一端与E片的中柱连接。
5.根据权利要求1所述的带有预偏磁的磁性元件，其特征在于：所述磁芯包括：
I片，所述I片为长方体外形的磁芯；和
U片，所述U片为U字形磁芯，包括左右对称的两个边柱和一个底部。
6.根据权利要求5所述的带有预偏磁的磁性元件，其特征在于：
所述凹槽位于I片一端或两端；
所述永磁体的形状和体积与所述凹槽配合；
所述永磁体的一端位于凹槽内，另一端与U片的边柱连接。
7.一种带有预偏磁的磁性元件的制造方法，所述磁性元件包括：磁芯，所述磁芯上具有气隙；缠绕在磁芯上的绕组；和位于磁芯磁路中的永磁体；
其特征在于，所述方法包括：
选择开槽的位置，使得绕组产生的磁场在该位置中出现最小值；
在磁芯上开槽；和
在槽中填入永磁体；所述永磁体在磁路中产生的磁场方向与绕组电流在磁路中产生的磁场方向相反；当绕组电流为零时，永磁体在磁路中产生的磁场强度不超过磁芯的饱和磁通密度。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：
所述槽的位置与气隙的位置相邻；
所述永磁体磁阻大于气隙磁阻。
9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：所述磁芯包括：
I片，所述I片为长方体外形的磁芯；和
E片，所述E片为E字形的磁芯，其包括两个边柱、一个底部和一个中柱；
所述I片和E片构成封闭的磁芯结构。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于：
所述槽位于I片中部；
所述永磁体的形状和体积与所述槽配合，所述永磁体的一端位于槽内，另一端与E片的中柱连接。
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