CN110770860B - 电抗器磁芯及其电抗器 - Google Patents

Abstract

一种电抗器磁芯及其电抗器，该电抗器磁芯包括中柱(1)、上轭铁(2)、下轭铁(3)及至少两个高导磁边柱(4)；所述中柱(1)设置在所述上轭铁(2)的中间区域、下轭铁(3)的中间区域之间，所述中柱(1)外用以绕制线圈(5)，且所述中柱(1)的饱和磁通密度大于所述上轭铁(2)、下轭铁(3)的饱和磁通密度；所述至少两个高导磁边柱(4)间隔设置在所述上轭铁(2)、下轭铁(3)之间，且每个高导磁边柱(4)的两端分别与所述上轭铁(2)的外沿、下轭铁(3)的外沿连接。该电抗器磁芯及其电抗器，提升了轭铁利用率，结构紧凑，同时制造简单。

Description

电抗器磁芯及其电抗器

技术领域

本发明涉及电抗器技术领域，尤其涉及的是一种电抗器磁芯及其电抗器。

背景技术

随着新能源技术和电动汽车的发展，各种电抗器需求如光伏逆变器电路的升压电抗器，逆变器输出电抗器以及电动汽车主动力电池升压电抗器等变得旺盛。由于功率半导体器件的开关频率不断提高，传统的硅钢片电抗器因为损耗较大已经变得不太适用，取而代之的是以铁硅和铁硅铝材质为代表的金属粉芯电抗器。这种电抗器目前有两种方式，一种是采用环形电抗器方案，此方案存在着绕线困难，不利于规模化生产的问题；另外一种是采用块状金属粉芯堆叠为口型，将线圈绕组绕制在上下轭铁夹持的中柱上，此种方案存在着上下轭铁的空间利用率不足、尺寸较大的问题。

中国专利局公开的公告号为102918610B的专利文件中，为解决此问题，采用含磁性金属树脂封装，使之结构紧凑，但是由于磁性树脂的导磁率一般较低，因而对轭铁利用率的提升有限。中国专利局公开的公告号为102074333B的专利文件中，采用混合材料设计，结构非常紧凑，且效率也很高，但是存在着制造问题，尤其是对较大尺寸比较困难。中国专利局公开的公告号为103714946B的专利文件，揭露了一种混合磁路磁集成电感器，可保持高的耦合效果，又能够最大限度提升线圈自耦的电感量，但是存在铁氧体平板磁芯很难薄型化且有提前饱和风险的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电抗器磁芯及其电抗器，提升轭铁利用率，结构紧凑，同时制造简单。

为解决上述问题，本发明提出一种电抗器磁芯，包括中柱、上轭铁、下轭铁及至少两个高导磁边柱；所述中柱设置在所述上轭铁的中间区域、下轭铁的中间区域之间，所述中柱外用以绕制线圈，且所述中柱的饱和磁通密度大于所述上轭铁、下轭铁的饱和磁通密度；所述至少两个高导磁边柱间隔设置在所述上轭铁、下轭铁之间，且每个高导磁边柱的两端分别与所述上轭铁的外沿、下轭铁的外沿连接。

根据本发明的一个实施例，所述中柱的两端分别插入至所述上轭铁、下轭铁中，所述中柱的两端各自的插入深度比例d/D为大于等于(B1-B2)/B1，其中，d为中柱端部的插入深度，D为上轭铁、下轭铁的厚度，B1为中柱的饱和磁通密度，B2为上轭铁、下轭铁的饱和磁通密度。

根据本发明的一个实施例，所述中柱的两端分别穿透所述上轭铁、下轭铁。

根据本发明的一个实施例，所述高导磁边柱的导磁率不小于200。

根据本发明的一个实施例，高导磁边柱的材料为铁氧体或非晶材料。

根据本发明的一个实施例，各高导磁边柱在全部中柱的周围呈对称分布。

根据本发明的一个实施例，所述中柱的材质为金属粉芯，所述上轭铁、下轭铁的材质为铁氧体。

根据本发明的一个实施例，所述金属粉芯为铁硅铝或铁硅材料。

根据本发明的一个实施例，所述中柱为一个或两个以上，各中柱间隔设置在所述上轭铁的中间区域、下轭铁的中间区域之间。

根据本发明的一个实施例，所述中柱上设置有气隙。

本发明还提供一种电抗器，包括线圈及如前述实施例中任意一项所述的电抗器磁芯，所述线圈绕制在中柱外。

根据本发明的一个实施例，所述线圈的上下两端设置有绝缘端圈，以隔离线圈与所述中柱及线圈与所述上轭铁、下轭铁。

根据本发明的一个实施例，还包括一外壳，设置在所述电抗器磁芯的外侧。

根据本发明的一个实施例，所述外壳内灌有胶体，以使电抗器各部分连成一体。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：

采用中柱的饱和磁通密度大于上轭铁、下轭铁的饱和磁通密度的材料设计，能有效利用磁芯或者说电抗器轭部空间；采用至少两个高导磁边柱形成分散磁通的两个以上磁通回路，可以减小轭铁部分厚度，使结构紧凑，而且容易制造；

将中柱部分插入上轭铁、下轭铁，可以避免轭铁部分铁氧体材质提前饱和。

附图说明

图1为本发明一实施例的带一中柱和两高导磁边柱的电抗器结构示意图；

图2为本发明一实施例的中柱插入上轭铁、下轭铁的深度示意图；

图3为本发明一实施例的中柱插入上轭铁、下轭铁的深度对饱和特性的影响示意图；

图4为本发明一实施例的带一中柱和四高导磁边柱的电抗器爆炸结构示意图；

图5为本发明一实施例的单相电抗器的饱和曲线图；

图6为本发明一实施例的单相电抗器与环形FeSiAl电抗器的铁芯损耗对比图；

图7为本发明一实施例的带两中柱和两高导磁边柱的电抗器结构示意图；

图8为本发明一实施例的电抗器在逆变电路中的应用电路结构示意图；

图9为本发明一实施例的电抗器在PFC线路上的应用电路结构示意图；

图10为本发明一实施例的带三中柱和三高导磁边柱的电抗器结构示意图。

图中标记说明：

1-中柱，11-气隙，2-上轭铁，3-下轭铁，4-高导磁边柱，5-线圈，6-绝缘端圈，71-外壳主体，72-外壳盖板，8-一体结构。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

在一个实施例中，参看图1，电抗器磁芯包括中柱1、上轭铁2、下轭铁3及至少两个高导磁边柱4。当然，若在中柱1外绕制线圈5，即可成为一电抗器。上轭铁2、下轭铁3两者是对等的，结构尺寸均相同，可相互调换，形状不限。高导磁边柱4可以理解，是由高导磁材料制成，根据不同的设计需要，高导磁边柱4可以为两个、三个、四个等，形状不限，可以是三角柱、多边形柱、圆柱等。

中柱1设置在上轭铁2的中间区域、下轭铁3的中间区域之间。如果是一个中柱1，该中柱1设置在上轭铁2的中间位置、下轭铁3的中间位置之间；如果是两个以上中柱1，则全部中柱1之间的区域对应于上轭铁2的中间区域、下轭铁3的中间区域。中柱1外用以绕制线圈5，且中柱1的饱和磁通密度大于上轭铁2、下轭铁3的饱和磁通密度。

全部高导磁边柱4间隔设置在上轭铁2、下轭铁3之间，且每个高导磁边柱4的两端分别与上轭铁2的外沿、下轭铁3的外沿连接。高导磁边柱4的一端与上轭铁2的外沿连接，另一端与下轭铁3的外沿连接，由于要形成磁通回路，因而优选是对齐式接合连接，可以是高导磁边柱4的端面与上轭铁2的上表面平齐、或者可以是高导磁边柱4的立面与上轭铁3的侧面平齐，与下轭铁3之间也是同理。各个高导磁边柱4之间是相对独立设置在上轭铁2、下轭铁3之间的。

采用中柱1的饱和磁通密度大于上轭铁2、下轭铁3的饱和磁通密度的材料设计，能有效利用磁芯或者说电抗器轭部空间；采用至少两个高导磁边柱4形成分散磁通的两个以上磁通回路，可以减小轭铁部分厚度，使结构紧凑，而且容易制造。

比较好的是，各高导磁边柱4在全部中柱1的周围呈对称分布，换言之，各高导磁边柱4相对中柱1本身(在中柱1为一个的情况下)或全部中柱1围成的区域对称分布，可更有效地分散轭铁磁通，从而减小轭铁厚度。

优选的，为有效利用轭部空间，本发明实施例的上轭铁2、下轭铁3的材质采用为铁氧体，铁氧体材质的导磁率一般比较高，有助于磁通在轭铁部分扩散，提高轭铁利用率。同时，中柱1的材质可以为金属粉芯，众所周知，金属粉芯的饱和磁通密度比铁氧体的饱和磁通密度更大，线圈5绕制在金属粉芯中柱1上有助于降低线圈5的绕线半径，降低直流电阻和成本。

金属粉芯可以为铁硅铝或铁硅材料，当然不限于此，也可以是其他金属粉芯材料。

如果采用传统口字磁芯结构的两柱式电抗器，磁通从金属粉芯中柱经过铁氧体轭铁流向另外一金属粉芯中柱，那么为避免铁氧体的提前饱和，上下铁氧体轭铁的厚度将会很厚，使得电抗器的尺寸变得非常庞大和不经济；而且磁通从其中一金属粉芯中柱经过铁氧体轭铁直接流向另外一金属粉芯中柱，并不利于充分利用轭部空间，会造成空间浪费。

而本发明实施例采用了至少两高导磁边柱4分别从上、下两铁氧体轭铁外沿将其衔接构成磁通回路，可以避免金属粉芯中柱磁通在铁氧体轭铁上只向某一固定方向扩散而造成的轭铁太厚的问题。

同等情况下，铁氧体材质的铁芯损耗比金属粉芯材质的铁芯损耗要小很多，所以通过混合材料设计磁芯，比目前工业应用的环形金属粉芯方案或者口字形金属粉芯块堆叠方案，铁芯损耗要低很多。

当然，本发明实施例的上轭铁2、下轭铁3及中柱1材料也并不限于铁氧体、金属粉芯，其他满足中柱1的饱和磁通密度大于的上轭铁2、下轭铁3的饱和磁通密度的对应材料也同样适用，可以有助于降低线圈5的绕线半径，降低直流电阻和成本，以及通过设置高导磁边柱4实现分流磁通回路，避免中柱1磁通在一轭铁上只向某一固定方向扩散，造成轭铁太厚的问题。

优选的，高导磁边柱4的导磁率不小于200，能比较有效地引导轭铁磁通，屏蔽磁通外泄，且对于多中柱1的方案来说，可以减小耦合、便于多绕组独立工作。

优选的，高导磁边柱4的材料可以为铁氧体或非晶材料，当然不限于此，也可以是其他高导磁材料。

在一个实施例中，参看图1和图2，中柱1的两端分别插入至上轭铁2、下轭铁3中，为避免中柱1与上轭铁2的ac接触面提前饱和，从ab环面经过的磁通量应小于等于总磁通的B2/B1倍，即(D-d)/D≤B2/B1，所以中柱1的两端各自的插入深度比例d/D为大于等于(B1-B2)/B1，其中，d为中柱1端部的插入深度，D为上轭铁2、下轭铁3的厚度，B1为中柱1的饱和磁通密度，B2为上轭铁2、下轭铁3的饱和磁通密度。

下面以上轭铁2、下轭铁3为铁氧体材质及中柱1为金属粉芯材质为例，结合图2和图3，来描述中柱1插入轭铁及设置相应插入深度比例的目的，当然对于其他材质的情况也是同理。

如前所述，铁氧体材质的饱和磁通密度比金属粉芯的饱和磁通密度要低，那么如图2所示，在金属粉芯材质的中柱1和铁氧体材质的上轭铁2的接触位置ac面很容易出现铁氧体材质的局部饱和，对于下轭铁3来说也是同理。一般来讲，金属粉芯的饱和磁通密度约为铁氧体的饱和磁通密度的5/4以上，为避免ac面提前饱和，从ab环面经过的磁通量应小于等于总磁通的4/5，那么(D-d)/D≤4/5，则有d/D≥1/5，即金属粉芯中柱插入铁氧体轭铁的深度至少为铁氧体轭铁厚度的1/5以上。

同时，可以从图2中看出，金属粉芯中柱两端插入上、下两铁氧体轭铁内，其插入位置应位于铁氧体轭铁的中间区域，这样金属粉芯中柱内的磁通才会四散进入铁氧体轭铁，而不是只往某一方向流动，有助于降低铁氧体轭铁的总体厚度。

如图3所示，当金属粉芯中柱完全不插入铁氧体轭铁或者插入铁氧体轭铁深度小于轭铁厚度的1/5(d/D＝0，16.7％)时，电抗器的饱和电流曲线在后段有突然下降，电流ldc在8A之后饱和度L/L₀突然下降，对应用上会有重载时纹波过大，或者严重时影响线路输出稳定的情况；而插入深度在铁氧体轭铁厚度的1/5及以上(d/D＝25.0％，33.3％，50.0％，100％)时，可以看到饱和电流曲线非常平滑，抗饱和能力大大加强。

优选的是，可在上轭铁2、下轭铁3开设通孔，中柱1的两端部撑满通孔，既可保证上轭铁2、下轭铁3不会出现提前饱和，也较易实施。换言之，中柱1的两端分别穿透上轭铁2、下轭铁3。

中柱1可以为一个或两个以上，各中柱1间隔设置在上轭铁2的中间区域、下轭铁3的中间区域之间。各中柱1围成的区域为上轭铁2、下轭铁3对应的中间区域。

优选的，中柱1上设置有气隙11，可以增强电抗器的抗饱和能力。

在一个实施例中，参看图1，将前述实施例中的电抗器磁芯用在电抗器中，电抗器包括线圈5及如前述实施例中任意一项所述的电抗器磁芯，所述线圈5绕制在中柱1外。

具体的，图1中，中柱1上缠绕线圈5，且被上轭铁2、下轭铁3夹持，中柱1两端插入上轭铁2、下轭铁3的深度d例如为轭铁厚度D的1/2，以防止上轭铁2、下轭铁3提前饱和；且中柱1插入上轭铁2、下轭铁3的位置位于其中间区域；两独立高导磁边柱4从上轭铁2、下轭铁3外沿将其衔接构成磁通回路，分散轭铁磁通流向，使轭铁薄型化。

在另一实施例中，如图4所示，为一电抗器的产品结构爆炸图。中柱1上缠绕线圈5，且被上轭铁2、下轭铁3夹持，在中柱1周围对称设置了四个独立高导磁边柱4，以分散上轭铁2、下轭铁3的磁通流向；中柱1完全插入上轭铁2、下轭铁3且插入位置位于上轭铁2、下轭铁3的中间区域；四独立高导磁边柱4从上轭铁2、下轭铁3外沿将其衔接构成磁通回路，分散轭铁磁通流向，使轭铁薄型化。其他相同之处也可以参看前述实施例的描述内容。

优选的，中柱1材质为铁硅铝金属粉芯，为增强电抗器的抗饱和能力，在中柱1上还设置有两气隙11，当然气隙11数量不限；上轭铁2、下轭铁3和四独立高导磁边柱4材质可以为MnZn铁氧体，其导磁率为2300。

优选的，线圈5的上下两端设置有绝缘端圈6，以隔离线圈5与中柱1及线圈5与上轭铁2、下轭铁3。继续参看图4，使用上下两个绝缘端圈6隔离线圈5和中柱1以及上轭铁2、下轭铁3。

优选的，电抗器还可以包括一外壳，设置在电抗器磁芯的外侧。在图4中，外壳包括外壳盖板72与外壳主体71，相互连接可以形成一封闭空间，固定了上轭铁2、下轭铁3和四个独立高导磁边柱4。当然，其他实施例中的电抗器同样也可以设置一外壳。

进一步的，外壳内灌有胶体，以使电抗器各部分连成一体。可以在外壳的其中一侧壁开设出线槽，然后通过该出线槽向外壳内灌胶，使电抗器一体化以增强其导热能力并达到抑制工作噪音的效果。

图5是本实施例的电抗器饱和曲线，通过电抗器直流偏置情况来表示，可以看到本实施例的饱和曲线非常平滑，说明轭铁并没有提前饱和。图6是本实施例的电抗器与同一规格近似尺寸的环形铁硅铝电抗器的铁芯损耗对比情况，本实施例的电抗器在铁芯损耗方面有着明显的优势。

实际应用时，可能会用到多个线圈。比如两柱式单相电抗器以增加电抗器的抗饱和能力；比如两相或者三相的电抗器，需要集成在一起以减小成本。基于本发明实施例内容，还能扩展为多个线圈的集成方案，减小体积的同时可满足不同场合的单相和多相电抗器需求。

在又一个实施例中，参看图7，为两柱式单相电抗器。两中柱1上的两线圈5相互串联构成一个绕组，绕组输入端接收电流Iin，中柱1插入至上轭铁2、下轭铁3深度的1/2，且插入位置位于上轭铁2、下轭铁3的中间区域；中柱1上还共设置有六个气隙11。两独立高导磁边柱4从外沿连接上轭铁2、下轭铁3，两独立高导磁边柱4的材质为非晶。该电抗器与只有一柱的电抗器相比，储能量增大一倍，可以更好的适应大电流设计的需求。

在又一个实施例中，参看图8，为带一中柱1和两线圈5结构的电抗器在逆变电路中的应用，上轭铁、下轭铁和两高导磁边柱可以为一体结构，高导磁边柱材质为铁氧体，在实施例中，用两个U型的一体结构8对接成为整体的上轭铁、下轭铁和两高导磁边柱，完成磁路闭合，中柱1仍采用金属粉芯材质，金属粉芯材质为铁硅，并将中柱1完全插入一体结构8对应的上轭铁、下轭铁中，且插入位置位于上轭铁、下轭铁的中间区域；中柱1上放置两个分立线圈5，构成两个绕组，用作逆变器输出端电抗器，输入电压为Vbus，输出电压为Vo；此结构有助于减小电抗器体积，并且由于L线、N线上的电抗器相互对称，有利于抑制共模噪音。

在又一个实施例中，参看图9，为本发明实施例电抗器在太阳能逆变器交错式PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)线路上的应用。图9中，两线圈5分别套在两中柱1上，中柱1的材质为铁硅铝，中柱1插入至上轭铁2、下轭铁3的深度超过1/4，且插入位置位于上轭铁2、下轭铁3的中间区域；左右两高导磁边柱4连接上轭铁2、下轭铁3；两线圈5构成两个绕组绕制在两中柱1上，用作单独的两相PFC电抗器。高导磁边柱4材质为非晶叠片，其导磁率大于5000；由于上轭铁2、下轭铁3及两高导磁边柱4的导磁率比较高，该两相PFC电抗器相互之间的耦合系数很小，相互之间可以单独运行。

在又一个实施例中，参看图10，为本发明实施例的三相电抗器，可用在较大功率的逆变器LC输出滤波网络或者LCL输出滤波网络。本实施例中，有三个中柱1，且每一中柱1上均有一对应的立绕线圈5绕组；所有中柱1及线圈4均被上轭铁2、下轭铁3夹持，而且三中柱1均完全插入上轭铁2、下轭铁3中，其插入位置位于上轭铁2、下轭铁3的中间区域。在上轭铁2、下轭铁3的外沿有三个独立高导磁边柱4，连接上轭铁2、下轭铁3与其衔接构成磁通回路，中柱1的材质为铁硅铝金属粉芯，上轭铁2、下轭铁3和三各个独立高导磁边柱4材质为MnZn铁氧体。本实施例的三相电抗器结构紧凑，可同时实现较大功率输出和较小的铁芯损耗；并且由于三相电抗器相互集成，可有效降低成本。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种电抗器磁芯，其特征在于，包括中柱、上轭铁、下轭铁及至少两个高导磁边柱；所述中柱设置在所述上轭铁的中间区域、下轭铁的中间区域之间，并且所述中柱的两端分别插入至所述上轭铁、下轭铁中，所述中柱外用以绕制线圈，且所述中柱的饱和磁通密度大于所述上轭铁、下轭铁的饱和磁通密度；所述至少两个高导磁边柱间隔设置在所述上轭铁、下轭铁之间，且每个高导磁边柱的两端分别与所述上轭铁的外沿、下轭铁的外沿连接；

所述中柱的两端各自的插入深度比例d/D为大于等于(B1-B2)/B1，其中，d为中柱端部的插入深度，D为上轭铁、下轭铁的厚度，B1为中柱的饱和磁通密度，B2为上轭铁、下轭铁的饱和磁通密度；

所述高导磁边柱的导磁率不小于200。

2.如权利要求1所述的电抗器磁芯，其特征在于，所述中柱的两端分别穿透所述上轭铁、下轭铁。

3.如权利要求1所述的电抗器磁芯，其特征在于，高导磁边柱的材料为铁氧体或非晶材料。

4.如权利要求1所述的电抗器磁芯，其特征在于，各高导磁边柱在全部中柱的周围呈对称分布。

5.如权利要求1所述的电抗器磁芯，其特征在于，所述中柱的材质为金属粉芯，所述上轭铁、下轭铁的材质为铁氧体。

6.如权利要求5所述的电抗器磁芯，其特征在于，所述金属粉芯为铁硅铝或铁硅材料。

7.如权利要求1所述的电抗器磁芯，其特征在于，所述中柱为一个或两个以上，各中柱间隔设置在所述上轭铁的中间区域、下轭铁的中间区域之间。

8.如权利要求1所述的电抗器磁芯，其特征在于，所述中柱上设置有气隙。

9.一种电抗器，其特征在于，包括线圈及如权利要求1-8中任意一项所述的电抗器磁芯，所述线圈绕制在中柱外。

10.如权利要求9所述的电抗器，其特征在于，所述线圈的上下两端设置有绝缘端圈，以隔离线圈与所述中柱及线圈与所述上轭铁、下轭铁。

11.如权利要求9所述的电抗器，其特征在于，还包括一外壳，设置在所述电抗器磁芯的外侧。

12.如权利要求11所述的电抗器，其特征在于，所述外壳内灌有胶体，以使电抗器各部分连成一体。

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