CN113012908A - 集成磁元件以及基于电力设备的集成磁元件系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种集成磁元件以及基于电力设备的集成磁元件系统，涉及磁元件技术领域，包括：原边绕组线圈、副边绕组线圈以及至少两个磁芯；原边绕组线圈和副边绕组线圈分别套绕在不同的磁芯上；第一绕组耦合度大于第二绕组耦合度，其中，第一绕组耦合度为位于磁芯的窗口外侧的原边绕组线圈以及副边绕组线圈的耦合度，第二绕组耦合度为位于磁芯的窗口内侧的原边绕组线圈以及副边绕组线圈的耦合度，缓解了泄露磁场过大的技术问题。

Description

集成磁元件以及基于电力设备的集成磁元件系统

技术领域

本申请涉及磁元件技术领域，尤其是涉及一种集成磁元件以及基于电力设备的集成磁元件系统。

背景技术

随着电磁领域的发展和能源消耗的增加，为了实现低碳排放、高效节能等目的，对电力电子变换器的效率和功率密度等要求不断提高。通常电力电子变换器中磁元件的体积占比超过30％，其损耗占比可达50％，其中电感和变压器是构成磁元件的主体部分，因而成为制约电力电子变换器效率和功率密度的主要因素之一。又利用磁元件可进行磁集成的性质，可进一步减小磁元件的体积，实现机械化规模生产等目的。

目前，通过电感和变压器两个磁元件进行高度磁集成，会导致原副边绕组线圈对外泄漏磁场严重，会在电力设备机壳上引起严重的涡流损耗，同时，对外泄漏的磁场还会引起电路噪声，干扰周围器件正常运行，降低了电路工作的可靠性。因此，现有集成磁元件对外泄露磁场的问题较为严重。

发明内容

本申请的目的在于提供一种集成磁元件以及基于电力设备的集成磁元件系统，以缓解泄露磁场过大的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种集成磁元件，包括：原边绕组线圈、副边绕组线圈以及至少两个磁芯；所述原边绕组线圈和所述副边绕组线圈分别套绕在不同的所述磁芯上；

第一绕组耦合度大于第二绕组耦合度，其中，所述第一绕组耦合度为位于所述磁芯的窗口外侧的所述原边绕组线圈以及所述副边绕组线圈的耦合度，所述第二绕组耦合度为位于所述磁芯的窗口内侧的所述原边绕组线圈以及所述副边绕组线圈的耦合度。

在一个可能的实现中，位于所述磁芯的窗口外侧的所述原边绕组线圈以及所述副边绕组线圈的绕组紧密程度大于预设紧密程度。

在一个可能的实现中，位于所述磁芯的窗口内侧的所述原边绕组线圈以及所述副边绕组线圈之间分开绕制。

在一个可能的实现中，第一磁芯结构与第二磁芯结构不同，其中，所述第一磁芯结构为绕在最外侧磁柱上的内层绕组线圈所套绕的磁芯结构，所述第二磁芯结构为套在所述内层绕组线圈外侧的外层绕组线圈所套绕的磁芯结构。

在一个可能的实现中，目标磁柱上的所述内层绕组线圈为所述原边绕组线圈，且所述目标磁柱上的所述外层绕组线圈为所述副边绕组线圈。

在一个可能的实现中，目标磁柱上的所述内层绕组线圈为所述副边绕组线圈，且所述目标磁柱上的所述外层绕组线圈为所述原边绕组线圈。

在一个可能的实现中，所述磁柱的数量为多个；

不同所述磁柱上的所述内层绕组线圈及所述外层绕组线圈，与所述原边绕组线圈及所述副边绕组线圈之间的对应关系相同。

在一个可能的实现中，所述原边绕组线圈和所述副边绕组线圈绕制于所述磁芯上，或绕制于所述磁芯的骨架上。

第二方面，本申请实施例还提供一种基于电力设备的集成磁元件系统，包括：所述电力设备以及如上述第一方面所述的集成磁元件；

所述电力设备包括电感和变压器，所述原边绕组线圈以及所述副边绕组线圈为所述变压器和所述电感的绕组；

或，所述电力设备包括差模滤波器和共模滤波器，所述原边绕组线圈的绕组端子以及所述副边绕组线圈的绕组端子对应接入所述差模滤波器和所述共模滤波器的电路。

本申请实施例提供的技术方案带来了以下有益效果：

本申请实施例提供的一种集成磁元件以及基于电力设备的集成磁元件系统，包括：原边绕组线圈、副边绕组线圈以及至少两个磁芯，原边绕组线圈和副边绕组线圈分别套绕在不同的磁芯上，而且，第一绕组耦合度大于第二绕组耦合度，其中，第一绕组耦合度为位于磁芯的窗口外侧的原边绕组线圈以及副边绕组线圈的耦合度，第二绕组耦合度为位于磁芯的窗口内侧的原边绕组线圈以及副边绕组线圈的耦合度。由于设置在磁芯窗口外侧和内侧处的原副边绕组的耦合程度不一致，可以减小窗口外侧漏磁场，同时可以在窗口内侧构造出更大的漏感，提高磁元件效率。因此，通过调整磁芯窗口内外侧的原副边绕组的耦合程度差异化，能够有效减少磁芯外侧泄露磁场、减小磁元件体积，缓解了泄露磁场过大的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，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。

图1为本申请实施例提供的一种集成磁元件的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种集成磁元件的内、外侧绕组线圈一致的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的一种集成磁元件的原、副边绕组分开的剖面结构示意图；

图4是本申请实施例提供的一种集成磁元件的原、副边绕组部分交错的剖面结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种集成磁元件的内、外侧绕组线圈不一致的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例中所提到的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括其他没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在电力电子变换器中，通常磁元件的体积占比超过30％，损耗占比可达50％，是影响变换器效率和功率密度的重要因素之一。其中，电感和变压器是磁元件的主体部分，两者通过磁集成能够大幅减小磁元件的体积，提高整体磁元件的效率。又由于漏感可以作为储能电感，当漏感足够大时可以完全取代外置电感，实现高度磁集成。

目前，一种方案是把原副边绕组分开，通过增大绕组间距来增大漏感；另一种方案是将原副边绕组保持一定程度的交错，通过额外添加磁柱来增大漏感，但是两种方案都会严重导致泄露磁场过大的技术问题。

基于此，本申请实施例提供的一种集成磁元件以及基于电力设备的集成磁元件系统，缓解了泄露磁场过大的技术问题。

为便于对本实施例进行理解，首先对本申请实施例所公开的一种集成磁元件装置进行详细介绍。

图1为本申请实施例提供的一种集成磁元件的结构示意图。如图1所示，该装置包括：原边绕组线圈、副边绕组线圈以及至少两个磁芯(如磁芯1和磁芯2)，原边绕组线圈和副边绕组线圈分别套绕在不同的磁芯上，第一绕组耦合度大于第二绕组耦合度。

其中，第一绕组耦合度为位于磁芯的窗口外侧的原边绕组线圈以及副边绕组线圈的耦合度，第二绕组耦合度为位于磁芯的窗口内侧的原边绕组线圈以及副边绕组线圈的耦合度。

需要说明的是，将磁芯窗口外侧和窗口内侧的原、副边绕组耦合程度进行差异化设计，使得窗口外侧绕组的第一绕组耦合度高于窗口内侧绕组的第二绕组耦合度。进而由于磁芯窗口外侧的第一绕组耦合度高，使得原、副边绕组产生的磁场能够相互抵消，减小了磁元件对外泄漏磁场；磁芯窗口内侧的第二绕组耦合度低，能够构造更大的漏感，减小了磁元件的体积。

因此，通过构造磁芯窗口内、外侧的原、副边绕组耦合程度不一致的集成磁结构，以使窗口外侧绕组的第一绕组耦合度高于窗口内侧绕组的第二绕组耦合度，能够减少磁元件对外泄露磁场，减小了涡流损耗，提升了整体效率和功率密度。

下面对本申请实施例进行进一步地介绍。

在一些实施例中，可以通过调整原副边绕组线圈的绕组紧密程度，来实现磁元件窗口内外侧不同的耦合度程度。作为一种示例，位于磁芯的窗口外侧的原边绕组线圈以及副边绕组线圈的绕组紧密程度大于预设紧密程度。

需要说明的是，可根据实际需求来设置绕组线圈的预设紧密程度，进而实现磁元件窗口内外侧的耦合程度差异化的构造。

例如，如图1所示，磁芯窗口外侧的原副边绕组线圈的绕组紧密程度大于预设紧密程度，原副边绕组充分的交错绕制在磁芯上，实现了窗口外侧绕组线圈的高耦合度。

因此，通过改变原副边绕组线圈的绕组紧密程度，能够实现磁元件窗口内外侧绕组耦合程度不一致的构造，而且窗口外侧绕组的高耦合度能够减小磁元件对外泄漏磁场，提高了电路工作的可靠性。

在一些实施例中，还可以通过调整原副边绕组线圈的绕组紧密程度，来实现磁元件窗口内外侧不同的耦合度程度。作为一种示例，位于磁芯的窗口内侧的原边绕组线圈以及副边绕组线圈之间分开绕制。

例如，如图1所示，磁芯窗口内侧的原副边绕组线圈不充分的绕制在磁芯上，实现了窗口内侧处绕组的低耦合度。而且由于窗口内侧处原副边绕组的耦合程度低，以此能构造出较大的漏感，增大了磁芯窗口内侧的漏磁通。因此，通过改变磁芯窗口内侧处的原副边绕组的绕制形式，实现了窗口内侧处绕组的低耦合度，增大了磁芯窗口内侧的漏磁通，减小了磁元件体积。

在一些实施例中，绕组线圈可以分为内层和外层绕组线圈结构。作为一个示例，第一磁芯结构与第二磁芯结构不同，其中，第一磁芯结构为绕在最外侧磁柱上的内层绕组线圈所套绕的磁芯结构，第二磁芯结构为套在内层绕组线圈外侧的外层绕组线圈所套绕的磁芯结构。

需要说明的是，绕组线圈分为内层绕组线圈和外层绕组线圈(如内层线圈1和外层线圈1)两类。内层绕组线圈绕在最外侧磁柱上，外层绕组线圈套在内层绕组线圈外侧，同时线圈绕组套绕的磁芯结构不同，即第一磁芯结构与第二磁芯结构不同。

例如，如图2所示，绕组线圈分为内层绕组线圈(如内层线圈1和内层线圈2)和外层绕组线圈(如外层线圈1和外层线圈2)两种，内层绕组线圈的单匝周长较短，外层绕组线圈的单匝周长较长且外层绕组线圈套绕在线周长绕组线圈的外侧，且对应线圈绕组套绕的第一磁芯结构(如磁芯1)与第二磁芯结构(如磁芯2和磁芯3)不同。作为对比，如图3为一种传统集成磁元件的原、副边绕组(如绕组线圈1、绕组线圈2)分开的剖面结构(形成的漏磁场)示意图，如图4为一种传统集成磁元件的原、副边绕组(如绕组线圈1、绕组线圈2)部分交错的剖面结构(形成的漏磁场)示意图。

通过构造内、外层绕组线圈套绕的磁芯结构，方便磁元件的原、副边绕组线圈进行独立绕制，实现了机械化生产一体成型，节约了磁元件的生产成本。

基于此，上述单个磁柱上的内层绕组线圈和外层绕组线圈为不同类型的绕组线圈。示例性的，目标磁柱上的内层绕组线圈为原边绕组线圈，且目标磁柱上的外层绕组线圈为副边绕组线圈。

通过利用磁柱内外层不同类型的绕组线圈结构，使得同一磁柱上原、副边绕组的电流交错，减弱了磁元件对周围器件的干扰，具有良好的EMI特性。同时在磁芯上实现了简单套绕组装，简化了整体结构，能够实现机械化大规模生产。

在一些实施例中，磁柱上内层、外层线圈绕组与原、副边绕组的对应关系可互换。作为一种示例，目标磁柱上的内层绕组线圈为副边绕组线圈，且目标磁柱上的外层绕组线圈为原边绕组线圈。

因此，可根据应用工况互换磁柱上内、外层线圈绕组与原、副边绕组的对应关系，提升了磁元件的灵活实用性和多样性。

在一些实施例中，可根据需要设置磁柱的数量以及调整不同磁柱上的内、外层线圈绕组与原、副边绕组的对应关系。作为一种示例，磁柱的数量为多个；不同磁柱上的内层绕组线圈及外层绕组线圈，与原边绕组线圈及副边绕组线圈之间的对应关系相同。

例如，如图2所示，为左、右两侧磁柱上内、外层绕组所对应的原、副边绕组相一致的绕制结构，且由于内层绕组线圈的长度短，其更适合作为导通电流比较大的变压器一侧，提升了磁元件的集成度，减小了整体物料成本。

作为另一种示例，不同磁柱上的内层绕组线圈及外层绕组线圈，与原边绕组线圈及副边绕组线圈之间的对应关系不相同。

例如，如图5所示，为左、右两侧磁柱上内、外层线圈绕组所对应的原、副边绕组不一致的绕制结构(如内层线圈1、内层线圈2、外层线圈1、外层线圈2)，且原、副边绕组的线圈总周长相近，更适用于变压器原、副边电流大小接近的场合。

在一些实施例中，原副边绕组线圈可绕制在磁元件不同的位置上。作为一种示例，原边绕组线圈和副边绕组线圈绕制于磁芯上，或绕制于磁芯的骨架上。

因此，可根据实际需求在磁芯的不同位置上套绕组装原、副边绕组的线圈，简化了磁元件结构，有效地减小了磁元件的整体体积，能够实现机械化大规模生产。

通过对磁芯窗口外侧和窗口内侧原、副边绕组的耦合程度进行差异化设计，使得构造为窗口外侧的原副边绕组良好耦合，窗口内侧的原副边绕组弱耦合的结构，同时原、副边绕组线圈也可单独一体化绕制，能够分别套绕在不同的磁芯上。而且，由于磁芯窗口外侧绕组具有较高的耦合度且同一磁柱上原、副边绕组的电流可以交错抵消，即具有屏蔽层的属性，因此，能够减弱磁元件对周围器件的干扰，减小了磁元件体积，同时提高了整体效率和功率密度。

本申请实施例提供的一种基于电力设备的集成磁元件系统，包括：电力设备以及上述实施例提供的集成磁元件。其中，电力设备包括电感和变压器，原边绕组线圈以及副边绕组线圈为变压器和电感的绕组；或，电力设备包括差模滤波器和共模滤波器，原边绕组线圈的绕组端子以及副边绕组线圈的绕组端子对应接入差模滤波器和共模滤波器的电路。

本申请实施例提供的基于电力设备的集成磁元件系统，与上述实施例提供的集成磁元件具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

另外，在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本申请实施例中的控制器可以是处理器的形式，该处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述各功能可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各功能及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的设备、装置、电路以及系统等可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件实现上述功能。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和系统等，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

再例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例中的功能。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种集成磁元件，其特征在于，包括：原边绕组线圈、副边绕组线圈以及至少两个磁芯；

所述原边绕组线圈和所述副边绕组线圈分别套绕在不同的所述磁芯上；

第一绕组耦合度大于第二绕组耦合度，其中，所述第一绕组耦合度为位于所述磁芯的窗口外侧的所述原边绕组线圈以及所述副边绕组线圈的耦合度，所述第二绕组耦合度为位于所述磁芯的窗口内侧的所述原边绕组线圈以及所述副边绕组线圈的耦合度。

2.根据权利要求1所述的集成磁元件，其特征在于，位于所述磁芯的窗口外侧的所述原边绕组线圈以及所述副边绕组线圈的绕组紧密程度大于预设紧密程度。

3.根据权利要求1所述的集成磁元件，其特征在于，位于所述磁芯的窗口内侧的所述原边绕组线圈以及所述副边绕组线圈之间分开绕制。

4.根据权利要求1所述的集成磁元件，其特征在于，第一磁芯结构与第二磁芯结构不同，其中，所述第一磁芯结构为绕在最外侧磁柱上的内层绕组线圈所套绕的磁芯结构，所述第二磁芯结构为套在所述内层绕组线圈外侧的外层绕组线圈所套绕的磁芯结构。

5.根据权利要求4所述的集成磁元件，其特征在于，目标磁柱上的所述内层绕组线圈为所述原边绕组线圈，且所述目标磁柱上的所述外层绕组线圈为所述副边绕组线圈。

6.根据权利要求4所述的集成磁元件，其特征在于，目标磁柱上的所述内层绕组线圈为所述副边绕组线圈，且所述目标磁柱上的所述外层绕组线圈为所述原边绕组线圈。

7.根据权利要求4所述的集成磁元件，其特征在于，所述磁柱的数量为多个；

不同所述磁柱上的所述内层绕组线圈及所述外层绕组线圈，与所述原边绕组线圈及所述副边绕组线圈之间的对应关系相同。

8.根据权利要求4所述的集成磁元件，其特征在于，所述磁柱的数量为多个；

不同所述磁柱上的所述内层绕组线圈及所述外层绕组线圈，与所述原边绕组线圈及所述副边绕组线圈之间的对应关系不相同。

9.根据权利要求1-8任一项所述的集成磁元件，其特征在于，所述原边绕组线圈和所述副边绕组线圈绕制于所述磁芯上，或绕制于所述磁芯的骨架上。

10.一种基于电力设备的集成磁元件系统，其特征在于，包括：所述电力设备以及如权利要求1-9任一项所述的集成磁元件；

所述电力设备包括电感和变压器，所述原边绕组线圈以及所述副边绕组线圈为所述变压器和所述电感的绕组；

或，所述电力设备包括差模滤波器和共模滤波器，所述原边绕组线圈的绕组端子以及所述副边绕组线圈的绕组端子对应接入所述差模滤波器和所述共模滤波器的电路。

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