CN113077972A - 铁芯及电感器 - Google Patents

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尉晓东
刘志坚
杨权平
武钧
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Abstract

本发明提供了一种铁芯及包括其的电感器。铁芯由非晶/纳米晶带卷绕而成，展开后的非晶/纳米晶带包括n段卷绕部，n≥3；其中，当n为奇数时，第(n+1)/2段所述卷绕部为矩形，其余为直角梯形。当n为偶数时，每段卷绕部均为直角梯形。由于卷绕部呈直角梯形，其一边呈斜线，形成的铁芯沿垂直磁路方向的横截面呈近似正多边形，相较于沿垂直磁路方向的横截面呈方形的铁芯，有效提高了空间利用率。

Description

铁芯及电感器
【技术领域】
本发明涉及铁芯技术领域，尤其涉及一种非晶/纳米晶带铁芯及电感器。
【背景技术】
非晶/纳米晶带卷绕铁芯，一般采用非晶/纳米晶薄带卷绕而成。铁芯形状为圆环形或方环形等封闭环形状。传统的非晶/纳米晶带铁芯是由一整条等宽的非晶/纳米晶带材整齐地层层卷绕而成，所以磁芯环截面呈矩形。该种方法易造成空间浪费，导致电感器体积较大。
【发明内容】
为了解决上述问题，本申请主要目的在于提供一种空间利用率较高的铁芯。
本申请提供一种铁芯，其由非晶/纳米晶带卷绕而成，其特征在于，展开后的所述非晶/纳米晶带包括n段卷绕部，n≥3；其中，当n为奇数时，第(n+1)/2段所述卷绕部为矩形，其余为直角梯形。第1段至第(n-1)/2段卷绕部的斜腰与直腰的夹角依次减小，第(n+3)/2段至n段卷绕部的斜腰与直腰的夹角依次增加。当n为偶数时，每段卷绕部均为直角梯形。其中，第1段至第n/2段卷绕部的斜腰与直腰的夹角依次减小，第1+n/2段至第n段卷绕部的斜腰与直腰的夹角依次增加。
优选地，卷绕部的斜腰与直腰的夹角小于或等于10度。
优选地，当n为奇数时，第1段至第(n-1)/2段所述卷绕部的斜腰与直腰的夹角减小的幅度小于或等于3度，第(n+3)/2段至n段所述卷绕部的斜腰与直腰的夹角增加的幅度为；当n为偶数时，第1段至第n/2段所述卷绕部的斜腰与直腰的夹角减小的幅度为，第1+n/2段至第n段所述卷绕部的斜腰与直腰的夹角增加的幅度小于或等于3度。
优选地，当n为奇数时，第1段至第(n-1)/2段卷绕部的上底边的长度依次增加，第(n+3)/2段至n段卷绕部的上底边的长度依次减小，第(n-1)/2段卷绕部的的下底边的长度、所述第(n+1)/2段卷绕部的宽、与所述(n+3)/2段所述卷绕部的下底边的长度相等。
优选地，设所述铁芯的内芯周长为L，所述卷绕部的厚度为t，卷绕系数为η，第n段所述卷绕部的直腰的长度ln，第n段所述卷绕部的卷绕圈数为sn，则其满足如下公式：
Figure BDA0002980023260000021
其中，当n＝1时，l0＝L，k为常数，0＜k≤8。
本申请还提供一种电感器，其包括上述铁芯。
优选地，电感器还包括扁平线圈，扁平线圈绕设在铁芯上。
采用上述本申请的非晶/纳米晶带绕卷，由于卷绕部呈直角梯形(仅当n为奇数时，第(n+1)/2段卷绕部11为矩形)，其一边呈斜线，形成的铁芯沿垂直磁路方向的横截面呈近似正2m边形，m≥4，m∈N，n＝m-1。在形成电感器时，线圈卷绕在铁芯上，线圈与铁芯100之间的空隙较小，相较于沿垂直磁路方向的横截面呈方形的铁芯，有效提高了空间利用率。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施方式提供的铁芯的立体示意图；
图2是图1所示铁芯沿其磁路方向的截面图；
图3是图1所示铁芯沿其磁路垂直方向的截面立体图；
图4是图1所示铁芯的非晶/纳米晶带展开后的平面示意图；
图5是本发明另一实施方式的铁芯的非晶/纳米晶带展开后的平面示意图；
图6是本发明再一实施方式的铁芯的非晶/纳米晶带展开后的平面示意图；
图7是线圈绕卷在沿垂直磁路方向的横截面呈方形的铁芯上示意图；
图8是本发明实施方式提供电感器的立体示意图；
图9是本发明实施方式的预制铁芯示意图；
图10是预制铁芯整形示意图；及
图11是非晶/纳米晶带材裁切示意图。
【具体实施方式】
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本说明书的描述中，需要理解的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。
本发明实施方式提供一种铁芯，其由非晶/纳米晶带卷绕而成，其沿垂直磁路方向的横截面呈近似正多边形，边缘形成有台阶。请参阅图1-3，以沿垂直磁路方向的横截面呈近似正八边形的铁芯为例说明，图1是铁芯100的立体示意图，图2是铁芯100沿其磁路方向的截面图，图3是铁芯100沿其磁路垂直方向的截面立体图。铁芯100由非晶/纳米晶带10卷绕而成。在本实施方式中，非晶/纳米晶带10绕圆柱形芯轴(图未示)形成，如图2所示，铁芯100具有多层结构，其沿磁路方向的横截面整体呈环状，中间空心部分即为圆柱形芯轴，完成绕卷后，将芯轴移除。铁芯100具有多层结构，实际设计时，由磁通量及体积要求而定。可以理解，铁芯100沿磁路方向的横截面也可呈其他形状，具体根据磁路方向、铁芯100形状而定，本发明对其不作限定。
设近似多边形的边数为2m，m≥4，m∈N，则展开后的非晶/纳米晶带10包括n段卷绕部，n＝m-1。
当n为奇数时，第(n+1)/2段卷绕部为矩形，其余为直角梯形。第1段至第(n-1)/2段卷绕部的斜腰与直腰的夹角θ依次减小，第(n+3)/2段至n段卷绕部的斜腰与直腰的夹角θ依次增加。
请同时参阅图4，在该实施例中，铁芯100沿垂直磁路方向的横截面呈近似正八边形，则n为3。非晶/纳米晶带10包括3段卷绕部11。
请参阅图5，在该实施例中，铁芯100沿垂直磁路方向的横截面呈近似正十二边形，则n为5。非晶/纳米晶带10包括5段卷绕部11。第1段卷绕部11的斜腰112与直腰114的夹角θ1大于第2段卷绕部11的夹角θ2，第1段卷绕部11为矩形，第4段卷绕部11的夹角θ3小于第5段卷绕部11的夹角θ4。
当n为偶数时，每段卷绕部均为直角梯形，其中，第1段至第n/2段卷绕部的斜腰与直腰的夹角θ依次减小，第1+n/2段至第n段卷绕部11的斜腰与直腰的夹角依次增加。
请同时参阅图6，在该实施例中，铁芯100沿垂直磁路方向的横截面呈近似正十边形，则n为4。非晶/纳米晶带10包括4段呈直角梯形的卷绕部11。其中，第1段卷绕部11的夹角θ1大于第2段卷绕部11的夹角θ2，第1段卷绕部11为矩形，第3段卷绕部11的夹角θ3小于第4段卷绕部11的夹角θ4。
采用上述结构的非晶/纳米晶带10绕卷，由于卷绕部11呈直角梯形(仅当n为奇数时，第(n+1)/2段卷绕部11为矩形)，其一边呈斜线，形成的铁芯100沿垂直磁路方向的横截面呈近似正2m边形，m≥4，m∈N。在形成电感器时，线圈卷绕在铁芯100上，线圈与铁芯100之间的空隙较小，相较于沿垂直磁路方向的横截面呈方形的铁芯，有效提高了空间利用率。
请参阅图7及图8，图7是线圈卷绕在沿垂直磁路方向的横截面呈方形的铁芯上示意图，图8是本发明实施方式提供的电感器的立体示意图，其中，线圈卷绕在本发明实施方式的截面呈近似正八边形的铁芯100。经计算，图7所示电感器的绕组截面利用率仅63.7％，而图8所示电感器的绕组截面利用率大约为95.5％。也就是说，采用本发明实施方式的铁芯100，可大幅提高电感器的绕组截面利用率，从而提高铁芯100的空间利用率。
由于非晶/纳米晶带材柔韧性很好，不易剪断，如非晶/纳米晶带边缘呈弧形，则加工难度大，加工成本高；另外，加工弧形边缘时产生的边角料很难再利用，造成材料浪费。采用本发明实施方式的铁芯100，由于非晶/纳米晶带10边缘呈直线型，非弧形边缘，加工难度低。
需要说明的是，多个卷绕部11可以是一体的，也可以是独立而连接于一起的两部分，可依实际情况调整。多个卷绕部11连接时，可以是首尾相接，也可以首尾部分重合，可依实际情况调整。
在一个具体实施方式中，卷绕部11的斜腰112与直腰114的夹角θ小于或等于10度。
在一个具体实施方式中，当n为奇数时，第1段至第(n-1)/2段卷绕部11的斜腰112与直腰114的夹角θ减小的幅度小于或等于3度，第(n+3)/2段至n段卷绕部11的斜腰112与直腰114的夹角θ增加的幅度小于或等于3度。
在一个具体实施方式中，当n为偶数时，第1段至第n/2段卷绕部11的斜腰112与直腰114的夹角θ减小的幅度小于或等于3度，第1+n/2段至第n段卷绕部11的斜腰112与直腰114的夹角θ增加的幅度小于或等于3度。
在一个具体实施方式中，请参阅图4，当n为奇数时，第1段至第(n-1)/2段卷绕部11的上底边116的长度依次增加，第(n+3)/2段至n段卷绕部11的上底边116的长度依次减小，第(n-1)/2段卷绕部11的下底边118的长度、所述第(n+1)/2段卷绕部的宽110、与所述(n+3)/2段卷绕部11的下底边118的长度相等。
在一个具体实施方式中，设铁芯100的内芯周长为L，卷绕部11的厚度为t，卷绕系数为η，第n段所述卷绕部的直腰的长度ln，第n段所述卷绕部的卷绕圈数为sn，则其满足如下公式：
Figure BDA0002980023260000061
其中，当n＝1时，l0＝L，k为常数，0＜k≤8。
其中，内芯周长是指铁芯100的中间空心部分的周长。如铁芯100的中间空心部分呈圆形，则内芯周长是该圆形的周长；如铁芯100的中间空心部分呈方形，则内芯周长是该方形的周长；如铁芯100的中间空心部分呈其他不规则形状，则内芯周长是该不规则形状的周长。卷绕部11的厚度是指非晶/纳米晶10的单层厚度。卷绕系数是指一定厚度内实际能容纳的卷绕部11的圈数与理论可容纳的卷绕部11的圈数的比值。卷绕部11的厚度为0.025mm，如需卷绕10mm厚度的铁芯100，理论上需要卷绕10mm/0.025mm＝400圈，而由于实际上不可能完全贴合，只能卷绕320圈，则卷绕系数为320/(10/0.025)＝0.8。卷绕圈数是指某一卷绕部卷绕的圈数。
当卷绕的内芯长度和形状一定，其绕线的线圈的内径一定时，为了实现较高的有效面积，截面近似正多边形的边数越多，截面越近似圆形，有效面积越高。然而，当边数较多时，每个卷绕部的长度较短，卷绕部的数量n较多，绕制成本较高。所以，当卷绕部的长度较为经济时，卷绕部11的斜腰112与直腰114的夹角θ应该在适当较小的程度。本申请的一个实施方式中，斜腰112与直腰114的夹角θ小于或等于10度，在该范围中，较好地平衡了有效面积与绕制成本。
请参阅图7，图7是非晶/纳米晶带材裁切示意图，由于非晶/纳米晶带材呈长条形，沿裁切线II裁切非晶/纳米晶带材，形成非晶/纳米晶带10后，剩余部分也形成直角梯形结构，也可用于绕制铁芯100，从而避免加工浪费。实际设计中，可使一个卷绕部11的上底边长度与另一个卷绕部11的下底边长度之和等于非晶/纳米晶带材的宽度，从而同时形成两条可用的卷绕部11，进一步地提高加工效率。
制造呈近似正2m边形的铁芯100时，包括如下步骤：
先将第1段卷绕部11围绕芯轴卷绕，卷绕S1圈至第1段卷绕部11的尾部；接着在第1段卷绕部11形成的圈层上继续卷绕第2段卷绕部11，卷绕S2圈至第2段卷绕部11的尾部；依次类推卷绕，直至将第n段卷绕部11卷绕Sn圈，得到预制铁芯101；
将预制铁芯101进行定型处理，得到所述铁芯100；
及采用非晶/纳米晶带热处理和后加工方法(涂装、加装胶壳)得到最终成品铁芯100。
优选地，预制铁芯101一侧平齐，另一侧形成台阶；将所述预制铁芯101进行整形处理，使两侧均形成台阶并对称。
具体地，请参阅图9、10，将预制铁芯101放入形成有台阶的整形治具30中，整形治具30底面形成有目标截面对应的台阶，将预制铁芯101平齐的侧面朝向台阶放置，对预制铁芯101施加合适压力，即可使预制铁芯101两侧均形成台阶，并使其对称，从而形成截面呈近似正多边形的铁芯100。
本申请中的“近似正多边形”是指多边形的边缘形成有台阶，并不是直线型。这是由于，呈直角梯形的卷绕部11具有直线型的斜边，绕卷并经整形后，形成具有台阶的近似直线型边缘。
可以理解，将第n段卷绕部11卷绕在第n-1段卷绕部11绕成的圈层上时，可以使第n段卷绕部11的首端与第n-1段卷绕部11的尾端无重叠连接，也可使其部分重叠，也可使其间隔合适的距离。由于加工精度的原因，采用上述不同方法连接，得到的铁芯100外形有差别是本领域可接受的误差。
可以理解，如卷绕部采用弧形边缘，卷绕后形成的铁芯则可能具有圆形截面。然而，由于非晶/纳米晶带材柔韧性很好，不易剪断，加工弧形边缘难度大，加工成本高；另外，加工弧形边缘时产生的边角料很难再利用，造成材料浪费。
由于非晶/纳米晶10边缘呈直线型，非弧形边缘，加工难度低，可采用成本较低的胶辊切割方式裁切非晶/纳米晶材。请参阅图11，图11是非晶/纳米晶带材裁切示意图，由于非晶/纳米晶带材呈长条形，裁切形成非晶/纳米晶带10后，剩余部分也形成直角梯形结构，也可用于绕制铁芯100，从而避免加工浪费。实际设计中，可使一段卷绕部11的上底边长度与另一段卷绕部11下底边长度之和等于非晶/纳米晶带材的宽度，从而同时形成两条可用于绕制铁芯100的非晶/纳米晶10，进一步地提高加工效率。
本发明实施方式的另一方面，还提供一种电感器，如图8所示，所述电感器300包括铁芯100及绕设在铁芯100上的扁平线圈200。扁平线圈200整体呈圆环状，由于其具有压缩弹力，将其对准铁芯400，释放后，扁平线圈200在弹力作用自动绕卷在铁芯100上。
该绕制方法绕制效率高，自动化设备通用性强，其调试简单。由于铁芯100截面呈类圆形，与扁平线圈200匹配，空间利用率高。因此，本发明实施方式的电感器300加工成本低，且空间利用率高。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种铁芯，其由非晶/纳米晶带卷绕而成，其特征在于，展开后的所述非晶/纳米晶带包括n段卷绕部；
其中，当n为奇数时，第(n+1)/2段所述卷绕部为矩形，其余为直角梯形，第1段至第(n-1)/2段所述卷绕部的斜腰与直腰的夹角依次减小，第(n+3)/2段至n段所述卷绕部的斜腰与直腰的夹角依次增加；
当n为偶数时，每段所述卷绕部均为直角梯形，其中，第1段至第n/2段所述卷绕部的斜腰与直腰的夹角依次减小，第1+n/2段至第n段所述卷绕部的斜腰与直腰的夹角依次增加。
2.一种如权利要求1所述的铁芯，其特征在于，所述卷绕部的斜腰与直腰的夹角小于或等于10度。
3.一种如权利要求1所述的铁芯，其特征在于，当n为奇数时，第1段至第(n-1)/2段所述卷绕部的斜腰与直腰的夹角减小的幅度小于或等于3度，第(n+3)/2段至n段所述卷绕部的斜腰与直腰的夹角增加的幅度小于或等于3度；当n为偶数时，第1段至第n/2段所述卷绕部的斜腰与直腰的夹角减小的幅度小于或等于3度，第1+n/2段至第n段所述卷绕部的斜腰与直腰的夹角增加的幅度小于或等于3度。
4.一种如权利要求1所述的铁芯，其特征在于，当n为奇数时，第1段至第(n-1)/2段所述卷绕部的上底边的长度依次增加，第(n+3)/2段至n段所述卷绕部的上底边的长度依次减小，第(n-1)/2段所述卷绕部的的下底边的长度、所述第(n+1)/2段所述卷绕部的宽、与所述(n+3)/2段所述卷绕部的下底边的长度相等。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的铁芯，其特征在于，设所述铁芯的内芯周长为L，所述卷绕部的厚度为t，卷绕系数为η，第n段所述卷绕部的直腰的长度ln，第n段所述卷绕部的卷绕圈数为sn，则其满足如下公式：
Figure FDA0002980023250000021
其中，当n＝1时，l0＝L，k为常数，0＜k≤8。
6.一种电感器，其特征在于，所述电感器包括如权利要求1-5任一项所述的铁芯。
7.一种如权利要求6所述的电感器，其特征在于，所述电感器还包括扁平线圈，所述扁平线圈绕设在所述铁芯上。
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