CN115116718A - 一种磁感器件、电感器、变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁感器件，包括磁芯部件和扁平绕组；磁芯部件包括柱形的第一磁芯以及和第一磁芯的首尾两端相连共同形成至少一个回字型磁芯结构的第二磁芯；多组扁平绕组逐层贴合叠加设置且每组扁平绕组均绕设于第一磁芯；还包括设置在第二磁芯上的气隙，且气隙所在面平行于各组扁平绕组的叠加方向。本申请中的磁感器件，在非绕设该扁平绕组的磁芯设置气隙，且该气隙所在面和各组扁平绕组叠加方向平行，各组扁平绕组接通激励电流后，在扁平绕组所在位置产生的感应磁场方向基本和扁平绕组表面平行，使得扁平绕组中的电流分布更为均匀，减小磁感器件中的涡流损耗。本申请还提供了一种包括上述磁感器件的电感器和变压器，具有上述有益效果。

Description

一种磁感器件、电感器、变压器

技术领域

本发明涉及磁性元件技术领域，特别是涉及一种磁感器件、电感器、变压器。

背景技术

电感器、变压器等磁感器件均属于工业生产用电以及其他电力应用中频繁使用的电力器件，随着用电设备的能耗不断增加，为了实现用电能耗的低碳排放、高效节能、体积紧凑等要求，电力电子变换器效率和功率密度要求的不断提高。

在电感器和变压器等磁感器件中，主要包括导电绕组和导磁磁芯两个部分。而为了磁感器件在实际应用中导电绕组通过较大电流时发生饱和，往往需要在绕设导电绕组的磁芯柱上设置气隙。这在一定程度上导致导电绕组产生较大的涡流损耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁感器件、电感器、变压器，能够在一定程度上减小绕组导体的涡流损耗。

为解决上述技术问题，本发明提供一种磁感器件，包括：磁芯部件和扁平绕组；

所述磁芯部件包括柱形的第一磁芯以及和所述第一磁芯的首尾两端相连共同形成至少一个回字型磁芯结构的第二磁芯；

多组所述扁平绕组逐层贴合叠加设置且每组所述扁平绕组均绕设于所述第一磁芯；

还包括设置在所述第二磁芯上的气隙，且所述气隙所在面平行于各组所述扁平绕组的叠加方向。

在本申请的一种可选地实施例中，所述扁平绕组为环形平板导体，各个所述环形平板导体沿所述第一磁芯长度方向依次堆叠设置；且各个所述环形平板导体均套接于所述第一磁芯；

所述气隙设置于所述第二磁芯中和所述第一磁芯的两端相连接的两条磁芯上，且所述气隙所在面和所述环形平板导体相垂直。

在本申请的一种可选地实施例中，所述第二磁芯的厚度大于所述第一磁芯的厚度；所述气隙为以所述第一磁芯为中心轴的多个同心设置的筒状气隙结构。

在本申请的一种可选地实施例中，所述扁平绕组为筒状结构导体，各个所述圆筒结构导体以所述第一磁芯为中心依次套叠设置；

所述气隙设置于所述回字型磁芯结构中所述第二磁芯上和所述第一磁芯相对的一条磁芯上；所述气隙还设置在所述第一磁芯上；且所述气隙所在平面和所述第一磁芯的长度方向垂直。

在本申请的一种可选地实施例中，各层所述扁平绕组中的最外层扁平绕组和所述回字型磁芯结构的内壁之间的间距大于相邻两个所述气隙之间间距的一半；

其中，所述最外层扁平绕组和所述回字型磁芯结构的内壁之间的间距为所述回字型磁芯结构和所述最外层扁平绕组平行且距离最近的内壁与所述最外层扁平绕组之间的距离。

在本申请的一种可选地实施例中，多个彼此相邻的所述气隙之间均匀分布。

在本申请的一种可选地实施例中，所述扁平绕组为面状铜箔或者PCB绕组；气隙中填充有绝缘垫片或绝缘胶体。

本申请还提供了一种电感器，包括如上任一项所述的磁感器件。

本申请还提供了一种变压器，包括如上任一项所述的磁感器件。

本发明所提供的磁感器件，包括磁芯部件和扁平绕组；磁芯部件包括柱形的第一磁芯以及和第一磁芯的首尾两端相连共同形成至少一个回字型磁芯结构的第二磁芯；多组扁平绕组逐层贴合叠加设置且每组扁平绕组均绕设于第一磁芯；还包括设置在第二磁芯上的气隙，且气隙所在面平行于各组扁平绕组的叠加。

本申请中的磁感器件，在磁芯部件的第二磁芯上设置气隙，该第二磁芯为非绕设该扁平绕组的磁芯，且该气隙所在面和各组扁平绕组叠加方向平行，也即是和扁平绕组的表面平行，从而使得各组扁平绕组接通激励电流后，在扁平绕组所在位置产生的感应磁场方向基本和扁平绕组表面平行，相对于目前常规的在绕设导电绕组的磁芯柱上设置气隙使得导电绕组所处位置的磁场方向和导电绕组所在表面垂直的实施例而言，本申请中的感应磁场使得扁平绕组中的电流分布更为均匀，从而减小磁感器件中的涡流损耗。

本申请还提供了一种包括上述磁感器件的电感器和变压器，具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中磁感器件的剖面示意图；

图2为本申请实施例提供的磁感器件的剖面结构示意图；

图3为图2对应的一种磁感器件的立体结构示意图；

图4为图2对应的另一种磁感器件的立体结构示意图；

图5为本申请实施例提供的另一磁感器件的剖面结构示意图；

图6为图5对应的一种磁感器件的立体结构示意图；

图7为现有技术中部分扁平绕组截面的感应磁场分布示意图；

图8为本实施例中部分扁平绕组截面的感应磁场分布示意图。

具体实施方式

如图1所示，图1为现有技术中磁感器件的剖面示意图。目前变压器以及电感器等器件中的磁感器件如图1所示，为了避免磁感器件中导体绕组02中通过较大电流时存在饱和情况，一般会在导体绕组02所绕设的磁芯柱01上设置气隙。尽管设置漏磁气隙03后能够解决饱和问题，但是同时也使得磁感器件的窗口中导体绕组02所处位置的感应磁场方向垂直于导体绕组02表面分布，如图1所示的磁场线30垂直于导体绕组02，而该方向上的感应磁场产生的感应电流会和导体绕组02中的激励电流相叠加，进而使得导体绕组02上越靠近磁芯住01的一侧电流密度越大而远离磁芯柱01的一侧的电流密度越小，也即是电流分布不均匀，而这一电流分布不均匀则主要是由涡流损耗所引起的。

为此，本申请中通过合理设置磁芯上的气隙位置，使得导体绕组所产生的感应磁场分布更为合理，从而达到减小磁感器件中的涡流损失的目的，进而使得导体绕组中的电流分布均匀，。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图2至图6所示，图2为本申请实施例提供的磁感器件的剖面结构示意图，图3为图2对应的一种磁感器件的立体结构示意图，图4为图2对应的另一种磁感器件的立体结构示意图；图5为本申请实施例提供的另一磁感器件的剖面结构示意图，图6为图5对应的一种磁感器件的立体结构示意图。

本申请的一种具体实施例中的磁感器件可以包括：

磁芯部件10和扁平绕组20；

磁芯部件10包括柱形的第一磁芯11以及和第一磁芯11的首尾两端相连共同形成至少一个回字型磁芯结构的第二磁芯12；

多组扁平绕组20逐层贴合叠加设置且每组扁平绕组20均绕设于第一磁芯11；

还包括设置在第二磁芯12上的气隙13，且气隙13所在面平行于各组扁平绕组20的叠加方向。

需要说明的是，本申请中所指的扁平绕组20一般为薄片状或板状等扁平结构的导体，面面贴合形成多组扁平绕20，例如可以是金属铜箔逐层贴合。

图2至图6中示出了扁平绕组20两种不同的依次贴合叠加的方式。在图2至图4中，每组扁平绕组20为相同的环形平板结构的导体，各组环形平板导体逐层堆叠套接在第一磁芯11上；显然对于图2至图4中所示出的磁感器件中各组扁平绕组20的叠加方向也即是垂直于扁平绕组20表面、平行于第一磁芯11的长度方向。

在图5至图6中，扁平绕组20为筒状结构导体，也可以认为是空心柱状结构导体。最内层筒状结构导体套接在第一磁芯11上，第二层筒状结构导体套接在筒状结构导体上，以此类推各层筒状结构导体依次逐层套接，形成多圈依次套接的扁平绕组20。显然，对于图5和图6而言，其扁平绕组20的叠加方向显然是垂直于第一磁芯1长度方向的径向。

对于本申请中的磁芯部件10，一般需要形成一个闭合磁路，因此，磁芯部件10至少形成一个回字形磁芯结构，且每个回字形磁芯结构中一条磁芯边为绕设导体绕组的磁芯柱。在图5至图6中的磁芯结构中包括由两个回字形磁芯结构且共用一个绕设导体绕组的磁芯柱，也即是第一磁芯11。在图5至图6中仅仅包括一个第一磁芯11，在实际应用中可以包括多个第一磁芯11，每个第一磁芯11上分别缠绕设置多组扁平绕组20。本申请中仅仅以最简单的两种实施例为例进行说明。但可以理解的是，本申请中的技术方案可以扩展应用到同时设置多个绕设导体绕组的磁芯柱，以及设置多个回字形磁芯结构的磁感器件中，对此不再一一列举说明。

基于上述中对磁感器件中磁芯部件10和扁平绕组20的说明，进一步地说明本实施中气隙13的设置方式。本实施例中在第二磁芯12上设置有气隙13，且气隙13所在的面和扁平绕组20叠加方向相互平行。

相对于常规的气隙设置方式而言，首先本申请中气隙设置位置和常规技术中的漏磁气隙03的位置不同，常规技术中的漏磁气隙03只会设置在第一磁芯11上，而本申请中在第二磁芯12上设置气隙13；此外，常规技术中的漏磁气隙03只会沿垂直于第一磁芯11长度方向设置，而本实施例中气隙13的设置方向和扁平绕组20的设置方式相关。本实施例中气隙13所在面平行于扁平绕组20叠加方向也即垂直于扁平绕组20表面。

为了便于论述，在图2至图6中以第一磁芯11长度方向为Y轴方向，平行于磁芯部件10的宽度方向为X轴方向，平行于磁芯部件10的厚度方向为Z轴方向建立三维直角坐标系。

在本申请的一种可选的实施例中，扁平绕组20可以为环形平板导体，各个环形平板导体沿第一磁芯11长度方向依次堆叠设置；且各个环形平板导体均套接于第一磁芯11；

气隙13设置于第二磁芯12中和第一磁芯11的两端相连接的两条磁芯上，且气隙13所在面和环形平板导体相垂直。

对于图3所示的磁感器件而言，其第一磁芯11沿Z轴方向上的厚度与其相连接的第二磁芯11沿Z轴方向上的厚度相同。此时，气隙13可以为平行于YZ轴所在平面的平面结构气隙，该气隙13所在平面和扁平绕组20的表面垂直。

需要说明的是，尽管XY轴所在平面也垂直于扁平绕组20的表面，但依据磁感器件中设置气隙的常识可知，气隙13一般不能设置为垂直于磁芯部件10的厚度方向，由此，本实施例中垂直于扁平绕组20的气隙13也即是平行于XZ所在平面。为了便于说明，将第二磁芯12上直接和第一磁芯11的两端相连接的两条磁芯设定为横向磁芯121，以及第二磁芯12中不和第一磁芯11直接连接的磁芯设定为侧磁芯122。针对第一磁芯11和第二磁芯122厚度相同的磁芯部件10，气隙13应当为设置在第二磁芯122中的两个横向磁芯121上，且气隙13所在面和环形平板导体相垂直。

对于图4所示的磁感器件而言，其第一磁芯11沿Z轴方向上的厚度小于与其相连接的第二磁芯12沿Z轴方向上的厚度。此时，若是将气隙13设置成和图3中所示的气隙13相同的结构，显然，位于第一磁芯11沿Z轴方向前后两侧部分的扁平绕组20的感应磁场分布仍然无法被调整。因此，在本申请的另一可选地实施例中，可以包括：

扁平绕组20为环形平板导体，各个环形平板导体沿第一磁芯11长度方向依次堆叠设置；且各个环形平板导体均套接于第一磁芯11；

气隙13设置于第二磁芯12中和第一磁芯12的两端相连接的两条磁芯上；

第二磁芯12的厚度大于第一磁芯11的厚度；气隙13为以第一磁芯11为中心轴的多个同心设置的筒状气隙结构。

本实施例中的气隙13可以为如图4所示的环形筒状气隙，且环形筒状气隙的环形形状和扁平绕组20的环形形状相同，如图4中的扁平绕组20为圆环形板状导体，相应地，环形气隙也为圆筒状气隙；若是扁平绕组为矩形筒状导体，则环形气隙应当为矩形气隙。此时的气隙13为筒状结构。显然，此时气隙13所在面和XY轴所在平面垂直，也即是和扁平绕组20的堆叠方向平行。

基于上述论述，磁感器件中的扁平绕组20除了如图2至3所示的结构外，还可以是如图5至图6所示的结构。在本申请的另一可选的实施例中，扁平绕组20为筒状结构导体，各个圆筒结构导体以第一磁芯11为中心依次套叠设置；

气隙13设置于回字型磁芯结构中第二磁芯12上和第一磁芯11相对的一条磁芯上；气隙13还设置在第一磁芯11上；且气隙13所在平面和第一磁芯11的长度方向垂直。

如图5至图6所示，本实施例中扁平绕组20为筒状结构导体逐层套接设置，显然此时和扁平绕组20所在面垂直的气隙13只能是平行于XZ轴所在平面。基于气隙13设置的常识，显然此时气隙13不能设置在横向磁芯121上。而只能设置在侧磁芯122上；在此基础上，进一步地考虑到在第一磁芯11上也可以设置和扁平绕组20垂直的气隙13。为了提升对感应磁场分布调节的效果，可以同时在第一磁芯11和侧磁芯122上设置平行于XZ轴所在平面的平面结构气隙。

基于上述针对本申请中磁感器件的结构进行了详细介绍，下面将对本申请中所提供的磁感器件能够减小涡流损耗的原理进行详细说明。

参考图2，根据磁芯回路磁场分析可以确定：

其中，H为磁芯回路的磁场强度，L为磁芯回路的路程，H_DA为D-A段磁芯回路的磁场强度，H_AP为A-P段磁芯回路的磁场强度，H_DQ为D-Q段磁芯回路的磁场强度，H_Y为扁平绕组所在位置的Y轴方向的磁场强度；h为磁芯部件沿Y轴方向的高度，w为磁芯部件的沿X轴方向的宽度；N为扁平绕组总匝数；N_APQD为A-P-Q-D的磁芯回路中包含的扁平绕组匝数；I为扁平绕组20电流。

因为，对于不包含气隙的D-A段磁芯可以视为磁动势的等势体，因此，

又由于A-P段以及D-Q段磁路上的气隙与扁平绕组纵向(Y轴方向)排布呈均匀地一一对应关系，因此A-P段和D-Q段磁路的磁动势与该回路包围的安匝数大小相等，即：

由此即可推导出H_Y≈0。

而对于E-A段和B-F段同样属于不包含气隙的磁芯，因此磁场强度为0，因此

因此基于上述推导并参照如图2中所示的磁场线分布可以确定，本申请中在图2所示的磁感器件的气隙13设置方式的实施例中，扁平绕组20所在位置的磁场方向和扁平绕组20的表面大体上是平行的。

按照上述相同的分析方式，可以确定如图1中所示的现有技术中，在扁平绕组20所在位置的磁场是垂直于扁平绕组20表面设置的；而在如图4所示的磁感器件中，扁平绕组20所在位置的感应磁场是垂直于扁平绕组30表面的。

进一步地，参考图7和图8，图7为现有技术中部分扁平绕组截面的感应磁场分布示意图；图8为本实施例中部分扁平绕组截面的感应磁场分布示意图；

分别在扁平绕组20上沿感应磁场方向取积分的微元ds；根据欧姆定律和法拉第电磁感应定律，可得微元上的感应电流为：

其中，μ,p,l,t分别表示磁感系数、电阻率、绕组长度以及通电时长，显然，这四个参数可以视为常数。

对于图7中所示的扁平绕组20中，H_感即为垂直于扁平绕组表面方向的磁场H_Y’，而对于图8所示的扁平绕组20中H_感则为平行于扁平绕组表面的H_x。

而根据上述感应磁场分布的分析可以确定：

并且基于上述相同的分析方式，可以分析确定出H_Y’远大于H_x；而基于图7和图8可以确定本申请中的微元ds远小于现有技术中的微元ds。由此可以确定扁平绕组20所在位置的感应磁场平行于扁平绕组表面所产生的涡流电流远小于扁平绕组20所在位置的感应磁场垂直于扁平绕组20表面所产生的涡流电流，对扁平绕组20中的电流密度的影响非常小，由此可见当感应磁场垂直于扁平绕组20表面时，涡流电流和扁平绕组中的激励电流相互叠加，进而使得扁平绕组在垂直于感应磁场方向的电流密度分布不均匀；而本申请中感应磁场平行于扁平绕组20表面，但因为涡流电流非常小，进而使得扁平绕组20中电流基本还是等于激励电流，进而保证扁平绕组20中电流分布的均匀性，减小涡流损失。

由此，基于上述论述，可以确定本申请中所提供的磁感器件中通过在磁芯部件10上开设平行于扁平绕组20叠加方向的气隙，能够实现对扁平绕组20所在位置的感应磁场进行调节，使得扁平绕组20处于和其表面平行的感应磁场中，在很大程度上减小了扁平绕组20中涡流电流的大小，进而减小涡流损失。

基于上述任意实施例，在本申请的另一可选的实施例中，还可以进一步地包括：

各层扁平绕组中的最外层扁平绕组和回字型磁芯结构的内壁之间的间距大于相邻两个气隙之间间距的一半；

其中，最外层扁平绕组和回字型磁芯结构的内壁之间的间距为回字型磁芯结构和最外层扁平绕组平行且距离最近的内壁与最外层扁平绕组之间的距离。

参考图2和图5，相邻两个气隙13之间间距即为d1，最外层扁平绕组和回字型磁芯结构的内壁之间的间距即为d2。根据图2和图5中所示的磁场线，可以毫无疑义的确定在磁芯部件内部，靠近气隙位置的磁场并不是和扁平绕组20表面平行的，为了避免该感应磁场对扁平绕组20产生较大涡流，应当在扁平绕组30和气隙13之间留有间隙；由此，可以设定d2大于0.5d1。

当然，需要说明的时，本实施例中的最外层扁平绕组，应当是指各组扁平绕组相互叠加的第一组和最后一组的扁平绕组；例如对于图2至图4中，应当是指最上层和最下层的扁平绕组20，对于图5至图6中则是指最靠近第一磁11的扁平绕组20和距离第一磁芯11最远的扁平绕组20。

另外，各个相邻气隙13应当均匀分布，例如，在侧磁芯122上各个气隙13彼此相邻，应当在侧磁芯122上均匀分布，同理，在横向磁芯121和第一磁芯11上各个相邻气隙同样应当均匀分布，从而保证感应磁场分布的均匀性。

此外，各个气隙13中应当设置绝缘垫片和绝缘胶体，以保证气隙13的绝缘性能。

基于上述论述，本申请中所提供的磁感器件可以应用于电感器也可以应用于变压器，本申请的磁感器件应用于电感器还是应用于变压器，都能够在很大程度上减小扁平绕组中的涡流电流，从而减小变压器或电感器的涡流损失，提升变压器和电感器的能量传输效率，满足目前工业中对变压器和电感器较高工作性能的需求。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种磁感器件，其特征在于，包括：磁芯部件和扁平绕组；

所述磁芯部件包括柱形的第一磁芯以及和所述第一磁芯的首尾两端相连共同形成至少一个回字型磁芯结构的第二磁芯；

多组所述扁平绕组逐层贴合叠加设置且每组所述扁平绕组均绕设于所述第一磁芯；

还包括设置在所述第二磁芯上的气隙，且所述气隙所在面平行于各组所述扁平绕组的叠加方向。

2.如权利要求1所述的磁感器件，其特征在于，所述扁平绕组为环形平板导体，各个所述环形平板导体沿所述第一磁芯长度方向依次堆叠设置；且各个所述环形平板导体均套接于所述第一磁芯；

所述气隙设置于所述第二磁芯中和所述第一磁芯的两端相连接的两条磁芯上，且所述气隙所在面和所述环形平板导体相垂直。

3.如权利要求2所述的磁感器件，其特征在于，所述第二磁芯的厚度大于所述第一磁芯的厚度；所述气隙为以所述第一磁芯为中心轴的多个同心设置的筒状气隙结构。

4.如权利要求1所述的磁感器件，其特征在于，所述扁平绕组为筒状结构导体，各个所述圆筒结构导体以所述第一磁芯为中心依次套叠设置；

所述气隙设置于所述回字型磁芯结构中所述第二磁芯上和所述第一磁芯相对的一条磁芯上；所述气隙还设置在所述第一磁芯上；且所述气隙所在平面和所述第一磁芯的长度方向垂直。

5.如权利要求1至4任一项所述的磁感器件，其特征在于，各层所述扁平绕组中的最外层扁平绕组和所述回字型磁芯结构的内壁之间的间距大于相邻两个所述气隙之间间距的一半；

其中，所述最外层扁平绕组和所述回字型磁芯结构的内壁之间的间距为所述回字型磁芯结构和所述最外层扁平绕组平行且距离最近的内壁与所述最外层扁平绕组之间的距离。

6.如权利要求5所述的磁感器件，其特征在于，多个相邻的所述气隙之间均匀分布。

7.如权利要求5所述的磁感器件，其特征在于，所述扁平绕组为面状铜箔或者PCB绕组；气隙中填充有绝缘垫片或绝缘胶体。

8.一种电感器，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的磁感器件。

9.一种变压器，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的磁感器件。

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