CN116959856A - 一种磁芯、磁性元件及功率转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁芯、磁性元件及功率转换装置，其中的磁芯至少有一部分结构包括多根芯线，所述多根芯线由磁性材料制得，所述多根芯线中至少有一部分芯线相互绞绕在一起。本发明多根芯线相互绞绕在一起有利于磁芯中的磁阻分布均匀，进而使得磁芯中的磁通密度分布均匀，以减小磁芯的磁滞损耗，有利于提高功率转换装置的效率。

Description

一种磁芯、磁性元件及功率转换装置

技术领域

本申请涉及磁芯技术领域，尤其涉及一种磁芯、磁性元件及功率转换装置。

背景技术

几乎所有的功率转换装置中都离不开变压器、电感这样的磁性元件，而所有的磁芯元件中必须包括磁芯。当前的磁芯均采用磁性材料一体成型，因此沿不同磁通路径的磁阻不同，导致磁芯中磁通密度分布不均匀，即磁阻较小的位置磁通密度较大、磁阻较大的位置磁通密度较小，进而导致磁芯中的损耗分布不均，产生较大的磁滞损耗。

此外，很多磁芯所用的材料本身是具有导电性的，因此在交流磁场条件下工作时，磁芯中会产生感应电流，并且会产生形如I²R的涡流损耗，尤其是在高频条件下涡流损耗更为明显。其他一些非导电的磁性材料，在很高的频率时也很容易受到涡流的影响，进而产生相应的涡流损耗。当前，功率转换装置中所采用的磁芯以一体成型的居多，因此，容易导致磁芯中存在较大的涡流损耗。

现有技术中，减小涡流损耗的方法为采用多个独立的片状磁性材料构成层叠式磁芯，空间磁场对每个层叠结构产生感应电动势，减小了涡流产生的路径，对涡流损耗产生障碍，进而可减小磁芯的涡流损耗。但是层叠式磁芯的层叠结构数量非常有限，并且各层叠结构之间的绝缘材料会导致磁芯体积大幅增加，因此难以有效降低磁芯的涡流损耗。

发明内容

有鉴如此，本发明要解决的技术问题是提供一种磁芯、磁性元件及功率转换装置，在一定程度上克服上述现有技术中至少一种缺陷。

作为本发明的第一个方面，所提供的磁芯的技术方案的实施例如下：

一种磁芯，其中：至少有一部分结构包括多根芯线，所述多根芯线由磁性材料制得，所述多根芯线中至少有一部分芯线相互绞绕在一起。

优选地，所述多根芯线中每根芯线的横截面为圆形、矩形、三角形或菱形。

进一步地，所述多根芯线中每根芯线进行了绞绕。

进一步地，所述磁芯全部结构包括所述多根芯线。

进一步地，所述多根芯线中全部芯线相互绞绕在一起。

进一步地，所述磁芯全部结构包括所述多根芯线，且所述多根芯线中全部芯线相互绞绕在一起。

进一步地，所述多根芯线中部分芯线或者全部芯线外表面包裹有绝缘层。

优选地，所述磁芯的一个剖面为环形或者日字型。

作为本发明的第二个方面，所提供的磁性元件的技术方案的实施例如下：

一种磁性元件，其中：包括上述第一个方面中任一项所述磁芯。

作为本发明的第三个方面，所提供的功率转换装置的技术方案的实施例如下：

一种功率转换装置，其中：包括上述第二个方面中所述磁性元件。

本申请的工作原理结合具体的实施方式进行详细分析，在此不赘述，本申请的有益效果如下：

(1)本申请实施例的磁芯至少有一部分结构包括多根芯线，并且其中至少有一部分芯线相互绞绕在一起，多根芯线相互绞绕在一起有利于磁芯中的磁阻分布均匀，进而使得磁芯中的磁通密度分布均匀，以减小磁芯的磁滞损耗，有利于提高功率转换装置的效率；

(2)本申请实施例的磁芯多根芯线中部分芯线或者全部芯线外表面包裹有绝缘层，绝缘层能将相关线芯通过绝缘材料进行隔开，空间磁场对相关芯线产生感应电动势，从而减小了涡流产生的路径，对涡流损耗产生障碍，以减小磁芯的涡流损耗，有利于进一步提高功率转换装置的效率。

附图说明

图1为本申请第二实施例中第一种磁性元件的3维示意图；

图1A为图1中磁性元件的俯视图；

图1B为图1中磁性元件的截面正视图；

图1C为图1中磁性元件的截面左视图；

图1D为图1A所对应截面的磁通密度分布图；

图1E为图1B所对应的磁通密度分布图；

图1F为图1C所对应的磁通密度分布图；

图2为图1的磁芯元件芯线未采用绞绕方式的3维示意图；

图2A为图2中磁性元件的俯视图；

图2B为图2中磁性元件的截面正视图；

图2C为图2中磁性元件的截面左视图；

图2D为图2A所对应截面的磁通密度分布图；

图2E为图2B所对应的磁通密度分布图；

图2F为图2C所对应的磁通密度分布图；

图3为本申请第二实施例中第二种磁性元件的3维示意图；

图3A为图3中磁性元件的俯视图；

图3B为图3中磁性元件的截面正视图；

图3C为图3中磁性元件的芯线截面图；

图3D为图3A所对应截面的磁通密度分布图；

图3E为图3B所对应的磁通密度分布图；

图4为图3的磁芯元件芯线未采用绞绕方式的3维示意图；

图4A为图4中磁性元件的俯视图；

图4B为图4中磁性元件的截面正视图；

图4C为图4A所对应截面的磁通密度分布图；

图4D为图4B所对应的磁通密度分布图；

图5为本申请第二实施例中第三种磁性元件的3维示意图；

图5A为图5去掉顶盖后的俯视图；

图5B为图5对应中柱芯线截面图；

图5C为图5截面正视图；

图6为本申请第二实施例中第四种磁性元件的3维示意图；

图6A为图6去掉顶柱后的俯视图；

图6B为图6对应中柱芯线截面图；

图6C为图6截面正视图；

图6D为图6截面左视图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式和说明书附图对本发明及其有益效果作进一步详细说明，但是，本发明的具体实施方式并不局限于此。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”等通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方面的方向而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

第一实施例

本实施例提供的为一种磁芯，其中：至少有一部分结构包括多根芯线，多根芯线由磁性材料制得，多根芯线中至少有一部分芯线相互绞绕在一起。

其中，至少有一部分结构中的一部分结构指的是磁芯的任意一部分，例如环形磁芯指的是磁芯的任意一段长度的弧段，日字型磁芯指的是顶盖、底盖、中柱、第一边柱和第二边柱中之一的一部分或者全部，或者是顶盖、底盖、中柱、第一边柱和第二边柱中之一的一部分或者全部进行任意组合。

其中，多根芯线的数量、磁性材料的选择、需要绞绕的芯线的数量和相互绞绕具体的加工方法本发明不做限制，本领域的技术人员可以根据需要自行制定方案。

此外，需要相互绞绕的所有芯线各个芯线的长度可以保持一致，也可以不一致，需要相互绞绕的所有芯线可以以任意方式排布后再进行绞绕，并且需要相互绞绕的所有芯线之间可以以任何角度进行绞绕，绞绕后的横截面可以为任一形状，例如可以为圆形、矩形、三角形或菱形等。

上述所有芯线之间可以以任何角度进行相互绞绕的角度是指芯线之间的绞绕方式，例如以环形磁芯为例，每根线绕着圆环的中心旋转360°、720°回到起始点，各根线之间环绕圆环中心的旋转的角度可以单独定义。

相互绞绕一般的加工方法是将需要相互绞绕的芯线进行排布后绕绞合轴线旋转的同时沿轴线方向前进而实现的，包括退扭和不退扭两种方式：

退扭绞绕：指在整个绞绕过程中单根芯线(或需要绞绕的所有芯线)本身不扭转。

不退扭绞绕：绞合过程中，每绞一个节距，单根芯线(或需要绞绕的所有芯线)自身要扭转360°，即绞合时单根芯线(或需要绞绕的所有芯线)绕中心轴线公转一周时，单根芯线(或需要绞绕的所有芯线)本身也自转一周。

本实施例的磁芯至少有一部分结构包括多根芯线，并且其中至少有一部分芯线相互绞绕在一起，多根芯线相互绞绕在一起有利于磁芯中的磁阻分布均匀，进而使得磁芯中的磁通密度分布均匀，以减小磁芯的磁滞损耗。

需要说明的是，本实施例的磁芯至少有一部分结构包括多根芯线，多根芯线由磁性材料制得，多根芯线中至少有一部分芯线相互绞绕在一起，剩余部分采用何种磁性材料、何种加工方法本发明不做限制，本领域的技术人员可以根据需要自行制定方案。

优选地，多根芯线中每根芯线的横截面为圆形、矩形、三角形或菱形，具体选择什么形状，本发明不做限制。

进一步地，多根芯线中每根芯线进行了绞绕，即多根芯线中每根芯线先单独进行绞绕，然后再将需要绞绕的芯线排布后进行相互绞绕，多根芯线中每根芯线先单独进行绞绕的目的也是使得磁阻分布均匀，每根芯线进行绞绕的角度可以任意设置，具体选择什么角度，本发明不做限制，此处每根芯线进行绞绕的角度与上述所有芯线之间可以以任何角度进行绞绕的角度两个角度的含义相同。

进一步地，磁芯全部结构包括上述多根芯线，减小磁芯的磁滞损耗效果会更好。

进一步地，多根芯线中全部芯线相互绞绕在一起，减小磁芯的磁滞损耗效果也会更好。

进一步地，磁芯全部结构包括所述多根芯线，且多根芯线中全部芯线相互绞绕在一起，此时减小磁芯的磁滞损耗效果理论上最优。

进一步地，多根芯线中部分芯线或者全部芯线外表面包裹有绝缘层，绝缘层能将相关线芯通过绝缘材料进行隔开，空间磁场对相关芯线产生感应电动势，从而减小了涡流产生的路径，对涡流损耗产生障碍，以减小磁芯的涡流损耗，当多根芯线中全部芯线外表面包裹有绝缘层时减小磁芯的涡流损耗效果理论上最优。

优选地，磁芯的一个剖面为环形或者日字型，需要说明的是，由于磁芯本身可以设计为异型结构，此外本发明的磁芯至少有一部分结构包括多根芯线，且其中至少有一部分芯线相互绞绕在一起，因此，磁芯的剖面可能不是标准的圆环形或者日字型，本发明磁芯的一个剖面无论是否为标准的圆环形或者日字型，只要磁芯的一个剖面封闭均视为环形，只要磁芯的一个剖面与“日”子相似均视为日字型。

第二实施例

本实施例提供的为一种磁性元件，其中：包括上述第一实施例中任一项所述磁芯。

图1所示为本申请第二实施例中第一种磁性元件的3维示意图、图1A为图1中磁性元件的俯视图、图1B为图1中磁性元件的截面正视图、图1C为图1中磁性元件的截面左视图，图1D为图1A所对应截面的磁通密度分布图、图1E为图1B所对应的磁通密度分布图、图1F为图1C所对应的磁通密度分布图，图1D～图1F为利用有限元仿真后所得，仿真时在绕组中注入100kHz、4.5A、5匝的电流激励，仿真图中的B为磁通密度，单位为mTesla(毫特斯拉)，Min表示最小值，Max表示最大值。该第一种磁性元件为电感，包含两根芯线相互绞绕而成的环形磁芯100，磁芯的全部结构包括多根芯线，多根芯线中全部芯线相互绞绕在一起，磁芯结构的一个剖面为环形，两根芯线绕圆环旋转一周并螺旋绞绕180°后，形成对应的磁芯，两根芯线外均包裹相应的绝缘层，通过在磁芯上缠绕一圈绕组200构成电感。

图2～图2F为与图1～图1F逐一对应的对比例，其中磁芯元件芯线未采用绞绕方式，其中的两根芯线绕圆环平行旋转一周后形成对应的磁芯100，两根芯线之间的螺旋绞绕角度0°，两根芯线外也均包裹相应的绝缘层，通过在磁芯上缠绕一个绕组200成为电感。

从图1～图1C可以看出，对于该磁芯，圆环外侧的芯线可经过一定螺旋绞绕至圆环内侧，使得圆环内侧的磁阻不总是小于圆环外侧，进而使得该利兹磁芯的磁阻分布相对均匀；从图2～图2C可以看出，对于该磁芯，圆环外侧的磁芯磁路更长，圆环内侧的磁芯磁路更短。因此，圆环内侧和外侧的磁阻分布不均，且越是往外侧对应的磁阻越大。

从图1D的磁芯截面俯视图所对应的磁通密度分布图可以看出，在靠近圆环内侧的磁通密度总体比外侧的磁通密度要大，但是从总体来看圆环内侧的磁通密度大体分布均匀，图1E和图1F相关磁通密度的分布趋势与图1E相类似，图1D～图1F的仿真结果中，电感值为18.361μH，利兹磁芯的损耗为4.8494W；从图2D的磁芯截面俯视图所对应的磁通密度分布图可以看出，圆环内侧磁通密度要远大于外侧的磁通密度，且较高的磁通密度主要集中于圆环内侧很小的区域，进而可以推断圆环内侧的磁滞损耗较大，图2E和图2F相关磁通密度的分布趋势与图2D相类似，图2D～图2F的仿真结果中，电感值为18.94μH，磁芯损耗为5.2807W。

通过对比图1D～图1F和图2D～图2F的仿真结果可知，本实施例中第一种磁性元件其中包含两根芯线相互绞绕而成的环形磁芯，与现有技术的芯线未采用绞绕方式的双圆环磁芯相比，可以在一定程度上均匀磁芯的磁阻，使得磁芯的磁通密度分布更为均匀，进而降低磁芯的损耗。

图3为本申请第二实施例中第二种磁性元件的3维示意图，图3A为图3中磁性元件的俯视图、图3B为图3中磁性元件的截面正视图、图3C为图3中磁性元件的芯线截面图、图3D为图3A所对应截面的磁通密度分布图、图3E为图3B所对应的磁通密度分布图，图3D～图3E为利用有限元仿真后所得，仿真时在绕组中注入500kHz、3A、1匝的电流激励，仿真图中的B为磁通密度，单位为mTesla(毫特斯拉)，Min表示最小值，Max表示最大值。该第二种磁性元件为电感，与第一种磁性元件不同之处为增加了芯线100的数量，多根芯线绕圆环旋转一周并螺旋绞绕720°后，形成对应其中的磁芯，各芯线外均包裹相应的绝缘层，通过在磁芯上缠绕6圈绕组200成为电感。

图4、图4A、图4B、图4C、图4D为分别与图3、图3A、图3B、图3D、图3E对应的对比例，其中磁芯元件芯线未采用绞绕方式。

从图3～图3C可以看出，对于该利兹磁芯，多根芯线绕圆环相互螺旋绞绕后使得该利兹磁芯的磁阻分布更均匀；从图4～图4B可以看出，对于该磁芯100，圆环外侧的磁芯磁路更长，圆环内侧的磁路更短。因此，圆环内侧和外侧的磁阻分布不均，且越是往外侧对应的磁阻越大。

从图3D的磁芯截面俯视图所对应的磁通密度分布图可以看出，圆环内的磁通密度相对分布均匀，图3E的利兹磁芯截面正视图其相关磁通密度的分布趋势与图3D相类似，圆环内各芯线上的磁通密度相差不大；从图4C的磁芯截面俯视图所对应的磁通密度分布图可以看出，圆环内侧磁通密度要远大于外侧的磁通密度，且较高的磁通密度主要集中于圆环内侧很小的区域，进而可以推断圆环内侧的磁滞损耗较大，从图4D的利兹磁芯截面正视图，其相关磁通密度的分布趋势与图4C相类似，靠近圆环内侧的磁通密度较大。

通过对比图3～图3E和图4～图4D的仿真结果可知，本实施例中第一种磁性元件其中包含多根芯线相互绞绕而成的环形磁芯，与现有技术的单圆环磁芯相比，可以在很大的程度上均匀磁芯的磁阻，使得磁芯的磁通密度分布更为均匀。

图5为本申请第二实施例中第三种磁性元件的3维示意图，图5A为图5去掉顶盖后的俯视图、图5B为图5对应中柱芯线截面图、图5C为图5截面正视图。该磁性元件为电感或者变压器，其中的磁芯的部分结构(即中柱101的全部)包括多根芯线，多根芯线中全部芯线相互绞绕在一起，磁芯结构的一个剖面为日字型，其中中柱101为柱状，顶盖102、底盖103、第一边柱104和第二边柱105为立方体状，多根芯线绕中柱101中心线螺旋绞绕720°，各芯线外均包裹相应的绝缘层，其余各部分结构均为一体化，磁芯各部位放置绕组，构成对应的变压器或者电感。

图5～图5C的磁性元件磁芯中柱采用多根线芯相互绞绕形成，可避免中柱101磁通密度分布不局所导致的磁芯损耗较大的问题，本领域的技术人员可以自行通过有限元仿真进行验证。

图6为本申请第二实施例中第四种磁性元件的3维示意图、图6A为图6去掉顶柱后的俯视图、图6B为图6对应中柱芯线截面图、图6C为图6截面正视图、图6D为图6截面左视图，与上述第三种磁性元件不同之处在于其中的磁芯的全部结构(即中柱101的全部、顶柱102的全部、底柱103的全部、第一边柱104的全部和第二边柱105的全部)包括多根全部相互绞绕在一起的芯线，另外顶住102、底柱103、第一边柱104和第二边柱105的形状均为柱状。

图6～图6D的磁性元件磁芯中全部结构均采用多根线芯相互绞绕形成，可避免磁芯中磁通密度分布不均所导致的磁芯损耗较大的问题，本领域的技术人员可以自行通过有限元仿真进行验证。

第三实施例

本实施例提供的为一种功率转换装置，其中：包括上述第二实施例中任一项所述磁性元件。

本实施例的功率转换装置由于包括上述第二实施例中任一项所述磁性元件，较采用现有技术磁性元件的功率转换装置有如下有益效果：

(1)磁性元件中的磁芯至少有一部分结构包括多根芯线，并且其中至少有一部分芯线相互绞绕在一起，多根芯线相互绞绕在一起有利于磁芯中的磁阻分布均匀，进而使得磁芯中的磁通密度分布均匀，以减小磁芯的磁滞损耗，从而有利于提高功率转换装置的效率；

(2)磁性元件中的磁芯多根芯线中部分芯线或者全部芯线外表面包裹有绝缘层，绝缘层能将相关线芯通过绝缘材料进行隔开，空间磁场对相关芯线产生感应电动势，从而减小了涡流产生的路径，对涡流损耗产生障碍，以减小磁芯的涡流损耗，，有利于进一步提高功率转换装置的效率。

由技术常识可知，本申请可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本申请范围内或在等同于本申请的范围内的改变均被本申请包含。

Claims (10)

1.一种磁芯，其特征在于：至少有一部分结构包括多根芯线，所述多根芯线由磁性材料制得，所述多根芯线中至少有一部分芯线相互绞绕在一起。

2.根据权利要求1所述磁芯，其特征在于：所述多根芯线中每根芯线的横截面为圆形、矩形、三角形或菱形。

3.根据权利要求1所述磁芯，其特征在于：所述多根芯线中每根芯线进行了绞绕。

4.根据权利要求1所述磁芯，其特征在于：所述磁芯全部结构包括所述多根芯线。

5.根据权利要求1所述磁芯，其特征在于：所述多根芯线中全部芯线相互绞绕在一起。

6.根据权利要求1所述磁芯，其特征在于：所述磁芯全部结构包括所述多根芯线，且所述多根芯线中全部芯线相互绞绕在一起。

7.根据权利要求6所述磁芯，其特征在于：所述多根芯线中部分芯线或者全部芯线外表面包裹有绝缘层。

8.根据权利要求1所述磁芯，其特征在于：所述磁芯的一个剖面为环形或者日字型。

9.一种磁性元件，其特征在于：包括权利要求1至8任一项所述磁芯。

10.一种功率转换装置，其特征在于：包括权利要求9所述磁性元件。