CN217157907U - 一种磁集成结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁集成结构，包括：环型磁芯和一对U型磁芯，一对U型磁芯包括第一U型磁芯和第二U型磁芯；其中，第一U型磁芯安装于环型磁芯侧面的上部，第二U型磁芯安装于环型磁芯侧面的下部，第一U型磁芯和第二U型磁芯开口相对布置，环型磁芯左端部和右端部分别绕制高频变压器的初级绕组和次级绕组；环型磁芯的材质为磁各向异性材质，环型磁芯的环向和轴向的磁导率高于其径向的磁导率。本实用新型在环型磁芯上方和下方设置一对U型磁芯，电感磁通将部分从一个U型磁芯流向另一个U型磁芯，从而减少电感磁通垂直穿过环型磁芯的磁通大小，降低磁芯涡流损耗尤其是高频涡流损耗，提高效率。

Description

一种磁集成结构

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域，具体涉及一种磁集成结构。

背景技术

在航空航天、电动汽车、光伏发电等诸多领域中，电力电子变换器是必不可少的部件。

变压器、电感器是电力电子变换器中广泛用到的基础磁元件。现有技术中，行业内正致力于运用磁集成技术将多个不同磁元件集成在一起形成磁集成结构，从而缩小磁元件的尺寸、降低磁元件的损耗、降低磁元件的成本，最终达到提高电力电子变换器的功率密度。

现有的磁集成结构往往存在高频涡流损耗大的缺点，因此，亟需提供一种高频涡流损耗小的磁集成结构。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的在于：提供一种体积较小的、无需电感绕组的磁集成结构。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种磁集成结构，包括：环型磁芯和一对U型磁芯，一对U型磁芯包括第一U型磁芯和第二U型磁芯；

其中，所述的第一U型磁芯安装于环型磁芯侧面的上部，所述的第二U型磁芯安装于环型磁芯侧面的下部，所述的第一U型磁芯和第二U型磁芯开口相对布置，所述的环型磁芯左端部和右端部分别绕制高频变压器的初级绕组和次级绕组；

所述的环型磁芯的材质为磁各向异性材质，所述的环型磁芯的环向和轴向的磁导率高于其径向的磁导率。

进一步地，所述的环型磁芯呈圆环柱形状，所述的环型磁芯侧面的上部穿过所述的第一U型磁芯的U型桥洞，所述的环型磁芯侧面的下部穿过所述的第二U型磁芯的U型桥洞；所述的第一U型磁芯和所述的第二U型磁芯均布置于环型磁芯的左右对称面上，所述的第一U型磁芯的U型面和所述的第二U型磁芯的U型面均垂直于所述的环型磁芯的环平面。

进一步地，所述的第一U型磁芯和所述的第二U型磁芯的材质均为磁各向同性材质，所述的第一U型磁芯为整体结构或者为多个U形的片状磁芯叠置而成，所述的第二U型磁芯为整体结构或者为多个U形的片状磁芯叠置而成。

进一步地，所述的环型磁芯的材质为纳米晶带材或者纳米非晶带材，所述的第一U型磁芯和所述的第二U型磁芯的材质均为铁氧体。

进一步地，所述的环型磁芯由沿其轴向排列的片状环型磁芯单元叠制而成，相邻片状环型磁芯单元之间用绝缘材料隔开。

进一步地，所述的初级绕组和所述的次级绕组左右对称布置且各自在所述的环型磁芯上绕制所形成的扇形区的圆心角θ≥150°。

进一步地，所述的第一U型磁芯的U型桥洞的内底面距所述的环型磁芯的最短距离为a，所述的第一U型磁芯的U型桥洞的内侧面距所述的环型磁芯的最短距离为b；

所述的第二U型磁芯的U型桥洞的内底面距所述的环型磁芯的最短距离为a，所述的第二U型磁芯的U型桥洞的内侧面距所述的环型磁芯的最短距离为b；

a大于b。

进一步地，所述的第一U型磁芯的两个侧面的最低点高于环型磁芯的内环且第一U型磁芯的两个侧面的最低点距环型磁芯的内环的最短距离为c；

所述的第二U型磁芯的两个侧面的最高点低于环型磁芯的内环且第二U型磁芯的两个侧面的最高点距环型磁芯的内环的最短距离为c；

0mm＜c＜12mm。

进一步地，还包括安装于所述的环型磁芯外周的绝缘护壳，所述的第一U型磁芯、所述的第二U型磁芯均卡装于所述的绝缘护壳上。

进一步地，所述的片状环型磁芯单元的尺寸如下：外径为360mm、内径为140mm、厚度为20mm。

基于上述结构的磁集成结构，本实用新型具有如下技术效果：

1)在环型磁芯上方和下方设置一对U型磁芯(第一U型磁芯和第二U型磁芯)，而第一U型磁芯和第二U型磁芯在平行于电感磁通方向的磁导率高、损耗低，电感磁通将部分从一个U型磁芯流向另一个U型磁芯，从而减少电感磁通垂直穿过环型磁芯的磁通大小，降低磁芯涡流损耗尤其是高频涡流损耗，提高效率。

2)本实用新型的的环型磁芯由磁各向异性材质卷绕而成，采用磁各向异性材质，具有损耗较低、饱和磁通密度较高的特点。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例所提供的磁集成结构的主视图。

图2是本实用新型实施例所提供的磁集成结构的变压器磁通及漏磁通示意图。

图3是本实用新型实施例所提供的磁集成结构的左视图，图中略去初级绕组和次级绕组。

图4为本实用新型实施例所提供的第一U型磁芯、第二U型磁芯和环型磁芯组合的主视图。

附图标记中：1-初级绕组、2-次级绕组、3-一对U型磁芯、31-第一U型磁芯、32-第二U型磁芯、4-环型磁芯、5-片状环型磁芯单元、6-绝缘材料。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在介绍本实用新型及其原理之前，首先介绍一下影响磁芯磁损的主要因素。根据斯坦梅茨公式，磁芯工作时单位体积的损耗为：P＝K_c*f^α*B_max ^β，这里B_max是外部正弦激励时外部磁感应强度的峰值；f为外部磁场的工作频率；K_c、α、β是一个常量。磁芯损耗又具体分为磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗，高频下涡流损耗在总损耗中占据相当大比重。

如图1所示，本实用新型实施例提供的磁集成结构包括一环型磁芯4和一对U型磁芯3，一对U型磁芯3包括第一U型磁芯31和第二U型磁芯32；

其中，第一U型磁芯31安装于环型磁芯4侧面的上部，第二U型磁芯32安装于环型磁芯4侧面的下部，第一U型磁芯31和第二U型磁芯32开口相对布置，环型磁芯4左端部和右端部分别绕制高频变压器的初级绕组1和次级绕组2；所述的环型磁芯4的材质为磁各向异性材质，所述的环型磁芯4的环向和轴向的磁导率高于其径向的磁导率。

从以上内容可以看出：

1、本实用新型在环型磁芯4上方和下方设置一对U型磁芯3(第一U型磁芯31和第二U型磁芯32)，而第一U型磁芯31和第二U型磁芯32在平行于电感磁通方向的磁导率高、损耗低，电感磁通将部分从一个U型磁芯流向另一个U型磁芯，从而减少电感磁通垂直穿过环型磁芯的磁通大小，降低磁芯涡流损耗尤其是高频涡流损耗，提高效率。

2、本实用新型的的环型磁芯4由磁各向异性材质卷绕而成，采用磁各向异性材质，具有损耗较低、饱和磁通密度较高的特点。

3、本实用新型的整个磁集成结构仅需环型磁芯4和一对U型磁芯3(由第一U型磁芯31和第二U型磁芯32组成)，在环型磁芯4上绕制初级绕组1和次级绕组2，无需电感绕组。整体结构简易，体积较小，磁损耗较小，易于制作且成本更为低廉。

另外，基于上述结构的磁集成结构，变压器磁通及漏磁通图如图2所示。环型磁芯4的漏磁场产生的磁通主要集中于其上部和下部未被绕制绕组所覆盖的区域。第一U型磁芯31和第二U型磁芯32开口相对地在此区域将环型磁芯包裹，电感磁通将部分从一对U型磁芯3中的一个U型磁芯流向另一个U型磁芯，从而减少漏磁通垂直穿过(即从径向穿过)环型磁芯4的磁通(即斯坦梅茨公式中的B_max)大小，从而降低磁芯涡流损耗，尤其是高频涡流损耗。

为了便于制作并取得较好的降低损耗效果，环型磁芯4通常为圆环型磁芯(即整个环型磁芯4呈圆环柱形状)，环型磁芯4侧面的上部穿过第一U型磁芯31的U型桥洞，环型磁芯4侧面的下部穿过第二U型磁芯32的U型桥洞；第一U型磁芯31和第二U型磁芯32位于该圆环型磁芯的左右对称面上，且第一U型磁芯31和第二U型磁芯32的U型平面均垂直于环型磁芯4的环平面。上述这样设置，可以进一步降低磁芯涡流损耗，尤其是高频涡流损耗。

作为上述实施例的进一步优选方案，环型磁芯4的材质为纳米晶、纳米非晶带材等磁各向异性材质。这样设置的原因在于：磁各向异性材质具有损耗较低、饱和磁通密度较高的特点。优选地，这里的环型磁芯4由磁各向异性材质卷绕而成，由于磁各向异性材质的特性，环型磁芯4沿环向和轴向的磁导率高、磁损耗较小，沿环型磁芯4的径向磁导率小、磁损耗较高，环型磁芯4的材质优选为纳米晶带材或者纳米非晶带材。第一U型磁芯31和第二U型磁芯32的材质均为铁氧体等磁各向同性材质，第一U型磁芯31(或第二U型磁芯32)可以为整体结构，也可以为多个U形的片状磁芯叠置而成。

作为上述实施例的进一步优选，如图3所示，环型磁芯4由多个沿环型轴向(即图1中的前后方向)叠制而成的片状环型磁芯单元5组成，相邻片状环型磁芯单元5之间用绝缘材料6隔开。此外，初级绕组1和次级绕组2左右对称布置且各自在所述的环型磁芯4上绕制所形成的扇形区的圆心角θ≥150°。尽量增大初次级绕组2在环型磁芯4上形成的扇形区域圆心角θ，优选控制θ≥150°。通过该方式，能够尽量减少第一U型磁芯31和第二U型磁芯32的漏磁沿轴向和环向尺寸(即减少漏磁部面积的大小)来减少涡流损耗。

这里需要阐述的是，在上述实施例所介绍的磁集成结构基本结构的基础上，本实用新型对各组成的尺寸和相对位置进行进一步优化设置如下：对于第一U型磁芯31和第二U型磁芯32中的任一U型磁芯，其U型桥洞的内底面距环型磁芯的最短距离为a，其U型桥洞的内侧面距环型磁芯的最短距离b，本实用新型中设置a，b两者的大小关系为a大于b，这样设置的好处在于：当a大于b时，可更好地减少涡流损耗，如图3所示。

此外，作为上述实施例的进一步优选，如图4所示：第一U型磁芯31的两个侧面的最低点高于环型磁芯4的内环且第一U型磁芯31的两个侧面的最低点距环型磁芯4的内环的最短距离为c；第二U型磁芯32的两个侧面的最高点低于环型磁芯4的内环且第二U型磁芯32的两个侧面的最高点距环型磁芯4的内环的最短距离为c；本实用新型中设置c的大小关系如下：0mm＜c＜12mm，优选地0mm＜c＜10mm，；这样设置的好处在于：当c满足0mm＜c＜10mm时，可在减少涡流损耗和减少U型磁芯两个方面取得较好的平衡。

为了保证环型磁芯4和第一U型磁芯31以及第二U型磁芯32之间位置的相对固定，第一U型磁芯31和第二U型磁芯32均可采用任何公知的方式直接或间接地安装于环型磁芯4上。例如，在环型磁芯4外周安装绝缘护壳(图1、图2、图3中均未示出绝缘护壳)，用以对环型磁芯4进行防护，第一U型磁芯31和第二U型磁芯32均卡装于绝缘护壳上。当然，也可以对环型磁芯4和第一U型磁芯31(或第二U型磁芯32)进行整体灌装。

这里同时给出本实用新型实施例的试验结果：基于上述磁集成结构的基本结构，选用3个外径360mm、内径140mm、厚度为20mm的片状环型磁芯单元5(纳米晶材质)叠加，片状环型磁芯单元5为圆环型且之间用绝缘材料6隔开，然后置于绝缘护壳中，一对U型铁氧体磁芯沿环型磁芯4直径方向(即环型磁芯4的正上、正下方向)、对称对向地包裹于环型磁芯4绝缘护壳上，U型铁氧体磁芯的U型桥洞底部距环型磁芯4的最近距离为10mm，U型铁氧体磁芯的U型桥洞内侧部距环型磁芯4的最近距离为4mm，环型磁芯4左右两侧分别绕制变压器的初级绕组1和次级绕组2，初级绕组1和次级绕组2在环型磁芯4上形成的扇形区域圆心角θ基本相当，且θ＝150°，初级绕组1和次级绕组2均使用Ф0.1mm*2500股多股圆铜线四根并绕，各12匝，所得磁集成结构应用于开关频率f＝3kHz的电路中，实测变压器功率60kW，电感值50uH，磁集成结构总损耗为280W，效率达到99.5％。

从以上试验结果可以看出：本实用新型所提供的磁集成结构具有如下优点：降低磁芯涡流损耗尤其是高频涡流损耗，提高效率。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种磁集成结构，其特征在于，包括：环型磁芯(4)和一对U型磁芯(3)，一对U型磁芯(3)包括第一U型磁芯(31)和第二U型磁芯(32)；

其中，所述的第一U型磁芯(31)安装于环型磁芯(4)侧面的上部，所述的第二U型磁芯(32)安装于环型磁芯(4)侧面的下部，所述的第一U型磁芯(31)和第二U型磁芯(32)开口相对布置，所述的环型磁芯(4)左端部和右端部分别绕制高频变压器的初级绕组(1)和次级绕组(2)；

所述的环型磁芯(4)的材质为磁各向异性材质，所述的环型磁芯(4)的环向和轴向的磁导率高于其径向的磁导率。

2.根据权利要求1所述的一种磁集成结构，其特征在于，所述的环型磁芯(4)呈圆环柱形状，所述的环型磁芯(4)侧面的上部穿过所述的第一U型磁芯(31)的U型桥洞，所述的环型磁芯(4)侧面的下部穿过所述的第二U型磁芯(32)的U型桥洞；所述的第一U型磁芯(31)和所述的第二U型磁芯(32)均布置于环型磁芯(4)的左右对称面上，所述的第一U型磁芯(31)的U型面和所述的第二U型磁芯(32)的U型面均垂直于所述的环型磁芯(4)的环平面。

3.根据权利要求2所述的一种磁集成结构，其特征在于，所述的第一U型磁芯(31)和所述的第二U型磁芯(32)的材质均为磁各向同性材质，所述的第一U型磁芯(31)为整体结构或者为多个U形的片状磁芯叠置而成，所述的第二U型磁芯(32)为整体结构或者为多个U形的片状磁芯叠置而成。

4.根据权利要求3所述的一种磁集成结构，其特征在于，所述的环型磁芯(4)的材质为纳米晶带材或者纳米非晶带材，所述的第一U型磁芯(31)和所述的第二U型磁芯(32)的材质均为铁氧体。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种磁集成结构，其特征在于，所述的环型磁芯(4)由沿其轴向排列的片状环型磁芯单元(5)叠制而成，相邻片状环型磁芯单元(5)之间用绝缘材料(6)隔开。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种磁集成结构，其特征在于，所述的初级绕组(1)和所述的次级绕组(2)左右对称布置且各自在所述的环型磁芯(4)上绕制所形成的扇形区的圆心角θ≥150°。

7.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种磁集成结构，其特征在于，所述的第一U型磁芯(31)的U型桥洞的内底面距所述的环型磁芯(4)的最短距离为a，所述的第一U型磁芯(31)的U型桥洞的内侧面距所述的环型磁芯(4)的最短距离为b；

所述的第二U型磁芯(32)的U型桥洞的内底面距所述的环型磁芯(4)的最短距离为a，所述的第二U型磁芯(32)的U型桥洞的内侧面距所述的环型磁芯(4)的最短距离为b；

a大于b。

8.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种磁集成结构，其特征在于，所述的第一U型磁芯(31)的两个侧面的最低点高于环型磁芯(4)的内环且第一U型磁芯(31)的两个侧面的最低点距环型磁芯(4)的内环的最短距离为c；

所述的第二U型磁芯(32)的两个侧面的最高点低于环型磁芯(4)的内环且第二U型磁芯(32)的两个侧面的最高点距环型磁芯(4)的内环的最短距离为c；

0mm＜c＜12mm。

9.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种磁集成结构，其特征在于，还包括安装于所述的环型磁芯(4)外周的绝缘护壳，所述的第一U型磁芯(31)、所述的第二U型磁芯(32)均卡装于所述的绝缘护壳上。

10.根据权利要求5所述的一种磁集成结构，其特征在于，所述的片状环型磁芯单元(5)的尺寸如下：外径为360mm、内径为140mm、厚度为20mm。

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