TW201528298A - 磁芯結構及電抗器 - Google Patents
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Abstract
本發明提供了一種磁芯結構及電抗器。磁芯結構包括相對布置的上蓋板和下蓋板以及兩端分別連接於上蓋板和下蓋板的至少一個繞線柱。其中,上蓋板及/或下蓋板的截面面積大於繞線柱的截面面積。上蓋板、下蓋板以及繞線柱由磁粉芯材料、非晶材料、奈米晶材料或矽鋼材料製成。由於上蓋板及/或下蓋板的截面面積大於繞線柱的截面面積,因此能給電感器或電抗器帶來優異的直流偏置特性,且具有更低的磁芯損耗。
Description
本發明涉及一種磁芯結構及電抗器。
用於開關電源的功率磁性器件,廣泛應用於電力電子領域,如:不斷電供應系統(UPS)、有源濾波器(APF)、靜態無功補償器(SVG)、太陽能逆變器、電源適配器或通信電源等領域。
開關電源頻率較高,通常所使用的磁性材料主要爲鐵氧體、磁粉芯、非晶、奈米晶、矽鋼等材料。在很多應用場合,電力電子産品會有電流過載的工作需求,即要求電力電子産品的過載電流大於額定電流,有時甚至高出額定電流很多倍,如UPS外接RCD負載時的工作狀態,其過載電流大於額定電流有效值2至3倍。在這種工作狀態下,磁性器件如電感器或電抗器仍然需要維持一定的電感量。因此,如果電感器或電抗器的感量隨負載電流變化而産生很大變化的話,會造成産品故障。
如圖1A和圖1B所示,傳統的電抗器或電感的磁芯結構,包括相對布置的上蓋板1、下蓋板2以及連接於上蓋板1和下蓋板2之間的兩個繞線柱3。通常每個繞線柱3與蓋板2之間設有氣隙4,氣隙4可以由玻璃纖維墊片等形成。
傳統的電抗器或電感的磁芯結構中,上蓋板1和下蓋板2的橫截面面積與繞線柱3的橫截面面積是基本相等的,直流偏置(DC-Bias)特性差,維持感量穩定能力不足。
在該先前技術部分揭露的上述訊息僅用於加强對本領域的理解,因此它可以包括不構成對本發明所屬技術領域中具有通常知識者已知的習知技術訊息。
本發明的一個目的在於針對上述先前技術的缺陷,提供一種具有良好感量穩定性的磁芯結構,其能給電感器或電抗器帶來優異的直流偏置特性,且具有更低的磁芯損耗。
本發明的另一個目的在於提供一種具有本發明磁芯結構的電抗器。
本發明的額外方面和優點將部分地在下面的描述中闡述,並且部分地將從描述中變得顯然,或者可以通過本公開的實踐而習得。
根據本發明的一個方面,本發明提供一種磁芯結構,包括相對布置的上蓋板和下蓋板以及兩端分別連接於該上蓋板和下蓋板的至少一個繞線柱。其中,該上蓋板或下蓋板的截面面積大於該繞線柱的截面面積。該上蓋板、該下蓋板以及該繞線柱由磁粉芯材料、非晶材料、奈米晶材料或矽鋼材料製成。
根據本發明的一實施方式,該繞線柱的直流偏置特性優於該上蓋板及/或下蓋板的直流偏置特性。
根據本發明的一實施方式,該繞線柱的損耗特性優於該上蓋板及/或下蓋板的損耗特性。
根據本發明的一實施方式,該上蓋板、下蓋板的厚度不小於該繞線柱的厚度,該上蓋板、下蓋板的高度大於該繞線柱的寬度。
根據本發明的一實施方式,該上蓋板、下蓋板的高度不小於該繞線柱的寬度,該上蓋板、下蓋板的厚度大於該繞線柱的厚度。
根據本發明的一實施方式,該上蓋板、下蓋板的橫截面面積與該繞線柱的橫截面面積的比例範圍爲1.1至3。
根據本發明的一實施方式,該繞線柱的橫截面形狀爲圓形、橢圓形或帶導角的矩形。
根據本發明的一實施方式,該繞線柱的數目爲2個、3個或5個。
根據本發明的一實施方式,該上蓋板、下蓋板的材料是鐵矽磁粉芯、鐵矽鋁磁粉芯、鐵磁粉芯,該繞線柱的材料是鐵矽磁粉芯或鐵鎳磁粉芯。
根據本發明的一實施方式,該上蓋板及/或下蓋板爲長方體狀。
根據本發明的一個方面,本發明提供一種電抗器,包括磁芯結構和至少一個繞組。其中該磁芯結構是本發明項所述之磁芯結構,該至少一個繞組分別繞設於該磁芯結構的至少一個繞線柱上。
根據本發明的一實施方式,該上蓋板、下蓋板的厚度不小於該繞線柱的厚度,該磁芯結構的上蓋板、下蓋板的高度大於該繞線柱的寬度。
根據本發明的一實施方式,該磁芯結構的上蓋板、下蓋板的厚度等於該繞線柱的厚度。
根據本發明的一實施方式,該繞組由金屬箔繞製而成。
根據本發明的一實施方式,該上蓋板、下蓋板的高度不小於該繞線柱的寬度,該磁芯結構的上蓋板、下蓋板的厚度大於該繞線柱的厚度。
根據本發明的一實施方式,該繞組由金屬線繞製而成。
由上述技術方案可知,本發明的磁芯結構的優點和積極效果在於:本發明磁芯結構中,由於上蓋板及/或下蓋板的截面面積大於繞線柱的截面面積,因此能給電感器或電抗器帶來優異的直流偏置特性和感量穩定性,且具有更低的磁芯損耗。
1‧‧‧上蓋板
2‧‧‧下蓋板
3‧‧‧繞線柱
4‧‧‧氣隙
5‧‧‧散熱風道
6‧‧‧柱子
10‧‧‧扁銅線
20‧‧‧金屬箔
A-A、B-B‧‧‧剖面線
H‧‧‧高度
T1、T2‧‧‧厚度
W‧‧‧寬度
圖1A是傳統的磁芯結構的結構示意圖。
圖1B是圖1A的左視圖。
圖2A是本發明的磁芯結構第一實施方式的結構示意圖。
圖2B是圖2A的左視圖。
圖3A是本發明的磁芯結構第二實施方式的結構示意圖。
圖3B是圖3A的左視圖。
圖4A是本發明的磁芯結構第三實施方式的結構示意圖。
圖4B是圖4A的左視圖。
圖5A是本發明的磁芯結構第四實施方式的結構示意圖。
圖5B是圖5A的左視圖。
圖6A是本發明的磁芯結構第五實施方式的結構示意圖。
圖6B是圖6A的左視圖。
圖7A是本發明的磁芯結構第六實施方式的結構示意圖。
圖7B是圖7A的左視圖。
圖8A是本發明的電抗器第一實施方式的結構示意圖。
圖8B是圖8A的俯視圖。
圖9是本發明的電抗器第一實施方式中在不同的橫截面面積比例下的DC-Bias曲線圖。
圖10是爲低頻功率電流叠加高頻紋波的電流樣式,UPS儲能電感的電流波形。
圖11A是本發明的電抗器第二實施方式的結構示意圖。
圖11B是圖11A的俯視圖。
圖12A是本發明的電抗器第三實施方式的結構示意圖。
圖12B是圖12A的俯視圖。
圖13A是本發明的電抗器第四實施方式的結構示意圖。
圖13B是圖13A的俯視圖。
圖14是本發明的電抗器第五實施方式的結構示意圖。
本發明的總體發明構思在於使磁芯結構的上蓋板及/或下蓋板的橫截面面積大於繞線柱的橫截面面積,從而改善使用該磁芯結構的電感器或電抗器的DC-Bias特性。
現在將參考圖式更全面地描述示例實施方式。然而,示例實施方式能夠以多種形式實施,且不應被理解爲限於在此闡述的實施方式;相反,提供這些實施方式使得本公開將全面和完整,並將示例實施方式的構思全面地傳達給本領域的技術人員。圖中相同的圖式標記表示相同或類似的結構,因而將省略它們的詳細描述。
所描述的特徵、結構或特性可以以任何合適的方式結合在一個或更多實施方式中。在下面的描述中,提供許多具體細節從而給出對本公開的實施方式的充分理解。然而,本領域技術人員將意識到,可以實踐本公開的技術方案而沒有該特定細節中的一個或更多,或者可以採用其它的方法、組件、材料等。在其它情况下,不詳細示出或描述公知結構、材料或者操作以避免模糊本公開的各方面。
磁芯結構實施方式1
參照圖2A和圖2B。本發明的磁芯結構第一實施方式,包括相對布置的上蓋板1、下蓋板2以及連接於上蓋板1和下蓋板2之間的兩個繞線柱3。
每個繞線柱3的上、下端部與蓋板2之間分別設有氣隙4。其中,繞線柱3的數目也可以只有一個或者多個;上蓋板1、下蓋板2和繞線柱3的形狀均爲長方體狀,當然不以此爲限,上蓋板1、下蓋板2或繞線柱3還可以是圓柱體等其它形狀。
上蓋板1的橫截面(即沿著圖2A中A-A線所作的剖面)面積大於繞線柱3的橫截面(即沿著圖2A中B-B線所作的剖面)面積;下蓋板2的橫截面面積大於繞線柱3的橫截面面積。
該磁芯結構第一實施方式中,上蓋板1的高度H大於或等於繞線柱3的寬度W,上蓋板1的厚度T1大於繞線柱3的厚度T2,下蓋板2的厚度T1大於繞線柱3的厚度T2。
上蓋板1、下蓋板2、繞線柱3的材料可以爲磁粉芯材料,當然不以此爲限,還可以是非晶材料、奈米晶材料或矽鋼材料。
磁芯結構實施方式2
參照圖3A和圖3B。本發明的磁芯結構第二實施方式,其與第一實施方式的不同之處僅在於:
上蓋板1的厚度、下蓋板2的厚度以及繞線柱3的厚度均相等,這樣,磁芯結構第二實施方式的前表面及後表面各自在一個平面內。
爲了保證上蓋板1、下蓋板2的橫截面面積大於繞線柱3的橫截面面積,在上蓋板1的厚度、下蓋板2的厚度與繞線柱3的厚度相同情况下,上蓋板1的高度H大於繞線柱3的寬度W,下蓋板2的高度大於繞線柱3的寬度。
在其它實施方式中,爲了保證上蓋板1、下蓋板2的橫截面面積大於繞線柱3的橫截面面積,也可以使上蓋板1、下蓋板2的厚度大於或等於繞線柱3的厚度;或者使上蓋板1的高度H大於繞線柱3的寬度W,下蓋板2的高度大於繞線柱3的寬度。
該磁芯結構第二實施方式的其它結構與第一實施方式基本相同,這裡不再贅述。
磁芯結構實施方式3
參照圖4A和圖4B。本發明的磁芯結構第三實施方式,其與第一實施方式的不同之處僅在於:
繞線柱3的材料不同於上蓋板1和下蓋板2的材料。其中上蓋板1和下蓋板2所用材料的DC-Bias(亦即,直流偏置)性能比繞線柱3所用材料磁芯的DC-Bias性能差。例如上蓋板1和下蓋板2採用鐵矽鋁磁粉芯材料(Sendust,koolmu)、鐵矽磁粉芯材料(FeSi,Megaflux,Xflux)、或鐵磁粉芯材料,繞線柱3採用鐵矽磁粉芯材料或鐵鎳磁粉芯材料(Highflux,KH)。
該磁芯結構第三實施方式中,可利用DC-Bias較差的材料代替DC-Bias特性較好的材料來製成上蓋板1和下蓋板2,使用該磁芯結構的電感器或電抗器依然能獲得較好的DC-Bias性能。
另外,上蓋板1和下蓋板2所用材料的損耗比繞線柱3所用材料的損耗高。由於上、下蓋板處磁感應强度較低,磁芯損耗較小。因此,利用磁芯損耗特性差的材料代替磁芯損耗特性好的材料製成上、下蓋板,依然能獲得較低的磁芯損耗,從而降低了該磁芯結構的原料成本。
該磁芯結構第三實施方式的其它結構與第一實施方式基本相同,這裡不再贅述。
磁芯結構實施方式4
參照圖5A和圖5B。本發明的磁芯結構第四實施方式,其與第三實施方式的不同之處僅在於:
上蓋板1的厚度、下蓋板2的厚度以及繞線柱3的厚度均相等。這樣,磁芯結構第四實施方式的前表面及後表面各自在一個平面內。爲了保證上蓋板1、下蓋板2的橫截面面積大於繞線柱3的橫截面面積,上蓋板1的高度H大於繞線柱3的寬度W,下蓋板2的高度大於繞線柱3的寬度。
該磁芯結構第四實施方式的其它結構與第三實施方式基本相同,這裡不再贅述。
磁芯結構實施方式5
參照圖6A和圖6B。本發明的磁芯結構第五實施方式,其與第一實施方式的不同之處僅在於:
該磁芯結構第五實施方式具有三個繞線柱3,從而形成了三相三柱磁芯結構。因此,本發明磁芯結構不限於單相磁芯結構,也適用於三相磁芯結構。
該磁芯結構第五實施方式的其它結構與第一實施方式基本相同,這裡不再贅述。
磁芯結構實施方式6
參照圖7A和圖7B。本發明的磁芯結構第六實施方式,其在第三實施方式的基礎上,進一步增加了兩個柱子6,從而形成了三相五柱磁芯結構。增加的兩個柱子6的材質可以與上蓋板和下蓋板的材質相同,柱子6上下端部與上蓋板1、下蓋板2之間可以不特別設置氣隙。
該磁芯結構第五實施方式的其它結構與第一實施方式基本相同,這裡不再贅述。
電抗器實施方式1
參照圖8A和圖8B。本發明的電抗器第一實施方式,包括磁芯結構和繞組。
磁芯結構類似於本發明磁芯結構第一實施方式,包括相對布置的上蓋板1、下蓋板2以及連接於上蓋板1和下蓋板2之間的兩個繞線柱3。繞線柱3的橫截面呈矩形,且其橫截面面積小於上蓋板1和下蓋板2的橫截面面積。
繞組採用扁金屬線例如扁銅線10以立繞方式繞設於繞線柱3上,相鄰兩層扁銅線10之間具有散熱風道。扁金屬線採用立繞方式有助於散熱。
需要說明的是,繞組也可以採用金屬箔繞置於繞線柱上。
該磁芯結構第一實施方式中,上蓋板1和下蓋板2的橫截面(與磁通垂直的面)面積與繞線柱3的橫截面(與磁通垂直的面)面積比爲1.1,當然該比例不以1.1爲限,通常在1.1至3之間都是可行的。不同的比例會對應不同的DC-Bias特性曲線。如圖9所示,對於一個額定電流190A,最大電流603A的電抗器,不同上、下蓋板的橫截面面積與繞線柱的橫截面面積比會得到不同的DC-Bias特性曲線。從圖9中可以看出隨著負載電流的增大,橫截面積比爲1.1和橫截面積比爲3的方案的DC-Bias特性要比橫截面積比爲1的好很多(縱坐標爲電感百分比)。DC-Bias特性是指當磁芯材料中有磁場通過時,其增量磁導率會隨著磁場的增加而逐漸降低。增量磁導率的定義如下:
其中,表示增量磁導率,表示真空磁導率,是一常數,
表示磁感應强度變化量, 表示磁場强度變化量,表示在某種負載下的磁場强度。
增量磁導率代表的物理意義是:當一個直流(或工頻)磁場叠加一個交流磁場的情况下,交流分量的磁導率。對於電力電子産品,很多電感的電流波形是一個低頻電流及/或電壓叠加交流紋波的波形如圖10,這時電感內部的磁場也是這樣的波形。而此時需要的感量是對交流紋波的感量,衡量這個感量的便是增量磁導率。相同的低頻磁場强度下,增量磁導率(對應電感帶負載時的感量)與初始磁導率(對應電感的初始感量)相比下降的百分比大小說明此磁芯結構的維持感量穩定的能力,如果其降低的越多說明磁芯結構維持感量穩定性的能力越差,即其DC-Bias性能越差。相反,如果其降低的越慢說明磁芯結構維持感量穩定性的能力越强,即其DC-Bias性能越好。
本發明的電抗器第一實施方式中,上蓋板1和下蓋板2的橫截面面積大於繞線柱3的橫截面面積,與如圖1A和圖1B所示的傳統的蓋板橫截面面積與繞線柱橫截面面積相等的磁芯結構相比,本發明的電抗器第一實施方式中上蓋板1和下蓋板2的磁阻R2’小於傳統結構中上下蓋板的磁阻R2。由於磁芯結構通常會存在氣隙(分布式氣隙或集中氣隙),本發明的電抗器第一實施方式可以通過增加氣隙磁阻Rg2來分磁壓,繞線柱的磁阻不變,保證整個磁芯結構的磁阻不變,初始感量不變,這樣在實際工况下,圖2B所示結構的上、下蓋板磁壓降比圖1B所示磁芯結構的磁壓降小,於是,上、下蓋板處的增量磁導率跌落減小,而繞線柱內的磁場强度不變,其增量磁導率跌落不變,因此整體電抗器來看,整體的感量跌落變小,即DC-Bias性能變好。此處的前提條件是讓初始感量一致,方便進行比較。當初始感量一致時,兩種磁芯結構上、下蓋板的交流磁通量不變,而橫截面積增大,所以其交流磁感應强度減小,因此,根據通用的斯坦梅茲公式:(P單位體積的磁芯損耗,cm, x, y均爲常數,表示交流磁感應强度,f表示工作頻率)單位體積的磁芯損耗會降低。另外,由於上、下蓋板磁壓降減小,而上、下蓋板處擴散的空氣磁阻不變,漏磁通也會減小,漏磁通引起的繞組損耗也會降低。
因此,的電抗器第一實施方式在改善整個磁芯的DC Bias性能的基礎上,還減小了上、下蓋板的磁芯損耗,減小了上、下蓋板處漏磁通及漏磁通引起的繞組損耗。
電抗器實施方式2
參照圖11A和圖11B。本發明的電抗器第二實施方式,其與電抗器第一實施方式的不同之處僅在於:
繞線柱3的橫截面形狀爲圓形。在繞線柱3的橫截面面積相同情况下,圓形的周長最短,因此可減少繞組的長度,從而減少了電阻,降低了繞組損耗。
該磁芯結構第二實施方式的其它結構與第一實施方式基本相同,這裡不再贅述。
電抗器實施方式3
參照圖12A和圖12B。本發明的電抗器第三實施方式,其與電抗器第一實施方式的不同之處僅在於:
繞線柱3的橫截面形狀爲橢圓形;
繞組採用扁金屬線例如扁銅線10以立繞方式繞設於繞線柱3上,相鄰兩層扁銅線10之間具有散熱風道。採用扁金屬線立繞方式有助於散熱。
電抗器第三實施方式中,繞組也可以適用於金屬箔。
該磁芯結構第三實施方式的其它結構與第一實施方式基本相同,這裡不再贅述。
電抗器實施方式4
參照圖13A和圖13B。本發明的電抗器第四實施方式,其與電抗器第三實施方式的不同之處僅在於:
繞線柱3的橫截面形狀爲帶導角例如圓弧形導角的矩形。
該磁芯結構第四實施方式的其它結構與第三實施方式基本相同,這裡不再贅述。
電抗器實施方式5
參照圖14。本發明的電抗器第五實施方式,包括磁芯結構和繞組。
磁芯結構類似於本發明磁芯結構第二實施方式,包括上蓋板1的厚度、下蓋板2的厚度以及繞線柱3的厚度均相等,上蓋板1的高度H大於繞線柱3的寬度W,下蓋板2的高度大於繞線柱3的寬度。該磁芯結構的前表面及後表面各自在一個平面內。
繞組採用金屬箔20繞製而成。金屬箔20與繞線柱3之間設有散熱風道5,並且金屬箔20層內部也可設置散熱風道。
該電抗器第五實施方式中的繞組也可以採用扁金屬線或其它類型繞線。
該磁芯結構第五實施方式的其它結構與第一實施方式基本相同,這裡不再贅述。
以上具體地示出和描述了本公開的示例性實施方式。應該理解,本公開不限於所公開的實施方式,相反,本公開意圖涵蓋包含在所附申請專利範圍的精神和範圍內的各種修改和等效布置。
1‧‧‧上蓋板
2‧‧‧下蓋板
3‧‧‧繞線柱
4‧‧‧氣隙
T1、T2‧‧‧厚度
Claims (16)
- 【第1項】一種磁芯結構,包括相對布置的上蓋板和下蓋板以及兩端分別連接於該上蓋板和下蓋板的至少一個繞線柱,其特徵在於,該上蓋板或下蓋板的截面面積大於該繞線柱的截面面積;該上蓋板、該下蓋板以及該繞線柱由磁粉芯材料、非晶材料、奈米晶材料或矽鋼材料製成。
- 【第2項】如申請專利範圍第1項所述之磁芯結構,其特徵在於,該繞線柱的直流偏置特性優於該上蓋板及/或下蓋板的直流偏置特性。
- 【第3項】如申請專利範圍第1項所述之磁芯結構,其特徵在於,該繞線柱的損耗特性優於該上蓋板及/或下蓋板的損耗特性。
- 【第4項】如申請專利範圍第1項所述之磁芯結構,其特徵在於,該上蓋板、下蓋板的厚度不小於該繞線柱的厚度,該上蓋板、下蓋板的高度大於該繞線柱的寬度。
- 【第5項】如申請專利範圍第1項所述之磁芯結構,其特徵在於,該上蓋板、下蓋板的高度不小於該繞線柱的寬度,該上蓋板、下蓋板的厚度大於該繞線柱的厚度。
- 【第6項】如申請專利範圍第1項所述之磁芯結構,其特徵在於,該上蓋板、下蓋板的橫截面面積與該繞線柱的橫截面面積的比例範圍爲1.1至3。
- 【第7項】如申請專利範圍第1項所述之磁芯結構,其特徵在於,該繞線柱的橫截面形狀爲圓形、橢圓形或帶導角的矩形。
- 【第8項】如申請專利範圍第1項所述之磁芯結構,其特徵在於,該繞線柱的數目爲2個、3個或5個。
- 【第9項】如申請專利範圍第1項所述之磁芯結構,其特徵在於,該上蓋板、下蓋板的材料是鐵矽磁粉芯、鐵矽鋁磁粉芯、鐵磁粉芯,該繞線柱的材料是鐵矽磁粉芯或鐵鎳磁粉芯。
- 【第10項】如申請專利範圍第1項所述之磁芯結構,其特徵在於,該上蓋板及/或下蓋板爲長方體狀。
- 【第11項】一種電抗器,包括磁芯結構和至少一個繞組,其特徵在於,該磁芯結構是如申請專利範圍第1項至第10項中任一項所述之磁芯結構,該至少一個繞組分別繞設於該磁芯結構的該至少一個繞線柱上。
- 【第12項】如申請專利範圍第11項所述之電抗器,其特徵在於,該上蓋板、下蓋板的厚度不小於該繞線柱的厚度,該磁芯結構的上蓋板、下蓋板的高度大於該繞線柱的寬度。
- 【第13項】如申請專利範圍第12項所述之電抗器,其特徵在於,該磁芯結構的上蓋板、下蓋板的厚度等於該繞線柱的厚度。
- 【第14項】如申請專利範圍第13項所述之電抗器,其特徵在於,該繞組由金屬箔繞製而成。
- 【第15項】如申請專利範圍第11項所述之電抗器,其特徵在於,該上蓋板、下蓋板的高度不小於該繞線柱的寬度,該磁芯結構的上蓋板、下蓋板的厚度大於該繞線柱的厚度。
- 【第16項】如申請專利範圍第15項所述之電抗器,其特徵在於,該繞組由金屬線繞製而成。
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