TW201532088A - 磁芯 - Google Patents

Abstract

一種磁芯，可應用於電抗器。磁芯包含一上軛部、一下軛部，以及至少兩個芯柱，芯柱與上軛部和下軛部構成一閉合磁路，兩個芯柱中至少有一個是第一芯柱，第一芯柱包括芯柱主體，平衡磁性單元和氣隙，平衡磁性單元和氣隙相鄰組合為混合式氣隙分割第一芯柱且設置於芯柱主體的一側。上軛部、下軛部和芯柱主體由平面疊片磁性材料製作，平衡磁性單元的磁導率低於平面疊片磁性材料。

Description

磁芯

本發明是有關於一種磁芯，特別是有關於一種用於電抗器的磁芯。

目前在大功率變換器應用上,常使用電抗器(reactor)抑制電流紋波、改善功率因數。又隨著開關元件的發展，開關頻率不斷提高，特別是開關頻率達到5kHz以上，傳統直接使用矽鋼片材料並開制氣隙的電抗器，由於損耗較大及效率較低的原因慢慢變得不太適用。因此，電抗器的磁芯出現了新的兩種材料組合，一種以金屬粉芯的塊體(Block Core)進行堆疊而成，另一種以平面疊片磁性材料堆疊而成，此兩種均需要在磁芯上開制氣隙。

這兩種電抗器均各有優勢，金屬粉芯塊體堆疊製成的電抗器，由於金屬粉芯的特殊的分散式氣隙，可有效地降低電抗器繞組的高頻渦流損耗，同時也帶來軟飽和特性，可有效應對瞬間大脈衝電流、超負載運行等特殊工況；而平面疊片磁性材料開氣隙製成的電抗器，由於材料本身較低的磁芯損耗和較高的飽和磁通密度，所製備的電抗器尺寸較小，用銅量少，但是相對地，由於氣隙比較集中的原因，平面疊片磁性材料開氣隙會使繞組損耗增大非常明顯，而且平面疊片磁性材料的氣隙産生的擴散磁通也會切割平面疊片磁性材料本身，結果導致電抗器的磁芯渦流損耗增大。

雖然平面疊片磁性材料製成的電抗器因爲擴散磁通帶來了繞組渦流損耗和磁芯渦流損耗的增大，但是由於銅線用量和磁芯用量較少的緣故，總的損耗基本上可以做到和金屬粉芯電抗器相當；金屬粉芯塊體堆疊製成的電抗器，雖然體積較大，但由於其軟飽和特性，輕載感量卻比平面疊片磁性材料製成的電抗器要大。而使用者也往往在這兩種方案間搖擺不定，難於取捨。

本發明提供了一種使用混合材料的磁芯，用以同時滿足體積縮小和減少損耗及渦流的需求。

本發明之一實施方式提供了一種應用於電抗器的磁芯，包含一上軛部、一下軛部，以及至少兩個芯柱，芯柱與上軛部和下軛部構成一閉合磁路，兩個芯柱至少有一個為第一芯柱，第一芯柱包括芯柱主體、平衡磁性單元和氣隙，平衡磁性單元和氣隙相鄰組合為混合式氣隙分割第一芯柱且設置於芯柱本體一側。上軛部、下軛部和芯柱主體由平面疊片磁性材料製作，平衡磁性單元的磁導率低於平面疊片磁性材料。

於本發明之一或多個實施例中，平衡磁性單元的初始磁導率小於或等於平面疊片磁性材料的二十分之一。

於本發明之一或多個實施例中，平衡磁性單元爲金屬粉芯塊體。於本發明之一或多個實施例中，金屬粉芯塊體的材料爲鐵矽合金、鐵矽鋁合金、鐵鎳合金、鐵鎳鉬合金、非晶、奈米晶或矽鋼片。

於本發明之一或多個實施例中，平衡磁性單元的厚度與氣隙的厚度的比值約爲4-20。

於本發明之一或多個實施例中，每一個混合式氣隙中平衡磁性單元的數量爲一個或兩個。

於本發明之一或多個實施例中，平衡磁性單元位於混合式氣隙的中心對稱位置。

於本發明之一或多個實施例中，磁芯包含一絕緣隔磁材料，填充於氣隙中，其中絕緣隔磁材料的相對磁導率爲1。

於本發明之一或多個實施例中，平面疊片磁性材料可以爲非晶、奈米晶、坡莫合金、矽鋼片或超級矽鋼片。

於本發明之一或多個實施例中，平面疊片磁性材料是由合金薄帶捲繞後切割而成。

於本發明之一或多個實施例中，平面疊片磁性材料是由合金薄帶切割後堆疊而成。

於本發明之一或多個實施例中，混合式氣隙的數量爲多個，混合式氣隙在第一芯柱上均勻分佈。

於本發明之一或多個實施例中，兩芯柱均為第一芯柱。

於本發明之一或多個實施例中，第一芯柱橫截面為矩形。

於本發明之一或多個實施例中，芯柱包含一第二芯柱，第二芯柱的橫截面積小於第一芯柱橫截面積。

於本發明之一或多個實施例中，第二芯柱由平面疊片磁性材料構成。

本發明之另一實施方式為一種電抗器，包含前述之磁芯以及繞組，其中繞組繞設於第一芯柱。

於本發明之一或多個實施例中，繞組為方形導線。

本發明之磁芯可以同時保留平面疊片磁性材料體積小，飽和電流大的優勢，並且儘量降低其繞組渦流損耗和磁芯渦流損耗，以兼具金屬粉芯塊體平衡輕重載感量的優點。

100‧‧‧磁芯
110‧‧‧上軛部
120‧‧‧下軛部
130‧‧‧第一芯柱
140‧‧‧平面疊片磁性材料
150‧‧‧芯柱主體
160‧‧‧混合式氣隙
162‧‧‧氣隙
164‧‧‧平衡磁性單元
170‧‧‧第二芯柱
180‧‧‧繞組
200‧‧‧電抗器
F1、F1’‧‧‧主磁通
F2、F2’‧‧‧擴散磁通
t₁、t₂‧‧‧厚度

第1圖為本發明之磁芯一實施例的示意圖。
第2圖為應用不同磁芯之電抗器的磁通密度對磁場強度(B-H)的曲線圖。
第3圖與第4圖為應用不同磁芯之電抗器的磁導率對磁場強度(u-H)的曲線圖。
第5A圖為僅由平面疊片磁性材料所組成之芯柱的磁通示意圖。
第5B圖為在平面疊片磁性材料所組成之芯柱中加入平衡磁性單元的磁通示意圖。
第6圖為繪示本發明之磁芯一實施例的局部放大圖。
第7圖為本發明之磁芯插入不同比例的平衡磁性單元的比損耗值比較圖。
第8圖與第9圖為繪示本發明之磁芯不同實施例的局部放大圖。
第10圖為本發明之磁芯另一實施例的示意圖。
第11圖為應用本發明之磁芯之電抗器一實施例的示意圖。
第12圖為應用本發明之磁芯的電抗器另一實施例的示意圖。
第13圖為本發明之磁芯又一實施例的示意圖。
第14圖為使用傳統的單一材料磁芯之電抗器與第13圖之電抗器的感量-安匝圖。
第15圖為應用本發明之磁芯的電抗器再一實施例的示意圖。

以下將以圖式及詳細說明清楚說明本發明之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本發明之較佳實施例後，當可由本發明所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本發明之精神與範圍。

因此，本發明便提出了一種採用混合材料的磁芯，當其應用於電抗器時，同時保留平面疊片磁性材料體積小，飽和電流大的優勢，並且儘量降低其繞組渦流損耗和磁芯渦流損耗，並且兼具金屬粉芯塊體可以平衡輕重載感量的優點。

參照第1圖，其為本發明之磁芯一實施例的示意圖。磁芯100可以應用於電抗器中。磁芯100包含有上軛部110、下軛部120以及至少兩芯柱。上軛部110、下軛部120以及芯柱構成一閉合磁路。上軛部110以及下軛部120是由多個平面疊片磁性材料140所製作而成，芯柱的兩端分別與上軛部110以及下軛部120連接。

本實施例中兩個芯柱均為第一芯柱130。第一芯柱130包含有氣隙162以及平衡磁性單元164，氣隙162以及平衡磁性單元164相鄰組合為混合式氣隙160而分割第一芯柱130。換句話說，第一芯柱130包含有芯柱主體150以及混合式氣隙160。芯柱主體150是由平面疊片磁性材料140所構成，混合式氣隙160為設置於芯柱主體150的一側或是之間。平衡磁性單元164的磁導率低於平面疊片磁性材料的磁導率。平衡磁性單元164的初始磁導率小於或等於平面疊片磁性材料140的二十分之一。

每一個混合式氣隙160包含有至少一氣隙162以及至少一平衡磁性單元164，氣隙162以及平衡磁性單元164在磁芯100的磁路方向上間隔排列。填充氣隙162的材料為具有與空氣大致相同之相對磁導率的材料，平衡磁性單元164的材料為金屬粉芯塊體。

本實施例中，第一芯柱130的數量為二，第一芯柱130與上軛部110以及下軛部120共同構成了矩形的結構，並建構出封閉的磁路。磁芯100的磁路方向大致上可以從上軛部110通過第一芯柱130進入下軛部120後再通過另一個第一芯柱130回到上軛部110而循環。本實施例中，混合式氣隙160的數量為六個，並且混合式氣隙160在第一芯柱130上均勻地分佈。第一芯柱130的橫截面為矩形。

混合式氣隙160中平衡磁性單元164的數量為一個或是兩個，平衡磁性單元164位於以混合式氣隙160中心對稱的位置。

平面疊片磁性材料140的材料可以爲非晶、奈米晶、坡莫合金、矽鋼片或超級矽鋼片。平面疊片磁性材料140可以為先透過合金薄帶捲繞之後切割而成的堆疊結構，或者，平面疊片磁性材料140可以由合金薄帶切割後堆疊而成的堆疊結構。

平衡磁性單元164的材料為金屬粉芯塊體，金屬粉芯塊體的材料例如可以為鐵矽合金、鐵矽鋁合金、鐵鎳合金、鐵鎳鉬合金、非晶、奈米晶或矽鋼片。金屬粉芯塊體的初始導磁率約為26-300。

混合式氣隙160中可以更包含有絕緣隔磁材料、填充於氣隙162中，絕緣隔磁材料可由絕緣板、陶瓷片、泡沫材料、玻璃、絕緣膠帶等不導電不導磁的材料填充，並且絕緣隔磁材料的相對磁導率爲1，與空氣相同。

在相同的電流和電感規格下，僅由平面疊片磁性材料所製作的磁芯具有較小的體積，但是其輕載感值較僅由金屬粉芯塊體所製作的磁芯為低；而相對地，僅由金屬粉芯塊體所製作的磁芯雖然較僅由平面疊片磁性材料所製作的磁芯具有較佳的輕載感量，但是若要讓金屬粉芯塊體的磁芯滿足重載感量的規格，其體積也會隨之增加。

本發明所提出的混合材料的磁芯100應用於電抗器便能夠兼具使用平面疊片磁性材料以及金屬粉芯塊體的優點，在較小的體積下同時兼顧輕載感量以及重載感量。具體而言，當採用混合式氣隙160之後，整個磁路的磁通量可以由下列公式決定：
，

其中，NI為電抗器的安匝數，Rp為平衡磁性單元164的磁阻，Rl為平面疊片磁性材料140的磁阻，Rg為氣隙162的磁阻。當電抗器上施加的安匝NI逐漸增大時，氣隙162的磁阻Rg基本保持不變，而平衡磁性單元164的磁阻Rp增大緩慢，同時由於其對磁動勢的分擔作用，平面疊片磁性材料140的磁阻Rl也比未插入平衡磁性單元164前增大得緩慢，導致整體的磁阻增大緩慢，意味著需要更大的安匝才能達到較高的磁通量，整個電抗器的抗飽和能力得到提高。

接著，參照第2圖，其為應用不同磁芯之電抗器的磁通密度對磁場強度(B-H)的曲線圖。圖中的橫軸表示磁場強度H，單位為安培/米(Ampere/Meter，A/M)，圖中的縱軸表示磁通密度B，單位為特斯拉(Tesla，T)。比較例1-3以及實驗例1-3中的磁芯具有大致相同的尺寸以及磁路長度。其中比較例1的磁芯為僅由平面疊片磁性材料所製作而成的單一材料磁芯，並且在磁芯中未開制氣隙；比較例2的磁芯為僅由平面疊片磁性材料所製作而成的單一材料磁芯，並且在磁芯中開制氣隙，並且氣隙的總長度佔磁路長度的1%；比較例3的磁芯為僅由平面疊片磁性材料所製作而成的單一材料磁芯，並且在磁芯中開制氣隙，並且氣隙的總長度佔磁路長度的1.5%。實驗例1-3的磁芯則是應用本發明的混合材料的磁芯，其中實驗例1的磁芯中的氣隙總長度佔磁路長度的1%，平衡磁性單元的總長度佔磁路長度的3%；實驗例2的磁芯中的氣隙總長度佔磁路長度的1%，平衡磁性單元的總長度佔磁路長度的6%；實驗例3的磁芯中的氣隙總長度佔磁路長度的1%，平衡磁性單元的總長度佔磁路長度的10%。

從第2圖得知，當平衡磁性單元所佔磁路長度由3%提升到10%，電抗器變得越來越難飽和，亦即，達到相同的磁通密度B，需要更大的磁場強度H才行。同時，我們也可以看到，以實驗例3之B-H曲線爲例，在較低的磁場強度H下，其B-H曲線比較接近比較例2的B-H曲線，而在較高的磁場強度H下，其B-H曲線比較接近比較例3的B-H曲線。這就意味著，應用本發明之混合式氣隙的磁芯的電抗器，其在輕載時B-H曲線接近於開制1%氣隙的B-H曲線，有望達到較高的導磁率，而重載時B-H曲線接近於開制1.5%氣隙的B-H曲線，可以達到更緩慢的飽和效果，以及更緩慢的導磁率下降。

應用本發明之具有混合式氣隙之磁芯的電抗器，在電抗器的初始感量方面，在僅由空氣所組成之氣隙大小一樣的情況下，由於所插入之平衡磁性單元的磁導率遠小於平面疊片磁性材料，因此，電抗器的初始感量其實低於僅由單一平面疊片磁性材料開同等氣隙的單一材料磁芯。

接著，請參照第3圖與第4圖，其為應用不同磁芯之電抗器的磁導率對磁場強度(u-H)的曲線圖。圖中的橫軸為磁場強度H，其單位為安培/米(Ampere/Meter，A/M)，圖中的縱軸為磁導率，尤其是相對磁導率。比較例1-4為由平面疊片磁性材料所製作而成的單一材料磁芯，其中比較例1之磁芯為氣隙總長度佔磁路長度1.5%；比較例2之磁芯為氣隙總長度佔磁路長度1%；比較例3之磁芯為氣隙總長度佔磁路長度3%；比較例4之磁芯為氣隙總長度佔磁路長度2%。實驗例1-8為本發明之具有混合式氣隙的磁芯，其中實驗例1之磁芯為氣隙總長度佔磁路長度1%，平衡磁性單元總長度佔磁路長度10%；實驗例2之磁芯為氣隙總長度佔磁路長度1%，平衡磁性單元總長度佔磁路長度20%；實驗例3之磁芯為氣隙總長度佔磁路長度1%，平衡磁性單元總長度佔磁路長度30%；實驗例4之磁芯為氣隙總長度佔磁路長度1%，平衡磁性單元總長度佔磁路長度50%；實驗例5之磁芯為氣隙總長度佔磁路長度2%，平衡磁性單元總長度佔磁路長度10%；實驗例6之磁芯為氣隙總長度佔磁路長度2%，平衡磁性單元總長度佔磁路長度20%；實驗例7之磁芯為氣隙總長度佔磁路長度2%，平衡磁性單元總長度佔磁路長度30%；實驗例8之磁芯為氣隙總長度佔磁路長度2%，平衡磁性單元總長度佔磁路長度50%。

從第3圖與第4圖中可以得知，比較例1-4之由平面疊片磁性材料製成的單一材料磁芯，會出現磁場強度H大到某一程度後磁導率急遽下降的情況。而對於實驗例1-8而言，隨著電抗器的負載電流逐漸增大，平面疊片磁性材料和平衡磁性單元的磁導率都逐漸下降，此時感量開始緩慢下降。由於平衡磁性單元的初始磁導率就遠小於平面疊片磁性材料的初始磁導率，當電流增大以後，平衡磁性單元會承擔部分原本施加在平面疊片磁性材料的磁壓，使平面疊片磁性材料的磁導率下降得較慢，從而整體電抗器的導磁率隨著電流的下降趨勢變緩。

從第3圖與第4圖中可以得知，由於平衡磁性單元和平面疊片磁性材料的飽和磁通密度相差不大，也不會出現具有某部分材料先飽和而致使電抗器導磁率突然下降的情況。並且，插入的平衡磁性單元的體積越大，電抗器導磁率隨著電流的下降趨勢越緩慢。

實驗例1與實驗例2的飽和特性在輕載時較爲接近比較例2，重載特性接近於比較例1。同樣地，實驗例5、實驗例6與實驗例7的飽和特性在輕載時較爲接近比較例4，重載特性接近於比較例3。從實驗結果證實了磁芯確實可以得到較爲均衡的輕重載感值表現。

然而，使用混合材料的磁芯中所插入的平衡磁性單元的體積也並非越大越好，從第3圖與第4圖中可以看出，相對於氣隙而言，過多體積的平衡磁性單元插入，如實驗例4與實驗例8，雖然會使飽和曲線變得更加平緩，但是由於磁芯初始的磁導率太低，會導致整個負載區間的磁導率都處在較低的水平，改善輕載感量的效果不明顯，實用上也並無太大價值。因此，混合式氣隙中平衡磁性單元的厚度與氣隙的厚度相比不大於20倍，可以獲得較爲均衡的輕載和重載的感值表現。

再回到第1圖，磁芯100除了兼具有小體積以及均衡輕重載表現的優點之外，更可以具有降低渦流損耗的功效，具體說明如下。

參照第5A圖與第5B圖，其中第5A圖為僅由平面疊片磁性材料140所組成之芯柱的磁通示意圖，第5B圖為在平面疊片磁性材料140所組成之芯柱中加入平衡磁性單元164的磁通示意圖。

由於平面疊片磁性材料140往往都具有很高的導磁率，這意味著如果用此材料直接製成電抗器，很小的電流即可使磁芯飽和，所以爲了提高電抗器的抗飽和能力，往往需要開制氣隙。而爲抵制氣隙帶來的磁通擴散對繞組損耗的影響，常常可以通過控制單個氣隙的大小來達到，這樣的話，每個芯柱上可以出現均勻的多個氣隙，擴散磁通對繞組損耗的影響變得以降低，但是對於磁芯損耗卻帶來不利影響，如第5A圖所示。主磁通F1進出的磁芯平面由多片相互絕緣的平面疊片磁性材料140層層堆疊組成，該平面內不會形成大的渦流；擴散磁通F2進出的磁芯平面則是一塊整體，該平面內會感應出很大的渦流，造成嚴重的額外渦流損耗。此種渦流損耗的影響是如此之大，很多時候由於擴散磁通切割帶來的額外渦流損耗甚至會高於該工作條件下正常的磁芯損耗1倍以上。

而如第5B圖所示，本發明的磁芯藉由加入了平衡磁性單元164，可以有效抑制渦流帶來的損耗。具體而言，主磁通F1’以及擴散磁通F2’大部分都從金屬粉芯塊體所製作而成的平衡磁性單元164通過，而金屬粉芯塊體由於其組成顆粒很小，能夠有效抑制渦流的產生，而且並無方向性渦流惡化的風險，從而改善傳統如第5A圖之擴散磁通F2切割帶來的額外渦流損耗。

參照第6圖，其為繪示本發明之磁芯一實施例的局部放大圖。每一個混合式氣隙160中包含有兩個平衡磁性單元164以及一個氣隙162，平衡磁性單元164為設置在氣隙162的相對兩側，並且兩個平衡磁性單元164的厚度相同，使得混合式氣隙160為中心對稱的結構。平衡磁性單元164具有沿著磁路方向的厚度t₁ ，本實施例中厚度t₁ 是由兩個平衡磁性單元164加總而成，故每一個平衡磁性單元164之厚度為0.5t₁ 。氣隙162具有沿著磁路方向的厚度t₂ 。

參照第7圖，其為本發明之磁芯插入不同比例的平衡磁性單元的比損耗值得模擬結果。磁芯中只要有一個芯柱為具有混合式氣隙的第一芯柱即可，例如第7圖中所採用的磁芯具有兩個芯柱，其中一個為具有混合式氣隙的第一芯柱，另一個芯柱則是有單一的平面疊片磁性材料所組成，第一芯柱中的混合式氣隙為應用第6圖中所揭露的態樣，但是平衡磁性單元與氣隙之厚度的比值不同。第7圖中的橫軸表示平衡磁性單元與氣隙之厚度的比值，縱軸表示比損耗值(specific loss)，其中比損耗值爲插入不同比例的平衡磁性單元時磁芯的損耗與未開氣隙的單一平面疊片磁性材料製作而成的磁芯的損耗比。比損耗值數值越大則額外渦流損耗越大，100%表示相較於傳統的未開氣隙的平面疊片磁性材料磁芯並未帶來額外的渦流損耗。

從第7圖中可以得知，平衡磁性單元的厚度t₁ 與氣隙的厚度t₂ 的比例，即厚度比t₁ /t₂ ，在4倍及以上，抑制平面疊片磁性材料之渦流損耗的效果較好，對使用導磁率為100、60、30的平衡磁性單元的效果均是如此。尤其是當平衡磁性單元的厚度t₁ 與氣隙的厚度t₂ 的比例，即厚度比t₁ /t₂ 達到10倍或者以上時，相較於未開氣隙的平面疊片磁性材料磁芯的額外渦流損耗幾乎可以忽略。

因此，本發明中平衡磁性單元與氣隙之厚度之間的比值較佳為介於4-20之間，以得到良好的抑制渦流的功效。

第8圖與第9圖為繪示本發明之磁芯不同實施例的局部放大圖。如第8圖所示，每一個混合式氣隙160中包含有兩個平衡磁性單元164以及三個氣隙162，兩個平衡磁性單元164位於三個氣隙162之間，並且平衡磁性單元164以及氣隙162為間隔地排列，使得混合式氣隙160為中心對稱的結構。每一個混合式氣隙160中，平衡磁性單元164具有沿著磁路方向的厚度t₁ ，氣隙162具有沿著磁路方向的厚度t₂ 。更具體地說，本實施例中的平衡磁性單元164的厚度分別為0.5t₁ ，位於兩個平衡磁性單元164之間的氣隙162的厚度為0.5t₂ ，位於兩個平衡磁性單元164兩側的氣隙162的厚度分別為0.25t₂ 。

如第9圖所示，每一個混合式氣隙160中包含有一個平衡磁性單元164以及兩個氣隙162，氣隙162位於平衡磁性單元164的兩側，使得混合式氣隙160為中心對稱的結構。每一個混合式氣隙160中，平衡磁性單元164具有沿著磁路方向的厚度t₁ ，氣隙162具有沿著磁路方向的厚度t₂ 。更具體地說，本實施例中，位於平衡磁性單元164兩側的氣隙162的厚度分別為0.5t₂ 。

第8圖與第9圖中，藉由插入平衡磁性單元164減小了擴散磁通切割平面疊片磁性材料140的面積，並且，在第8圖與第9圖中，由於將原本連在一起的氣隙162一分爲二，因此可以提供更好的抑制渦流損耗效果。

參照第10圖，其為本發明之磁芯另一實施例的示意圖。磁芯100包含有至少兩個芯柱、上軛部110以及下軛部120。芯柱除了包含有具有混合式氣隙160的第一芯柱130之外，更包含有第二芯柱170。第二芯柱170與上軛部110以及下軛部120連接，並且第二芯柱170係由單一的平面疊片磁性材料140所構成。如前所述，平面疊片磁性材料140可由非晶，納米晶，坡莫合金，矽鋼片或者超級矽鋼片捲繞後再切割而成或者先切割成片狀後再堆疊而成。

於本實施例中，磁芯100包含有兩個第一芯柱130以及一個第二芯柱170，第二芯柱170位於兩個第一芯柱130之間。第一芯柱130與第二芯柱170的橫截面均為矩形。由第10圖可看出，第二芯柱170的橫截面積小於第一芯柱130的橫截面積。

本發明之磁芯100可以搭配繞組使用應用於電抗器中，例如單相電抗器、雙路集成電抗器、三相電抗器、三相五柱電抗器等，以實現體積減小和損耗減小的雙重目標。以下將配合實施例具體說明之。

參照第11圖，其為應用本發明之磁芯之電抗器一實施例的示意圖。電抗器200包含有磁芯100以及繞組180。磁芯100中包含有上軛部110、下軛部120以及多個具有混合式氣隙160的第一芯柱130。繞組180為繞設在第一芯柱130上。對應於具有矩形横截面的第一芯柱130，繞組180較佳地為方形導線。

更具體地說，本實施例之電抗器200爲使用磁芯100所組成的三相電抗器，其包括三個具有混合式氣隙160的第一芯柱130，繞制在三個第一芯柱130上的三個繞組180，以及使用平面疊片磁性材料140製成的上軛部110與下軛部120。每個第一芯柱130上包含三個混合式氣隙160，混合式氣隙160在第一芯柱130上從上至下均勻分佈。

參照第12圖，其為應用本發明之磁芯的電抗器另一實施例的示意圖。電抗器200爲使用磁芯100形成的三相五柱電抗器，相較於前一實施例，本實施例之電抗器200更包含兩第二芯柱170，第二芯柱170僅由平面疊片磁性材料140製成，並且第二芯柱170上沒有繞組180。

磁芯100可以與繞組180一同浸漆以及烘烤固化，藉以固定磁芯100之結構以及將磁芯100與繞組180相結合。

應用磁芯100之電抗器200確實可以有效滿足縮小體積以及平衡重載感量的需求。請參照第13圖與第14圖，第13圖為本發明之磁芯又一實施例的示意圖，第14圖為使用傳統的單一材料磁芯之電抗器與第13圖之電抗器的感量-安匝圖。

舉例而言，以一個規格要求為初始單匝感量爲大於0.26uH，最大安匝5000時感值下降小於50%的電抗器為例。比較例1為採用僅由平面疊片磁性材料製成的磁芯直接開制2毫米氣隙，其初始單匝感值約爲0.29uH，滿足規格要求，但是在最大安匝5000時感值僅爲0.05uH，不滿足感值下降需小於50%規格要求；比較例2則是採用僅由平面疊片磁性材料製成的磁芯直接開制4毫米氣隙，初始單匝感值約爲0.2uH，無法滿足規格要求，但是相對地，其在最大安匝5000時感值爲0.16uH，滿足50%規格要求。換言之，如果不採用磁芯之技術，如需滿足此規格需求，必須增大磁芯的體積才有可能。另一方面，此種規格的電抗器初始的磁芯損耗在頻率20KHz，磁通密度爲0.1T的情況下約爲9W/Kg，而如果直接開制2毫米的氣隙，由於氣隙擴散磁通帶來的額外渦流損耗，相同條件下磁芯損耗已經大於20W/Kg，如果直接開制4毫米的氣隙，磁芯損耗將會變得更加不堪使用。

實驗例1為應用磁芯的電抗器，其中的磁芯100具體如第13圖所示，磁芯100的兩個第一芯柱130分別設置有一個混合式氣隙160，每一個混合式氣隙160中之氣隙162的厚度為2毫米，並且在氣隙162的上下各插入厚度為4毫米的平衡磁性單元164，平衡磁性單元的初始導磁率爲60。平衡磁性單元164的厚度是氣隙162厚度的4倍。實驗例1之初始單匝感量爲0.27uH，最大安匝5000時感值爲0.15uH，同時滿足初使感值以及感值衰減之規格要求。採用磁芯100可有效降低擴散磁通的額外渦流損耗，此條件下磁芯損耗可以控制在14W/Kg以下。整體上看，通過本方案的實施，可以實現體積減小和損耗減小的雙重目標。

本發明之磁芯的另一具體應用爲功率3Kw的家用太陽能逆變器用功率因數校正器(PFC)電感，其初始感量要求不小於1.3mH，額定電流18A下感量衰減比例不得高於50%。如第15圖所示，磁芯100的上軛部110與下軛部120採用鐵基納米晶平面疊片磁性材料，第一芯柱130的芯柱主體150仍採用鐵基納米晶平面疊片磁性材料，第一芯柱130的平衡磁性單元164採用鐵矽鋁合金粉芯材料，繞組180採用2.5mm漆包圓銅線繞制54匝。每個第一芯柱130包含兩個混合式氣隙160，分佈在第一芯柱130的上下兩端。在每個混合式氣隙160中，氣隙162所占的厚度爲0.3毫米，平衡磁性單元164所占的厚度爲2毫米，是氣隙所占厚度的6.67倍。本方案之電抗器完成後的長寬高尺寸爲75毫米*56毫米*86毫米，初始感值1.36mH，額定電流18A下感量約爲0.8mH，繞組180的直流電阻爲28mW。在20KHz、20mT的條件下磁芯損耗約爲620mW。在此同樣的規格條件下，較之現有的單一材料金屬粉芯堆疊的電抗器方案，本案之電抗器200的體積約爲現有的48.7%，繞組180的直流電阻約爲現有的87.5%，磁芯損耗約爲現有的95.3%，相比之下優勢非常明顯。因此，如上例舉，本案所揭露的電抗器在大功率（3KW以上）應用環境，在電抗器體積（趨於小的方向）及其應用時的效率（趨向高）的優勢會更為明顯。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

 

100‧‧‧磁芯

110‧‧‧上軛部

120‧‧‧下軛部

130‧‧‧第一芯柱

140‧‧‧平面疊片磁性材料

150‧‧‧芯柱主體

160‧‧‧混合式氣隙

162‧‧‧氣隙

164‧‧‧平衡磁性單元

Claims (18)

1. 一種應用於電抗器的磁芯，包含一上軛部、一下軛部，以及至少兩個芯柱，該些芯柱與該上軛部與該下軛部構成一閉合磁路，該些芯柱至少有一個芯柱為一第一芯柱，該第一芯柱包括一芯柱主體、一平衡磁性單元和一氣隙，該平衡磁性單元和該氣隙相鄰組合為一混合式氣隙分割該第一芯柱且設置於該芯柱主體；該上軛部、該下軛部和該芯柱主體由平面疊片磁性材料製作，該平衡磁性單元的磁導率低於該平面疊片磁性材料。
2. 如請求項1所述的磁芯，其中該平衡磁性單元的初始磁導率小於或等於該平面疊片磁性材料的二十分之一。
3. 如請求項2所述的磁芯，其中該平衡磁性單元爲金屬粉芯塊體。
4. 如請求項3所述的磁芯，其中該金屬粉芯塊體的材料爲鐵矽合金、鐵矽鋁合金、鐵鎳合金、鐵鎳鉬合金、非晶、奈米晶或矽鋼片。
5. 如請求項1所述的磁芯，其中該平衡磁性單元的厚度與該氣隙的厚度的比值爲4-20。
6. 如請求項1所述的磁芯，其中該混合式氣隙中該平衡磁性單元的數量爲一個或兩個。
7. 如請求項6所述的磁芯，其中該平衡磁性單元位於該混合式氣隙的中心對稱位置。
8. 如請求項1所述的磁芯，更包含一絕緣隔磁材料，填充於該氣隙中，其中該絕緣隔磁材料的相對磁導率爲1。
9. 如請求項1所述的磁芯，其中該平面疊片磁性材料爲非晶、奈米晶、坡莫合金、矽鋼片或超級矽鋼片。
10. 如請求項1所述的磁芯，其中該平面疊片磁性材料是由合金薄帶捲繞後切割而成。
11. 如請求項1所述的磁芯，其中該平面疊片磁性材料是由合金薄帶切割後堆疊而成。
12. 如請求項1所述的磁芯，其中該至少一混合式氣隙的數量爲多個，該些混合式氣隙在該第一芯柱上均勻分佈。
13. 如請求項1所述的磁芯，其中該兩芯柱均為第一芯柱。
14. 如請求項1所述的磁芯，其中該第一芯柱橫截面為矩形。
15. 如請求項1所述的磁芯，其中該兩芯柱包含一第二芯柱，該第二芯柱的橫截面積小於該第一芯柱橫截面積。
16. 如請求項15所述的磁芯，其中該第二芯柱由該平面疊片磁性材料構成。
17. 一種電抗器，包含一磁芯以及繞設於該磁芯的一繞組，其中該磁芯爲如請求項1-16任一項所述的磁芯，該繞組繞設於該第一芯柱。
18. 如請求項17所述的電抗器，其中該繞組為方形導線。