TWI607460B - 磁性元件及變壓器 - Google Patents

Description

磁性元件及變壓器

本發明涉及磁性元件，尤其涉及一種能夠削弱氣隙造成的渦流損耗的磁性元件。

近年來，開關電源的小型化是一個重要的發展趨勢。在開關電源中，磁性元件在體積、重量、損耗和成本中都佔據了較大的比例，因而磁性元件的設計和優化就顯得至關重要。提高開關電源的頻率是降低磁性元件體積，提高功率密度的有效手段，也是目前磁設計的熱點。在高頻磁設計中，應用最多的繞組是PCB繞組，這是因為和傳統的繞線結構的繞組相比，PCB繞組在製成、成本、可重複性、便於模塊化等方面有巨大優勢。而在磁芯方面，和其他磁性材料相比，鐵氧體的損耗和成本都比較低，因而在目前的變壓器和電感設計中，有一大部分是利用鐵氧體作為磁芯的。由於鐵氧體的磁導率較高，鐵氧體的相對磁導率一般高達幾百甚至幾千，為了實現磁性元件的感量，磁芯中會開有氣隙來承擔磁壓降，儲存能量，使磁元件不致飽和。

如圖1所示為一開氣隙的EI磁芯沿平行於磁通方向的切面圖。圖中虛線代表磁通，箭頭為磁通方向，磁通方向可以隨電流方向改變而改變，上蓋板1與芯柱2之間的間隙形成氣隙G。磁性元件的多個芯柱2之間的窗口W中磁 場強度在氣隙附近比較大，在磁芯附近比較小；另外磁通通過氣隙時會朝窗口W內擴散，即圖1中A處所示的磁感線，從而影響氣隙G附近的繞組，使得繞組損耗上升。在高頻渦流效應的作用下，不止繞組線圈的趨膚效應和鄰近效應損耗會明顯增加，氣隙附近的擴散磁通也會產生很大的渦流損耗。

為了減小氣隙在繞組上產生的渦流損耗，業界有採用線徑更細的裡茲線作為繞組來改善這一情況，但是裡茲線繞組的窗口填充率低，繞制耗費工時，並且細的裡茲線很容易斷。

現有技術中也有採用低磁導率磁芯來避免開氣隙，但是磁粉芯這類低磁導率磁芯其損耗遠遠大於鐵氧體。現有技術中也採用在鐵氧體磁芯上開多條分佈氣隙以減小氣隙的效應，但工藝複雜耗時。另外也有使繞組排布到遠離氣隙的位置，使其避開磁場強度較大的地方，但顯然損失了體積。

基於上述問題，本發明提供了一種磁性元件，以在不增加磁性元件體積的情況下削弱氣隙造成的渦流損耗，從而減小磁性元件的損耗。

為達成上述目的，本發明提供一種磁性元件，其包括：至少三個芯柱；及繞組，其繞設於至少三個芯柱其中至少一者上；其中，至少三個芯柱的至少一側設有相對初始磁導率等於1的介質。

本發明還提供一種變壓器，其包括：第一芯柱；第二芯柱；及繞組，其繞設於第一芯柱和第二芯柱上；其中，第一和第二芯柱的至少一側設有相對初始磁導率等於1的介質。

本發明相較於現有技術的有益效果在於：本發明將現有的相對初始磁導率高的磁性蓋板替換為相對初始磁導率(ur)=1的介質，例如空氣或蓋板，與現有的磁性元件相比，本發明的磁芯的至少一側設置ur=1的介質，使得原先在該側形成的氣隙處擴散的磁通得以比較均勻的分佈，大幅降低氣隙產生的損耗，因而繞組損耗只剩趨膚效應和鄰近效應產生的損耗。並且，本發明並未增加磁性元件的體積，甚至在無蓋板的情況下可減小磁性元件的體積，進而提高功率密度。

1‧‧‧上蓋板

2‧‧‧芯柱

5‧‧‧空間

10‧‧‧磁芯

11‧‧‧中芯柱

12‧‧‧左芯柱

13‧‧‧右芯柱

14‧‧‧下蓋板

20‧‧‧繞組

30‧‧‧上蓋板

40‧‧‧下蓋板

51‧‧‧第一芯柱

52‧‧‧第二芯柱

60‧‧‧繞組

12’‧‧‧左邊芯柱

13’‧‧‧右邊芯柱

15’‧‧‧上邊芯柱

16’‧‧‧下邊芯柱

A‧‧‧處

D1‧‧‧最小距離

G‧‧‧氣隙

le、le1、le2‧‧‧寬度

W‧‧‧窗口

d0、d1、d2、d0’、d1’、d2’‧‧‧最近距離

圖1為現有的具有氣隙的磁性元件的示意圖。

圖2為本發明第一實施例的磁性元件的示意圖，其示出了通電後的磁通分布。

圖3a、3b分別示出本發明第一實施例的磁性元件的兩種形式的俯視圖。

圖4為本發明第一實施例的磁性元件的示意圖，其示出了芯柱高度和窗口寬度。

圖5為本發明第二實施例的磁性元件的示意圖。

圖6為本發明第三實施例的磁性元件的示意圖。

圖7為本發明第四實施例的磁性元件的示意圖。

圖8為本發明第五實施例的磁性元件的示意圖。

圖9為本發明第六實施例的磁性元件的俯視圖。

圖10為本發明第七實施例的磁性元件的俯視圖。

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，且不應被理解為限於在此闡述的實施方式；相反，提供這些實施方式使得本發明更全面和完整，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。在圖中，為了清晰，可能誇大了區域和層的厚度。在圖中相同的元件符號表示相同或類似的結構，因而將省略它們的詳細描述。

此外，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例中。在下面的描述中，提供許多具體細節從而給出對本發明的實施例的充分理解。然而，本領域技術人員將意識到，可以實踐本發明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、組元、材料等。在其它情況下，不詳細示出或描述公知結構、材料或者操作以避免模糊本發明的主要技術創意。

第一實施例

參照圖2所示，本實施例提供一種磁性元件，其包括磁芯10及繞設於該磁芯10上的繞組20。繞組可為PCB繞組、郵票狀銅片、線餅等平面結構。磁芯10可包括下蓋板14及設置於下蓋板14上的三個芯柱，即位於中間的中芯柱11及其兩邊的左芯柱12和右芯柱13。磁芯10可由同一種或不同種材料，本實施例中，磁芯10整體是由相對初始磁導率ur>1的磁性材料製成。中芯柱11及左芯柱12、右芯柱13的高度可以是等高也可以不等高。各芯柱的截面可為圓形，矩形或跑道形，其中芯柱的截面為沿著垂直於芯柱的高度方向所截的面。磁芯10可為圖3a所示的E形磁芯，即左芯柱12和右芯柱13是分開的兩個邊柱，或者為圖3b所示的類似一個罐形的磁芯，即，左芯柱12和右芯柱13連成了一個整體，例如通過在磁芯上開一個缺口，將繞組的出線連到磁芯外面。磁芯形狀 不限於上述的有E型、罐型、U形，還包含PQ型，PJ型，RM型等其他任意磁芯形狀。圖中3a、3b中元件符號5是指磁芯10和繞組20之間因為公差或者安規等原因留出的空間。

圖2中元件符號G表示磁性元件中承擔磁壓的部分，稱之為氣隙。所謂氣隙，是指在閉合磁路中，磁場強度在相對初始磁導率(ur)=1介質中經過的那段距離。

在磁芯10的至少一側設有ur=1的介質。本實施例中，磁芯10的上側無蓋板等類似遮蓋物，也就是說，磁芯10的上側暴露於外界空氣中，而空氣的ur大致等於1。圖2中虛線示出了磁芯和氣隙中的磁通分布，當電流方向發生改變時，磁通方向也會相應的發生改變。由此看出，此實施例中氣隙G上磁場強度H在靠近繞組20的銅皮處分佈均勻平滑，方向基本平行於銅皮上表面，由於磁芯10的上側覆蓋了ur=1的介質，因而幾乎沒有垂直於銅皮寬度方向的磁場強度H來切割銅皮，因此可大幅降低在繞組上氣隙造成的損耗，另外，由於無蓋板設計，磁芯損耗也相應的減小了，僅有趨膚效應和鄰近效應造成的渦流損耗。

因此，與現有的設置相對初始磁導率高的上蓋板的磁性元件相比，本實施例磁芯上無蓋板，即磁芯由ur=1的介質覆蓋，使得原先在氣隙處擴散的磁通得以比較均勻的分佈，大幅降低氣隙產生的損耗，因而繞組損耗只剩趨膚效應和鄰近效應產生的損耗。另外，由於無蓋板設計，磁芯損耗自然也相應的減小。

另外，芯柱及繞組的形式不限於此，在其他實施例中，可設置三個以上的芯柱，繞組可繞設於其中一個或多個芯柱上。

優選的，可對磁芯結構進一步改進，以達到更佳降低損耗的效果，具體為：如圖4所示，定義中芯柱11的上端，也即中芯柱11靠近空氣的一 端到繞組20上表面的最近距離為d0，左芯柱12的上端到繞組20上表面的最近距離為d1，右芯柱13的上端到繞組20上表面的最近距離為d2。若左芯柱12和右芯柱13組成如圖3b所示的一個整體，則定義該整體的上端到繞組20表面的最近距離為d1。相鄰兩個芯柱之間形成具有一寬度的窗口W，繞組20容置於窗口W內，本實施例中共有兩個窗口W，其寬度分別為le1和le2。d0、d1和d2(或d0和d1)中比較小的數值記為d，d=min(d0,d1,d2)或d=min(d0,d1)，兩個窗口W寬度中，比較大的數值記為le，即le=max(le1,le2)。若繞組距離中芯柱11或左右邊柱12、13太近，氣隙G中擴散的磁場強度H就會切割到繞組，產生較大的渦流損耗。本實施例中，上述高度和寬度滿足以下條件：d>，在此條件下，氣隙G中擴散的磁場強度H不會切割到繞組20，繞組20附近的磁場強度H分佈均勻平滑，幾乎平行於繞組銅皮寬度方向，因而磁性元件中基本沒有氣隙引起的損耗。

另外，可調節中芯柱11和左右邊柱12、13的高度，以改變變壓器或電感的感量大小。中芯柱11和左右邊柱12、13可以等高，可通過同時調節它們的高度來達到所需的感量。中芯柱11和左右邊柱12、13也可以不等高，可通過分別調節它們的高度以方便、準確的調節感量。此種調節感量的方式，比傳統的開氣隙和墊氣隙方式更加容易操作，更能降低由於氣隙導致的損耗。

第二實施例

參閱圖5，本實施例的磁性元件與第一實施例的不同之處在於：ur=1的介質為蓋板，蓋板可由絕緣材料製成，例如塑料、木頭等。本實施例中，是在磁芯10的上側間隔地設置ur=1的上蓋板30，例如，上蓋板30可以通過粘料或其他材料間隔地固定於磁芯10之上，上蓋板30與繞組20平行設置。而磁性元件的其他結構，包括中芯柱11、左芯柱12、右芯柱13及下蓋板14都是由ur>1的相同或不同的磁性材料製成。

如圖所示，此實施例中氣隙G上磁場強度H在靠近繞組20的銅皮處分佈均勻平滑，方向基本平行於銅皮上表面，由於磁芯10的上側覆蓋了ur=1的上蓋板30，因而幾乎沒有垂直於銅皮寬度方向的磁場強度H來切割銅皮，因此可大幅降低在繞組上氣隙造成的損耗。另外，上蓋板30還可起到固定等作用。

類似的，也可將繞組高度和芯柱之間的窗口W的寬度設計為滿足第一實施例中所述之條件，在此條件下，氣隙G中擴散的磁場強度H不會切割到繞組20，繞組20附近的磁場強度H分佈均勻平滑，幾乎平行於繞組銅皮寬度方向，因而磁性元件中基本沒有氣隙引起的損耗。

第三實施例

參閱圖6，本實施例的磁性元件與第一實施例的不同之處在於：各個芯柱的上端具有向窗口W內延伸的凸起，使得相鄰芯柱在凸起處之間的距離較小。也就是說，中芯柱11與左芯柱12以及中芯柱11與右芯柱13之間的距離是非一致的，並非如第一、第二實施例中，保持相同的距離。中芯柱與左芯柱的凸起之間的最小距離大於中芯柱與左芯柱所對應的窗口寬度的50%，同樣，中芯柱與右芯柱的凸起之間的最小距離大於中芯柱與右芯柱所對應的窗口寬度的50%。以中芯柱與左芯柱為例，中芯柱11與左芯柱12的凸起之間的最小距離為D1，中芯柱11與左芯柱12對應於的窗口W的寬度為le1。上述距離和寬度滿足以下條件：D1/le1>50%。同時滿足如第一、二實施例中的磁芯高度和窗口寬度的條件：，其中d0為中芯柱凸起的下表面到繞組20上表面的距離，d1為左芯柱凸起的下表面到繞組20上表面的距離，d2為右芯柱凸起的下表面到繞組20上表面的距離。在此情況下，中芯柱11與左芯柱12的凸起之間的最小距離為D1，即氣隙長度佔據了窗口寬度le1的大部 分，因而磁場強度H在氣隙長度方向也比較平滑，磁場強度H幾乎是平行於繞組銅皮的寬度方向的，故可避免繞組氣隙造成的渦流損耗。

應注意的是，中芯柱與左右芯柱可以任意形式向窗口內突出，例如，該凸起的截面為梯形、矩形或不規則形狀。

本實施例中，右芯柱13與左芯柱12為相對於中芯柱11對稱，故省略對右芯柱13的說明。在其他實施例中，中芯柱11與左芯柱12的距離與中芯柱11與右芯柱13之間的距離不同，可根據上述數值關係分別設計左芯柱12和右芯柱13，以避免氣隙造成的渦流損耗。

第四實施例

參閱圖7，本實施例的磁性元件與第一實施例的不同之處在於：磁芯10包括三個分開設置的中芯柱11、左芯柱12及右芯柱13，其由相同或不同的ur>1的磁性材料製成。在磁芯10的上側和下側設有ur=1的介質，本實施例中該介質為空氣。儘管未在圖7中示出磁通分布，但實際上，氣隙G上磁場強度H在靠近繞組20的銅皮處分佈均勻平滑，方向基本平行於銅皮上表面，由於磁芯10的上側和下側均覆蓋了ur=1的介質，因而幾乎沒有垂直於銅皮寬度方向的磁場強度H來切割銅皮，因此可大幅降低在繞組上氣隙造成的損耗。

本實施例中，由於磁芯10上下兩側均未設置蓋板，即均存在氣隙，由此感量較低、頻率較高。

如圖7所示，繞組20的上表面到各芯柱上端點的距離分別為d0、d1及d2，繞組20的下表面到芯柱各下端點的距離分別為d0’、d1’及d2’。類似的，滿足如第一實施例中的磁芯高度和窗口寬度的條件：d= ，且d'=min(d0',d1',d2')>le= 。在此條件下，氣隙G中擴散的磁場強度H不會切割到繞組20，繞組 20附近的磁場強度H分佈均勻平滑，幾乎平行於繞組銅皮寬度方向，因而磁性元件中基本沒有氣隙引起的損耗。

第五實施例

參閱圖8，本實施例的磁性元件與第四實施例的不同之處在於：磁芯10上下兩側分別設置ur=1的上蓋板30和下蓋板40，上蓋板30、下蓋板40與磁芯10之間形成氣隙G。儘管未在圖8中示出磁通分布，但實際上，氣隙G上磁場強度H在靠近繞組20的銅皮處分佈均勻平滑，方向基本平行於銅皮上表面，由於磁芯10的上側和下側均覆蓋了ur=1的介質，因而幾乎沒有垂直於銅皮寬度方向的磁場強度H來切割銅皮，因此可大幅降低在繞組上氣隙造成的損耗。另外，上蓋板30還可起到固定等作用。

類似的，也可將繞組高度和芯柱之間的窗口的寬度設計為滿足第四實施例中所述之條件，在此條件下，氣隙G中擴散的磁場強度H不會切割到繞組20，繞組20附近的磁場強度H分佈均勻平滑，幾乎平行於繞組銅皮寬度方向，因而磁性元件中基本沒有氣隙引起的損耗。

第六實施例

參閱圖9所示的磁性元件的俯視圖，本實施例的磁性元件與第一實施例的不同之處在於：中芯柱11上套有繞組20，中芯柱11周圍設有多個邊芯柱，即除了左邊芯柱12’、右邊芯柱13’以外還設有上邊芯柱15’、下邊芯柱16’等。本實施例中，多個邊芯柱獨立設置，在其他實施例中，多個邊芯柱之間可互相連接，繞組可繞設於中芯柱以及至少一邊芯柱上。本實施例中，各芯柱均由ur>1的磁性材料製成。

本實施例可結合第一至第五實施例中任一種形式，例如，磁芯可設有ur>1的磁性材料製成的上蓋板或下蓋板；或者，磁芯的上側及/或下側可設有ur=1的介質，該介質為空氣或蓋板。

另外，當磁芯尺寸和窗口寬度也滿足類似第一實施例中的要求時，即繞組的上表面至各個芯柱靠近ur=1的介質端端點距離中的最小值大於各個窗口(窗口是由相鄰的兩個芯柱之間形成的)中寬度最大的窗口寬度的1/4時，能夠消除氣隙造成的損耗影響。

第七實施例

參閱圖10所示的磁性元件的俯視圖，本實施例的磁性元件為變壓器，其包括第一芯柱51、第二芯柱52及繞設於第一芯柱51和第二芯柱52上的繞組60。第一芯柱51和第二芯柱52均由ur>1的磁性材料製成。其中，第一芯柱51和第二芯柱52的至少一側設有相對初始磁導率等於1的介質。

本實施例可結合第一至第五實施例中任一種形式，例如，第一芯柱51和第二芯柱52可設有ur>1的磁性材料製成的上蓋板或下蓋板；或者，第一芯柱51和第二芯柱52的上側及/或下側可設有ur=1的介質，該介質為空氣或蓋板。

另外，定義窗口W的寬度le為相鄰兩繞組60之間的距離，當磁芯尺寸和窗口寬度也滿足類似第一實施例中的要求時，能夠消除氣隙造成的損耗影響。

綜上所述，本發明將現有的相對初始磁導率高的磁性蓋板替換為ur=1的介質，例如空氣或蓋板，與現有的磁性元件相比，本發明的磁芯的至少一側設置ur=1的介質，使得原先在該側形成的氣隙處擴散的磁通得以比較均勻的分佈，大幅降低氣隙產生的損耗，因而繞組損耗只剩趨膚效應和鄰近效應產生的損耗。並且，本發明並未增加磁性元件的體積，甚至在無蓋板的情況下可減小磁性元件的體積，進而提高功率密度。

雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本發明能夠以多種形式具體 實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限於任何前述的細節，而應在隨附申請專利範圍所限定的精神和範圍內廣泛地解釋，因此落入申請專利範圍或其等效範圍內的全部變化和改型都應為隨附申請專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧磁芯

11‧‧‧中芯柱

12‧‧‧左芯柱

13‧‧‧右芯柱

14‧‧‧下蓋板

20‧‧‧繞組

G‧‧‧氣隙

W‧‧‧窗口

Claims (21)

1. 一種磁性元件，其包括：至少三個芯柱；及繞組，其繞設於該至少三個芯柱其中至少一者上；其中，該至少三個芯柱的至少上側或下側設有相對初始磁導率等於1的介質，且該磁性元件不飽和，每兩個相鄰之該芯柱之間形成具有一寬度的窗口，該繞組部分容置於該窗口內，各個該窗口中寬度最大的窗口的寬度為le，各個該芯柱的上端到該繞組的上表面的最小距離為d，其中，d>。
2. 如申請專利範圍第1項所述之磁性元件，其中，該介質為空氣，其設置於該等芯柱的上側。
3. 如申請專利範圍第1項所述之磁性元件，其中，該相對初始磁導率等於1的介質為蓋板，其間隔地設置於該等芯柱的上側。
4. 如申請專利範圍第1項所述之磁性元件，其中，該等芯柱的上側設有該介質。
5. 如申請專利範圍第4項所述之磁性元件，其中，更包含一磁性蓋板，該等芯柱的下側設置於該磁性蓋板上。
6. 如申請專利範圍第4項所述之磁性元件，其中，該等芯柱的下側設有該介質。
7. 如申請專利範圍第6項所述之磁性元件，其中，各個該芯柱的下端到該繞組的下表面的最小距離為d’，其中，d'>。
8. 如申請專利範圍第4項所述之磁性元件，其中，各個芯柱的上端具有向該窗口內延伸的凸起，相鄰兩個該芯柱的該凸起之間的最小距離大於兩個該芯柱所對應的該窗口寬度的50%。
9. 如申請專利範圍第8項所述之磁性元件，其中，各個該芯柱的該凸起的下表面到該繞組的上表面的最小距離為d”，其中d">。
10. 如申請專利範圍第1項所述之磁性元件，其中，該等芯柱的截面為圓形、矩形或跑道形。
11. 如申請專利範圍第1項所述之磁性元件，其中，該繞組為平面繞組。
12. 如申請專利範圍第11項所述之磁性元件，其中，該平面繞組包括PCB繞組、郵票狀銅片或線餅。
13. 如申請專利範圍第1項所述之磁性元件，其中，該至少三個芯柱包括一中芯柱及多個圍繞中芯柱設置的邊芯柱。
14. 如申請專利範圍第13項所述之磁性元件，其中，該邊芯柱之間互相連接。
15. 如申請專利範圍第13項所述之磁性元件，其中，該繞組繞設於該中芯柱上。
16. 如申請專利範圍第13項所述之磁性元件，其中，該繞組繞設於該中芯柱以及至少一該邊芯柱上。
17. 如申請專利範圍第1項所述之磁性元件，其中，該至少三個芯柱的高度相同。
18. 如申請專利範圍第1項所述之磁性元件，其中，該至少三個芯柱其中至少兩者的高度不同。
19. 如申請專利範圍第13項所述之磁性元件，其中，各個該邊芯柱相對於該中芯柱對稱設置。
20. 一種變壓器，其包括：第一芯柱； 第二芯柱；及繞組，其繞設於該第一芯柱和該第二芯柱上；其中，該第一和該第二芯柱的至少上側或下側設有相對初始磁導率等於1的介質，且該變壓器不飽和，該第一芯柱和該第二芯柱之間形成窗口，該窗口的寬度為le，該第一芯柱的上端到該繞組的上表面和該第二芯柱的上端到該繞組的上表面的最小距離為d，其中，d>。
21. 如申請專利範圍第20項所述之變壓器，其中，更包含磁性蓋板，該第一和該第二芯柱的下側設置於該磁性蓋板上，該第一和該第二芯柱的上側設有該介質。