TWI771254B - 鐵芯結構及電壓變換器 - Google Patents

Abstract

一種鐵芯結構和電壓變換器，該鐵芯結構包括鐵芯、初級繞組和次級繞組。鐵芯包括第一芯件和第二芯件，第一芯件包括間隔設置的第一側柱、第一芯柱、第二側柱。第二芯件包括間隔設置的第三側柱、第二芯柱、第四側柱。初級繞組設置於芯柱上，次級繞組設置於側柱上。第一芯柱連接第二芯柱，第一側柱與第三側柱之間設有第一氣隙，第二側柱與第四側柱之間設有第二氣隙，從而增大側柱的磁阻，使初級繞組和次級繞組呈現出不同的漏感值，滿足功率級電路的多樣化需求。

Description

鐵芯結構及電壓變換器

本申請涉及變壓器技術領域，尤其涉及一種鐵芯結構及具有該鐵芯結構的電壓變換器。

隨著科技產業的發展，各類電子產品之設計與其零件之研發目標大部分為節能、穩定與效率。其中，變壓器於電源產品中是極為重要的一環；更詳細地說明，變壓器是一種可以改變電壓大小的設備，依用途可分為升壓變壓器、降壓變壓器、以及特殊變壓器。並且，變壓器主要構造是由一個基座、一組初級線圈、一組次級線圈、以及一個鐵芯組所構成。

當有足夠大的電流通過變壓器時，其鐵芯組的磁場將會逐漸達到飽和，而導致其輸出功率不僅達不到預期的輸出功率，同時造成整體溫度過高。因此，為瞭解決上述的問題，現有一種鐵芯結構被提出。請參閱圖6，現有的鐵芯結構100’由一第一芯件11’以及一第二芯件12’所組成；其中，該第一芯件11’與該第二芯件12’的中心柱連接處設有一氣隙13’，初級繞組20’和次級繞組30’分別繞設於第一芯件11’與該第二芯件12’的中心柱上。通過此氣隙13’的設計，令裝有該鐵芯結構100’的變壓器能夠有效地防止磁飽和現象同時提高變壓器運作時的穩定性。

雖然現有的鐵芯結構100’能夠防止磁飽和現象，然而現有結構中初級繞組20’和次級繞組30’的等效漏感基本相同，當實際應用電路中需要初級繞組和次級繞組呈現出不同漏感值時，現有的鐵芯結構無法滿足功率級電路的不同需求。

鑒於上述狀況，本申請提供一種鐵芯結構和具有該鐵芯結構的電壓變換器，通過在芯柱兩側的側柱上設置第一氣隙和第二氣隙，增大側柱的磁阻，使得流過第一次級繞組和第二次級繞組的磁束減少，進而降低次級繞組的漏感值，使初級繞組和次級繞組呈現出不同的漏感值，滿足功率級電路的多樣化需求。

一種鐵芯結構，包括鐵芯和繞設於所述鐵芯上的初級繞組和次級繞組，所述鐵芯包括第一芯件和第二芯件，所述第一芯件包括第一芯柱、第一側柱、第二側柱和連接所述第一芯柱、所述第一側柱及所述第二側柱的第一連接部，所述第一側柱和所述第二側柱分別設置於所述第一芯柱的兩側；所述第二芯件包括第二芯柱、第三側柱、第四側柱和連接所述第二芯柱、所述第三側柱及所述第四側柱的第二連接部，所述第三側柱和所述第四側柱分別設置於所述第二芯柱的兩側；所述第一芯柱連接所述第二芯柱，所述第一側柱與所述第三側柱之間設有第一氣隙，所述第二側柱與所述第四側柱之間設有第二氣隙；所述初級繞組設置於所述第一芯柱和所述第二芯柱上；所述次級繞組包括第一次級繞組和第二次級繞組，所述第一次級繞組設置於所述第一側柱和所述第三側柱上，且所述第一次級繞組繞設於所述第一氣隙上；所述第二次級繞組設置於所述第二側柱和所述第四側柱上，且所述第二次級繞組繞設於所述第二氣隙上。

在本申請的一些實施例中，所述第一側柱與所述第二側柱對稱設於所述第一芯柱的兩側。

在本申請的一些實施例中，所述第一側柱與所述第三側柱同軸設置，所述第二側柱與所述第四側柱同軸設置。

在本申請的一些實施例中，所述第一芯柱的長度大於所述第一側柱和所述第二側柱的長度；所述第二芯柱的長度大於所述第三側柱和所述第四側柱的長度。

在本申請的一些實施例中，所述第一氣隙的尺寸與所述第二氣隙的尺寸相同。

在本申請的一些實施例中，所述第一芯柱的橫截面積大於所述第一側柱的橫截面積。

在本申請的一些實施例中，所述第一芯柱與所述第二芯柱連接為一體。

在本申請的一些實施例中，所述第一氣隙和第二氣隙大小的值為1-2mm。

在本申請的一些實施例中，所述鐵芯的材料包括矽鋼片或鐵氧體。

本申請的實施例還提供一種電壓變換器，所述電壓變換器包括功率級電路和上述實施例所述的鐵芯結構，所述鐵芯結構連接所述功率級電路。

本申請提供的鐵芯結通過在芯柱兩側的側柱上設置第一氣隙和第二氣隙，可以增大側柱的磁阻，使得流過第一次級繞組和第二次級繞組的磁束減少，進而降低次級繞組的漏感值，使初級繞組和次級繞組呈現出不同的自感量與漏感值的不同比例組合，滿足功率級電路的多樣化需求。

下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。

需要說明的是，當元件被稱為“固定於”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是“連接”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。當一個元件被認為是“設置於”另一個元件，它可以是直接設置在另一個元件上或者可能同時存在居中元件。本文所使用的術語“垂直的”、“水準的”、“左”、“右”以及類似的表述只是為了說明的目的。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本申請的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本申請的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施方式的目的，不是旨在於限制本申請。本文所使用的術語“或／及”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

請參閱圖1，在一實施方式中，鐵芯結構100包括鐵芯10和繞設於所述鐵芯10上的初級繞組20和次級繞組30。

所述鐵芯10包括第一芯件11和第二芯件12。所述第一芯件11包括第一芯柱111、第一側柱112、第二側柱113和第一連接部114。所述第一芯柱111、所述第一側柱112及所述第二側柱113間隔連接於所述第一連接部114，且所述第一側柱112和所述第二側柱113分別設置於所述第一芯柱111的兩側。所述第二芯件12包括第二芯柱121、第三側柱122、第四側柱123和第二連接部124。所述第二芯柱121、所述第三側柱122及所述第四側柱123間隔連接於所述第二連接部124，且所述第三側柱122和所述第四側柱123分別設置於所述第二芯柱121的兩側。所述第一芯件11和所述第二芯件12相對設置，所述第一芯柱111連接所述第二芯柱121，從而使第一芯柱111與第二芯柱121之間沒有氣隙。所述第一側柱112與所述第三側柱122間隔設置，以在第一側柱112與第三側柱122之間設置第一氣隙13。所述第二側柱113與所述第四側柱123間隔設置，以在第二側柱113與第四側柱123之間設置第二氣隙14。

所述初級繞組20設置於所述第一芯柱111和所述第二芯柱121上，且所述初級繞組20大致繞設於所述第一芯柱111和所述第二芯柱121的連接處。所述次級繞組30包括第一次級繞組31和第二次級繞組32。所述第一次級繞組31設置於所述第一側柱112和所述第三側柱122上，且所述第一次級繞組31繞設於所述第一氣隙13上。所述第二次級繞組32設置於所述第二側柱113和所述第四側柱123上，且所述第二次級繞組32繞設於所述第二氣隙14上。

請繼續參閱圖2，圖2為簡單氣隙磁路的結構示意圖。根據安培定律可得：

其中，N為圖2中繞組的線圈匝數，I為線圈中的電流，H為磁場強度，

為總磁路長度，在圖2所示的簡單氣隙磁路中，

等於鐵芯磁路長度

與氣隙磁路長度

之和，即：

進而可以推導出：

其中，

為鐵芯的磁場強度，

為氣隙的磁場強度。

磁場強度H與磁通密度B之間的關係式為：

進而可以得到鐵芯的磁場強度

和氣隙的磁場強度

為：

進一步推導出：

磁通密度B與磁通量

和磁通面積A之間的關係為：

進一步可得：

經過等式變換可得：

而鐵芯磁阻

和氣隙磁阻

分別為：

因此，可進一步推導得到：

同一磁路中，磁通量不變，基於此，

綜上，可以得出，在線圈匝數N和電流I不變時，鐵芯中增加氣隙會使得磁路中的磁阻增大，磁通量

減小。

請參閱圖3和圖4，圖3為鐵芯結構100中磁力線的示意圖，圖4為鐵芯結構100的等效磁阻模型簡圖。其中，L1、L2、L3分別表示初級繞組20、第一次級繞組31和第二次級繞組32處的耦合磁通，Lk1、Lk2、Lk3分別表示初級繞組20、第一次級繞組31和第二次級繞組32處的漏磁通量，NI表示初級繞組20產生的磁動勢，R_Lk1表示初級繞組20的漏磁磁通量的等效磁阻，Rg_L2表示第一氣隙13及第一側柱112、第三側柱122處的等效磁阻，Rg_L3表示第二氣隙14及第二側柱113、第四側柱123處的等效磁阻。

在芯柱兩側的側柱上設置第一氣隙13和第二氣隙14，可以增大側柱的磁阻，使得流過第一次級繞組31和第二次級繞組32的磁束減少，進而增加初級繞組20的漏感值，降低次級繞組30的漏感值，使初級繞組20和次級繞組30呈現出不同的漏感值，滿足功率級電路的多樣化需求。例如，在有些實際應用電路中，初級繞組20側可以接受（等效吸收）較大的漏感（如共振電路），而次級繞組30側是硬切換電路，漏感降低可以減少切換的尖峰電壓，提升電路的安全性能。

此外，將次級繞組30放置在氣隙上，僅在氣隙附近有較大的磁位差，大部分磁路的磁位差很小，可以保證初級繞組20和次級繞組30磁通的良好耦合。

調整繞組的匝比和第一氣隙13、第二氣隙14的大小，可以使初級繞組20側得到不同的漏感值，初級繞組20和次級繞組30呈現出不同的自感量與漏感值的不同比例組合，適應不同的功率級電路需求。

請再次參閱圖1，在本申請的實施例中，所述第一側柱112與所述第二側柱113對稱設於所述第一芯柱111的兩側，第一芯件11的結構與第二芯件12的結構相同，均大致呈“E”型。所述第一側柱112與所述第三側柱122同軸設置，所述第二側柱113與所述第四側柱123同軸設置，從而使鐵芯10大致呈對稱結構，有利於均衡磁場，維持初級繞組20與次級繞組30之間的良好耦合。

進一步地，所述第一芯柱111的長度大於所述第一側柱112和所述第二側柱113的長度，所述第二芯柱121的長度大於所述第三側柱122和所述第四側柱123的長度，從而使第一芯柱111與第二芯柱121連接時，第一側柱112與第三側柱122相對且間隔設置，第二側柱113與第四側柱123相對且間隔設置，分別在鐵芯10的相對兩側形成第一氣隙13和第二氣隙14。

在本申請的一些實施例中，鐵芯10大致為上下對稱結構，所述第一氣隙13的尺寸與所述第二氣隙14的尺寸相同，有利於促使磁束均勻分佈，提升初級繞組20與次級繞組30的耦合性能。

所述第一氣隙13和第二氣隙14可以在不影響鐵芯10原本的特性前提下，而加大工作的磁通密度和飽和磁通密度；其次，所述第一氣隙13和第二氣隙14可以減少鐵芯10在不對稱磁場狀態下工作時的剩磁，而且氣隙越大，線圈電流降為零時鐵芯10的剩磁越小，這樣同樣體積的鐵芯10就可以輸出更大的功率，但氣隙越大鐵芯10的電感係數就越小，為了達到一定的電感量就需要繞制更多的線圈，相關的銅損也增加，加上線圈匝數多，分佈電容也相對增大,影響電磁元件的工作穩定性，因此實際應用時多方權衡，確定出所述第一氣隙13和第二氣隙14大小的值為1-2mm。在其他實施例中，第一氣隙13和第二氣隙14大小的值可以小於1mm或大於2mm，第一氣隙13和第二氣隙14的大小也可以不相同。第一次級繞組31和第二次級繞組32的線圈匝數也可以不相同，能夠依據實際電路的需要而進行調整，例如次級繞組可能只需要一組，另一組可以作為輔助繞組或待機電源使用。氣隙大小和線圈匝數根據實際需求設置即可，本申請不對此進行限定。

在本申請的一些實施例中，所述第一芯柱111的橫截面積大於所述第一側柱112和第二側柱113的橫截面積，所述第二芯柱121的橫截面積大於所述第三側柱122和第四側柱123的橫截面積，進而有利於減少初級繞組20的匝數，把初級繞組20的匝數控制在較少的程度，有利於減少初級繞組20的漏感值。

進一步地，所述第一芯柱111與所述第二芯柱121連接為一體或焊接連接。在其他實施例中，第一芯柱111與第二芯柱121之間還可以設置第三氣隙，以便進一步調整初級繞組20和次級繞組30的自感量與漏感值。

在本申請的實施例中，所述鐵芯10的材料包括但不限於矽鋼片或鐵氧體等材料。所述次級繞組30的材料包括但不限於銅絲、銅帶等材料。

請參閱圖5，本申請的實施例還提供一種電壓變換器200，所述電壓變換器200包括功率級電路201和上述實施例所述的鐵芯結構100，所述鐵芯結構100連接所述功率級電路201。

以上實施方式僅用以說明本申請的技術方案而非限制，儘管參照以上較佳實施方式對本申請進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本申請的技術方案進行修改或等同替換都不應脫離本申請技術方案的精神和範圍。

100:鐵芯結構 100’:鐵芯結構 10:鐵芯 11:第一芯件 11’:第一芯件 111:第一芯柱 112:第一側柱 113:第二側柱 114:第一連接部 12:第二芯件 12’:第二芯件 121:第二芯柱 122:第三側柱 123:第四側柱 124:第二連接部 13:第一氣隙 14:第二氣隙 13’:氣隙 20:初級繞組 20’:初級繞組 30:次級繞組 30’:次級繞組 31:第一次級繞組 32:第二次級繞組 200:電壓變換器 201:功率級電路

圖1為鐵芯結構在一實施例中的結構示意圖。

圖2為簡單氣隙磁路的結構示意圖。

圖3為圖1所示鐵芯結構中磁力線的示意圖。

圖4為圖1所示鐵芯結構的等效磁阻模型簡圖。

圖5為電壓變換器在一實施例中的簡圖。

圖6為現有技術中鐵芯結構的示意圖。

100:鐵芯結構

10:鐵芯

11:第一芯件

111:第一芯柱

112:第一側柱

113:第二側柱

114:第一連接部

12:第二芯件

121:第二芯柱

122:第三側柱

123:第四側柱

124:第二連接部

13:第一氣隙

14:第二氣隙

20:初級繞組

30:次級繞組

31:第一次級繞組

32:第二次級繞組

Claims (10)

1. 一種鐵芯結構，包括鐵芯和繞設於所述鐵芯上的初級繞組和次級繞組，其中， 所述鐵芯包括第一芯件和第二芯件，所述第一芯件包括第一芯柱、第一側柱、第二側柱和連接所述第一芯柱、所述第一側柱及所述第二側柱的第一連接部，所述第一側柱和所述第二側柱分別設置於所述第一芯柱的兩側；所述第二芯件包括第二芯柱、第三側柱、第四側柱和連接所述第二芯柱、所述第三側柱及所述第四側柱的第二連接部，所述第三側柱和所述第四側柱分別設置於所述第二芯柱的兩側；所述第一芯柱連接所述第二芯柱，所述第一側柱與所述第三側柱之間設有第一氣隙，所述第二側柱與所述第四側柱之間設有第二氣隙； 所述初級繞組設置於所述第一芯柱和所述第二芯柱上； 所述次級繞組包括第一次級繞組和第二次級繞組，所述第一次級繞組設置於所述第一側柱和所述第三側柱上，且所述第一次級繞組繞設於所述第一氣隙上；所述第二次級繞組設置於所述第二側柱和所述第四側柱上，且所述第二次級繞組繞設於所述第二氣隙上。
2. 如請求項1所述的鐵芯結構，其中，所述第一側柱與所述第二側柱對稱設於所述第一芯柱的兩側。
3. 如請求項2所述的鐵芯結構，其中，所述第一側柱與所述第三側柱同軸設置，所述第二側柱與所述第四側柱同軸設置。
4. 如請求項3所述的鐵芯結構，其中，所述第一芯柱的長度大於所述第一側柱和所述第二側柱的長度；所述第二芯柱的長度大於所述第三側柱和所述第四側柱的長度。
5. 如請求項3所述的鐵芯結構，其中，所述第一氣隙的尺寸與所述第二氣隙的尺寸相同。
6. 如請求項3所述的鐵芯結構，其中，所述第一芯柱的橫截面積大於所述第一側柱的橫截面積。
7. 如請求項1所述的鐵芯結構，其中，所述第一芯柱與所述第二芯柱連接為一體。
8. 如請求項1所述的鐵芯結構，其中，所述第一氣隙和第二氣隙大小的值為1-2mm。
9. 如請求項1所述的鐵芯結構，其中，所述鐵芯的材料包括矽鋼片或鐵氧體。
10. 一種電壓變換器，其中，所述電壓變換器包括功率級電路和請求項1至請求項9任一項所述的鐵芯結構，所述鐵芯結構連接所述功率級電路。

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