CN103971894A - 磁耦合电感器及其磁芯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁耦合电感器及其磁芯。本发明的磁芯包括：上板和下板，上板和下板的每一个均由位于正中的具有第一磁导率的中间部分以及具有第二磁导率的左侧部分和右侧部分构成；分别套于磁耦合电感器的两个线圈内部的两个第一磁芯柱，每个第一磁芯柱的高度等于上板和下板之间的距离；及位于两个线圈外的左右两侧的两个第二磁芯柱，每个第二磁芯柱的高度等于上板和下板之间的距离，深度等于上板和下板的深度。两个第二磁芯柱的外边缘分别与上板和下板的左边缘和右边缘对齐并且与上板和下板一起形成纵截面为矩形的磁耦合电感器。第一磁芯柱具有第一磁导率，第二磁芯柱具有大于第一磁导率的第二磁导率。本发明实现了高磁耦合特性及良好的直流偏置特性。

Description

磁耦合电感器及其磁芯

技术领域

本发明涉及电路领域，尤其涉及根据交错工作原理工作的磁耦合电感器及其磁芯。

背景技术

在耦合电感的设计中，发表的论文以及学术报告里采用常见的E型磁芯设计，缺少对磁芯的结构优化。

发明内容

针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种根据交错工作原理工作的磁耦合电感器及其磁芯。

根据本发明一方面，提供了一种磁耦合电感器的磁芯，包括：

上板和下板，上板和下板的每一个均由位于正中的具有第一磁导率的中间部分以及具有第二磁导率的左侧部分和右侧部分构成；

分别套于磁耦合电感器的两个线圈内部的两个第一磁芯柱，每个第一磁芯柱的高度等于上板和下板之间的距离；以及

位于两个线圈外的左右两侧的两个第二磁芯柱，每个第二磁芯柱的高度等于上板和下板之间的距离，深度等于上板和下板的深度，

其中，两个第二磁芯柱的外边缘分别与上板和下板的左边缘和右边缘对齐并且与上板和下板一起形成纵截面为矩形的磁耦合电感器，

其中，第一磁芯柱具有第一磁导率，第二磁芯柱具有大于第一磁导率的第二磁导率。

根据本发明又一方面，左侧部分和右侧部分的横截面积等于第二磁芯柱的横截面积，中间部分的左边缘与位于左侧的线圈的左侧对齐，以及中间部分的右边缘与位于右侧的线圈的右侧对齐。

根据本发明又一方面，中间部分的左边缘与位于左侧的第一磁芯柱的中心对齐、右边缘与位于右侧的第一磁芯柱的中心对齐，左侧部分的右边缘与位于左侧的第一磁芯柱的中心对齐，以及右侧部分的左边缘与位于右侧的第一磁芯柱的中心对齐。

根据本发明又一方面，中间部分的左边缘与位于左侧的第一磁芯柱的左侧对齐、右边缘与位于右侧的第一磁芯柱的右侧对齐，左侧部分的右边缘与位于左侧的第一磁芯柱的左侧对齐，以及右侧部分的左边缘与位于右侧的第一磁芯柱的右侧对齐。

根据本发明又一方面，上板和下板的左侧部分与位于左侧的第二磁芯柱一体成型，上板和下板的右侧部分与位于右侧的第二磁芯柱一体成型。

根据本发明又一方面，第一磁导率为第二磁导率的1.2倍以上。

根据本发明又一方面，第一磁芯柱的纵截面积大于第二磁芯柱的纵截面积。

根据本发明又一方面，中间部分由一块或两块板构成。

根据本发明又一方面，第一磁芯柱和第二磁芯柱的横截面为以下形状中的任一种：正方形、矩形、三角形、圆形、椭圆形。

根据本发明还有一方面，提供了一种磁耦合电感器，包括：

两个线圈；以及

磁芯，磁芯包括：

上板和下板，上板和下板的每一个均由位于正中的具有第一磁导率的中间部分以及具有第二磁导率的左侧部分和右侧部分构成；

分别套于两个线圈内部的两个第一磁芯柱，每个第一磁芯柱的高度等于上板和下板之间的距离；以及

位于两个线圈外的左右两侧的两个第二磁芯柱，每个第二磁芯柱的高度等于上板和下板之间的距离，深度等于上板和下板的深度，

其中，两个第二磁芯柱的外边缘分别与上板和下板的左边缘和右边缘对齐并且与上板和下板一起形成纵截面为矩形的磁耦合电感器，

其中，第一磁芯柱具有第一磁导率，第二磁芯柱具有大于第一磁导率的

第二磁导率。

应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。

附图说明

包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：

图1(a)示出根据本发明第一实施例的磁耦合电感器的立体图。

图1(b)示出根据本发明第一实施例的磁耦合电感器的纵截面示意图。

图1(c)示出根据本发明第一实施例的磁耦合电感器的立体分解图。

图2示出根据本发明第二实施例的磁耦合电感器的纵截面示意图。

图3(a)示出根据本发明第三实施例的磁耦合电感器的纵截面示意图。

图3(b)示出根据本发明第三实施例的磁耦合电感器的纵截面在一工作状态下的磁通流动示意图。

图3(c)示出根据本发明第三实施例的磁耦合电感器的纵截面在另一工作状态下的磁通流动示意图。

具体实施方式

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。

磁耦合电感器的两个线圈左右对称分布来对应两相交错工作模式。互感磁路(图1(b)竖线阴影线所示)和自感磁路(图1(b)斜线阴影线所示)也为左右对称分布。为了保证高磁耦合系数同时又具有良好的直流偏置性能，采用多种不同磁导率的磁芯来构成。在本发明中，使用低磁导率磁芯来作为自感，而采用高磁导率磁芯来作为互感磁路。在两相交错电路中设计的电感器具有如下特点：磁路横截面成方块形，由4根磁柱构成，其中线圈处于中央两根磁柱位置。并且两个线圈产生磁动势为相互抵消方向。中央两根磁柱以及相关磁路采用高磁导率材料构成，左右两侧磁柱以及相关磁路采用低磁导率磁芯构成，中央高磁导率和低磁导率两种材料的磁导率比为1.2以上。

图1(a)示出根据本发明第一实施例的磁耦合电感器100的立体图。图1(b)示出根据本发明第一实施例的磁耦合电感器100的纵截面示意图。图1(c)示出根据本发明第一实施例的磁耦合电感器100的立体分解图。

参考图1(a)、图1(b)和图1(c)，磁耦合电感器100包括：两个线圈110；以及磁芯。磁芯包括：上板130和下板140；分别套于两个线圈110内部的两个第一磁芯柱122；以及位于两个线圈110外的左右两侧的两个第二磁芯柱124。上板130由位于正中的具有第一磁导率的中间部分136以及具有第二磁导率的左侧部分132和右侧部分134构成。下板140由位于正中的具有第一磁导率的中间部分146以及具有第二磁导率的左侧部分142和右侧部分144构成。每个第一磁芯柱122的高度等于上板130和下板140之间的距离。每个第二磁芯柱124的高度等于上板130和下板140之间的距离，深度等于上板130和下板140的深度。两个第二磁芯柱124的外边缘分别与上板130和下板140的左边缘和右边缘对齐并且与上板130和下板140一起形成纵截面为矩形的磁耦合电感器100。第一磁芯柱122具有第一磁导率，第二磁芯柱124具有大于第一磁导率的第二磁导率。

上板130的左侧部分132和右侧部分134的横截面积等于第二磁芯柱124的横截面积，下板140的左侧部分142和右侧部分144的横截面积也等于第二磁芯柱124的横截面积。上板130的中间部分136和下板140的中间部分146的左边缘与位于左侧的线圈110的左侧对齐。上板130的中间部分136和下板140的中间部分146的右边缘与位于右侧的线圈110的右侧对齐。

上板130的左侧部分132、下板140的左侧部分142与位于左侧的第二磁芯柱124一体成型，形成图1(c)所示的一个磁芯124’，即图1(b)左侧的斜线阴影线所示部分。上板130的右侧部分134、下板140的右侧部分144与位于右侧的第二磁芯柱124一体成型，形成图1(c)所示的一个磁芯124’，即图1(b)右侧的斜线阴影线所示部分。

在一实施例中，第一磁导率为第二磁导率的1.2倍以上。

在一实施例中，第一磁芯柱122的纵截面积大于第二磁芯柱124的纵截面积。

在一实施例中，上板130的中间部分136和下板140的中间部分146分别由一块板构成。

在另一实施例中，中间部分136’和146’分别由两块板构成，如图1(c)的分解图所示。

在一实施例中，第一磁芯柱122和第二磁芯柱124的横截面为以下形状中的任一种：正方形、矩形、三角形、圆形、椭圆形。

图2示出根据本发明第二实施例的磁耦合电感器的纵截面示意图。参考图2，磁耦合电感器200包括：两个线圈210；以及磁芯。磁芯包括：上板230和下板240；分别套于两个线圈210内部的两个第一磁芯柱222；以及位于两个线圈210外的左右两侧的两个第二磁芯柱224。上板230由位于正中的具有第一磁导率的中间部分236以及具有第二磁导率的左侧部分232和右侧部分234构成。下板240由位于正中的具有第一磁导率的中间部分246以及具有第二磁导率的左侧部分242和右侧部分244构成。每个第一磁芯柱222的高度等于上板230和下板240之间的距离。每个第二磁芯柱224的高度等于上板230和下板240之间的距离，深度等于上板230和下板240的深度。两个第二磁芯柱224的外边缘分别与上板230和下板240的左边缘和右边缘对齐并且与上板230和下板240一起形成纵截面为矩形的磁耦合电感器200。第一磁芯柱222具有第一磁导率，第二磁芯柱224具有大于第一磁导率的第二磁导率。

上板230的中间部分236以及下板240的中间部分246的左边缘与位于左侧的第一磁芯柱222的中心对齐，上板230的中间部分236以及下板240的中间部分246的右边缘与位于右侧的第一磁芯柱222的中心对齐。上板230的左侧部分232以及下板240的左侧部分242的右边缘与位于左侧的第一磁芯柱222的中心对齐，上板230的右侧部分234以及下板240的右侧部分244的左边缘与位于右侧的第一磁芯柱222的中心对齐。

上板230的左侧部分232、下板240的左侧部分242与位于左侧的第二磁芯柱224一体成型，形成图2左侧的斜线阴影线所示部分。上板230的右侧部分234、下板240的右侧部分244与位于右侧的第二磁芯柱224一体成型，形成图2右侧的斜线阴影线所示部分。

在一实施例中，第一磁导率为第二磁导率的1.2倍以上。

在一实施例中，第一磁芯柱222的纵截面积大于第二磁芯柱224的纵截面积。

在一实施例中，上板230的中间部分236和下板240的中间部分246分别由一块板构成。

在另一实施例中，上板230的中间部分236和下板240的中间部分246也可以分别由两块板构成。

在一实施例中，第一磁芯柱222和第二磁芯柱224的横截面为以下形状中的任一种：正方形、矩形、三角形、圆形、椭圆形。

图3(a)示出根据本发明第三实施例的磁耦合电感器的纵截面示意图。参考图3(a)，磁耦合电感器300包括：两个线圈310；以及磁芯。磁芯包括：上板330和下板340；分别套于两个线圈310内部的两个第一磁芯柱322；以及位于两个线圈310外的左右两侧的两个第二磁芯柱324。上板330由位于正中的具有第一磁导率的中间部分336以及具有第二磁导率的左侧部分332和右侧部分334构成。下板340由位于正中的具有第一磁导率的中间部分346以及具有第二磁导率的左侧部分342和右侧部分344构成。每个第一磁芯柱322的高度等于上板330和下板340之间的距离。每个第二磁芯柱324的高度等于上板330和下板340之间的距离，深度等于上板330和下板340的深度。两个第二磁芯柱324的外边缘分别与上板330和下板340的左边缘和右边缘对齐并且与上板330和下板340一起形成纵截面为矩形的磁耦合电感器300。第一磁芯柱322具有第一磁导率，第二磁芯柱324具有大于第一磁导率的第二磁导率。

上板330的中间部分336以及下板340的中间部分346的左边缘与位于左侧的第一磁芯柱322的左侧对齐，上板330的中间部分336以及下板340的中间部分346的右边缘与位于右侧的第一磁芯柱322的右侧对齐。上板330的左侧部分332以及下板340的左侧部分342的右边缘与位于左侧的第一磁芯柱322的左侧对齐，上板330的右侧部分334以及下板340的右侧部分344的左边缘与位于右侧的第一磁芯柱322的右侧对齐。

上板330的左侧部分332、下板340的左侧部分342与位于左侧的第二磁芯柱324一体成型，形成图3(a)左侧的斜线阴影线所示部分。上板330的右侧部分334、下板340的右侧部分344与位于右侧的第二磁芯柱324一体成型，形成图3(a)右侧的斜线阴影线所示部分。

在一实施例中，第一磁导率为第二磁导率的1.2倍以上。

在一实施例中，第一磁芯柱322的纵截面积大于第二磁芯柱324的纵截面积。

在一实施例中，上板330的中间部分336和下板340的中间部分346分别由一块板构成。

在另一实施例中，上板330的中间部分336和下板340的中间部分346也可以分别由两块板构成。

在一实施例中，第一磁芯柱322和第二磁芯柱324的横截面为以下形状中的任一种：正方形、矩形、三角形、圆形、椭圆形。

图3(b)示出根据本发明第三实施例的磁耦合电感器300的纵截面在一工作状态下的磁通流动示意图。

对于相同直流偏置成分。左右线圈310分别产生各自磁通，如图3(b)所示，分别用虚线箭头和点划线箭头表示。由于左右大小相同方向相反，所以在中间的高磁导率磁芯(图3(b)竖线阴影线所示)上相互抵消，而不发生饱和。而低磁导率磁路(图3(b)斜线阴影线所示)上则有各自磁通流过，将能量从电能转为磁能储集。

图3(c)示出根据本发明第三实施例的磁耦合电感器300的纵截面在另一工作状态下的磁通流动示意图。对于纹波电流成分，假设位于左侧的线圈310的电流大于位于右侧的线圈310的电流时，中间以及右半部份的磁路中流过的磁通大小和方向由两个磁动势的差和磁阻决定。如图3所示。此时，因为磁通不相互抵消，磁通同时流过两个线圈，所以存在互感。线圈1中的能量一部分转换为磁能存储，另一部分能量通过互感从线圈2直接产生感应电动势瞬时输出。

本发明专利是应用在交错工作原理上的电感。利用了交错电路原理的脉冲时间点不同和施加在电感两端电压不同的情况，而产生感应电动势的原理，将一部分能量通过变压器原理直接传送。这样使电感减小了储存磁能的材料，使电感变小型化，高效化。采用本发明的磁耦合电感器结构设计的优点在于，磁路中分别使用了不同磁导率的磁芯，对互感磁路采用高磁导率磁芯，降低磁阻提高磁气耦合系数。对于自感磁路采用低磁导率材料不易饱和，使自感磁路具有良好的直流偏置性能。同时实现了高磁耦合特性以及良好的直流偏置特性。本发明可应用于各种两相交错式电路，包括DC-DC升压，DC-DC降压，DC-DC升降压，PFC，AC滤波回路电感器等等。

本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。

Claims (10)

1.一种磁耦合电感器的磁芯，包括：

上板和下板，上板和下板的每一个均由位于正中的具有第一磁导率的中间部分以及具有第二磁导率的左侧部分和右侧部分构成；

分别套于所述磁耦合电感器的两个线圈内部的两个第一磁芯柱，每个所述第一磁芯柱的高度等于所述上板和所述下板之间的距离；以及

位于所述两个线圈外的左右两侧的两个第二磁芯柱，每个所述第二磁芯柱的高度等于所述上板和所述下板之间的距离，深度等于所述上板和所述下板的深度，

其中，两个所述第二磁芯柱的外边缘分别与所述上板和所述下板的左边缘和右边缘对齐并且与所述上板和所述下板一起形成纵截面为矩形的所述磁耦合电感器，

其中，所述第一磁芯柱具有第一磁导率，所述第二磁芯柱具有大于所述第一磁导率的第二磁导率。

2.如权利要求1所述的磁芯，其特征在于，

所述左侧部分和所述右侧部分的横截面积等于所述第二磁芯柱的横截面积，

所述中间部分的左边缘与位于左侧的线圈的左侧对齐，以及

所述中间部分的右边缘与位于右侧的线圈的右侧对齐。

3.如权利要求1所述的磁芯，其特征在于，

所述中间部分的左边缘与位于左侧的第一磁芯柱的中心对齐、右边缘与位于右侧的第一磁芯柱的中心对齐，

所述左侧部分的右边缘与位于左侧的第一磁芯柱的中心对齐，以及

所述右侧部分的左边缘与位于右侧的第一磁芯柱的中心对齐。

4.如权利要求1所述的磁芯，其特征在于，

所述中间部分的左边缘与位于左侧的第一磁芯柱的左侧对齐、右边缘与位于右侧的第一磁芯柱的右侧对齐，

所述左侧部分的右边缘与位于左侧的第一磁芯柱的左侧对齐，以及

所述右侧部分的左边缘与位于右侧的第一磁芯柱的右侧对齐。

5.如权利要求2－4的任一项所述的磁芯，其特征在于，所述上板和所述下板的左侧部分与位于左侧的第二磁芯柱一体成型，所述上板和所述下板的右侧部分与位于右侧的第二磁芯柱一体成型。

6.如权利要求1所述的磁芯，其特征在于，所述第一磁导率为所述第二磁导率的1.2倍以上。

7.如权利要求1所述的磁芯，其特征在于，所述第一磁芯柱的纵截面积大于所述第二磁芯柱的纵截面积。

8.如权利要求1所述的磁芯，其特征在于，所述中间部分由一块或两块板构成。

9.如权利要求1所述的磁芯，其特征在于，所述第一磁芯柱和所述第二磁芯柱的横截面为以下形状中的任一种：正方形、矩形、三角形、圆形、椭圆形。

10.一种磁耦合电感器，包括：

两个线圈；以及

磁芯，所述磁芯包括：

上板和下板，上板和下板的每一个均由位于正中的具有第一磁导率的中间部分以及具有第二磁导率的左侧部分和右侧部分构成；

分别套于两个所述线圈内部的两个第一磁芯柱，每个所述第一磁芯柱的高度等于所述上板和所述下板之间的距离；以及

位于两个所述线圈外的左右两侧的两个第二磁芯柱，每个所述第二磁芯柱的高度等于所述上板和所述下板之间的距离，深度等于所述上板和所述下板的深度，

其中，两个所述第二磁芯柱的外边缘分别与所述上板和所述下板的左边缘和右边缘对齐并且与所述上板和所述下板一起形成纵截面为矩形的所述磁耦合电感器，

其中，所述第一磁芯柱具有第一磁导率，所述第二磁芯柱具有大于所述第一磁导率的第二磁导率。