CN104851563B - 应用于电抗器的磁芯以及电抗器 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种应用于电抗器的磁芯以及电抗器。磁芯包含一上轭部、一下轭部，以及至少两个芯柱，芯柱与上轭部和下轭部构成一闭合磁路，两个芯柱中至少有一个是第一芯柱，第一芯柱包括芯柱主体，平衡磁性单元和气隙，平衡磁性单元和气隙相邻组合为混合式气隙分割第一芯柱且设置于芯柱主体的一侧。上轭部、下轭部和芯柱主体由平面叠片磁性材料制作，平衡磁性单元的磁导率低于平面叠片磁性材料。

Description

应用于电抗器的磁芯以及电抗器

技术领域

本发明是有关于一种磁芯，特别是有关于一种用于电抗器的磁芯。

背景技术

目前在大功率变换器应用上,常使用电抗器(reactor)抑制电流纹波、改善功率因数。又随着开关元件的发展，开关频率不断提高，特别是开关频率达到5kHz以上，传统直接使用硅钢片材料并开制气隙的电抗器，由于损耗较大及效率较低的原因慢慢变得不太适用。因此，电抗器的磁芯出现了新的两种材料组合，一种以金属粉芯的块体(Block Core)进行堆叠而成，另一种以平面叠片磁性材料堆叠而成，此两种均需要在磁芯上开制气隙。

这两种电抗器均各有优势，金属粉芯块体堆叠制成的电抗器，由于金属粉芯的特殊的分散式气隙，可有效地降低电抗器绕组的高频涡流损耗，同时也带来软饱和特性，可有效应对瞬间大脉冲电流、超负载运行等特殊工况；而平面叠片磁性材料开气隙制成的电抗器，由于材料本身较低的磁芯损耗和较高的饱和磁通密度，所制备的电抗器尺寸较小，用铜量少，但是相对地，由于气隙比较集中的原因，平面叠片磁性材料开气隙会使绕组损耗增大非常明显，而且平面叠片磁性材料的气隙产生的扩散磁通也会切割平面叠片磁性材料本身，结果导致电抗器的磁芯涡流损耗增大。

虽然平面叠片磁性材料制成的电抗器因为扩散磁通带来了绕组涡流损耗和磁芯涡流损耗的增大，但是由于铜线用量和磁芯用量较少的缘故，总的损耗基本上可以做到和金属粉芯电抗器相当；金属粉芯块体堆叠制成的电抗器，虽然体积较大，但由于其软饱和特性，轻载感量却比平面叠片磁性材料制成的电抗器要大。而使用者也往往在这两种方案间摇摆不定，难于取舍。

发明内容

本发明提供了一种使用混合材料的磁芯，用以同时满足体积缩小和减少损耗及涡流的需求。

本发明的一实施方式提供了一种应用于电抗器的磁芯，包含一上轭部、一下轭部，以及至少两个芯柱，芯柱与上轭部和下轭部构成一闭合磁路，两个芯柱至少有一个为第一芯柱，第一芯柱包括芯柱主体、平衡磁性单元和气隙，平衡磁性单元和气隙相邻组合为混合式气隙分割第一芯柱且设置于芯柱本体一侧。上轭部、下轭部和芯柱主体由平面叠片磁性材料制作，平衡磁性单元的磁导率低于平面叠片磁性材料。

于本发明的一或多个实施例中，平衡磁性单元的初始磁导率小于或等于平面叠片磁性材料的二十分之一。

于本发明的一或多个实施例中，平衡磁性单元为金属粉芯块体。于本发明的一或多个实施例中，金属粉芯块体的材料为铁硅合金、铁硅铝合金、铁镍合金或铁镍钼合金。

于本发明的一或多个实施例中，平衡磁性单元的厚度与气隙的厚度的比值约为4-20。

于本发明的一或多个实施例中，每一个混合式气隙中平衡磁性单元的数量为一个或两个。

于本发明的一或多个实施例中，平衡磁性单元位于混合式气隙的中心对称位置。

于本发明的一或多个实施例中，磁芯包含一绝缘隔磁材料，填充于气隙中，其中绝缘隔磁材料的相对磁导率为1。

于本发明的一或多个实施例中，平面叠片磁性材料可以为非晶、纳米晶、坡莫合金或硅钢片。

于本发明的一或多个实施例中，平面叠片磁性材料是由合金薄带卷绕后切割而成。

于本发明的一或多个实施例中，平面叠片磁性材料是由合金薄带切割后堆叠而成。

于本发明的一或多个实施例中，混合式气隙的数量为多个，混合式气隙在第一芯柱上均匀分布。

于本发明的一或多个实施例中，两芯柱均为第一芯柱。

于本发明的一或多个实施例中，第一芯柱横截面为矩形。

于本发明的一或多个实施例中，芯柱包含一第二芯柱，第二芯柱的横截面积小于第一芯柱横截面积。

于本发明的一或多个实施例中，第二芯柱由平面叠片磁性材料构成。

本发明的另一实施方式为一种电抗器，包含前述的磁芯以及绕组，其中绕组绕设于第一芯柱。

于本发明的一或多个实施例中，绕组为方形导线。

本发明的磁芯可以同时保留平面叠片磁性材料体积小，饱和电流大的优势，并且尽量降低其绕组涡流损耗和磁芯涡流损耗，以兼具金属粉芯块体平衡轻重载感量的优点。

附图说明

图1为本发明的磁芯一实施例的示意图；

图2为应用不同磁芯的电抗器的磁通密度对磁场强度(B-H)的曲线图；

图3与图4为应用不同磁芯的电抗器的磁导率对磁场强度(u-H)的曲线图；

图5A为仅由平面叠片磁性材料所组成的芯柱的磁通示意图；

图5B为在平面叠片磁性材料所组成的芯柱中加入平衡磁性单元的磁通示意图；

图6为绘示本发明的磁芯一实施例的局部放大图；

图7为本发明的磁芯***不同比例的平衡磁性单元的比损耗值比较图；

图8与图9为绘示本发明的磁芯不同实施例的局部放大图；

图10为本发明的磁芯另一实施例的示意图；

图11为应用本发明的磁芯的电抗器一实施例的示意图；

图12为应用本发明的磁芯的电抗器另一实施例的示意图；

图13为本发明的磁芯又一实施例的示意图；

图14为使用传统的单一材料磁芯的电抗器与图13的电抗器的感量-安匝图；

图15为应用本发明的磁芯的电抗器再一实施例的示意图。

具体实施方式

以下将以附图及详细说明清楚说明本发明的精神，任何所属技术领域中具有通常知识者在了解本发明的较佳实施例后，当可由本发明所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明的精神与范围。

因此，本发明便提出了一种采用混合材料的磁芯，当其应用于电抗器时，同时保留平面叠片磁性材料体积小，饱和电流大的优势，并且尽量降低其绕组涡流损耗和磁芯涡流损耗，并且兼具金属粉芯块体可以平衡轻重载感量的优点。

参照图1，其为本发明的磁芯一实施例的示意图。磁芯100可以应用于电抗器中。磁芯100包含有上轭部110、下轭部120以及至少两芯柱。上轭部110、下轭部120以及芯柱构成一闭合磁路。上轭部110以及下轭部120是由多个平面叠片磁性材料140所制作而成，芯柱的两端分别与上轭部110以及下轭部120连接。

本实施例中两个芯柱均为第一芯柱130。第一芯柱130包含有气隙162以及平衡磁性单元164，气隙162以及平衡磁性单元164相邻组合为混合式气隙160而分割第一芯柱130。换句话说，第一芯柱130包含有芯柱主体150以及混合式气隙160。芯柱主体150是由平面叠片磁性材料140所构成，混合式气隙160为设置于芯柱主体150的一侧或是之间。平衡磁性单元164的磁导率低于平面叠片磁性材料的磁导率。平衡磁性单元164的初始磁导率小于或等于平面叠片磁性材料140的二十分之一。

每一个混合式气隙160包含有至少一气隙162以及至少一平衡磁性单元164，气隙162以及平衡磁性单元164在磁芯100的磁路方向上间隔排列。填充气隙162的材料为具有与空气大致相同的相对磁导率的材料，平衡磁性单元164的材料为金属粉芯块体。

本实施例中，第一芯柱130的数量为二，第一芯柱130与上轭部110以及下轭部120共同构成了矩形的结构，并建构出封闭的磁路。磁芯100的磁路方向大致上可以从上轭部110通过第一芯柱130进入下轭部120后再通过另一个第一芯柱130回到上轭部110而循环。本实施例中，混合式气隙160的数量为六个，并且混合式气隙160在第一芯柱130上均匀地分布。第一芯柱130的横截面为矩形。

混合式气隙160中平衡磁性单元164的数量为一个或是两个，平衡磁性单元164位于以混合式气隙160中心对称的位置。

平面叠片磁性材料140的材料可以为非晶、纳米晶、坡莫合金或硅钢片。平面叠片磁性材料140可以为先透过合金薄带卷绕之后切割而成的堆叠结构，或者，平面叠片磁性材料140可以由合金薄带切割后堆叠而成的堆叠结构。

平衡磁性单元164的材料为金属粉芯块体，金属粉芯块体的材料例如可以为铁硅合金、铁硅铝合金、铁镍合金或铁镍钼合金。金属粉芯块体的初始导磁率约为26-300。

混合式气隙160中可以更包含有绝缘隔磁材料、填充于气隙162中，绝缘隔磁材料可由绝缘板、陶瓷片、泡沫材料、玻璃、绝缘胶带等不导电不导磁的材料填充，并且绝缘隔磁材料的相对磁导率为1，与空气相同。

在相同的电流和电感规格下，仅由平面叠片磁性材料所制作的磁芯具有较小的体积，但是其轻载感值较仅由金属粉芯块体所制作的磁芯为低；而相对地，仅由金属粉芯块体所制作的磁芯虽然较仅由平面叠片磁性材料所制作的磁芯具有较佳的轻载感量，但是若要让金属粉芯块体的磁芯满足重载感量的规格，其体积也会随之增加。

本发明所提出的混合材料的磁芯100应用于电抗器便能够兼具使用平面叠片磁性材料以及金属粉芯块体的优点，在较小的体积下同时兼顾轻载感量以及重载感量。具体而言，当采用混合式气隙160之后，整个磁路的磁通量可以由下列公式决定：

其中，NI为电抗器的安匝数，Rp为平衡磁性单元164的磁阻，Rl为平面叠片磁性材料140的磁阻，Rg为气隙162的磁阻。当电抗器上施加的安匝NI逐渐增大时，气隙162的磁阻Rg基本保持不变，而平衡磁性单元164的磁阻Rp增大缓慢，同时由于其对磁动势的分担作用，平面叠片磁性材料140的磁阻Rl也比未***平衡磁性单元164前增大得缓慢，导致整体的磁阻增大缓慢，意味着需要更大的安匝才能达到较高的磁通量，整个电抗器的抗饱和能力得到提高。

接着，参照图2，其为应用不同磁芯的电抗器的磁通密度对磁场强度(B-H)的曲线图。图中的横轴表示磁场强度H，单位为安培/米(Ampere/Meter，A/M)，图中的纵轴表示磁通密度B，单位为特斯拉(Tesla，T)。比较例1-3以及实验例1-3中的磁芯具有大致相同的尺寸以及磁路长度。其中比较例1的磁芯为仅由平面叠片磁性材料所制作而成的单一材料磁芯，并且在磁芯中未开制气隙；比较例2的磁芯为仅由平面叠片磁性材料所制作而成的单一材料磁芯，并且在磁芯中开制气隙，并且气隙的总长度占磁路长度的1％；比较例3的磁芯为仅由平面叠片磁性材料所制作而成的单一材料磁芯，并且在磁芯中开制气隙，并且气隙的总长度占磁路长度的1.5％。实验例1-3的磁芯则是应用本发明的混合材料的磁芯，其中实验例1的磁芯中的气隙总长度占磁路长度的1％，平衡磁性单元的总长度占磁路长度的3％；实验例2的磁芯中的气隙总长度占磁路长度的1％，平衡磁性单元的总长度占磁路长度的6％；实验例3的磁芯中的气隙总长度占磁路长度的1％，平衡磁性单元的总长度占磁路长度的10％。

从图2得知，当平衡磁性单元所占磁路长度由3％提升到10％，电抗器变得越来越难饱和，亦即，达到相同的磁通密度B，需要更大的磁场强度H才行。同时，我们也可以看到，以实验例3的B-H曲线为例，在较低的磁场强度H下，其B-H曲线比较接近比较例2的B-H曲线，而在较高的磁场强度H下，其B-H曲线比较接近比较例3的B-H曲线。这就意味着，应用本发明的混合式气隙的磁芯的电抗器，其在轻载时B-H曲线接近于开制1％气隙的B-H曲线，有望达到较高的导磁率，而重载时B-H曲线接近于开制1.5％气隙的B-H曲线，可以达到更缓慢的饱和效果，以及更缓慢的导磁率下降。

应用本发明的具有混合式气隙的磁芯的电抗器，在电抗器的初始感量方面，在仅由空气所组成的气隙大小一样的情况下，由于所***的平衡磁性单元的磁导率远小于平面叠片磁性材料，因此，电抗器的初始感量其实低于仅由单一平面叠片磁性材料开同等气隙的单一材料磁芯。

接着，请参照图3与图4，其为应用不同磁芯的电抗器的磁导率对磁场强度(u-H)的曲线图。图中的横轴为磁场强度H，其单位为安培/米(Ampere/Meter，A/M)，图中的纵轴为磁导率，尤其是相对磁导率。比较例1-4为由平面叠片磁性材料所制作而成的单一材料磁芯，其中比较例1的磁芯为气隙总长度占磁路长度1.5％；比较例2的磁芯为气隙总长度占磁路长度1％；比较例3的磁芯为气隙总长度占磁路长度3％；比较例4的磁芯为气隙总长度占磁路长度2％。实验例1-8为本发明的具有混合式气隙的磁芯，其中实验例1的磁芯为气隙总长度占磁路长度1％，平衡磁性单元总长度占磁路长度10％；实验例2的磁芯为气隙总长度占磁路长度1％，平衡磁性单元总长度占磁路长度20％；实验例3的磁芯为气隙总长度占磁路长度1％，平衡磁性单元总长度占磁路长度30％；实验例4的磁芯为气隙总长度占磁路长度1％，平衡磁性单元总长度占磁路长度50％；实验例5的磁芯为气隙总长度占磁路长度2％，平衡磁性单元总长度占磁路长度10％；实验例6的磁芯为气隙总长度占磁路长度2％，平衡磁性单元总长度占磁路长度20％；实验例7的磁芯为气隙总长度占磁路长度2％，平衡磁性单元总长度占磁路长度30％；实验例8的磁芯为气隙总长度占磁路长度2％，平衡磁性单元总长度占磁路长度50％。

从图3与图4中可以得知，比较例1-4的由平面叠片磁性材料制成的单一材料磁芯，会出现磁场强度H大到某一程度后磁导率急遽下降的情况。而对于实验例1-8而言，随着电抗器的负载电流逐渐增大，平面叠片磁性材料和平衡磁性单元的磁导率都逐渐下降，此时感量开始缓慢下降。由于平衡磁性单元的初始磁导率就远小于平面叠片磁性材料的初始磁导率，当电流增大以后，平衡磁性单元会承担部分原本施加在平面叠片磁性材料的磁压，使平面叠片磁性材料的磁导率下降得较慢，从而整体电抗器的导磁率随着电流的下降趋势变缓。

从图3与图4中可以得知，由于平衡磁性单元和平面叠片磁性材料的饱和磁通密度相差不大，也不会出现具有某部分材料先饱和而致使电抗器导磁率突然下降的情况。并且，***的平衡磁性单元的体积越大，电抗器导磁率随着电流的下降趋势越缓慢。

实验例1与实验例2的饱和特性在轻载时较为接近比较例2，重载特性接近于比较例1。同样地，实验例5、实验例6与实验例7的饱和特性在轻载时较为接近比较例4，重载特性接近于比较例3。从实验结果证实了磁芯确实可以得到较为均衡的轻重载感值表现。

然而，使用混合材料的磁芯中所***的平衡磁性单元的体积也并非越大越好，从图3与图4中可以看出，相对于气隙而言，过多体积的平衡磁性单元***，如实验例4与实验例8，虽然会使饱和曲线变得更加平缓，但是由于磁芯初始的磁导率太低，会导致整个负载区间的磁导率都处在较低的水平，改善轻载感量的效果不明显，实用上也并无太大价值。因此，混合式气隙中平衡磁性单元的厚度与气隙的厚度相比不大于20倍，可以获得较为均衡的轻载和重载的感值表现。

再回到图1，磁芯100除了兼具有小体积以及均衡轻重载表现的优点之外，更可以具有降低涡流损耗的功效，具体说明如下。

参照图5A与图5B，其中图5A为仅由平面叠片磁性材料140所组成的芯柱的磁通示意图，图5B为在平面叠片磁性材料140所组成的芯柱中加入平衡磁性单元164的磁通示意图。

由于平面叠片磁性材料140往往都具有很高的导磁率，这意味着如果用此材料直接制成电抗器，很小的电流即可使磁芯饱和，所以为了提高电抗器的抗饱和能力，往往需要开制气隙。而为抵制气隙带来的磁通扩散对绕组损耗的影响，常常可以通过控制单个气隙的大小来达到，这样的话，每个芯柱上可以出现均匀的多个气隙，扩散磁通对绕组损耗的影响变得以降低，但是对于磁芯损耗却带来不利影响，如图5A所示。主磁通F1进出的磁芯平面由多片相互绝缘的平面叠片磁性材料140层层堆叠组成，该平面内不会形成大的涡流；扩散磁通F2进出的磁芯平面则是一块整体，该平面内会感应出很大的涡流，造成严重的额外涡流损耗。此种涡流损耗的影响是如此之大，很多时候由于扩散磁通切割带来的额外涡流损耗甚至会高于该工作条件下正常的磁芯损耗1倍以上。

而如图5B所示，本发明的磁芯通过加入了平衡磁性单元164，可以有效抑制涡流带来的损耗。具体而言，主磁通F1’以及扩散磁通F2’大部分都从金属粉芯块体所制作而成的平衡磁性单元164通过，而金属粉芯块体由于其组成颗粒很小，能够有效抑制涡流的产生，而且并无方向性涡流恶化的风险，从而改善传统如图5A的扩散磁通F2切割带来的额外涡流损耗。

参照图6，其为绘示本发明的磁芯一实施例的局部放大图。每一个混合式气隙160中包含有两个平衡磁性单元164以及一个气隙162，平衡磁性单元164为设置在气隙162的相对两侧，并且两个平衡磁性单元164的厚度相同，使得混合式气隙160为中心对称的结构。平衡磁性单元164具有沿着磁路方向的厚度t₁，本实施例中厚度t₁是由两个平衡磁性单元164加总而成，故每一个平衡磁性单元164的厚度为0.5t₁。气隙162具有沿着磁路方向的厚度t₂。

参照图7，其为本发明的磁芯***不同比例的平衡磁性单元的比损耗值得模拟结果。磁芯中只要有一个芯柱为具有混合式气隙的第一芯柱即可，例如图7中所采用的磁芯具有两个芯柱，其中一个为具有混合式气隙的第一芯柱，另一个芯柱则是有单一的平面叠片磁性材料所组成，第一芯柱中的混合式气隙为应用图6中所揭露的态样，但是平衡磁性单元与气隙的厚度的比值不同。图7中的横轴表示平衡磁性单元与气隙的厚度的比值，纵轴表示比损耗值(specific loss)，其中比损耗值为***不同比例的平衡磁性单元时磁芯的损耗与未开气隙的单一平面叠片磁性材料制作而成的磁芯的损耗比。比损耗值数值越大则额外涡流损耗越大，100％表示相较于传统的未开气隙的平面叠片磁性材料磁芯并未带来额外的涡流损耗。

从图7中可以得知，平衡磁性单元的厚度t₁与气隙的厚度t₂的比例，即厚度比t₁/t₂，在4倍及以上，抑制平面叠片磁性材料的涡流损耗的效果较好，对使用导磁率为100、60、30的平衡磁性单元的效果均是如此。尤其是当平衡磁性单元的厚度t₁与气隙的厚度t₂的比例，即厚度比t₁/t₂达到10倍或者以上时，相较于未开气隙的平面叠片磁性材料磁芯的额外涡流损耗几乎可以忽略。

因此，本发明中平衡磁性单元与气隙的厚度之间的比值较佳为介于4-20之间，以得到良好的抑制涡流的功效。

图8与图9为绘示本发明的磁芯不同实施例的局部放大图。如图8所示，每一个混合式气隙160中包含有两个平衡磁性单元164以及三个气隙162，两个平衡磁性单元164位于三个气隙162之间，并且平衡磁性单元164以及气隙162为间隔地排列，使得混合式气隙160为中心对称的结构。每一个混合式气隙160中，平衡磁性单元164具有沿着磁路方向的厚度t₁，气隙162具有沿着磁路方向的厚度t₂。更具体地说，本实施例中的平衡磁性单元164的厚度分别为0.5t₁，位于两个平衡磁性单元164之间的气隙162的厚度为0.5t₂，位于两个平衡磁性单元164两侧的气隙162的厚度分别为0.25t₂。

如图9所示，每一个混合式气隙160中包含有一个平衡磁性单元164以及两个气隙162，气隙162位于平衡磁性单元164的两侧，使得混合式气隙160为中心对称的结构。每一个混合式气隙160中，平衡磁性单元164具有沿着磁路方向的厚度t₁，气隙162具有沿着磁路方向的厚度t2。更具体地说，本实施例中，位于平衡磁性单元164两侧的气隙162的厚度分别为0.5t₂。

图8与图9中，通过***平衡磁性单元164减小了扩散磁通切割平面叠片磁性材料140的面积，并且，在图8与图9中，由于将原本连在一起的气隙162一分为二，因此可以提供更好的抑制涡流损耗效果。

参照图10，其为本发明的磁芯另一实施例的示意图。磁芯100包含有至少两个芯柱、上轭部110以及下轭部120。芯柱除了包含有具有混合式气隙160的第一芯柱130之外，更包含有第二芯柱170。第二芯柱170与上轭部110以及下轭部120连接，并且第二芯柱170系由单一的平面叠片磁性材料140所构成。如前所述，平面叠片磁性材料140可由非晶，纳米晶，坡莫合金或者硅钢片卷绕后再切割而成或者先切割成片状后再堆叠而成。

于本实施例中，磁芯100包含有两个第一芯柱130以及一个第二芯柱170，第二芯柱170位于两个第一芯柱130之间。第一芯柱130与第二芯柱170的横截面均为矩形。由图10可看出，第二芯柱170的横截面积小于第一芯柱130的横截面积。

本发明的磁芯100可以搭配绕组使用应用于电抗器中，例如单相电抗器、双路集成电抗器、三相电抗器、三相五柱电抗器等，以实现体积减小和损耗减小的双重目标。以下将配合实施例具体说明。

参照图11，其为应用本发明的磁芯的电抗器一实施例的示意图。电抗器200包含有磁芯100以及绕组180。磁芯100中包含有上轭部110、下轭部120以及多个具有混合式气隙160的第一芯柱130。绕组180为绕设在第一芯柱130上。对应于具有矩形横截面的第一芯柱130，绕组180较佳地为方形导线。

更具体地说，本实施例的电抗器200为使用磁芯100所组成的三相电抗器，其包括三个具有混合式气隙160的第一芯柱130，绕制在三个第一芯柱130上的三个绕组180，以及使用平面叠片磁性材料140制成的上轭部110与下轭部120。每个第一芯柱130上包含三个混合式气隙160，混合式气隙160在第一芯柱130上从上至下均匀分布。

参照图12，其为应用本发明的磁芯的电抗器另一实施例的示意图。电抗器200为使用磁芯100形成的三相五柱电抗器，相较于前一实施例，本实施例的电抗器200更包含两第二芯柱170，第二芯柱170仅由平面叠片磁性材料140制成，并且第二芯柱170上没有绕组180。

磁芯100可以与绕组180一同浸漆以及烘烤固化，借以固定磁芯100的结构以及将磁芯100与绕组180相结合。

应用磁芯100的电抗器200确实可以有效满足缩小体积以及平衡重载感量的需求。请参照图13与图14，图13为本发明的磁芯又一实施例的示意图，图14为使用传统的单一材料磁芯的电抗器与图13的电抗器的感量-安匝图。

举例而言，以一个规格要求为初始单匝感量为大于0.26uH，最大安匝5000时感值下降小于50％的电抗器为例。比较例1为采用仅由平面叠片磁性材料制成的磁芯直接开制2毫米气隙，其初始单匝感值约为0.29uH，满足规格要求，但是在最大安匝5000时感值仅为0.05uH，不满足感值下降需小于50％规格要求；比较例2则是采用仅由平面叠片磁性材料制成的磁芯直接开制4毫米气隙，初始单匝感值约为0.2uH，无法满足规格要求，但是相对地，其在最大安匝5000时感值为0.16uH，满足50％规格要求。换言之，如果不采用磁芯的技术，如需满足此规格需求，必须增大磁芯的体积才有可能。另一方面，此种规格的电抗器初始的磁芯损耗在频率20KHz，磁通密度为0.1T的情况下约为9W/Kg，而如果直接开制2毫米的气隙，由于气隙扩散磁通带来的额外涡流损耗，相同条件下磁芯损耗已经大于20W/Kg，如果直接开制4毫米的气隙，磁芯损耗将会变得更加不堪使用。

实验例1为应用磁芯的电抗器，其中的磁芯100具体如图13所示，磁芯100的两个第一芯柱130分别设置有一个混合式气隙160，每一个混合式气隙160中的气隙162的厚度为2毫米，并且在气隙162的上下各***厚度为4毫米的平衡磁性单元164，平衡磁性单元的初始导磁率为60。平衡磁性单元164的厚度是气隙162厚度的4倍。实验例1的初始单匝感量为0.27uH，最大安匝5000时感值为0.15uH，同时满足初使感值以及感值衰减的规格要求。采用磁芯100可有效降低扩散磁通的额外涡流损耗，此条件下磁芯损耗可以控制在14W/Kg以下。整体上看，通过本方案的实施，可以实现体积减小和损耗减小的双重目标。

本发明的磁芯的另一具体应用为功率3Kw的家用太阳能逆变器用功率因数校正器(PFC)电感，其初始感量要求不小于1.3mH，额定电流18A下感量衰减比例不得高于50％。如图15所示，磁芯100的上轭部110与下轭部120采用铁基纳米晶平面叠片磁性材料，第一芯柱130的芯柱主体150仍采用铁基纳米晶平面叠片磁性材料，第一芯柱130的平衡磁性单元164采用铁硅铝合金粉芯材料，绕组180采用2.5mm漆包圆铜线绕制54匝。每个第一芯柱130包含两个混合式气隙160，分布在第一芯柱130的上下两端。在每个混合式气隙160中，气隙162所占的厚度为0.3毫米，平衡磁性单元164所占的厚度为2毫米，是气隙所占厚度的6.67倍。本方案的电抗器完成后的长宽高尺寸为75毫米*56毫米*86毫米，初始感值1.36mH，额定电流18A下感量约为0.8mH，绕组180的直流电阻为28mΩ。在20KHz、20mT的条件下磁芯损耗约为620mW。在此同样的规格条件下，较之现有的单一材料金属粉芯堆叠的电抗器方案，本案的电抗器200的体积约为现有的48.7％，绕组180的直流电阻约为现有的87.5％，磁芯损耗约为现有的95.3％，相比之下优势非常明显。因此，如上例举，本案所揭露的电抗器在大功率(3KW以上)应用环境，在电抗器体积(趋于小的方向)及其应用时的效率(趋向高)的优势会更为明显。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (19)

1.一种应用于电抗器的磁芯，其特征在于，包含一上轭部、一下轭部，以及至少两个芯柱，所述芯柱与所述上轭部与所述下轭部构成一闭合磁路，所述两个芯柱至少有一个芯柱为一第一芯柱，所述第一芯柱包括芯柱主体、平衡磁性单元和气隙，所述气隙位于所述平衡磁性单元与所述芯柱主体之间，所述平衡磁性单元和所述气隙相邻组合为混合式气隙分割所述第一芯柱且设置于所述芯柱主体一侧；所述上轭部、所述下轭部和所述芯柱主体由平面叠片磁性材料制作，所述平衡磁性单元的磁导率低于所述平面叠片磁性材料。

2.一种应用于电抗器的磁芯，其特征在于，包含一上轭部、一下轭部，以及至少两个芯柱，所述芯柱与所述上轭部与所述下轭部构成一闭合磁路，所述两个芯柱至少有一个芯柱为一第一芯柱，所述第一芯柱包括芯柱主体、平衡磁性单元和气隙，所述平衡磁性单元与所述芯柱主体直接接触，所述平衡磁性单元和所述气隙相邻组合为混合式气隙分割所述第一芯柱且设置于所述芯柱主体一侧；所述上轭部、所述下轭部和所述芯柱主体由平面叠片磁性材料制作，所述平衡磁性单元的磁导率低于所述平面叠片磁性材料。

3.如权利要求1或2所述的应用于电抗器的磁芯，其特征在于，所述平衡磁性单元的初始磁导率小于或等于所述平面叠片磁性材料的二十分之一。

4.如权利要求3所述的应用于电抗器的磁芯，其特征在于，所述平衡磁性单元为金属粉芯块体。

5.如权利要求4所述的应用于电抗器的磁芯，其特征在于，所述金属粉芯块体的材料为铁硅合金、铁硅铝合金、铁镍合金或铁镍钼合金。

6.如权利要求1或2所述的应用于电抗器的磁芯，其特征在于，所述平衡磁性单元的厚度与所述气隙的厚度的比值为4-20。

7.如权利要求1或2所述的应用于电抗器的磁芯，其特征在于，所述混合式气隙中所述平衡磁性单元的数量为一个或两个。

8.如权利要求1所述的应用于电抗器的磁芯，其特征在于，所述平衡磁性单元位于所述混合式气隙的中心对称位置。

9.如权利要求1或2所述的应用于电抗器的磁芯，其特征在于，还包含一绝缘隔磁材料，填充于所述气隙中，其中所述绝缘隔磁材料的相对磁导率为1。

10.如权利要求1或2所述的应用于电抗器的磁芯，其特征在于，所述平面叠片磁性材料为非晶、纳米晶、坡莫合金或硅钢片。

11.如权利要求1或2所述的应用于电抗器的磁芯，其特征在于，所述平面叠片磁性材料是由合金薄带卷绕后切割而成。

12.如权利要求1或2所述的应用于电抗器的磁芯，其特征在于，所述平面叠片磁性材料是由合金薄带切割后堆叠而成。

13.如权利要求1或2所述的应用于电抗器的磁芯，其特征在于，所述混合式气隙的数量为多个，所述混合式气隙在所述第一芯柱上均匀分布。

14.如权利要求1或2所述的应用于电抗器的磁芯，其特征在于，所述两芯柱均为所述第一芯柱。

15.如权利要求1或2所述的应用于电抗器的磁芯，其特征在于，所述第一芯柱横截面为矩形。

16.如权利要求1或2所述的应用于电抗器的磁芯，其特征在于，所述芯柱包含一第二芯柱，所述第二芯柱的横截面积小于所述第一芯柱横截面积。

17.如权利要求16所述的应用于电抗器的磁芯，其特征在于，所述第二芯柱由所述平面叠片磁性材料构成。

18.一种电抗器，包含一磁芯以及绕设于所述磁芯的一绕组，其特征在于，所述磁芯为如权利要求1或2所述的磁芯，所述绕组绕设于所述第一芯柱。

19.如权利要求18所述的电抗器，其特征在于，所述绕组为方形导线。