CN202839232U - 一种磁芯及磁性元件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种磁芯及磁性元件,其中磁芯包括构成磁路的绕线部分和非绕线部分,绕线部分和非绕线部分分别由不同的导磁材料制成,且构成绕线部分的导磁材料的饱和磁感应强度大于构成非绕线部分的导磁材料的饱和磁感应强度;或者,构成绕线部分的导磁材料的磁芯材质损耗低于构成非绕线部分的导磁材料的磁芯材质损耗。本实用新型通过采用饱和磁感应强度更大或磁芯材质损耗更低的导磁材料制成磁芯的绕线部分,使得非绕线部分可以采用成本较低的导磁材料构成,这样可充分利用不同导磁材料的性能特点,降低绕组所需绕线量,减少较贵材料的使用量,以降低磁芯的成本,提高磁芯及相应磁性元件的性价比。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子技术领域,更具体地说,涉及一种磁芯及磁性元件。
背景技术
传统的磁性元件中,包括变压器、电感或电抗器等,一般在同一磁路中使用一种材质的导磁材料,所采用的导磁材料包括硅钢片、非晶、铁氧体或磁粉芯等。不同的导磁材料的导磁率、磁芯材质损耗、抗直流偏置能力和饱和磁通密度等特性及成本都不相同,因此导致采用不同导磁材料制成的磁性元件特性及成本不同。
采用铁氧体制成的磁性元件(例如电感、变压器等)优点是:导磁率较高(初始磁导率Ui=1500以上)、磁芯材质损耗低、价格便宜,且由于铁氧体本身的材质特性,可以加工成各种形状组合成磁路,如EE、PQ型等;缺点是:抗直流偏置能力差,饱和磁通密度低。
采用硅钢片制成的磁性元件(例如电感、电抗器等)优点是:导磁率高(初始磁导率Ui=5000以上),用较少的匝数和中柱加分段气隙等方式,即可做到要求的电感值;缺点是:由于气隙集中在磁芯中柱的几个位置上,导致磁芯的整体损耗较大,声频范围的噪音大,需要降低工作磁通密度才可以降低噪音。
采用非晶制成的磁性元件(例如电感等)优点是:导磁率最高(Ui=30000以上),相同匝数线圈可获得最大感量,且采用非晶薄片压制成型的磁芯损耗较小;缺点是:价格贵。
采用金属磁粉芯制成的磁性元件(例如电感或电抗器等)优点是:由于一般用较小体积的磁粉芯方形棒拼接成较大尺寸的磁芯,这种结构使得气隙均匀分布在整个磁路上,磁芯的整体损耗和噪音都相对较小,且抗直流偏置能力强,饱和磁通密度高;缺点是:导磁率较低(有效磁导率Ui=10~125),相同的匝数只能得到较少的电感量。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于,针对现有技术的上述缺陷,提供一种高性价比的磁芯。
本实用新型的另一目的在于,提供一种采用上述磁芯的磁性元件。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
构造一种磁芯,包括构成磁路的绕线部分和非绕线部分,其中,所述绕线部分和所述非绕线部分由不同的导磁材料制成,且构成所述绕线部分的导磁材料的饱和磁感应强度大于构成所述非绕线部分的导磁材料的饱和磁感应强度;或者,构成所述绕线部分的导磁材料的磁芯材质损耗低于构成所述非绕线部分的导磁材料的磁芯材质损耗。
本实用新型所述的磁芯,其中,构成所述绕线部分的导磁材料的饱和磁感应强度与有效截面积的乘积近似等于构成所述非绕线部分的导磁材料的饱和磁感应强度与有效截面积的乘积。
本实用新型所述的磁芯,其中,所述绕线部分采用非晶或硅钢片制成,所述非绕线部分采用金属磁粉芯或铁氧体制成。
本实用新型所述的磁芯,其中,所述金属磁粉芯包括FeSi、FeSiAl、FeNi、FeSiB或FeMoNi磁粉芯中的一种或多种。
本实用新型所述的磁芯,其中,所述金属磁粉芯包括FeSi磁粉芯和FeSiAl磁粉芯;其中,
所述非绕线部分包括由FeSiAl磁粉芯构成的上层、下层,和由FeSi磁粉芯构成的中间层。
本实用新型所述的磁芯,其中,所述绕线部分采用FeSi磁粉芯制成,所述非绕线部分采用FeSiAl磁粉芯与铁氧体制成;其中,
所述非绕线部分包括由铁氧体构成的上层、下层,和由FeSiAl磁粉芯构成的中间层。
本实用新型所述的磁芯,其中,所述绕线部分采用FeSiAl磁粉芯制成,所述非绕线部分采用FeSi、FeSiAl、FeNi、FeSiB、FeMoNi磁粉芯或铁氧体中的一种或多种制成。
本实用新型所述的磁芯,其中,所述磁芯为“E”型,所述磁芯的中柱为绕线部分,所述磁芯的其它分轭为非绕线部分;
所述绕线部分采用铁氧体、硅钢片或金属磁粉芯制成,所述非绕线部分采用磁芯材质损耗高于所述绕线部分的铁氧体、硅钢片或金属磁粉芯制成。
本实用新型所述的磁芯,其中,所述绕线部分采用PC95铁氧体制成,所述非绕线部分采用PC44铁氧体制成。
本实用新型还提供了一种磁性元件,其中,包括如前述任一项所述的磁芯。
本实用新型的有益效果在于:通过采用非单一导磁材料分别制成绕线部分和非绕线部分,其中采用饱和磁感应强度更大或磁芯材质损耗更低的导磁材料制成磁芯的绕线部分,使得非绕线部分可以采用成本较低的导磁材料构成,这样可充分利用不同导磁材料的性能特点,降低绕组所需绕线量,减少较贵材料的使用量,以降低磁芯的成本,提高磁芯及相应磁性元件的性价比。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明,附图中:
图1是本实用新型较佳实施例的采用非单一导磁材料的单磁路磁芯结构示意图一;
图2是本实用新型较佳实施例的采用非单一导磁材料的单磁路磁芯结构示意图二;
图3是本实用新型较佳实施例的采用非单一导磁材料的双磁路磁芯结构示意图。
具体实施方式
本实用新型较佳实施例的磁芯如图1和图3所示,包括构成磁路的绕线部分11和非绕线部分12,绕线部分11和非绕线部分12分别采用不同的导磁材料制成,且构成绕线部分11的导磁材料的饱和磁感应强度大于构成非绕线部分12的导磁材料的饱和磁感应强度;或者,构成绕线部分11的导磁材料的磁芯材质损耗低于构成非绕线部分12的导磁材料的磁芯材质损耗。其中,绕线部分11和非绕线部分12分别采用不同的导磁材料,故可以采用成本较低的导磁材料构成非绕线部分12,以充分利用不同导磁材料的性能特点,降低绕组所需绕线量,减少较贵材料的使用量,降低磁芯的成本,提高磁芯及相应磁性元件的性价比。
优选地,在单磁路磁芯中,如图1所示,构成绕线部分11的导磁材料的饱和磁感应强度大于构成非绕线部分12的导磁材料的饱和磁感应强度。这样采用饱和磁感应强度较大的导磁材料制成绕线部分11后,绕组的绕线长度相对于采用单一导磁材料形成的磁路的绕线缩短,用线材量可大大减少,同时也能减少构成绕线部分11的导磁材料用量,从而降低磁芯成本。进一步的,由于饱和磁感应强度较大的导磁材料价格一般较高,例如非晶等,因此可选用相对便宜的其他磁材来构成非绕线部分12,进一步降低磁芯成本。
优选地,在双磁路磁芯中,如图3所示,构成绕线部分11的导磁材料的磁芯材质损耗低于构成非绕线部分12的导磁材料的磁芯材质损耗。由于在双磁路磁芯中,例如图3所示的“E”型磁芯中,用于绕线的中柱23部分散热较困难,采用磁芯材质损耗低的导磁材料可将中柱23的工作温度降到最低,从而解决中柱23的散热问题。而磁芯的非绕线部分12则可选用价格便宜的磁材制成,从而降低磁芯的成本。
具体地,可根据前述实施例将各种不同特点的导磁材料混合使用在同一磁路中,各自发挥其优点,包括性能特点与成本优势等,将用线量做到最少、成本高的磁材用到最少、成本低的磁材用到适中来完成磁路设计,以达到合适的性能指标与较高的性价比。
其中,构成磁芯的导磁材料包括但不限于:非晶、硅钢片、铁氧体、金属磁粉芯等。其中,金属磁粉芯包括但不限于:FeSi、FeSiAl、FeNi、FeSiB、FeMoNi等,或不同磁导率u的FeSiAl、FeNi、FeSiB、FeMoNi等;硅钢片包括但不限于:FeSi3.5或FeSi6.5的硅钢片等。
在设计上述采用非单一导磁材料构成的磁芯时,优选遵循以下原则:构成绕线部分11的导磁材料的饱和磁感应强度(用“Bs”表示)与有效截面积(用“Ae”表示)的乘积近似等于构成非绕线部分12的导磁材料的饱和磁感应强度与有效截面积的乘积,以尽量减少磁芯的漏磁量,保证磁芯的磁通量。在具体设计非单一的磁芯材质组合方式时,可以采用磁路的欧姆定律计算组合材质磁芯的Bs Ae值,以使得组合材质磁芯的Bs Ae值与单一磁材的Bs Ae值基本相同。
下面通过几个优选实施例来详细说明本实用新型的采用非单一磁材的磁芯构成,但以下实施例仅仅用于解释说明本实用新型的非单一磁材的磁芯结构特点及优势,并不用于限制本实用新型。
实施例1:
如图1所示,单磁路磁芯的绕线部分11(即:两侧柱21)采用非晶制成,非绕线部分12(即:上下轭片22)采用金属磁粉芯制成,这样可利用非晶导磁率高、损耗小的优点和金属磁粉芯价格便宜、均匀气隙化的特点,制成高性价比的磁芯。其中,金属磁粉芯可以是相同或不同磁导率的FeSi、FeSiAl、FeNi、FeSiB或FeMoNi磁粉芯中的一种或多种。本实施例中优选采用FeSi/FeSiAl磁粉芯组合,且非晶的BsAe值与FeSi/FeSiAl磁粉芯的BsAe值近似相等。
优选地,如图2所示,非绕线部分12包括由FeSiAl磁粉芯构成的上层221、下层223,和由FeSi磁粉芯构成的中间层222。其中,非晶采用10*40mm2截面积,Bs为1.5T;上层221及下层223的FeSiAl磁粉芯共采用10*40mm2截面积,Bs为0.80T;中间层222FeSi磁粉芯采用4*40mm2截面积,Bs为1.80T,通过计算BsAe乘积可知,非晶是1.5*400=600T.mm2;FeSiAl+FeSi磁粉芯组合后为0.80*400+1.8*160=608T.mm2。因此,磁芯非绕线部分12(即:上下轭片22)的BsAe值与绕线部分11(即:两侧柱21)的BsAe值近似相等,可减少磁芯的漏磁量,保证磁通量。
在相同应用指标(120uH/60A)下,采用单一非晶材质、单一金属磁粉芯材质(FeSi/FeSiAl磁粉芯)和本实施例的非单一磁材磁芯相比,绕线用量、磁芯单价、磁芯用量及抗直流偏置能力参数对比如下表1所示:
表1不同材质磁芯参数对比1
可知,与单一金属磁粉芯形成磁路的磁芯来相比,本实施例的非单一磁材磁芯只需较短的绕线即可获得相同的电感量,用线材量可大大减少;与单一非晶形成磁路的磁芯来相比,本实施例的非单一磁材磁芯的上下轭片22体积单位的单价比非晶便宜50%以上,大大降低了磁芯成本;在同样的直流偏置下,本实施例的非单一磁材磁芯的保留电感量低于单一非晶形成磁路的磁芯,远远高于单一金属磁粉芯形成磁路的磁芯。并且,采用单一非晶形成磁路的磁芯在电感器设计时会存在气隙,本实施例的非单一磁材磁芯可以做到没有空气隙,这对于减少与杜绝空气隙漏磁对绕组的涡流损耗更有优势。
本实施例中的金属磁粉芯也可采用不同材质的铁氧体替代,同样能制成性价比高的磁芯。
实施例2:
如图1所示,单磁路磁芯的绕线部分11(即:两侧柱21)采用硅钢片制成,如FeSi3.5或FeSi6.5硅钢片,非绕线部分12(即:上下轭片22)采用金属磁粉芯制成,这样可利用硅钢片导磁率高的优点和金属磁粉芯价格便宜、均匀气隙化的特点,制成高性价比的磁芯。其中,金属磁粉芯可以是相同或不同磁导率的FeSi、FeSiAl、FeNi、FeSiB或FeMoNi磁粉芯中的一种或多种。例如,采用FeSi/FeSiAl磁粉芯组合,且硅钢片的BsAe值与FeSi/FeSiAl磁粉芯的BsAe值近似相等。
优选地,本实施例中,如图2所示,非绕线部分12包括由FeSiAl磁粉芯构成的上层221、下层223,和由FeSi磁粉芯构成的中间层222。其中,非晶采用10*40mm2截面积,Bs为1.5T;上层221及下层223的FeSiAl磁粉芯共采用10*40mm2截面积,Bs为0.80T;中间层222FeSi磁粉芯采用4*40mm2截面积,Bs为1.80T,通过计算BsAe乘积可知,非晶是1.5*400=600T.mm2;FeSiAl+FeSi磁粉芯组合后为0.80*400+1.8*160=608T.mm2。因此,磁芯非绕线部分12(即:上下轭片22)的BsAe值与绕线部分11(即:两侧柱21)的BsAe值近似相等,可减少磁芯的漏磁量,保证磁通量。
与单一金属磁粉芯形成磁路的磁芯来相比,本实施例的非单一磁材磁芯只需较短的绕线即可获得相同的电感量,用线材量可大大减少;与单一非晶形成磁路的磁芯来相比,本实施例的非单一磁材磁芯的上下轭片22体积单位的单价比非晶便宜50%以上,大大降低了磁芯成本;在同样的直流偏置下,本实施例的非单一磁材磁芯的保留电感量低于单一非晶形成磁路的磁芯,远远高于单一金属磁粉芯形成磁路的磁芯。并且,采用单一非晶形成磁路的磁芯在电感器设计时会存在气隙,本实施例的非单一磁材磁芯可以做到没有空气隙,这对于减少与杜绝空气隙漏磁对绕组的涡流损耗更有优势。
本实施例中的金属磁粉芯也可采用不同材质的铁氧体替代,同样能制成性价比高的磁芯。
实施例3:
如图1所示,单磁路磁芯的绕线部分11(即:两侧柱21)采用FeSi磁粉芯制成,非绕线部分12(即:上下轭片22)采用FeSiAl磁粉芯与铁氧体组合制成。其中,优选地,如图2所示,非绕线部分12包括由铁氧体构成的上层221、下层223,和由FeSiAl磁粉芯构成的中间层222。这样可利用FeSi磁粉芯的均匀气隙性与高磁感应强度的特点,以及利用FeSiAl磁粉芯与铁氧体成本低的优点,得到高性价比的磁芯。且FeSi磁粉芯的BsAe值与FeSiAl磁粉芯/铁氧体组合的BsAe值近似相等。
本实施例中,采用单一FeSi磁粉芯材质、FeSi磁粉芯+铁氧体材质和本实施例的非单一磁材磁芯相比,线包温度及磁芯成本参数对比如下表2所示:
表2不同材质磁芯参数对比2
磁芯材质 | 线包温度 | 磁芯成本 |
FeSi磁粉芯 | 115℃ | 60元 |
铁氧体+FeSi磁粉芯 | 124℃ | 50元 |
非单一磁材组合 | 117℃ | 40元 |
由上表2可知,由于绕线部分11采用气隙均匀的FeSi磁粉芯制成,使得绕组不受到漏磁的涡流效应影响,工作温度较低;同时,与单一材质FeSi磁粉芯的磁芯相比,本实施例的磁芯成本约低20%~30%。
本实施例中,非绕线部分12(即:上下轭片)还可以采用相同或不同磁导率的FeSiAl、FeNi、FeSiB、FeMoNi等金属磁粉芯、不同材质铁氧体以其他组合形式构成。
实施例4:
如图1所示,单磁路磁芯的绕线部分11(即:两侧柱21)采用FeSiAl磁粉芯制成,非绕线部分12(即:上下轭片22)采用相同或不同磁导率的FeSiAl、FeNi、FeSiB、FeMoNi等金属磁粉芯、不同材质铁氧体中的一种或多种构成。其构成方式及优势可参照前述实施例,在此不赘述。
实施例5:
如图3所示,磁芯为“E”型双磁路磁芯,磁芯的中柱23为绕线部分11,磁芯的其它分轭24为非绕线部分12。其中,绕线部分11采用铁氧体、硅钢片或金属磁粉芯制成,非绕线部分12采用磁芯材质损耗高于绕线部分11的铁氧体、硅钢片或金属磁粉芯制成。
优选地,绕线部分11采用PC95或相当材质的铁氧体制成,非绕线部分12采用PC44或相当材质的铁氧体制成。其中,PC95与PC44或相当材质的铁氧体Bs是相当的。这样可利用PC95或相当材质的铁氧体损耗小的特点,将散热困难的中柱23部分的工作温度降到最低;以及利用PC44或相当材质的铁氧体价格便宜的优点,将磁芯总体成本降低。
采用单一PC95铁氧体材质、单一PC44铁氧体和本实施例的非单一磁材磁芯相比,中柱23温度及磁芯成本参数对比如下表2所示:
表3不同材质磁芯参数对比3
磁芯材质 | 中柱温度 | 磁芯成本 |
PC44 | 123℃ | 2.80元 |
PC95 | 102℃ | 7.50元 |
非单一磁材组合 | 102℃ | 3.50元 |
对于“E”型双磁路磁芯,除了上述实施例5中的磁芯组合方案外,绕组部分的中柱23还可以采用其他各类不同特性的铁氧体、FeSi3.5或FeSi6.5的硅钢片,或者采用相同或不同磁导率的FeSiAl、FeNi、FeSiB、FeMoNi等金属磁粉芯,其它分轭24上采用与中柱23不同特性的铁氧体、不同材质或不同磁导率的FeSi3.5或FeSi6.5硅钢片、相同或不同磁导率的FeSiAl、FeNi、FeSiB、FeMoNi等金属磁粉芯,及其它们相互组合构成,在此不一一赘述。
在本实用新型的另一实施例中,提供了一种磁性元件,其包括如前述任一实施例中所述的磁芯,还包括骨架、绕组等。其中,磁芯的形状可以是多种,如罐型、RM型、E型、EC、ETD和EER型、PQ型、EP型、环形等等,在此并不限制。如前所述,构成磁芯的磁材为非单一材质,即构成绕线部分11和非绕线部分12的导磁材料包括至少两种。这样可以充分利用不同导磁材料的优点,采用成本较低的导磁材料构成非绕线部分12,降低绕组所需绕线量,减少较贵材料的使用量,以降低磁芯的成本,提高磁芯及相应磁性元件的性价比。关于磁芯材质组成可参考前述各实施例及附图1和图3,在此不赘述。
本实施例中的磁性元件包括但不限于变压器、电感或电抗器等。以上述实施例1中采用非晶+金属磁粉芯复合材质的磁芯组成的电感器为例,将其与单一非晶材质磁芯组成的电感器进行对比试验,测试结果如下表4所示:
表4单一材质与组合材质磁芯构成的电感器测试结果对比
单一材质磁路电感器(A例) | 组合材质磁路电感器(B例) |
L(μH)28匝 | L(μH)28匝 |
100kHz,1V,60A | 100kHz,1V,60A |
142uH | 125uH |
从上述表4可以看出,在线圈匝数相等,且频率、电压、电流均等同的条件下,B例直流叠加后的感量为125uH,略小于A例的142uH,但还在性能指标要求范围之内,且A例与B例的工作温度相当。而B例价格却比A例便宜20%以上,在成本上具有较大优势,因此B例中非晶+金属磁粉芯复合材质的磁芯组成的电感器性价比更高。
综上所述,本实用新型通过采用非单一导磁材料分别制成绕线部分11和非绕线部分12,其中采用饱和磁感应强度更大或磁芯材质损耗更低的导磁材料制成磁芯的绕线部分11,使得非绕线部分12可以采用成本较低的导磁材料构成,这样可充分利用不同导磁材料的性能特点,降低绕组所需绕线量,减少较贵材料的使用量,以降低磁芯的成本,提高磁芯及相应磁性元件的性价比。
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种磁芯,包括构成磁路的绕线部分和非绕线部分,其特征在于,所述绕线部分和所述非绕线部分分别由不同的导磁材料制成,且构成所述绕线部分的导磁材料的饱和磁感应强度大于构成所述非绕线部分的导磁材料的饱和磁感应强度;或者,构成所述绕线部分的导磁材料的磁芯材质损耗低于构成所述非绕线部分的导磁材料的磁芯材质损耗。
2.根据权利要求1所述的磁芯,其特征在于,构成所述绕线部分的导磁材料的饱和磁感应强度与有效截面积的乘积近似等于构成所述非绕线部分的导磁材料的饱和磁感应强度与有效截面积的乘积。
3. 根据权利要求1或2所述的磁芯,其特征在于,所述绕线部分采用非晶或硅钢片制成,所述非绕线部分采用金属磁粉芯或铁氧体制成。
4.根据权利要求3所述的磁芯,其特征在于,所述金属磁粉芯包括FeSi、FeSiAl、FeNi、FeSiB或FeMoNi磁粉芯中的一种或多种。
5. 根据权利要求4所述的磁芯,其特征在于,所述金属磁粉芯包括FeSi磁粉芯和FeSiAl磁粉芯;其中,
所述非绕线部分包括由FeSiAl磁粉芯构成的上层、下层,和由FeSi磁粉芯构成的中间层。
6.根据权利要求1或2所述的磁芯,其特征在于,所述绕线部分采用FeSi磁粉芯制成,所述非绕线部分采用FeSiAl磁粉芯与铁氧体制成;其中,
所述非绕线部分包括由铁氧体构成的上层、下层,和由FeSiAl磁粉芯构成的中间层。
7.根据权利要求1或2所述的磁芯,其特征在于,所述绕线部分采用FeSiAl磁粉芯制成,所述非绕线部分采用FeSi、FeSiAl、FeNi、FeSiB、FeMoNi磁粉芯或铁氧体中的一种或多种制成。
8.根据权利要求1或2所述的磁芯,其特征在于,所述磁芯为“E”型,所述磁芯的中柱为绕线部分,所述磁芯的其它分轭为非绕线部分;
所述绕线部分采用铁氧体、硅钢片或金属磁粉芯制成,所述非绕线部分采用磁芯材质损耗高于所述绕线部分的铁氧体、硅钢片或金属磁粉芯制成。
9.根据权利要求8所述的磁芯,其特征在于,所述绕线部分采用PC95铁氧体制成,所述非绕线部分采用PC44铁氧体制成。
10.一种磁性元件,其特征在于,包括如权利要求1-9中任一项所述的磁芯。
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