一種複合磁芯結構及磁性元件的製作方法
2023-09-22 00:24:20
專利名稱：一種複合磁芯結構及磁性元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及複合磁技術領域，尤其是涉及一種複合磁芯結構及磁性元件。
背景技術：
在開關電源中，磁性元件(或磁元件)是能量轉換和儲存的核心部件，它的性能關係到整個開關電源的效率和性能，作為主要的損耗器件之一，磁性元件越來越受到硬體設計人員的重視，而磁芯作為磁性元件的核心部件，它的性能更是關係到磁性元件的性能的優劣，如何降低磁性元件的損耗，提升開關電源的效率和整體性能成為關鍵，同時，成本也是設計磁芯結構時需要考慮的一項重要因素。在傳統的磁性元件設計中，我們應然考慮使用單一的磁芯材質來進行磁性元件的設計，這未免給磁性元件的設計帶來瓶頸，無法達到磁性元件的最佳使用效果，因此，複合磁技術應然而生，利用不同材質磁芯之間的複合，或 者不同磁性材料之間的混合加工、一體成型,將會改善磁性元件的整體性能。隨著當前業界複合磁技術的發展，複合磁技術將會越來越受到重視，複合磁設計技術將成為必要，但是發明人在實現本發明實施例的過程中發現大多磁性元件的複合磁芯結構為了避免由於設置氣隙而導致繞組損耗增大，取消了氣隙的設置，可是，其雖然減小了繞組損耗，但會導致磁芯損耗的增加，從而磁性元件的總損耗增加，且應用頻率較低。
發明內容
本發明實施例提供了一種複合磁芯結構及磁性元件，用於減小磁芯損耗，提高應用頻率。本發明第一方面提供一種複合磁芯結構，可包括第一磁芯部件和第二磁芯部件,所述第一磁芯部件由低磁導率的軟磁材料製成，所述第二磁芯部件由高磁導率的軟磁材料製成，所述第一磁芯部件和所述第二磁芯部件複合並形成磁通迴路。在第一種可能的實現方式中，所述低磁導率的軟磁材料為鎳鋅NiZn鐵氧體和/或合金磁粉，所述高磁導率的軟磁材料為錳鋅MnZn鐵氧體、非晶材料、納米晶材料、矽鋼中的一種或多種。結合第一方面的第一種可能的實現方式，在第二種可能的實現方式中，所述合金磁粉為鐵粉芯、鐵矽、鐵矽鋁、鐵鎳、鐵鎳鑰、非晶粉芯中的一種或多種。在第三種可能的實現方式中，所述低磁導率的軟磁材料的磁導率等於或小於250，所述高磁導率的軟磁材料的磁導率大於800。結合第一方面或第一方面的第一種可能的實現方式或第一方面的第二種可能的實現方式或第一方面的第三種可能的實現方式，在第四種可能的實現方式中，所述第一磁芯部件或第二磁芯部件呈U型或E型或工字型或弧狀設置。本發明第二方面提供一種磁性元件，可包括第一方面或第一種可能的實現方式或第二種可能的實現方式或第三種可能的實現方式或第四種可能的實現方式中的複合磁芯結構，還包括至少一組繞線線圈，所述繞線線圈繞設於所述複合磁芯結構上。在第一種可能的實現方式中，所述繞線線圈繞設於所述第一磁芯部件和/或所述第二磁芯部件上。在第二種可能的實現方式中，所述繞線線圈的材質為圓銅線、利茲線、絞線、扁銅線、銅箔、印刷電路板銅層中的一種。結合第二方面或第二方面的第一種可能的實現方式或第二方面的第二種可能的實現方式，在第三種可能的實現方式中，所述磁性元件為電感器或變壓器。從以上技術方案可以看出，本發明實施例提供的複合磁芯結構及磁性元件，利用低磁導率軟磁材料和高磁導率軟磁材料複合，構成複合磁路磁芯(即形成磁通迴路)，該結構不需要開設氣隙，減小了漏磁通，對周圍的電磁幹擾得到了降低，電磁幹擾EMI特性較好，且簡化了加工工藝，提高磁性元件一致性；由於低磁導率材料的磁芯部件的磁阻較大， 代替氣隙的磁阻，可以減小繞組渦流損耗，從而磁芯損耗也得到了降低；另外，複合的材料應用頻率較高，適合應用於高頻環境下。
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本發明實施例提供的一種複合磁芯結構的結構示意圖；圖2為本發明實施例提供的一種複合磁芯結構的另一結構示意圖；圖3為本發明實施例提供的一種複合磁芯結構的另一結構示意圖；圖4為本發明實施例提供的一種磁性元件的結構示意圖；圖5為本發明實施例提供的一種複合磁芯結構的另一結構示意圖；圖6為本發明實施例提供的一種複合磁芯結構的另一結構示意圖；圖7a和圖7b均示出了本發明實施例提供的一種磁性元件的結構示意圖；圖8a至圖8d均示出了本發明實施例提供的一種磁性元件的結構示意圖；圖9為本發明實施例提供的一種複合磁芯結構的另一結構示意圖；圖10為本發明實施例提供的一種磁性元件的另一結構示意圖；圖11為切割成現有的變壓器模型的3D仿真模型示意圖；圖12為切割成本發明實施例提供的變壓器模型的3D仿真模型示意圖。
具體實施例方式本發明實施例提供了一種複合磁芯結構及磁性元件，用於減小磁芯損耗，提高應用頻率。下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。以下分別進行詳細說明。實施例一請參考圖1，圖I為本發明實施例提供的一種複合磁芯結構I示意圖，其中，所述複合磁芯結構I包括第一磁芯部件11和第二磁芯部件12,所述第一磁芯部件11由低磁導率的軟磁材料製成，所述第二磁芯部件12由高磁導率的軟磁材料製成，所述第一磁芯部件11和第二磁芯部件12複合並形成磁通迴路。
在本發明實施例中，低磁導率的軟磁材料與高磁導率的軟磁材料複合，形成磁通迴路，即所述複合磁芯結構I通過低磁導率的軟磁材料製成的第一磁芯部件11與高磁導率的軟磁材料製成的第二磁芯部件12串聯組成，也就是第一磁芯部件11和第二磁芯部件12構成複合磁路磁芯(或複合磁磁路)，其可應用於製作磁性元件，例如電感器、變壓器等，此處不作具體限定；其中，鐵氧體是由鐵的氧化物及其他配料燒結而成，一般可分為永磁鐵氧體和軟磁鐵氧體兩種；磁導率(magnetic permeability)是表示磁介質磁性的物理量,常用符號μ表示，本發明實施例中，磁導率指的是材料的相對磁導率，相對磁導率就是材料的磁導率與真空磁導率的比值；可以理解的是，所謂高磁導率材料，顧名思義就是磁導率比較高的磁材料，具有高磁導率低飽和磁密的特點，目前這種高磁導率的磁材料很普遍，比如鐵氧體、矽鋼、非晶及納米晶等，有些材料的磁導率可以聞達上萬。對於鐵氧體材料，磁導率多在1000以上，有的高達上萬，可以應用於共模電感，其中，相對較為常規的鐵氧體材料，也就是磁導率在3000以下的鐵氧體磁芯，多用來製作變壓器和電感器，在實際應用中，由於高磁導率材料的磁導率較高，為了提高磁性元件的抗飽和能力，需要在磁路中開設相應的氣隙，來增大磁路磁阻，以此來降低感量，提高磁性元件的抗直流飽和能力；相反地，低磁導率材料就是磁導率比較低的磁材料，目前低磁導率材料主要有磁粉芯，包括鐵矽、鐵矽鋁、鐵粉芯等類型，它們具有低磁導率、高飽和磁密、具有分布式氣隙的特徵，磁導率的變化範圍為幾十到一百多，最常見的磁導率類型為26、40、60、80、90、120等，不同磁導率的磁芯可以通過磁材料的有機或無機材料的不同摻入量來控制，這些磁粉芯的電阻率較低，磁芯損耗較鐵氧體大很多，但其飽和磁密很高，可以達到I特斯拉以上，抗直流飽和能力強，並且具有分布式氣隙，磁路中的擴散磁通很少，繞組的損耗也較小。由上述描述可知，本發明實施例提供的複合磁芯結構，利用低磁導率軟磁材料和高磁導率軟磁材料複合，構成複合磁路磁芯(即形成磁通迴路)，該結構不需要開設氣隙，減小了漏磁通，對周圍的電磁幹擾得到了降低，電磁幹擾EMI特性較好，且簡化了加工工藝，提高磁性元件一致性；由於低磁導率材料的磁芯部件的磁阻較大，代替氣隙的磁阻，可以減小繞組渦流損耗，從而磁芯損耗也得到了降低；另外，複合的材料應用頻率較高，適合應用於高頻環境下。實施例二 優選地，本實施例提供如圖I所示的複合磁芯結構1，呈Π型設置;所示UI型複合磁芯結構I包括I型設置的磁芯部件和U型設置的磁芯部件，其中，所述I型設置的磁芯部件為由低磁導率的軟磁材料製成的第一磁芯部件11，所述U型設置的磁芯部件為由高磁導率的軟磁材料製成的第二磁芯部件12，所述第一磁芯部件11和第二磁芯部件12複合，構成UI型複合磁磁路磁芯；進一步地，構成第一磁芯部件11的低磁導率的軟磁材料可以為鎳鋅NiZn鐵氧體、合金磁粉等其他低磁導率的磁芯材料中的一種或多種；構成第二磁芯部件12的高磁導率的軟磁材料可以為猛鋒MnZn鐵氧體、非晶材料、納米晶材料、娃鋼等其他聞磁導率的磁芯材料中的一種或多種，此處不作具體限定；更進一步地，所述合金磁粉可以為鐵粉芯、鐵娃、鐵娃招、鐵鎮、鐵鎮鑰、非晶粉芯等其他合金磁粉中的一種或多種。優選地，本發明實施例中，所述低磁導率的軟磁材料的磁導率可以等於或小於250，所述高磁導率的軟磁材料的磁導率可以大於800。可以理解的是，由於鐵氧體的電阻率較高，在高頻下的磁芯損耗較小，故可以應用於高頻下，優選地，本實施例中採用NiZn鐵氧體(第一磁芯部件11)與MnZn鐵氧體(第二磁芯部件12)複合，其中，MnZn鐵氧體目前可最高應用於5MHz的高頻環境下，NiZn鐵氧體可以應用於GHz環境下，NiZn鐵氧體的磁導率變化範圍很大，目前市場上的NiZn鐵氧體材料的磁導率的範圍為幾十到幾千，並且其高頻下的磁芯損耗很小，因此這兩種鐵氧體軟磁材料複合而成的複合磁芯結構I適合應用於高頻環境下；另外，由於NiZn鐵氧體的磁導率有些比較小，根據磁路磁阻原理，可以利用低磁導率的NiZn鐵氧體磁路來代替氣隙，從而避免開氣隙，減小了擴散磁通，降低了繞組損耗，又由於其應用頻率較高，彌補了磁粉芯應用頻率低的缺點。可以理解的是，本實施例中，複合磁芯結構I呈Π型設置，如圖I所示，其中，第一磁芯部件11為I型設置，第二磁芯部件12為U型設置；在某些實施方式中，呈Π型設置的複合磁芯結構1，也可以是第一磁芯部件11設置為U型，第二磁芯部件12設置為I型，其外形設置對其功能實現沒有影響；容易想到的是，Π型設置的複合磁芯結構I與UU型設置的複合磁芯結構I相似，請一併參考如圖2所示的UU型設置的複合磁芯結構I的結構示意圖；需要說明的是，在某些實施方式中，本發明實施例提供的複合磁芯結構1，其外形設置不一定是非常標準的Π型或UU型，例如，圖3所示的複合磁芯結構I也是為UU型設置，但是第一磁芯部件11和第二磁芯部件12大小設計不一樣(即U型設置的第一磁芯部件11 (第二磁芯部件12)的兩邊磁柱比U型設置的第二磁芯部件12 (第一磁芯部件11)的兩邊磁柱要長)，或者U型的兩邊磁柱可以設置為不一樣的長度等，對複合磁芯結構I的功能實現不會造成影響，也屬於本發明保護的範圍。本發明實施例提供的複合磁芯結構1，其可應用於製作磁性元件2，以提升磁性元件2的特性；所述磁性元件2除了包括複合磁芯結構I外，還包括至少一組繞線線圈13，所述繞線線圈13繞設於所述複合磁芯結構I上。進一步地，所述繞線線圈13繞設於所述第一磁芯部件11和/或所述第二磁芯部件12上；例如,在某些實施方式中，如圖4所示磁性元件2,包括了如圖I所示的UI型複合磁芯結構1，所述磁性元件2內設置了兩組繞線線圈13(即繞組)，分別繞設於U型第二磁芯部件12的兩邊磁柱上；容易想到的是，根據磁性元件2在實際中的應用，其內部可以設置一組繞線線圈13，也可以設置兩組或多組繞線線圈13，且繞線線圈13可以繞設於U型第二磁芯部件12的兩邊磁柱上，也可以繞設於I型第一磁芯部件11上或U型第二磁芯部件12的下邊上，同樣地，包括如圖2或圖3所示複合磁芯結構I的磁性元件，其繞線線圈13也可以參照如圖4所示的磁性元件2進行設置，對複合磁芯結構I的功能實現不會造成影響，本發明實施例對磁性元件2設置繞線線圈13的數量和繞線線圈13繞設的位置不作具體限定。優選地 ，所述繞線線圈13具有單層或多層結構，繞線線圈13的材質可以為圓銅線、利茲線、絞線、扁銅線、銅箔、印刷電路板銅層中的一種。可以理解的是，在實際應用中，為了得到合適的感量和抗偏磁特性，可以根據需要隨意改變複合磁路磁芯的磁路長度(圖4中用虛線標示磁路長度)和磁芯截面積。另容易想到的是，本發明實施例提供的磁性元件2可以為但不限於電感器(包括常規電感器、平面電感器)或變壓器(包括常規變壓器、平面電壓器)，其可用於電感儲能、EMI濾波、能量傳輸、功率變換等。低磁導率的磁芯磁路可用來控制磁性元件2的感量及抗飽和能力，不需要開氣隙，減小了漏磁通，降低了繞組損耗，改善了磁性元件的EMI特性；在某些實施方式上，還可以降低成本，提升效率。由上述描述可知，本發明實施例提供的複合磁芯結構I以及包括複合磁芯結構I的磁性元件2，利用低磁導率軟磁材料和高磁導率軟磁材料複合，構成複合磁路磁芯(即形成磁通迴路)，該結構不需要開設氣隙，減小了漏磁通，對周圍的電磁幹擾得到了降低，電磁幹擾EMI特性較好，且簡化了加工工藝，提高磁性元件一致性；由於低磁導率材料的磁芯部件的磁阻較大，代替氣隙的磁阻，可以減小繞組渦流損耗，從而磁芯損耗也得到了降低 』另外，複合的材料應用頻率較高，適合應用於高頻環境下。實施例三請參考圖5，圖5為本發明實施例提供的一種複合磁芯結構I另一結構示意圖，其中，所述複合磁芯結構I呈EI型設置，所示EI型複合磁芯結構I包括I型設置的磁芯部件和E型設置的磁芯部件，其中，所述I型設置的磁芯部件為由低磁導率的軟磁材料製成的第一磁芯部件11，所述E型設置的磁芯部件為由高磁導率的軟磁材料製成的第二磁芯部件12，所述第一磁芯部件11和第二磁芯部件12複合，構成Π型複合磁磁路磁芯；進一步地，構成第一磁芯部件11的低磁導率的軟磁材料可以為NiZn鐵氧體、合金磁粉等其他低磁導率的磁芯材料中的一種或多種；構成第二磁芯部件12的高磁導率的軟磁材料可以為MnZn鐵氧體、非晶材料、納米晶材料、矽鋼等其他高磁導率的磁芯材料中的一種或多種；所述合金磁粉可以為鐵粉芯、鐵矽、鐵矽鋁、鐵鎳、鐵鎳鑰、非晶粉芯等其他合金磁粉中的一種或多種，此處不作具體限定。優選地，本發明實施例中，所述低磁導率的軟磁材料的磁導率可以等於或小於250，所述高磁導率的軟磁材料的磁導率可以大於800 ；可以理解的是，由於鐵氧體的電阻率較高，在高頻下的磁芯損耗較小，故可以應用於高頻下，優選地，本實施例中低磁導率的軟磁材料採用NiZn鐵氧體，高磁導率的軟磁材料採用MnZn鐵氧體，其中，MnZn鐵氧體目前可最高應用於5MHz的高頻環境下,NiZn鐵氧體可以應用於GHz環境下，NiZn鐵氧體的磁導率變化範圍很大，目前市場上的NiZn鐵氧體材料的磁導率的範圍為幾十到幾千，並且其高頻下的磁芯損耗很小，因此這兩種鐵氧體軟磁材料複合而成的複合磁芯結構I適合應用於高頻環境下；另外，由於NiZn鐵氧體的磁導率有些比較小，根據磁路磁阻原理，可以利用低磁導率的NiZn鐵氧體磁路來代替氣隙，從而避免開氣隙，減小了擴散磁通，降低了繞組損耗，又由於其應用頻率較高，彌補了磁粉芯應用頻率低的缺點。可以理解的是，本實施例中，複合磁芯結構I呈EI型設置，如圖5所示，其中，第一磁芯部件11為I型設置，第二磁芯部件12為E型設置；在某些實施方式中，呈EI型設置的複合磁芯結構I，第一磁芯部件11可以設置為E型，第二磁芯部件12也可以設置為I型，其外形設置對其功能實現沒有影響；容易想到的是，EI型設置的複合磁芯結構I與EE型設置的複合磁芯結構I相似，如圖6所示，為EE型設置的複合磁芯結構I的示意圖，即第一磁芯部件11為E型設置，第二磁芯部件12也為E型設置；需要說明的是，在某些實施方式中，本發明實施例提供的複合·磁芯結構1，其外形設置不一定是非常標準的EI型或EE型，例如，EE型設置的複合磁芯結構I中，其第一磁芯部件11和第二磁芯部件12大小設計不一樣(即E型設置的第一磁芯部件11 (第二磁芯部件12)的兩邊磁柱比E型設置的第二磁芯部件12 (第一磁芯部件11)的兩邊磁柱要長)，或者E型的兩邊磁柱或中間磁柱可以設置為不一樣的長度等，對複合磁芯結構I的功能實現不會造成影響，也屬於本發明保護的範圍。本發明實施例提供的複合磁芯結構1，其可應用於製作磁性元件2，以提升磁性元件2的特性；所述磁性元件2除了包括複合磁芯結構I外，還包括至少一組繞線線圈13，所述繞線線圈13繞設於所述複合磁芯結構I上。進一步地，所述繞線線圈13繞設於所述第一磁芯部件11和/或所述第二磁芯部件12上；例如,在某些實施方式中,請一併參考圖7a和圖7b所示磁性元件2,圖7a中示出的磁性元件2包括了如圖5所示的EI型複合磁芯結構1，所述磁性元件2內設置了一組繞線線圈13，該繞線線圈13繞設於E型第二磁芯部件12的中間磁柱上；容易想到的是，根據磁性元件2在實際中的應用，其內部可以設置一組繞線線圈13，也可以設置兩組或多組繞線線圈13，且繞線線圈13可以繞設於E型第二磁芯部件12的兩邊磁柱上，可參考如圖7b所示磁性元件2 ;在某些實施方式中，繞線線圈13也可以繞設於I型第一磁芯部件11上或E型第二磁芯部件12的下邊上，同樣地，包括如圖6所示複合磁芯結構I的磁性元件,其繞線線圈13也可以參照如圖7a和圖7b所示的磁性元件2進行設置，對複合磁芯結構I的功能實現不會造成影響，同樣地，本發明實施例對磁性元件2設置繞線線圈13的數量和繞線線圈13繞設的位置不作具體限定。優選地，所述繞線線圈13具有單層或多層結構，繞線線圈13的材質可以為圓銅線、利茲線、絞線、扁銅線、銅箔、印刷電路板銅層中的一種。可以理解的是，本發明實施例提供的複合磁芯結構I及其相關的磁性元件2，在實際應用中，為了得到合適的感量和抗偏磁特性，可以根據需要隨意改變複合磁路磁芯的磁路長度(圖7a中用虛線標示磁路長度)和磁芯截面積；也可以通過不同的複合磁路結構達到設計的需求，例如，可參考圖8a、圖Sb和圖Sc，均示出可以採用低磁導率軟磁材料的第一磁芯部件11作為磁芯中間磁柱(或稱中柱磁芯)，其中，如圖8a和圖Sc所示，繞線線圈13可以繞設在複合磁芯結構I的中間磁柱上，如圖8b所示，(兩組)繞線線圈13可以繞設在複合磁芯結構I的兩邊磁柱上；在某些實施方式中，也可以用低磁導率軟磁材料的第一磁芯部件11作為磁芯兩邊磁柱(或稱邊柱磁芯)，也就是第二磁芯部件12呈工字型設置，其中，繞線線圈13可以繞設在複合磁芯結構I兩邊磁柱上，可參考圖8d所示。另需要說明的是，根據實際應用，複合磁芯結構I只需滿足其應用的磁性元件的相關參數(如感量、抗直流偏置能力等)設計即可，其外觀可以呈不同的設置，對其功能實現不會造成影響；同時，本發明實施例對磁性元件2設置繞線線圈13的數量和繞線線圈13繞設的位置不作具體限定。另容易想到的是，本發明實施例提供的磁性元件2可以為但不限於電感器(包括常規電感器、平面電感器)或變壓器(包括常規變壓器、平面電壓器)，其可用於電感儲能、EMI濾波、能量傳輸、功率變換等。低磁導率的磁芯磁路可用來控制磁性元件2的感量及抗飽和能力，不需要開氣隙，減小了漏磁通，降低了繞組損耗，改善了磁性元件的EMI特性；在某些實施方式上，還可以降低成本，提升效率。由上述描述可知，本發明實施例提供的複合磁芯結構I以及包括複合磁芯結構I 的磁性元件2，利用低磁導率軟磁材料和高磁導率軟磁材料複合，構成複合磁路磁芯(即形成磁通迴路)，該結構不需要開設氣隙，減小了漏磁通，對周圍的電磁幹擾得到了降低，電磁幹擾EMI特性較好，且簡化了加工工藝，提高磁性元件一致性；由於低磁導率材料的磁芯部件的磁阻較大，代替氣隙的磁阻，可以減小繞組渦流損耗，從而磁芯損耗也得到了降低 』另外，複合的材料應用頻率較高，適合應用於高頻環境下。實施例四請參考圖9，圖9為本發明實施例提供的一種複合磁芯結構I另一結構示意圖，其中，所述複合磁芯結構I呈環狀設置，所示複合磁芯結構I包括弧狀設置的第一磁芯部件11和弧狀設置的第二磁芯部件12，其中，所述第一磁芯部件11由低磁導率的軟磁材料製成，所述第二磁芯部件12由高磁導率的軟磁材料製成，所述第一磁芯部件11和第二磁芯部件12複合，構成環狀的複合磁磁路磁芯。進一步地，構成第一磁芯部件11的低磁導率的軟磁材料可以為NiZn鐵氧體、合金磁粉等其他低磁導率的磁芯材料中的一種或多種；構成第二磁芯部件12的高磁導率的軟磁材料可以為MnZn鐵氧體、非晶材料、納米晶材料、矽鋼等其他高磁導率的磁芯材料中的一種或多種；所述合金磁粉可以為鐵粉芯、鐵矽、鐵矽鋁、鐵鎳、鐵鎳鑰、非晶粉芯等其他合金磁粉中的一種或多種，此處不作具體限定。優選地，本發明實施例中，所述低磁導率的軟磁材料的磁導率可以等於或小於250，所述高磁導率的軟磁材料的磁導率可以大於800 ；優選地，由於鐵氧體的電阻率較高，在高頻下的磁芯損耗較小，故可以應用於高頻下，因此本實施例中低磁導率的軟磁材料採用NiZn鐵氧體，高磁導率的軟磁材料採用MnZn鐵氧體，其中，MnZn鐵氧體目前可最高應用於5MHz的高頻環境下，NiZn鐵氧體可以應用於GHz環境下，NiZn鐵氧體的磁導率變化範圍很大，目前市場上的NiZn鐵氧體材料的磁導率的範圍為幾十到幾千，並且其高頻下的磁芯損耗很小，因此這兩種鐵氧體軟磁材料複合而成的複合磁芯結構I適合應用於高頻環境下；另外，由於NiZn鐵氧體的磁導率有些比較小，根據磁路磁阻原理，可以利用低磁導率的NiZn鐵氧體磁路來代替氣隙，從而避免開氣隙，減小了擴散磁通，降低了繞組損耗，又由於其應用頻率較高，彌補了磁粉芯應用頻率低的缺點。
需要說明的是，本發明實施例提供的如圖9所示的複合磁芯結構I中，其第一磁芯部件11和第二磁芯部件12大小設計可以不一樣，即弧狀設置的第一磁芯部件11 (第二磁芯部件12)與弧狀設置的第二磁芯部件12 (第一磁芯部件11)的弧長不一樣，也可以設置為弧長一樣，對複合磁芯結構I的功能實現不會造成影響，此處不作具體限定。同樣地，所述複合磁芯結構1，其可應用於製作磁性元件2，以提升磁性元件2的特性；所述磁性元件2除了包括如圖9所示的複合磁芯結構I外，還包括至少一組繞線線圈13，所述繞線線圈13繞設於所述複合磁芯結構I上；在某些實施方式中，如圖10，所述繞線線圈13繞設於第一磁芯部件11和第二磁芯部件12的外部。優選地，所述繞線線圈13具有單層或多層結構，繞線線圈13的材質可以為圓銅線、利茲線、絞線、扁銅線、銅箔、印刷電路板銅層中的一種。可以理解的是，本發明實施例提供的複合磁芯結構I及其相關的磁性元件2，在實際應用中，為了得到合適的感量和抗偏磁特性，可以根據需要隨意改變複合磁路磁芯的磁 路長度和磁芯截面積；另需要說明的是，根據實際應用，複合磁芯結構I只需滿足其應用的磁性元件的相關參數(如感量、抗直流偏置能力等)設計即可，其外觀可以呈不同的設置，對其功能實現不會造成影響；同時，本發明實施例對磁性元件2設置繞線線圈13的數量和繞線線圈13繞設的位置不作具體限定。另容易想到的是，本發明實施例提供的磁性元件2可以為但不限於電感器(包括常規電感器、平面電感器)或變壓器(包括常規變壓器、平面電壓器)，其可用於電感儲能、EMI濾波、能量傳輸、功率變換等。低磁導率的磁芯磁路可用來控制磁性元件2的感量及抗飽和能力，不需要開氣隙，減小了漏磁通，降低了繞組損耗，改善了磁性元件的EMI特性；在某些實施方式上，還可以降低成本，提升效率。由上述描述可知，本發明實施例提供的複合磁芯結構I以及包括複合磁芯結構I的磁性元件2，利用低磁導率軟磁材料和高磁導率軟磁材料複合，構成複合磁路磁芯(即形成磁通迴路)，該結構不需要開設氣隙，減小了漏磁通，對周圍的電磁幹擾得到了降低，電磁幹擾EMI特性較好，且簡化了加工工藝，提高磁性元件一致性；由於低磁導率材料的磁芯部件的磁阻較大，代替氣隙的磁阻，可以減小繞組渦流損耗，從而磁芯損耗也得到了降低 』另外，複合的材料應用頻率較高，適合應用於高頻環境下。為了更加了解本發明技術方案，以下以一具體應用場景為例子，對應用本發明提供複合磁芯結構的磁性元件的仿真測試進行分析說明，該場景下，應用複合磁芯結構的磁性元件為變壓器；以下對現有的一般變壓器模型(簡稱原變壓器)和內置本發明複合磁芯結構的變壓器(簡稱新複合磁變壓器)分別進行仿真分析，並對仿真數據作出了相應的對比本測試中，原變壓器和新複合磁變壓器中的磁芯結構均為UI型設置，請一併參考圖11和圖12，其中，圖11為切割成現有的變壓器模型1/4後的3D仿真模型示意圖，圖中用圓圈標示處為開設氣隙的位置，圖12為切割成本發明實施例提供的變壓器模型1/4後的3D仿真模型示意圖；需要說明的是，所述兩種仿真模型，磁芯的大小尺寸不變，繞組結構也不改變，只是改變了 I型設置部分的磁芯材質，即新複合磁變壓器中的磁芯結構，將原變壓器的磁芯結構中的MnZn鐵氧體換成了低磁導率值的NiZn鐵氧體，仿真數據可參考表一
表一
權利要求
1.一種複合磁芯結構，其特徵在於，包括 第一磁芯部件和第二磁芯部件，所述第一磁芯部件由低磁導率的軟磁材料製成，所述第二磁芯部件由高磁導率的軟磁材料製成，所述第一磁芯部件和所述第二磁芯部件複合並形成磁通迴路。
2.根據權利要求I所述的複合磁芯結構，其特徵在於，所述低磁導率的軟磁材料為鎳鋅NiZn鐵氧體和/或合金磁粉，所述高磁導率的軟磁材料為錳鋅MnZn鐵氧體、非晶材料、納米晶材料、矽鋼中的一種或多種。
3.根據權利要求2所述的複合磁芯結構，其特徵在於，所述合金磁粉為鐵粉芯、鐵矽、鐵矽鋁、鐵鎳、鐵鎳鑰、非晶粉芯中的一種或多種。
4.根據權利要求I所述的複合磁芯結構，其特徵在於，所述低磁導率的軟磁材料的磁導率等於或小於250，所述高磁導率的軟磁材料的磁導率大於800。
5.根據權利要求I至4任一項所述的複合磁芯結構，其特徵在於，所述第一磁芯部件或第二磁芯部件呈U型或E型或工字型或弧狀設置。
6.一種磁性元件，其特徵在於，包括如權利要求I至5任一項所述的複合磁芯結構，還包括至少一組繞線線圈，所述繞線線圈繞設於所述複合磁芯結構上。
7.根據權利要求6所述的磁性元件，其特徵在於，所述繞線線圈繞設於所述第一磁芯部件和/或所述第二磁芯部件上。
8.根據權利要求6所述的磁性元件，其特徵在於，所述繞線線圈的材質為圓銅線、利茲線、絞線、扁銅線、銅箔、印刷電路板銅層中的一種。
9.根據權利要求6至8任一項所述的磁性元件，其特徵在於，所述磁性元件為電感器或變壓器。
全文摘要
本發明實施例公開了一種複合磁芯結構及磁性元件，用於減小磁芯損耗，提高應用頻率。本發明實施例包括第一磁芯部件和第二磁芯部件，第一磁芯部件由低磁導率的軟磁材料製成，第二磁芯部件由高磁導率的軟磁材料製成，第一磁芯部件和第二磁芯部件複合並形成磁通迴路。
文檔編號H01F1/34GK102956344SQ20121043325
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月2日 優先權日2012年11月2日
發明者孫永傑, 朱勇發, 楊和錢 申請人:華為技術有限公司