CN106469602A - 一种磁性元件、开关装置及电气设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁性元件、开关装置及电气设备，以实现磁性元件的小体积、高效率、低干扰。所述磁性元件包括上磁轭、下磁轭，以及连接所述上磁轭和下磁轭的至少两个主磁芯和至少一个副磁芯。本发明提供的磁性元件，通过增加副磁芯的方式提供了较大的电感，实现了电感的集成，实现了以较小的空间达到较优的技术性能的设计；并且由于增加的副磁芯为漏磁提供了路径，可以减少泄露到空气中的磁通，从而降低了漏磁造成的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及电气设备技术领域，特别是涉及一种磁性元件、开关装置及电气设备。
背景技术
随着高功率密度、高效率电源的发展要求，多态开关技术被广泛关注。如图1a所示，在多态开关的原有设计方案中，多路电感交错并联；如图1b所示，在之后的改进方案中，采用一个耦合电感和一个输出电感来替代图1a中多路交错并联的电感。多态开关采用图1b所示的技术方案，耦合电感中共模分量在铁芯上产生的磁通互相抵消，铁损主要由差模分量引起，从而可以使用低损耗材质的磁芯；由于流经输出电感主要为基波电流，而高频电流分量很小，因此输出电感可以选用偏置能力较好、低频损耗较低的材料。
采用图1b的设计方案，由于采用了两个独立的磁性元件，占用空间比较大，绕组上产生的损耗也比较大。
发明内容
本发明提供了一种磁性元件、开关装置及电气设备，以实现磁性元件的小体积、高效率、低干扰。
本发明实施例所提供的磁性元件，包括上磁轭、下磁轭，以及连接所述上磁轭和下磁轭的至少两个主磁芯和至少一个副磁芯。
可选的，所述主磁芯可选择的类型包括铁氧体主磁芯、非晶主磁芯和纳米晶主磁芯；所述磁轭可选择的类型包括铁氧体磁轭、非晶磁轭和纳米晶磁轭；所述副磁芯可选择的类型包括粉芯副磁芯、硅钢片副磁芯和铁氧体副磁芯。
优选的，所述主磁芯为铁氧体主磁芯，所述磁轭为铁氧体磁轭，所述副磁芯为粉芯副磁芯。
优选的，所述至少两个主磁芯位于所述上磁轭和下磁轭之间；可选的，所述至少一个副磁芯位于所述上磁轭和下磁轭之间，或者所述至少一个副磁芯位于所述上磁轭和下磁轭的侧边。
优选的，所述主磁芯为柱状主磁芯，可选的，可选的截面形状包括圆形、椭圆形、方形和轨道形。
可选的，所述副磁芯可选择的类型包括板状副磁芯和柱状副磁芯，所述柱状副磁芯的可选的截面形状包括圆形、椭圆形、方形和轨道形。
可选的，每个所述主磁芯绕有上绕线部和下绕线部，所述至少两个主磁芯按照设定次序排列，上一序位主磁芯的上绕线部和下一序位主磁芯的下绕线部的磁通迭加时的电流流入端连接，末序位主磁芯的上绕线部和首序位主磁芯的下绕线部的磁通迭加时的电流流入端连接；
或者，每个所述主磁芯绕有内绕线部和外绕线部，所述至少两个主磁芯按照设定次序排列，上一序位主磁芯的内绕线部和下一序位主磁芯的外绕线部的磁通迭加时的电流流入端连接，末序位主磁芯的内绕线部和首序位主磁芯的外绕线部的磁通迭加时的电流流入端连接。
本发明实施例提供的磁性元件，通过增加副磁芯的方式提供了较大的电感，实现了电感的集成，从而可以实现在较小的空间达到技术性能较优的设计；并且由于增加的副磁芯为漏磁提供了路径，可以减少泄露到空气中的磁通，从而降低了漏磁造成的干扰。因此，相比现有技术，本发明实施例提供的磁性元件可以实现磁性元件的小体积、高效率、低干扰。
本发明实施例提供了一种开关装置，该开关装置包括前述任一技术方案所述的磁性元件。
本发明实施例提供的开关装置采用前述实施例中的磁性元件，相比现有技术，本发明实施例提供的开关装置相应地具有磁性元件小体积、高效率、低干扰的技术特点。
本发明实施例还提供了一种电气设备，该电气设备包括前述开关装置。
本发明实施例提供的电气设备采用前述实施例中的开关装置，也相应地具有磁性元件小体积、高效率、低干扰的技术特点。
附图说明
图1a为现有一种开关装置中的电路结构示意图；
图1b为现有另一种开关装置中的电路结构示意图；
图2a为本发明第一实施例中磁性元件的磁芯结构的立体示意图；
图2b为图2a所示磁芯结构的侧视图；
图3为本发明第二实施例中磁性元件的磁芯结构示意图；
图4为本发明第三实施例中磁性元件的磁芯结构示意图；
图5为本发明第四实施例中磁性元件的磁芯结构示意图；
图6为本发明第五实施例中磁性元件的磁芯结构示意图；
图7为本发明第六实施例中磁性元件的磁芯结构示意图；
图8为本发明第七实施例中磁性元件的磁芯结构示意图；
图9为本发明第八实施例中磁性元件的磁芯结构示意图；
图10a为本发明第九实施例中磁性元件的磁芯结构的立体示意图；
图10b为图10a所示磁芯结构的俯视图；
图11为本发明第十实施例中磁性元件的磁芯结构示意图；
图12为本发明第十一实施例中磁性元件的磁芯结构示意图；
图13为本发明第十二实施例中磁性元件的磁芯结构示意图；
图14a为本发明第十三实施例中磁性元件的磁芯结构示意图；
图14b为本发明第十四实施例中磁性元件的磁芯结构示意图；
图15a为本发明第十五实施例中磁性元件的磁芯结构示意图；
图15b为本发明第十六实施例中磁性元件的磁芯结构示意图；
图16a为本发明实施例中交错绕制绕组结构示意图；
图16b为图16a中的交错绕制绕组结构的电气连接图；
图17a为本发明实施例中单独绕制绕组结构示意图；
图17b为图17a中的单独绕制绕组结构的电气连接图。
附图标记：
1-主磁芯；
2-磁轭；
3-副磁芯；
4-A柱上绕线部；
5-B柱上绕线部；
6-C柱上绕线部；
7-A柱下绕线部；
8-B柱下绕线部；
9-C柱下绕线部。
具体实施方式
为了实现磁性元件的小体积、高效率、低干扰，本发明实施例提供了一种磁性元件、开关装置及电气设备。在本发明实施例技术方案中，磁性元件包括上磁轭、下磁轭，以及连接上磁轭和下磁轭的至少两个主磁芯和至少一个副磁芯。应用本发明实施例提供的磁性元件，通过增加副磁芯的方式提供了较大的电感，实现了电感的集成，可以实现在最小的空间达到技术性能最优的设计；并且由于增加的副磁芯为漏磁提供了路径，可以减少泄露到空气中的磁通，从而降低了漏磁造成的干扰。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明作进一步详细说明。
如图2a中所示，本发明实施例提供的一种磁性元件，包括上磁轭和下磁轭，即图2a中磁轭2，以及连接上磁轭和下磁轭的三个主磁芯1和一个副磁芯3。
在图2a中，主磁芯数量为三个，副磁芯数量为一个，但是在实际应用中并不局限于此，如果多态开关为三态开关，则磁性元件包括两个主磁芯，如果多态开关为N(N>＝3)态开关，则磁性元件包括N-1个主磁芯。副芯柱数量不限，主要根据磁性元件空间结构的需要设置。
在本发明实施例中，主磁芯可以为铁氧体主磁芯、非晶主磁芯或纳米晶主磁芯；磁轭可以为铁氧体磁轭、非晶磁轭或纳米晶磁轭；副磁芯可以为粉芯副磁芯、硅钢片副磁芯或铁氧体副磁芯。
主磁芯、上磁轭和下磁轭为较高导磁率、低损耗磁材，采用高磁导率的磁材可以提高绕组间的耦合系数，副磁芯为主磁芯的漏磁提供通路，选用的是工频损耗低、饱和磁密高的磁材，这样可以提供较大的输出电感，在较小的截面积抵抗较大的电流，实现较小的体积，降低漏磁的干扰。
在本发明的一个优选实施例中，主磁芯为铁氧体主磁芯，磁轭为铁氧体磁轭，副磁芯为粉芯副磁芯。当开关频率为10KHz以上时，主磁芯选用铁氧体材料损耗较低。当开关频率为10KHz及低于10KHz时，主磁芯和磁轭材质优选非晶、纳米晶材料。
主磁芯、副磁芯必须通过磁轭形成闭环磁路，实现较大的共模电感量，主磁芯副磁芯共轭还可以节省材料。在本发明的实施例中，主磁芯位于上磁轭和下磁轭之间，副磁芯位于上磁轭和下磁轭之间或者上磁轭和下磁轭的侧边。如图3所示，三个主磁芯1位于上磁轭和下磁轭之间；三个副磁芯3位于上磁轭和下磁轭的侧边。如图12所示，三个主磁芯1位于上磁轭和下磁轭之间；两个副磁芯位于上磁轭和下磁轭之间。
如图3所示，在本发明的一个实施例中，主磁芯1为柱状主磁芯，截面形状为方形，但是实际情况并不局限于此，柱状主磁芯的截面形状可以为圆形、椭圆形或轨道形等多种形状，其中，方形可以带有倒角，这里说的轨道形指的是两对边平行并通过圆弧连接的形状。
在本发明实施例中，副磁芯可以为板状或者柱状，副磁芯设计为柱状和板状结构主要取决于电感制作工艺的复杂度。如图8所示，副磁芯3为柱状副磁芯，如图9所示，副磁芯3为板状副磁芯。在图8中，副磁芯3的截面形状为方形，但实际情况并不限于此，柱状副磁芯的截面形状也可以为圆形、椭圆形或轨道形等多种形状，其中，方形可以带有倒角。
如图2a和图2b所示，本发明第一实施例中的磁性元件的磁芯结构包括三个柱状主磁芯1，上、下两个磁轭2以及一个副磁芯3。三个主磁芯1位于上下两个磁轭之间，副磁芯3位于上磁轭和下磁轭的侧边，与三个主磁芯中的中间主磁芯位置相对应。
如图3所示，本发明第二实施例中的磁性元件的磁芯结构包括三个柱状主磁芯1，上下两个磁轭2以及三个副磁芯3。其中三个主磁芯1位于上下两个磁轭之间，3个副磁芯3位于上磁轭和下磁轭的侧边，与三个主磁芯位置相对应。
如图4所示，本发明第三实施例中的磁性元件的磁芯结构包括三个柱状主磁芯1，上下两个磁轭2以及两个副磁芯3。其中三个主磁芯1位于上下两个磁轭之间，两个副磁芯3位于上磁轭和下磁轭的侧边，与三个主磁芯中的两边的两个主磁芯位置相对应。
如图5所示，本发明第四实施例中的磁性元件的磁芯结构包括三个柱状主磁芯1，上下两个磁轭2以及一个副磁芯3。在该发明实施例中，副磁芯3为板状结构，其中三个主磁芯1位于上下两个磁轭之间，副磁芯3位于上磁轭和下磁轭的侧边。
如图6所示，本发明第五实施例中的磁性元件的磁芯结构包括三个柱状主磁芯1，上下两个磁轭2以及两个副磁芯3。其中三个主磁芯1位于上下两个磁轭之间，两个副磁芯3位于上磁轭和下磁轭的侧边，与三个主磁芯中的中间主磁芯位置相对应，并且分设于磁轭两侧。
如图7所示，本发明第六实施例中的磁性元件的磁芯结构包括三个柱状主磁芯1，上下两个磁轭2以及六个副磁芯3。其中三个主磁芯1位于上下两个磁轭之间，六个副磁芯3位于上磁轭和下磁轭的侧边，与三个主磁芯位置相对应，并且分设于磁轭两侧。
如图8所示，本发明第七实施例中的磁性元件的磁芯结构包括三个柱状主磁芯1，上下两个磁轭2以及四个副磁芯3。其中三个主磁芯1位于上下两个磁轭之间，四个副磁芯3位于上磁轭和下磁轭的侧边，与三个主磁芯中的两边的两个主磁芯位置相对应，并且分设于磁轭两侧。
如图9所示，本发明第八实施例中的磁性元件的磁芯结构包括三个柱状主磁芯1，上下两个磁轭2以及两个副磁芯3。其中三个主磁芯1位于上下两个磁轭之间，两个副磁芯3位于上磁轭和下磁轭的侧边，并分别位于磁轭两侧。
如图10a和图10b所示，本发明第九实施例中的磁性元件的磁芯结构包括三个柱状主磁芯1，上下两个磁轭2以及一个副磁芯3。其中磁轭截面为圆形，三个主磁芯1位于上下两个磁轭之间，分布于磁轭边缘，副磁芯3位于磁轭中心处的上下两个磁轭之间。
如图11所示，本发明第十实施例中的磁性元件的磁芯结构包括三个柱状主磁芯1，上下两个磁轭2以及两个副磁芯3。其中三个主磁芯1位于上下两个磁轭之间，两个副磁芯3位于上磁轭和下磁轭的侧边，并且分别位于三个主芯柱的两侧。
如图12所示，本发明第十一实施例中的磁性元件的磁芯结构包括三个柱状主磁芯1，上下两个磁轭2以及两个副磁芯3。其中三个主磁芯1位于上下两个磁轭之间，两个副磁芯3位于上下两个磁轭之间，并且分别位于三个主芯柱的两侧。
如图13所示，本发明第十二实施例中的磁性元件的磁芯结构包括三个柱状主磁芯1，上下两个磁轭2以及两个副磁芯3。其中三个主磁芯1位于上下两个磁轭之间，两个副磁芯3位于上下两个磁轭之间，与三个主磁芯一一间隔设置。
如图14a所示，本发明第十三实施例中的磁性元件的磁芯结构包括三个柱状主磁芯1，上下两个磁轭2以及一个副磁芯3。其中三个主磁芯1位于上下两个磁轭之间，一个副磁芯3位于上磁轭和下磁轭的侧边，并且位于三个主磁芯的一侧。在图14b中，本发明第十四实施例的磁性元件的磁芯结构与第十三实施例的磁性元件的磁芯结构接近，其区别是副磁芯位于三个主磁芯的另一侧。
如图15a所示，本发明第十五实施例中的磁性元件的磁芯结构包括三个柱状主磁芯1，上下两个磁轭2以及一个副磁芯3。其中三个主磁芯1位于上下两个磁轭之间，一个副磁芯3位于上下两个磁轭之间，并且位于三个主磁芯的一侧。在图15b中，本发明第十六实施例的磁性元件的磁芯结构与第十五实施例的磁性元件的磁芯结构接近，其区别是副磁芯位于三个主磁芯的另一侧。
如图16a所示的为本发明实施例中的多磁芯交错绕制方式，如图17a所示的绕制方式为每个磁芯单独绕制方式，两种绕线方式的电气连接图分别如图16b和17b所示。
如图16a所示，3个主磁芯均绕有上绕线部和下绕线部，其中A柱上绕线部4和B柱下绕线部8的同名端连接，B柱上绕线部5和C柱下绕线部9的磁通迭加时的电流流入端连接，C柱上绕线部6和A柱下绕线部7的磁通迭加时的电流流入端连接。
在图16a中，每个主磁芯绕有上下两个绕线部，在实际情况中，也可以每个主磁芯绕有内外两个绕线部，多磁芯内外交错绕制方式中内外绕线部的交错连接方式同前述多磁芯上下交错绕制方式中上下绕线部的交错连接方式。
建立单独绕制和交错绕制方式下的三维模型，每相通入频率50Hz、峰值电流93A的正弦电流，对其进行仿真，仿真结果如表1所示。
表1不同绕制方式仿真结果
由表1可以看出采用单独绕制主、副磁芯上的磁密比交错绕制主副铁芯上的磁密大很多，单独绕制主、副铁芯上的耦合系数比交错绕制主、副铁芯上的耦合系数小，所以单独绕制的漏感比交错绕制的漏感大。在需要保证较高的耦合系数和一定的漏感情况下，交错绕制比单独绕制的方式更容易满足要求。
在图16a中，本发明实施例中的多磁芯交错绕制方式中，每个主磁芯上绕有两个绕线部，在实际情况中，绕线部数量可以为三个或者更多。
本发明实施例提供了一种开关装置，该开关装置包括前述任一实施例中的的磁性元件。
本发明实施例提供的开关装置采用前述实施例中的磁性元件，相比现有技术，本发明实施例提供的开关装置相应地具有磁性元件小体积、高效率、低干扰的技术特点。
本发明实施例还提供了一种电气设备，该电气设备包括前述开关装置。
本发明实施例提供的电气设备采用前述实施例中的开关装置，也相应地具有磁性元件小体积、高效率、低干扰的技术特点。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种磁性元件，其特征在于，包括上磁轭、下磁轭，以及连接所述上磁轭和下磁轭的至少两个主磁芯和至少一个副磁芯。
2.如权利要求1所述的一种磁性元件，其特征在于，所述主磁芯可选择的类型包括铁氧体主磁芯、非晶主磁芯和纳米晶主磁芯；所述磁轭可选择的类型包括铁氧体磁轭、非晶磁轭和纳米晶磁轭；所述副磁芯可选择的类型包括粉芯副磁芯、硅钢片副磁芯和铁氧体副磁芯。
3.如权利要求2所述的一种磁性元件，其特征在于，所述主磁芯为铁氧体主磁芯，所述磁轭为铁氧体磁轭，所述副磁芯为粉芯副磁芯。
4.如权利要求1所述的一种磁性元件，其特征在于，所述至少两个主磁芯位于所述上磁轭和下磁轭之间；所述至少一个副磁芯位于所述上磁轭和下磁轭之间，或者所述至少一个副磁芯位于所述上磁轭和下磁轭的侧边。
5.如权利要求1所述的一种磁性元件，其特征在于，所述主磁芯为柱状主磁芯，可选的截面形状包括圆形、椭圆形、方形和轨道形。
6.如权利要求1所述的一种磁性元件，其特征在于，所述副磁芯可选择的类型包括板状副磁芯和柱状副磁芯，所述柱状副磁芯的可选的截面形状包括圆形、椭圆形、方形和轨道形。
7.如权利要求1～6任一项所述的磁性元件，其特征在于，每个所述主磁芯绕有上绕线部和下绕线部，所述至少两个主磁芯按照设定次序排列，上一序位主磁芯的上绕线部和下一序位主磁芯的下绕线部的磁通迭加时的电流流入端连接，末序位主磁芯的上绕线部和首序位主磁芯的下绕线部的磁通迭加时的电流流入端连接；
或者，每个所述主磁芯绕有内绕线部和外绕线部，所述至少两个主磁芯按照设定次序排列，上一序位主磁芯的内绕线部和下一序位主磁芯的外绕线部的磁通迭加时的电流流入端连接，末序位主磁芯的内绕线部和首序位主磁芯的外绕线部的磁通迭加时的电流流入端连接。
8.一种开关装置，其特征在于，包括如权利要求1～7任一项所述的磁性元件。
9.一种电气设备，其特征在于，包括如权利要求8所述的开关装置。
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