磁性部件及由其制成的变压器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了磁性部件以及由其制成的变压器。磁性部件包括外圆壁、内圆壁和圆柱芯，其中外圆壁包括第一间隙和第二间隙，内圆壁包括第三间隙和第四间隙。外圆壁、内圆壁和圆柱芯彼此同心。外圆壁与内圆壁间隔开以限定外侧径向通道。内圆壁与圆柱芯间隔开以限定内侧径向通道。通过绕着内圆壁缠绕第一绕组并且围绕圆柱芯缠绕第二绕组形成变压器。
【专利说明】磁性部件及由其制成的变压器
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年4月23日提交的第61/815,096号美国临时专利申请以及 于2013年12月23日提交的第61/920, 100号美国临时专利申请的优先权，这些申请通过 引用整体并入本文。
【技术领域】
[0003] 本公开的实施方式通常涉及变压器，并且，具体地涉及用于变压器的高度集成磁 性部件。
【背景技术】
[0004] 变压器在多种装置中用于执行如改变电压电平、电路隔离、测量电力系统中的电 压或电流的功能以及许多其它功能。为了给绕组提供充足空间，与变压器的芯的横截面积 相比，变压器的绕组面积总体上是很大的，从而导致了很大的形状因数。在一些情况下，变 压器因大的形状因数而占用了宝贵的可用空间。
[0005] 因此，本领域需要具有小且紧凑的磁性部件的空间高效且紧凑的变压器。
【发明内容】
[0006] 本发明的实施方式通常涉及变压器和高度集成磁性部件。
[0007] 通过下面的描述和附图将更加全面地理解本公开的多种优点、方面和新颖性特征 以及本公开所示的实施方式的细节。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 通过参照实施方式，可以详细地理解本发明的上述特征的方式、本发明的更加具 体的描述、上面简要概述，其中附图中示出了一些实施方式。然而，应注意的是，附图仅仅示 出了本发明的典型实施方式，因此不应将其解释成对本发明的范围限制，因为本发明可允 许其它同等有效的实施方式。
[0009] 图1为根据本发明的实施方式的、通过堆叠两个集成磁性部而形成的变压器的立 体图；
[0010] 图2为根据本发明的实施方式的、通过堆叠第一集成磁性部和第二集成磁性部而 形成的变压器的侧视图；
[0011] 图3为来自根据本发明的实施方式的、图2的变压器的剖视图的图示；
[0012] 图4为根据本发明的实施方式的、集成磁性部件的第一集成磁性部和第二集成磁 性部的立体图；
[0013] 图5为根据本发明的实施方式的、集成磁性部件的一部分的立体图；
[0014] 图6为来自根据本发明的实施方式的、图5所示集成磁性部件的一部分的俯视图 的图示；
[0015] 图7为来自根据本发明的实施方式的、图5所示的集成磁性部件的一部分的后角 度的立体图；以及
[0016] 图8为来自根据本发明的替代性实施方式的、集成磁性部件的一部分的俯视图的 图示。
【具体实施方式】
[0017] 本发明的实施方式包括具有单一磁性体的磁性部件，其中单一磁性体包括同心径 向通道。该通道为初级绕组和次级绕组限定了芯。如本文中所述，该通道和相应的绕组形 成了紧凑且空间高效的变压器。
[0018] 图1为根据本发明的实施方式的、通过堆叠两个集成磁性部而形成的变压器100 的立体图。变压器100被安装至衬底102。
[0019] 变压器100包括第一集成磁性部106 (例如，顶部磁性部件，下文中被称为第一部 分106)和相应的绕组以及第二集成磁性部108 (例如，基底磁性部件，下文中被称为第二部 分108)和相应的绕组，其中，第一集成磁性部106和相应的绕组联接至第二集成磁性部108 和相应的绕组。第一绕组(例如，初级线圈绕组）和第二绕组(例如，次级线圈绕组）从相应 的间隙110和间隙112伸出，并且联接至外部电路(未示出）。多个紧固夹104联接至位于 第一部分106的背部上的多个紧固件凹口 120。多个紧固夹104将第一部分106和第二部 分108的面联接在一起，而在一些实施方式中，紧固夹104联接至位于第二部分108的底部 上的紧固件凹口。在一些实施方式中，多个紧固夹104可以改成联接至衬底102或者其它 固定基底。
[0020] 图2示出了根据本发明的实施方式的、变压器100的侧视图。图3示出了沿线3-3 截取的、图2所示变压器100的剖视图。
[0021] 如图2和图3所示，通过将第一部分106的面联接至第二部分108的面形成变压 器。第一部分106联接至第二部分108,以使得第一部分106的外部电路壁和圆柱芯306分 别与第二部分108的第二外圆壁322和第二圆柱芯326接触。第一部分106的内圆壁304 与第二部分108的二内圆壁324彼此面对，但由气隙350分开。第一绕组线轴312容纳于 第一部分106的外侧径向通道308中，并且延伸至第二部分108的第二外侧径向通道328 中。第一线圈绕组202绕第一绕组线轴312进行缠绕。第二绕组线轴332容纳于第二部分 108的第二内侧径向通道330中，并且延伸至第一部分106的内侧径向通道310中。第二线 圈绕组204绕第二绕组线轴332进行缠绕。在一些实施方式中，如图3所示，第二绕组线轴 332占用整个内侧径向通道310和第二内侧径向通道330,而第一绕组线轴312部分地延伸 至第二外侧径向通道328中以允许第二线圈绕组204穿过第一绕组线轴312下方并从变压 器100离开。虽然第一部分106和第二部分108分别被示为顶部部分和底部部分，但是应 注意的是，该定向可颠倒。同样，第一线圈绕组202可以是初级线圈绕组或次级线圈绕组， 并且第二线圈绕组204可以是初级线圈绕组或次级线圈绕组中的另一个。
[0022] 在一些实施方式中，第一线圈绕组202可以包括位于衬底(例如，聚酰胺、玻璃纤 维、FR4等）上的铜迹（copper trace),第二线圈绕组204可以包括铜线并且可以绝缘(例 如，编织线)。在一些实施方式中，第一线圈绕组202可以是单个回路，第二线圈绕组204可 以是多个(例如，8个)回路。然而，应注意的是，第一线圈绕组202和第二线圈绕组204可以 由任何导电材料形成，并且可以包括足以执行本发明的功能的任意数量的回路。线轴312、 线轴332通常是圆柱形的，并且可以包括上部凸缘和下部凸缘。线轴312、线轴332的直径 与其相应的通道的直径基本上相等，并且，在一些实施方式中，线轴312、线轴332包括塑料 或其它非导电性材料。线轴312、线轴332绕其相应的芯进行压合以确保它们保持在适当位 置。可选地，在一些实施方式中，可以使用粘合剂以确保线轴312、线轴332保持在适当位 置。在第二绕组线轴332占用内侧径向通道310和第二内侧径向通道330整体且第一绕组 线轴312部分地延伸至第二外侧径向通道328中的实施方式中，次级绕组线轴332通过部 分106、部分108二者保持在适当位置，并且第一绕组线轴312通过穿过第一绕组线轴312 的下方以从变压器100伸出的第二线圈绕组204保持在适当位置。第一部分106和第二部 分108可以由铁素体、锰锌陶瓷和类似材料形成。芯、壁和通道的横截面基本上为正方形或 长方形，然而在替代性实施方式中可以是圆形。
[0023] 图4为根据本发明的实施方式的、集成磁性部件的第一部分106和第二部分108 的立体图。第一部分106包括绕第一绕组线轴312缠绕的第一线圈绕组202。第一绕组线 轴312容纳于外侧径向通道308中。从而，第一绕组线轴312位于外圆壁302与内圆壁304 之间。第一线圈绕组202的端部容纳于外圆壁302中的第一间隙402中并穿过第一间隙 402。
[0024] 第二部分108包括与第一部分106的结构基本对称的结构。第二部分108包括第 二外圆壁322、第二内圆壁324和第二圆柱芯326。第二部分108还包括绕第二绕组线轴 332缠绕的第二线圈绕组204。第二绕组线轴332容纳于位于第二内圆壁324与第二圆柱 芯326之间的第二内侧径向通道330中。第二外侧径向通道328位于第二外圆壁322与第 二内圆壁324之间。第二线圈绕组204的端部穿过第二内圆壁324中的第二间隙404,并且 通过第二外圆壁322中的第三间隙406从第二部分108退出。
[0025] 下面将参照图5和图6进行描述。图5为根据本发明的实施方式的、集成磁性部件 的一部分500的立体图。图6为来自根据本发明的实施方式的图5所示集成磁性部件的一 部分500的俯视图的图示。在一些实施方式中，部分500基本为圆形。然而，应注意的是， 部分500可以具有能够执行本文所公开功能的任何形状。部分500包括外壁502、设置在 外壁502内的内壁504以及设置在内壁504内的圆柱芯506,外壁502、内壁504和圆柱芯 506均从基座520延伸。在一些实施方式中，外壁502、内壁504和圆柱芯506彼此同心。
[0026] 外壁502可以包括第一间隙508和第二间隙510。内壁504可以包括分别与第一 间隙508和第二间隙510对齐的第三间隙512和第四间隙514。第一间隙508和第二间隙 510绕圆柱芯506的中心偏移了 90度。在替代性实施方式中，第一间隙508和第二间隙510 可以偏移不同角度或者位于部分500的相对侧上(如图4)。虽然示出外壁502具有两个间 隙508、510,但应理解的是，外壁502可以包括允许集成磁性部件内的布线联接至外部电路 的任意数量(例如，一个或多个）的间隙。第一间隙508和第二间隙510联接至在外壁502 与内壁504之间限定的外侧径向通道516。第一间隙508和第二间隙510还通过第三间隙 512和第四间隙514联接至内壁503与圆柱芯506之间限定的内侧径向通道518。
[0027] 外壁502和圆柱芯506可以具有基本相同的高度，以使得在部分500被堆叠到第 二部分上时，组装件在相应的外壁与芯之间形成基本齐平的接触以容纳布线(未示出）。如 上文所解释，内壁504可以比外壁502和圆柱芯506短，以使得当部分500被堆叠到第二部 分上时，组装件在相应的内壁之间形成气隙。在一些实施方式中，壁可以是环形、圆形，或者 包括具有倒圆边缘的形状。
[0028] 在一些实施方式中，第一布线可以通过第一间隙508和第三间隙512绕圆柱芯506 形成回路，第二布线可以通过第二间隙510绕(另一部分的）内壁504形成回路。在装配过 程中，各个相应的布线可以在堆叠之前在相对的面对部分上形成回路。可选地，布线可以在 堆叠之前绕线轴(未示出）进行缠绕。在另一实施方式中，第一布线和第二布线可以绕相应 的顶部和基座部分的对应的圆柱芯进行缠绕，并且分别通过间隙对508/512和510/514延 伸。布线可以是编织线或者双绞线。
[0029] 图7为来自根据本发明的实施方式的、图5所示的集成磁性部件的一部分500的 后角度的立体图。如上所述和图1所示，基底520可以包括用于将两个部分接合在一起以 形成变压器的紧固件凹口 602。
[0030] 图8为来自根据本发明的替代性实施方式的、集成磁性部分800的俯视图的图示。 部分800与图5的部分500基本相似，并且包括外壁802、内壁804和圆柱芯806。然而，部 分800额外地包括用于取代在内壁804中形成的内侧间隙中的一个的传感器柱850。为了 简洁起见，此处将省略对与部分500的元件相似的部分800的元件的描述。传感器柱850 具有与外壁802和圆柱芯806相同的高度，以适当在部分800被堆叠到另一部分上时，两个 部分的传感器柱、外壁和圆柱芯处于基本齐平的接触。
[0031] 传感器柱850形成芯，电流传感器线圈绕组(未示出）绕该芯进行缠绕。电流传感 器线圈绕组的缠绕可以与在上面就图3所描述的第一线圈绕组202和第二线圈绕组204的 缠绕相似。即，电流传感器线圈绕组可以绕电流传感器线轴进行缠绕，电流传感器线轴位于 传感器柱850附近。电流传感器线圈绕组的端部穿过外壁802中最近的间隙。电流传感器 线圈绕组可以具有比第一线圈绕组202和第二线圈绕组204更薄的规格。通过较薄规格的 线圈，电流传感器线圈绕组可以在不与第一线圈绕组或第二线圈绕组电气或机械干扰的情 况下使用与第一线圈绕组或第二线圈绕组相同的间隙从部分800伸出。传感器电路(未示 出）被联接至传感器线圈绕组，并且传感器电路测量初级绕组的电流（即，电流传感器绕组 产生可测量的电流，该可测量电流用于指示初级线圈绕组的绕组上的初级电流）
[0032] 对本发明的实施方式的以上描述包括用于执行所描述的多种功能的若干元件、装 置、电路和/或组装件。这些元件、装置、电流和/或组装件是用于执行其相应描述的功能 的装置的示例性实现。
[0033] 虽然上面的描述指向本发明的实施方式，但是在不背离本发明的基本范围的情况 下可以设想本发明的其它和进一步实施方式。
【权利要求】
1. 一种磁性部件，包括： 外圆壁，包括第一间隙和第二间隙； 内圆壁，包括第三间隙和第四间隙；以及 圆柱芯， 其中，所述外圆壁、所述内圆壁和所述圆柱芯彼此同心， 其中，所述外圆壁与所述内圆壁间隔开以限定外侧径向通道， 其中，所述内圆壁与所述圆柱芯间隔开以限定内侧径向通道。
2. 如权利要求1所述的磁性部件，还包括： 第一部分，包括第一外圆壁、第一内圆壁和第一圆柱芯；以及 第二部分，包括第二外圆壁、第二内圆壁和第二圆柱芯， 其中，所述第一部分的第一面与所述第二部分的第二面彼此相联接。
3. 如权利要求2所述的磁性部件，还包括： 气隙，位于所述第一内圆壁与所述第二内圆壁之间， 其中，将所述第一外圆壁置于与所述第二外圆壁齐平，并且，将所述第一圆柱芯置于与 所述第二圆柱芯齐平。
4. 如权利要求1所述的磁性部件，还包括： 传感器柱，设置在所述第三间隙或所述第四间隙中。
5. 如权利要求1所述的磁性部件，其中，所述第一间隙绕所述圆柱芯的中心从所述第 -间隙偏移了 90度。
6. 如权利要求1所述的磁性部件，其中，所述第一间隙和所述第二间隙设置在所述磁 性部件的相对侧上。
7. -种变压器，包括： 外圆壁，包括第一间隙和第二间隙； 内圆壁，包括第三间隙和第四间隙； 圆柱芯； 第一线圈绕组，绕所述圆柱芯缠绕；以及 第二线圈绕组，绕所述内圆壁缠绕， 其中，所述外圆壁、所述内圆壁和所述圆柱芯彼此同心， 其中，所述外圆壁与所述内圆壁间隔开以限定外侧径向通道， 其中，所述内圆壁与所述圆柱芯间隔开以限定内侧径向通道。
8. 如权利要求7所述的变压器，还包括： 第一部分，包括第一外圆壁、第一内圆壁和第一圆柱芯；以及 第二部分，包括第二外圆壁、第二内圆壁和第二圆柱芯， 其中，所述第一部分的第一面与所述第二部分的第二面彼此相联接，以使得将所述第 一外圆壁置于与所述第二外圆壁齐平并且将所述第一圆柱芯置于与所述第二圆柱芯齐平， 并且所述第一内圆壁与所述第二内圆壁由气隙分开。
9. 如权利要求7所述的变压器，还包括： 传感器柱，设置在所述第三间隙或所述第四间隙中；以及 电流传感器线圈绕组，绕所述传感器柱缠绕。
10. -种集成磁性部件，包括： 衬底； 顶部磁性部件，包括位于所述顶部磁性部件的背侧上的多个凹口； 基底磁性部件，尺寸和形状与所述顶部磁性部件相似，所述基底磁性部件被设置在所 述衬底上；以及 多个紧固夹，用于联接至所述多个凹口，所述多个紧固夹将所述顶部磁性部件、所述基 底磁性部件和所述衬底联接在一起， 所述顶部磁性部件包括： 第一外圆壁，包括第一间隙和第二间隙； 第一内圆壁，包括第三间隙和第四间隙；以及 第一圆柱芯， 其中，所述第一外圆壁、所述第一内圆壁和所述第一圆柱芯彼此同心， 其中，所述第一外圆壁与所述第一内圆壁间隔开以限定第一外侧径向通道， 其中，所述第一内圆壁与所述第一圆柱芯间隔开以限定第一内侧径向通道， 所述基底磁性部件包括： 第二外圆壁，包括第五间隙和第六间隙； 第二内圆壁，包括第七间隙和第八间隙；以及 第二圆柱芯， 其中，所述第二外圆壁、所述第二内圆壁和所述第二圆柱芯彼此同心， 其中，所述第二外圆壁与所述第二内圆壁间隔开以限定第二外侧径向通道， 其中，所述第二内圆壁与所述第二圆柱芯间隔开以限定第二内侧径向通道， 其中，所述顶部磁性部件和所述基底磁性部件彼此进行物理和磁性联接以形成变压 器， 其中，当所述顶部磁性部件联接至所述基底磁性部件时，所述第一外圆壁与所述第二 外圆壁相对齐，所述第一内圆壁与所述第二内圆壁相对齐，所述第一圆柱芯与所述第二圆 柱芯相对齐，所述第一外侧径向通道与所述第二外侧径向通道相对齐，所述第一内侧径向 通道与所述第二径向通道相对齐， 其中，当所述顶部磁性部件联接至所述基底磁性部件时，所述第一外圆壁置于与所述 第二外圆壁齐平且靠着所述第二外圆壁，所述第一圆柱芯置于与所述第二圆柱芯齐平且靠 着所述第二圆柱芯， 其中，当所述顶部磁性部件联接至所述基底磁性部件时，所述第一内圆壁与所述第二 内圆壁由气隙间隔开，以及 其中，当所述顶部磁性部件联接至所述基底磁性部件时，所述第一间隙与所述第五间 隙相对齐，所述第二间隙与所述第六间隙相对齐，所述第三间隙与所述第七间隙相对齐，所 述第四间隙与所述第八间隙相对齐。
【文档编号】H01F27/24GK104124042SQ201410148882
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2013年4月23日
【发明者】哈里森·迈克尔 申请人:恩菲斯能源公司