非线性磁性器件及其制造方法与流程

本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种非线性磁性器件及其制造方法。

背景技术：

在某些应用场合需要使用非线性磁性器件，即小电流大感量、大电流小感量，例如直流转直流电源在输出最小电流时需要保持连续模式，大电流小电感以降低电流纹波率；或者反激电源小电流时使用大感量减少峰值电流，降低开关损耗提示轻载效率的场合。目前行业上常用的非线性磁性器件磁芯开气隙的方式是在单个磁芯中磨出不规则形状来实现磁性器件的非线性特性，由于气隙的加工维度多，生产工艺复杂。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种非线性磁性器件及其制造方法，旨在降低工艺复杂度。

为实现上述目的，本发明提出的非线性磁性器件包括第一磁芯组和第二磁芯组；所述第一磁芯组包括相对设置的第一磁芯和第二磁芯，所述第二磁芯组包括相对设置的第三磁芯和第四磁芯，所述第一磁芯与所述第三磁芯平行排列，所述第二磁芯与所述第四磁芯平行排列；所述第一磁芯与所述第二磁芯之间存在第一气隙，所述第三磁芯与所述第四磁芯之间存在第二气隙，所述第一气隙与所述第二气隙相接；所述第一磁芯包括形成所述第一气隙的第一端面，所述第二磁芯包括形成所述第一气隙的第二端面，所述第三磁芯包括形成所述第二气隙的第三端面，所述第四磁芯包括形成所述第二气隙的第四端面；所述第一端面与所述第三端面不在同一平面上，和/或所述第二端面与所述第四端面不在同一平面上。

优选地，所述第一端面与所述第四端面平齐。

优选地，所述第一磁芯与所述第四磁芯的截面积相等，所述第二磁芯与所述第三磁芯的截面积相等，且所述第一磁芯与所述第四磁芯的截面积大于所述第二磁芯与所述第三磁芯的截面积。

优选地，所述第一端面与所述第四端面之间存在第三气隙，所述第三气隙的距离小于所述第一气隙的距离，且所述第三气隙的距离小于所述第二气隙的距离。

优选地，所述第三磁芯包括面向所述第一磁芯的第一侧面，所述第二磁芯包括面向所述第四磁芯的第二侧面，所述第一侧面与所述第二侧面之间存在第四气隙。

优选地，所述第一气隙的间距等于所述第二气隙的间距。

优选地，所述第一磁芯、第二磁芯、第三磁芯和第四磁芯分别为E型磁芯，所述E型磁芯包括一连接部、一中柱及二侧柱，所述第一磁芯的中柱与所述第二磁芯的中柱之间形成所述第一气隙，所述第三磁芯的中柱与所述第四磁芯的中柱之间形成第二气隙。

优选地，所述非线性磁性器件还包括至少一组对接的磁芯组。

本发明还提供一种非线性磁性器件的制造方法，所述非线性磁性器件包括第一磁芯组和第二磁芯组；所述第一磁芯组包括相对设置的第一磁芯和第二磁芯，所述第二磁芯组包括相对设置的第三磁芯和第四磁芯，包括以下步骤：

步骤一、将所述第二磁芯的第二端面和所述第三磁芯的第三端面平齐放置；

步骤二、对所述第二端面和所述第三端面同时研磨；

步骤三、将所述第一磁芯与所述第二磁芯相对设置，所述第三磁芯与所述第四磁芯相对设置，所述第一磁芯与所述第三磁芯平行设置，所述第二磁芯与所述第四磁芯平行设置；所述第一磁芯与所述第二磁芯之间存在第一气隙，所述第三磁芯与所述第四磁芯之间存在第二气隙，所述第一气隙与所述第二气隙相接；所述第一端面与所述第三端面不在同一平面上，或所述第二端面与所述第四端面不在同一平面上。

本发明技术方案中，非线性磁性器件包括沿磁路分割的四个磁芯，并在两两对接的磁芯之间留有气隙，即第一磁芯与第二磁芯之间存在第一气隙，第三磁芯与第四磁芯之间存在第二气隙，所述第一气隙与所述第二气隙相接，第一端面与第三端面不在同一平面上，或第二端面与第四端面不在同一平面上，从而实现磁性器件的非线性。由于本发明提出的技术方案使用多个磁芯组合的方式来形成不同气隙，不需要在单个磁芯中磨出不规则形状来实现磁性器件的非线性特性，降低了非线性磁性器件的工艺复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例非线性磁性器件研磨后的磁芯气隙结构示意图；

图2为图1所示实施例非线性磁性器件装配后的磁芯气隙结构示意图；

图3为图1所示实施例非线性磁性器件的非线性电感电流关系曲线图；

图4为本发明第二实施例非线性磁性器件的结构示意图；

图5为本发明第三实施例非线性磁性器件的结构示意图；

图6为本发明第四实施例非线性磁性器件的结构示意图；

图7为本发明第五实施例非线性磁性器件的结构示意图；

图8为本发明非线性磁性器件在EE型磁芯上应用的结构示意图。

附图标号说明：

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种非线性磁性器件。

请参照图1和图3，在本发明第一实施例中，该非线性磁性器件包括第一磁芯组100和第二磁芯组200；所述第一磁芯组100包括相对设置的第一磁芯110和第二磁芯120，所述第二磁芯组200包括相对设置的第三磁芯210和第四磁芯220，所述第一磁芯110与所述第三磁芯210平行排列，所述第二磁芯120与所述第四磁芯220平行排列；所述第一磁芯110与所述第二磁芯120之间存在第一气隙300，所述第三磁芯210与所述第四磁芯220之间存在第二气隙400，所述第一气隙300与所述第二气隙400相接；所述第一磁芯110包括形成所述第一气隙300的第一端面111，所述第二磁芯120包括形成所述第一气隙300的第二端面122，所述第三磁芯210包括形成所述第二气隙400的第三端面212，所述第四磁芯220包括形成所述第二气隙400的第四端面221；所述第一端面111与所述第三端面212不在同一平面上，和/或所述第二端面122与所述第四端面221不在同一平面上。

在传统开关电源应用中，功率电感/变压器等磁性器件作为能量存储的元件，为了存储和提供能量，其磁导率不能太高防止进入饱和，又不能太小造成传输同等功率体积过大，一般在高磁导材料磁芯中串联一个非磁气隙，通过非磁气隙的大小来调整有效磁导率。

本发明技术方案中，将传统的带气隙两磁芯对接方式更改为沿磁路分割的四个磁芯，并在两两对接的磁芯之间留有气隙，即第一磁芯110与第二磁芯120之间存在第一气隙300，第三磁芯210与第四磁芯220之间存在第二气隙400，所述第一气隙300与所述第二气隙400相接，第一端面111与第三端面212不在同一平面上，和/或第二端面122与第四端面221不在同一平面上，从而实现磁性器件的非线性。由于本发明提出的技术方案使用多个磁芯组合的方式来形成不同气隙，不需要在单个磁芯中磨出不规则形状来实现磁性器件的非线性特性，降低了非线性磁性器件的工艺复杂度。

以下提供一种该非线性磁性器件的制造方法。特别是当第一磁芯110、第二磁芯120、第三磁芯210和第四磁芯220尺寸相同时应用该制造方法。

步骤一、将所述第二磁芯120的第二端面122和所述第三磁芯210的第三端面212平齐放置。

具体地，将所述第一磁芯110与所述第二磁芯120相对设置，所述第三磁芯210与所述第四磁芯220相对设置，所述第二磁芯120的第二端面122和所述第三磁芯210的第三端面212平齐放置；所述第一磁芯110与所述第二磁芯120之间存在的气隙和所述第三磁芯210与所述第四磁芯220之间存在的气隙距离相同。

步骤二、对所述第二端面122和所述第三端面212同时研磨。

具体地，研磨前将第一磁芯110、第二磁芯120、第三磁芯210和第四磁芯220按图1所示顺序放置，对第二磁芯120和第三磁芯210的研磨面同时进行研磨，图中斜线所示的面为研磨面，或者采用可控的单独研磨方式进行研磨。此时，由于研磨后的第二磁芯120和第三磁芯210的长度变短，使得第一磁芯110和第二磁芯120之间的存在一定的气隙距离，第三磁芯210和第四磁芯220之间存在一定的气隙距离，这两个气隙距离相同，均为δ。

步骤三、将所述第一磁芯110与所述第二磁芯120相对设置，所述第三磁芯210与所述第四磁芯220相对设置，所述第一磁芯110与所述第三磁芯210平行设置，所述第二磁芯120与所述第四磁芯220平行设置；所述第一磁芯110与所述第二磁芯120之间存在第一气隙300，所述第三磁芯210与所述第四磁芯220之间存在第二气隙400，所述第一气隙300与所述第二气隙400相接；所述第一端面111与所述第三端面212不在同一平面上，或所述第二端面122与所述第四端面221不在同一平面上。

具体地，研磨后对非线性磁性器件(比如非线性磁性器件应用在变压器或电感时)进行装配时，对其中任意一组中上下对接的磁芯组进行调换，参照图2，将第一磁芯110和第二磁芯120进行对调，此时，第一磁芯110与第二磁芯120之间存在第一气隙300，所述第三磁芯210与所述第四磁芯220之间存在第二气隙400，所述第一气隙300与所述第二气隙400相接，第一气隙300的距离为δ1，第二气隙400的距离为δ2。采用同时对第二磁芯120和第三磁芯210研磨的方式获得气隙，可以做到δ1＝δ2＝δ，保证了批量生产的一致性。当然也可以不采用研磨的方式，如果第一磁芯110、第二磁芯120、第三磁芯210和第四磁芯220的尺寸不一，通过组合的方式可以形成不同气隙的话，也同样可以实现磁性器件的非线性特性。

请再次参照图2，A点处由于磁芯靠近，气隙变小。在小电流的应用条件下，磁芯的磁通密度较小，由于空气磁导率远小于磁芯材料的磁导率，大部分磁通通过磁阻较小的A点及附近，此时磁路磁导率较高，根据

L＝μeN²A/l

其中L为电感量，单位亨利(H)；μe为有效磁导率；N为绕线匝数；A为磁芯截面积，单位平方米(m²)；l为磁路长度，单位米(m)。

由于μe较高，此时电感量L较大；随着电流加大，磁通密度加大，此时A点附近磁芯由于磁通密度过大进入磁饱和，μe急剧下降，故感量L随电流I增加而下降，从而实现磁性器件的非线性，非线性电感电流关系曲线请参照图3。

请再次参照图2，所述第一端面111与所述第四端面221平齐。在该实施例中，第一磁芯110、第二磁芯120、第三磁芯210和第四磁芯220的截面积相同，将第一端面111与第四端面221设计成在同一平面上可以获得较好的非线性效果。当然第一端面111与第四端面221也可以不在同一平面上，具体请参照图4，为本发明的第二实施例，在第二实施例中，第一磁芯110、第二磁芯120、第三磁芯210和第四磁芯220的截面积相同，第一端面111与第四端面221错开设置。

请再次参照图2，由于A点磁阻低，在应用图2所示的结构时可能造成A点局部发热过大，实际使用可以对磁芯的大小进行调整，增加A点气隙以增加磁阻减少发热。作为本发明的一个优选实施方式，所述第一磁芯110与所述第四磁芯220的截面积相等，所述第二磁芯120与所述第三磁芯210的截面积相等，且所述第一磁芯110与所述第四磁芯220的截面积大于所述第二磁芯120与所述第三磁芯210的截面积。以下通过第三实施例、第四实施例和第五实施例对利用不同截面积的磁芯获得本申请中的非线性磁性器件进行说明，前提均是第一磁芯110与第四磁芯220的截面积相等，第二磁芯120与第三磁芯210的截面积相等，且第一磁芯110与第四磁芯220的截面积大于第二磁芯120与第三磁芯210的截面积。

请参照图5，为本发明的第三实施例，所述第一端面111与所述第四端面221之间存在第三气隙500，所述第三气隙500的距离小于所述第一气隙300的距离，且所述第三气隙500的距离小于所述第二气隙400的距离。在第一端面111与第四端面221之间留有第三气隙500，且第三气隙500的距离既小于第一气隙300的距离又小于第二气隙400的距离，可以增加A点气隙从而增加磁阻减小发热。当所述第三气隙500同时大于第一气隙300的距离和第二气隙400的距离时，请参照图6，为本发明的第四实施例，也可以实现增加A点气隙从而增加磁阻减小发热的目的。

请参照图7，为本发明的第五实施例，所述第三磁芯210包括面向所述第一磁芯110的第一侧面211，所述第二磁芯120包括面向所述第四磁芯220的第二侧面121，所述第一侧面211与所述第二侧面121之间存在第四气隙600。与第三和第四实施例不同的是，在第一侧面211与第二侧面121留有第四气隙600，同样可以达到增加A点气隙的目的。

请参照图8，为本发明非线性磁性器件在EE型磁芯上应用的结构示意图，所述第一磁芯110、第二磁芯120、第三磁芯210和第四磁芯220分别为E型磁芯，所述E型磁芯包括一连接部700、一中柱800及二侧柱900，所述第一磁芯110的中柱800与所述第二磁芯的中柱800之间形成所述第一气隙300，所述第三磁芯210的中柱800与所述第四磁芯220的中柱800之间形成第二气隙400。其中，所述中柱800为方柱型或圆柱型。第六实施例为该非线性磁性器件的结构具体应用在EE型和ER型的磁芯上，在该实施例中，第一气隙300位于第一磁芯110的中柱800和第二磁芯120的中柱800之间，第二气隙400位于第三磁芯210的中柱800和第四磁芯220的中柱800之间。当然，第一气隙300也可以位于第一磁芯组100的侧柱900之间，第二气隙400位于第二磁芯组200的侧柱900之间。同样，线圈可以设置在中柱800上，也可以设置在侧柱900上。

该非线性磁性器件的结构也可以应用在EI型和环型的磁芯上。具体地，对于EI型的磁芯，第一磁芯110和第四磁芯220分别为E型磁芯，第二磁芯120和第三磁芯210分别为I型磁芯。以上非线性磁性器件的结构可以应用在EI型和环型的磁芯上。对于环型的磁芯，非线性磁性器件包括至少两个环型磁芯，在磁芯的圆周面上沿其轴向开设有的气隙，磁芯叠置时使不同磁芯上的气隙错开，同时不同磁芯上的气隙相接，这种组合方式同样可以实现使用多个磁芯组合的方式来形成不同气隙，不需要在单个磁芯中磨出不规则形状来实现磁性器件的非线性特性，降低了非线性磁性器件的工艺复杂度。

作为本发明的一个优选实施方式，所述非线性磁性器件还包括至少一组对接的磁芯组。比如，非线性磁性器件总共包括三组磁芯组，各磁芯组内部形成有气隙，各气隙相互错开且相接可以实现磁性器件的非线性特性。

当使用现有行业磁芯进行设计时，由于需要使用多磁芯合并设计，没有匹配的骨架，需新设计骨架并开模；当使用现有骨架设计时，可以使用对应磁芯进行分割设计并开模，研磨气隙与普通方式相同，使用时如有设计变更，未研磨气隙的磁芯可以合并当普通磁芯使用，不会造成模具报废或者物料库存无法消化的风险。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。