应用于电抗器的磁芯以及电抗器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明是有关于一种磁芯，特别是有关于一种用于电抗器的磁芯。
【背景技术】
[0002] 目前在大功率变换器应用上，常使用电抗器（reactor)抑制电流纹波、改善功率 因数。又随着开关元件的发展，开关频率不断提高，特别是开关频率达到5kHz以上，传统直 接使用硅钢片材料并开制气隙的电抗器，由于损耗较大及效率较低的原因慢慢变得不太适 用。因此，电抗器的磁芯出现了新的两种材料组合，一种以金属粉芯的块体（BlockCore) 进行堆叠而成，另一种以平面叠片磁性材料堆叠而成，此两种均需要在磁芯上开制气隙。
[0003] 这两种电抗器均各有优势，金属粉芯块体堆叠制成的电抗器，由于金属粉芯的特 殊的分散式气隙，可有效地降低电抗器绕组的高频涡流损耗，同时也带来软饱和特性，可有 效应对瞬间大脉冲电流、超负载运行等特殊工况；而平面叠片磁性材料开气隙制成的电抗 器，由于材料本身较低的磁芯损耗和较高的饱和磁通密度，所制备的电抗器尺寸较小，用铜 量少，但是相对地，由于气隙比较集中的原因，平面叠片磁性材料开气隙会使绕组损耗增大 非常明显，而且平面叠片磁性材料的气隙产生的扩散磁通也会切割平面叠片磁性材料本 身，结果导致电抗器的磁芯涡流损耗增大。
[0004] 虽然平面叠片磁性材料制成的电抗器因为扩散磁通带来了绕组涡流损耗和磁芯 涡流损耗的增大，但是由于铜线用量和磁芯用量较少的缘故，总的损耗基本上可以做到和 金属粉芯电抗器相当；金属粉芯块体堆叠制成的电抗器，虽然体积较大，但由于其软饱和特 性，轻载感量却比平面叠片磁性材料制成的电抗器要大。而使用者也往往在这两种方案间 摇摆不定，难于取舍。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种使用混合材料的磁芯，用以同时满足体积缩小和减少损耗及涡 流的需求。
[0006] 本发明的一实施方式提供了一种应用于电抗器的磁芯，包含一上轭部、一下轭部， 以及至少两个芯柱，芯柱与上轭部和下轭部构成一闭合磁路，两个芯柱至少有一个为第一 芯柱，第一芯柱包括芯柱主体、平衡磁性单元和气隙，平衡磁性单元和气隙相邻组合为混合 式气隙分割第一芯柱且设置于芯柱本体一侧。上轭部、下轭部和芯柱主体由平面叠片磁性 材料制作，平衡磁性单元的磁导率低于平面叠片磁性材料。
[0007] 于本发明的一或多个实施例中，平衡磁性单元的初始磁导率小于或等于平面叠片 磁性材料的二十分之一。
[0008] 于本发明的一或多个实施例中，平衡磁性单元为金属粉芯块体。于本发明的一或 多个实施例中，金属粉芯块体的材料为铁硅合金、铁硅铝合金、铁镍合金、铁镍钥合金、非 晶、纳米晶或硅钢片。
[0009] 于本发明的一或多个实施例中，平衡磁性单元的厚度与气隙的厚度的比值约为 4-20。
[0010] 于本发明的一或多个实施例中，每一个混合式气隙中平衡磁性单元的数量为一个 或两个。
[0011] 于本发明的一或多个实施例中，平衡磁性单元位于混合式气隙的中心对称位置。
[0012] 于本发明的一或多个实施例中，磁芯包含一绝缘隔磁材料，填充于气隙中，其中绝 缘隔磁材料的相对磁导率为1。
[0013] 于本发明的一或多个实施例中，平面叠片磁性材料可以为非晶、纳米晶、坡莫合 金、硅钢片或超级硅钢片。
[0014] 于本发明的一或多个实施例中，平面叠片磁性材料是由合金薄带卷绕后切割而 成。
[0015] 于本发明的一或多个实施例中，平面叠片磁性材料是由合金薄带切割后堆叠而 成。
[0016] 于本发明的一或多个实施例中，混合式气隙的数量为多个，混合式气隙在第一芯 柱上均匀分布。
[0017] 于本发明的一或多个实施例中，两芯柱均为第一芯柱。
[0018] 于本发明的一或多个实施例中，第一芯柱横截面为矩形。
[0019] 于本发明的一或多个实施例中，芯柱包含一第二芯柱，第二芯柱的横截面积小于 第一芯柱横截面积。
[0020] 于本发明的一或多个实施例中，第二芯柱由平面叠片磁性材料构成。
[0021] 本发明的另一实施方式为一种电抗器，包含前述的磁芯以及绕组，其中绕组绕设 于第一芯柱。
[0022] 于本发明的一或多个实施例中，绕组为方形导线。
[0023] 本发明的磁芯可以同时保留平面叠片磁性材料体积小，饱和电流大的优势，并且 尽量降低其绕组涡流损耗和磁芯涡流损耗，以兼具金属粉芯块体平衡轻重载感量的优点。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明的磁芯一实施例的示意图；
[0025] 图2为应用不同磁芯的电抗器的磁通密度对磁场强度（B-H)的曲线图；
[0026] 图3与图4为应用不同磁芯的电抗器的磁导率对磁场强度（U-H)的曲线图；
[0027] 图5A为仅由平面叠片磁性材料所组成的芯柱的磁通示意图；
[0028] 图5B为在平面叠片磁性材料所组成的芯柱中加入平衡磁性单元的磁通示意图；
[0029] 图6为绘示本发明的磁芯一实施例的局部放大图；
[0030] 图7为本发明的磁芯插入不同比例的平衡磁性单元的比损耗值比较图；
[0031] 图8与图9为绘示本发明的磁芯不同实施例的局部放大图；
[0032] 图10为本发明的磁芯另一实施例的示意图；
[0033] 图11为应用本发明的磁芯的电抗器一实施例的示意图；
[0034] 图12为应用本发明的磁芯的电抗器另一实施例的示意图；
[0035] 图13为本发明的磁芯又一实施例的示意图；
[0036] 图14为使用传统的单一材料磁芯的电抗器与图13的电抗器的感量-安阻图；
[0037] 图15为应用本发明的磁芯的电抗器再一实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0038] 以下将以附图及详细说明清楚说明本发明的精神，任何所属技术领域中具有通常 知识者在了解本发明的较佳实施例后，当可由本发明所教示的技术，加以改变及修饰，其并 不脱离本发明的精神与范围。
[0039] 因此，本发明便提出了一种采用混合材料的磁芯，当其应用于电抗器时，同时保留 平面叠片磁性材料体积小，饱和电流大的优势，并且尽量降低其绕组涡流损耗和磁芯涡流 损耗，并且兼具金属粉芯块体可以平衡轻重载感量的优点。
[0040] 参照图1，其为本发明的磁芯一实施例的不意图。磁芯100可以应用于电抗器中。 磁芯100包含有上轭部110、下轭部120以及至少两芯柱。上轭部110、下轭部120以及芯 柱构成一闭合磁路。上轭部110以及下轭部120是由多个平面叠片磁性材料140所制作而 成，芯柱的两端分别与上轭部110以及下轭部120连接。
[0041] 本实施例中两个芯柱均为第一芯柱130。第一芯