专利名称：一种各气隙平面沿磁芯柱交错布置的电感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于磁性元件的基本电气元件领域，特别涉及到功率电子高频磁性元件。
众所周知，现有的带磁芯的电感器元件，除了没有气隙结构的铁粉磁芯是由单一结构的磁芯组成的以外，其余的电感器磁芯都是由两个或两个以上的磁芯结构组成的，并通过各个磁芯的端面来构成有气隙的电感器，这就使得电感器有两个或两个以上的气隙。对现有的带气隙的电感器，这些气隙的端面平面在原理的考虑上，一般是处在各磁芯柱(或线圈的长边方向)的同一高度的平面上的。如果各个气隙的长度相同，则各个气隙的上端面是处于同一个平面，而下端面也是处于同一个平面。如果各个气隙的长度不完全相同，则各气隙的中线是处于同一个平面，或各气隙的上端面或者下端面是处于同一个平面。总之，从气隙布置上来说，电感器的各个气隙基本上是处于各磁芯柱同一个平面上的。这种电感器的气隙布置方式并不是很有利于减少电感器线圈损耗。现有的电感器，其气隙在磁芯柱上的位置或者是位于磁芯柱的中部，或者是位于磁芯柱的顶部。
虽然现在有的电感器气隙布置采用分布气隙结构，即将一个较大的集中气隙分散为若干个较小的分布气隙，以利于降低线圈的损耗。但这使得电感器的制造复杂很多。
电感器的气隙布置方式，对电感器的线圈损耗有很大的影响，这是因为气隙的布置方式会影响进入线圈窗口的磁通，而进入线圈窗口的磁通对线圈的涡流损耗有很大的影响，从而影响了线圈损耗，降低了电感器的性能。现有的带集中气隙的电感器的气隙布置方式，无论是EI型、EE型，UU型，UI型或具有气隙结构的其他形式，其各个气隙基本上是处在同一个平面上的，且这一平面是位于磁芯柱的中部或顶部。
本实用新型的目的是寻找一种电感器的新的气隙布置方式及对应的简单的磁芯结构形式，以降低进入线圈窗口的磁通，从而降低线圈的涡流损耗。
实现本实用新型的技术方案是电感器由两个或两个以上磁芯，两个或两个以上气隙以及一个线圈组成，磁芯和气隙组成了磁通回路，磁通回路与线圈交链，由于特殊的气隙布置方式和对应的磁芯结构，使得电感器中相邻两个磁芯柱上的气隙平面在磁芯柱上是位于不同平面上，气隙采用沿磁芯柱方向上的交错布置方式，各个磁芯柱的长短不一样，并错开一定的距离。
使电感器相邻两个磁芯柱上的气隙端面在磁芯柱(或线圈的长边)方向上错开一定的距离，而不是位于同一个平面上。如果磁芯柱上有两个以上的气隙，则各个气隙采用沿磁芯柱(或线圈的长边)方向上的交错布置方式。通过对气隙位置和错开距离的设计，可使进入线圈窗口内的磁场尽量降低。
本实用新型具有以下特点1、电感器相邻磁芯柱上的各气隙在沿磁芯柱(或线圈窗口的长边)的方向上，不是位于同一个平面上，而是有错开一定的距离。
2、设计各个气隙在磁芯柱上的位置和错开的距离，可以使相邻磁芯柱间的磁压尽量降低，从而降低线圈的损耗，提高电感器的性能。
3、与新的气隙布置方式相对应的新的磁芯结构形式，各相邻磁芯柱的长短相差明显。
4、以简单的磁芯结构和气隙布置方式，在不增加制造和工艺复杂性的情况下，降低了电感器的线圈损耗，提高了电感器的性能。
现结合附图并通过实施例进一步对本实用新型的结构情况加以说明图2是现有的电感器的气隙和磁芯结构。各个气隙的长度相同，各个气隙的上端面是处于同一个平面，而下端面也是处于同一个平面。
图3是现有的电感器的气隙和磁芯结构。虽然各个气隙的长度略有不同，但各个气隙的中心平面是位于同一个平面上。
图4是现有的气隙和磁芯结构。气隙的上端面位于同一个平面，但气隙长度略有不同。
图5是现有的具有分布气隙的电感器结构。虽然各个气隙不是位于同一个平面上，但是是位于同一个磁芯柱上。
图6是本实用新型的电感器磁芯结构。由两个不同形状的磁芯组成，气隙布置方式由中柱气隙和边柱气隙组成结构示意图。
图7是本实用新型的电感器磁芯结构。由两个相同形状的磁芯组成。气隙布置方式由中柱气隙和边柱气隙组成结构示意图。
图8是本实用新型的电感器。磁芯为低截面平板式结构，由多个磁芯组成的结构示意图。
图9是本实用新型的电感器。磁芯由两个相同形状的磁芯组成的结构示意图。
图10是本专利技术应用到具有分布气隙电感器的情况。
图11是本实用新型应用电磁场理论中的安培环路定律进行分析的示意图。
图12是本实用新型气隙布置方式下相邻磁芯柱间的磁压分布图图13是本实用新型气隙布置方式下相邻磁芯柱间的磁压分布图图14是本实用新型气隙布置方式下的低截面平板式电感器的磁压分布图图15是本实用新型气隙布置方式下的具分布气隙电感器的磁压分布图。
图16是EI结构磁芯已有的气隙布置方式下，磁芯柱间的磁压分布图图17是EE结构磁芯已有的气隙布置方式下，磁芯柱间的磁压分布图在图中，1为上部磁芯左边柱；2为上部磁芯磁轭；3为上部磁芯中柱；4为中柱间气隙；5为线圈；6为上部磁芯右边柱；7为右边柱气隙；8为下部磁芯右边柱；9为下部磁芯磁轭；10为下部磁芯中柱；11为下部磁芯左边柱；12为左边柱气隙；13为磁芯中磁通回路；14上部分布气隙；15分布气隙间磁芯柱；16下部分布气隙图2、图3和图4所示为前面背景技术部分所提到的图，在图2中，如果各个气隙的长度相同，则各个气隙的上端面是处于同一个平面，而下端面也是处于同一个平面。在图3中，如果各个气隙的长度不完全相同，则各气隙的中线是处于同一个平面。在图4中，各气隙的上端面或者下端面是处于同一个平面。
从气隙布置上来说，电感器的各个气隙基本上是处于各磁芯柱同一个平面上的。这种电感器的气隙布置方式并不利于电感器线圈损耗的降低。
图5所示为具有分布气隙的电感器结构。它的两个气隙都位于磁芯中柱上并平行。
图6所示结构的说明该电感器磁芯结构由两个不同形状的磁芯组成，磁芯的左右边柱高度相等，气隙布置方式由中柱气隙和边柱气隙组成。h1和h2分别表示两个气隙分别距磁轭的距离，hc为线圈窗口的高度。并且h1≠h2。如果要使得气隙的布置对线圈损耗的影响最小，应大约使h1=(1/4)*hc,h2=(3/4)*hc。
图7所示结构的说明该电感器磁芯结构由两个相同形状的磁芯组成，气隙布置方式由一个中柱气隙和两个边柱气隙组成。h1和h2分别表示两个气隙分别距磁轭的距离，hc为线圈窗口的高度。并且h1≠h2。如果要使得气隙的布置对线圈损耗的影响最小，应大约使h1＝(1/4)*hc,h2=(2/4)*hc。
图8所示结构的说明该电感器磁芯为低截面平板式结构，由三个磁芯组成。h1和h2分别表示气隙距磁轭的距离，hc为线圈窗口的宽度。并且h1≠h2。如果要使得气隙的布置对线圈损耗的影响最小，应大约使h1=(1/4)*hc,h2=(3/4)*hc。
图9所示结构的说明该电感器磁芯由两个相同形状的磁芯组成。h1和h2分别表示气隙距磁轭的距离，hc为线圈窗口的高度。并且h1≠h2。如果要使得气隙的布置对线圈损耗的影响最小，应大约使h1=(1/4)*hc,h2=(2/4)*hc。
图10所示结构的说明该电感器在磁芯中柱上具有两个分布气隙，边柱上具有一个气隙。边柱上的气隙与中柱上的任一个气隙不是位于一个平面上，而是与各个中柱气隙平面均交错开一定的距离。
图11为电磁场理论中的安培环路定律示意图。由于铁氧体磁芯中的磁导率很高，磁场强度H≈0，磁芯中的磁压降基本为零。与线圈安匝平衡的磁压降主要集中在气隙及线圈窗口中。设ab两点间的磁压降为U，则根据安培环路定律，选择如图所示的积分路径，可得U(h)+Ugi=IN/hc*h(h为积分环路中ab点离磁轭的高度，hc为线圈窗口高度。Ugi为气隙i的磁压降，基本由Ugi=(IN/Σlgi)*lgi决定，其中Σlgi为包围整个线圈的路径上的各个气隙的长度总和，lgi为气隙i长度。
根据安培环路定律，可得到磁芯柱间的磁压降沿线圈窗口高度上的分布图。设线圈窗口上的总激磁安匝为IN，且各个气隙的长度相同。随着高度h从磁轭开始增加，磁芯柱间的磁压在激磁磁势作用下由零逐渐上升，当到达第一个气隙时，由于该气隙的磁压降使得磁芯柱间的磁压降低，高度继续上升后，磁芯柱间的磁压在激磁磁势作用下继续上升，到达第二个气隙时，第二个气隙的磁压降又使得磁芯柱间的磁压降低，然后随着高度的上升，磁芯柱间的磁压继续上升，最后到达零。
对于不同的气隙布置方式，磁芯柱间的磁压沿线圈高度的分布不同，从而使得进入线圈窗口的磁场强度不同。磁芯柱间的磁压越大，进入线圈窗口的磁通也越大，从而使得线圈的这部分损耗增大。
图12为本专利气隙布置方式下磁芯柱间的磁压分布图。由此可见，磁芯柱间磁压的最大值为IN/4，磁压的绝对平均值为IN/8。
图13为本专利气隙布置方式下磁芯柱间的磁压分布图。磁芯柱间的最大值压为IN/2，磁压的绝对平均值为IN*(3/16)。
图14为低截面磁芯应用本专利技术后的结构形式。它的磁压最大值为IN/4，磁压的绝对平均值为IN/8。
图15为分布气隙电感器应用本专利技术后的结构形式及磁压分布图。相邻磁芯柱间的磁压最大值为IN/4。
图16为EI结构磁芯已有的气隙布置方式下，磁芯柱间的磁压分布图。磁芯柱间磁压的最大值为IN,磁压的绝对平均值为IN/2。
图17为EE结构磁芯已有的气隙布置方式下，磁芯柱间的磁压分布图。磁芯柱间磁压的最大值为IN/2，磁压的绝对平均值为IN/4。
磁芯由磁芯轭和磁芯柱组成，各个磁芯的对应的磁芯柱的端面之间由低导磁率且非导电的材料组成电感器的各个气隙。
磁芯上相邻的磁芯柱的高度h1,h2不等，由相邻磁芯柱端面组成的气隙是位于沿磁芯柱高度方向的不同平面上。
本实用新型提出了一种在制造和工艺上十分简单的，适用于有气隙和磁芯的电感器的新的气隙布置方式和对应的磁芯结构形式。使得相邻磁芯柱上的各气隙在沿磁芯柱(或线圈窗口的长边)的方向上，错开一定的距离。并通过设计各个气隙在磁芯柱上的位置和错开的距离，使相邻磁芯柱间的磁压尽量降低，从而使电感器的损耗降低，性能提高。本实用新型可用于通常用途电感器的设计和制造，更适合于功率电子电感器的设计和制造，通过对气隙位置和错开距离的设计，可使进入线圈窗口内的磁场尽量降低。
一种适用于电感器的新的气隙布置方式和对应的磁芯结构形式。通过设计各个气隙的位置，使得相邻磁芯柱上的各个气隙在沿磁芯柱(或线圈的长边)的方向上，不是如现有的气隙布置方式那样，位于同一个平面上，而是使相邻磁芯柱上的各个气隙错开一定的距离，不再位于同一个平面上。通过设计各个气隙在磁芯柱上的位置和错开的距离，可以有效地减小电感器线圈的损耗，从而提高电感器的性能。
本实用新型的效果通过理论分析计算和磁性元件电磁场数值仿真方法以及实验进行验证。在电感器工作频率为100千赫兹时，如果将本实用新型的线圈损耗设为1个单位(以图12结构为例)，则传统磁芯结构及其气隙布置方式(如图16的EI形结构和图17的EE形结构)的线圈损耗分别为本实用新型的线圈损耗的3.29和1.98倍。
权利要求1．一种各气隙平面沿相邻磁芯柱交错布置的电感器，其特征在于电感器由上部磁芯左边柱(1)、上部磁芯磁轭(2)、上部磁芯中柱(3)和上部磁芯右边柱(6)组成的磁芯与由下部磁芯右边柱(8)、下部磁芯磁轭(9)、下部磁芯中柱(10)和下部磁芯左边柱组成的磁芯，中柱间气隙(4)、右边柱气隙(7)和左边柱气隙(12)组成的两个或两个以上隙，以及一个线圈(5)组成，其中磁芯和气隙组成了磁通回路(13)，磁通回路(13)与线圈(5)交链，由于特殊的气隙布置方式和对应的磁芯结构，使得电感器中相邻两个磁芯柱上的气隙平面在磁芯柱上不是位于同一个平面上，气隙采用沿磁芯柱方向上的交错布置方式，各个磁芯柱的长短不一样，并错开一定的距离。
2．根据权利要求1所述的一种各气隙平面沿相邻磁芯柱交错布置的电感器，其特征在于两个或两个以上磁芯中的一个磁芯由磁芯轭(2)和由上部磁芯左边柱(1)、上部磁芯中柱(3)和上部磁芯中柱(6)组成，各个磁芯的对应的磁芯柱的端面之间由低导磁率且非导电的材料，组成电感器的中柱间气隙(4)、右边柱气隙(7)和左边柱气隙(12)。
3．根据权利要求1或2所述的一种各气隙平面沿相邻磁芯柱交错布置的电感器，其特征在于磁芯上相邻的磁芯柱的高度h1,h2不等。
专利摘要本实用新型公开了一种工艺制造简单的各气隙平面沿相邻磁芯柱交错布置的电感器,电感器由两个或两个以上磁芯,两个或两个以上气隙以及一个线圈组成,磁芯和气隙组成了磁通回路,磁通回路与线圈交链,电感器中由于特殊的气隙布置方式和对应的磁芯结构,使得相邻两个磁芯柱上的气隙平面在磁芯柱上不是位于同一个平面上,气隙采用沿磁芯柱方向上的交错布置方式,各个磁芯柱的长短不一样,并错开一定的距离。它具有有效降低电感器线圈损耗,提高电感器性能的特点。
文档编号H01F17/00GK2446641SQ0022157
公开日2001年9月5日 申请日期2000年8月26日 优先权日2000年8月26日
发明者陈为, 罗恒廉 申请人:福州大学