一种变压器和电感器的集成结构的制作方法
【专利摘要】本申请公开了变压器和电感器的集成结构，包括：日字形磁芯，由环形导磁体和中心柱导磁体所组成。中心柱两端均与环形导磁体相连接。环形导磁体有两根侧柱以中心柱呈对称分布，分别称为第一侧柱和第二侧柱。变压器初级线圈缠绕在磁芯的中心柱上。变压器次级线圈也缠绕在磁芯的中心柱上。电感器线圈，缠绕在磁芯的第一侧柱和第二侧柱上，分别称为电感器线圈的第一部分和第二部分；这两部分的缠绕匝数相同，缠绕方向相反。本申请在一个集成结构中使得变压器和电感器共用磁芯而不相互干扰，实现了两者的解耦。该集成结构既可以作为变压器，也可以作为电感器使用，也可同时作为变压器和电感，从而减小体积，降低成本，还能降低重量，减少材料的消耗。
【专利说明】一种变压器和电感器的集成结构
【技术领域】
[0001]本申请涉及一种新型的电子元件，既能作为变压器使用，又能作为电感器使用，还能同时作为变压器和电感器使用。
【背景技术】
[0002]变压器(transformer)是一种用来升高或降低交流电压的电子元件。请参阅图1,这是一个简单的双绕组变压器。在一个闭合磁芯(也称铁心)10上缠绕有初级线圈(也称原边绕组)11和次级线圈(也称副边绕组)12。当初级线圈11通过交流电流时，磁芯10中产生磁通量15，该磁通量15使得次级线圈12产生感应电流。
[0003]电感器(inductor)是一种当通过闭合回路的电流发生改变时，会产生感应电动势来抵抗电流改变的电子元件。请参阅图2，这是一个简单的电感器，在一个闭合磁芯20上缠绕有一组线圈21。当线圈21通过交流电流时，磁芯20中产生磁通量25。
[0004]变压器和电感器分别利用了互感(mutual inductance)和自感(self-1nductance)原理。它们作为基本电子元件的应用极为广泛，有些电路会同时用到变压器和电感器，可是两者都具有一定体积，因而需要占据一定空间，也需要各自的购置成本。
实用新型内容
[0005]本申请所要解决的技术问题是提供一种新型的电子元件，采用共用磁路的方法将变压器和电感器集成在一起。
[0006]为解决上述技术问题，本申请变压器和电感器的集成结构包括:
[0007]—“日”字形磁芯，由一个环形导磁体和一根中心柱所组成；所述中心柱也是导磁体，且两端均与所述环形导磁体相连接；所述环形导磁体有两根侧柱以中心柱呈对称分布，这两根侧柱分别称为第一侧柱和第二侧柱；
[0008]—变压器初级线圈，缠绕在磁芯的中心柱上；
[0009]—变压器次级线圈，也缠绕在磁芯的中心柱上；
[0010]—电感器线圈，缠绕在磁芯的第一侧柱和第二侧柱上，分别称为电感器线圈的第一部分和第二部分；这两部分的缠绕匝数相同，缠绕方向相反。
[0011]进一步地，电感器线圈的一端连接次级线圈的中心抽头，另一端对外引出。
[0012]进一步地，电感器线圈的两端均对外引出。
[0013]进一步地，所述磁芯、环形导磁体、中心柱或者是一整块结构，或者是多块结构拼接而成。
[0014]进一步地，在磁芯上设置一个或多个气隙，以避免磁芯产生磁饱和现象或控制电感量。
[0015]进一步地，所述环形导磁体为闭合形状，或者是在闭合形状的导磁体上设置有一个或多个气隙而形成的非闭合形状。[0016]本申请在一个集成结构中使得变压器和电感器共用磁芯而不相互干扰，实现了两者的解耦。该集成结构既可以作为变压器，也可以作为电感器使用，也可以同时工作，从而减小体积，降低成本，还能降低重量，减少材料的消耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是一种现有的变压器的结构示意图；
[0018]图2是一种现有的电感器的结构示意图；
[0019]图3a和图3b是本申请所采用的磁芯的两种结构示意图；
[0020]图4是本申请变压器和电感器的集成结构的第一实施例的示意图；
[0021]图5是本申请变压器和电感器的集成结构的第二实施例的示意图。
[0022]图中附图标记说明:
[0023]10为磁芯；11为初级线圈；12为次级线圈；15为磁通量；20为磁芯；21为线圈；25为磁通量；30为磁芯；31为中心柱；35为第一侧柱；36为第二侧柱；39为气隙；41为变压器初级线圈；42为变压器次级线圈；43为电感器线圈；45为变压器线圈产生的磁通量；46为电感器线圈产生的磁通量。
【具体实施方式】 [0024]请参阅图3a，这是本申请所采用的磁芯30的一种结构，由一个矩形导磁体和一根中心柱31所组成。所述矩形导磁体由四根直线形侧柱依次连接而成。所述中心柱31也是导磁体，其两端均与所述矩形导磁体相连接。该矩形导磁体有两根直线形侧柱35、36相对于中心柱31成对称分布，这两根直线形侧柱分别称为第一侧柱35和第二侧柱36。
[0025]请参阅图3b，这是本申请所采用的磁芯30的另一种结构，由一个圆形导磁体和一根中心柱31所组成。所述圆形导磁体由一根圆形侧柱围成。所述中心柱31也是导磁体，其两端均与所述圆形导磁体相连接，并将该圆形导磁体的一根圆形侧柱分割为两根半圆形侧柱。该圆形导磁体的两根半圆形侧柱35、36相对于中心柱31成对称分布,这两根半圆形侧柱分别称为第一侧柱35和第二侧柱36。
[0026]实际上，只要符合以下条件的“日”字型磁芯均可用于本申请:该磁芯由一个环形导磁体和一根中心柱所组成。所述中心柱也是导磁体，且两端均与所述环形导磁体相连接。环形导磁体相当于“日”字型磁芯的“ 口 “字型边框，中心柱相当于“日”字型磁芯的中间一横。所述环形导磁体有两根侧柱以中心柱呈对称分布，这两根侧柱分别称为第一侧柱和第二侧柱。
[0027]所述环形导磁体可以是闭合形状，也可以是在闭合形状的导磁体上设置有一个或多个气隙而形成的非闭合形状，只要在该环形导磁体上能形成闭合磁路即可。
[0028]所述磁芯、环形导磁体、中心柱均可以是一整块结构，也可以是多块结构拼接而成。当由多块结构拼接而成时，不同结构的材料可以相同或不同。例如图3a所示的“日”字型磁芯可以由两块E字型磁芯拼接而成，也可以由一块E字型磁芯和一块I字型磁芯拼接--? 。
[0029]请参阅图4，这是本申请变压器和电感器的集成结构的第一实施例。在磁芯30的中心柱31上缠绕有初级线圈41和次级线圈42，磁芯30与初级线圈41与次级线圈42之间两两绝缘。初级线圈41的两端为A点、B点。次级线圈42的两端为C点、D点。次级线圈42还具有中心抽头，该中心抽头到C点、D点的绕组匝数相等。在磁芯30的第一侧柱35和第二侧柱36上缠绕有电感器线圈43，电感器线圈43的一端E点连接次级线圈42的中心抽头，另一端为F点对外引出。磁芯30与电感器线圈43与初级线圈41之间两两绝缘。电感器线圈43在第一侧柱35、第二侧柱36上所缠绕部分分别称为电感器线圈43的第一部分、第二部分。电感器线圈43的这两部分缠绕匝数相同，缠绕方向相反。
[0030]请参阅图4，电感器线圈43的第一部分、第二部分缠绕方向相反是指:假设E点为电感器线圈43的起点，F点为终点，那么从图4自左向右观察，电感器线圈43在第一侧柱35上是顺时针缠绕，在第二侧柱36上是逆时针缠绕。任意改变电感器线圈43的起点、终点，或者改变为自右向左的观察方向，均可发现电感器线圈43的两部分的缠绕方向相反。
[0031]可选地,在图3b中，磁芯30的第一侧柱35、第二侧柱36上各有一个气隙39,这是为了避免在交流大信号或直流偏置下的磁饱和现象，更好地控制电感量。实际上，气隙的数量、位置都可以改变，也可以不设置气隙。
[0032]该第一实施例单独作为变压器使用时，电感器线圈43的引出端F点悬空。初级线圈41的引出端A点、B点之间施加交流电压，在初级线圈41中就通过了交流电流。该交流电流在磁芯30的中心柱31和第一侧柱35上形成闭合的磁通量45。该交流电流还在磁芯30的中心柱31和第二侧柱36上也形成闭合的磁通量45。此时的磁芯30上仅有变压器线圈产生的磁通量45。该磁通量45穿过次级线圈42，就在次级线圈42上互感应出电动势，从而在次级线圈42的引出端C点、D点之间生成感应电压。该磁通量45也穿过了电感器线圈43，缠绕在第一侧柱35上的电感器线圈43的第一部分也会互感应出第一电动势，缠绕在第二侧柱36上的电感器线圈43的第二部分也会互感应出第二电动势。由于电感器线圈43的第一部分与第二部分匝数相同、缠绕方向相反，因而第一电动势与第二电动势的大小相等，方向相反，最终串联相互抵消。因此可以认为变压器的初级线圈所产生的磁通量在电感器线圈上不会感应出电动势。
[0033]该第一实施例单独作为电感器使用时，初级线圈41的引出端A点、B点悬空，次级线圈42的引出端C点、D点也悬空。在电感器线圈43中通入交流电流。该交流电流在磁芯30的第一侧柱35和第二侧柱36上形成了闭合的磁通量46。此时的磁芯30上仅有电感器线圈产生的磁通量46。该磁通量46在电感器线圈43上自感应出电动势，从而使电感器线圈43成为一个电感器。缠绕在第一侧柱35上的电感器线圈43的第一部分会在磁芯30的中心柱31上形成第一磁通量，缠绕在第二侧柱36上的电感器线圈43的第二部分也会在磁芯30的中心柱31上形成第二磁通量。由于电感器线圈43的第一部分与第二部分匝数相同，缠绕方向相反，因而第一磁通量与第二磁通量的大小相等，方向相反，最终相互抵消，使得磁芯30的中心柱31上没有磁通量。那么缠绕在中心柱31上的初级线圈41、次级线圈42也就不会感应出电动势。
[0034]该第一实施例同时作为变压器和电感器使用时，初级线圈41的引出端A点、B点之间施加交流电压，在次级线圈42的引出端C点、D点之间生成感应电压。在电感器线圈43的引出端E点、F点之间施加交流电压。此时的磁芯30上同时具有变压器线圈产生的磁通量45、电感器线圈产生的磁通量46。与以上单独作为变压器、单独作为电感器使用时相同，变压器的初级线圈41所产生的磁通量45在电感器线圈43上不会感应出电动势，电感器的线圈43所生成的磁通量46在变压器初级线圈41和次级线圈42上也不会感应出电动势。即实现了该集成结构中变压器和电感器之间的解耦，两者同时工作互不影响。
[0035]请参阅图5，这是本申请变压器和电感器的集成结构的第二实施例。其与第一实施例的区别仅在于:电感器线圈43的两端E点、F点均对外引出，电感器线圈43不再连接次级线圈42。
[0036]与第一实施例相同，该第二实施例单独作为变压器、单独作为电感器、同时作为变压器和电感器使用时，变压器的初级线圈所产生的磁通量与电感器的线圈所生成的磁通量互不影响，即实现了该集成结构中变压器和电感器之间的解耦。
[0037]以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种变压器和电感器的集成结构，其特征是，包括: —“日”字形磁芯，由一个环形导磁体和一根中心柱所组成；所述中心柱也是导磁体，且两端均与所述环形导磁体相连接；所述环形导磁体有两根侧柱以中心柱呈对称分布，这两根侧柱分别称为第一侧柱和第二侧柱； —变压器初级线圈，缠绕在磁芯的中心柱上； ——变压器次级线圈，也缠绕在磁芯的中心柱上； —电感器线圈，缠绕在磁芯的第一侧柱和第二侧柱上，分别称为电感器线圈的第一部分和第二部分；这两部分的缠绕匝数相同，缠绕方向相反。
2.根据权利要求1所述的变压器和电感器的集成结构，其特征是，电感器线圈的一端连接次级线圈的中心抽头，另一端对外引出。
3.根据权利要求1所述的变压器和电感器的集成结构，其特征是，电感器线圈的两端均对外引出。
4.根据权利要求1所述的变压器和电感器的集成结构，其特征是，所述磁芯、环形导磁体、中心柱或者是一整块结构，或者是多块结构拼接而成。
5.根据权利要求1所述的变压器和电感器的集成结构，其特征是，在磁芯上设置一个或多个气隙，以避免磁芯产生磁饱和现象或控制电感量。
6.根据权利要求1所述的变压器和电感器的集成结构，其特征是，所述环形导磁体为闭合形状，或者是在闭合形状的导磁体上设置有一个或多个气隙而形成的非闭合形状。
【文档编号】H01F30/06GK203760297SQ201320883285
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】王鹏, 付登萌 申请人:联合汽车电子有限公司