混合磁路结构的制作方法

本实用新型主要涉及电子元器件领域，尤其涉及一种混合磁路结构。

背景技术：

磁性元件是储能、能量转换及电气隔离所必备的电力电子器件，是电力电子技术最重要的组成部分之一。通常，功率变换器中的功率磁性元件具有磁能传递、储能及滤波等功能，可以作为电感器、变压器、滤波器等，是必不可少的磁性元件。然而，功率磁性元件具有体积大、重量大、损耗大等特点。其体积及重量一般占到整个电路的20％至30％，损耗占总损耗的约30％。

磁集成技术是将多个分立的磁性元件从结构上集成在一起，从而减小磁性元件的体积、重量，还可以降低整体损耗，降低电流纹波，改善电源动态特性等，对变换器功率密度的提升和性能改善有重要的意义。

混合磁路主要指在磁路上有两种或两种以上磁性材料。目前应用较多的是磁粉芯、铁氧体、非晶材料的混合磁路，这样的磁路可结合磁粉芯、非晶材料的高饱和特性及铁氧体的低损耗特性，从而减小磁芯体积，降低电感整体损耗。然而现有的混合磁路集成电感体积和损耗依然较大，无法满足部分需求。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种混合磁路结构，以进一步降低磁芯的体积和损耗。

本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种混合磁路结构，用于混合磁路集成电感器，包括：多组线圈磁芯，每组线圈磁芯包括两个相互平行的磁芯柱，所述两个相互平行的磁芯柱适于缠绕一组线圈；共用磁芯，将所述多组线圈磁芯垂直隔开，并与相邻的两组线圈磁芯形成磁路；端磁芯，与端部的所述两组线圈磁芯分别形成磁路。

在本实用新型的一实施例中，所述共用磁芯的磁导率大于所述线圈磁芯和所述端磁芯的磁导率。

在本实用新型的一实施例中，所述共用磁芯的材料为铁氧体材料。

在本实用新型的一实施例中，所述线圈磁芯与所述共用磁芯固定连接，和/或所述线圈磁芯与所述端磁芯固定连接。

在本实用新型的一实施例中，所述固定连接为粘接。

在本实用新型的一实施例中，所述线圈磁芯与所述共用磁芯之间具有气隙，和/或所述线圈磁芯与所述端磁芯之间具有气隙。

在本实用新型的一实施例中，所述气隙小于1mm。

在本实用新型的一实施例中，所述线圈磁芯、所述共用磁芯和所述端磁芯由三种不同的材料制成。

在本实用新型的一实施例中，所述磁芯柱为椭圆柱、圆柱或多棱柱。

在本实用新型的一实施例中，所述磁芯柱由多节磁性材料粘接组成。

本实用新型的混合磁路结构由于采用共用磁芯，使根据该混合磁路结构绕制而成的电感器中相邻电感的磁通在共用磁芯上可以相互抵消，一方面可以不用担心由于磁阻下降带来的磁芯饱和问题，尽可能的减小共用磁芯的体积，另一方面还可以降低了磁芯的损耗及成本；根据该共用磁芯绕制而成的电感器，由于共用磁芯的磁导率大于磁芯柱和端磁芯的磁导率，可以减少各个磁芯组件之间的漏磁，并提高电感器中相邻电感之间的耦合效果，使相邻电感之间的共用磁芯上的磁通抵消的更加充分。

附图说明

为让本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明，其中：

图1是本实用新型一实施例的用于混合磁路集成电感器的混合磁路结构的立体结构示意图；

图2是本实用新型一实施例的混合磁路结构的立体爆炸示意图；

图3是本实用新型一实施例的混合磁路集成电感器的示意图；

图4是本实用新型一实施例的混合磁路集成电感器中的线圈的结构示意图；

图5是本实用新型一实施例的混合磁路集成电感器的立体剖视示意图；

图6是本实用新型一实施例的混合磁路集成电感器的剖视示意图。

具体实施方式

为让本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本申请的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

在详述本申请实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本申请保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。例如，如果翻转附图中的器件，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”或“下面”的元件的方向将改为在所述其他元件或特征的“上方”。因而，示例性的词语“下方”和“下面”能够包含上和下两个方向。器件也可能具有其他朝向(旋转90度或处于其他方向)，因此应相应地解释此处使用的空间关系描述词。此外，还将理解，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

图1是本实用新型一实施例的用于混合磁路集成电感器的混合磁路结构的立体结构示意图。参考图1所示，该实施例的混合磁路结构100包括多组线圈磁芯、共用磁芯120和端磁芯130。其中，每组线圈磁芯包括两个相互平行的磁芯柱110，该两个相互平行的磁芯柱110适于缠绕一组线圈。共用磁芯120位于两组线圈磁芯的中间位置，用于将多组线圈磁芯垂直隔开，并与相邻的两组线圈磁芯形成磁路。

如图1所示，该实施例的混合磁路结构100中包括两组线圈磁芯，每组线圈磁芯中都包括两个相互平行的磁芯柱110。两个相互平行的磁芯柱110之间具有空隙。当在磁芯柱110上缠绕线圈时，会使两个相互平行的磁芯柱110之间的空隙缩小。

如图1所示，一个共用磁芯120位于两组线圈磁芯之间，将两组线圈磁芯隔开。该共用磁芯120为具有一定厚度的平板状，位于其两端的两个侧面121(图中示出一侧)与磁芯柱110垂直，并且侧面121的面积大于两个磁芯柱110的横截面积，从而可以使两个相互平行的磁芯柱110固定在共用磁芯120的侧面121上。

如图1所示，两个端磁芯130分别位于该实施例的混合磁路结构100的两端。端磁芯130为与共用磁芯120的形状类似的具有一定厚度的平板状。每组线圈磁芯都位于一个共用磁芯120和一个端磁芯130之间。与共用磁芯120的侧面121类似的，端磁芯130与两个磁芯柱110相连接的侧面131的面积也大于两个磁芯柱110的横截面积，以使两个相互平行的磁芯柱110可以固定在该侧面131上。

在某些电路场合中，例如光伏逆变器的升压电路，变频空调、ups以及其他各种高频开关电源中的pfc(powerfactorcorrect，功率因数校正)电路中，为了提高电源的效率和降低成本，往往采用一种双路交错的并联电路拓扑。在这种电路中需要使用两只完全相同的独立电感作为电路工作的储能元件

根据图1所示的混合磁路结构，由于其具有两组线圈磁芯，可以经过绕制形成两只完全相同的独立电感。在对经过线圈缠绕之后的两个独立电感进行通电之后，电流方向如图1中的箭头方向所示，此时，共用磁芯120分别与其两侧的线圈磁芯和端磁芯130形成两个磁路，该两个磁路在共用磁芯120上所产生的磁通可以相互抵消，从而降低了混合磁路结构100的损耗。

可以理解的是，本实用新型中的混合磁路结构具有多组线圈磁芯，并不局限于图1所示的两组。当该混合磁路结构具有多于两组的线圈磁芯时，即可以经过缠绕线圈而形成多个完全相同的独立电感。在具有多于两组线圈磁芯的实施例中，每两组线圈磁芯之间都具有共用磁芯120，即该实施例的混合磁路结构中包括多个共用磁芯120。例如，假设混合磁路结构中具有n组线圈磁芯，n≥2，则该混合磁路结构中具有n-1个共用磁芯120以及两个端磁芯130。

图2是本实用新型一实施例的混合磁路结构的立体爆炸示意图。结合图1和图2所示，在该实施例中，每组线圈磁芯中的两个磁芯柱110都为椭圆柱形。在本实用新型的实施例中，两个相互平行的磁芯柱110主要为柱状结构，以便于在实际的应用中用于缠绕线圈。在其他的实施例中，磁芯柱110还可以是圆柱或多棱柱等形状。

在一些实施例中，磁芯柱110还可以是由多节磁性材料粘接组成的。由于工艺的限制，磁性材料可以形成的柱状物的长度是有限的。因此，当所需的磁芯柱110具有较长的长度时，可以根据实际的需要，由多节磁性材料粘接组成该磁芯柱110。如图1和图2所示，在一个磁芯柱110的中间沿着椭圆柱的圆周具有一条环绕该圆周的分割线，表示该磁芯柱110是由两节磁性材料粘接组成的。

在该实施例中，共用磁芯120为具有一定厚度的八边形平板磁芯，其通过侧面121与位于其两端的线圈磁芯相连接。在其他的实施例中，共用磁芯120还可以是其他形状的平板磁芯，例如六边形、椭圆形、圆形、菱形、矩形等。根据实际应用的需要，可以调整共用磁芯120的厚度。从理论分析及降低成本和损耗的角度来考虑，共用磁芯120的厚度越小越好。同理，共用磁芯120的尺寸，即侧面121的面积，也可以在满足实际需要的情况下尽量小。

参考图1和图2所示，端磁芯130为与共用磁芯120相同的具有一定厚度的八边形平板磁芯，其通过侧面131与位于其内侧的线圈磁芯相连接。在其他的实施例中，端磁芯130还可以是其他形状的平板磁芯，例如六边形、椭圆形、圆形、菱形、矩形等。需要说明的是，在同一个混合磁路结构100中，端磁芯130和共用磁芯120可以具有相同形状和/或厚度，也可以具有不同的形状和/或厚度。在图1和图2所示的实施例中，端磁芯130和共用磁芯120的形状相同，共用磁芯120的厚度大于端磁芯130的厚度。

在本实用新型的实施例中，设共用磁芯120的磁导率为μ1，组成线圈磁芯的磁芯柱110的磁导率为μ2，端磁芯130的磁导率为μ3。则在图1和图2所示的实施例中，μ1>μ2，并且μ1>μ3。也就是说，在形成混合磁路结构100的所有磁性材料中，共用磁芯120的磁导率μ1最大。在本实用新型的优选实施例中，共用磁芯120的材料为铁氧体材料，这种材料具有较高的磁导率和低损耗特性。

在本实用新型的实施例中，磁芯柱110和端磁芯130的材料可以是不同磁导率的铁硅、铁硅铝或非晶磁粉芯材料等，可以是具有高饱和特性的材料。在一些实施例中，对μ2和μ3大小关系不做特殊限制。在优选实施例中，μ1>μ3>μ2。

在一些实施例中，磁芯柱110、共用磁芯120和端磁芯130分别采用三种不同的材料制成。例如，共用磁芯120采用铁氧体材料，磁芯柱110采用磁导率小于共用磁芯120的铁硅铝材料，端磁芯130采用磁导率小于共用磁芯120的非晶铁粉芯材料等。

在本实用新型实施例的混合磁路结构100中，由于采用了两种及两种以上的磁性材料从而形成了混合磁路，有利于减小磁芯的体积和降低电感的整体损耗及成本。

在本实用新型的实施例中，线圈磁芯中的磁芯柱110与共用磁芯120之间固定连接，和/或线圈磁芯中的磁芯柱110与端磁芯130之间固定连接。也就是说，在一些实施例中，磁芯柱110与共用磁芯120之间固定连接，并且磁芯柱110与端磁芯130之间也固定连接；在另一些实施例中，可以是磁芯柱110与共用磁芯120之间固定连接，而磁芯柱110与端磁芯130之间没有固定连接，或者磁芯柱110与共用磁芯120之间没有固定连接，而磁芯柱110与端磁芯130之间固定连接。

这里的固定连接的方式可以是粘接，例如用高温胶水粘接固定。在进行该固定连接时，可以通过特定的骨架，将磁芯柱110、共用磁芯120和端磁芯130保持在固定的相对位置上，再利用高温胶水将磁芯柱110的一个端面和共用磁芯120面向该磁芯柱110的侧面121粘接起来，以及将磁芯柱110的另一个端面和端磁芯130面向该磁芯柱110的侧面131粘接起来。在这些实施例中，磁芯柱110的一个端面与共用磁芯120的侧面121之间没有间隙，磁芯柱110的另一个端面与端磁芯130的侧面131之间也没有间隙。

这里没有固定连接的方式可以是可拆卸的连接方式，例如通过卡合等机械的方式可拆卸的连接。例如，在磁芯柱110和共用磁芯120相连接的端面处设置卡合结构，在磁芯柱110的端面处设置凹槽，在共用磁芯120的侧面121处设置凸起，使二者可以以卡合的方式连接。当磁芯柱110和共用磁芯120连接之后，其连接关系是牢固的，并且可拆卸的。

在其他的实施例中，在线圈磁芯与共用磁芯120之间可以具有间隙，该间隙可以是例如气隙，和/或线圈磁芯与端磁芯130之间可以具有间隙，该间隙可以是例如气隙。具体地，线圈磁芯与共用磁芯120之间的气隙位于磁芯柱110的一个端面和共用磁芯120面向该磁芯柱110的侧面121之间，线圈磁芯与端磁芯130之间的气隙位于磁芯柱110的另一个端面和端磁芯130面向该磁芯柱110的侧面131之间。

在一些实施例中，该气隙的宽度小于1mm。该气隙的宽度可以进行调节，从而使根据该混合磁路结构100所形成的电感具有不同的电感量。可以通过在相邻磁芯的接触面之间插入不同厚度的气隙片，以此产生不同宽度的气隙。该气隙片可以由片状非磁性材料构成，例如fr4材料等。

图3是本实用新型一实施例的混合磁路集成电感器的示意图。参考图3所示，该实施例的混合磁路集成电感器300包括线圈310，以及图1和图2所示的混合磁路结构100。其中，该混合磁路结构100包括多组线圈磁芯、共用磁芯120和端磁芯130。其中，每组线圈磁芯包括两个相互平行的磁芯柱110，该两个相互平行的磁芯柱110适于缠绕一组线圈。共用磁芯120位于两组线圈磁芯的中间位置，用于将多组线圈磁芯垂直隔开，并与相邻的两组线圈磁芯形成磁路。

在本实用新型的实施例中，对于混合磁路结构100中的一组线圈磁芯来说，使用绕线缠绕在相互平行的两个磁芯柱110上，从而形成了线圈310。该线圈310和其所缠绕的线圈磁芯一起构成一个电感。该电感中包括两个磁芯柱110、共用磁芯120和一个端磁芯130。在图3所示的实施例中，形成线圈310的绕线可以是圆形漆包铜线。在其他的实施例中，该绕线还可以是扁平线，该绕线的材料可以是立瓷或铝，相应的形成线圈310的绕线可以是立瓷线或铝线。

在图3所示的实施例中，由于该混合磁路结构100包括两组线圈磁芯，因此包括两个线圈101，经过绕线缠绕之后可以获得两只电感。这两只独立的电感通过共用磁芯120集成在一起。当两组线圈磁芯的大小、结构都相同，并且该混合磁路结构100两端的端磁芯130也相同时，根据相同的绕线方式所形成的两只独立的电感的性能也是相同的。在其他的实施例中，该混合磁路集成电感器中所包括的两只独立的电感也可以采用不同的绕线方式来获得不同的性能。

在形成该实施例的混合磁路集成电感器的过程中，首先可以对线圈磁芯进行线圈的绕制，将绕线缠绕在磁芯柱110上；然后再通过骨架将绕制好的磁芯柱110、共用磁芯120和端磁芯130保持相对位置，使磁芯柱110的一个端面与共用磁芯120的侧面121完全接触，使磁芯柱110的另一个端面与端磁芯130的侧面131完全接触，并用高温胶水粘接固定。

在图3所示的实施例中，在线圈磁芯与共用磁芯120之间，和/或线圈磁芯与端磁芯130之间可以具有气隙。可以通过调节该气隙的宽度来得到不同的电感量。还可以根据需要来设置混合磁路集成电感器中的磁芯柱110、共用磁芯120、和端磁芯130的磁性材料，以达到所需的整体电感量的要求。

参考图3所示，该实施例的混合磁路集成电感器中还包括两个引出端320，分别用于在电路中与其他元件连接。例如，该混合磁路集成电感器可以通过两个引出端320插在电路板上。其中，每个引出端320中都包括两根引出端子，一根引出端子由缠绕在一组线圈磁芯中的一个磁芯柱110上的绕线引出，另一根引出端子由缠绕在一组线圈磁芯中的另一个磁芯柱110上的绕线引出。

图3所示的混合磁路集成电感器300为扁平结构。这样的结构有利于磁芯损耗及线圈损耗产生的热量的散发，可以降低电感整体的温升，并且具有进一步降低电感器成本的优势。在图3中标示出了三个相互垂直的方向，分别是方向x、方向y和方向z。其中，方向x表示该混合磁路集成电感器300的长度方向，一组线圈磁芯中的两个磁芯柱110分别平行于该方向x且相互平行；方向y表示混合磁路集成电感器300的宽度方向，在进行线圈310的绕线时即沿着方向y在磁芯柱110上进行绕线；方向y表示混合磁路集成电感器300的高度方向。该混合磁路集成电感器300的长度明显大于其高度，从而构成扁平结构。

图4是本实用新型一实施例的混合磁路集成电感器中的线圈的结构示意图。图4示出了独立于磁芯柱110而存在的线圈400的结构。可以理解的是，在实际应用中，线圈400需要缠绕在磁芯柱110上。参考图4所示，该线圈400由绕线绕制而成的两个子线圈410组成，该两个子线圈410组合在一起呈八字状，在两个子线圈410之间具有一过渡面420。两个子线圈410分别对应于一组线圈磁芯中的两个磁芯柱110。

在本实用新型的实施例中，线圈400的绕制采用多层立式的绕线方式绕制在一组线圈磁芯中的两个磁芯柱110上。在图4所示的实施例中，每个子线圈410中都包括了两层绕线，该两层绕线以层叠的方式绕制在磁芯柱110上。参考图4所示，靠近磁芯柱110的内层绕线的周长小于其外层绕线的周长。在两个子线圈410之间，绕线的过渡面420为一平面，该平面包括一层绕线。在优选的实施例中，一组线圈磁芯的绕线由同一根绕线来完成。

在其他的实施例中，每个子线圈410中可以包括多层绕线，不局限于图4所示的两层。

图5是本实用新型一实施例的混合磁路集成电感器的立体剖视示意图。

图5是将该实施例的混合磁路集成电感器在其一半高度的位置沿着图3中所示的方向y剖开，所显示的为该混合磁路集成电感器的下半部分的结构。参考图5所示，该实施例的混合磁路集成电感器中包括两个独立的电感，分别由经过绕线的一组线圈磁芯以及位于其两端的共用磁芯120和端磁芯130组成。如图5所示，每组线圈磁芯中的两个相互平行的磁芯柱110上缠绕有子线圈410。和图4所示类似地，该子线圈410包括两层绕线。其中，靠近磁芯柱110的内层绕线的圈数少于其外层绕线的圈数。

本实用新型采用多层立式的绕线方式，有利于减小所需磁芯的体积，从而在整体上减小电感器的尺寸。

图6是本实用新型一实施例的混合磁路集成电感器的剖视示意图。图6是在一个磁芯柱110的中央位置，沿着图3中所示的方向x将该实施例的混合磁路集成电感器剖开，所显示的该混合磁路集成电感器的剖视结构。参考图6所示，该混合磁路集成电感器中包括两个独立的电感，分别由经过绕线的一组线圈磁芯以及位于其两端的共用磁芯120和端磁芯130组成。如图6所示，每组线圈磁芯中的磁芯柱110上缠绕有子线圈410。和图4所示类似地，该子线圈410包括两层绕线。其中，靠近磁芯柱110的内层绕线的圈数少于其外层绕线的圈数。在每个子线圈410的外周上还包括一个引出端320，该引出端320与子线圈410相接触，用于电感器与其他的元件连接。

根据本实用新型的混合磁路结构100经过绕线绕制而成的混合磁路集成电感器，一方面，由于其所包括的共用磁芯120的磁导率μ1大于磁芯柱110的磁导率μ2和端磁芯130的磁导率μ3，可以减少磁芯柱110和共用磁芯120之间的漏磁，从而降低漏磁产生的线圈涡流损耗，并且，可以提高位于共用磁芯120两侧的两组子线圈410的耦合效果，使两组子线圈410在共用磁芯120上的磁通抵消的更加充分。另一方面，当端磁芯130的磁导率μ3大于磁芯柱110的磁导率μ2时，可以有效的降低绕组线圈400在与混合磁路结构100的接触面处产生的漏磁；再者，该混合磁路集成电感器中的共用磁芯120采用具有高磁导率的铁氧体材料，由于磁通在共用磁路上相互抵消，因此无需担心磁阻下降带来的铁氧体磁芯的饱和问题，因此共用磁芯120的尺寸在满足其他条件下可以尽量小，从而可以减小电感器的整体体积。

可以理解的是，本实用新型的混合磁路结构可以包括多于两组的线圈磁芯，相应地，本实用新型的混合磁路集成电感器中也可以包括多于两个的独立电感。

本实用新型将原先独立的多只电感利用共用磁路的方式集成在一起，在通电励磁工作时，相邻的两个电感所产生的磁通在共用磁芯120上相互抵消，可以降低磁芯的损耗；本实用新型采用混合磁路，结合了非晶磁粉芯等的高饱和特性和铁氧体的低损耗特性，可以减小磁芯体积，从而进一步的减小电感器的体积，并降低电感整体损耗和成本；本实用新型采用多层立式的绕线方式形成电感器中的线圈，进一步的减小了所需磁芯的体积。

除非权利要求中明确说明，本申请所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本申请流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的实用新型实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本申请实施例实质和范围的修正和等价组合。

本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个申请实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

虽然本实用新型已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，在没有脱离本实用新型精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本实用新型的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。