集成磁元件装置以及变换器的制作方法

1.本申请涉及磁元件技术领域，尤其是涉及一种集成磁元件装置以及变换器。


背景技术：

2.随着产业的发展和能源消耗的增加，为了实现低碳排放、高效节能等目的，对电力电子变换器其效率和功率密度要求不断提高。电力电子变换器中通常磁元件的体积占比超过30%，其损耗占比可达50%，其中电感和变压器是构成磁元件的主体部分，因而成为制约电力电子变换器效率和功率密度的主要因素之一，又利用磁元件可进行磁集成的性质，大幅减小了磁元件体积。
3.目前，通过电感和变压器两个磁元件进行高度磁集成，会导致磁芯外侧空气中产生严重的漏磁通，降低电路效率，干扰其他电路元件正常工作。


技术实现要素：

4.本申请的目的在于提供一种集成磁元件装置以及变换器，以缓解磁芯外侧扩散漏磁通过大的技术问题。
5.第一方面，本申请实施例提供了一种集成磁元件装置，包括：原副边绕组和磁芯；所述原副边绕组围绕设置于所述磁芯上，所述原副边绕组用于为变压器以及电感提供绕组；所述磁芯的窗口外侧处的所述原副边绕组的耦合程度高于预设耦合程度；所述磁芯的窗口内侧处的所述原副边绕组的耦合程度低于所述预设耦合程度。
6.在一个可能的实现中，所述磁芯的窗口外侧处的所述原副边绕组围绕所述磁芯的设置交错程度，大于预设交错程度，以减小所述磁芯对外扩散漏磁通。
7.在一个可能的实现中，所述磁芯的窗口内侧处的所述原副边绕组围绕所述磁芯的设置交错程度，小于所述预设交错程度，以增大所述磁芯的窗口内侧的漏磁通。
8.在一个可能的实现中，所述磁芯的窗口外侧处对应的所述设置交错程度以及所述磁芯的窗口内侧处对应的所述设置交错程度，是根据所述原副边绕组的绕线长度和所述磁芯的内侧外侧漏磁通数值确定。
9.在一个可能的实现中，在所述磁芯的窗口内侧处的所述原副边绕组之间，插入设置有额外磁柱，以增大所述磁芯的窗口内侧的漏磁通。
10.在一个可能的实现中，所述额外磁柱在所述磁芯的窗口内侧处的位置以及数量，是根据所述原副边绕组的绕线长度和所述磁芯的内侧外侧漏磁通数值确定。
11.在一个可能的实现中，所述原副边绕组围绕所述磁芯的绕制形式，以及所述额外磁柱在所述磁芯的窗口内侧处的设置插入形式，是根据所述磁芯的结构确定，以减小所述绕组的绕线长度。
12.在一个可能的实现中，所述变压器的主磁路为e型磁芯结构。
13.在一个可能的实现中，所述原副边绕组围绕所述主磁路的绕制形式，以及所述额
外磁柱在所述主磁路的窗口内侧处的设置插入形式，是根据所述e型磁芯结构确定。
14.第二方面，本申请实施例还提供一种变换器，包括：目标变压器、目标电感以及如上述第一方面所述的集成磁元件装置；所述集成磁元件装置中的原副边绕组为所述目标变压器的绕组以及所述目标电感的绕组。
15.本申请实施例提供的技术方案带来了以下有益效果：本申请实施例提供的一种集成磁元件装置以及变换器，包括：原副边绕组和磁芯；其中，原副边绕组围绕设置于磁芯上，原副边绕组用于为变压器以及电感提供绕组；磁芯的窗口外侧处的原副边绕组的耦合程度高于预设耦合程度；磁芯的窗口内侧处的原副边绕组的耦合程度低于预设耦合程度。由于设置在磁芯的窗口外侧和内侧处的原副边绕组的耦合程度不一致，可以减小窗口外侧漏磁，同时在窗口内侧构造更大的漏感。因此，通过调整窗口内外侧的原副边绕组的耦合程度，能够有效减少窗口外侧漏磁并有效节省磁元件物料成本、减小磁元件体积，缓解了磁芯外侧扩散漏磁通过大的技术问题。
附图说明
16.为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，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获得其他的附图。
17.图1为本申请实施例提供的一种集成磁元件装置的结构示意图；图2为本申请实施例提供的一种集成磁元件装置的另一剖面结构示意图；图3为本申请实施例提供的一种集成磁元件装置的窗口内外侧原副边绕组耦合度可调整的集成磁结构示意图；图4为本申请实施例提供的一种集成磁元件装置的另一结构示意图；图5为本申请实施例提供的一种集成磁元件装置的可改变插入磁柱方式的集成磁结构示意图；图6为本申请实施例提供的一种集成磁元件装置的使用e型磁芯的集成磁结构示意图。
具体实施方式
18.为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
19.本申请实施例中所提到的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括其他没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
20.在电力电子变换器中，通常磁元件的体积占比超过30%，损耗占比可达50%，是影响
变换器效率和功率密度的重要因素之一。其中，电感和变压器是磁元件的主体部分，两者可以进行磁集成，能够大幅减小磁元件的体积，提高效率。漏感可以作为储能电感，当漏感足够大时可以完全取代外置电感，实现高度磁集成。
21.目前，一种技术路线是把原副边绕组分开，通过增大绕组间距来增大漏感；另一种技术路线是将绕组保持一定程度的交错，通过添加额外磁柱来增大漏感，但是两种技术路线都会导致磁芯外侧空气中产生严重的漏磁通。
22.基于此，本申请实施例提供的一种集成磁元件装置以及变换器，缓解了磁芯外侧扩散漏磁通过大的技术问题。
23.为便于对本实施例进行理解，首先对本申请实施例所公开的一种集成磁元件装置进行详细介绍。
24.图1为本申请实施例提供的一种集成磁元件装置的结构示意图。如图1所示，该装置包括：原副边绕组和磁芯，原副边绕组围绕设置于磁芯上，原副边绕组用于为变压器以及电感提供绕组。其中，磁芯的窗口外侧处的原副边绕组（如窗口外侧绕组1和窗口外侧绕组2）的耦合程度高于预设耦合程度，磁芯的窗口内侧处的原副边绕组的耦合程度低于预设耦合程度。
25.需要说明的是，原副边绕组包含原边绕组和副边绕组，其既充当变压器绕组又充当电感绕组。预设耦合程度是根据当前变换器所需电感值，可以提前预设的目标耦合程度。
26.例如，作为对比，如图2所示，为磁芯的窗口内外侧绕组耦合度一致的集成磁元件剖面图。如图1所示，为磁芯的窗口内外侧绕组耦合度不一致的集成磁元件。由于窗口外侧处的原副边绕组（如窗口外侧绕组1和窗口外侧绕组2）耦合程度高，既有利于减小漏磁，又有利于绕组的交流系数；窗口内侧处的原副边绕组耦合程度低，有利于构造更大的漏感。
27.因此，通过构造磁芯的窗口内、外侧原副边绕组耦合程度不一致的集成磁结构，以使窗口外侧处的原副边绕组的耦合程度高于预设耦合程度，窗口内侧处的原副边绕组的耦合程度低于预设耦合程度，能够减小磁元件对外侧扩散漏磁通，减少了损耗，提升了整体效率和功率密度。
28.下面对本发明实施例进行进一步地介绍。
29.在一些实施例中，改变绕组的交错程度可以改变绕组的耦合程度，同时磁芯的窗口内外侧处设置不同的交错程度。基于此，磁芯的窗口外侧处的原副边绕组围绕磁芯的设置交错程度，大于预设交错程度，以减小磁芯对外扩散漏磁通。
30.例如，如图1所示，原副边绕组充分的交错绕制在磁芯上，实现了窗口外侧处绕组（如窗口外侧绕组1和窗口外侧绕组2）的高耦合度。因此，通过改变原副边绕组的交错程度，实现窗口内外侧绕组耦合程度的不一致，窗口外侧处绕组的高耦合度能够减小磁芯对外侧扩散漏磁通的影响。
31.在一些实施例中，改变绕组的交错程度可以改变绕组的耦合程度，使得磁芯的窗口内外侧处具有不同的交错程度。基于此，磁芯的窗口内侧处的原副边绕组围绕磁芯的设置交错程度，小于预设交错程度，以增大磁芯的窗口内侧的漏磁通。
32.例如，如图1所示，原副边绕组不充分的交错绕制在磁芯上，实现了窗口内侧处绕组的低耦合度。由于窗口内侧处原副边绕组的耦合程度低，可以构造大的漏感，增大磁芯的窗口内侧的漏磁通。因此，通过改变窗口内侧处的原副边绕组的交错程度，增大磁芯的窗口
内侧的漏磁通，提升了磁元件整体效率。
33.基于此，设置交错程度是根据原副边绕组和磁芯的参数确定的。示例性的，磁芯的窗口外侧处对应的设置交错程度以及磁芯的窗口内侧处对应的设置交错程度，是根据原副边绕组的绕线长度和磁芯的内侧外侧漏磁通数值确定。
34.需要说明的是，原副边绕组的绕线长度和磁芯的内侧外侧漏磁通数值影响原副边绕组的交错程度。例如，如图3所示，绕线匝数越多，绕线长度越长，同时折衷优化了磁芯窗口内外侧的原副边绕组的交错程度，可以影响磁元件的体积大小和整体效率。
35.因此，通过原副边绕组的绕线长度和磁芯的内侧外侧漏磁通数值确定原副边绕组的交错程度，能够有效减小磁元件的整体体积，提高整体功率密度。
36.在一些实施例中，通过额外插入磁柱增大漏磁通。作为一个示例，在磁芯的窗口内侧处的原副边绕组之间，插入设置有额外磁柱，以增大磁芯的窗口内侧的漏磁通。
37.例如，如图3和图4所示，窗口内侧处的原副边绕组之间额外插入磁柱。因此，通过额外插入磁柱的方式构造额外漏磁路，能够在有限的体积内构造更多的漏感，增大了窗口内侧的漏磁通。
38.基于此，设置额外磁柱的位置及数量是根据原副边绕组和磁芯的参数确定的。示例性的，额外磁柱在磁芯的窗口内侧处的位置以及数量，是根据原副边绕组的绕线长度和磁芯的内侧外侧漏磁通数值确定。
39.需要说明的是，原副边绕组的绕线长度和磁芯的内侧外侧漏磁通数值影响设置额外磁柱的位置及数量。例如，如图3所示，额外添加的磁柱数量越多，能够实现更高的整体效率和功率密度。
40.因此，根据实际需求，确定设置额外磁柱的位置及数量，能够有效减小磁元件的整体体积，提高整体电路的可靠性。
41.在一些实施例中，可以根据实际场合调整磁芯和额外磁柱的参数。作为一个示例，原副边绕组围绕磁芯的绕制形式以及额外磁柱在磁芯的窗口内侧处的设置插入形式是根据磁芯的结构确定的，用来减小所述绕组的绕线长度。
42.例如，如图5所示，对插入的磁柱形式及绕组的绕线形式进行优化，可减小绕组绕线长度。因此，根据实际需求可以调整窗口内外侧绕组的交错程度，改变窗口内插入磁柱的位置、数目等，可以调整漏感的大小，满足整体效率和尺寸的要求，提高了实际应用的灵活性。
43.在一些实施例中，变压器的主磁路可以为特定结构。作为一个示例，变压器的主磁路为e型磁芯结构。其中，e型磁芯为一般变压器使用的磁芯形状。例如，如图6所示，变压器的主磁路使用e型磁芯的结构。
44.基于此，可以根据实际需要，改变主磁路的绕制形式和额外磁柱的插入方式。示例性的，原副边绕组围绕主磁路的绕制形式，以及额外磁柱在主磁路的窗口内侧处的设置插入形式，是根据e型磁芯结构确定。
45.通过对插入的额外磁柱和绕组的绕制方式进行相应的改变，使得构造为窗口外侧的原副边绕组（如窗口外侧绕组1和窗口外侧绕组2）良好耦合，窗口内侧的原副边绕组弱耦合的结构，同时也能够调整漏感的大小。因此，变压器保持了一定程度的绕组交错，减小了磁芯外侧空气中的漏磁通，同时提高了变换器效率和功率密度。
46.本申请实施例提供的一种变换器，该变换器包括：目标变压器、目标电感以及上述实施例提供的集成磁元件装置。其中，集成磁元件装置中的原副边绕组为目标变压器的绕组以及目标电感的绕组。
47.本申请实施例提供的一种变换器，与上述实施例提供的一种集成磁元件装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
48.另外，在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
49.在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
50.本申请实施例中的控制器可以是处理器的形式，该处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述各功能可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，简称cpu)、网络处理器(network processor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processing，简称dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)、现成可编程门阵列(field
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programmable gate array，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各功能及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的设备、装置、电路以及系统等可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件实现上述功能。
51.在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和系统等，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
52.再例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上
可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
53.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
54.另外，在本申请提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
55.所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例中的功能。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器（read
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only memory，简称rom）、随机存取存储器（random access memory，简称ram）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
56.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
57.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。