磁芯、变压器以及电器设备的开关电源的制作方法

1.本实用新型涉及磁芯技术领域，尤其涉及一种磁芯、变压器以及电器设备的开关电源。


背景技术：

2.目前，冰箱等电器设备的控制器采用反激式开关电源，反激式开关电源仅在变压器初级线圈激励电压被关断后才向负载提供功率输出，高频变压器是开关电源最主要的组成部分。冰箱等电器设备在运行过程中的功率变化范围较大，可分为满载运行和低负载运行。冰箱等电器设备在使用过程中大多在低负载情况下运行，但是，其开关电源往往以最高负荷来设计，变压器输出功率、相应的变压器磁芯电感量以及输出整流储能器也会按最大规格设计。当冰箱等电器设备以低负载运行时，虽然电源输出功率降低，但是变压器原边漏感因变压器磁芯磁密固定则不会减少。变压器在使用时存在漏感，漏感可能会引起浪涌电流和尖峰电压，造成损耗增加，产生辐射干扰，且磁密越高，漏感越大，空载损耗越高。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种磁芯、变压器以及电器设备的开关电源，通过在磁芯柱中设置负温度系数热敏材料的磁芯嵌入体，用以降低能效损耗与抑制漏感。
4.根据本实用新型的第一方面，提供一种磁芯，包括：芯体和设置在所述芯体上的磁芯柱；所述磁芯柱包括：磁芯柱本体和设置在所述磁芯柱本体中的磁芯嵌入体；其中，所述磁芯嵌入体的材质与所述磁芯柱本体的材质不同，所述磁芯嵌入体的材质包括：负温度系数热敏材料。
5.可选地，所述磁芯嵌入体设置在所述磁芯柱本体的顶部。
6.可选地，在所述磁芯柱本体的顶部中心处嵌入所述磁芯嵌入体。
7.可选地，位于同一横截面上的所述磁芯嵌入体的截面积与所述磁芯柱本体的截面面积的比值小于横截面比值阈值。
8.可选地，所述磁芯嵌入体的长度与所述磁芯柱本体的长度的比值小于长度比值阈值。
9.可选地，所述磁芯包括：e型磁芯，所述磁芯柱包括：所述e型磁芯的磁芯中柱。
10.可选地，所述e型磁芯还包括：与所述磁芯中柱平行设置的第一边柱和第二边柱。
11.可选地，所述磁芯柱的形状包括：圆柱体、多边形柱体。
12.可选地，所述磁芯嵌入体的形状包括：圆锥体、圆柱体、菱形锥体。
13.可选地，所述磁芯柱本体的材质包括：铁氧体材料。
14.根据本实用新型的第二方面，提供一种变压器，包括：如上的第一磁芯和第二磁芯；所述第一磁芯的第一磁芯柱和所述第二磁芯的第二磁芯柱相对设置，在所述第一磁芯柱和所述第二磁芯柱之间设置有气隙，并且，在所述第一磁芯柱和所述第二磁芯柱上设置
等)应以类似的方式解释。
25.除非另有明确的规定和限定，否则单数形式“一个”、“一”和“该”意在也包括复数形式。应进一步理解的是，术语“包括”“包含”、“含有”和/或“具有”当在本文中使用时规定所陈述的特征、操作、要素和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。
26.本实用新型的实施例提供一种磁芯，磁芯可以为多种磁芯，例如为e型磁芯、u型磁芯等。磁芯包括芯体和设置在芯体上的磁芯柱，磁芯柱可以为多种磁芯柱，例如磁芯柱可以为e型磁芯的磁芯中柱、u型磁芯的磁芯柱等。磁芯柱包括磁芯柱本体和设置在磁芯柱本体中的磁芯嵌入体，可以在磁芯柱本体中的多个位置设置磁芯嵌入体，例如可以采用现有的多种工艺在磁芯柱本体的顶部、中部等位置设置磁芯嵌入体。磁芯嵌入体的材质与磁芯柱本体的材质不同，磁芯嵌入体的材质包括负温度系数(negative temperature coefficient，ntc)热敏材料等材料，磁芯柱本体的材质可以为多种材料，例如为铁氧体材料等。磁芯柱的形状包括圆柱体、多边形柱体等。磁芯嵌入体的形状包括圆锥体、圆柱体、菱形锥体等形状。下面以磁芯为e型磁芯进行说明。
27.在一个实施例中，如图1a-1d所示，磁芯为e型磁芯，e型磁芯包括芯体10和设置在芯体10上的磁芯柱，即磁芯中柱。e型磁芯还包括与磁芯中柱平行设置的第一边柱13和第二边柱14，第一边柱13、第二边柱14与磁芯中柱位于e型磁芯的相同侧。磁芯中柱包括磁芯柱本体11和设置在磁芯柱本体11中的磁芯嵌入体12。磁芯嵌入体12可以设置在磁芯柱本体11的多个位置处，例如，可以采用现有的多种工艺将磁芯嵌入体12设置在磁芯柱本体11的中部、顶部等位置，磁芯嵌入体12可以位于中部、顶部的一侧或中心等位置。
28.如图1a-1d所示，将磁芯嵌入体12嵌在磁芯柱本体11的顶部，并且，磁芯嵌入体12位于磁芯柱本体11的顶部中心处。磁芯柱本体11的形状可以为圆柱体、多边形柱体等，多边形柱体可以为横截面为四边形、五边形等的柱体。磁芯嵌入体12的形状可以为圆锥体、圆柱体、菱形锥体等。
29.磁芯嵌入体12的材质包括负温度系数热敏材料等，磁芯柱本体11的材料可以为铁氧体材料等。磁芯嵌入体12所使用的负温度系数热敏材料可以为现有材料，负温度系数热敏材料是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻材料；负温度系数热敏材料为利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物，根据电阻率和材料常数随材料成分比例进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷材料，负温度系数热敏材料的电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化。
30.磁芯柱本体11使用的铁氧体材料可以为现有材料，铁氧体材料也称为磁铁氧体材料。铁氧体材料是利用氧化铁、氧化物合金或锰、镍、镁的碳酸盐或钴的陶瓷材料，根据磁导率或者磁阻率选择配制的合金，其中，磁阻与磁导互为倒数。
31.在磁芯柱中设置负温度系数热敏材料的磁芯嵌入体，磁芯嵌入体与使用铁氧体材料的磁芯柱本体形成复合结构。负温度系数热敏材料的电阻率随着温度的升高而减小，常规使用温度-40～300℃，可根据实际应用环境调配，磁导率的大小与材料的原子核外电子数及排列情况有关，温度低时，负温度系数热敏材料的电子数目少，其磁阻率较高，随着温度的升高，电子数目增加，其磁阻率降低。
32.在磁芯柱本体11的顶部中心处或其他位置处嵌入磁芯嵌入体12，位于同一横截面上的磁芯嵌入体12的截面积与磁芯柱本体11的截面面积的比值小于横截面比值阈值；横截面比值阈值可以根据实际使用场景以及使用功率设置，横截面比值阈值例如可以设置为0.5等。磁芯嵌入体12的长度与磁芯柱本体11的长度的比值小于长度比值阈值；磁芯嵌入体12的尺寸根据磁芯尺寸、功率以及设计电路的功率确定，磁芯嵌入体12的高度比磁芯柱本体11的长度短，可以设置长度比值阈值为较小值，例如，设置长度比值阈值为0.1、0.2等。
33.本实用新型的实施例提供一种变压器，变压器可以为低压、高压变压器等。变压器包括如上任一实施例的第一磁芯和第二磁芯。第一磁芯的第一磁芯柱和第二磁芯的第二磁芯柱相对设置，在第一磁芯柱和第二磁芯柱之间设置有气隙，并且，在第一磁芯柱和第二磁芯柱上设置有线圈绕组。下面以第一磁芯和第二磁芯都为e型磁芯进行说明。
34.在一个实施例中，如图2a-2c所示，变压器20包括第一磁芯21和第二磁芯22，第一磁芯21和第二磁芯22都为e型磁芯。第一磁芯21的第一磁芯柱(磁芯中柱)23和第二磁芯22的第二磁芯柱(磁芯中柱)24相对设置，在第一磁芯柱23的磁芯柱本体的顶部中心处嵌入磁芯嵌入体25，磁芯嵌入体25为圆锥体；在第二磁芯柱24的磁芯柱本体的顶部中心处嵌入磁芯嵌入体26，磁芯嵌入体26为圆锥体；在第一磁芯柱23和第二磁芯柱24之间设置有气隙，并且，在第一磁芯柱23和第二磁芯柱24上设置有线圈绕组27。
35.本实用新型的变压器可以为开关电源等电源内设置的变压器。当开关电源低负荷运行时，输出功率低，电流小，变压器的工作温升低，此时，负温度系数热敏材料的磁芯嵌入体的磁阻率较高，其磁导率远远小于磁芯的磁导率，使得变压器的磁芯磁通及气隙有效截面积减少，磁芯的磁通密度减小，产生的漏感小。
36.闭合磁路的磁路定律为:
37.磁阻r＝l/u*ae(1-1)；
38.其中，l为磁路长度，u为磁芯绝对磁导率，ae为磁芯截面积。
39.可以假设变压器磁芯磁路长度不变，根据式(1-1)可知，当磁芯截面积及磁导率减少时，磁阻变大。
40.能量密度公式为：
41.总储能e＝1/2*u*h2*ve(1-2)；
42.其中，ve为磁能积＝ae*l，l是有效磁路长度，磁能积是磁路和磁芯截面积的乘积。
43.变压器的磁芯留有气隙，气隙储能的公式为：
44.ec＝1/2*μ*h2*ae*le(1-3)；
45.其中，h为磁场强度，μ为气隙磁导率，le为气隙长度，气隙截面积＝磁芯(中)柱的截面积；根据式(1-3)可知当磁芯有效截面积减小时，气隙储能减少。
46.磁芯有效面积等于常规磁芯截面积+可通过磁通量的磁芯嵌入体的截面积，负温度系数热敏材料的磁芯嵌入体的截面积受温度变化影响，可通过磁通量的截面积随之变化，负温度系数磁阻为：
47.rt＝rn*exp*[b*(1/t1*1/tn)(1-4)；
[0048]
其中，rt为某温度时刻的磁阻，rn为标温度时刻磁阻，b为材质参数，t1和tn为温度参数，exp自然数e的指数。
[0049]
负温度系数热敏材料的磁芯嵌入体的温度与阻值变化为非线性变化关系，达到一
定阻值时增率下降，趋于定值。如图3a和3b所示，温升高时的磁芯磁通28与温度低时的磁芯磁通29不同。变压器的气隙的磁导率远低于铁氧体磁芯的磁导率，磁动势几乎都降在了气隙上，气隙释放能量时有一部分无法耦合到次级线圈中，变压器漏感很大一部分来自气隙，气隙截面积越大漏感基数越大，而在低负荷运行时，不需要过多的气隙储能，可适当减少气隙截面积降低漏感，所以负温度系数热敏材料的磁芯嵌入体在温升低时磁阻高，使得气隙有效截面积减少，可减少漏感，可减少无用损耗及干扰，适用于功率变化范围比较大的控制器，如冰箱等。
[0050]
在上述实施例的变压器中，通过在磁芯柱中设置负温度系数热敏材料的磁芯嵌入体，使得负温度系数热敏材料的磁芯嵌入体与铁氧体材质的磁芯形成复合结构，从而影响常规磁芯柱的有效横截面积；当负载发生改变时伴随磁芯温度变化使得负温度系数热敏材料的磁芯嵌入体的磁阻也随着温度变化而变化，改变磁芯柱的有效横截面，从而实现开关电源等在不同工作条件下的变压器的磁通密度自动调节，有效的降低能效损耗与抑制漏感。
[0051]
在一个实施例中，本实用新型提供一种电器设备的开关电源，包括如上任一实施例中的变压器。除了开关电源外，还可以在其他多种需要变压器的电源中设置如上任一实施例中的变压器。电器设备包括冰箱、空调、离子发生器等多种设备。
[0052]
上述实施例提供的磁芯、变压器以及电器设备的开关电源，通过在磁芯柱中设置负温度系数热敏材料的磁芯嵌入体，使得磁芯嵌入体与磁芯柱形成复合结构，当负载发生改变时伴随磁芯温度变化使得磁芯嵌入体的磁阻也随着温度变化而变化，影响磁芯柱的有效横截面，从而实现磁芯的磁通密度跟随负荷变化而自动调节；当负载低负荷运行时，温升小，磁芯嵌入体的磁阻大，磁芯有效截面积减少，变压器磁芯磁通密度减小，产生的漏感小，减少漏感产生的无用损耗，能够有效降低能效损耗与抑制漏感。
[0053]
本实用新型的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所实用新型的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。