CN119811865A

CN119811865A - 一种一体成型电感磁芯结构

Info

Publication number: CN119811865A
Application number: CN202411944107.1A
Authority: CN
Inventors: 吴雅祥; 余红雅; 周阳; 刘仲武
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2024-12-27
Filing date: 2024-12-27
Publication date: 2025-04-11
Anticipated expiration: 2044-12-27
Also published as: CN119811865B

Abstract

本申请公开了一种一体成型电感磁芯结构，包括电感线圈、磁芯和介电层，磁芯包裹电感线圈，介电层设置在磁芯内，电感线圈的中轴线位于介电层所在的平面，介电层对电感线圈进行分隔，介电层的电阻值高于电感线圈的电阻值。本一体成型电感磁芯结构通过设置介电层，介电层的电阻值相较于电感线圈更高，能够降低电感在高频下的涡流损耗，从而提高本一体成型电感磁芯结构的耐压性能，降低本一体成型电感磁芯结构在高频下的损耗。本申请涉及一体成型电感领域。

Description

一种一体成型电感磁芯结构

技术领域

本申请涉及一体成型电感领域，特别涉及一种一体成型电感磁芯结构。

背景技术

软磁磁芯是电感器的关键。常用的磁芯材料包括金属和合金、铁氧体以及软磁复合材料。软磁复合材料(SMC)也称磁粉芯，它是由经过表面绝缘包覆的磁性颗粒粘结压制而成。磁粉芯结合了金属软磁和铁氧体软磁的优势，既具有高的饱和磁化强度，又具有高的电阻率，在获得高的磁导率的同时能有效降低涡流损耗。此外，它还具有三维各向同性、频率特性好、易加工等优点。因此，磁粉芯材料广泛应用于各种kHz～MHz范围中高频交流器件，如电源变压器、整流器和滤波电感、光伏和车载逆变器以及动力驱动系统中的电磁部件等，是最近几年应用增长速度最快的磁性材料。

一体成型电感工作时，线圈中通常通入交变电流并在磁芯中产生一个交变的磁场以及与磁场垂直的交变电场，软磁磁芯在交变电场中会产生涡流损耗、在交变磁场中反复磁化会产生磁滞损耗以及剩余损耗。这三种损耗与软磁磁芯的电性能、磁性能息息相关。

对此，需要一种新型电感磁芯结构，在高频下减少涡流损耗，由此降低电感整体的损耗，提高电感的耐压性能。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种一体成型电感磁芯结构，能够降低高频下的涡流损耗，降低电感整体的损耗，提高一体成型电感的耐压性能。

根据本申请的第一方面实施例的一体成型电感磁芯结构，包括电感线圈、磁芯和介电层，所述磁芯包裹所述电感线圈，所述介电层设置在所述磁芯内，所述电感线圈的中轴线位于所述介电层所在的平面，所述介电层对所述电感线圈进行分隔，所述介电层的电阻值高于所述电感线圈的电阻值。

根据本申请实施例的一体成型电感磁芯结构，至少具有如下有益效果：通过设置介电层，介电层的电阻值相较于电感线圈更高，能够降低电感在高频下的涡流损耗，从而提高本一体成型电感磁芯结构的耐压性能，降低本一体成型电感磁芯结构在高频下的损耗。

根据本申请的一些实施例，所述介电层与所述电感线圈的相交处，所述介电层所在的平面与所述电感线圈的电场方向夹角为60至90°。

根据本申请的一些实施例，所述介电层的电阻值至少为1Ω/m。

根据本申请的一些实施例，所述介电层贯穿所述磁芯。

根据本申请的一些实施例，所述介电层完全位于所述磁芯的内部。

根据本申请的一些实施例，所述介电层内的软磁材料，包括但不限于锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、包覆有绝缘层的羰基铁粉、FeSiCr以及非晶FeSiB。

根据本申请的一些实施例，所述软磁材料为包覆有介电层的羰基铁粉、FeSiCr以及非晶FeSiB雾化球形粉制备的一体成型电感，或为破碎非晶粉末制成的内部包有线圈的电感。

根据本申请的一些实施例，所述磁芯由一种成分的磁性颗粒压制而成，或由几种不同成分的磁性颗粒混粉后压制而成。

根据本申请的一些实施例，所述磁芯的形状为正方体、长方体或圆柱体；所述电感线圈的绕线形状为圆形、椭圆形或多边形；所述介电层的形状为片状或扇形柱体状。

根据本申请的一些实施例，所述电感线圈为实心或空心线；所述电感线圈为单股线、多股线或Litz线。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

附图用来提供对本申请公开技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请公开的实施例一起用于解释本公开的技术方案，并不构成对本申请公开技术方案的限制。

图1为目前磁芯结构的三维图；

图2为软磁颗粒在压制过程中的变化示意图；

图3为电感线圈内电流方向、磁场方向和电场方向的示意图；

图4为软磁颗粒的等效电路图；

图5为软磁颗粒在破裂前后的涡流变化图；

图6为本申请实施例一体成型电感磁芯结构的三维图；

图7为本申请实施例一体成型电感磁芯结构中介电层对一体成型电感不同频率下电感量的影响；

图8为本申请实施例一体成型电感磁芯结构中介电层对一体成型电感不同频率下总损耗的影响；

图9为本申请实施例一体成型电感磁芯结构采用多个介电层的结构示意图。

附图标记：100-电感线圈、200-磁芯、300-介电层、400-带绝缘包覆层的软磁颗粒、500-压制后绝缘包覆层破裂的软磁颗粒、600-等效电阻、700-等效电容、800-软磁颗粒内部涡流、900-软磁颗粒之间的涡流。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。

在本申请的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。

本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

对此，本申请提出一种一体成型电感磁芯结构，通过设置介电层300，介电层300的电阻值相较于电感线圈100更高，能够降低电感在高频下的涡流损耗，从而提高本一体成型电感磁芯结构的耐压性能，降低本一体成型电感磁芯结构在高频下的损耗。

目前，一体成型电感通常是由铁基软磁合金压制成型，参照图1，其包含线圈100和磁芯200。其是通过绝缘包覆工艺在软磁合金粉颗粒表面包覆一层绝缘的壳层。在压制过程中，磁粉会发生形变，或颗粒之间互相摩擦，导致磁粉的绝缘包覆层破裂，颗粒与颗粒之间相互接触。参照图2，带绝缘包覆层的软磁颗粒400在压力下，形成压制后绝缘包覆层破裂的软磁颗粒500。

根据法拉第电磁感应定律可知，一体成型电感工作时，磁芯200内部的磁感应强度方向垂直于线圈，感应电场沿线圈的绕线方向，如图3所示。由于一体成型电感压制成型过程中颗粒形变、颗粒互相摩擦等因素，导致颗粒表面的包覆层失效，导致电感的磁芯具有较高的导电性。

由于电感通常工作在交变磁场中，参照图4，在感应电场方向上，金属基磁粉可视为一个等效电感600，磁粉之间的绝缘包覆层可以视为一个等效电容700，两颗互相接触带包覆层的颗粒在感应电场方向的等效电路可以视为串联的电容和电感。

目前，通常通过研究软磁复合材料的包覆工艺，提高磁粉芯的电阻率。在理想条件下，颗粒与颗粒之间相互绝缘，如图5中的(a)所示，软磁颗粒内部涡流800被限制在颗粒内部，软磁颗粒之间的涡流900沿软磁颗粒的间隙流过。其等效电路时感应电场方向上n个颗粒的等效电阻与n个介电层的等效电容串联：

||Z_x||＝R_x+X_c：

R_x＝R₁+R₂+…+R_n；

假设所有颗粒形状相同，介电层厚度、形状相同，则颗粒的等效电阻相同，颗粒间介电层的等效电容相同，即：

R₁＝R₂＝…＝R_n；

C₁＝C₂＝…＝C_n。

因此，等效电路的等效阻抗为：

不考虑线圈中电流与电感中涡流相位差的情况下，该环路中的电流强度为：

则该环路因涡流产生的损耗功率为：

P＝I²nR₁。

但在压制成型过程中，由于软磁粉末形变或颗粒之间的相互摩擦，会导致磁粉芯的绝缘包覆层破裂，磁粉颗粒相互接触，这一方面导致等效电路中介电层减少，另一方面导致颗粒与颗粒之间相互接触，等效电阻减小，如图5中的(b)所示。理想情况下，仅考虑介电层破裂导致介电层失效的情况，即等效电路的等效电阻不变，等效的电感数量减小，即n减小，其等效电路的阻抗|Z_x|减小，等效电流I增大，造成涡流损耗功率增大。涡流损耗的能量最终以热量的形式释放，因此，等效电流增大会在电场回路中产生更多的热量，导致电感温度上升。由于阻抗中电阻部分由材料性质决定，因此提高电场回路的容抗可以降低涡流的电流强度，降低电感工作时的发热。

对此，本申请提出一种一体成型电感磁芯结构，参照图6，其包括电感线圈100、磁芯200和介电层300。其中磁芯200包裹电感线圈100，介电层300设置在磁芯200内，电感线圈100的中轴线位于介电层300所在的平面。值得注意的是，介电层300对电感线圈100进行分隔，介电层300的电阻值高于电感线圈的电阻值。

由于介电层300与磁场方向平行，因此对一体成型电感的感量影响不大，如图7所示。增加的介电层300在电场的通路上提供了数个高的容抗，可以有效降低一体成型电感高频工作时的涡流强度，降低一体成型电感的涡流损耗，如图8所示。

同时，由于增加的介电层300与感应电场垂直，可以视为电场中串联多个电容。在串联电路中，由于总电压分配到各个电容上，因此介电层300越多，每个介电层300两端的电压值越低。对于一体成型电感而言，由于单个介电层300的耐压强度一定，因此在磁芯200中增加介电层300可以提升一体成型电感的耐压强度。

进一步地，高电阻率的介电层300具体可以为空气，也可以为其他高电阻率的材料，如陶瓷、玻璃、树脂等。为了保证器件的电感性能，优选同时具备高磁导率、高饱磁感应强度和低矫顽力，同时相比磁粉芯具有高的电阻率的材料，如软磁铁氧体等。这里的高电阻率是指介电层300材料的电阻率至少比最终成型的磁粉芯高1个数量级。介电层的电阻值至少为1Ω/m。

进一步地，介电层300的数量可以为多个，进一步降低本一体成型电感磁芯结构在高频下的损耗，提升耐压性能。如图9中的(a)，磁芯200内对称分布有4个介电层300。图9中的(b)，磁芯200内对称分布有8个介电层300。绝缘层的数量可以根据实际需求决定。

介电层300在磁芯200中对称分布，每两个相邻介电层300的夹角可以一致，也可以在不同位置相邻的绝缘层间设计不同的夹角。

具体地，介电层300与电感线圈100的相交处，介电层300所在的平面与电感线圈100的电场方向夹角为60至90°。

具体地，介电层300可以在一体成型电感压制成型前，通过特定的模具在相应位置加入高电阻率的材料，进而压制成型，也可以在一体成型电感压制成型后通过机械加工在特定位置增加开口，再填充进相应的绝缘材料。

进一步的，通过设计不同的模具，可以设计介电层300位于磁芯200的内部，垂直于电感工作时磁芯200中电场的方向，贯穿或不贯穿磁芯200。

具体地，介电层内的软磁材料，包括但不限于锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、包覆有绝缘层的羰基铁粉、FeSiCr以及非晶FeSiB。

进一步地，软磁材料为包覆有介电层的羰基铁粉、FeSiCr以及非晶FeSiB雾化球形粉制备的一体成型电感，或为破碎非晶粉末制成的内部包有线圈的电感。成份方面，磁芯由一种成分的磁性颗粒压制而成，或由几种不同成分的磁性颗粒混粉后压制而成。

进一步地，磁芯200的形状为正方体、长方体或圆柱体；电感线圈100的绕线形状为圆形、椭圆形或多边形；介电层300的形状为片状或扇形柱体状。容易理解地，电感线圈100的绕线形状、磁芯200的形状以及介电层300的形状能够根据实际情况进行改变，在此不再赘述。

进一步地，电感线圈100为实心或空心线；电感线圈100为单股线、多股线或Litz线。

上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims

1.一种一体成型电感磁芯结构，其特征在于，包括电感线圈、磁芯和介电层，所述磁芯包裹所述电感线圈，所述介电层设置在所述磁芯内，所述电感线圈的中轴线位于所述介电层所在的平面，所述介电层对所述电感线圈进行分隔，所述介电层的电阻值高于所述电感线圈的电阻值。

2.根据权利要求1所述的成型电感磁芯结构，其特征在于：所述介电层与所述电感线圈的相交处，所述介电层所在的平面与所述电感线圈的电场方向夹角为60至90°。

3.根据权利要求1所述的成型电感磁芯结构，其特征在于：所述介电层的电阻值至少为1Ω/m。

4.根据权利要求1所述的成型电感磁芯结构，其特征在于：所述介电层贯穿所述磁芯。

5.根据权利要求4所述的成型电感磁芯结构，其特征在于：所述介电层完全位于所述磁芯的内部。

6.根据权利要求1所述的成型电感磁芯结构，其特征在于：所述介电层内的软磁材料，包括但不限于锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、包覆有绝缘层的羰基铁粉、FeSiCr以及非晶FeSiB。

7.根据权利要求6所述的成型电感磁芯结构，其特征在于：所述软磁材料为包覆有介电层的羰基铁粉、FeSiCr以及非晶FeSiB雾化球形粉制备的一体成型电感，或为破碎非晶粉末制成的内部包有线圈的电感。

8.根据权利要求1所述的成型电感磁芯结构，其特征在于：所述磁芯由一种成分的磁性颗粒压制而成，或由几种不同成分的磁性颗粒混粉后压制而成。

9.根据权利要求1至8任一所述的成型电感磁芯结构，其特征在于：所述磁芯的形状为正方体、长方体或圆柱体；所述电感线圈的绕线形状为圆形、椭圆形或多边形；所述介电层的形状为片状或扇形柱体状。

10.根据权利要求1至8任一所述的成型电感磁芯结构，其特征在于：所述电感线圈为实心或空心线；所述电感线圈为单股线、多股线或Litz线。