一种圆形横截面磁环及θ型圆形横截面磁环电感器
阅读：722发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种圆形横截面磁环及θ型圆形横截面磁环电感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型提供一种圆形横截面磁环，在磁环的内圆和外圆上,截去一小段圆弧，其横截面是由磁环外圆和内圆上的两段短弦与短弦两侧的两段长圆弧所构成的近圆形；采用圆形横截面磁环的电感器，与采用传统矩形横截面磁环的电感器相比较，对于圆 铜 线平绕绕组的电感器，其用铜量可节省22％以上，对于扁铜线立绕绕组的电感器，其用铜量可节省36％以上。在磁环的内圆开两个槽，在槽中嵌入磁桥的θ型圆形横截面磁环，适用于绕制交流电源EMC 滤波器 中的带有寄生差模电感量的共模电感器，在EMC滤波器中，可以不再需要差模电感器，却仍具有很好的滤波性能(共模、差模插入损耗高，传导 电磁干扰 电平低)，而且体积小、重量轻、损耗少、成本低。，下面是一种圆形横截面磁环及θ型圆形横截面磁环电感器专利的具体信息内容。
1.一种圆形横截面磁环，其特征在于：所述磁环的横截面由磁环外圆和内圆上的两段短弦与短弦两侧的两段长圆弧所组成。
2.如权利要求1所述的一种圆形横截面磁环，其特征在于：所述磁环的表面喷涂有环氧树脂绝缘层。
3.如权利要求1所述的一种圆形横截面磁环，其特征在于：所述磁环根据各类环形电感器的功能不同，选择不同的软磁材料，制成铁氧体磁环、铁磁粉磁环、铁硅铝磁粉磁环或铁镍钼磁粉磁环。
4.一种θ型圆形横截面磁环电感器，其特征在于：包括如权利要求1或2中所述的圆形横截面磁环，并在磁环对径方位开两个槽，嵌入称为磁桥的磁片，在磁桥两侧的磁环上，绕制两个对称的共模绕组L-L’和N-N’，组成用于单相交流EMC滤波器的差模—共模复合电感器。
5.如权利要求4所述的一种θ型圆形横截面磁环电感器，其特征在于：所述磁环的材质为相对磁导率μi≥7000的锰锌铁氧体。
6.一种θ型圆形横截面磁环电感器，其特征在于：包括如权利要求1或2中所述的圆形横截面磁环，并在磁环一侧开两个槽，嵌入称为磁桥的磁片，在磁桥两侧的磁环上，长圆弧一侧绕有三个相线绕组A-A’、B-B’、C-C’，短圆弧一侧绕有中线绕组N-N’，组成用于三相四线交流EMC滤波器的三相四线共模—差电感器。
7.如权利要求6所述的一种θ型圆形横截面磁环电感器，其特征在于：所述磁环的材质为相对磁导率μi≥7000的锰锌铁氧体。
一种圆形横截面磁环及θ型圆形横截面磁环电感器
技术领域
[0001] 本实用新型涉及环形电感器所用磁环产品的技术领域，尤其涉及一种节省耗材且可有效降低制造成本的圆形横截面磁环。
背景技术
[0002] 在网络通讯、自动控制、电力驱动、交通运输、计算机、太阳能和风力发电等广泛领域，所使用的各种电子设备和装置中的电源变换器(开关电源、不间断电源、变频电源等)，都大量地使用了各类环形电感器，诸如：抑制传导电磁干扰的EMC滤波器中的共模电感器和差模电感器、抑制谐波电流以改善电流波形的交流滤波电感器、功率因数校正电路中的电感器、降低直流电压纹波的直流滤波电感器等等。
[0003] 制造各类环形电感器时，目前采用的是传统的矩形横截面磁环，这种方式不仅使绕组的用铜量较高，而且制造工艺相对复杂，不能满足高效率、低成本的生产要求。怎样才能较好的节省耗材和工时，提高效率和降低成本，扩大市场应用范围，使得电感器类产品可以实现重要的经济与环保价值，是本领域技术人员的重要研课题。实用新型内容
[0004] 为克服现有技术所存在的问题，本实用新型提供一种新型的横截面为圆形的磁环，来替代传统的横截面为矩形的磁环，以提高各类环形电感器的生产效率，並节省铜材的用量。这不仅降低了电感器的制造成本，而且具有重要的环保价值。
[0005] 为了实现上述目的，本实用新型一实施方式提供一种如图1A(正视图) 和图1B(半剖侧视图)所示的横截面为圆形的磁环。因受压制磁环的模具和工艺要求的限制，很难制造全圆形横截面的磁环，实际上要将磁环的内圆和外圆截去一小段圆弧，其横截面的形状(图1B中的阴影部分)是由磁环外圆和内圆上的两段短弦与短弦两侧的两段长圆弧所构成的近圆形。
[0008] 上述的圆形横截面磁环，还可以在内圆开两个槽，与嵌在槽中的磁片(称为磁桥)组成θ型磁心。
[0009] 如图2所示，磁桥201位于圆形横截面磁环的槽202中，在磁桥的两侧，绕有两个对称的共模绕组(L-L’和N-N’)，θ型磁环与所绕的共模绕组，组成了用于单相交流EMC滤波器的差模—共模复合电感器(Differential mode and Commonmode Combination Choke，简称DCCC)。
[0010] 如图3所示，磁桥301位于圆形横截面磁环的槽302中，磁桥的一侧绕有三个相线绕组(A-A’、B-B’、C-C’)，磁桥的另一侧绕有中线绕组(N-N’)，θ型磁环与所绕的四个绕组，组成了用于三相四线交流EMC滤波器的三相四线共模—差模电感器(Three-phase Four-line Common mode with Differential mode Choke，简称TFCDC)。
[0011] DCCC和TFCDC的特点是：它们既具有较大的共模电感值(LCM)，还寄生有较大的差模电感值(LDM)，因此，在采用DCCC和TFCDC组成的EMC 滤波器中，不再需要差模电感器，却仍具有很好的滤波性能(共模、差模插入损耗高，传导电磁干扰电平低)，而且体积小、重量轻、损耗少、成本低。
[0012] 优选地，所述θ型磁环的材料采用相对磁导率μi≥7000的锰锌铁氧体。
[0013] 优选地，所述θ型磁环的表面喷涂环氧树脂绝缘层。
附图说明
[0015] 图1A和图1B分别为本实用新型一实施方式中的一种圆形横截面磁环的正视图和半剖侧视图。
[0016] 图2为采用θ型圆形横截面磁环的DCCC的示意图。
[0017] 图3为采用θ型圆形横截面磁环的TFCDC的示意图。
[0018] 图4为圆形横截面磁环圆铜线平绕绕组电感器的横截面图。
[0019] 图5为正方形横截面磁环圆铜线平绕绕组电感器的横截面图。
[0020] 图6为圆形横截面磁环扁铜线立绕绕组电感器的横截面图。
[0021] 图7为正方形横截面磁环扁铜线立绕绕组电感器的横截面图。
[0022] 图8A和图8B为用于制造DCCC的θ型圆形横截面磁环的正视图和全剖侧视图。
[0023] 图9A和图9B为用于制造TFCDC的θ型圆形横截面磁环的正视图和全剖侧视图。
具体实施方式
[0024] 为更进一步阐述本实用新型所采取的技术手段及其效果，以下结合本实用新型的实施例及其附图进行详细描述。描述中，为便于计算与分析，将磁环的近圆形横截面视作全圆形横截面，并将线圏内圆的周长视为一圏铜线的长度，其误差不大，可予以忽略。
[0025] 图4为圆形横截面磁环圆铜线平绕绕组电感器的横截面图，图中，阴影部分为磁心，磁心圆形横截面的直径为D；磁心外面的圆环为圆铜线绕组的一圏，一圏圆铜线的长度l1＝πD。
[0026] 图5为正方形横截面磁环圆铜线平绕绕组电感器的横截面图，图中，阴影部分为磁心，磁心正方形横截面的边长为A；磁心外面的方框为圆铜线绕组的一圏，一圏圆铜线的长度l2＝4A。
[0027] 设圆形横截面磁环与正方形横截面磁环的有效磁路长度le(约为磁环内、外圆周长的平均值)和横截面积S都相等，並由相对磁导率μi相同的磁性材料制成，那么这两种磁环的电感系数AL(AL＝μ0μiS/le)是相等的。当绕组的圏数N 相同时，这两种磁环电感器的电2
感值L(L＝ALN)也是相等的。现对这两种磁环电感器圆铜线绕组一圈的长度进行比较，选用正方形横截面磁环电感器与圆形横截面磁环电感器相比较，是因为在面积相同的矩形图形中，正方形的周长是最短的。
感值L(L＝ALN)也是相等的。现对这两种磁环电感器圆铜线绕组一圈的长度进行比较，选用正方形横截面磁环电感器与圆形横截面磁环电感器相比较，是因为在面积相同的矩形图形中，正方形的周长是最短的。
[0028] 磁环正方形横截面的边长为：A
[0029] 磁环正方形横截面的面积为：S＝A2
[0030] 正方形横截面磁环电感器圆铜线绕组一圏的长度为：l2＝4A
[0031] 磁环圆形横截面的面积为：
[0032] 磁环圆形横截面的直径为：
[0033] 圆形横截面磁环电感器圆铜线绕组一圏的长度为：
[0034] l1＝πD
[0035] ＝3.544A
[0036] 两种电感器圆铜线绕组一圏长度之比为：
[0037] l1/l2＝3.544A/4A
[0038] ＝0.886
[0039] l1＝0.886l2。
[0040] 由此可见，采用圆形横截面磁环替代正方形横截面磁环时，圆形横截面磁环电感器一个绕组圆铜线的长度lCu1(≈Nl1)与正方形横截面磁环电感器一个绕组圆铜线的长度lCu2(≈Nl2)之比为lCu1/lCu2＝0.886。圆铜线绕组的用铜量(铜线的重量)W与铜线的体积SCulCu成正比，设铜材的比重为γCu，W＝γCuSCulCu。当两种电感器绕组圆铜线的横截面积SCu相同时，绕组的用铜量与铜线的长度 lCu成正比，故圆形横截面磁环电感器绕组的用铜量W可以节省约11.4％。考虑到现有磁环的横截面多为长、宽边长不等的矩形，且电感器绕组的铜线又不能绕制得紧贴磁环表面，实际上圆铜线绕组一圏的长度 所以，采用圆形横截面磁环替代传统矩形横截面磁环时，电感器绕组圆铜线的用量应可节省12％以上。
[0041] 电感器绕组的电阻RCu与铜线的长度lCu成正比，与铜线的横截面积SCu成反比，设铜材的电阻率为ρCu，RCu＝ρCulCu/SCu。因铜线的横截面积相同，故采用圆形横截面磁环替代传统矩形横截面磁环时，电感器绕组的电阻RCu会減少12％以上，相应地电感器绕组的铜耗pCu＝I2RCu(式中I为电感器的工作电流)也会減少12％以上。
[0042] 采用圆形横截面磁环替代正方形横截面磁环时，若选择保持电感器绕组的铜耗不变，亦即电感器绕组的电阻不变(RCu1＝RCu2)，则圆形横截面磁环电感器绕组圆铜线的横截面积应按比例減小，可进一步节省绕组的用铜量。
[0043] 圆形横截面磁环电感器绕组的电阻：RCu1＝ρCulCu1/SCu1
[0044] 正方形横截面磁环电感器绕组的电阻：RCu2＝ρCulCu2/SCu2
[0045] 保持电感器绕组的电阻不变，即：ρCulCu1/SCu1＝ρCulCu2/SCu2
[0046] 两种电感器绕组铜线横截面积之比为：SCu1/SCu2＝lCu1/lCu2＝0.886[0047] SCu1＝0.886SCu2
[0048] 两种电感器绕组的用铜量之比为：W1/W2＝γCuSCu1lCu1/γCuSCu2lCu2[0049] ＝0.886×0.886
[0050] ＝0.785
[0051] W1＝0.785W2。
[0052] 由此可见，采用圆形横截面磁环替代正方形横截面磁环，并保持电感器绕组的电感值和铜耗不变时，圆形横截面磁环电感器绕组的用铜量W1为正方形横截面磁环电感器绕组用铜量W2的78.5％，即绕组的用铜量可以节省约 21.5％。考虑到现有磁环的横截面多为长、宽边长不等的矩形，且电感器绕组的铜线又不能绕制得紧贴磁环表面，实际上绕组铜线的长度，大于正方形横截面磁环电感器绕组铜线的长度，所以，采用圆形横截面磁环替代传统矩形横截面磁环时，电感器绕组圆铜线的用量应可节省22％以上。
[0053] 图6为圆形横截面磁环扁铜线立绕绕组电感器的横截面图，图中，阴影部分为磁心，磁心圆形横截面的直径为D；磁心外面的圆环为扁铜线立绕绕组的一圏，一圏扁铜线的长度l1＝πD。
[0054] 图7为正方形横截面磁环扁铜线立绕绕组电感器的横截面图，图中，阴影部分为磁心，磁心正方形横截面的边长为A；磁心外面的圆环为扁铜线立绕绕组的一圏，线圈内圆的直径(即正方形的对角线)为 一圏扁铜线的长度
[0055] 设圆形横截面磁环与正方形横截面磁环的有效磁路长度le(约为磁环内、外圆周长的平均值)和横截面积S都相等，並由相对磁导率μi相同的磁性材料制成，如前所述，当绕组的圏数N相同时，这两种磁环的电感系数 AL(AL＝μ0μiS/le)和电感器的电感值L(L＝ALN2)是相等的。现对这两种磁环电感器扁铜线立绕绕组一圈的长度进行比较。
[0056] 磁环正方形横截面的边长为：A
[0057] 磁环正方形横截面的面积为：S＝A2
[0058] 正方形横截面磁环电感器扁铜线绕组一圏的长度为：l2＝4.443A
[0059] 磁环圆形横截面的面积为：
[0060] 磁环圆形横截面的直径为：
[0061] 圆形横截面磁环电感器扁铜线绕组一圏的长度为：
[0062] l1＝πD
[0063] ＝3.544A
[0064] 两种电感器扁铜线绕组一圏长度之比为：
[0065] l1/l2＝3.544A/4.443A
[0066] ＝0.798
[0067] l1＝0.798l2。
[0068] 由此可见，采用圆形横截面磁环替代正方形横截面磁环时，圆形横截面磁环电感器一个绕组扁铜线的长度(lCu1≈Nl1)为正方形横截面磁环电感器一个绕组扁铜线的长度(lCu2≈Nl2)的79.8％；扁铜线绕组的用铜量(铜线的重量)与铜线的体积成正比，铜线的横截面积SCu相同时，绕组的用铜量与铜线的长度成正比，故绕组的用铜量可节省约20％。
[0069] 考虑到现有磁环的横截面多为长、宽边长不等的矩形，且圆环形电感器绕组又不能绕制得紧贴磁环的四个转角(会损伤绝缘)，实际上扁铜线绕组一圏的长度l2＞4.443A，所以，采用圆形横截面磁环替代传统矩形横截面磁环时，电感器绕组扁铜线的用量应可节省20％以上。
[0070] 采用圆形横截面磁环替代正方形横截面磁环时，若选择保持电感器绕组的铜耗不变，亦即电感器绕组的电阻不变(RCu1＝RCu2)，则圆形横截面磁环电感器绕组扁铜线的横截面积应按比例減小，可进一步节省绕组的用铜量。
[0071] 保持电感器绕组的电阻不变，即：ρCulCu1/SCu1＝ρCulCu2/SCu2
[0072] 两种电感器绕组铜线横截面积之比为：SCu1/SCu2＝lCu1/lCu2＝0.798[0073] SCu1＝0.798SCu2
[0074] 两种电感器绕组用铜量之比为：W1/W2＝γCuSCu1lCu1/γCuSCu2lCu2[0075] ＝0.798×0.798
[0076] ＝0.637
[0077] W1＝0.637W2。
[0078] 由此可见，采用圆形横截面磁环替代正方形横截面磁环，并保持电感器绕组的铜耗不变时，圆形横截面磁环电感器绕组的用铜量W1为正方形横截面磁环电感器绕组用铜量W2的63.7％，即绕组扁铜线的用量可以节省约36％。考虑到现有磁环的横截面多为长、宽边长不等矩形，且圆环形电感器绕组又不能绕制得紧贴磁环的四个转角(会损伤绝缘)，实际上绕组铜线的长度，大于正方形横截面磁环电感器绕组铜线的长度，所以，采用圆形横截面磁环替代传统矩形横截面磁环时，电感器绕组扁铜线的用量应可节省36％以上。
[0079] 实用新型实施例的有益效果：
[0080] 一.各类环形电感器采用本实用新型提供的圆形横截面磁环替代传统的矩形横截面磁环时，在磁环的有效磁路长度le和磁路的横截面积 S相等，材质相同、电感系数AL值相同、电感器绕组的圏数N相同电和感值L相等，並保持其铜耗pCu不变的前提下，可带来如下的有益效果：
[0081] 1.采用圆形横截面磁环的圆铜线平绕绕组电感器，与采用矩形横截面磁环的圆铜线平绕绕组电感器相比较，绕组的用铜量可节省22％以上。
[0082] 2.采用圆形横截面磁环的扁铜线立绕绕组电感器，与采用矩形横截面磁环的扁铜线立绕绕组电感器相比较，绕组的用铜量可节省36％以上。
[0083] 3.采用圆形横截面磁环的扁铜线立绕绕组电感器，与采用矩形横截面磁环的扁铜线立绕绕组电感器相比较，因扁铜线可紧贴磁环表面绕制绕组，不仅简化了绕组的绕制工艺，而且使磁心和绕组一体化的电感器便于安装，节省了工时成本。
[0084] 4.比较图6和图7可见，采用圆形横截面磁环扁铜线立绕绕组电感器的外径和高度较小，因而与采用矩形横截面磁环的扁铜线立绕绕组电感器相比较，其体积较小。
[0085] 二.采用θ型圆形横截面磁环绕制的电感器DCCC和TFCDC，除具有一. 中所述的有益效果外，还具有如下的有益效果：DCCC和TFCDC不仅具有较大的共模电感值(LCM)，而且还寄生有较大的差模电感值(LDM)，因此，在采用DCCC组成的单相EMC滤波器和采用TFCDC组成的三相四线EMC滤波器中，不再需要差模电感器，却仍具有很好的滤波性能(共模、差模插入损耗高，传导电磁干扰电平低)，而且体积小、重量轻、损耗少、成本低。
[0086] 图8A、图8B为本实用新型一实施方式中的一种θ型圆形横截面磁环的设计举例。如图所示，磁环的外径Do＝60mm，磁环的内径Di＝29mm，磁环圆形横截面的直径D＝16.5mm，磁桥的长度×宽度×厚度＝39.8×16.5× 2.5mm。磁环和磁桥的材质均采用μi＝7000±30％的高磁导率锰锌铁氧体。在此θ型磁心上绕制两个共模绕组(L-L’和N-N’)后，即制成如图2所示的用于单相交流EMC滤波器的差模—共模复合电感器(简称DCCC)。
[0087] 图9A、图9B为本实用新型一实施方式中的另一种θ型圆形横截面磁环的设计举例。如图所示，磁环的外径Do＝100mm，磁环的内径Di＝48mm，磁环圆形横截面的直径D＝28mm，磁桥的长度×宽度×厚度＝49.8×28×3.4mm。磁环和磁桥的材质均采用μi＝7000±30％的高磁导率锰锌铁氧体。在此θ型磁心上绕制三个相线绕组(A-A’、B-B’、C-C’)和中线绕组(N-N’)后，即制成如图3所示的用于三相四线交流EMC滤波器的三相四线共模—差模电感器 (简称TFCDC)。
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