高能量密度叠层电感及电感单元
阅读说明：本技术 高能量密度叠层电感及电感单元 (High energy density laminated inductor and inductor unit ) 是由 赵晖 陈屹然 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高能量密度叠层电感,包括两个并列设置的外层磁体,两个外层磁体之间设有若干并列布置的表面积与外层磁体表面积相等的中部磁芯,相邻中部磁芯之间、外层磁体和最上部的中部磁芯之间以及最下部的中部磁芯和外层磁体之间都设有至少一条导电金属带,导电金属带为多条时彼此之间相互绝缘,相邻中部磁芯之间、外层磁体与中部磁芯之间除导电金属带外为空气或相对磁导率不大于10的绝缘物质。本发明还公开了一种结构简单的电感单元,包括两个并列设置的外层磁体,两个外层磁体之间设有至少一条导电金属带,导电金属带为多条时彼此之间相互绝缘,两个外层磁体之间除导电金属带外为空气或相对磁导率不大于10的绝缘物质。(The invention discloses a high-energy-density laminated inductor which comprises two outer layer magnets arranged in parallel, wherein a plurality of middle magnetic cores which are arranged in parallel and have the same surface area as that of the outer layer magnets are arranged between the two outer layer magnets, at least one conductive metal strip is arranged between every two adjacent middle magnetic cores, between the outer layer magnets and the uppermost middle magnetic core and between the lowermost middle magnetic core and the outer layer magnets, the conductive metal strips are mutually insulated when being multiple, and air or insulating substances with the relative permeability not more than 10 are arranged between every two adjacent middle magnetic cores and between the outer layer magnets and the middle magnetic cores except the conductive metal strips. The invention also discloses an inductance unit with a simple structure, which comprises two outer layer magnets arranged in parallel, wherein at least one conductive metal strip is arranged between the two outer layer magnets, the conductive metal strips are mutually insulated when being in a plurality, and air or insulating substances with the relative permeability not more than 10 are arranged between the two outer layer magnets except the conductive metal strips.)
技术领域
本发明涉及一种高能量密度叠层电感及电感单元。
背景技术
标准UI电感，其电线绕制匝数N的变化、面积Ac的变化、相对磁导率u的变化，都无法影响储能密度极限。
可以影响电感能量密度的办法是：采用更高饱和的材料(比如纳米晶)、更大气隙、或更好的工艺(比如使用Planar inductor减少窗口面积)；但是增加密度需要增加气隙长度lg，增加电感需要增加面积Ac，然而增加面积Ac使得电感高度变高，所以电感通常是电路中最高的元件。可见，增加电线绕制匝数N意味着增加导通电阻和制造难度，而减小磁芯长度lc意味着减小窗口面积，所以这两者都不可取。
而PCB电感由于没有中心磁柱，存在极大的气隙长度lg，使得磁路分布极其不均匀，且磁芯极易饱和，没有在大电流场合的应用实例。另外，由于需要在高磁导率材料(磁芯)上制作，工艺要求较高，制作难度大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种体积小、能量密度大的高能量密度叠层电感。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种高能量密度叠层电感，包括两个并列设置的外层磁体，两个外层磁体之间设有若干并列布置的表面积与外层磁体表面积相等的中部磁芯，相邻中部磁芯之间、外层磁体和最上部的中部磁芯之间以及最下部的中部磁芯和外层磁体之间都设有至少一条导电金属带，导电金属带为多条时彼此之间相互绝缘，相邻中部磁芯之间、外层磁体与中部磁芯之间除导电金属带外为空气或相对磁导率不大于10的绝缘物质；在相邻中部磁芯之间或外层磁体与中部磁芯之间的每条导电金属带的每一直段在对应的相邻中部磁芯之间或外层磁体与中部磁芯之间任意位置产生的磁动势F、磁通Φ、磁场强度B满足以下方程：
其中，磁动势F单位为AT，磁通Φ单位为Wb；磁场强度B单位为T；x为以该导电金属带的相应直段的中心为原点、以平行于外层磁体且垂直于导电金属带长度方向为横轴建立坐标系后在对应的相邻中部磁芯之间或外层磁体与中部磁芯之间任意点到坐标系纵轴的横向距离，单位为m，Ac为外层磁体的上表面积，单位为m2；γ和Z0为材料的固有属性，F(+)，F(-)分别为正向和反射的磁势大小。γ、Z0、F(+)和F(-)均为常数，表达式如下：
其中，R为磁阻，单位为H，G为磁导，单位为1/H，μc为磁芯的相对磁导率，Thick为磁芯的厚度，单位为m，Gap为对应的相邻两个中部磁芯之间或外层磁体与中部磁芯之间的间隙高度，单位为m，Len是磁芯的宽度，单位为m，μ0为真空磁导率，I为输入电流，单位为A。
作为一种优选的方案，所述中部磁芯的厚度小于1mm；所述导电金属带厚度小于1mm，所述外层磁体厚度不小于中部磁芯的厚度。
作为一种优选的方案，所述上部外层磁体的下表面和下部外层磁体的上表面上分别设有绝缘层，中部磁芯的上下表面都设有绝缘层。
作为一种优选的方案，所述导电金属带呈U字形或折线形。
作为一种优选的方案，所述导电金属带呈U字形且中间连接部位于所述外层磁体的外侧。
作为一种优选的方案，所述外层磁体为由相对磁导率大于50的导磁体材料制成的外层磁体。
本高能量密度叠层电感的有益效果是：
本高能量密度叠层电感制造工艺相对于传统电感和PCB电感更为简单；本高能量密度叠层电感增加电感值的办法主要是增加两个外层磁体的宽度/长度，以及相邻两个中部磁芯之间或外层磁体与中部磁芯之间距离，从而使得本高能量密度叠层电感适合制造超薄的电感；
本高能量密度叠层电感气隙中的磁力线均匀分布，且因为磁芯复用，使得功率密度提升；因为上下导电金属带产生的磁力线消除，在功率密度提升同时磁损下降；由于磁力线相互抵消，磁体一般不会出现磁饱和。
本高能量密度叠层电感由于在导电金属带上下分别设置磁体，磁体本质是屏蔽层，使得本高能量密度叠层电感对外辐射极小从而使用安全，且本高能量密度叠层电感也不受外界系统的影响从而保证使用性能可靠。
本发明所要解决的另一个技术问题是：提供一种全新结构且结构简单制造成本低的电感单元。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种电感单元，包括两个并列设置的外层磁体，两个外层磁体之间设有至少一条导电金属带，导电金属带为多条时彼此之间相互绝缘，两个外层磁体之间除导电金属带外为空气或相对磁导率不大于10的绝缘物质；两个外层磁体之间任意点的磁动势F、磁通Φ、磁场强度B满足以下方程：
其中，磁动势F单位为AT，磁通Φ单位为Wb；磁场强度B单位为T；x为以导电金属带中心为原点、以平行于外层磁体且垂直于导电金属带长度方向为横轴建立坐标系后本电感单元内任意点到坐标系纵轴的横向距离，单位m，Ac为外层磁体的上表面积，单位m2；γ和Z0为材料的固有属性，F(+)，F(-)分别为正向和反射的磁势大小。γ、Z0、F(+)和F(-)均为常数，表达式如下：
其中，R为磁阻，单位H，G为磁导，单位1/H，μc为磁芯的相对磁导率，Thick为磁芯的厚度，单位为m，Gap为两个外层磁体的间隙的高度，单位为m，Len是磁芯的宽度，单位为m，μ0为真空磁导率，I为输入电流，单位为A。
作为一种优选的方案，所述外层磁体的下表面和外层磁体的上表面上分别设有绝缘层。
作为一种优选的方案，所述两个外层磁体厚度小于1mm，所述导电金属带厚度小于1mm；所述绝缘层厚度小于1mm。
作为一种优选的方案，所述导电金属带呈U字形或折线形。
作为一种优选的方案，所述外层磁体为由相对磁导率大于50的导磁体材料制成的外层磁体。
本电感单元的有益效果是：本电感单元提出一种全新的、适合大规模量产的、结构简单的电感结构，不需要完整的电路的匝数，可以只包括一根导线，绕线极其简单。
附图说明
图1是本发明的电感单元实施例1截面结构示意图。
图2是本发明的电感单元实施例1中坐标系建立示意图。
图3中a是表示导电金属带位于对应外层磁体中心的位置处的模型示意图；b是a中的外层磁体内各个位置的磁场强度计算值曲线与仿真值曲线示意图；
图4中a是表示导电金属带位于对应外层磁体偏离中心5mm的位置处的模型示意图；b是a中的外层磁体内各个位置的磁场强度计算值曲线与仿真值曲线示意图；
图5中a所示为电感单元的简单并联示意图；图5中b所示为中部磁芯与外层磁体厚度相同的叠层电感示意图；图5中c所示为中部磁芯厚度小于外层磁体厚度的叠层电感示意图；
图6中a所示为电感单元的简单并联的并联叠层数量与标准化能量密度的示意曲线。图6中b所示为中部磁芯与外层磁体厚度相同的叠层电感的叠层数量与标准化能量密度的示意曲线。图6中c所示为中部磁芯厚度小于外层磁体厚度的叠层电感的叠层数量与标准化能量密度的示意曲线。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。
如图1-2所示，一种电感单元实施例1，包括两个并列设置的由相对磁导率大于50的导磁体材料制成的厚度小于1mm的外层磁体，两个外层磁体之间中部设有厚度小于1mm的导电金属带，两个外层磁体之间除导电金属带外为空气或相对磁导率不大于10的绝缘物质；两个外层磁体之间任意点的磁动势F、磁通Φ、磁场强度B满足以下方程：
其中，磁动势F单位为AT，磁通Φ单位为Wb；磁场强度B单位为T；x为以导电金属带中心为原点、以平行于外层磁体且垂直于导电金属带长度方向为横轴建立坐标系后本电感单元内任意点到坐标系纵轴的横向距离，单位m，Ac为外层磁体的上表面积，单位m2；γ和Z0为材料的固有属性，F(+)，F(-)分别为正向和反射的磁势大小。γ、Z0、F(+)和F(-)均为常数，表达式如下：
其中，R为磁阻，单位H，G为磁导，单位1/H，μc为磁芯的相对磁导率，Thick为磁芯的厚度，单位为m，Gap为两个外层磁体的间隙的高度，单位为m，Len是磁芯的宽度，单位为m，μ0为真空磁导率，I为输入电流，单位为A。
由于电感单元存储能量约等于气隙存储的能量所以，电感的计算结果为：
一种电感单元实施例2，其与实施例1的不同之处在于导电金属带位于对应外层磁体偏离中心的位置处。
如图3-图4所示，为以磁芯的相对磁导率μc取值为2300、磁芯的厚度Thick取值0.0002m、两个外层磁体的间隙的高度Gap取值0.0015m、磁芯的宽度Len取值0.02m(此时Ac取值0.02m2)、输入电流I取值1A为例分别说明不同导电金属带布置情形下的磁场强度情况示意图。(为清楚显示，图中将Len的单位转换为mm、将B的单位转换为mT)
图3中a是表示导电金属带位于对应外层磁体中心的位置处的模型示意图；b是a中的外层磁体内各个位置的磁场强度计算值曲线与仿真值曲线示意图，图4中a是表示导电金属带位于对应外层磁体偏离中心5mm的位置处的模型示意图；b是a中的外层磁体内各个位置的磁场强度计算值曲线与仿真值曲线示意图；
由图3-图4可以看到，根据公式计算出磁场强度和Q2D软件仿真结果进行对比，仿真结果和计算结果基本吻合，验证了本发明提出的电感模型和公式的正确性及可靠性。
如图5中b所示，为一种高能量密度叠层电感实施例1，包括两个并列设置的外层磁体，两个外层磁体之间设有若干并列布置的表面积与外层磁体表面积相等且厚度等于外层磁体的中部磁芯，相邻中部磁芯之间、外层磁体和最上部的中部磁芯之间以及最下部的中部磁芯和外层磁体之间都设有至少一条导电金属带，导电金属带为多条时彼此之间相互绝缘，相邻中部磁芯之间、外层磁体与中部磁芯之间除导电金属带外为空气或相对磁导率不大于10的绝缘物质；在相邻中部磁芯之间或外层磁体与中部磁芯之间的每条导电金属带的每一直段在对应的相邻中部磁芯之间或外层磁体与中部磁芯之间任意位置产生的磁动势F、磁通Φ、磁场强度B满足以下方程：
其中，磁动势F单位为AT，磁通Φ单位为Wb；磁场强度B单位为T；x为以该导电金属带的相应直段的中心为原点、以平行于外层磁体且垂直于导电金属带长度方向为横轴建立坐标系后在对应的相邻中部磁芯之间或外层磁体与中部磁芯之间任意点到坐标系纵轴的横向距离，单位为m，Ac为外层磁体的上表面积，单位为m2；γ和Z0为材料的固有属性，F(+)，F(-)分别为正向和反射的磁势大小。γ、Z0、F(+)和F(-)均为常数，表达式如下：
其中，R为磁阻，单位为H，G为磁导，单位为1/H，μc为磁芯的相对磁导率，Thick为磁芯的厚度，单位为m，Gap为对应的相邻两个中部磁芯之间或外层磁体与中部磁芯之间的间隙高度，单位为m，Len是磁芯的宽度，单位为m，μ0为真空磁导率，I为输入电流，单位为A。
如图5中c所示，为一种高能量密度叠层电感实施例2，其与高能量密度叠层电感实施例1的差别在于中部磁芯厚度小于外层磁体的厚度。
如图5中a所示为电感单元的简单并联示意图；如图5中b所示为中部磁芯与外层磁体厚度相同的叠层电感示意图；如图5中c所示为中部磁芯厚度小于外层磁体厚度的叠层电感示意图；
如图6中a所示为电感单元的简单并联的并联叠层数量与标准化能量密度的示意曲线。如图6中b所示为中部磁芯与外层磁体厚度相同的叠层电感的叠层数量与标准化能量密度的示意曲线。如图6中c所示为中部磁芯厚度小于外层磁体厚度的叠层电感的叠层数量与标准化能量密度的示意曲线。且取外层磁体5mm厚度，Gap为0.5mm，中部磁芯厚度为0.2mm。由图6可以看到，在叠层数量N＝20的情况下，b方案将能量密度提升了约1.8倍，c方案将能量密度提升了约8.8倍。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
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