本技術屬于磁性元器件，具體涉及一種級聯磁性元件。

背景技術：

1、傳統磁性元件(包括但不限于電感，變壓器)的體積較大，使得系統內產生大量空間浪費，需要消耗大量時間進行合理的選型和裝配。現有磁性元件能夠有效減小系統體積，將磁性元件級聯化，并提高磁性元件工作頻率，降低磁芯損耗。相對于傳統磁性元件而言，級聯磁性元件能量密度更高，工作頻率更高，損耗更低。

2、但是，簡單地將磁性元件級聯化會帶來電磁熱耦合的挑戰：高頻作用下：

3、(1)當銅材料物理尺寸超過銅材料在工作頻率下的集膚深度時，導線內部會發生明顯的渦流效應，導致電流僅僅分布在導線表面，增加損耗的同時降低磁性元件值的大小。從材料上說，銅材料導電性更好，根據集膚深度公式銅材料的集膚深度更小，集膚效應更嚴重。δ(集膚深度):表示導體中電流密度下降到表面電流密度的1/e(大約36.8％)所對應的深度。單位為米(m)。ρ(電阻率):導體材料的電阻率，表示材料對電流流動的阻力。單位為歐姆米(ω·m)。f(頻率):交流電的頻率。單位為赫茲(hz)。μr(相對磁導率):材料的磁導率與真空磁導率μ0的比值。μ0(真空磁導率):真空的磁導率，約等于4π×10-7亨利每米(h/m)。

4、(2)由于材料磁導率很高，自諧振頻率很低，無法正常應用于較高頻率下。(磁性元件的自諧振頻率由磁性元件和其寄生電容決定。一般來說，磁性元器件的第一諧振頻率越高越好，因為這意味著磁性元件器可以在更寬的頻率范圍內工作，而不會受到寄生電容的影響。如果工作頻率接近或高于第一諧振頻率，磁性元件器就會表現得像電容器而不是磁性元件器，其阻抗會隨著頻率的增加而減小。這可能會造成信號衰減、失真或干擾等不必要的影響。很多磁性元件制造商會根據在工作頻率之下選擇自諧振頻率的十分之一作為磁性元件應用的最大頻率，所以自諧振頻率越高，磁性元件可應用的工作頻率越高)

5、(3)材料在高頻下磁芯損耗增高，磁材料渦流損耗嚴重。

6、磁材料的級聯化：鐵氧體材料機械特性較脆，無法制成磁性元件材料。

技術實現思路

1、本實用新型的目的在于提供一種適用于高頻下具有高能量密度、低損耗的級聯磁性元件(包括但不限于電感，變壓器)。

2、本實用新型提供的級聯磁性元件(包括但不限于電感，變壓器)，由多個磁性元件堆疊形成級聯式磁性元件；其中，每個磁性元件包括磁性材料構成的磁芯、繞組，每個磁性元件作了扁平化處理，具體地，寬度與厚度之比大于10；相鄰兩層磁性元件之間、繞組的兩側設有氣隙；

3、圖1為多個磁性器件堆疊結構、其電流和磁場強度方向示意圖，黃色為繞組電流，灰色為磁性材料結構，組合為級聯式磁性元件結構。級聯磁性元件的每個磁性元件的截面圖如圖2所述。其3d模型如圖3所示。其中，銅箔(繞組)，其寬度為m，厚度為d，半長軸為a，半短軸為b；隙長度為lg；堆疊層厚度(磁材料厚度)為l1。

4、參考圖2，為了解決高頻條件下集膚效應影響電流分布不均的問題，設計銅箔厚度。具體地，根據集膚深度公式可以計算銅導線在工作頻率下的集膚深度；其中，ρ為導體材料的電阻率，單位為歐姆米(ω·m)，f交流電的頻率，單位為赫茲，μ0真空的磁導率，約等于4π×10-7亨利每米(h/m)，μr為材料的磁導率與真空磁導率的比值。

5、本實用新型中，取兩倍及兩倍以上的集膚深度作為銅箔的厚度。

6、根據設計參數確定氣隙長度，得到遠小于磁導率的等效磁導率，提高磁性元件的能量密度極限。根據設計要求想要的有效磁導率，磁芯等效磁導率由磁材料與氣隙共同決定；

7、

8、其中，lm為平均總磁路長度，lg為氣隙長度，μeffr為等效相對磁導率，μcr為相對磁導率。lc為磁芯磁路長度。

9、氣隙決定了整體磁芯的能量密度的極限，根據所需的有效磁導率和磁材料的磁導率計算獲得氣隙長度。

10、根據不同的參數需求，級聯磁性元件的維度參數，銅箔厚度等均可相應調整。參數包括：磁性元件值；直流電阻；飽和電流；工作頻率等

11、本實用新型技術特點和功能優勢：

12、本實用新型通過將磁性元件結構的扁平化、級聯化處理，從而解決如下問題：

13、(1)級聯式磁性器件的結構，多個磁性器件單元的堆疊，實現中間層磁場相互抵消，可以減小中間夾層磁性材料厚度，減小整個磁性元件的總體積，提高磁性器件的集成度和能量密度。堆疊結構層與層間的分布式氣隙結構減小磁性元件的損耗，并提高總體的儲能密度。

14、(2)二維化設計，根據對磁芯材料內部電磁場的理論分析，發現材料磁截面越扁平磁性元件自諧振頻率越高，通過計算獲得相同磁性元件值下最大長寬比，可以提高材料自諧振頻率約兩倍。具體地，根據所需磁性元件值，和材料飽和磁通密度可以計算獲得磁芯截面積和磁通周長。根據圖1，維度參數之間的相互約束量，以及直流電阻的要求，可以計算出滿足設計參數的最大長寬比滿足二維結構；

15、(3)氣隙在本設計中開在兩側，形成結構的級聯磁性元件。圖1所示是級聯磁性元件的分布式氣隙結構。如圖2所示單個單元氣隙位置，通過加入氣隙，整體磁芯的有效磁導率遠小于磁材料的磁導率，提高磁性元件儲能的能量密度極限。

16、(4)降低渦流損耗。根據磁芯扁平化設計，材料內部產生的寄生電場即渦流損耗的源降低，進一步降低損耗。扁平化的磁截面設計，束縛電場在截面上以近似矩形的分布，計算截面上電場能量，即渦流損耗源。磁芯的渦流損耗是內部電場形成的渦流產生，通過降低電場能量，進一步減小渦流損耗

技術特征：

1.一種級聯磁性元件，其特征在于，由多個磁性元件堆疊形成級聯式磁性元件；其中，每個磁性元件包括磁性材料構成的磁芯、繞組，每個磁性元件作扁平化處理，寬度與厚度之比大于10；相鄰兩層磁性元件之間、繞組的兩側設有氣隙；

2.根據權利要求1所述的級聯磁性元件，其特征在于，所述銅箔厚度取兩倍及兩倍以上的集膚深度；集膚深度公式：

3.根據權利要求1所述的級聯磁性元件，其特征在于，所述氣隙長度lg根據所需的有效磁導率和磁材料的磁導率計算獲得：

4.根據權利要求1-3之一所述的級聯磁性元件，其特征在于，所述磁性元件為電感、變壓器。

技術總結
本技術屬于磁性元器件技術領域，具體涉及一種級聯磁性元件。本技術為由多個磁性元件堆疊形成級聯式磁性元件；每個磁性元件包括磁性材料構成的磁芯、繞組，每個磁性元件作扁平化處理，其寬度與厚度比大于10；相鄰兩層磁性元件之間、繞組的兩側設有氣隙；本技術可實現高頻下的高效能量轉換，提高磁性元件的諧振頻率和能量密度，降低渦流損耗。

技術研發人員：張榮榮,趙暉,劉克富,邱劍
受保護的技術使用者：復旦大學
技術研發日：20240611
技術公布日：2025/4/28