一种模块化磁性元件以及电源组件的制作方法

1.本实用新型涉及车载电源，具体涉及车载电源磁性元件。


背景技术：

2.新能源的汽车的高速发展，对车载电源的要求越来越高，对大功率车载电源已成必然趋势。新能源汽车的高续航里程，以及人们对大空间的需求，势必使得主机厂对车载电源提出更高功率密度的需求，从而导致车载电源更小质量、更小体积需求与更大功率需求之间的矛盾日日益突出。
3.现有方案中，车载电源磁性元件与pcb印刷电路板之间在构成以及布置方案上相互独立，这样大大增加了整体产品的体积。
4.针对车载电源工作电压范围越来越大，现有方案中，针对不同电压范围采用不同磁元件来满足；同时针对车载电源的不同功率需求，现有方案中也是通过设计不同磁元件来满足不同功率需求。现有车载电源磁性元件的通用性差，大大增加车载电源的设计与使用成本。
5.由此可见，如何有效降低车载电源磁性元件产品的体积以及提高车载电源磁性元件的通用性，通过一种磁性元件结构来满足更大的工作电压范围以及满足不同的功率需求，为本领域亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.针对现有车载电源磁性元件所存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种模块化磁性元件，本方案创新将通过磁性元件与pcb进行有机组合，并将磁性元件模块化，有效降低采用磁性元件产品体积，同时还有效解决了车载电源磁性元件通用性的问题；本实用新型还进一步提供采用该模块化磁性元件的电源组件。
7.为了达到上述目的，本实用新型提供的模块化磁性元件，包括至少一个磁芯以及电路板，所述电路板中的铜箔走线直接形成至少一组原边绕组线圈与副边绕组线圈，所述至少一个磁芯直接安置在所述电路板中，并与其上的至少一组原边绕组线圈与副边绕组线圈配合形成至少一组磁性元件。
8.进一步的，所述磁芯由第一磁芯件与第二磁芯件配合构成。
9.进一步的，形成的二组及以上磁性元件之间为串联结构。
10.进一步的，所述电路板中将原、副边绕组线圈分布在印刷电路板的各层中，不同层的绕组线圈之间通过过孔相互连接，以形成原、副边绕组。
11.进一步的，所述形成的磁性元件中原边侧端子与副边侧端子完全对称。
12.进一步的，所述电路板上对应于形成的绕组线圈设置有相应的磁芯安置槽。
13.进一步的，所述磁性元件安置在磁芯安置槽中，并能够穿过分布在所述电路板中的绕组线圈。
14.为了达到上述目的，本实用新型提供的电源组件中采用上述的模块化磁性元件。
15.本实用新型提供的模块化磁性元件方案相对于现有方案，具有如下技术优点：
16.(1)相对于现有车载电源产品中将磁性元件器件与pcb分开，彼此相互独立存在的设计方案；本模块化磁性元件方案创新的将磁性元件器件与pcb有机集成在一起，本方案直接用pcb铜箔走线代替磁性元件的绕组线圈，从而减少线圈的体积，并且也省去磁性元件与pcb连接装置，减小磁性元件占用产品体积比；同时也让绕组线圈绕制得到更加标准化，规范化操作，让磁性元件的公差更小。
17.(2)相对于现有车载电源产品，随着电源功率的变化，需要从新设计新的磁性元件来满足电源新的功率、电压需求；本模块化磁性元件将磁性元件模块化，标准化，从而可将模块化的磁性元件作为一个基本单元用于后期设计，使得磁性结构细胞化，这样能够实现根据功率的要求进行模块数量的堆加，以满足不同的设计需求，实现根据不同功率需求，叠加不同数量的本模块化磁性元件，来满足实际需求，大大提高通用性。
附图说明
18.以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本实用新型。
19.图1为本实用新型实例中形成的一组模块化磁性元件的原理示例图；
20.图2为本实用新型实例中形成的三组模块化磁性元件的原理示例图；
21.图3为本实用新型实例中串联结构的三组模块化磁性元件示例图；
22.图4为本实用新型实例中单组模块化磁性元件(第一磁性元件)的结构示例图；
23.图5为本实用新型实例中单组模块化磁性元件(第一磁性元件)安装爆炸图；
24.图6为本实用新型实例中辅助安装塑料件的侧视图；
25.图7为本实用新型实例中辅助安装塑料件的俯视图；
26.图8为本实用新型实例中单组模块化磁性元件(第一磁性元件)中每层绕组的示例图；
27.图9为本实用新型实例中单组模块化磁性元件(第一磁性元件)中pcb模组单元的结构示例图；
28.图10为本实用新型实例中单组模块化磁性元件(第一磁性元件)的结构示例图。
具体实施方式
29.为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。
30.本方案给出模块化磁性元件方案，创新的将磁芯与产品电路板(以下简称pcb)进行有机结合，大大减小磁性元件的体积；在此基础上同时实现将磁性元件模块化，能够用同一种磁性元件结构，满足不同功率或电压需求，大大提高通用性与实用性，由此解决功率磁性元件的固定功率限制的问题。
31.据此，本方案给出的模块化磁性元件主要由至少一个磁芯与相应的电路板配合构成。
32.这里的电路板为相应的产品电路板，即pcb，作为举例，可以为车载电源产品的pcb。
33.对于该pcb的具体构成此处不加以限定，具体可根据实际需求而定。
34.本方案通过pcb中的铜箔走线直接形成至少一组绕组线圈，与此同时至少一个磁芯直接安置在所述电路板中，并与其上的至少一组绕组线圈配合形成至少一组磁性元件。
35.本方案中的磁芯结构，可根据实际需求而定，此处不加以限定。
36.本方案通过用pcb走线替代磁性元件原有的绕组线圈，实现磁性元件与pcb的有机结合，有效减小磁性元件的体积。同时通过pcb与磁芯的标准化生产，实现磁性元件的标准化，从而实现磁性元件的模块化，根据不同功率，以及耐压需求，选择不同数量的模块进行串联，来满足需求。
37.以下具体说明一下本方案的实施方式。
38.具体的，本方案在产品pcb上，直接通过pcb中的布置铜箔走线形成构成磁性元件的组绕组线圈。
39.参见图1与图2所示，基于pcb多层结构，本方案将绕组线圈的原、副边绕组直接分布在pcb的各层中，不同层的绕组通过过孔相互连接，以形成相应的原、副边绕组。
40.以图1与图2所示方案为例，通过pcb layout方式，将绕组线圈的原、副边绕组直接成型并分布在pcb的各层中，以形成相互配合的绕组线圈的原、副边绕组。
41.作为举例，在原边绕组，可通过开关元件s1，s2，s3，s4构成原边h桥，同时桥臂中点与磁件端子连接。这里的开关元件s1，s2，s3，s4可由相应的mosfet构成，但不限于此。
42.与之配合的，同时在副边绕组，同样可通过开关元件s5，s6，s7，s8构成副边sr h桥，桥臂中点与磁件端子连接。这里的开关元件s5，s6，s7，s8可由相应的mosfet构成，但不限于此。
43.如此设置，能够使得形成的方案中所有原副边均为全桥拓扑结构，从而有效提高整个磁性元件稳定性。
44.进一步的，为了便于pcb与磁芯之间的结合，本方案以layout方式在pcb上通过pcb中的铜箔走线形成构成磁性元件的绕组线圈。
45.在此基础上，本方案还根据采用磁芯的结构，在pcb上对应于pcb中成型的绕组线圈的分布结构，开设相应的卡槽，用于安置相应的磁芯，使得相应的磁芯能够通过卡槽相互连接，并穿过绕组。
46.这里对于卡槽的具体结构形式不加以限定，可根据实际需求而定，只要能够稳定安置相应的磁芯即可。
47.对于本方案中为配合pcb layout结构形式的绕组线圈，所采用磁芯的具体结构方案，此处不加以限定，具体可根据实际需求而定。作为举例，这里可以采用e型磁芯结构。
48.在一些具体实施方式中，本方案在pcb上采用pcb layout方式，直接通过pcb中的铜箔走线形成构成磁性元件的组绕组线圈时，可以只形成一组绕组线圈，这样配合一磁芯l1，形成一组模块化磁性元件，如图1所示。
49.在一些具体实施方式中，根据设计需要还可以在pcb上由铜箔走线直接形成二组及以上绕组线圈，同时使得形成的二组及以上绕组线圈之间为串联结构；每组绕组线圈在配合一磁芯l1，将形成二组及以上的串联结构的模块化磁性元件，如图2所示。
50.这里以图2所示方案为例来具体说明一下本方案的应用实施过程。
51.参见图2，其所示为三组串联结构的模块化磁性元件，具体包括三组模块化磁性元件：第一组模块化磁性元件、第二组模块化磁性元件、以及第三组模块化磁性元件。
52.其中，第一组模块化磁性元件由第一绕组线圈配合第一磁芯l1构成；第二组模块化磁性元件由第二绕组线圈配合第二磁芯l2构成；第三组模块化磁性元件由第三绕组线圈配合第三磁芯l3构成。
53.同时第一绕组线圈的原边与第二绕组线圈的原边以及第三绕组线圈的原边依次连接形成串联结构；而第一绕组线圈的副边与第二绕组线圈的副边以及第三绕组线圈的副边依次连接形成串联结构；在配合设置第一磁芯l1、第二磁芯l2以及第三磁芯l3，形成三组串联结构的模块化磁性元件。
54.这里需要说明的，对于多组模块化磁性元件之间的副边也可以根据不同的需要，整流后并联。
55.由此形成的模块化磁性元件在进行工作时，pcb中以铜箔走线形成的绕组线圈流过电流，产生磁场，相应的磁芯安装在pcb绕组线圈中间，绕组线圈产生的磁场在磁芯中运行，基于该磁场，实现原、副边之间的能量传输。
56.基于磁性元件的模块化设计，实际应用时，可根据不同功率，以及耐压需求，选择不同数量的模块进行串联，来满足需求。
57.作为举例，基于本方案形成的每个模块化的磁性元件功率为a，在面临磁性元件功率为b的需求时，那么需要选择的模块化磁性元件的数量优选为b/a的倍数向上取整。
58.再者，本实用新型给出的模块化磁性元件方案在实际应用时，相应的pcb布局走线时，优选使得磁性元件一次侧端子，磁性元件二次侧端子，均是完全对称，这样能够保证磁性元件串联时，彼此可以均压，从而保证每一个都可以正常工作。
59.本实用新型给出的模块化磁性元件方案在实际应用时，直接在pcb上采用pcb layout方式，直接通过pcb中的铜箔走线形成构成磁性元件的组绕组线圈，加工精度一般可达到0.1m以上而且一致性特别好，能够有效克服现有分立式磁性元件的绕组线圈基于人工绕制所存在的公差大，成本高的问题。
60.以下通过实例方案来进一步说明本实用新型给出的模块化磁性元件方案。
61.本实例基于本实用新型的方案形成一种串联结构的三组模块化磁性元件组件。
62.参见图3，其所示为本实例给出的串联结构的三组模块化磁性元件组件构成示例。
63.由图可知，本实例给出的三组模块化磁性元件组件由第一磁性元件100、第二磁性元件200、第三磁性元件300成型在pcb模组400上，并依次串联形成。
64.具体的，本实例在pcb模组400上基于前述方案，直接通过pcb中布置铜箔走线形成构成磁性元件的绕组线圈，并分布在pcb的各层中，同时不同层的绕组通过过孔相互连接，以形成相应的原、副边绕组。
65.在此基础上，采用相应的磁芯安置在pcb上，并与成型在pcb板中的绕组配合形成相应的磁性元件。
66.以pcb layout方式成型在pcb中的绕组线圈，呈水平状分布在pcb各层中。为了实现如此分布的绕组线圈能够与后续安置在pcb模组400上的磁芯相配配合，形成相应的磁性元件，本实例在pcb模组400上对应于每个绕组线圈分布的区域，即对应于每个绕组线圈中间区域的位置，形成相应的磁芯安置槽。即形成的磁芯安置槽分布在相应绕组线圈的中间区域。
67.进一步的，所形成的磁芯安置槽的延伸分布将穿过对应的绕组线圈中间区域。作
为优选，该磁芯安置槽采用槽孔结构，由此贯穿对应绕组线圈中间区域。
68.在此基础上，本实例采用相应的磁芯，并将磁芯安置在pcb模组400上对应于绕组线圈形成的磁芯安置槽中，由此实现与pcb模组400中分布的绕组线圈配合，形成相应的磁性元件。
69.针对绕组线圈预先通过pcb中布置铜箔走线的形式分布在pcb模组400中各层中结构形式，本实例中每个磁性元件中的磁芯优选采用两组磁芯件进行配合安置在pcb模组400上的磁芯安置槽中，继而实现与pcb模组400中各绕组线圈配合。
70.具体的，每个磁性元件中，其磁芯包括两组磁芯件，这两组磁芯件分别从pcb模组400两侧对应的安置在pcb模组400上相应的磁芯安置槽中，这样两组磁芯件通过pcb模组400上相应的磁芯安置槽配合形成一个完整的磁芯；与此同时，磁芯也将同步穿过分布在pcb模组400各层中的绕组线圈，实现与绕组线圈配合。
71.这里以第一磁性元件100为例来说明一下本实例中磁性元件的具体构成。
72.参见图4，其所示为本实例中第一磁性元件100的侧视示例图。
73.由图可知，本第一磁性元件100主要由第一磁芯110与分布在pcb模组400各层中的第一绕组线圈120配合构成。
74.进一步参见图5，其所示为本实例中第一磁性元件100的安装爆炸示例图。
75.由图可知，本第一磁性元件100中的第一磁芯110包括第一磁芯件111、第二磁芯件112。
76.在进行组合形成第一磁性元件100时，第一磁芯件111与第二磁芯件112分别从pcb模组400两侧对应的安置在pcb模组400上对应于第一绕组线圈120的磁芯安置槽中，这样第一磁芯件111与第二磁芯件112将通过pcb模组400上相应的磁芯安置槽配合形成一个完整的第一磁芯110；与此同时，组合后的磁芯也将同步穿过预先成型分布在pcb模组400各层中的第一绕组线圈120，使得预先成型分布在pcb模组400各层中的第一绕组线圈120能够相对于磁芯呈缠绕状分布(如图4所示)，实现第一磁芯110与第一绕组线圈120的有机配合。
77.为了提高第一磁芯件111与第二磁芯件112在pcb模组400上安置的精确性以及可靠性，本实例针对第一磁芯件111与第二磁芯件112分别配置一个第一塑料件113以及第二塑料件114。通过第一塑料件113与第一磁芯件111进行配合，对第一磁芯件111在pcb模组400上安装时进行定位；通过第二塑料件114与第二磁芯件112进行配合，对第二磁芯件112在pcb模组400上安装时进行定位。
78.由于本实例中第一绕组线圈120通过pcb中布置铜箔走线的形式预先分布在pcb模组400中各层中。在本实例的一些实施方式中，构成第一磁芯110的第一磁芯件111与第二磁芯件112优选采用e型磁芯(如图5所示)，由此来构成第一磁芯110时，既能够与第一绕组线圈120进行稳定配合，能够保证形成的第一磁芯110的稳定性。这里对于采用的e型磁芯的具体规格不加以限定，可依据实际设计需求而定。
79.针对e型磁芯的结构，本实例中采用三孔结构的塑料件来对相应的磁芯进行定位，保证磁芯安装的精准性与可靠性。
80.这里以配合于第一磁芯件111的第一塑料件113为例，来说明一下本实例中采用到的塑料件的构成。
81.参见图6-7，本实例中的第一塑料件113整体为对应于第一磁芯件111的长方形结
构，同时在其上对应于呈e形状的第一磁芯件111的部位开设有三个定位孔113a、113b、113c。
82.如此结构的第一塑料件113安置在pcb模组400上对应于第一绕组线圈120的磁芯安置槽中，同时通过其上的三个定位孔113a、113b、113c分别与第一磁芯件111上呈e形状三个凸齿配合，对第一磁芯件111的安装形成精确定位。
83.本第一磁性元件100中的第一绕组线圈120，如上所述，以layout方式在pcb模组400中通过相应的铜箔走线形成构成在pcb模组400的各层中。
84.参见图8，其所示为本实例中第一磁性元件100中第一绕组线圈120的构成示例。
85.本实例中pcb模组400采用6层的pcb板构成，在每层中基于相应的铜箔走线分别形成一个铜箔线圈，从而在pcb模组400中形成6个分布在不同层的铜箔线圈，构成对应的绕组：绕组121、绕组122、绕组123、绕组124、绕组125、绕组126。对于这6个绕组具体分别分布在pcb模组400中具体哪一层，这里不加以限定，可依据实际设计需求而定。
86.同时，在pcb模组400中与绕组121连通有过孔121a与121b；与绕组122连通有过孔122a与122b；与绕组123连通有过孔123a与123b；与绕组124连通有过孔124a、124b与124c；与绕组125连通有过孔125a与125b；与绕组126连通有过孔126a与126b。
87.进一步的，这6个绕组中，绕组121与绕组122之间通过过孔121b与122a相互连通，由此构成第一绕组线圈120中的原边线圈；
88.而绕组123与绕组124之间通过过孔123b与过孔124b相互连通；绕组124与绕组125之间通过过孔124c与过孔125a相互连通；绕组125与绕组126之间通过过孔125b与过孔126a相互连接；由此绕组123、绕组124、绕组125、绕组126之间依次连通配合构成第一绕组线圈120中的副边绕组线圈。
89.据此在pcb模组400中构成了完整的第一原副边绕组模块(即第一绕组线圈120)。
90.由此形成的第一原副边绕组模块(即第一绕组线圈120)中，采用原副边匝比为1:2，实际操作时，并不限于此，可以根据需要对应修改所需基本单元匝比，以完成设计的最优化。
91.进一步参见图9，其所示为本实例中基于图8给出的第一绕组线圈120方案所形成第一pcb模组单元410，该第一pcb模组单元410为pcb模组400上对应于第一磁性元件100的单元部分。
92.在此基础上，为配合第一磁性元件100的安置，本第一pcb模组单元410上在对应于内部各层分布的绕组，设置有相应的第一磁芯安置槽411、第二磁芯安置槽412以及第三磁芯安置槽413。
93.这里对于第一磁芯安置槽411、第二磁芯安置槽412以及第三磁芯安置槽413的结构形式以及分布方式，就不加以限定，可根据实际设计需求进行调整或优化。
94.在该第一pcb模组单元410的基础上，本实例即可采用前述的e型第一磁芯件111与第二磁芯件112来组装形成第一磁性元件100。
95.结合图4、5以及图9所示，在进行组合时，在第一pcb模组单元410上的两侧面上对应于第一磁芯安置槽411、第二磁芯安置槽412以及第三磁芯安置槽413分别安置相应的第一塑料件113以及第二塑料件114(如图7所示)。
96.接着，将第一磁芯件111与第二磁芯件112分别从第一pcb模组410两侧通过相应的
的第一塑料件113以及第二塑料件114安置在第一pcb模组410上相应的芯片安置槽中(如图5所示)。
97.这样第一磁芯件111与第二磁芯件112将通过第一pcb模组410上相应的磁芯安置槽配合形成一个完整的第一磁芯110；与此同时，组合后的第一磁芯110也将同步穿过预先成型分布在第一pcb模组410各层中的第一绕组线圈120，使得预先成型分布在第一pcb模组410各层中的第一绕组线圈120能够相对于磁芯呈缠绕状分布(如图4所示)，实现第一磁芯110与第一绕组线圈120的有机配合。
98.由此形成即可形成第一磁性元件100(如图10所示)。
99.作为进一步的优化方案，参见,9，本实例还在构成第一磁性元件100的第一pcb模组单元410上设置相应的磁性元件原边侧端子416与417，以及磁性元件副边侧端子414与415。
100.这里的磁性元件原边侧端子416与417设置在第一pcb模组单元410上，并分别通过过孔121a与分布在第一pcb模组单元410中绕组121连通，以及通过过孔122b与绕组122连通；由此实现与分布在第一pcb模组单元410中的原边边线圈两端连通。
101.与此同时，磁性元件副边侧端子414与415也对应的设置在第一pcb模组单元410上，并分别通过过孔123a与分布在第一pcb模组单元410中绕组123连通，以及通过过孔126b与绕组126连通；由此实现与分布在第一pcb模组单元410中的副边绕组线圈的两端连通。
102.进一步的，这里的磁性元件原边侧端子416与417，以及磁性元件副边侧端子414与415，两者均是完全对称，由此保证所形成的磁性元件串联时，彼此可以均压，从而保证每一个都可以正常工作。
103.基于本实例给出的第一磁性元件100具体构成方案，可进一步形成第二磁性元件200与第三磁性元件300，据此过程如上所述，此处不加以赘述。
104.这样所形成的第一磁性元件100、第二磁性元件200与第三磁性元件300之间直接进行串联即可形成本实例给出的串联结构的三组模块化磁性元件组件(如图3所示)，对应于图2所示的原理，串接的第一磁性元件100、第二磁性元件200与第三磁性元件300，形成相应的成能量传输的桥梁。
105.由上实例可知，本实用新型方案创新的在pcb中直接通过pcb铜箔走线预先在pcb中成型相应的绕组线圈，即通过用pcb走线替代原磁性元件的绕组线圈，实现磁性元件与pcb的结合，来减小磁性元件的体积。同时也让线圈绕制得到了更加标准化，规范化操作，让磁性元件的公差更小。
106.再者，本实用新型方案能够通过pcb与磁芯的标准化生产，实现磁性元件(如上述实例中的第一磁性元件100等)的标准化，从而实现磁性元件的模块化，根据不同功率，以及耐压需求，选择不同数量的模块进行串联，来满足需求，大大提高应用的便捷性与可靠性。
107.进一步的，该模块化的磁性元件在应用到相应的电源组件时，能够大大减少电源组件的体积，并且使得电源组件能够根据实际应用需求(如不同功率，以及耐压需求)，直接选择电源组件中不同数量的模块进行串联，进行便捷调整，适用于不同工况。
108.以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还
会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。