磁芯与应用其的磁性元件 |
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| 申请号 | CN201310147928.8 | 申请日 | 2013-04-25 | 公开(公告)号 | CN104124040B | 公开(公告)日 | 2017-05-17 |
| 申请人 | 台达电子工业股份有限公司; | 发明人 | 刘腾; 代克; 代明辉; | ||||
| 摘要 | 本 发明 揭露一种磁芯与应用其的 磁性 元件。磁芯包含相连的第一磁性材料与不均匀填充段，磁芯具有磁通方向，其中不均匀填充段于垂直于磁通方向的剖面包含至少二磁性材料。相较于采用均匀填充方式的磁芯，具有不均匀填充段的磁芯可以提供更高的初始电感量、更好的DC bias特性，以在特定的需求负载下提供更高的电感量，或是在提供相同电感量的情况下，产生更小的损耗。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种磁芯，所述磁芯具有一磁通方向，其特征在于：所述磁芯包含多个磁柱以及多个盖板，并包含相连的一第一磁性材料与至少一不均匀填充段，其中所述不均匀填充段位于所述磁柱与所述盖板连接处的转角，且所述不均匀填充段于垂直于所述不均匀填充段中所述磁通方向的剖面包含至少二初始磁导率不同的磁性材料。 |
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| 说明书全文 | 磁芯与应用其的磁性元件技术领域[0001] 本发明是有关于一种磁性元件，且特别是有关于一种磁芯。 背景技术[0002] 一般磁性元件，例如电感，变压器，都包含有形成闭合磁通通路的磁芯和绕在磁芯上的线圈绕组。图1A至图1C分别绘示了一种传统的磁性元件10，磁性元件10包含有磁芯20以及绕在磁芯20上的线圈绕组30，其中磁芯20包含有多个磁柱22以及用以连接磁柱22以形成封闭磁性通路的盖板24。盖板24相互平行地设置于磁柱22之间，且位于磁柱22的相对两侧。磁芯20具有一磁通方向M，该磁通方向M通过左、右磁柱，上、下盖板以形成磁通通路。磁性元件还包括一线圈绕组30，该线圈绕组30绕设于磁柱22上。 [0003] 现有的磁芯20多半是采用均匀填充的方式制作而成。所谓的均匀填充是指磁芯20于垂直于磁通方向M的剖面均由相同的磁性材料组成，例如磁芯20可以仅用单一种磁性材料(如图1A所示)组成；一直都是由两种磁性材料并联的组成(如图1B所示)；或是由两种磁性材料串联拼接而成(如图1C所示)。 [0004] 由于磁性材料的磁导率会随着磁场强度的增强而减小，一般电抗器或电感的电感量会随着其直流偏置电流的增加而减小，若在负载电流的直流分量很大的情况下，保持的电感量越高，与初始电感量（电感流过电流为0时的电感量）之间的变化越小，称其DC bias特性越佳。而在负载电流的直流分量很大的情况下，如何保持较佳的DC bias特性便成为一个课题。 发明内容[0005] 因此本发明的目的就是在提供一种磁芯，用以提供磁性元件较高的初始电感量以及较佳的DC bias特性。 [0006] 本发明的一方面为一种磁芯，其具有一磁通方向。磁芯包含相连的一第一磁性材料与至少一不均匀填充段，不均匀填充段于垂直于磁通方向的剖面包含至少二初始磁导率不同的磁性材料。本发明的另一方面为一种应用此磁芯的磁性元件，包括前述的磁芯和线圈绕组，线圈绕组绕设于磁芯的磁柱。 [0007] 本发明的又一方面为一种磁芯，磁芯包含多个磁柱与多个盖板并具有一磁通方向，磁芯包含第一磁性材料与位于磁柱与盖板连接处的转角的不均匀填充段。不均匀填充段包含初始磁导率不同的第二磁性材料与第三磁性材料，其中第二磁性材料位于磁芯的外侧，第三磁性材料位于所述磁芯的内侧。本发明的另一方面为一种应用此磁芯的磁性元件，包括前述的磁芯和线圈绕组，线圈绕组绕设于磁芯的磁柱。 [0008] 相较于采用均匀填充方式的磁芯，具有不均匀填充段的磁芯的磁性元件可以提供更高的初始电感量、更好的DC bias特性，以在特定的需求负载下提供更高的电感量，或是在提供相同电感量的情况下，产生更小的损耗。附图说明 [0009] 为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的详细说明如下： [0010] 图1A至图1C分别为传统的磁性元件的剖面示意图； [0011] 图2绘示本发明的磁性元件一实施例的剖面示意图； [0012] 图3A绘示图2的第一磁性材料于垂直于磁通方向的剖面示意图； [0013] 图3B绘示图2的不均匀填充段于垂直于磁通方向的剖面示意图； [0014] 图4A为传统采用均匀填充方式的磁芯示意图； [0015] 图4B则为采用本发明的不均匀填充的磁芯示意图； [0016] 图5A为图4A与图4B的采用传统均匀填充的磁性元件与本发明的采用不均匀填充段的磁性元件一实施例的感量随电流变化的仿真结果； [0017] 图5B为图4A与图4B的传统均匀填充的磁性元件与本发明的采用不均匀填充段的磁性元件另一实施例的感量随电流变化的仿真结果； [0018] 图6至图8分别绘示本发明的磁性元件不同实施例的剖面示意图； [0019] 图9为图4A与图8的采用传统均匀填充的磁性元件与本发明的采用不均匀填充段的磁性元件一实施例的感量随电流变化的仿真结果； [0020] 图10至图22分别绘示本发明的磁性元件不同实施例的剖面示意图。 [0021] 【主要元件符号说明】 [0022] 10：磁性元件 [0023] 20：磁芯 [0024] 21：第一部分 [0025] 22：磁柱 [0026] 23：第二部分 [0027] 24：盖板 [0028] 30：线圈绕组 [0029] 100：磁性元件 [0030] 110：磁芯 [0031] 112：磁柱 [0032] 114：盖板 [0033] 120：第一磁性材料 [0034] 130：不均匀填充段 [0035] 132：第二磁性材料 [0036] 134：第三磁性材料 [0037] 190：线圈绕组 [0038] M、M’：磁通方向 [0039] M1、M2：磁通通路 具体实施方式[0040] 以下将以附图及详细说明清楚说明本发明的精神，任何所属技术领域中具有通常知识者在了解本发明的较佳实施例后，当可由本发明所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明的精神与范围。 [0041] 相较于现有使用均匀填充所制作而成的磁芯，本发明提出了一种采用不均匀填充概念的磁芯，通过改变磁芯的材料配置关系，以提供更高的初始电感量、更好的DC bias特性。本发明所指的不均匀填充，是相对于前述的均匀填充而言，不均匀填充是指磁芯于垂直于磁通方向M的一剖面仅包含一种磁性材料，而该磁芯于垂直于磁通方向M的另一剖面包含有至少两种初始磁导率不同的磁性材料，以下将以实施例具体说明。 [0042] 参照图2，其绘示本发明的磁性元件一实施例的剖面示意图。磁性元件100包含有磁芯110以及绕设于磁芯110上的线圈绕组190。磁芯110包含第一磁性材料120以及不均匀填充段130，第一磁性材料120连接于不均匀填充段130，以共同构成磁芯110。第一磁性材料120以及不均匀填充段130相互连接而构成封闭的磁通回路。亦即，磁芯110包含有第一部分与第二部分，第一部分包含第一磁性材料120，第二部分则包含不均匀填充段130。 [0043] 更具体地说，磁芯110包含有多个磁柱112以及位于磁柱112两端的盖板114，其中磁柱112为实质上等长且相互平行地配置，盖板114位于磁柱112的两端，用以连接磁柱112并与其密合以形成封闭的磁通回路。线圈绕组190为绕设于磁柱112上。 [0044] 本实施例中，盖板114为平直板体，磁柱112与盖板114的数量同样为二，但是在其他实施例中，可以依照不同的盖板114形状以及磁柱112数量，变化磁芯110的外形。例如磁芯110可以为环型、U型、EE型、EC型、EQ型、EFD型、PQ型、PT型、RM型、罐型等形状。 [0045] 磁柱112与盖板114之间可以透过如环氧树脂等粘着剂粘接或是透过挤压或治具的方式制成。磁柱112以及盖板114共同构成封闭形状的磁芯110，以使磁芯110具有完整的磁通通路。磁芯110具有一磁通方向M，该磁通方向M通过左、右磁柱112，上、下盖板114以形成磁通通路。 [0046] 采用不均匀填充的磁芯110包含有由第一磁性材料120所组成的第一部分，以及由不均匀填充段130所组成的第二部分。本实施例的不均匀填充段130位于磁柱112。第一磁性材料120是由单一一种磁性材料所组成，而不均匀填充段130则是有两种以上的磁性材料所组成。更具体地说，第一磁性材料120在垂直于磁通方向M的剖面上只能找到单一的一种磁性材料，如图3A所示，而不均匀填充段130在垂直于磁通方向M上的至少一个剖面包含至少两种的磁性材料，如图3B所示。 [0047] 此种在磁芯110第一部分垂直于磁通方向M的剖面只找得到一种磁性材料，而在磁芯110第二部分垂直于磁通方向M的剖面则有两种以上的磁性材料的填充方式，便称为不均匀填充。 [0048] 前述的垂直于磁通方向M的剖面为正交于磁通方向的一个平面，即此剖面的法线方向会与通过该剖面的磁通方向M平行。 [0049] 再回到图2，图2中的不均匀填充段130包含第二磁性材料132以及第三磁性材料134，第三磁性材料134夹设于两第二磁性材料132之间。第一磁性材料120与不均匀填充段 130之间可以利用粘着剂粘接、挤压成形或是治具固定。第二磁性材料132与第三磁性材料 134之间亦可利用粘着剂粘接、挤压成形或是治具固定。 [0050] 第一磁性材料120、第二磁性材料132以及第三磁性材料134可以分别为具有不同初始磁导率的磁性材料。或者，在其他的实施例中，第一磁性材料120的初始磁导率可以和第二磁性材料132或是第三磁性材料的初始磁导率相同，只要不均匀填充段130中的第二磁性材料132不同于第三磁性材料134即可。若是如本实施例所示，第一磁性材料120、第二磁性材料132与第三磁性材料134分别具有第一、第二以及第三初始磁导率，则第二磁性材料132的第二初始磁导率和第三磁性材料134的第三初始磁导率均需大于5，而第二磁性材料 132与第三磁性材料134约占磁芯110的体积的10%-90%。 [0051] 以本实施例而言，若是第三磁性材料134的磁导率小于第一磁性材料120以及第二磁性材料132的磁导率，且磁导率与尺寸经过适当的选择，将可以大幅地提升磁性元件100的初始电感量。而若是第三磁性材料134的初始磁导率大于第一磁性材料120与第二磁性材料132的初始磁导率，且磁导率与尺寸经过适当的选择，将可以大幅地提升磁性元件100的DC bias特性。 [0052] 以采用Magnetics公司生产的Block磁芯的电抗器为例，其可以应用kool-u26和kool-u125两种材料的组合成如图4A与图4B所示结构的磁芯。kool-u26和kool-u125两种材料的相对初始磁导率分别为26和125，其中图4A为传统采用均匀填充方式的磁芯20，其磁芯的第一部分21为采用kool-u125，第二部分23为采用kool-u26。图4B则为采用本发明的不均匀填充的磁芯110，磁芯110包含有第一磁性材料120，不均匀填充段130中包含有第二磁性材料132与第三磁性材料134。 [0053] 图5A为图4A与图4B的采用传统均匀填充的磁性元件与本发明的采用不均匀填充段的磁性元件一实施例的感量随电流变化的仿真结果。此时，第一磁性材料120为kool-u125，第二磁性材料132为kool-u125，第三磁性材料134为kool-u26，即第三磁性材料134的初始磁导率小于第一磁性材料120的初始磁导率时，采用图4B的不均匀填充的磁芯110具有较高的初始电感量。 [0054] 图5B为图4A与图4B的传统均匀填充的磁性元件与本发明的采用不均匀填充段的磁性元件另一实施例的感量随电流变化的仿真结果。此时，若是第一磁性材料120为kool-u26，第二磁性材料132为kool-u26，第三磁性材料134为kool-u125，即第三磁性材料134的初始磁导率大于第一磁性材料120的初始磁导率。与之对比的图4A的磁性元件，其第一部分21为采用kool-u26，第二部分23为采用kool-u125。通过图5B可以看出，采用图4B的不均匀填充的磁芯110具有较佳的DC-bias特性。 [0055] 故，使用者可以按照实际需求，组合第一磁性材料120、第二磁性材料132与第三磁性材料134，使得具有不均匀填充段130的磁性元件100，提供良好的电感DC bias特性，在特定需求负载下提供更高的电感量，或是在提供相同电感量的情况下产生更小的损耗。 [0056] 当然，于其他的实施例中，不均匀填充段130可以包含有多于两种的磁性材料，例如不均匀填充段130可以包含有三种或是四种初始磁导率不同的磁性材料组成。而当不均匀填充段130的数量为多个的时候，不同的不均匀填充段130亦可以分别具有不同的磁性材料组成。只要在不均匀填充段130中垂直于磁通方向M的剖面则有两种以上的磁性材料即可。参照图6，其绘示本发明的磁性元件100另一实施例的剖面示意图。磁性元件100包含有相连的多个第一磁性材料120以及多个不均匀填充段130，第一磁性材料120是由单一一种磁性材料所构成，不均匀填充段130则包含有初始磁导率不同的第二磁性材料132与第三磁性材料134。不均匀填充段130分别位于两个磁柱112的两端接近于盖板114的位置。磁芯110具有内侧与外侧，其内侧主要是指邻近于磁芯110内周面的一侧，其外侧主要是指邻近于磁芯110外周面的一侧。第二磁性材料132位于磁芯的外侧，第三磁性材料134位于磁芯110的内侧。 [0057] 以本实施例为例，磁芯110包含有固定的磁通方向，磁通方向又可被分为内侧磁通通路M1以及外侧磁通通路M2，其中内侧磁通通路M1为邻近磁芯110内周面的一端，而外侧磁通通路M2为邻近磁芯110外周面的一端。第二磁性材料132布置于外侧磁通通路M2通过之处，而第三磁性材料134布置于内侧磁通通路M1通过之处。须注意的是，虽然根据不同的磁芯110类型，其磁通方向的数量会随着磁柱112的数量而有所不同，内侧磁通通路与外侧磁通通路的定义也会随着略做调整，但是磁芯110内外侧的概念大致如以上所描述，以邻近磁芯110的内周面者作为磁芯110内侧，以邻近磁芯110的外周面者作为磁芯外侧。 [0058] 磁柱112与盖板114之间，以及第一磁性材料120与不均匀填充段130之间可以透过粘着剂粘接、挤压成形或是治具接合的方式固定，此后不再赘述。第一磁性材料120、第二磁性材料132与第三磁性材料134可以分别具有不同的第一、第二与第三初始磁导率，如图6所示。或者，第二磁性材料132可以与第一磁性材料120相同，只要第二磁性材料132的初始磁导率不同于第三磁性材料134的初始磁导率即可。 [0059] 参照图7，其绘示本发明的磁性元件100又一实施例的剖面示意图。磁性元件100包含相连的第一磁性材料120与不均匀填充段130。不均匀填充段130设置于盖板114接近于两个磁柱112的两端，且每一盖板114上分配有多个不均匀填充段130。线圈绕组190绕设于由第一磁性材料120所构成的磁柱112上。 [0060] 参照图8，其绘示本发明的磁性元件100再一实施例的剖面示意图。磁性元件100包含相连的第一磁性材料120与不均匀填充段130，其中不均匀填充段130位于磁柱112以及盖板114的转角处。同样地，不均匀填充段130中包含有第二磁性材料132以及第三磁性材料134，其中第二磁性材料132位于盖板114与磁柱112相连的转角的外侧，第三磁性材料134位于盖板114与磁柱112相连的转角的内侧。若是第一磁性材料120的第一初始磁导率不同于不均匀填充段130中的第二初始磁导率或是第三初始磁导率，则第二磁性材料132与第三磁性材料134的初始磁导率均需大于5，而第二磁性材料132与第三磁性材料134共约占磁芯 110的体积的10%-90%。 [0061] 本实施例中，第二磁性材料120与第一磁性材料130相同，第三磁性材料134的初始磁导率大于第一磁性材料的初始磁导率，且第三磁性材料134的初始磁导率需大于5。而第三磁性材料134约占磁芯110的体积的10%-90%。 [0062] 如前所述，若是第二初始磁导率或是第三初始磁导率小于第一初始磁导率时，不均匀填充的磁芯110相较于均匀填充的磁芯具有较高的初始电感量。而若是第二初始磁导率或第三初始磁导率大于第一初始磁导率，则具有改善DC-bias特性的功效。 [0063] 再次回到图6至图8，一般来说，磁性元件100在磁柱112与盖板114相连的转角处由于具有较大角度的转折，在此转角处并联在磁芯110上的空气磁阻长度较短，磁阻较小，所以泄漏到空气中的磁漏较多。若是在邻近于转角处设置有包含较大的初始磁导率的不均匀填充段130(如图6、图7所示)，或是在转角处设置有包含较大的初始磁导率的不均匀填充段130(如图8所示)，便可以降低磁芯110于转角处的磁阻，以进一步地旁路掉泄漏于空气中的磁漏，有效减少于转角处线圈绕组190的涡流损耗。换言之，当第三磁性材料134的初始磁导率大于第一磁性材料120的初始磁导率时，可以具有减少损耗的功效。 [0064] 以仿真结果观之，若是图8不均匀填充的磁芯110中的第一磁性材料120与第二磁性材料132为初始磁导率26的磁性材料，而第三磁性材料134为初始磁导率60的磁性材料，则相对于传统的磁芯仅使用初始磁导率为26的磁性材料的均匀填充的磁芯，其绕组损耗可以减少13%。 [0065] 图9为图4A与图8的采用传统均匀填充的磁性元件与本发明的采用不均匀填充段的磁性元件一实施例的感量随电流变化的仿真结果。此实施例中，第一磁性材料120为kool-u75，第二磁性材料132为kool-u75，第三磁性材料134为kool-u26，即第三磁性材料134的初始磁导率小于第一磁性材料120的初始磁导率时，采用图8的在转角处设置有不均匀填充的磁芯110除了具有较高的初始电感量之外，其甚至在整个负载电流变化范围都具有更高的电感量。 [0066] 参照图10至图21，其分别绘示本发明的磁性元件100不同实施例的剖面示意图。磁性元件100包含有第一磁性材料120以及不均匀填充段130，其中不均匀填充段130包含有初始磁导率不同的第二磁性材料132与第三磁性材料134。第二磁性材料132可以与第一磁性材料120具有相同的初始磁导率，此时，第三磁性材料134的初始磁导率需大于5，而第三磁性材料134约占磁芯110的体积的10%-90%。或者，第一磁性材料120、第二磁性材料132与第三磁性材料134分别具有不同的初始磁导率，则第二磁性材料132与第三磁性材料134的初始磁导率均需大于5，而第二磁性材料132与第三磁性材料134共约占磁芯110的体积的10%-90%。 [0067] 第三磁性材料134于平行于磁通方向M的剖面形状可以为内宽外窄的T形，如图10所示。第三磁性材料134平行于磁通方向M的剖面形状可以为外宽内窄的T形，如图11所示。第三磁性材料134平行于磁通方向M的剖面形状可以为十字形，如图12所示。第三磁性材料 134平行于磁通方向M的剖面形状可以为内宽外窄的梯形，如图13所示。第三磁性材料134平行于磁通方向M的剖面形状可以为外宽内窄的梯形，如图14所示。第三磁性材料134可以仅分布于磁柱112的内侧，如图15所示。第三磁性材料134可以仅分布于磁柱112的外侧，如图 16所示。第三磁性材料134可以分布于磁柱112的内侧以及外侧，如图17所示。第三磁性材料 134亦可以分布于盖板114的外侧，如图18所示。 [0068] 如图19至图21所示，当磁柱112的数量为三时，磁芯110会具有两组磁通方向M、M’，其中一个磁通方向M会沿着右边的磁柱112经过上面的盖板114后，进入中间的磁柱112后通过下面的盖板114回到右边的磁柱112形成封闭的磁通通路。而另一个磁通方向M’则是从中间的磁柱112经过上面的盖板114之后，进入左边的磁柱112后通过下面的盖板114回到中间的磁柱112。 [0069] 于两侧的磁柱112以及上下的盖板114中，从外而内分别为磁通方向M或M’的外侧磁通通路以及磁通方向M或M’的内侧磁通通路。但是于中间的磁柱112中，于左右两侧分别为磁通方向M与M’的内侧磁通通路，于中间的磁柱112的中心则为磁通方向M与M’的外侧磁通通路。其中内侧磁通通路为邻近磁芯110内周面的一端，即磁芯110的内侧；而外侧磁通通路M2为邻近磁芯110外周面的一端，即磁芯110的外侧。 [0070] 第三磁性材料134的数量可以为一个设置于磁柱112的内侧，如图19所示。第三磁性材料134的数量可以为多个并设置于磁柱112的内侧，如图20所示。第三磁性材料134的数量可以为一个并设置于中间磁柱112的中心，即磁芯的外侧，如图21所示。 [0071] 或者，本发明的不均匀填充的概念亦可以应用于环型的磁芯110中，如图22所示。环型的磁芯110仍具有磁通方向M，不均匀填充段130在垂直于磁通方向的剖面包含有两种初始磁导率不同的第二磁性材料132以及第三磁性材料134。第二磁性材料132可以与第一磁性材料120具有相同的初始磁导率，此时，第三磁性材料134的初始磁导率需大于5，而第三磁性材料134约占磁芯110的体积的10%-90%。或者，第一磁性材料120、第二磁性材料132与第三磁性材料134分别具有不同的初始磁导率，则第二磁性材料132与第三磁性材料134的初始磁导率均需大于5，而第二磁性材料132与第三磁性材料134共约占磁芯110的体积的 10%-90%。 [0072] 须注意的是，以上所述的实施例均非用以限制本发明，磁芯中的磁柱的数量及盖板的形状可以根据不同的需求变更。铁芯的材料可以为铁氧体、磁粉芯、硅钢片等。第一磁性材料以及不均匀填充段的数量、尺寸以及设置位置亦可以依照不同的需求进行设计。不均匀填充段可以位于磁柱、盖板或是两者连接的转角处。不均匀填充段中的磁性材料可以与第一磁性材料中的磁性材料具有不同或是部份相同的初始磁导率。不均匀填充段中包含有至少两种初始磁导率不同的磁性材料，使用者可以按照实际需求设计这些磁性材料之间的组合方式或是填充形状，只要不均匀填充段在垂直于磁通方向的剖面包含两种以上的初始磁导率不同的磁性材料即可。 [0073] 相较于仅使用均匀填充的磁芯，采用不均匀填充的磁芯的磁性元件可以提供更高的初始电感量、更好的DC bias特性，以在特定的需求负载下提供更高的电感量，或是在提供相同电感量的情况下，产生更小的损耗。 [0074] 虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。 |
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