專利名稱：混合材料磁芯組、磁性元件及制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁芯組、磁性元件及其制法，特別涉及一種以混合材料制成的磁 芯組、磁性元件及其制法。
背景技術(shù)：
電感器或變壓器等磁性元件廣泛地應(yīng)用于切換式電源電路中，且其特性對電源裝 置的功率密度、效率及可靠性有著關(guān)鍵性的影響。目前應(yīng)用于切換式電源電路的磁性元件 中，例如電感器，構(gòu)成磁芯的材料主要有鐵氧體和環(huán)形粉芯等。由于不同的磁芯材料可具有 不同的磁滯特性，而此磁滯特性可謂磁芯材料的典型特性，磁芯材料亦因其磁滯特性的差 異而產(chǎn)生不同程度的電感磁芯的損耗。事實上，磁芯損耗是磁芯材料內(nèi)交替磁場引致的結(jié) 果。磁芯材料所產(chǎn)生的損耗，為其操作頻率與總磁通擺幅(ΔΒ)的函數(shù)，由磁芯材料的磁 滯、渦流和剩余損耗引起的。一般而言，磁導(dǎo)率越大，磁滯曲線越窄，磁芯功耗越小。然而， 以鐵氧體構(gòu)成的磁芯材料，其成本較低、磁芯損耗較小，但是飽和磁密低，需要開設(shè)氣隙并 且用利茲線(Litz wire)，而且總構(gòu)成體積較大；而環(huán)形粉芯構(gòu)成的磁芯材料則具有高飽和 磁密及較大的儲能，但于制作電感器的工藝中需要人工繞線，工時較長。所以為了簡化環(huán)形 粉芯的繞線問題，結(jié)合兩種材料的優(yōu)點，在實際應(yīng)用時可將兩種材料結(jié)合起來使用。然而在磁路的安排中，前述兩種材料的結(jié)合可以有兩種方式，即并聯(lián)與串聯(lián)。其中 并聯(lián)的方式能達(dá)成二者性能的迭加，但是構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體積較大；而串聯(lián)的方式則可實現(xiàn)性 能的折中，但可構(gòu)成較小的結(jié)構(gòu)體積。美國專利US6，980，077揭示了一種利用磁粉芯填充 磁路氣隙，以消除磁通擴散以減小渦流損耗問題的方法，其主要應(yīng)用于EE和EI型鐵氧體磁 芯上。但在實際應(yīng)用時，由于在氣隙處填上磁粉芯會增大磁路磁導(dǎo)，若要維持原來電感的抗 飽和性能就必須增大粉芯的長度，而根據(jù)該專利所描述的方法計算所得的磁粉芯(磁導(dǎo)率 與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)磁粉芯規(guī)格相同)長度往往大于EE和EI型磁芯的中柱長度，導(dǎo)致無法實際操 作；如果進(jìn)一步降低磁粉芯磁導(dǎo)率則仍然會有較大的磁通擴散和近場輻射等問題，無法有 效解決公知技術(shù)的問題。另一美國專利US7，265, 648則揭示了一種利用高導(dǎo)磁材料實現(xiàn)非線性感量的方 法。然而該技術(shù)在實質(zhì)上僅為兩個磁環(huán)結(jié)構(gòu)(其中一個開有氣隙)的并聯(lián)。在實際應(yīng)用 時，帶有氣隙的磁環(huán)部分會導(dǎo)致近場輻射、電磁干擾和較大的渦流損耗，若以一個鐵氧體磁 環(huán)和一個合金粉芯磁環(huán)并聯(lián)雖可獲致較佳的效果，但仍無法有效解決公知技藝所遭遇的問 題。而美國專利US5，062，197則揭示了一種利用兩種磁性材料來實現(xiàn)高頻電感或變 壓器的方法。然而在實際應(yīng)用時，該方法導(dǎo)入的結(jié)構(gòu)器件較多，且制造工藝復(fù)雜；且該方法 在中柱若使用高磁導(dǎo)率低飽和磁密的鐵氧體材料，必然導(dǎo)致較大的截面和平均匝長，所以 會產(chǎn)生較大的電阻。而且在其結(jié)構(gòu)中所導(dǎo)入的兩片低導(dǎo)磁材料上會分布很大的磁壓，因此 產(chǎn)生的近場輻射亦較大，容易引起電磁干擾的問題。有鑒于傳統(tǒng)磁性元件受限于其結(jié)構(gòu)部件特性組合，無法獲致有效提升操作效率、縮短制造工藝工時及降低元件體積及成本的結(jié)果，因此，如何有效結(jié)合兩種不同磁芯材料， 以改善公知技藝的缺點及限制，并通過簡單的制造工藝，有效快速的完成磁性元件的組裝 作業(yè)，實為目前有待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為提供一種混合材料磁芯組、磁性元件及制法，通過合金粉芯與鐵 氧體的組合，不僅可以通過預(yù)制線圈來縮短工時，且可以通過平均匝長較短的結(jié)構(gòu)，減小電 阻，并節(jié)省導(dǎo)線長度，在大電流的情況下，還可有效減少銅損。此外，鐵氧體對磁通擴散能提 供較佳的屏蔽作用，使其具有較小的近場輻射，并且通過合金粉芯、鐵氧體和氣隙結(jié)構(gòu)的良 好結(jié)合，還可有效改善高飽和磁密合金粉芯的直流偏置性能，使其高飽和性能得到充分的 發(fā)揮，更進(jìn)一步減小電感體積，降低成本。為達(dá)上述目的，本發(fā)明的一較廣義實施方式提供一種混合材料磁芯組，包括內(nèi)磁 芯部件及外磁芯部件。該內(nèi)磁芯部件由高飽和磁密低導(dǎo)磁材料制成。該外磁芯部件由低飽 和磁密高導(dǎo)磁材料制成，且包括環(huán)型壁面及容置空間，其中容置空間容置內(nèi)磁芯部件。為達(dá)上述目的，本發(fā)明的另一較廣義實施方式提供一種磁性元件，包括混合材料 磁芯組及繞線線圈。該混合材料磁芯組包括內(nèi)磁芯部件及外磁芯部件。該內(nèi)磁芯部件由高 飽和磁密低導(dǎo)磁材料制成。該外磁芯部件由低飽和磁密高導(dǎo)磁材料制成，且包括環(huán)型壁面 及容置空間，其中容置空間容置內(nèi)磁芯部件。該繞線線圈繞設(shè)于內(nèi)磁芯部件上，且設(shè)置于外 磁芯部件的容置空間中。為達(dá)上述目的，本發(fā)明的另一較廣義實施方式提供一種磁性元件的制法，包括步 驟(a)以高飽和磁密低導(dǎo)磁材料制作內(nèi)磁芯部件、以低飽和磁密高導(dǎo)磁材料制作外磁芯 部件，以及提供繞線線圈，其中該外磁芯部件包括環(huán)型壁面及容置空間；以及(b)將繞線線 圈繞設(shè)于內(nèi)磁芯部件上，并將內(nèi)磁芯部件及繞線線圈容置于外磁芯部件的容置空間中


圖1為本發(fā)明較佳實施例的混合材料磁芯組的結(jié)構(gòu)分解圖。圖2A及圖2B分別為本發(fā)明較佳實施例的磁性元件的結(jié)構(gòu)分解及組合圖。圖3為圖2所示實施例的另一變化實施方式的示意圖。圖4A及圖4B分別為本發(fā)明另一較佳實施例的磁性元件的結(jié)構(gòu)分解及組合圖。圖5A及圖5B分別為本發(fā)明又一較佳實施例的磁性元件的結(jié)構(gòu)分解及組合圖。圖6為本發(fā)明較佳實施例的兩種電感器的抗直流偏置性能比較圖。圖7為顯示本發(fā)明電感器與傳統(tǒng)電感器于最大工作電流下的感量比較圖。主要元件標(biāo)記說明1 混合材料磁芯組 2 磁性元件11:內(nèi)磁芯部件111:第一內(nèi)磁芯單元112:第二內(nèi)磁芯單元 llla、112a:中柱lllb、112b:板部 lllc、112c:缺口12 外磁芯部件 121 環(huán)型壁面122 容置空間 123 底面
124 開槽14 繞線架142 繞線區(qū)
13 繞線線圈 141 貫穿通道 15 氣隙16 絕緣片
具體實施例方式體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點的一些典型實施例將在后段的說明中詳細(xì)敘述。應(yīng)理解的 是本發(fā)明能夠在不同的實施方式上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的 說明及附圖在本質(zhì)上當(dāng)作說明之用，而非用以限制本發(fā)明。請參閱圖1，其為本發(fā)明較佳實施例的混合材料磁芯組的結(jié)構(gòu)分解圖。如圖所示， 本發(fā)明的混合材料磁芯組1包括一內(nèi)磁芯部件11及一外磁芯部件12，其中外磁芯部件12 包括一環(huán)型壁面121及一容置空間122，該容置空間122可容置內(nèi)磁芯部件11，且內(nèi)磁芯部 件11由高飽和磁密低導(dǎo)磁材料(第一導(dǎo)磁材料)制成，外磁芯部件12由低飽和磁密高導(dǎo) 磁材料(第二導(dǎo)磁材料)制成。于本實施例中，內(nèi)磁芯部件11由例如合金粉芯制成，且外 磁芯部件12由例如鐵氧體制成。本發(fā)明的混合材料磁芯組1主要通過鐵氧體制成的外磁芯部件12與合金粉芯制 成的內(nèi)磁芯部件11串聯(lián)組成，其可應(yīng)用于制作磁性元件，例如電感器，以提升磁性元件的 特性并縮短制作工時。請參閱圖2A及圖2B，其為本發(fā)明較佳實施例的磁性元件的結(jié)構(gòu)分解 及組合圖。如圖所示，本發(fā)明的磁性元件2可為但不限于功率電感或濾波電感，且包含混合 材料磁芯組1及繞線線圈13，其中混合材料磁芯組1包括一內(nèi)磁芯部件11及一外磁芯部件 12，內(nèi)磁芯部件11由高飽和磁密低導(dǎo)磁材料(第一導(dǎo)磁材料)，例如合金粉芯，制成，而外磁 芯部件12由低飽和磁密高導(dǎo)磁材料(第二導(dǎo)磁材料)，例如鐵氧體，制成。于本實施例中， 內(nèi)磁芯部件11包括第一內(nèi)磁芯單元111及第二內(nèi)磁芯單元112，第一內(nèi)磁芯單元111及第 二內(nèi)磁芯單元112分別具有一中柱llla、112a及一板部111b、112b，其中該中柱llla、112a 分別與板部111b、112b的中心區(qū)域相連接。外磁芯部件12包括一環(huán)型壁面121及一容置 空間122，該容置空間122容置內(nèi)磁芯部件11，使該環(huán)型壁面121環(huán)繞于內(nèi)磁芯部件11的 外周。于一些實施例中，外磁芯部件12的容置空間122較佳為一貫穿通道。繞線線圈13 具有單層或多層結(jié)構(gòu)，且可由導(dǎo)線或扁平線圈，例如但不限于銅線或銅箔，所制成。繞線線 圈13繞設(shè)于內(nèi)磁芯部件11的中柱llla、112a上，且介于兩板部Illb及112b之間。外磁 芯部件12的容置空間122容置內(nèi)磁芯部件11及繞線線圈13，進(jìn)而組成本發(fā)明的磁性元件 2。于一些實施例中，合金粉芯由鐵粉芯、鐵硅、鐵硅鋁、鐵鎳、鐵鎳鉬、非晶粉芯或其 組合的高飽和磁密低導(dǎo)磁材料(第一導(dǎo)磁材料)所構(gòu)成；該鐵氧體由錳鋅、鎳鋅或其組合的 低飽和磁密高導(dǎo)磁材料(第二導(dǎo)磁材料)所構(gòu)成，其中該高飽和磁密低導(dǎo)磁材料(第一導(dǎo) 磁材料)的飽和磁通密度較佳為該低飽和磁密高導(dǎo)磁材料(第二導(dǎo)磁材料)的1.5倍或以 上。于一些實施例中，該第一導(dǎo)磁材料的飽和磁通密度大于該第二導(dǎo)磁材料的飽和磁通密 度，該第一導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率小于該第二導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率。于一些實施例中，第一內(nèi)磁芯單元111及第二內(nèi)磁芯單元112的板部lllb、112b 分別具有多個缺口 lllc、112c，該缺口 lllc、112c可供繞線線圈13的端部穿出。于一些實施例中，如圖3所示，磁芯元件2的第一內(nèi)磁芯單元111及第二內(nèi)磁芯單元112 —體成型地 連接，以使內(nèi)磁芯部件11形成“工”字型結(jié)構(gòu)。于一些實施例中，磁芯元件2的第一內(nèi)磁芯 單元111及第二內(nèi)磁芯單元112的中柱llla、112a的末端面彼此相對地接觸連接，以使內(nèi) 磁芯部件11形成“工”字型結(jié)構(gòu)。于一些實施例中，磁性元件2的第一內(nèi)磁芯單元111的 中柱Illa與第二內(nèi)磁芯單元112的中柱11 間形成一氣隙15，該氣隙15可設(shè)置黏膠或 不導(dǎo)磁的絕緣片16以維持該氣隙15的長度，其中絕緣片16可為但不限于塑料、電木或玻 璃鋼等材料制成。于本實施例中，由于合金粉芯制成的內(nèi)磁芯部件11采用兩個圓形丁字型 的內(nèi)磁芯單元，亦即第一內(nèi)磁芯單元111及第二內(nèi)磁芯單元112，對接形成“工”字型結(jié)構(gòu)， 如此可優(yōu)化繞線線圈13的平均匝長；而鐵氧體制成的外磁芯部件12所構(gòu)成的磁環(huán)閉合磁 路，能夠有效減小電磁輻射。根據(jù)本發(fā)明前述實施例的構(gòu)想，本發(fā)明還提供磁性元件2的制法，可以簡單的制 造工藝快速的完成磁性元件2的組裝作業(yè)。本發(fā)明制法包括步驟首先，以高飽和磁密低導(dǎo) 磁材料(第一導(dǎo)磁材料)制作內(nèi)磁芯部件11、以低飽和磁密高導(dǎo)磁材料(第二導(dǎo)磁材料) 制作外磁芯部件12，以及提供繞線線圈13，其中該外磁芯部件12包括環(huán)型壁面121及容置 空間122。接著，將繞線線圈13繞設(shè)于內(nèi)磁芯部件11上，并將內(nèi)磁芯部件11及繞線線圈 13容置于外磁芯部件12的容置空間122中，使完成本發(fā)明磁性元件2的制作。于一些實施例中，于將繞線線圈13繞設(shè)于內(nèi)磁芯部件11的步驟中，還包括步驟 使內(nèi)磁芯部件11形成一氣隙15，并于氣隙15中設(shè)置黏膠或絕緣片16以維持該氣隙15的 長度，其中絕緣片16可為但不限于塑料、電木或玻璃鋼等材料制成。請參閱圖4A及圖4B，其分別為本發(fā)明另一較佳實施例的磁性元件的結(jié)構(gòu)分解及 組合圖。如圖所示，本發(fā)明的磁性元件2可為但不限于功率電感或濾波電感，且包含混合材 料磁芯組1、繞線線圈13及繞線架14。其中，混合材料磁芯組1及繞線線圈13的構(gòu)成及結(jié) 構(gòu)與前述實施例相似，于此不再贅述。于此實施例中，繞線架14具有一貫穿通道141以及 一繞線區(qū)142，該貫穿通道141容設(shè)部分的內(nèi)磁芯部件11，該繞線區(qū)142繞設(shè)具有單層或多 層結(jié)構(gòu)的繞線線圈13。外磁芯部件12的容置空間122容置內(nèi)磁芯部件11、繞線線圈13及 繞線架14，進(jìn)而組成本發(fā)明的磁性元件2。于一些實施例中，合金粉芯由鐵粉芯、鐵硅、鐵硅鋁、鐵鎳、鐵鎳鉬、非晶粉芯或其 組合的高飽和磁密低導(dǎo)磁材料(第一導(dǎo)磁材料)所構(gòu)成；該鐵氧體由錳鋅、鎳鋅或其組合的 低飽和磁密高導(dǎo)磁材料(第二導(dǎo)磁材料)所構(gòu)成，其中該高飽和磁密低導(dǎo)磁材料(第一導(dǎo) 磁材料)的飽和磁通密度較佳為該低飽和磁密高導(dǎo)磁材料(第二導(dǎo)磁材料)的1.5倍或以 上。于一些實施例中，第一內(nèi)磁芯單元111及第二內(nèi)磁芯單元112的板部lllb、112b 分別具有多個缺口 lllc、112c，該缺口 lllc、112c可供繞線線圈13的端部穿出。于一些實 施例中，磁芯元件2的第一內(nèi)磁芯單元111及第二內(nèi)磁芯單元112的中柱11 la、112a的末 端面彼此相對地接觸連接，以使內(nèi)磁芯部件11形成“工”字型結(jié)構(gòu)。于一些實施例中，磁性 元件2的第一內(nèi)磁芯單元111的中柱Illa與第二內(nèi)磁芯單元112的中柱11 間形成一氣 隙15，該氣隙15中可設(shè)置黏膠或不導(dǎo)磁的絕緣片16以維持氣隙15的長度，其中絕緣片16 可為但不限于塑料、電木或玻璃鋼等材料制成。根據(jù)本發(fā)明前述實施例的構(gòu)想，本發(fā)明還提供磁性元件2的制法，可以簡單的制造工藝快速的完成磁性元件2的組裝作業(yè)。本發(fā)明制法包括步驟首先，以高飽和磁密低導(dǎo) 磁材料(第一導(dǎo)磁材料)制作內(nèi)磁芯部件11、以低飽和磁密高導(dǎo)磁材料(第二導(dǎo)磁材料) 制作外磁芯部件12，以及提供繞線線圈13，其中該外磁芯部件12包括環(huán)型壁面121及容置 空間122。接著，提供繞線架14，并將繞線線圈13繞設(shè)于繞線架14上。然后，將繞線線圈 13及繞線架14套設(shè)于內(nèi)磁芯部件11上，以使繞線線圈13繞設(shè)于內(nèi)磁芯部件11上。最后， 將內(nèi)磁芯部件11、繞線線圈13及繞線架14容置于外磁芯部件12的容置空間122中，使完 成本發(fā)明磁性元件2的制作。于一些實施例中，于將繞線線圈13及繞線架14套設(shè)于內(nèi)磁芯部件11的步驟中， 還包括步驟使內(nèi)磁芯部件11形成一氣隙15，并于氣隙15中設(shè)置黏膠或絕緣片16以維持 氣隙15的長度，其中絕緣片16可為但不限于塑料、電木或玻璃鋼等材料制成。請參閱圖5A及圖5B，其分別為本發(fā)明又一較佳實施例的磁性元件的結(jié)構(gòu)分解及 組合圖。如圖所示，本發(fā)明的磁性元件2可為但不限于功率電感或濾波電感，且包含混合材 料磁芯組1及繞線線圈13。其中混合材料磁芯組1包括一內(nèi)磁芯部件11及一外磁芯部件 12，內(nèi)磁芯部件11由高飽和磁密低導(dǎo)磁材料(第一導(dǎo)磁材料)，例如合金粉芯，制成，而外磁 芯部件12由低飽和磁密高導(dǎo)磁材料(第二導(dǎo)磁材料)，例如鐵氧體，制成。于本實施例中， 內(nèi)磁芯部件11僅包括第一內(nèi)磁芯單元111，該第一內(nèi)磁芯單元111具有一中柱Illa及一 板部111b，其中該中柱Illa與板部Illb的中心區(qū)域相連接，使第一內(nèi)磁芯單元111形成 “丁”字型結(jié)構(gòu)。外磁芯部件12包括一環(huán)型壁面121及一容置空間122，該容置空間122容 置內(nèi)磁芯部件11，使該環(huán)型壁面121環(huán)繞于內(nèi)磁芯部件11的外周。于一些實施例中，外磁 芯部件12的容置空間122由環(huán)型壁面121與底面123所定義形成，且外磁芯部件12呈罐 體結(jié)構(gòu)。繞線線圈13具有單層或多層結(jié)構(gòu)，且可由導(dǎo)線或扁平線圈，例如但不限于銅線或 銅箔，所制成。繞線線圈13繞設(shè)于內(nèi)磁芯部件11的中柱Illa上。外磁芯部件12的容置 空間122容置內(nèi)磁芯部件11及繞線線圈13，進(jìn)而組成本發(fā)明的磁性元件2。于一些實施例中，合金粉芯由鐵粉芯、鐵硅、鐵硅鋁、鐵鎳、鐵鎳鉬、非晶粉芯或其 組合的高飽和磁密低導(dǎo)磁材料(第一導(dǎo)磁材料)所構(gòu)成；該鐵氧體由錳鋅、鎳鋅或其組合的 低飽和磁密高導(dǎo)磁材料(第二導(dǎo)磁材料)所構(gòu)成，其中該高飽和磁密低導(dǎo)磁材料(第一導(dǎo) 磁材料)的飽和磁通密度較佳為該低飽和磁密高導(dǎo)磁材料(第二導(dǎo)磁材料)的1.5倍或以 上。于一些實施例中，外磁芯部件12的環(huán)型壁面121還具有一個或多個開槽124，該開槽 124可供繞線線圈13的端部穿出。根據(jù)本發(fā)明前述實施例的構(gòu)想，本發(fā)明還提供磁性元件2的制法，可以簡單的制 造工藝快速的完成磁性元件2的組裝作業(yè)。本發(fā)明制法包括步驟首先，以高飽和磁密低導(dǎo) 磁材料(第一導(dǎo)磁材料)制作內(nèi)磁芯部件11、以低飽和磁密高導(dǎo)磁材料(第二導(dǎo)磁材料) 制作外磁芯部件12，以及提供繞線線圈13，其中該外磁芯部件12包括環(huán)型壁面121及容置 空間122。接著，將繞線線圈13繞設(shè)于內(nèi)磁芯部件11上，并將內(nèi)磁芯部件11及繞線線圈 13容置于外磁芯部件12的容置空間122中，使完成本發(fā)明磁性元件2的制作。根據(jù)電感儲能公式
「 η r M0-Me-H1-Ae-Ie B2-Ae-IeE = 0 e----=------
22·με ·μ0其中，E為電感儲存能量，μ e為磁導(dǎo)率，H為磁場強度，Ae為導(dǎo)磁截面積，Ie為磁路長度，B為磁通密度。在相同的體積和等效磁導(dǎo)率的情況下，合金粉芯與鐵氧體相比由于具 有相對較高的飽和磁密，因此可比鐵氧體能存儲更多的能量。此外，由于鐵氧體的磁導(dǎo)率比 合金粉芯相對大很多，所以絕大部分磁壓分布在合金粉芯上，而儲能則主要由合金粉芯決 定。本發(fā)明的混合材料磁芯組1及磁性元件2將傳統(tǒng)的環(huán)形粉芯磁路打開而改用合金粉芯 制成的內(nèi)磁芯部件11以方便繞線，再用鐵氧體材料制成的外磁芯部件12來閉合磁路，由于 鐵氧體磁芯損耗很低，所以閉合磁路的鐵氧體不會增加太多損耗。再者，根據(jù)電感公式L = μ ·Ν2其中L為電感量，μ為磁導(dǎo)率，N為線圈匝數(shù)，Ae為導(dǎo)磁截面積，Ie為磁路長
度)，在線圈匝數(shù)和磁材料不變的情況下，可以通過變化導(dǎo)磁截面積和磁路長度來調(diào)整電感 的大小。但是公知環(huán)形粉芯的內(nèi)部空間除了要容納線圈外還要留有一定的空間方便繞線， 因此填充率不高，磁路長度沒有縮短的余地。而本發(fā)明的混合材料磁芯組1及磁性元件2將 合金粉芯打開磁路后，磁路長度可以任意設(shè)計，并且不需要留下類似環(huán)形粉芯的繞線空間， 而在保證感量的條件下還可通過減小磁路長度的方法來減小體積。而且磁路長度的縮短還 能增大感量，彌補粉芯材料的磁導(dǎo)率會隨著直流偏置的增大而減小引起的感量損失。另一 方面，這樣的安排還可以先行預(yù)制線圈，再以組裝的方式制作磁性元件，例如電感器，而不 像傳統(tǒng)環(huán)形粉芯必須以手工方式進(jìn)行繞線。相比之下，本發(fā)明確實簡化了制作流程與節(jié)省 制作工時。而且傳統(tǒng)環(huán)形粉芯的截面為方形，無法獲致固定截面積下的最小周長，因此傳統(tǒng) 環(huán)形電感器的平均匝長仍有改進(jìn)空間，特別是雙環(huán)并繞時。如果電感繞線截面是圓形，就可 以獲得最小的平均匝長，使導(dǎo)線電阻最優(yōu)化。另一方面，在組裝磁性元件時，例如電感器，不可避免的是組裝氣隙的存在，因此 在設(shè)計電感器的時候還應(yīng)考慮氣隙的影響。一般通過計算可知，氣隙能明顯改善合金粉芯 的抗直流偏置性能。高磁導(dǎo)率的合金粉芯(例如鐵硅鋁μ 125)，通過開氣隙降低等效磁導(dǎo) 率，可以獲得優(yōu)于同樣等效磁導(dǎo)率的合金粉芯(例如鐵硅鋁μ^Ο的直流偏置性能。因此 本發(fā)明在串聯(lián)鐵氧體與合金粉芯兩種磁材料時，還可通過合理的氣隙設(shè)計，使合金粉芯、鐵 氧體及氣隙結(jié)構(gòu)做良好的結(jié)合，有效地降低合金粉芯的尺寸。實施例1 在本實施例中，對照比較的傳統(tǒng)環(huán)形電感器的磁芯尺寸為 35. 8mmX22. 35mmX10. 46mm,初始磁導(dǎo)率60，構(gòu)成材料為鐵硅鋁，且雙環(huán)并繞，并使用 Φ 1. 5mm漆包線共70匝，直流電阻45. 9m Ω。本發(fā)明的磁性元件2，亦即電感器，留有安裝氣 隙0. 5mm左右，內(nèi)磁芯部件11的粉芯材料采用鐵硅鋁，初始磁導(dǎo)率沈，其組裝結(jié)構(gòu)如圖2A 及圖2B所示，由兩個圓形丁字型的第一內(nèi)磁芯單元111及第二內(nèi)磁芯單元112對接后繞設(shè) Φ1. 4mm漆包線3層共48匝，再套入由鐵氧體構(gòu)成的外磁芯部件12的容置空間122中，而 制作完成的電感器實際留有大約0.4mm的裝配氣隙。經(jīng)測量，直流電阻38. ΙπιΩ，在實測最 大工作電流下的感量比理論計算值提高5%左右。實施例2 在本實施例中，對照比較的傳統(tǒng)環(huán)形電感器與實施例1相同。本發(fā)明的磁性元件 2，亦即電感器，留有安裝氣隙0. 5mm左右，內(nèi)磁芯部件11的粉芯材料采用鐵硅，初始磁導(dǎo)率 30，同樣地其組裝結(jié)構(gòu)如圖2A及圖2B所示，由兩個圓形丁字型的第一內(nèi)磁芯單元111及第 二內(nèi)磁芯單元112對接后繞設(shè)Φ 1. 29mm漆包線4層共48匝，再套入由鐵氧體構(gòu)成的外磁 芯部件12的容置空間122中，而制作完成的電感器實際留有大約0. 4mm的裝配氣隙。經(jīng)測量，直流電阻35. 7πιΩ，在實測最大工作電流下的感量比理論計算值提高7%左右。實施例3在本實施例中，對照比較的傳統(tǒng)環(huán)形電感器參數(shù)如下磁芯尺寸為
27.6mmX 14. ImmX 11. 99mm,初始磁導(dǎo)率26，構(gòu)成材料為鐵硅鋁，并使用Φ0. 8mm漆包線共 60匝。而本發(fā)明使用的兩個具混合材料磁芯組的電感器所有參數(shù)都相同，除了一個電感器 的內(nèi)磁芯部件11的合金粉芯使用鐵硅鋁μ沈，另一個電感器的內(nèi)磁芯部件11的合金粉芯 使用鐵硅鋁μ 125并開氣隙使其等效磁導(dǎo)率為沈。兩者的抗直流偏置性能如圖6所示，其 中線段a代表使用鐵硅鋁μ ^5，b代表使用鐵硅鋁μ 125并開氣隙使其等效磁導(dǎo)率為沈，比 較二者的抗直流偏置性能，可以發(fā)現(xiàn)高磁導(dǎo)率粉芯開氣隙后的抗直流偏置性能非常優(yōu)異。實施例4在本實施例中，對照比較的傳統(tǒng)環(huán)形電感參數(shù)如下磁芯尺寸為 (18mmX9mmX 10. 2mm) X 2，初始磁導(dǎo)率125，構(gòu)成材料為鐵鎳，使用Φ 1. Omm漆包線6股并繞 共3匝。本發(fā)明的磁性元件2，亦即電感器，依圖5Α及圖5Β所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計電感器時留有 安裝氣隙0. 5mm左右，內(nèi)磁芯部件11的粉芯材料粉采用鐵硅鋁，初始磁導(dǎo)率90，由一個圓 型丁字型的第一內(nèi)磁芯單元111套設(shè)Φ2. 2mm預(yù)制3匝的繞線線圈后，直接裝入由鐵氧體 構(gòu)成的外磁芯部件12的容置空間122中，制作完成的電感器實際留有大約0. 4mm的裝配氣 隙。相對于參照的傳統(tǒng)環(huán)形電感，磁芯和導(dǎo)線損耗都有15%以上的改進(jìn)提升。實施例5 在本實施例中，對照比較的傳統(tǒng)環(huán)形電感器為試驗樣機的功率因素校正電感器， 其參數(shù)如下磁芯尺寸為34. 3mmX23. 37mmX8. 89mm，初始磁導(dǎo)率60，構(gòu)成材料為鐵硅鋁， 雙環(huán)并繞，并使用Φ1. 5mm漆包線共59阻，直流電阻39. %ιΩ。本發(fā)明的磁性元件2，亦即 電感器，留有安裝氣隙0. 5mm左右，內(nèi)磁芯部件11的粉芯材料采用鐵硅鋁，初始磁導(dǎo)率60， 其結(jié)構(gòu)如圖2A及圖2B所示，由兩個圓型丁字型的第一內(nèi)磁芯單元111及第二內(nèi)磁芯單元 112對接后繞設(shè)Φ 1. 4mm漆包線3層共39匝，再套入由鐵氧體構(gòu)成的外磁芯部件12的容 置空間122中，而制作完成的電感器實際留有大約0.4mm的裝配氣隙。經(jīng)測量，直流電阻
28.^ιιΩ，實測最大工作電流下的感量比傳統(tǒng)環(huán)形電感提高25%左右，如圖7所示，其中線 段a代表傳統(tǒng)環(huán)形電感器，線段b代表本發(fā)明的電感器。且經(jīng)過試驗樣機的運行測試，采用 本發(fā)明電感器的整體效率比原來效率更為提升。特別是在重載時的效率差異，更明顯地優(yōu) 于在輕載或空載時的效率差異。實施例6 在本實施例中，對照比較的傳統(tǒng)環(huán)形電感器為試驗樣機的輸出濾波電感(output choke)，其參數(shù)如下磁芯尺寸為18mmX9mmX10. 2mm，初始磁導(dǎo)率125，構(gòu)成材料為鐵鎳合 金粉芯，雙環(huán)并繞，并使用Φ 1. OmmX 6漆包線共3匝，直流電阻0. 7m Ω。本發(fā)明的磁性元件 2，亦即電感器，留有安裝氣隙0. 5mm左右，內(nèi)磁芯部件11的粉芯材料采用鐵硅鋁，初始磁導(dǎo) 率60，其結(jié)構(gòu)如圖2A及圖2B所示，由兩個圓形丁字型第一內(nèi)磁芯單元111及第二內(nèi)磁芯單 元112對接后繞設(shè)16. 5mmX0. 4mm銅箔4匝，再套入由鐵氧體構(gòu)成的外磁芯部件12的容置 空間122中，制作完成的電感器實際留有大約0. 4mm的裝配氣隙，外形尺寸與傳統(tǒng)電感器相 似。經(jīng)測量，直流電阻0.58πιΩ，實測最大工作電流下的感量與傳統(tǒng)環(huán)形電感器相當(dāng)。而經(jīng) 過試驗樣機的運行測試，采用本發(fā)明電感器的整體效率比原來效率更為提升。
綜上所述，本發(fā)明提供一種混合材料磁芯組、磁性元件及制法，通過串聯(lián)合金粉芯 及鐵氧體，以有效提升操作效率、縮短制造工藝工時、降低元件體積及成本。本發(fā)明的磁性 元件可使合金粉芯便于繞線，亦可通過一繞線架的預(yù)制線圈來縮短工時。此外由于本發(fā)明 元件結(jié)構(gòu)的平均匝長較短，而合金粉芯的高飽和性能可使繞線截面較小，減小了電阻，更節(jié) 省了導(dǎo)線，特別是在大電流的情況下，銅損降低的優(yōu)勢更益明顯。另一方面，在本發(fā)明元件 結(jié)構(gòu)外層的高導(dǎo)磁鐵氧體對磁通擴散具有良好的屏蔽作用，可獲致較小的近場輻射。而且 通過合金粉芯、鐵氧體和氣隙得到良好的結(jié)合，使氣隙能有效改善高飽和磁密合金粉芯的 直流偏置性能，并使其高飽和性能得到充分的發(fā)揮，更進(jìn)一步的減小電感器體積，降低成 本?？v使本發(fā)明已由上述實施例詳細(xì)敘述而可由所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)行的各 種修改，然皆不脫離權(quán)利要求所欲保護的范圍。
權(quán)利要求
1.一種混合材料磁芯組，其特征在于包括一內(nèi)磁芯部件，由高飽和磁密低導(dǎo)磁材料制成；以及一外磁芯部件，由低飽和磁密高導(dǎo)磁材料制成，且包括一環(huán)型壁面及一容置空間，其中 該容置空間容置該內(nèi)磁芯部件。
2.如權(quán)利要求1所述的混合材料磁芯組，其特征在于該高飽和磁密低導(dǎo)磁材料為合金 粉芯，以及該低飽和磁密高導(dǎo)磁材料為鐵氧體。
3.如權(quán)利要求2所述的混合材料磁芯組，其特征在于該合金粉芯由鐵粉芯、鐵硅、鐵硅 鋁、鐵鎳、鐵鎳鉬、非晶粉芯及其組合所組成的群族其中之一所構(gòu)成，以及該鐵氧體由錳鋅、 鎳鋅及其組合所組成的群族其中之一所構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的混合材料磁芯組，其特征在于該高飽和磁密低導(dǎo)磁材料的飽和 磁通密度大于等于該低飽和磁密高導(dǎo)磁材料的1. 5倍。
5.一種磁性元件，其特征在于包括一混合材料磁芯組，包括一內(nèi)磁芯部件，由高飽和磁密低導(dǎo)磁材料制成；以及一外磁芯部件，由低飽和磁密高導(dǎo)磁材料制成，且包括一環(huán)型壁面及一容置空間，其中 該容置空間容置該內(nèi)磁芯部件；以及一繞線線圈，繞設(shè)于該內(nèi)磁芯部件上，且設(shè)置于該外磁芯部件的該容置空間中。
6.如權(quán)利要求5所述的磁性元件，其特征在于該磁性元件為電感器。
7.如權(quán)利要求5所述的磁性元件，其特征在于該高飽和磁密低導(dǎo)磁材料為合金粉芯， 以及該低飽和磁密高導(dǎo)磁材料為鐵氧體。
8.如權(quán)利要求7所述的磁性元件，其特征在于該合金粉芯由鐵粉芯、鐵硅、鐵硅鋁、鐵 鎳、鐵鎳鉬、非晶粉芯及其組合所組成的群族其中之一所構(gòu)成，以及該鐵氧體由錳鋅、鎳鋅 及其組合所組成的群族其中之一所構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求5所述的磁性元件，其特征在于該高飽和磁密低導(dǎo)磁材料的飽和磁通密 度大于等于該低飽和磁密高導(dǎo)磁材料的1. 5倍。
10.如權(quán)利要求5所述的磁性元件，其特征在于該內(nèi)磁芯部件包括一第一內(nèi)磁芯單元 及一第二內(nèi)磁芯單元，該第一內(nèi)磁芯單元及該第二內(nèi)磁芯單元分別具有一中柱及一板部， 其中該中柱分別與該板部的中心區(qū)域相連接。
11.如權(quán)利要求10所述的磁性元件，其特征在于該繞線線圈繞設(shè)于該內(nèi)磁芯部件的該 中柱上。
12.如權(quán)利要求10所述的磁性元件，其特征在于該第一內(nèi)磁芯單元與該第二內(nèi)磁芯單 元一體成型。
13.如權(quán)利要求10所述的磁性元件，其特征在于該第一內(nèi)磁芯單元的該中柱與該第二 內(nèi)磁芯單元的該中柱間形成一氣隙，以及該氣隙中設(shè)置黏膠或絕緣片。
14.如權(quán)利要求5所述的磁性元件，其特征在于該繞線線圈為導(dǎo)線或扁平線圈。
15.如權(quán)利要求5所述的磁性元件，還包括一繞線架，容置于該外磁芯部件的該容置空 間中且具有一貫穿通道以及一繞線區(qū)，其中該貫穿通道容設(shè)部分的該內(nèi)磁芯部件，該繞線 區(qū)繞設(shè)該繞線線圈。
16.如權(quán)利要求5所述的磁性元件，其特征在于該內(nèi)磁芯部件包括一第一內(nèi)磁芯單元，該第一內(nèi)磁芯單元具有一中柱及一板部，該中柱與該板部的中心區(qū)域相連接，以及該外磁 芯部件的該容置空間由該環(huán)型壁面與一底面定義形成。
17.—種磁性元件的制法，其特征在于包括步驟(a)以高飽和磁密低導(dǎo)磁材料制作一內(nèi)磁芯部件、以低飽和磁密高導(dǎo)磁材料制作一外 磁芯部件，以及提供一繞線線圈，其中該外磁芯部件包括一環(huán)型壁面及一容置空間；以及(b)將該繞線線圈繞設(shè)于該內(nèi)磁芯部件上，并將該內(nèi)磁芯部件及該繞線線圈容置于該 外磁芯部件的該容置空間中。
18.如權(quán)利要求17所述的制法，其特征在于該步驟(b)還包括步驟使該內(nèi)磁芯部件 形成一氣隙，并于該氣隙中設(shè)置黏膠或絕緣片。
19.如權(quán)利要求17所述的制法，其特征在于于該步驟(a)與該步驟(b)間還包括步驟 提供一繞線架，且將該繞線線圈繞設(shè)于該繞線架上。
20.如權(quán)利要求19所述的制法，其特征在于該步驟(b)包括步驟(bl)將該繞線架套設(shè)于該內(nèi)磁芯部件上，以使該繞線線圈繞設(shè)于該內(nèi)磁芯部件上；以及(b2)將該內(nèi)磁芯部件、該繞線線圈及該繞線架容置于該外磁芯部件的該容置空間中。
全文摘要
本發(fā)明提供一種混合材料磁芯組、磁性元件及制法。本發(fā)明的磁性元件包括混合材料磁芯組及繞線線圈。混合材料磁芯組包括由高飽和磁密低導(dǎo)磁材料制成的內(nèi)磁芯部件，以及由低飽和磁密高導(dǎo)磁材料制成的外磁芯部件，其中外磁芯部件包括環(huán)型壁面及容置空間，該容置空間容置內(nèi)磁芯部件。繞線線圈繞設(shè)于內(nèi)磁芯部件上，且設(shè)置于外磁芯部件的容置空間中。本發(fā)明的磁性元件可改善電磁特性，提升操作效率、縮短制造工藝工時及減小體積。
文檔編號H01F41/02GK102074333SQ20091022502
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月24日
發(fā)明者吳一凡, 楮江, 鄭益吉, 陳為, 黃智 申請人:臺達(dá)電子工業(yè)股份有限公司