具有位於磁隙附近的永久磁鐵的電感線圈元件的製作方法

2023-10-09 19:08:24 1

專利名稱：具有位於磁隙附近的永久磁鐵的電感線圈元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有繞在磁芯上的線圈的磁性元件，更具體地涉及一種電感線圈元件，例如電感器、變壓器和類似物，可以用在各種形式的電子設備和電源中，以減少採用直流磁偏時的鐵心損耗。
通過減小由磁性材料形成的磁芯的體積，可以有效地降低磁性元件，例如電感器和變壓器(下文中統稱為「電感線圈元件」)的大小和重量。
一般來說，減小磁芯的大小有助於磁芯的磁飽和，磁飽和造成了當作電源的電流值減小的問題。
已經知道了解決此問題的一個方法，即，使一部分磁芯具有磁隙，因此能提高磁芯的磁阻，防止電流值的降低。然而，仍然存在著這種磁性元件的磁感降低的現象。
已經知道了多種能防止電感線圈元件的磁感降低的方法，例如在磁隙附近設置一永久磁鐵的方法(下文中稱為「現有技術1」)，使用一永久磁鐵接通磁隙的方法(見日本未審查實用新型公報第54-152957號)，或者是安裝一個永久磁鐵連接磁隙的方法(見日本未審查專利公報第1-169905號，下文中稱為「現有技術2」)，這樣就可施加直流磁偏，提高了磁通密度的變化，從而可以提高工作電功率。
現有技術2描述了一種關於磁芯結構的技術，它採用一永久磁鐵來產生磁偏。這種技術包括採用一永久磁鐵來對磁芯施加直流磁偏，從而增加穿過磁隙的磁力線數目的方法。
然而，根據現有技術1，當採用具有高飽和磁通密度(B)的金屬磁性材料，例如矽鋼、坡莫合金和非晶體材料來製成用作扼流圈的磁芯時，由燒結材料，如稀土磁體例如Sm-Co或Nd-Fe-B或類似材料製成的永久磁鐵由於磁芯的高磁通密度，會從渦流損耗中產生熱量，即使永久磁鐵位於磁路外時也是如此，因而，永久磁鐵的性能降低。
而且，對於根據現有技術2的電感磁芯的外形，繞在磁芯上的線圈的磁通穿過磁隙內的永久磁鐵，使永久磁鐵退磁。另外，還存在這樣的問題，插入到磁隙中的永久磁鐵越小，由於外因引起的退磁效果越強。
根據本發明提供了一種電感線圈元件，其包括具有至少一個間隙的磁芯，放置在磁芯上以在磁芯上形成磁路的激勵線圈，以及放置在至少一個間隙附近的永久磁鐵。在本發明中，永久磁鐵在一個由軟磁材料形成的第一軟磁材料塊上設置，軟磁材料的磁導率和渦流損耗比磁芯的磁導率和渦流損耗小。


圖1C是圖1A所示扼流圈的側視圖；圖2是圖1A到1C所示扼流圈的分解透視圖；圖3是根據現有技術2的磁性元件的透視圖；圖4A是根據本發明第一實施例的電感線圈元件的透視圖；圖4B是圖4A所示電感線圈元件的正視圖；圖4C是圖4A所示電感線圈元件的側視圖；圖5是圖4A所示電感線圈元件的分解透視圖；圖6A是根據本發明第二實施例的電感線圈元件的透視圖；圖6B是圖6A所示電感線圈元件的正視圖；圖6C是圖6A所示電感線圈元件的側視圖；圖7是圖6A到6C所示電感線圈元件的分解透視圖；圖8A是根據本發明第三實施例的電感線圈元件的透視圖；圖8B是圖8A所示電感線圈元件的正視圖；圖8C是圖8A所示電感線圈元件的側視圖；圖9是圖8A到8C所示電感線圈元件的分解透視圖；圖10是根據本發明第四實施例的電感線圈元件的透視圖；圖11是圖10所示電感線圈元件的磁芯的分解透視圖；圖12A是圖10所示電感線圈元件的平面圖；圖12B是同一電感線圈元件的正視圖；圖12C是同一電感線圈元件的側視圖；圖13是根據本發明第一實施例的電感線圈元件的直流疊加特性圖。
參考圖1A到1C，根據現有技術1的扼流圈13包括由U形軟磁材料形成的磁芯15，繞在磁芯上的激勵線圈19，以及位於磁芯和激勵線圈之間的絕緣片17。另外，在磁芯15的兩個相對磁極21和25的其中之一，在這裡是磁極21的側面上連接有一永久磁鐵23。
參見圖2，通過纏繞導線將激勵線圈19固定在由U形軟磁材料形成的磁芯15的一個磁極21上，並且在激勵線圈和磁極之間設置絕緣片17，這樣就可以形成扼流圈13。然後，將永久磁鐵23連接到磁極21的側面前部。注意到永久磁鐵23標記有南北極的符號N和S，因此，箭頭29所指方向即為磁場方向。
現參考圖3，在根據現有技術2的磁性元件中，在一對U形磁芯31的兩個磁隙中均插入了永久磁鐵33。對於根據現有技術2的磁性元件35，在其電感/直流疊加電流特性方面，將永久磁鐵33插入磁隙中能在高的電流值下保持高的磁感應值。
下面將參考圖4到13對本發明進行詳細的說明。
根據本發明的電感線圈元件包括一個具有至少一個間隙的磁芯，一個設置在磁芯上以在磁芯上形成磁路的激勵線圈，以及設置在至少一個間隙附近的永久磁鐵。在電感線圈元件中，永久磁鐵設在一個由軟磁材料形成的第一軟磁材料塊上，軟磁材料的磁導率和渦流損耗比磁芯的磁導率和渦流損耗小。
現在在此電感線圈元件中，將永久磁鐵的一個側面放置在磁芯上形成至少一個間隙的一個側面上，在永久磁鐵和磁芯之間設置第一軟磁材料塊，而永久磁鐵的另一側面由軟磁材料形成的第二軟磁材料塊連接，軟磁材料的磁導率和渦流損耗比磁芯的磁導率和渦流損耗小。
而且，在此電感線圈元件中，間隙最好由一個U形磁芯形成，在一對磁芯之間形成有多個間隙。
而且，在此電感線圈元件中，間隙最好形成在C形磁芯的每一對接側面上。
另外，此電感線圈元件最好用做扼流圈。
本發明所用的永久磁鐵是由稀土磁性粉末形成的粘結磁鐵，其自然矯頑力為10千奧斯特(kOe)(79kA/m)或更高，結晶溫度Tc為500攝氏度或更高，平均晶粒直徑為2.5到50μm，樹脂所佔的體積為30％或更多，電阻率為1Ωcm或更高。最好，此稀土合金的組成是Sm(Co其餘Fe0.15-025Cu0.05-0.06Zr0.02-0.03)7.0-8.5，用來粘結磁鐵的樹脂是聚醯亞胺樹脂、環氧樹脂、聚苯硫樹脂、矽樹脂、聚脂類樹脂、芳香族尼龍或化學聚合物中的一種，在稀土磁性粉末中加入矽烷偶聯劑和鈦烷偶聯劑，在粘結磁鐵時通過磁定向使其具有各向異性，以提高材料性能，其中，在粘結後在2.5特斯拉(T)或更強的磁場下對粘結磁鐵進行磁化，使磁鐵具有非常好的直流疊加特性，而所形成的磁芯的鐵心損失性能並無降低。
這是因為，作為一種得到優良的直流疊加特性的磁鐵性能，自然矯頑力比能量乘積更重要。因此，只要自然矯頑力足夠高，即使使用具有很高電阻率的永久磁鐵，也能得到足夠高的直流疊加特性。
通過將稀土磁性粉末與粘結劑混合而形成稀土粘結磁鐵，通常就能得到具有高電阻率和高自然矯頑力的磁鐵。然而，只要其組成成分是具有高自然矯頑力的磁性粉末，任何材料都可以使用。稀土磁性粉末的類型包括SmCo型、NdFeB型和SmFeN型，但考慮到回流條件和抗氧化性，磁鐵的結晶溫度應為500攝氏度或更高，矯頑力應為10kOe或更高。因此，在本例中，優選Sm2Co17磁鐵。
現在，將參考圖4到13對本發明的實施例進行描述。
參考圖4，根據本發明第一實施例的電感線圈元件37包括一磁芯45和一激勵線圈47。磁芯45是一U形的軟磁材料，具有基體39，以及從基體39端部向相同方向延伸出的一對磁極41和43。製成磁芯45的材料包括金屬軟磁材料例如矽鋼、非晶體材料和坡莫合金等，或者軟磁材料例如MnZn或NiZn鐵素體或類似材料。
激勵線圈47安裝在磁芯45的一個磁極上。激勵線圈47具有纏繞在磁極上的形狀，並且在激勵線圈和磁極之間設有一絕緣片49，例如絕緣紙、絕緣帶，塑料片等。
而且，在磁芯45的磁極43的一個端側面上設有一個由矩形板狀軟磁材料形成的軟磁塊51。另外，在此軟磁塊51上放置了一個具有相同形狀的永久磁鐵53。
軟磁塊51的材料，如粉末軟磁材料例如矽鋼、非晶體材料、坡莫合金等，與磁芯45相比具有較低的導磁性和渦輪損耗。而且，永久磁鐵43可採用粘結磁鐵或稀土燒結體，例如Ba或Sr鐵素體，或SmCo、NdFeB等。
參考圖5，將激勵線圈47安裝在磁芯45的一個磁極上並在它們中間設置絕緣片49，將永久磁鐵53放置在設有激勵線圈47的那個磁極的側面上並在它們中間設置軟磁塊51，就可以得到電感線圈元件37。箭頭55代表磁場方向。
由於電感線圈元件37具有這樣的外形，激勵線圈47形成的磁場和永久磁鐵53形成的偏磁場就被軟磁塊51所隔開，這樣，永久磁鐵53不受激勵線圈47形成的磁場的影響。因此，磁場中的渦流損耗不產生熱量，永久磁鐵不受退磁或類似現象的影響，可以得到穩定的性能優良的高可靠性電感線圈元件37。
參考圖6A到6C，圖中相同的標號代表相似零件。根據本發明第二實施例的電感線圈元件57包括和第一實施例相同的U形軟磁材料的磁芯45，以及安裝在磁芯45的一個磁極43上的激勵線圈47。激勵線圈47具有可纏繞在磁極上的形狀，並且在它們中間設有一絕緣片49，例如絕緣紙、絕緣帶，塑料片等。
而且，在磁芯45的兩個磁極41和43的一個相同端側面上都設置有由矩形板狀軟磁材料形成的軟磁塊51，在軟磁塊51上都設有和第一實施例中相同形狀的永久磁鐵53。和第一實施例中的一樣，軟磁塊51的材料的磁導率和渦流損耗比磁芯的磁導率和渦流損耗小。
另外，兩個永久磁鐵53之間跨接了另一軟磁塊59，軟磁塊59的材料與軟磁塊51的材料相同，並比軟磁塊51更長，以便將永久磁鐵53連接起來。
參考圖7，將激勵線圈47安裝在磁芯45的一個磁極43上並在激勵線圈和磁極之間設置絕緣片49，將永久磁鐵53放置在磁極的側面上並在永久磁鐵和磁極之間設置軟磁塊51，再用另一軟磁塊59連接永久磁鐵53以防止永久磁鐵53中的磁通量洩漏，就可以得到電感線圈元件。箭頭55代表磁場方向。
這種形狀的電感線圈元件具有第一實施例的優點，另外，由永久磁鐵帶來的直流磁偏也得以提高，因而提高了工作電功率。
參考圖8A到8C，圖中相同的標號代表相似零件。根據本發明第三實施例的電感線圈元件61包括和第一及第二實施例相同的U形軟磁材料的磁芯45，以及安裝在磁芯45的一個磁極43上的激勵線圈47。激勵線圈47具有纏繞在磁極上的形狀，並且在激勵線圈和磁極中間設有一絕緣片49，例如絕緣紙、絕緣帶，塑料片等。
而且，在磁芯45的兩個磁極41和43的兩個相同端側面上都設置有由矩形板狀軟磁材料形成的軟磁塊51，即，成對設置了總共4個軟磁塊51，在4個軟磁塊51上設有4個形狀相同的永久磁鐵53。和第一及第二實施例中的一樣，軟磁塊51的材料的磁導率和渦流損耗比磁芯的磁導率和渦流損耗小。
另外，在4個永久磁鐵53的相同側的頂面間跨接了另外二個軟磁塊59，軟磁塊59的材料與第一及第二實施例中軟磁塊51的材料相同，並比軟磁塊51更長，以便將永久磁鐵53連接起來。
參考圖9，將激勵線圈47安裝在磁芯45的一個磁極43上並在激勵線圈和磁極之間設置絕緣片49，將永久磁鐵53放置在兩個磁極的兩個側面上並在永久磁鐵和磁極之間設置軟磁塊51，再用另二個軟磁塊59在每一側面連接每一對永久磁鐵53，就可以得到電感線圈元件。箭頭55代表磁場方向。
根據本發明第三實施例的這種形狀的電感線圈元件61具有第一和第二實施例的優點，另外，由永久磁鐵53帶來的直流磁偏也得以提高，因而提高了工作電功率。
參考圖10到12C，圖中相同的標號代表相似零件。根據本發明第四實施例的電感線圈元件63包括從底面向下伸出的端部銷65，由塑料材料形成且具有一個圖中未示出的通孔以使其能穿過纏繞部分的中心的線圈軸67，具有C形軟磁體的一對磁芯45，每一磁芯上的磁極41和43之一從兩側安裝到線圈軸心67的通孔中(未示出)，電感線圈元件63還包括一個安裝在纏繞部分周邊上的激勵線圈69，而磁芯45的一個磁極43安裝在纏繞部分上。激勵線圈69具有可以繞在帶有塑料線圈軸纏繞部分的磁極43的周邊上的形狀。
兩個磁芯45的磁極41和43相互對接。暴露在線圈軸67外面的磁極41的鄰接部分形成一間隙。在帶有間隙的磁極41的鄰接部分的兩邊側面上成對設置了由矩形板形軟磁材料形成的總共4個軟磁塊51。在軟磁塊51上又設置了4個相同形狀的永久磁鐵53。和第一到第三實施例中的相同，軟磁塊51的材料的磁導率和渦流損耗比磁芯的磁導率和渦流損耗小。
另外，永久磁鐵53的相同側之間跨接了另外二個軟磁塊59，軟磁塊59的材料與第二及第三實施例中軟磁塊51的材料相同，並比軟磁塊51更長，以便將永久磁鐵53在那一側連接起來。
參考圖11，將磁芯45的磁極43安裝到具有激勵線圈69的線圈軸心67的孔(未示出)中使得磁極43對接，將永久磁鐵53安裝在具有間隙的另一磁極41的兩個側面上並在永久磁鐵和磁極之間設置軟磁塊51，另外，在永久磁鐵53上設置另外的軟磁塊59以將每對永久磁鐵53連接起來，這樣就可得到電感線圈元件。箭頭55所指為磁場方向。
下面將詳細地描述具有第一和第二實施例結構的根據本發明實施例的電感線圈元件的具體示例。
準備好根據本發明第一和第二實施例的電感線圈元件。組成磁芯45的U形軟磁體是由具有高飽和磁通的矽鋼(50μm的強繞芯)形成，其磁導率為2×10-2H/m，磁路長度為0.2m，有效截面積為10-4m2。矩形極狀的軟磁體是由的粉末材料形成，大小為10×10×2mm，其磁導率為1×10-4H/m，飽和磁通密度為1T。永久磁鐵的矯頑力為398A/m或更高，剩餘磁通密度為1T或更高。為便於比較，以同樣方式製作了傳統的電感線圈元件。
測量具有這種形狀的電感線圈元件37的直流疊加特性，圖13顯示了其結果。在圖13中，曲線71和73分別對應於第一和第二實施例，曲線75對應於傳統示例。在圖13中，使用矩形極狀軟磁體不會帶來直流疊加特性的變化。
而且，表1顯示了在100kHz的激勵頻率下的溫度特性的測量結果。
表1

從表1中可以清楚地看出，根據本發明實施例的電感線圈元件能夠抑制永久磁鐵的熱量產生。
如上所述，根據本發明的實施例可以提供一種電感線圈元件，其對所放置的永久磁鐵的形狀只有很少限制，能抑制由於繞在磁芯上的線圈的磁通而使永久磁鐵產生的熱量，而且其性能不會降低。
權利要求
1.一種電感線圈元件，包括具有至少一個間隙的磁芯；設置在所述磁芯上並在所述磁芯上形成磁路的激勵線圈；和設置在至少一個所述間隙附近的永久磁鐵；其特徵在於，所述永久磁鐵設置在由軟磁材料形成的第一軟磁材料塊上，所述軟磁材料的磁導率和渦流損耗比磁芯小。
2.根據權利要求1所述電感線圈元件，其特徵在於，所述永久磁鐵的一個側面設置在所述磁芯的形成至少一個間隙的端部的兩個側面之一上，並在所述永久磁鐵和所述磁芯之間設置所述第一軟磁性材料塊，所述永久磁鐵的另一側面之間由軟磁材料形成的第二軟磁材料塊連接，所述軟磁材料的磁導率和渦流損耗比磁芯小。
3.根據權利要求1所述電感線圈元件，其特徵在於，所述間隙是在一個U形磁芯上形成。
4.根據權利要求1所述電感線圈元件，其特徵在於，在一對磁芯之間形成有多個所述間隙。
5.根據權利要求4所述電感線圈元件，其特徵在於，所述間隙形成在C形磁芯的每一鄰接側面上。
6.根據權利要求1所述電感線圈元件，其特徵在於，所述電感線圈元件可用作扼流圈。
全文摘要
提出了一種電感線圈元件,其包括具有至少一個間隙的磁芯,設置在磁芯上以在磁芯上形成磁路的激勵線圈,以及設置在至少一個間隙附近的永久磁鐵。在這種電感線圈元件中,永久磁鐵設置在由軟磁材料形成的第一軟磁材料塊上,軟磁材料的磁導率和渦流損耗比磁芯小。這種電感線圈元件對於所放置的永久磁鐵的形狀無限制,能抑制由於繞在磁芯上的線圈的磁通量而使永久磁鐵產生的熱量,而且其性能不會降低。
文檔編號H01F27/24GK1354485SQ0113945
公開日2002年6月19日 申請日期2001年11月20日 優先權日2000年11月20日
發明者衝田一幸, 伊藤透, 佐藤敏也, 藤原照彥 申請人:株式會社東金