具有高飽和電流與低磁芯損耗的磁性裝置製造方法

2023-04-30 16:41:56

具有高飽和電流與低磁芯損耗的磁性裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種磁性裝置，包括T形磁芯、線圈以及磁性體。T形磁芯包括底座以及柱體，且由退火軟質磁性金屬材料製成，T形磁芯的磁芯損耗PCL(mW/cm3)滿足下列不等式：0.64*f0.95*Bm2.20≤PCL≤7.26*f1.41*Bm1.08，其中，f(kHz)表示適用於T形磁芯的磁場的頻率，且Bm(kGauss)表示所述磁場於所述頻率的工作磁通密度。磁性體完全覆蓋柱體、位於底座的底表面上方的底座的任何部位以及位於底座的頂表面正上方的線圈的任何部位。因此，本發明的具有退火T形磁芯的磁性裝置可達成在重載具有高飽和電流且在輕載具有低磁芯損耗的功效。
【專利說明】具有高飽和電流與低磁芯損耗的磁性裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種磁性裝置，特別是涉及一種具有高飽和電流與低磁芯損耗的磁性裝直。
【背景技術】
[0002]扼流器(choke)是磁性裝置的一種，用以穩定電流，以達到濾除噪聲的效果，扼流器的功能與電容相似，藉由電流穩定性的調整，來存儲與釋放電路中的電能。相較於藉由電場(電荷)來存儲電能的電容，扼流器是藉由磁場來存儲電能。
[0003]第IA圖是具有環形磁芯(toroidal core)的現有扼流器10。然而，對於具有環形磁芯的現有扼流器而言，需以手動的方式將線圈纏繞於環形磁芯上。因此，製造現有扼流器的人工成本較聞，使得現有扼流器的製造成本相對提聞。
[0004]此外，扼流器通常是應用於電子裝置中。如何製造出效能更大且尺寸更小的扼流器對於電子產業而言是一大挑戰。特別地，當具有環形磁芯的現有扼流器的尺寸被縮減至一定程度時，以手動的方式將線圈纏繞於環形磁芯上將會變得更加困難，且扼流器在高飽和電流下將無法產生所需的輸出。
[0005]第IB圖是具有鐵氧體磁芯(ferrite core)的現有扼流器20。然而,此密封的扼流器無法在高飽和電流下產生所需的輸出。此外，當此密封的扼流器的尺寸被縮減至一定程度時，將線圈纏繞於鐵氧體磁芯上也會變得非常困難。
[0006]第IC圖是具有鐵粉磁芯(iron-powder core)的現有扼流器30。然而,鐵粉磁芯具有相對高的磁芯損耗(core loss)。此外，由於在模造工藝中線圈是放置於模具中，且線圈無法承受高溫，在模造工藝後無法進行退火工藝來降低鐵粉磁芯的磁芯損耗。
[0007]綜上所述，如何降低製造成本且縮減扼流器的尺寸，以在重載時維持高飽和電流與低磁芯損耗，便成為一個極待解決的問題。

【發明內容】

[0008]本發明所要解決的技術問題是:為了彌補現有技術的不足，提供一種低成本且小型的磁性裝置，其在重載具有高飽和電流且在輕載具有低磁芯損耗。
[0009]本發明的磁性裝置採用以下技術方案:
[0010]所述磁性裝置包括T形磁芯、線圈以及磁性體。所述T形磁芯包括底座以及柱體，所述底座具有第一表面以及第二表面，所述第一表面與所述第二表面相對，所述柱體位於所述底座的所述第一表面上，所述底座的所述第二表面暴露於外在環境而作為所述磁性裝置的外表面，所述T形磁芯由退火軟質磁性金屬材料製成，所述T形磁芯的磁芯損耗PaOnW/cm3)滿足下列不等式:0.64*f0.95^Bm2-20 ( Pcl ( 7.26*^41?1°8,其中，f (kHz)表示適用於所述T形磁芯的磁場的頻率，且Bm(kGauss)表示所述磁場於所述頻率的工作磁通密度。所述線圈纏繞於所述柱體，所述線圈具有二引腳。所述磁性體完全覆蓋所述柱體、位於所述底座的所述第二表面上方的所述底座的任何部位以及位於所述底座的所述第一表面正上方的所述線圈的任何部位。
[0011]所述線圈的所述二引腳分別連接於所述底座上的二電極。
[0012]所述磁性體完全覆蓋位於所述底座的所述第一表面上方的所述線圈的任何部位。
[0013]所述底座的體積Vl與所述柱體的體積V2滿足下列不等式:V1/V2 ( 2.533。
[0014]所述底座的所述體積Vl與所述柱體的所述體積V2滿足下列不等式:V1/V2 ( 2.093。
[0015]所述二電極內嵌於所述底座中。[0016]各所述電極的底表面實質上與所述底座的所述第二表面共平面，且各所述電極的側表面實質上與所述底座的二相對側表面的其中一面共平面。
[0017]所述底座具有二凹槽，所述二凹槽分別位於所述底座的二側表面上，所述二凹槽用以容置所述二引腳，使得所述二引腳通過所述二凹槽分別與所述二電極接觸。
[0018]所述底座是具有直角或弧角的方形底座，自所述方形底座的四端中的每一端至所述柱體的最短距離皆相等。
[0019]所述T形磁芯的導磁率是μ。，μ C≤48，且所述T形磁芯的所述磁芯損耗Pa(mW/cm3)進一步滿足下列不等式:0.64*fL 15^Bm2-20 ( Pcl ( 4.79*#.°8。
[0020]所述退火軟質磁性金屬材料選自下列群組:被壓入T形結構且經退火而具有介於48與108間的導磁率的鐵娃合金粉末,被壓入所述T形結構且經退火而具有介於48與150間的導磁率的鐵矽鋁合金粉末，被壓入所述T形結構且經退火而具有介於48與192間的導磁率的鐵鎳合金粉末，被壓入所述T形結構且經退火而具有介於48與240間的導磁率的鐵鎳鑰合金粉末，以及至少二上述材料的組合。
[0021]所述退火軟質磁性金屬材料選自下列群組:被壓入T形結構且經退火而具有介於48與150間的導磁率的鐵矽鋁合金粉末，被壓入所述T形結構且經退火而具有介於48與192間的導磁率的鐵鎳合金粉末，被壓入所述T形結構且經退火而具有介於48與240間的導磁率的鐵鎳鑰合金粉末，以及至少二上述材料的組合，並且所述T形磁芯的所述磁芯損耗 Pa(mW/cm3)進一步滿足下列不等式:0.64*fL31^Bm2-20 ( Pcl ( 2.0*fL41*BmL08o
[0022]μ c*Hsat2250，Hsat (Oe)是所述磁場於80%的μ co時的強度，μ co是所述T形磁芯於所述磁場的強度是O時的導磁率。
[0023]所述磁性裝置的等效導磁率介於28.511與52.949之間。
[0024]所述T形磁芯的導磁率是μ。，所述磁性體的導磁率是μΒ，48≤240,9.85≤μΒ≤64.74，μ c對應μ B的上限與下限間的範圍，μ c越高，則μ Β的所述範圍越小，且μ B的所述上限與所述下限越低。
[0025]所述磁性體的導磁率是μ Β，μ Β4.8，所述磁性體的磁芯損耗P%(mW/cm3)滿足下列不等式:2*f129*Bm2.2 ( Pbl ( 14.03*fL2X108o
[0026]所述磁性體由樹脂與選自下列群組的材料的熱壓混合物製成:鐵基非結晶粉末、鐵娃招合金粉末、透磁合金粉末、鐵娃合金粉末、奈米結晶合金粉末以及至少二上述材料的組合。
[0027]所述磁性體的所述導磁率μ Β滿足下列不等式:9.85μ Β64.74，所述磁性體的所述磁芯損耗PBL(mW/cm3)進一步滿足下列不等式:2*f129*Bm2 2 ( Pbl ( 11.23^129?1°8
O[0028]所述磁性體的所述導磁率μ 足下列不等式:20 < μ Β < 40，所述磁性體的所述磁芯損耗 PBL(mW/cm3)進一步滿足下列不等式:2*f129*Bm2.2 ≤Pbl ( 3.74*fL29*BmL08o
[0029]μ B*Hsat≥2250，Hsat (Oe)是所述磁場於80%的μ Β0時的強度，μ Β0是所述磁性體於所述磁場的強度是O時的導磁率。
[0030]因此，根據上述技術方案，本發明的磁性裝置至少具有下列優點及有益效果:本發明的具有退火T形磁芯的磁性裝置的效能(於重載時具有高飽和電流與低功率損耗)遠比具有環形磁芯的現有扼流器來得好。因此，本發明的具有退火T形磁芯的磁性裝置可達成在重載具有高飽和電流且在輕載具有低磁芯損耗的功效。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1A至圖1C是三種形式的現有扼流器。
[0032]圖2Α至圖2G是本發明不同實施例的T形磁芯、線圈以及扼流器的外觀視圖。
[0033]圖3Α是本發明一實施例的扼流器的剖面圖。
[0034]圖3Β是本發明另一實施例的T形磁芯的外觀視圖。
[0035]圖3C是圖3Β中具有T形磁芯的扼流器的剖面圖。
[0036]圖3D是本發明又一實施例的扼流器的剖面圖。
[0037]圖4Α是本發明一實施例的T形磁芯的俯視圖。
[0038]圖4Β是本發明另一實施例的T形磁芯的俯視圖。
[0039]圖5Α與圖5Β是本發明的二實施例的T形磁芯的側視圖與俯視圖。
[0040]圖6是用以顯示T形磁芯的導磁率與磁性體的導磁率的上限與下限的曲線，以及T形磁芯的導磁率與磁性體的導磁率間的關係。
[0041]圖7是本發明一實施例的扼流器與具有環形磁芯的現有扼流器之間的效能比較。
[0042]其中，附圖標記說明如下:
[0043]1、10、20、30 扼流器2T形磁芯
[0044]3線圈4磁性體
[0045]5、6電極21底座
[0046]22柱體31、32引腳
[0047]211、212凹槽a、b、c、d 距離
[0048]A寬度B、D高度
[0049]C直徑E厚度
【具體實施方式】
[0050]本發明將利用所附圖式詳述於下，其中所有圖式中相同的參考標號表示相同或相似的組件。需說明的是，所有圖式應以參考標號的方向來看。
[0051]圖2A至圖2C是本發明一實施例的扼流器的立體圖。如圖2A至圖2C所示，扼流器I是磁性裝置，包括T形磁芯2、線圈3以及磁性體4。T形磁芯2包括底座21以及柱體22ο底座21具有第一表面(頂表面)以及第二表面(底表面)，其中第一表面(頂表面)與第二表面(底表面)相對。柱體22位於底座21的第一表面(頂表面)上。底座21的第二表面(底表面)暴露於外在環境而作為扼流器I (磁性裝置)的外表面。線圈3形成中空部，用以容置柱體22，使得線圈3纏繞於柱體22。於本發明的實施例中，如圖2C所示，線圈具有二引腳31、32作為焊接接腳，而不需使用底座21上的電極。於本發明的另一實施例中，如圖3D所示，線圈3具有二引腳31、32，分別連接於底座21上的二電極5、6。磁性體4完全覆蓋柱體22、位於底座21的第二表面(底表面)上方的底座21的任何部位以及位於底座21的第一表面(頂表面)上方的線圈3的任何部位。
[0052]於本發明的實施例中，T形磁芯2由退火軟質磁性金屬材料(annealed softmagnetic metal material)製成。特別地,退火軟質磁性金屬材料選自下列群組:鐵娃合金粉末、鐵矽鋁合金粉末、鐵鎳合金粉末、鐵鎳鑰合金粉末，以及至少二上述材料的組合，且被加壓以形成T形磁芯2的T形結構(例如，底座加柱體)。在形成T形結構後，於T形結構上執行退火工藝，以得到具有低磁芯損耗的退火T形磁芯2。
[0053]下列關係式可用來說明磁性材料的磁芯損耗:PfC*fa*Bmb。
[0054]於上述關係式中，Plj是單位體積的磁芯損耗(mW/cm3), f (kHz)表示適用於磁性材料的磁場的頻率，且Bm(kGauss，通常小於I)表示所述磁場於所述頻率的工作磁通密度(operating magnetic flux density)。此外，係數C、a與b是根據磁性材料的參數，例如:導磁率而決定。
[0055]下列表1-4紀錄具有不同的導磁率的不同的軟質磁性金屬材料被用來形成退火T形磁芯2的係數C、a與b。
[0056]表1
[0057]
【權利要求】
1.一種磁性裝置，其特徵在於，所述磁性裝置包括: T形磁芯，包括底座以及柱體，所述底座具有第一表面以及第二表面，所述第一表面與所述第二表面相對，所述柱體位於所述底座的所述第一表面上，所述底座的所述第二表面暴露於外在環境而作為所述磁性裝置的外表面，所述T形磁芯由退火軟質磁性金屬材料製成，所述T形磁芯的磁芯損耗Pa(mW/cm3)滿足下列不等式:0.64*f°_ 95*Bm2_2°≤Pa≤7.26*f14.1^Bm1'其中，f(kHz)表示適用於所述T形磁芯的磁場的頻率，且Bm (kGauss)表示所述磁場於所述頻率的工作磁通密度； 線圈，纏繞於所述柱體，所述線圈具有二引腳；以及 磁性體，完全覆蓋所述柱體、位於所述底座的所述第二表面上方的所述底座的任何部位以及位於所述底座的所述第一表面正上方的所述線圈的任何部位。
2.如權利要求1所述的磁性裝置，其特徵在於，所述線圈的所述二引腳分別連接於所述底座上的二電極。
3.如權利要求1所述的磁性裝置，其特徵在於，所述磁性體完全覆蓋位於所述底座的所述第一表面上方的所述線圈的任何部位。
4.如權利要求1所述的磁性裝置，其特徵在於，所述底座的體積Vl與所述柱體的體積V2滿足下列不等式:V1/V2 ≤ 2.533。
5.如權利要求4所述的磁性裝置，其特徵在於，所述底座的所述體積Vl與所述柱體的所述體積V2滿足下列不等式:V1/V2 ≤2.093。
6.如權利要求2所述的磁性裝置，其特徵在於，所述二電極內嵌於所述底座中。
7.如權利要求6所述的磁性裝置，其特徵在於，各所述電極的底表面實質上與所述底座的所述第二表面共平面，且各所述電極的側表面實質上與所述底座的二相對側表面的其中一面共平面。
8.如權利要求2所述的磁性裝置，其特徵在於，所述底座具有二凹槽，所述二凹槽分別位於所述底座的二側表面上，所述二凹槽用以容置所述二引腳，使得所述二引腳通過所述二凹槽分別與所述二電極接觸。
9.如權利要求1所述的磁性裝置，其特徵在於，所述底座是具有直角或弧角的方形底座，自所述方形底座的四端中的每一端至所述柱體的最短距離皆相等。
10.如權利要求1所述的磁性裝置，其特徵在於，所述T形磁芯的導磁率是μC .48,且所述T形磁芯的所述磁芯損耗Pa(mW/cm3)進一步滿足下列不等式:0.64*f115*Bm2-20 ≤Pcl ≤4.
11.如權利要求10所述的磁性裝置，其特徵在於，所述退火軟質磁性金屬材料選自下列群組:被壓入T形結構且經退火而具有介於48與108間的導磁率的鐵矽合金粉末，被壓入所述T形結構且經退火而具有介於48與150間的導磁率的鐵矽鋁合金粉末，被壓入所述T形結構且經退火而具有介於48與192間的導磁率的鐵鎳合金粉末，被壓入所述T形結構且經退火而具有介於48與240間的導磁率的鐵鎳鑰合金粉末，以及至少二上述材料的組合。
12.如權利要求10所述的磁性裝置，其特徵在於，所述退火軟質磁性金屬材料選自下列群組:被壓入T形結構且經退火而具有介於48與150間的導磁率的鐵矽鋁合金粉末，被壓入所述T形結構且經退火而具有介於48與192間的導磁率的鐵鎳合金粉末，被壓入所述T形結構且經退火而具有介於48與240間的導磁率的鐵鎳鑰合金粉末，以及至少二上述材料的組合，並且所述T形磁芯的所述磁芯損耗Pa(mW/cm3)進一步滿足下列不等式:0.64*fJ31*Bm2.20 ≤ Pcl ≤2.0*#.
13.如權利要求10所述的磁性裝置，其特徵在於，ye*Hsat≤2250，Hsat(Oe)是所述磁場於80%的μ co時的強度，μ CO是所述T形磁芯於所述磁場的強度是O時的導磁率。
14.如權利要求1所述的磁性裝置，其特徵在於，所述磁性裝置的等效導磁率介於28.511 與 52.949 之間。
15.如權利要求14所述的磁性裝置，其特徵在於，所述T形磁芯的導磁率是μ。，所述磁性體的導磁率是μ Β，48≤μ。≤240,9.85 ≤ μ Β≤64.74，μ。對應μ Β的上限與下限間的範圍，μ。越高，則μ 3的所述範圍越小，且μ 3的所述上限與所述下限越低。
16.如權利要求1所述的磁性裝置，其特徵在於，所述磁性體的導磁率是μΒ，μ B≤4.8，所述磁性體的磁芯損耗PBJmW/cm3)滿足下列不等式:2*f129*Bm2 2 ≤ Pb≤14.03*fL 29≤Bm1- 08 O
17.如權利要求16所述的磁性裝置，其特徵在於，所述磁性體由樹脂與選自下列群組的材料的熱壓混合物製成:鐵基非結晶粉末、鐵娃招合金粉末、透磁合金粉末、鐵娃合金粉末、奈米結晶合金粉末以及至少二上述材料的組合。
18.如權利要求16所述的磁性裝置，其特徵在於，所述磁性體的所述導磁率μΒ滿足下列不等式:9.85≤1^≤ 64.74，所述磁性體的所述磁芯損耗卩％0111/(^3)進一步滿足下列不等式:2*f129*Bm2.2 ≤ Pbl ≤ 11.23*f129*Bm108。
19.如權利要求16所述的磁性裝置，其特徵在於，所述磁性體的所述導磁率μB滿足下列不等式:20≤μΒ<40，所述磁性體的所述磁芯損耗PBJmW/cm3)進一步滿足下列不等式:2*fL29*Bm2.2 ≤Pbl ≤ 3.74*fL 29^B1111-08 ο
20.如權利要求16所述的磁性裝置，其特徵在於，yB*Hsat≤2250，Hsat (Oe)是所述磁場於80%的μ Β0時的強度，μ Β0是所述磁性體於所述磁場的強度是O時的導磁率。
【文檔編號】H01F27/24GK103928218SQ201310177896
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年5月15日 優先權日:2013年1月10日
【發明者】劉春條, 謝藍青, 吳宗展, 李奇勳, 莊淇翔 申請人:乾坤科技股份有限公司