CN101527197B - 扼流线圈 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种扼流线圈，包括一磁性中柱、一线圈以及磁性材料。磁性中柱具有一第一导磁率，第一导磁率约介于350至1200之间；线圈缠绕于中柱；磁性材料包覆线圈且具有一第二导磁率，第一导磁率大于第二导磁率，第二导磁率约介于5至30之间。本发明的扼流线圈利用适当选用中柱与磁性材料的导磁率范围，可使扼流线圈具有较佳的饱和特性及较大的可应用电流。

Description

扼流线圈 
技术领域
本发明涉及一种被动元件，特别是涉及一种扼流线圈。 
背景技术
如图1A及图1B，公知组合式扼流线圈(Choke Coil)100包括一鼓状中柱(Drum Core)110、一线圈120以及一外壳130。鼓状中柱110包括中间柱112及连接于其两端的上柱111与下柱113；线圈120套设于鼓状中柱110；外壳130包覆线圈120及鼓状中柱110，且线圈120与外壳130之间及中柱110与外壳130之间具有一空气间隙t。当鼓状中柱110设置于扼流线圈100中央时，电感值为4.45uH；而当鼓状中柱110偏移且接触外壳130时(如图1C)，电感值为6.44uH；由此可知，鼓状中柱110的位置改变将造成间隙t变化，而使电感值产生明显的变化。因此生产过程时，需对鼓状中柱110进行精密的定位步骤，使间隙t固定，以确保扼流线圈100具有固定的电感值；然定位步骤会增加生产步骤，使生产成本提高。再者，空气间隙t会造成通过中柱110及屏蔽的磁通密度衰减，造成电感量下降。而且，组合式扼流线圈100仅可通过改变线圈圈数及中柱尺寸两个参数来改变电感值，所以，调整电感值时容易受限。 
公知压缩成型式(Compression Molding Type)扼流线圈，如美国专利第6,204,744号，将中空线圈及粉末状磁性材料置于一成型模具的模穴中，再施加压力以成型。然成型压力通常很高且中空线圈本身无法得到足够的支撑，因此，于成型过程中容易造成线圈外覆的绝缘层脱落，而使扼流线圈发生层间短路的问题。 
有鉴于上述现有的组合式扼流线圈存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的扼流线圈，能够改进一般现有的组合式扼流线圈，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。 
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有的扼流线圈存在的缺陷，而提供一种新型结构的扼流线圈，所要解决的技术问题是使其利用适当选用中柱与磁性材料的导磁率范围，可使扼流线圈具有较佳的饱和特性及较大的可应用电流，从而更加适于实用。 
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种扼流线圈，包括：一磁性中柱，具有一第一导磁率，该第一导磁率约介于350至1200之间，其中，该磁性中柱为一鼓状中柱，该鼓状中柱包含一上柱、一中间柱以及一下柱，该下柱具有一第一宽度与一第一厚度，该中间柱具有一第二宽度，该第二宽度与该第一宽度的比例介于0.367至0.667之间，该中间柱具有一第二厚度，该第一厚度与该第二厚度的比例介于0.3至0.667之间；一线圈，缠绕于该磁性中柱；磁性材料，包覆该线圈且具有一第二导磁率，该第一导磁率大于该第二导磁率，该第二导磁率约介于5至30之间；以及一电极部，连接于该线圈的两端。 
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。 
前述的扼流线圈，其中所述的磁性材料是藉由一射出成型制程包覆该线圈，且该线圈与该磁性材料之间完全接触。 
前述的扼流线圈，其中所述的磁性材料包括一树脂材料以及一磁性粉状材料，该树脂材料可选自聚酰胺6(PA6)、聚酰胺12(PA12)、聚苯硫醚(PPS)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)或乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(EEA)其中之一。 
前述的扼流线圈，其中所述的磁性粉状材料包括一金属软磁材料或一铁氧体(Ferrite)。 
前述的扼流线圈，其中所述的金属软磁材料包括铁粉(Iron)、铁铝硅合金(FeAlSi Alloy)、铁铬硅合金(FeCrSi Alloy)或不锈钢。 
前述的扼流线圈，其中所述的中柱是由一铁氧体(Ferrite)软磁材料所制成。 
前述的扼流线圈，其中该上柱与该下柱具有相同的该第一宽度与该第一厚度。 
前述的扼流线圈，其中所述的上柱、该中间柱及该下柱之间形成一绕线空间，该线圈及该磁性材料容置于该绕线空间内。 
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上可知，为了达到上述目的，本发明提供了一种扼流线圈包括一磁性中柱、一线圈以及磁性材料，其中，磁性中柱具有一第一导磁率，第一导磁率约介于350至1200之间，线圈缠绕于中柱，磁性材料包覆线圈且具有一第二导磁率，第一导磁率大于第二导磁率，第二导磁率约介于5至30之间。 
借由上述技术方案，本发明扼流线圈至少具有下列优点： 
1)本发明的一种扼流线圈，不需进行中柱的精密定位，藉以简化生产步骤； 
2)本发明的一种扼流线圈，在填充磁性材料时，线圈可得到足够的支 撑，藉以改善线圈的层间短路的问题； 
3)本发明的一种扼流线圈，制造过程中不需承受高成型压力，藉以可提升制程稳定性及产品信赖性； 
4)本发明的一种扼流线圈，可增加调整电感值的参数，使调整电感值较不易受限。 
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。 
附图说明
图1A显示公知组合式扼流线圈的立体示意图。 
图1B显示图1A组合式扼流线圈的剖面示意图。 
图1C显示图1A的中柱偏移后的扼流线圈的立体示意图。 
图2A显示本发明一实施例的扼流线圈的立体示意图。 
图2B显示图2B扼流线圈的剖面示意图。 
图2C显示图2A扼流线圈的第二导磁率与电感值的关系图。 
图3A显示本发明另一实施例的扼流线圈的立体示意图。 
图3B显示图3A扼流线圈的剖面示意图。 
图3C显示图3A扼流线圈的第二导磁率与电感值的关系图。 
图4显示不同树脂材料的特性图。 
图5显示公知与本发明的磁场与磁通密度关系图。 
图6显示公知与本发明的电流与电感值关系图。 
图7显示图3A的中柱的剖面示意图。 
图8显示本发明另一电流与电感值的关系图。 
100：组合式扼流线圈        110：中柱 
111：上柱                  112：中间柱 
113：下柱                  120：线圈 
130：磁性材料              200：扼流线圈 
200’：扼流线圈            210：中柱 
211：上柱                  2111：侧面 
212：中间柱                213：下柱 
2131：侧面                 214：绕线空间 
220：线圈                  230：磁性材料 
230’：磁性材料            240：电极部 
a：第一宽度                b：第二宽度 
c：第一厚度            d：第二厚度 
t：间隙                u1：第一导磁率 
u2：第二导磁率 
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的扼流线圈其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。 
如图2A及图2B，本发明一较佳实施例的扼流线圈200包括一磁性中柱210、一线圈220、磁性材料230及二电极部240。中柱210具有一第一导磁率(permeability)u1。导磁率定义为磁化曲线上，磁场强度(H)趋近于零时的磁通密度(B)和磁场强度(H)的比值，且采用cgs制。中柱210由一上柱211、一中间柱212以及一下柱213形成一鼓状中柱(Drum Core)，且上柱211、中间柱212及下柱213具有圆形截面。上柱211、中间柱212及下柱213之间形成一绕线空间214。线圈220缠绕于中柱210的中间柱212并容置于绕线空间214内。 
磁性材料230包覆线圈220并置于绕线空间214内，使扼流线圈200’的外形概成圆柱体，且线圈220与磁性材料230之间可完全接触而不具有空气间隙。本实施例藉由射出成型(Injection Molding)制程使磁性材料230包覆线圈220，但并不以此为限，亦可采用涂布等不需承受高成型压力的成型制程。磁性材料230具有一第二导磁率u2，第一导磁率u1大于第二导磁率u2，其中，第一导磁率u1约介于350至1200之间，第二导磁率u2约介于5至30之间。磁性材料230包括一树脂材料及一磁性粉状材料，且树脂材料与磁性粉状材料会先均匀混合后再作为射出成型所需的射出材料。树脂材料可选自聚酰胺6(Polyamide 6，PA6)、聚酰胺12(Polyamide 12，PA12)、聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide，PPS)、聚对苯二甲酸丁二酯(polybutyleneterephthalate，PBT)或乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(ethylene-ethylacrylate copolymer，EEA)其中之一，上述材料的特性如图4所示。本实施例中，射出材料是采用PPS，由于PPS的耐热性及耐药品性较佳，在高温及化学环境下较不易变质，可使扼流线圈200具有较佳的信赖性，不会在回焊制程(reflow process)中受损。磁性粉状材料可为金属软磁材料或铁氧体(Ferrite)，其中金属软磁材料可选自铁粉(Iron)、铁铝硅合金(FeAlSi Alloy)、铁铬硅合金(FeCrSi Alloy)或不锈钢其中之一。在本实施例中，磁性粉状材料采用具有较佳的饱和特性的铁粉(Iron)。 
电极部240电性连接于线圈220的两端，具体而言，每一电极部240包括一导线架，导线架的一端连接于线圈的一端，另一端延伸至设置于扼 流线圈200的外表面，本实施例中，电极部240延伸至设置于下柱213的外表面上(如图2A)。电极部240亦可直接压扁线圈220的两端而形成。 
由于磁性材料230藉由射出成型制程包覆线圈220，使得线圈220与磁性材料230间可完全接触而不具有空气间隙，因此，可解决空气间隙造成磁通密度衰减及电感量下降的问题，且可免去进行中柱的精密定位，因此可以简化生产步骤。另外在填充磁性材料230时，由于线圈220缠绕于中柱210，使得线圈220可得到足够的支撑，且采用射出成型填充磁性材料230，不需承受压缩成型所需的高成型压力，故可以改善线圈的层间短路的问题，藉以可提升制程稳定性及产品信赖性。 
如图2C，采用外形尺寸为3mm×3mm×1mm圆柱体的扼流线圈200，中柱210的上柱211与下柱213的直径为3mm，中间柱212的直径为1.1mm，且第一导磁率u1为450，第二导磁率u2由5至30的状况下，电感值的变化由11uH至31uH，可见改变第二导磁率u2可使电感量大幅变化；因此，本发明的扼流线圈200除可通过改变线圈圈数及中柱尺寸改变电感值外，亦可通过改变磁性材料的导磁率u2来改变电感值，使调整电感值的参数增加，调整电感值较不易受限。如表一，说明如何利用调整第二导磁率u2及线圈圈数来达到目标的电感值(4.7uH)，而且通过提高第二导磁率u2可使线圈圈数减少，藉以可使直流阻抗(DC Resistance，DCR，或称为线圈阻抗)降低。 
表一： 
  第二导磁率u2   第一导磁率u1   线圈圈数
  5   350～1200   13.5
  10   350～1200   10.5
  15   350～1200   9.5
  20   350～1200   8.5
  25   350～1200   7.5
  30   350～1200   7.5
如图3A及图3B，本发明另一较佳实施例的扼流线圈200’与上述实施例的扼流线圈200的差异在于：磁性材料230’包覆线圈220及上柱211与下柱213的侧面2111、2131，使扼流线圈200’的外形概成正方体。如图3C，采用外形尺寸为3mm×3mm×1mm立方体的扼流线圈200’，中柱210的上柱211与下柱213的直径为2.2mm，中间柱212的直径为1.1mm，电感值的变化由6uH至18uH，同样地，改变第二导磁率u2可使电感量大幅变化；因此，本实施例亦可透过改变磁性材料的导磁率u2来改变电感值，使调整电 感值的参数增加，调整电感值较不易受限。 
采用外形尺寸为3mm×3mm×1mm正方体，电感值为4.7uH的扼流线圈200’(图3A)，以第二导磁率u2为5的铁粉与树脂材料组成的磁性材料230’、导磁率u2为30的铁粉与树脂材料组成的磁性材料230’、导磁率u2为100的铁氧体与树脂材料组成的磁性材料，及导磁率u2为600的铁氧体组成的磁性材料进行模拟，如图5所示，具有低导磁率(即u2＝5、30)者具有高饱和特性，而高导磁率(即u2＝100，600)者具有低饱和特性；如图6所示，低导磁率(即u2＝5)者，可应用电流IS(即饱和电流，Saturation Current，其定义为电感量下降至电流为0安培时的70％的电流值)为812mA，低导磁率(即u2＝30)者，可应用电流IS为417mA，高导磁率(即u2＝100)者可应用电流IS 为160mA，高导磁率(即u2＝600)者可应用电流IS为113mA；因此，可知本发明采用第二导磁率u2约介于5至30之间的磁性材料230’可具有较佳的饱和特性及较大的可应用电流。 
另外，以公知图1A的组合式扼流线圈100与本发明图3A的扼流线圈200’，于相同尺寸及线圈圈数条件下，利用软件进行磁通量分布模拟，结果得到扼流线圈100的电感值为L，扼流线圈200’的电感值为1.36L，证实本发明采用无空气间隙的结构可增加扼流线圈的电感值约36％。 
再者，如图7所示，定义中柱210的上柱211的第一宽度为a与第一厚度为c，下柱213与上柱211的尺寸相同，中间柱212具有第二宽度b与第二厚度d。本发明以图3A的扼流线圈200’，采用不同电感量及外形尺寸进行第二宽度与第一宽度的比例(b/a)、第一厚度与第二厚度的比例(c/d)的最佳化模拟，并使扼流线圈200’的特性于市面上产品的规格范围内。中柱210采用第一导磁率u1介于350至1200之间的铁氧体(Ferrite)软磁材料，磁性材料230’采用第二导磁率u2介于5至30之间的铁粉与树脂材料均匀混合物。详细进行模拟的电感量与外形尺寸条件，如表二，而模拟结果如表三。 
表二： 
  条件   外形尺寸(mm)   电感值(uH)   第一导磁率   第二导磁率
  长×宽   厚
  A   1×1   0.6、3、5   1.0、10、47   350-1200   5、30
  B   5×5   0.6、3、5   1.0、10、47   350-1200   5、30
  C   10×10   0.6、3、5   1.0、10、47   350-1200   5、30
表三： 
  条  件   外形尺寸  长×宽×厚(mm)   电感值(uH)   b/a   c/d
  A   1×1×0.6   1.0～47   0.375～0.688   0.263～1.11
  1×1×3.0   1.0～47   0.375～0.688   0.278～0667
  1×1×5.0   1.0～47   0.375～0.688   0.3～0.7
  B   5×5×0.6   1.0～47   0.372～0.698   0.263～1.11
  5×5×3.0   1.0～47   0.372～0.98   0.278～0.667
  5×5×5.0   1.0～47   0.372～0.698   0.3～0.7
  C   10×10×0.6   1.0～47   0.367～0.667   0.263～1.11
  10×10×3.0   1.0～47   0.367～0.667   0.278～0.667
  10×10×5.0   1.0～47   0.367～0.667   0.3～0.7
由表三的模拟结果，可得知条件A的b/a约介于0.375至0.688之间，c/d约介于0.3至0.667之间；条件B的b/a约介于0.372至0.698之间，c/d约介于0.3至0.667之间；条件C的b/a约介于0.367至0.667之间，c/d约介于0.3至0.667之间；将上述各条件的数据的交集结果，可得到第二宽度与第一宽度的比例(b/a)约介于0.375至0.688之间，第一厚度与第二厚度的比例(c/d)约介于0.3至0.667之间。 
在扼流线圈的应用上，直流阻抗(DCR)及饱和电流IS为实际应用时的考虑重点。然根据线圈消耗的能量公式：I2R(R即直流阻抗)与法拉第定律(Faraday’s Law)，在固定的扼流线圈外观尺寸前提下，直流阻抗越低，饱和特性越差；因此，本发明通过模拟得到低直流阻抗(即直流阻抗≤140mΩ)及高饱和电流(饱和电流≥1480mA)应用领域下的较佳第二宽度与第一宽度的比例(b/a)及第一厚度与第二厚度的比例(c/d)。详细模拟条件为：采用图3A的扼流线圈200’，外形尺寸为3mm×3mm×1mm，电感值为4.7uH。模拟结果如图8及下表(即表四)，其中条件A为基准，条件B为低直流阻抗(直流阻抗为条件A的直流阻抗的60％)的应用，条件C为高饱和电流(饱和电流为条件A的饱和电流的1.8倍)的应用。 
表四： 
  条件   b/a   c/d  直流阻抗(DCR)   饱和电流(IS)
  A   0.593   0.526   230mΩ   812mA
  B   0.3696   0.3125   140mΩ   460mA
  C   0.696   0.647   595mΩ   1480mA
[0072] 由上可知，于低直流阻抗应用时，第二宽度与第一宽度的比例(b/a)约为0.3696，第一厚度与第二厚度的比例(c/d)约为0.3125。于高饱和电流应用时，第二宽度与第一宽度的比例(b/a)约为0.696，第一厚度与第二厚度的比例(c/d)约为0.647。 
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。 

Claims (7)

1.一种扼流线圈，其特征在于其包括：
一磁性中柱，具有一第一导磁率，该第一导磁率介于350至1200之间，其中，该磁性中柱为一鼓状中柱，该鼓状中柱包含一上柱、一中间柱以及一下柱，该下柱具有一第一宽度与一第一厚度，该上柱与该下柱具有相同的第一宽度与第一厚度，该中间柱具有一第二宽度，该第二宽度与该第一宽度的比例介于0.367至0.667之间，该中间柱具有一第二厚度，该第一厚度与该第二厚度的比例介于0.3至0.667之间；
一线圈，缠绕于该磁性中柱；
磁性材料，包覆该线圈且具有一第二导磁率，该第一导磁率大于该第二导磁率，该第二导磁率介于5至30之间；以及
一电极部，连接于该线圈的两端。
2.根据权利要求1所述的扼流线圈，其特征在于所述的磁性材料是藉由一射出成型制程包覆该线圈，且该线圈与该磁性材料之间完全接触。
3.根据权利要求1所述的扼流线圈，其特征在于所述的磁性材料包括一树脂材料以及一磁性粉状材料，该树脂材料选自聚酰胺6、聚酰胺12、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸丁二酯或乙烯-丙烯酸乙酯共聚物其中之一。
4.根据权利要求3所述的扼流线圈，其特征在于所述的磁性粉状材料为一金属软磁材料或一铁氧体。
5.根据权利要求4所述的扼流线圈，其特征在于所述的金属软磁材料选自铁粉、铁铝硅合金、铁铬硅合金或不锈钢其中之一。
6.根据权利要求1所述的扼流线圈，其特征在于所述的磁性中柱是由一铁氧体软磁材料所制成。
7.根据权利要求1所述的扼流线圈，其特征在于所述的上柱、中间柱及下柱之间形成一绕线空间，该线圈及该磁性材料容置于绕线空间内。
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