CN105321669A - 芯和具有芯的线圈组件 - Google Patents
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Abstract
提供一种芯和具有芯的线圈组件,所述芯能够显著减少涡电流产生。根据示例性实施例的芯可通过堆叠多个纳米晶体金属带层来形成,至少一个槽可形成在至少一个纳米晶体金属带层中。
Description
本申请要求分别于2014年6月13日、2014年8月8日、2014年11月3日在韩国知识产权局提交的第10-2014-0072088号、10-2014-0102560号、10-2014-0150920号韩国专利申请,这些韩国专利申请的公开内容通过引用被包含于此。
技术领域
本公开涉及一种具有显著减小的尺寸并保持效率的芯和具有所述芯的线圈组件。
背景技术
可在电源中设置各种线圈组件(诸如,变压器或线路滤波器)。通常,这种现有的线圈组件具有线圈缠绕线圈架且芯结合到线圈架的结构。这里,主要使用能够容易地制造并具有优异的效率的铁氧体芯。
随着线圈组件的小型化,已经进行了减小线圈组件的芯的尺寸的各种努力。然而,在根据现有技术的使用铁氧体芯的情况下,在减小铁氧体芯的体积方面存在限制。
此外,在使用已被普遍使用的电工硅钢片(例如,由Si-Fe基材料形成)作为芯的情况下,芯损耗在400Hz或以上的频率显著增大,因此,在高的频率下会难以将电工硅钢片作为芯(见专利文献2)。
此外,在铁氧体芯的情况下,由于材料自身的低饱和磁化强度,导致难以减小芯的尺寸/厚度。
因此,需要一种新型的芯,该新型的芯具有显著减小的体积,同时可在高频保持其效率。
[现有技术文献]
(专利文献1)第2002-057045号日本专利特许公开
(专利文献2)第WO2012/081884号PCT国际专利公开
发明内容
本公开的一方面可提供一种小型的线圈组件。
本公开的一方面还可提供一种具有芯的线圈组件,所述芯能够显著地减少涡电流的产生。
根据本公开的一方面,一种用于线圈组件的芯,所述芯可包括:多个金属层,由纳米晶体金属带材料形成,所述多个金属层堆叠在所述芯中,其中,至少一个槽设置在至少一个金属层中。
根据本公开的另一方面,一种用于线圈组件的芯可包括:多个金属层,由纳米晶体金属带材料形成;外芯;至少一个内芯,插入到外芯的内部。
根据本公开的另一方面,一种线圈组件可包括:环形芯,由纳米晶体金属带材料形成的多个金属层堆叠在所述环形芯中;至少一个线圈,缠绕在所述芯上。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述,本公开的以上和其它方面、特征和其它优点将会被更清楚地理解,在附图中:
图1是示意性地示出根据本公开的示例性实施例的线圈组件的透视图;
图2是图1中示出的线圈组件的平面图;
图3是示出图1中示出的线圈组件的芯的放大透视图;
图4A是沿图3的线A-A截取的局部剖视图;
图4B是示出图4A中示出的芯的金属层的平面图;
图5是示出根据本公开的另一示例性实施例的芯的金属层的放大图;
图6是示意性地示出根据本公开的另一示例性实施例的线圈组件的透视图;
图7是示意性地示出图6中示出的线圈组件的分解透视图;
图8是示意性地示出图7中示出的芯的分解透视图;
图9是示出将纳米晶体的饱和磁通密度与铁氧体的饱和磁通密度进行比较的结果的示图;
图10是示出测量安装有线圈组件的电源(开关式电源(SMPS))中的芯损耗和功率效率的结果的示图;
图11是根据本公开的另一示例性实施例的芯的透视图;
图12是图11中示出的芯的分解透视图;
图13是根据本公开的另一示例性实施例的芯的分解透视图。
具体实施方式
在下文中,将参照附图详细地描述本公开的实施例。
然而,本公开可按照很多不同的形式来实施,并不应该被解释为局限于在此阐述的实施例。确切地说,这些实施例被提供为使得本公开将是彻底的和完整的,并且将把本公开的范围充分地传达给本领域技术人员。
在附图中,为了清晰起见,可夸大元件的形状和尺寸,并将始终使用相同的标号来表示相同或相似的元件。
图1是示意性地示出根据本公开的示例性实施例的线圈组件的透视图,图2是图1中示出的线圈组件的平面图。
参照图1和图2,根据本公开的示例性实施例的线圈组件100可以是施加有100khz或更高的高的频率的变压器或线路滤波器,线圈组件100可包括线圈50和芯40。
线圈50可缠绕在芯40上。
可使用单股线或者可使用通过捻搓几股线形成的里兹线作为线圈50。
引线(线圈50的末端)可向外引导,从而用作端子销,使得引线可电连接到或物理连接到外部结构(诸如主基板(未示出))。
根据本示例性实施例的线圈50可包括初级线圈50a和次级线圈50b。
初级线圈50a和次级线圈50b可分别缠绕在芯40上,从而通过芯40彼此电磁结合。在这种情况下,初级线圈50a和次级线圈50b可按照初级线圈50a和次级线圈50b彼此面对的方式缠绕在芯40上。然而,线圈的缠绕不限于此,而是可以进行各种改变。例如,初级线圈50a和次级线圈50b可在被堆叠的同时缠绕。
芯40可设置在线圈50中。此外,根据本示例性实施例的芯40可形成为连续的单片,而无切口部分。
图3是示出图1中示出的线圈组件的芯的放大透视图,图4A是沿图3的线A-A截取的局部剖视图,图4B是示出图4A中示出的芯的金属层的平面图。
参照图3至图4B,根据本示例性实施例的芯40可以是环形芯。然而,芯40的形状不限于此,如果需要,芯40可具有各种形状(诸如多边环形形状等)。
根据本示例性实施例的芯40可通过堆叠多个纳米晶体金属带层来形成。
纳米晶体金属带可具有纳米晶体Fe(Si)形成在非晶基体中的精细结构。
图9是示出将纳米晶体的饱和磁通密度与铁氧体的饱和磁通密度进行比较的结果的示图,如图9所示,大体上,Fe基纳米晶体金属的饱和磁通密度Bs等于或大于软磁铁氧体(Mn-Zn铁氧体)的饱和磁通密度Bs的两倍。因此,与由铁氧体材料形成的芯相比,由纳米晶体金属形成的芯可被最小化并具有低的芯损耗,从而可实现高的效率。
可使用各种技术形成纳米晶体金属。例如,可使用具有连续长度的金属玻璃带浇铸基本构造,可将带形成为具有期望的结构(诸如卷绕形状等)。
接下来,可在带上执行退火,使得最初的非晶态金属在带中形成纳米晶体微观结构。这里,可使微观结构形成为具有高晶粒密度,从而晶粒具有小于大约100nm的平均尺寸,优选50nm,更优选10至20nm。
晶粒可占据Fe基合金的体积的至少50%。在这种情况下,芯可具有低芯损耗和低磁致伸缩。此外,由于磁致伸缩较低,因此该芯的磁性质可能不容易由于在制造和/或操作包括这样的芯的装置时产生的应力而劣化。
在本示例性实施例中,纳米晶体金属带层40a至40n中的每个可使用含有大约10nm至20nm的尺寸的晶粒的纳米晶体金属带来形成。也就是说,根据本示例性实施例的芯40可通过将纳米晶体金属带切割为具有期望的形状并堆叠纳米晶体金属带的切割后的部分来形成。
这里,晶粒可以由Fe、Si、B、Cu、Nb和它们的混合物中的任何一种形成,但不限于此。例如,可使用混合物(诸如FeCuNbSiB、FeZrNbCu和FeCoZrBCu)作为纳米晶体材料。
同时,涂敷有绝缘材料的绝缘涂层41可形成在纳米晶体金属带层40a至40n(在下文中,金属层)中的至少一个表面上。
绝缘涂层41可使堆叠的金属层40a至40n彼此分隔开,从而显著地减少在金属层40a至40n的侧表面中涡电流的产生。在这种情况下,可通过显著地减小涡电流损耗来提高芯40的效率。
由于在退火之前,纳米晶体金属带可涂敷有形成绝缘涂层41的绝缘材料,因此可将能够承受退火工艺的材料用于绝缘涂层。例如,绝缘涂层41可以由MgO或SiO2形成,但绝缘涂层41的材料不限于此。
此外,为了堆叠金属层40a至40n并使堆叠的金属层彼此粘附,可将粘合剂(未示出)或分隔件(诸如楔子)插入金属层40a至40n之间。可使用树脂(诸如环氧树脂)作为粘合剂,但粘合剂不限于此。
在使用粘合剂(诸如环氧树脂)的情况下,可改善芯40的机械强度,从而可防止机械变形或损坏。
另外,根据情况,绝缘涂层41可同时用作粘合剂。在这种情况下,绝缘涂层41可由树脂材料形成。
同时,当根据本示例性实施例的芯40由Fe基纳米晶体金属带形成时,在线圈组件的操作期间,可能会在芯40的表面中产生涡电流。
为了防止这种涡电流的产生,根据本示例性实施例的芯40可包括槽45,槽45可形成在金属层40a至40n的至少一个中。
槽45可形成为与芯40的形状一致。例如,槽可具有C形状(或弧形状)。
槽45可形成在环形状的金属层40a至40n中,并可按照槽45穿透金属层40a至40n的方式来形成。
槽45可形成在具有环形状的金属层40a至40n的中央,或者可设置为接近金属层40a至40n的边缘。另外,如在本示例性实施例中,金属层40a至40n的槽45可形成在相同的位置,或者可形成在彼此补偿的不同位置。
槽45可设置在主要形成涡电流的位置,从而抑制涡电流的流动。因此,槽45可按照槽45精细地划分金属层的表面的方式来形成,从而可容易地抑制涡电流的流动或形成。
在金属层40a至40n的宽度较大的情况下,可形成多个槽45。这里,槽45与金属层40a至40n的内周表面或外周表面之间的距离或者多个槽45之间的距离可根据芯40的尺寸或芯40中的磁通密度而改变。
根据本示例性实施例的槽可按照各种形状形成。图5示出了根据本公开的另一示例性实施例的芯的金属层的局部平面图。
参照图5,在根据本示例性实施例的芯40中,多个弧形状的槽45可依次设置在单个金属层40a上,延伸部45a可形成在每个槽45的两端。
延伸部45a可按照延伸槽45的宽度的方式形成在槽45的两端,并且整体上可具有圆形形状。此外,延伸部45a的直径D2可等于或大于槽45的宽度D1的两倍。
可设置延伸部45a,以防止在将槽45形成在芯40中期间对芯40的损坏或芯40的断裂。
更详细地讲,根据本示例性实施例的槽45可通过冲压方法通过对纳米晶体金属带层40a至40n进行冲孔来形成。在这个过程中,力会集中在纳米晶体金属带层40a至40n的与槽45的两端对应的部分上,使纳米晶体金属带层断裂或损坏。
为了解决这种问题,在形成槽45之前,可在芯40中形成延伸部45a。因此,延伸部45a的位置可与将要形成的槽45的位置对应,从而延伸部45a可分别形成在与每个槽45的两端对应的位置。
可按照使槽45的两端设置在延伸部45a内的方式形成槽45a。因此,在形成槽45期间,由于延伸部45a,使得力未施加到纳米晶体金属带层的形成有槽45的两端的部分,从而可防止在形成槽45期间纳米晶体金属带层的损坏或变形。
同时,虽然未示出,但与图11中示出的芯的气隙(图11的47)相似,气隙可形成在根据本示例性实施例的芯40中。可按照芯40被部分切割的方式在与形成在芯40中的磁通垂直的方向上形成气隙。
在根据本示例性实施例的具有上述构造的线圈组件中,由于使用纳米晶体金属带形成芯,因此可显著减小线圈组件的体积,并可在线圈组件中实现高的效率。此外,可显著减小高频带的芯损耗。
在根据现有技术的主要使用电工硅钢片作为线圈组件的芯或铁芯的情况下,存在芯损耗在更高频带进一步增大的问题。例如,在供应100khz的频率的情况下,已经确定与由电工硅钢片(硅钢片)形成的芯的效率相比,由根据本示例性实施例的纳米晶体金属带形成的芯40的效率增大了大约33倍。因此,在将高频率施加到线圈组件的情况下,难以使用电工硅钢片作为芯。
此外,在由铁氧体材料形成的芯的情况下,难以使线圈组件小型化。由于通过烧结方法制造铁氧体芯,因此难以将芯形成为具有1mm或更小的厚度。因此,在具有1mm或更小的尺寸的芯中,可能难以抑制涡电流的产生。
与此相反,根据本示例性实施例的芯可使用纳米晶体金属带。纳米晶体金属带层可形成为具有0.02mm的最小厚度。因此,在制造根据本示例性实施例的具有3mm的厚度的芯的情况下,需要堆叠150个具有0.02mm的厚度的金属层。另外,即使在考虑到绝缘涂层或粘合剂的厚度的情况下,也可堆叠50至100个金属层。
因此,可将芯细分,从而有效地抑制在芯的表面(例如,外周表面和内周表面)中的涡电流的产生。
另外,可通过在芯中形成的槽抑制在芯的上表面和下表面中涡电流的产生。
因此,由于显著减少了芯的整个表面的涡电流的产生,因此可降低涡电流损耗,从而可提高芯的效率。
此外,如本示例性实施例所示,在芯由纳米晶体金属带形成的情况下,与铁氧体芯相比,每单位面积的饱和磁通密度可以增大2倍或更多倍。因此,在提供相同的饱和磁通密度的情况下,根据本示例性实施例的芯可形成为具有比铁氧体芯的横截面积更小的横截面积。例如,芯可形成为尺寸等于或小于具有相同的芯特性的铁氧体芯的尺寸的1/3。
图10是示出测量在安装有线圈组件的电源(开关式电源(SMPS))中的芯损耗和功率效率的结果的示图。这里,功率效率可指安装有线圈组件(例如,变压器)的电源(SMPS)的效率。另外,在保持芯的厚度或横截面积的同时,表示纳米晶体芯的点的分布取决于槽或纳米晶体金属带层的厚度的变化等。
参照图10,在芯由纳米晶体金属带形成的情况下,即使在芯形成为具有3.2mm的厚度的情况下,也可获得大约81%的功率效率。此外,为了使用铁氧体芯获得相似的功率效率,铁氧体芯需要具有8mm或更大的厚度。
即,根据本示例性实施例的具有3.2mm的厚度的芯的性能可与具有8mm的厚度的铁氧体芯的性能相似。
因此,在使用根据本示例性实施例的芯而不使用铁氧体芯的情况下,可将线圈组件制造为具有小的尺寸或减小的厚度。
同时,芯和包括芯的线圈组件不限于上述示例性实施例,而是可对其进行各种改变。
图6是示意性地示出根据本公开的另一示例性实施例的线圈组件的透视图,图7是示意性地示出图6中示出的线圈组件的分解透视图,图8是示意性地示出图7中示出的芯的分解透视图。
这里,在图7中,为了便于解释说明,示出了没有线圈的线圈组件。
参照图6至图8,在根据本示例性实施例的线圈组件200中,芯40可被分成多个芯。
根据本示例性实施例的芯40可包括形成为关于彼此同轴的多个拼接芯(splitcore)401至405。这里,根据本示例性实施例,拼接芯401至405可以是关于芯40同轴的芯的片,拼接芯401至405可堆叠在彼此上或插入到彼此中。
拼接芯401至405可分成设置在相对靠外的位置中的外芯405以及插入到外芯405中的内芯401至404。
另外,内芯401至404的数量可以是一个或更多个。例如,如在本示例性实施例中所示,内芯40可被划分成第一内芯101至第四内芯404,并且在需要时,内芯40还可被进一步划分成第五内芯和第六内芯。
这里,与根据上述示例性实施例的芯相似,可通过堆叠由纳米晶体金属带形成的金属层401a、401b、……、405b、……,来形成拼接芯401至405。
另外,气隙可形成在拼接芯401至405之间,粘附层(未示出)可形成在气隙中。拼接芯401至405可在保持拼接芯之间的对应于气隙的距离的同时,通过粘附层彼此牢固地粘附。
在芯40被划分成如上所述的多个拼接芯401至405的情况下,芯40的上表面或下表面也可根据拼接芯的划分而被划分。因此,可更有效地抑制在芯40的上表面和下表面中的涡电流的产生。
同时,根据本示例性实施例的拼接芯401至405的形状可进行各种方式的改变。例如,作为示例,在本示例性实施例中的所有的拼接芯401至405按照具有相同的厚度(高度)和宽度(内径与外径之间的距离)以及不同的直径的管形形状来形成,但拼接芯可形成为具有彼此不同的厚度、彼此不同的宽度或彼此不同的形状。此外,如在上述的示例性实施例中一样,如果需要,还可在拼接芯中进一步形成槽(图5的45)。
另外,作为示例,沿竖直方向划分本示例性实施例中的芯,但可沿水平方向或对角方向来划分芯。
根据本示例性实施例的线圈组件200可包括将芯40容纳在其中的线圈架20。
线圈架20可按照在其中央形成有空腔21的环形形状形成。
线圈50缠绕在线圈架20上。因此,如果需要,可在线圈架20中设置线圈50的引线所连接的至少一个端子销(未示出)。
线圈架20可保护芯40免受外部环境影响。此外,线圈架20可确保线圈50与芯40之间的绝缘。
根据本示例性实施例的线圈架20可被划分成第一线圈架20a和第二线圈架20b,第一线圈架20a和第二线圈架20b可在使芯40位于其中央的同时彼此结合,从而芯40可被容纳在第一线圈架20a和第二线圈架20b中。
第一线圈架20a和第二线圈架20b中的每个可被限定为通过水平切割线圈架20而形成的线圈架20的半个部分。因此,当使第一线圈架20a和第二线圈架20b彼此结合时,可形成单个完整的线圈架20。
此外,第一线圈架20a和第二线圈架20b可包括用于将芯40容纳在其中的芯容纳空间。因此,当第一线圈架20a和第二线圈架20b彼此结合时,可在线圈架20中形成具有对应于芯40的形状的环形形状的芯容纳空间。
当通过使第一线圈架20a和第二线圈架20b结合来形成线圈架20时,根据本示例性实施例的线圈组件200的芯40可按照没有切口部分的连续的环形形状来形成。
可通过注入成型容易地制造线圈架20,但不限于此,而是可通过各种方法来制造线圈架20。此外,根据本示例性实施例的线圈架20可由具有高耐热性和高的耐受电压的绝缘树脂材料形成。可使用聚苯硫醚(PPS)、液晶聚酯(LCP)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、酚醛树脂等作为形成线圈架20的材料的示例。
然而,线圈架的材料不限于此,按照需要,各种材料(诸如陶瓷、绝缘金属材料等)可用于线圈架20。
图11是根据本公开的另一示例性实施例的芯的透视图,图12是图11中示出的芯的分解透视图。
如图11和图12所示,根据本示例性实施例的芯40可通过堆叠纳米晶体金属带层40a至40n来形成。
根据本示例性实施例的芯40可按照圆柱形状来形成,具有圆形形状或椭圆形形状的通孔44可形成在芯40的中央,使得可缠绕线圈(未示出)。另外,芯可具有大约3mm至4mm的厚度。
多个金属带层40a至40n可具有彼此相同的厚度和彼此相同的直径,但不限于此。
在根据本示例性实施例的纳米晶体金属带层40a至40n中,可形成开口。
另外,至少一个槽45可形成在纳米晶体金属带层40a至40n中。槽45可具有环形形状或类似C的形状,以具有与形成在纳米晶体金属带层40a至40n的中央部分中的通孔44的曲率相同的曲率。然而,槽45不限于此,而是可具有各种形状(诸如直线形状或曲线形状)。
槽45可按照槽45穿透纳米晶体金属带层40a至40n的孔形状来形成。
在仅一个槽45形成在纳米晶体金属带层40a至40n中的每个纳米晶体金属带层中的情况下,槽45可形成在纳米晶体金属带层的中央,在形成至少两个槽45的情况下,槽45可形成为具有不同的直径。
此外,气隙47可形成在根据本示例性实施例的芯40中。气隙47可通过在与形成在芯40中的磁通垂直的方向上切割芯40的一部分来形成。
因此,可在金属带层40a至40n的未形成槽45的部分中形成气隙47。然而,本发明构思不限于此。
图13是根据本公开的另一示例性实施例的芯的分解透视图。
参照图13,根据本示例性实施例,设置在芯40的上部分中的纳米晶体金属带层40a的槽45a可具有比设置在芯40的稍下部分中的纳米晶体金属带层40b的槽45b的直径小的直径。类似地,纳米晶体金属带层40b的槽45b可具有比位于纳米晶体金属带层40b的下方的纳米晶体金属带层40c的槽45c的直径小的直径。也就是说,槽的直径沿着向下方向逐渐增大。
同时,虽然未示出,但槽45的直径可沿着向上方向逐渐增大。
如上所述,在根据本示例性实施例的芯40被构造为使得纳米晶体金属带层40a至40e中的槽45a至45e分别具有不同的直径的情况下,槽45a至45e可以在竖直方向上彼此联通或不联通。
这里,形成在纳米晶体金属带层40a至40e中的槽45a至45e可用于减少涡电流的产生,并且可通过根据电阻率值调节纳米晶体金属带层40a至40e的厚度来提高阻抗。
同时,在本示例性实施例中,作为示例,线圈组件以及设置在线圈组件中的芯应用于电源,但本发明构思不限于此。例如,可将线圈组件和芯应用于芯埋置式基板、包括芯埋置式基板的电子装置等。
如上所述,根据本公开的示例性实施例,由于将纳米晶体金属带用在芯中,因此可显著减小芯的体积,并可实现高效率。此外,可显著减小高的频带下的芯损耗。
另外,根据本公开的示例性实施例的线圈组件可通过形成在芯或拼接芯中的槽抑制在芯的上表面和下表面中产生电流。因此,由于可减小由于涡电流而导致的损耗,因此可提高芯的效率。
尽管以上已经示出并描述了示例性实施例,但是对于本领域技术人员将明显的是,在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下,可做出修改和变型。
Claims (17)
1.一种用于线圈组件的芯,所述芯包括:
多个金属层,由纳米晶体金属带材料形成,所述多个金属层堆叠在所述芯中,
其中,至少一个槽形成在至少一个金属层中。
2.根据权利要求1所述的芯,其中,所述槽穿透金属层。
3.根据权利要求1所述的芯,其中,所述金属层具有环形形状。
4.根据权利要求3所述的芯,其中,所述槽具有弧形形状或C型形状。
5.根据权利要求1所述的芯,其中,所述槽包括设置在一个金属层中的多个槽。
6.根据权利要求1所述的芯,其中,所述槽包括分别设置在至少两个金属层中的多个槽,所述多个槽按照彼此补偿的方式来设置。
7.根据权利要求1所述的芯,其中,至少一个金属层的至少一个表面设置有绝缘涂层。
8.根据权利要求1所述的芯,其中,每个金属层具有0.02mm或更小的厚度,
芯具有4mm或更小的厚度。
9.根据权利要求1所述的芯,所述芯还包括通过使槽在槽的两端的宽度延伸而设置的延伸部。
10.根据权利要求9所述的芯,其中,延伸部具有圆形形状,
延伸部的直径与槽的宽度的两倍相等或比槽的宽度的两倍大。
11.一种用于线圈组件的芯,所述芯包括:
多个金属层,由纳米晶体金属带材料形成,所述多个金属层堆叠在芯中;
外芯;
至少一个内芯,插入到外芯的内部。
12.根据权利要求11所述的芯,其中,外芯和内芯具有管形形状并彼此同轴。
13.根据权利要求11所述的芯,其中,外芯和内芯设置有位于外芯与内芯之间的气隙。
14.根据权利要求11所述的芯,其中,外芯和内芯具有相同的宽度。
15.一种线圈组件,所述线圈组件包括:
环形芯,由纳米晶体金属带材料形成的多个金属层堆叠在所述环形芯中;
至少一个线圈,缠绕在所述芯上。
16.根据权利要求15所述的线圈组件,所述线圈组件还包括:
线圈架,将芯容纳在线圈架中,
其中,线圈缠绕在线圈架上。
17.根据权利要求15所述的线圈组件,其中,所述芯包括气隙,通过在与所述芯中产生的磁通垂直的方向上切割所述芯的一部分来设置所述气隙。
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