CN108604493A - 电磁感应器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种电磁感应器件及其制作方法,其中器件包括磁衣(110)和至少一组线圈(120)。磁衣(110)由两个以上的磁单元(111)组成,每个磁单元(111)内能够形成闭合的磁通回路,全部磁单元(111)拼合在一起形成为内部具有至少一个腔体(112)的基本封闭的整体,磁单元(111)彼此之间的分割面基本沿着磁通回路设置而不切断磁通回路。线圈(120)置于由磁衣(110)形成的腔体(112)中,线圈(120)的电极引出至磁衣(110)之外,磁衣(110)中的磁通回路由线圈(120)通电后形成。依据该电磁感应器件,一方面能够基本完全封闭线圈尽可能的避免漏磁,另一方面由于磁单元之间的分割面沿着磁通回路,因此在磁通回路上不会产生气隙,有效减小了磁阻。
Description
电磁感应器件及其制作方法 技术领域
[0001] 本发明涉及电子器件或电气器件技术领域， 具体涉及一种电磁感应器件及其制 作方法。
[0002] 背景技术
[0003] 通常人们将弱电 (电压和电流较低的)器件称为电子器件， 而将强电 (电压和电流 较高的)器件称为电气器件。 很多电子器件和电气器件基于电磁感应效应来工作 ， 例如电感以及变压器等。
[0004] 电磁感应器件通常包括磁芯和线圈。 例如图 1所示的单相变压器， 具有两组线 圈， 初级线圈 W1和次级线圈 W2， 当 Wl两端的电极输入交变电流吋， 线圈所包 裹的磁芯上即产生交变的磁场 Φ， 磁场的方向与 Wl上的电流方向成右手螺旋关 系， 交变的磁场在 W2上产生感应电动势， W2通常具有与 W1不同的线圈匝数， 以达到变压的目的。 电感可视为输出线圈 （次级线圈） 幵路的变压器的一种特 例， 同样属于电磁感应器件。
[0005] 传统的变压器所采用的线圈包裹磁芯的结构， 使得器件会有很大的漏磁， 不仅 造成能量损耗也产生了辐射的危害。 为减小漏磁， 也有采用壳式变压器的结构 ， 利用磁芯未被线圈覆盖的部分 （磁轭） 将线圈包裹起来。 如图 2所示， 壳式变 压器通常采用两个 "E"型磁体， 上下扣合形成完整的 "EE"型磁芯， 线圈缠绕在中 心的芯柱上， 外围的磁轭包裹着线圈。 这种结构在两端还是存在漏磁， 且由于 在磁通回路上存在气隙而使得磁阻增大。 因此， 仍需要改进现有的电磁感应器 件。
[0006] 发明内容
[0007] 依据本发明的一方面提供一种电磁感应器件， 包括磁衣和至少一组线圈。 磁衣 由两个以上的磁单元组成， 每个磁单元内能够形成闭合的磁通回路， 全部磁单 元拼合在一起形成为内部具有至少一个腔体的基本封闭的整体， 磁单元彼此之 间的分割面基本沿着磁通回路设置而不切断磁通回路。 线圈置于由磁衣形成的
腔体中， 线圈的电极引出至磁衣之外， 磁衣中的磁通回路由线圈通电后形成。
[0008] 依据本发明的另一方面提供一种电磁感应器件的制作方法， 包括如下步骤： 确 定依据本发明的电磁感应器件的结构； 将所确定的结构分解为叠加的多层， 确 定每层的平面布局， 其中包括磁性材料布局， 导电材料布局， 绝缘材料布局； 生成磁性材料基层； 在基层上， 按照所确定的每层的平面布局逐层生成。
[0009] 依据本发明的电磁感应器件采用由多个磁单元组合成的磁衣来包裹线圈， 一方 面能够基本完全封闭线圈， 从而尽可能的避免漏磁， 另一方面由于磁单元之间 的分割面沿着磁通回路， 因此在磁通回路上不会产生气隙， 有效减小了磁阻。 依据本发明的制作方法则提供了类似于半导体集成电路加工方式的制作依据本 发明的电磁感应器件的方法， 使得能够大规模制作依据本发明的电磁感应器件 ， 提高制作的效率并降低成本。
[0010] 以下结合附图， 对依据本发明的具体示例进行详细说明。
[0011] 附图说明
[0012] 图 1是传统单相变压器的原理示意图；
[0013] 图 2是一种现有 EE型磁芯结构示意图；
[0014] 图 3是实施例 1的电磁感应器件的结构示意图；
[0015] 图 4是实施例 2的电磁感应器件的结构示意图；
[0016] 图 5是实施例 3的电磁感应器件的结构示意图；
[0017] 图 6是实施例 3的一个磁单元的进一步分割示意图。
[0018] 具体实施方式
[0019] 依据本发明的电磁感应器件包括磁衣和至少一组线圈。
[0020] 所称磁衣是指包裹在器件外部的磁性材料壳体， 其由两个以上的磁单元拼合组 成。 全部磁单元拼合在一起形成为内部具有至少一个腔体的基本封闭的整体。 所称基本封闭是指除了必需的连通腔体内外的通路 （例如线圈的电极） ， 以及 设计或加工工艺上需要的孔隙以外， 腔体相对于外部是封闭的。
[0021] 线圈置于由磁衣形成的腔体中， 线圈的电极引出至磁衣之外， 磁衣中的磁通回 路由线圈通电后形成。 线圈可以为一组， 使得该电磁感应器件形成为电感， 或 者， 线圈可以为两组或三组以上， 使得该电磁感应器件形成为单电压输出或多
电压输出的交流变压器。
[0022] 单个磁单元可以是块状， 片状， 条状或薄膜状等， 每个磁单元内能够形成闭合 的磁通回路， 换言之， 线圈在每个磁单元上均形成磁通回路， 且基本没有气隙 。 所称基本没有气隙是指磁单元上占主要部分的磁通能够形成没有气隙的回路 。 若因为理论设计与实际产品之间的精度差异、 工艺限制等原因导致少部分磁 通不能在一个磁单元内闭合， 也不应认为超出本发明的范围。
[0023] 磁单元彼此之间的分割面基本沿着磁通回路设置而不切断磁通回路。 依据本发 明， 磁单元或分割面的设计可采用这样的方式： 首先确定完整的磁衣的结构； 然后根据线圈的布置方式， 例如绕线方式、 在磁衣的腔体中的放置方式等确定 出线圈在磁衣中形成的磁通回路的结构； 接着沿着磁通回路设置分割面， 将磁 衣分为多个磁单元， 换言之， 将全部磁通回路分割为多个互不相通的部分。 所 称"互不相通"既包括彼此平行 （具有相同的路径曲率） ， 也包括彼此嵌套 （曲率 大的路径嵌套在曲率小的路径中） 。
[0024] 因此， 作为一种优选的实施方式， 分割面可包括将磁通回路分割为两个以上彼 此平行的部分的平面分割面， 或者， 将磁通回路分割为两个以上彼此嵌套的部 分的筒状分割面， 或者， 以上二者皆有。 例如， 可以先用平面分割面将磁衣分 割成块或片， 再用筒状分割面将块或片继续分割成多层， 形成多块并列且多层 嵌套的磁衣结构。 所称筒状分割面的形状可以是诸如圆形、 椭圆形， 多边形等 ， 具体可根据磁通回路的路径曲率和形状来确定。
[0025] 对磁衣进行分割， 尤其是多片、 多层甚至同吋多片和多层分割， 能够有效地减 少涡流， 从而降低能耗， 也降低了器件的工作温度。
[0026] 磁衣或磁单元由磁性材料制成， 可以导电， 优选为不导电的。 例如， 材料可选 自： 四氧化三铁及其混合物 （例如惨钴四氧化三铁） ， 二氧化铬， 三氧化二铁 及其混合物， 碳基铁磁粉， 树脂碳基铁磁粉， 坡莫合金粉 (permalloy；)， 铁硅铝粉 ， 铁镍粉， 软磁铁氧体 （Ferrites) ， 硅钢， 非晶及纳米晶软磁合金 （Amorphous and Nanocrystalline alloys) ， 铁基非晶合金 (Fe-based amorphous alloys) , 铁操基 、 钴基非晶合金 (Fe-Ni based-amorphous alloy) , 铁基纳米晶合金 (Nanocrystalline alloy) ， 镍铁钼超导磁合金 （Supermalloy) 等。
[0027] 线圈可由包覆有绝缘层的导线环绕制成， 制作导线所采用的导电材料例如可选 自： 铜， 铝， 镁， 金， 银， 以及用于导电的合金材料等。
[0028] 作为一种优选的实施方式， 可以在分割面处设置由绝缘材料制成的分隔件， 例 如隔片、 隔膜、 或绝缘漆层， 以保持磁单元的分隔， 减小涡流。
[0029] 以下对依据本发明的电磁感应器件的具体应用形式进行举例说明， 上述对总体 内容的描述均可应用于下述示例中。
[0030] 实施例 1
[0031] 依据本发明的电磁感应器件的一种实施方式可参考图 3， 包括磁衣 110和线圈 12 0。
[0032] 磁衣内部的腔体为环状腔体 112， 其整体形状可以是圆环形、 椭圆环型、 矩形 或多边形等。 腔体中空部分的法向截面可以是矩形或圆形， 也可以具有较为随 意的形状， 只要能够将线圈包裹其中即可。 优选地， 腔体应尽可能紧密地包裹 线圈， 因此其形状可基本与线圈截面的形状一致。
[0033] 本实施例中， 磁衣由基本与环状腔体的中心线垂直的分割面被分割为两个形状 相同的磁单元。 为便于展示， 图 3中仅示出了一个磁单元 111， 因此图 3也示出了 磁衣沿分割面的剖面结构。 所称环状腔体的中心线是指由腔体的中空部分的法 向截面的中心组成的线， 中心线的伸展方向即为环状腔体的伸展方向， 中心线 的形状即体现环状腔体的整体形状。 考虑到实际情况下， 腔体的法向截面的形 状可能不便于确定几何中心， 可以按照环状腔体的整体形状来大致确定中心线 ， 也不超出本发明的范围。
[0034] 分割面与中心线垂直是指， 在分割面与中心线的交点处， 分割面的法线与中心 线的切线一致。 例如， 本实施例中， 中心线为圆环， 则分割面为沿该圆环的径 向并垂直于该圆环所在的平面。
[0035] 线圈 120由导线环绕环状腔体 112的壁而形成， 导线的伸展方向与环状腔体的伸 展方向基本一致。 图中， "X"表示电流流入纸面， "Θ"表示电流流出纸面， 分割 面上的箭头表示电流所产生的磁通回路的方向， 显然， 沿分割面分割磁衣不会 截断磁通回路， 从而不会对器件的性能产生明显影响。 线圈 120中可以包括一组 线圈， 也可包括彼此绝缘的多组线圈。 作为一种优选的实施方式， 线圈的电极
或引线可以自分割面处引出至磁衣之外 （未图示） 。
[0036] 在其他实施例中， 磁衣可以由基本与环状腔体的中心线垂直的分割面被分割为 更多的磁单元， 如图 3中虚线所示。 每个磁单元为具有中空部分的环状或管状， 全部磁单元拼合形成为磁衣吋， 其中空部分拼合形成为首尾相连的环状腔体。
[0037] 在其他实施例中， 除了采用如上所述的将磁通回路分割为两个以上彼此平行的 部分的平面分割面， 还可以替代地或叠加地将每个磁单元分割为嵌套的多层， 以进一步减小涡流， 注意分割嵌套的磁单元所使用的筒状分割面需要按照磁通 回路的形状进行设计。
[0038] 实施例 2
[0039] 依据本发明的电磁感应器件的另一种实施方式可参考图 4， 包括磁衣 210和线圈 220。
[0040] 本实施例结构与实施例 1类似， 磁衣内部具有环状腔体 212， 且被与环状腔体的 中心线垂直的分割面分割为两个形状相同的磁单元。 为便于展示， 图 4中仅示出 了一个磁单元 211。 本实施例与实施例 1的区别在于， 实施例 1中的磁衣为空心柱 形， 本实施例中， 磁衣为实心 （除环状腔体 212以外） 柱形。 磁衣分割方式及线 圈结构均可参照实施例 1， 不再赘述。
[0041] 在其他实施例中， 磁衣 210也可以由基本与环状腔体的中心线垂直的分割面被 分割为更多的磁单元， 如图 4中虚线所示。 进一步地， 磁衣还可以替代地或叠加 地被分割为嵌套的多层。
[0042] 实施例 3
[0043] 依据本发明的电磁感应器件的另一种实施方式可参考图 5， 包括磁衣 310和线圈 320。
[0044] 磁衣 310内部的腔体为一个环状腔体， 磁衣由基本平行于该环状腔体的环面的 分割面被分割为两个以上的磁单元。
[0045] 本实施例中， 磁衣 310被分割为四个磁单元， 即形成为顶盖的磁单元 311a， 形 成为环状腔体内壁的磁单元 311b (可以是空心筒状也可以是实心柱状） ， 形成 为环状腔体外壁的磁单元 311c， 形成为底盖的磁单元 311d。 图 5中虚线表示磁通 回路。
[0046] 线圈 320由导线环绕其轴线而形成， 线圈的轴线的伸展方向与环状腔体的伸展 方向基本一致。 由于线圈形成的磁场方向与其轴线的伸展方向一致， 因此平行 于腔体环面的分割面不会在主磁通回路中产生气隙。
[0047] 作为一种优选的实施方式， 本实施例还包括环状的磁芯 330， 包覆于线圈 320内 ， 线圈环绕在磁芯上。 增加磁芯能够增幅线圈产生的磁场， 有助于提升器件的 效果。 制作磁芯的材料的可选范围与磁衣类似， 在同一器件中， 磁衣和磁芯可 以采用相同或不同的材料制成。 显然， 本实施例中磁衣和磁芯彼此并不相连， 且磁通回路也互不连通， 磁衣 (磁单元） 和磁芯均各自承载闭合的磁通回路。
[0048] 与前述实施例类似， 磁衣可以进一步用平面分割面分割为更多的磁单元， 替代 地或叠加地， 也可以由与环状腔体的环面同轴的筒状分割面分割为嵌套的多层 。 例如， 作为内壁的磁单元 311b可以水平分割为多个圆片， 也可以从内到外分 割为嵌套的多个圆筒， 还可以同吋使用这两种分割方式分割为内外嵌套且上下 叠加的多个圆环条， 如图 6所示。
[0049] 作为一种优选的实施方式， 磁芯同样可采用与磁衣类似的分割方式进行分割以 减小涡流。 例如， 环状的磁芯 330可以由平行于其环面的平面分割为两个以上的 部分， 和 /或， 该磁芯还可以由与其同轴的环面分割为两个以上的部分 （可参考 图 6) 。
[0050] 以下介绍依据本发明的电磁感应器件的制作方法。
[0051] 依据本发明的电磁感应器件可以采用各种制作方法来获得。 例如：
[0052] 1.磁性材料粉末压铸的方法： 将线圈制作好 （可包含或不包含磁芯， 下同） ， 并对线圈进行适当的保护包扎； 将线圈放置在磁衣的模具中， 并在设计为分割 面之处放置绝缘隔片； 在模具中填充磁性材料的粉末， 然后与线圈压制为一体
， 即获得封闭性良好的电磁感应器件。
[0053] 2.磁性材料粉末喷涂的方法： 将线圈制作好， 在线圈上喷涂绝缘的胶水， 然后 按照设计的分割方式将磁粉逐层喷射到线圈上， 层间的分割面则喷涂以绝缘隔 膜， 由此即可获得带有绝缘层的多层磁衣。
[0054] 制作线圈的方法可采用常规绕线的方式， 也可采用柔性印刷电路板 （FPCB) 来制作导电线圈， 例如通过将 FPCB的两端进行焊接获得需要的线圈。
[0055] 作为一种优选的实施方式， 可采用类似于半导体集成电路的加工方式来制作依 据本发明的电磁感应器件。 具体包括如下步骤：
[0056] S1.确定所需要制作的依据本发明的电磁感应器件的结构。 例如前述各种实施 方式或类似的实施方式中所描述的结构。 可以根据实际应用的需要来设计器件 的具体形状、 线圈组数、 绕线匝数、 磁衣分割方式等。
[0057] S2.将所确定的结构分解为叠加的多层， 确定每层的平面布局， 其中包括磁性 材料布局， 导电材料布局， 绝缘材料布局。 此步骤类似于对整个电磁感应器件 进行切片。 为便于制作， 在分层吋， 最好使得每层的平面布局可以通过一致的 操作过程来完成， 例如涂覆、 蚀刻等。
[0058] S3.生成磁性材料基层。 由于整个器件由磁衣包裹， 因此首层应该是包含磁衣 的层， 所以可以从磁性材料基层幵始制作。
[0059] S4.在基层上， 按照所确定的每层的平面布局逐层生成。 具体生成方式可根据 需要以及工艺的能力来确定， 例如， 可包括喷射、 溅射、 涂覆、 化学沉淀等， 可参考半导体集成电路的加工过程。
[0060] 作为示例， 上述制作过程的一个例子为： 先制作一个磁基层； 然后按照该层上 设计的线圈布局， 喷射或涂覆一层线圈形状的绝缘层； 在线圈形状的绝缘层上 喷射、 溅射、 或化学沉淀导电材料， 形成一圈或多圈导电层； 用绝缘材料将该 导电层覆盖保护起来， 再喷射磁性材料， 使之与线圈达到同样的高度并将线圈 封闭起来； 重复上述过程直到线圈达到所需的高度和匝数； 最后全部导电层连 成至少一个留出电极引线的导电线圈， 而磁性材料则形成一个对导电线圈严密 包裹的磁衣。
[0061] 这种优选的制作方法具有与半导体集成电路加工同样的优势， 通过对所需加工 的电磁感应器件的每一层进行复制， 可同吋加工多个器件， 从而大幅提高制作 效率， 降低制作成本。
[0062] 以上应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述， 应该理解， 以上实 施方式只是用于帮助理解本发明， 而不应理解为对本发明的限制。 对于本领域 的一般技术人员， 依据本发明的思想， 可以对上述具体实施方式进行变化。 技术问题
问题的解决方案 发明的有益效果
Claims (1)
- 权利要求书[权利要求 1] 一种电磁感应器件， 其特征在于， 包括，磁衣， 由两个以上的磁单元组成， 每个磁单元内能够形成闭合的磁通 回路， 全部磁单元拼合在一起形成为内部具有至少一个腔体的基本封 闭的整体， 磁单元彼此之间的分割面基本沿着所述磁通回路设置而不 切断所述磁通回路；至少一组线圈， 所述线圈置于由所述磁衣形成的腔体中， 所述线圈的 电极引出至所述磁衣之外， 所述磁衣中的磁通回路由所述线圈通电后 形成。[权利要求 2] 如权利要求 1所述的电磁感应器件， 其特征在于，所述分割面包括， 将磁通回路分割为两个以上彼此平行的部分的平面 分割面， 和 /或， 将磁通回路分割为两个以上彼此嵌套的部分的筒状 分割面。[权利要求 3] 如权利要求 1所述的电磁感应器件， 其特征在于，所述磁衣内部的腔体为环状腔体， 所述磁衣由基本与所述环状腔体的 中心线垂直的分割面被分割为两个以上的磁单元， 所述线圈由导线环绕所述环状腔体的壁而形成， 所述导线的伸展方向 与所述环状腔体的伸展方向基本一致。[权利要求 4] 如权利要求 3所述的电磁感应器件， 其特征在于，所述磁衣还由环绕所述环状腔体的伸展方向的筒状分割面分割为嵌套 的磁单元。[权利要求 5] 如权利要求 1所述的电磁感应器件， 其特征在于，所述磁衣内部的腔体为一个环状腔体， 所述磁衣由基本平行于所述环 状腔体的环面的分割面被分割为两个以上的磁单元，所述线圈由导线环绕其轴线而形成， 所述线圈的轴线的伸展方向与所 述环状腔体的伸展方向基本一致。[权利要求 6] 如权利要求 5所述的电磁感应器件， 其特征在于， 还包括环状的磁芯， 包覆于所述线圈内。 如权利要求 6所述的电磁感应器件， 其特征在于，所述环状的磁芯由平行于其环面的平面分割为两个以上的部分， 和 / 或， 所述磁芯由与其同轴的环面分割为两个以上的部分。如权利要求 5至 7任一项所述的电磁感应器件， 其特征在于， 还包括 所述磁衣还由与所述环状腔体的环面同轴的筒状分割面分割为嵌套的 磁单元。如权利要求 1所述的电磁感应器件， 其特征在于， 还包括如下特征中 的一种或多种：制成所述磁单元的材料选自： 四氧化三铁及其混合物， 二氧化铬， 三 氧化二铁及其混合物， 碳基铁磁粉， 树脂碳基铁磁粉， 坡莫合金粉 (p ermalloy) , 铁硅铝粉， 铁镍粉， 软磁铁氧体 （Ferrites) ， 硅钢， 非晶 及纳米晶软磁合金 (Amorphous and Nanocrystalline alloys) ， 铁基非 晶合金 (Fe-based amorphous alloys) , 铁镍基、 钴基非晶合金 (Fe-Ni based-amorphous alloy) , 铁基纳米晶合金 (Nanocrystalline alloy) ， 镍铁钼超导磁合金 （Supermalloy) ，所述分割面处设置有由绝缘材料制成的分隔件。如权利要求 1至 9任一项所述的电磁感应器件， 其特征在于， 所述线圈为一组， 使得所述电磁感应器件形成为电感， 或者， 所述线圈为两组或三组以上， 使得所述电磁感应器件形成为单电压输 出或多电压输出的交采用流变压器。一种电磁感应器件的制作方法， 其特征在于， 包括：确定如权利要求 1至 10任一项所述的电磁感应器件的结构， 将所确定的结构分解为叠加的多层， 确定每层的平面布局， 其中包括 磁性材料布局， 导电材料布局， 绝缘材料布局，生成磁性材料基层，在所述基层上， 按照所确定的每层的平面布局逐层生成。
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