CN1108790A - 电感元件 - Google Patents

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Abstract

为实现诸如扼流圈之类的电感元件的小型化而 提供的一种电感元件,该元件包括一个具有由磁合金 薄带界定的中空部分的磁心和为通过磁心之中空部 分而设置的导线。所述磁心的相对导磁率μ在100 至10000的范围内。

Description

本发明涉及一种电感元件,并更具体地涉及适用于为平滑开关电源电路中的电流和阻断高频分量的扼流圈之类的电感元件。
例如在一个用于控制高频范围中的大电流量的开关电源电路中,通常人们采用扼流圈去将AC电流变换成DC电流,或去阻断来自DC电流的高频分量或低频的AC电流。
另一方面,可应用开关电源电路的领域由于电子设备的主要部分趋于小型和越来越薄的倾向而现已得到扩展。为满足这一要求和为使开关电源电路本身薄型化,故必须使开关电源的扼流圈之类的部件尺寸小而薄。
例如,为将一种产品的高度减小到半英寸,则从允差观点出发,要求构成它的一个部件或元件的高度(或长度)为10mm或更小。换言之,迄今为止,诸如变压器,扼流圈之类的这类磁性零件还未能满足低高度要求,特别在使用10W或更大电功率的场合,还没有这种小型元部件。
此外,为增强电路的热辐射效率,还要求电路的总体物理尺寸要薄。
在这种情况下,利用可将铁磁粉模制或形成某种所需形状的特性,诸如薄型扼流圈之类的薄型磁性元件已经问世。
然而,由于铁磁材料的饱和磁通密度与金属磁性材料相比较低,故在对比相同性能情况下由不同磁性材料制成的各个扼流圈时发现,人们始终未得到由铁磁材料制成产品的令人满意的小型化。
鉴于这类观点,人们的注意力已放到为获得一种小型扼流圈的技术上,在该扼流圈中采用了具有比铁磁材料高得多的饱和磁通密度的非晶质磁合金或晶体磁合金制成的薄带。
为产生这种元件,将具有预定带宽的磁合金薄带缠绕成有一预定内径的中空中心部分的环形磁心并加以适当热处理。然后将磁心安放在一个树脂容器内或涂敷以一树脂涂层。于是一个绕组通过预定匝数对其薄带缠绕部分起作用。
顺便一说,应注意,如上所说,由于非晶质磁合金和结晶磁合金有比普通铁氧体更高的饱和磁通密度,故与铁氧体比较借助这些材料有可能获得一种结构紧凑的扼流圈。
由于该扼流圈的磁心是通过缠绕上述磁合金薄带获得的,在此情况下扼流圈是使导线贯穿环形磁心而构成的,故为降低磁心高度就必需减小薄带的宽度。
然而,磁合金薄带的宽度减小使其极难于缠绕成带。也就是说,由于薄带宽度减小,该薄带的抗拉性降低。当薄带承受预定拉伸去围绕轴中心缠绕时,恐怕薄带极有可能被拉断。
再者,本发明人已发现:即使考虑到缠绕厚度而减小了树脂涂层或容器的厚度或减小了薄带的宽度,对于扼流圈的总体薄型化的效果也是极微的。
鉴于上述任务,本发明的一个目的便是实现诸如扼流圈之类电感元件的小型化。
根据本发明的电感元件由一磁心构成,该磁心通过将磁合金薄带(条)绕成带有沿其中心线的中空部分和将一导线贯穿磁心中心部分而构成。此外,本说明书中的“磁合金薄带(条)是指“一条磁合金薄带(条),多条磁合金薄带(条)或叠层磁合金薄片”。
其相对导磁率μ为在100至10000的范围内。
最好该磁合金薄带的饱和磁通密度Bs等于或大于0.6T。
0<BsφO/μφi2≤10
同样最好使用铁基非晶质合金或铁基结晶合金作为磁合金薄带。
“中空部分”是指在由缠绕磁合金薄带或叠合的磁合金薄层(片)所界定的一个中心轴部分中形成的空间部分,同时还包括树脂之类被填充在该空间部分和使导线穿过该树脂的壳体。此外,本发明包括有一个由陶瓷制成的定位件(spacer)可被插入该空间部分并可将导线插入定位件的装置。
此外,本发明中磁合金薄带也可直接绕在导线上,以形成有磁心。总之,将导线插入以最后产品状态下缠绕的磁合金薄带中就够了。
此外,当将磁合金薄带对着导线缠绕时,在开始缠绕磁合金薄带的那部分可设置一虚拟带(dummy  tape)。
附带说,导线电阻最好等于或小于20μΩcm,不大于2μΩcm则更佳。
在按本发明制造电感元件时,将非晶质磁合金用作薄带的一个实例可描述如下:
M100-aMa′
其中M是至少一种选自Fe和Co构成的那类元素,M′是至少一种选自B,SiC和Cr构成的那类元素,而a是不小于4但不大于40即铁基非晶质磁合金的原子百分率(atomic  percentage)。
在本发明中,铁基非晶质磁合金是更可取的。
更具体地说,最好将由下列分子式表示的非晶质磁合金用作制造本发明电感元件过程中的非晶质磁合金薄带。
FexSiyBzMw
其中M为至少一种选自Co,Ni,Nb,Ta,Mo,W,Zr,Cu,Cr,Mn,AL,P之类构成组,而x,y,z和W是指原子百分率,其值分别满足如下关系:0≤X≤85,5≤y≤15,5≤z≤25,和0≤w≤10。
由这些合金制成的非晶质薄带可借助称为熔态下淬冷(rapidly  quenching  from  the  melt)的方法调节所需组分和所需薄带形状。通常也有可能通过对其进行不低于居里温度又不高于结晶温度下的适当热处理来改善各种特性。
也可举例说明构成用于制造按本发明电感元件的薄带的超微晶态(细晶态)磁合金例如如下:
(Fe1-aMa100-a-bM′xM″y
此处M为至少一个选自Co和Ni构成组的元素,M′是至少一种选自构成Si,B,Ga,Nb,Mo,Ta,W,Ti,Zr,Cr,Mn和Hf的元素,M″是至少一种构成Cu和Al族的元素,和a,x和y是分别满足关系:0≤a≤0.5,0≤x≤50和0≤y≤10的值(其中x和y是原子百分率)。
在上述合金中,特别是由以下通式(general  type)所示类型的微晶态合金是合乎要求的:
(Fe1-aMa100-x-y-z-α-βSixByM′zAlαCuβ
式中M是至少一种选自构成Co,Ni族的元素,M′是至少一种选自构成Ca,Nb,Mo,Ta,W,Ti,Zr,Cr,Mn,Hf族的元素。所述a,x,y,z,α和β值满足下列关系式:
0≤a≤0.5  0≤z≤25
0≤x≤30    0≤α≤10
0≤y≤25    0≤β≤3(0.1≤β≤3更佳)
5≤x+y+z≤40    0.1≤α+β≤10
(其中x,y,z,α和β是原子百分率)
最好:结晶合金的晶体粒径为不大于100
Figure 94118448X_IMG2
,更可取不大于500
Figure 94118448X_IMG3
。同样可取结晶合金的晶体部分不小于30%,更可取不小于50%。
上述结晶质合金薄带通常可通过给作为非晶质合金带获得的薄带施加不低于结晶温度的某一温度下的适当热处理来得到。同样有可能通过改变热处理状态来改善各种磁特性(例如,磁导率,铁损或电流叠加)。
还有可能通过将诸如MgO,SiO2和Sb2O5之类的介质粉末累积在薄带表面的一侧或两侧表面上以使薄带缠绕的叠层表面彼此绝缘来改善各种特性(例如,磁导或高频铁损)。
本发明的电感元件的磁心是通过缠绕如此得到的薄带而产生的。首先,将有预定宽度和预定厚度的薄带缠绕在一个有预定形状的心部件(core  member)。该心部件的横截面可以是园形或诸如矩形等的任何其他多边形。
在薄带缠绕部分的厚度达到预定程度时,便终止薄带的缠绕操作。然后,通过使用有耐热性的高粘度树脂带,如聚酰亚胺(由杜邦化学公司生产的商标名:Kapton)带或通过点焊以防止回绕(wind-back),将薄带的缠绕末端固定到磁心。
然后将导线插入已拆去心部件的磁心中。在此情况下,由于将导线用作心部件,故有可能易于获得由磁心和导线组成的整体组件。此外,可省去拆卸独立心部件的工作。这使其有可能降低制造成本和元部件数目。
在本发明中,通过将叠合的环形(troidal)磁合金片用粘接剂将其彼此粘合或注入树脂,也能获得有一中空部分的磁心。这种类型的磁心在中心附近也设有一中空部分以致导线可贯穿配置。
作为实例可列举:铝,铝合金,铜、铜合金,铁合金或其表面涂有防氧化层的涂Sn铜线或软的涂Sn铜线,涂焊料的铜线,42合金线和CP线等。在上述实例中最好使用具有低电阻率的镀Sn铜线。
附带说,对于导线,可沿磁心中心线成束地配置各有相同或不同截面的许多导线。在此情况下,这许多导线彼此是绝缘的(即,导线由涂层或瓷管绝缘),这些导线可沿纵向绕在磁心的侧壁上用作一个绕组。
其次,其上已安装有这样获得的导线的磁心经受热处理(例如,为控制相对导线磁率的磁特性)。附带说,也可以热处理后安装导线。在热处理条件下为将薄带保持在非晶态,最好热处理温度不低于居里温度又不高于结晶温度,而为将薄带保持于超微结晶态时,该温度不低于结晶温度。该热处理周期的最佳范围是从30分钟至24小时。附带说,在此情况下,通过在使用诸如氮(N)或氩(Ar)之类的氧化性气体,还原气体或惰性气体作为周围气氛下,沿薄带宽度方向施加0至60KA/m的磁场(例如5KA/m)或沿一个恒定不变方向给磁心施加一个力同时实施该热处理即能将各种特性调到所需值。
此后,将磁心封装在一壳体内或用树脂例如(环氧树脂,聚脂树脂或硅树脂)涂层达到绝缘,以获得根据本发明的电感元件。
在本发明元件中,为获得良好的电流叠加特性磁心在100KHz下磁化曲线的原点处的相对导磁率μ必须满足下列关系:
100≤μ≤10000
本发明的电感元件被用作平滑扼流圈,交流电线扼流圈,有源滤波器扼流圈,开关变换器或降噪元件扼流圈等等。
现在,为在平滑扼流圈或用于交流电线的扼流圈用于有源滤波器扼流圈和/或开关变换器的扼流圈情况下获得优良的叠加特性,最好,磁心的相对导磁率μ满足关系式:100≤μ≤2000
更可取的是通过调节热处理的条件,以使相对导磁率μ满足500≤μ≤2000的关系,则电流叠加特性变得更优。
另一方面,为在降噪元件情况下获得满意的降噪性能,最好磁心的相对导磁率μ满足关系式:5000≤μ≤10000。
附带说,相对导磁率μ意指是将导磁率μi除以真空导磁率μo所得到的值。
另一方面,磁性元件的小型化主要取决于饱和磁通过密度。也就是说,假设:相对导磁率μ保持恒定直至饱和磁通密度Bs,则给出磁性元件的电容量E和磁心的体积V之间的下列关系:
E∝(Bs)V/(μ)
为获得现已广泛和普遍使用并具有比铁氧体磁性材料更大容量的小型磁元件,该磁合金薄带的饱和磁通密度最好不小于0.6T。
在本发明中,在设计磁心的外径φo(m:米)和内径φi(m)时,饱和磁通密度Bs(T:泰斯拉),φoφi,相对导磁率,真空导磁率μo(4π×10-7H/m)和导线的最大电流密度σ将遵循以下关系式是合乎要求)的
Bsφo/μμo≤σφi2/4
通过设计满足上述关系式的元件可得到一种大容量而小型的磁部件。
所述关系式可变换成下式:
Bsφ0/μφi2≤μ0σ/4
同时考虑到实现该磁性的带件,即,φ0,φi>0便得出以下条件:
0<Bsφo/μφi2≤μoσ/4
本发明人已发现:为抑制该元件所产生的热量,电流密度最好不大于σ=100/π×106A/m2(约32×106A/m2)。因此,经代入σ=100/π×106A/m2,便得到磁心的饱和磁通量Bs,相对导磁率μ,磁心的外径φo(m)和内径φi(m)之间的下列关系:
0<Bsφo/μφi2≤10
按照本发明,该元件满足该关系,即,0<Bsφ0/μφi2≤10,更可取满足关系式0.1≤Bsφo/μφi2≤10,其中Bs(T)是磁心的饱和磁通密度,μ是相对导磁率,φo(m)是磁心的外径而φ(m)是磁心的内径,从而有可能获得即使当实际元件制成小型时,其仍具有较小温升的元件。
而且,要用于本发明中的导线电阻最好不大于20μΩcm,更可取不大于2μΩcm。即,若导线电阻不大于20μΩcm,有利于抑制温升。此外,导线电阻不大于2μΩcm情况的进一步优点是进一步抑制了温升。
该电感元件可封装在诸如合成树脂或铝之类的非磁性材料制的壳体中,或按另一方式可由环氧树脂之类的物质密封。通过给组件的外侧设置由诸如铝等非磁性材料制成的叶片,也就是说,在组件的外形呈叶片状或组件由合成树脂制成的情况下的壳体,可增强热辐射性能。
可用作壳体的材料可为称作塑料的聚酰胺(尼龙),改进型聚酰胺(商标名:由Mitsui  petrochemical公司制造的ARLEN),PBT(聚对苯二甲酸丁二酯),PET(聚对苯二甲酸乙二酯),PPS(聚苯硫醚)和pp(聚丙烯)等。
此外,通过将多个这样获得的电感元件进行彼此并联或串联连接,便可能获得具有不同电感和电流的元件。在此情况下,能得到有均匀外观而不改变元件高度的多用途元件,例如通过在并行配置各电感元件之后,用环氧树脂之类物质密封这些元件以形成一个单个组装元件单元的组件。
附带一说,也可将这些电感元件封装在一个合成树脂制成的壳体中,以形成单一组装件。在这种组装元件情况下,由于产生的热量也增多,故壳体外形应为叶片状或应将铝之类的非磁性材料设置在该组件的外侧从而获得热辐射性能优良的电感组装部件。
关于连接多个元件的方法,可以是封装事先已被连接的元件或由环氧树脂密封它们,或用另一方式借助用印刷线路之类的方法连接实际安装在衬底上的这些元件。
以对诸如电容,电阻等不同元件的同样方式处理或使用根据本发明的元件是可能的。因为元件本身无绕组,故按本发明元件是易于处理和尺寸小型化的。
附图中:
图1是表示根据本发明的一种电感元件的透视图;
图2是表示按本发明电感元件的一个横截面视图;
图3是表示按本发明电感元件的一个前视图;
图4是表示一个组合元件的透视图,该组合元件通过并行安置多个本发明电感元件而形成;
图5是表示一个根据对照例的环形扼流圈的透视图;
图6是表示按该对照例的环形扼流圈的一个横截面视图;
图7是表示薄带被直接绕在按本发明电感元件中的导线上的一种状态的透视图;
图8是表示根据本发明的电感元件的透视图,其中的壳体是以叶片状构成;
图9是表示能反映导线的一种改型特征的电感元件透视图;
图10是表示由本发明实施例和对照例所得到的电感电流叠加特性图;
图11是表示根据本发明实例2的组合元件外形的一个透视图;及
图12是表示根据本发明实例2的一种改型的组合元件外形透视图。
现将参照诸附图描述本发明。
正如图1所示,根据本发明,用于电感元件1的磁心2是通过缠绕如上所述已获得的薄带3而制成的。首先,将有预定宽度和预定厚度的薄带缠绕在呈予选形状的心部件(未示出)上。该心部件的横截面不限于园形,而可为矩形或多边形。
在薄带缠绕部分的厚度达到预定值时,便结束薄带3的缠绕操作。将薄带3的缠绕端部固定到磁心2的处理是使用诸如聚酰亚胺(商标名:Kapton)带等能耐热的高粘性树脂带或借助点焊实现的,从而防止了回绕。
导线4被插入已取出心部件的磁心2中。在此情况下,如图7所示,通过直接使用导线4作为心部件,有可能容易地获得由磁心2和导线4组成的整体组件。此外,有可能省去拆卸独立心部件的工作。这使降低制造成本和减少元部件数目成为可能。
作为实例可列举:铝,铝合金,铜,铜合金,铁合金或其表面涂有防氧化层的涂Sn铜线或经退火的涂Sn铜线,涂焊锡的铜线,42合金线和CP线等。具体地说,在上述实例中,使用具有低电阻率的镀Sn铜线是合乎要求的。
附带一说,对于导线4,有可能沿磁心2的中心线排列各有相同或不同截面的许多成束导线4a。在此情况下,多根导线彼此绝缘(即,导线通过涂层或瓷管绝缘),这些导线可沿纵向绕在待用磁心的侧壁上,绕成如图9所示的绕组。
接着,使其上已安装如此得到的导线4的磁心2经受热处理。附带一说,在热处理以后安装导线也是可能的。在热处理条件下,为保持薄带处于非晶态,最好温度不低于居里温度但不高于结晶温度,而为保持薄带处于超微晶态时,温度不低于结晶温度。热处理周期范围为30分钟至24小时。附带说,在此情况下,通过在使用氧化性气体,还原气体或惰性气体作为周围气氛下,沿薄带宽度方向施加0至60KA/m的磁场(例如5KA/m)或沿一个恒定不变的方向给磁心施加一个力,同时实施该热处理即能将各种不同特性调节到所需值。
可被封装在诸如合成树脂或铝之类的非磁性材料制成的壳体的电感元件1可由环氧树脂等密封。在此情况下,如图8所示,通过给组件的外侧设置由诸如铝之类非磁性材料制成的叶片,即,在组件的外形呈叶片状或组件由合成树脂制成的情况下的壳体18,可增强热辐射性能。
此外,通过连接多个彼此并联或串联的这样得到的电感元件1可获得有不同电感和电流的元件。在此情况下,可得到有均匀外观而不改变元件高度的多用途元件,例如,如图4所示通过在并行配置各电感元件1之后,用环氧树脂之类物质密封这些元件以形成一个单个组装元件单元6的组件5。
附带一说,虽然多个电感元件1由图4中树脂密封,但这些电感元件1可封装在一个由合成树脂构成的壳体中以形成单一组合元件。在这种组合元件情况下,由于产生的热量也增多,故壳体的外观应类似图8所示的呈叶片状或应将诸如铝之类的非磁性材料配置在组件的外侧,从而获得热辐射性能优异的电感组合单元。
关于用于连接多个元件1的方法,可封装已预先连接的元件或用环氧树脂密封它们,或利用另一方式借助用印刷线路之类的方法连接实际安装在衬底上的这些元件。
现说明本发明的几个具体实例和对照例。
实例1
如图7所示,由美国Allied-信号公司制造的一种铁基非晶态磁合金薄带3(商标名:“Metglas2605S-2”,成分为Fe78Si9B13(原子%),厚度:20μm,宽:15mm)的表面(一侧面)被涂以Sb2O5细粉,此后,将该带缠绕在导线4上,该软的涂Sn铜线(电阻率:0.97μΩcm)直径为1.6mm以形成内径为1.6mm外径为5mm,长度为15mm的元件1。
该绕组末端由聚酰亚胺带(Kapton带)固定。将其暴露于N气氛下并在不低于居里温度和不高于结晶温度的一个温度下加热。具体说,热处理条件为430℃长达2小时。
各如上所述而产生的五个元件被并行排列并由环氧树脂5密封,以形成一个组件,线端(导线4)是从组件一侧伸出以便可安装在印刷电路板上,由此产生一组装元件6。其外观示于图4。
这些线端被电气短路以使五个元件1在组件中是串联连接的,而电感的电流叠加特性是在100KHz频率下测得。
实例2
正如图7所示,由美国Allide-信号公司制造的铁基非晶质磁合金薄带(商标名:“Metglas 2605S-2”成分:Fe78Si9B13(原子%)厚度:20μm,宽度:15ml被绕在直径为1.6mm的绕组芯上,并在完成该绕组后,端部经点焊固定。此后,去除绕组芯。这样便得到一个内径为1.6mm外径为5mm和长度为15mm的磁心。再将其曝露于N2气氛下,并以一个不低于居里温度又不高于结晶温度的温度加热。具体说,热处理条件为430℃长达2小时。
事先已成形为U-字形软的涂Sn铜线(电阻率:0.89μΩcm)被插入该产品并通过加压机再成型为导线14。
该产品被封装在由Mitsui  Petrochemical公司制造由改进的聚酰胺(商标名:ARLEN)制成的壳体15中,该壳体15用环氧体系(epoxysystem)的粘合剂彼此固定,该外观示于图11和12中。
对照例
另一方面,作为比较,如图5和6所示产生一个具有相同额定容量的环形扼流圈11(TM线圈6μH-10A)。
以与实例1相同方式,将由美国Allide-信号公司制造的一种铁基非晶质磁合金薄带(商标名:“Metglas 2605S-2”,组分为Fe78Si9B13,厚度:20μm,宽5mm)的表面(一侧面)绕到外径为21.5mm,内径为12.0mm的一个磁心12上。再使该绕组经受热处理并安放在树脂壳体15内。此后将各有1.1mm直径的两条导线16围绕该树脂制壳体15的园周方向并列绕8圈。于是得到外径(1)为27mm和高度(h)为12mm的环形扼流圈11。
对该环形扼流圈,在100KHz频率下测量其电感的电流叠加特性(对照例)。图10示出本发明实例与该对照例之间电感对叠加电流的变化。下表示出实例与对照例之间在组件大小上的对比。
Figure 94118448X_IMG4
因此,按照该两实例与传统产品相比,印痕较小,同时实际高度约为常规产品的一半。
在不脱离本发明精神及保护范围情况下可能对其各种细节作出变动。此外,前面对根据本发明实施例的说明仅为图解说明而提供的,并不是为限制如由所附权利要求书所界定的本发明及其等同物的范围。

Claims (20)

1、一种电感元件,包括在一中心附近有一中空部分的磁心;和一穿过所述磁心中空部分配置的导线,所述磁心的相对导磁率μ的范围为100至10000。
2、根据权利要求1的电感元件,其特征在于磁心是由缠绕一磁合金薄带形成的。
3、根据权利要求1所述的电感元件,其特征在于:所述磁心是由叠合金片形成的叠层磁心构成。
4、根据权利要求2的电感元件,其特征在于所述磁合金薄带的饱和磁通密度Bs不小于0.6T。
5、根据权利要求1至3任一个电感元件,其特征在于其满足下式:
0<Bsφ0/μφ≤10
其中Bs(T)为饱和磁通密度,μ为相对导磁率,φ0(m)为磁心外径,φi(m)为磁心内径。
6、根据权利要求1至5之任一项的电感元件,其特征在于所述磁合金薄带是由铁基非晶质合金制成。
7、根据权利要求1至5之任一项的电感元件,其特征在于所述磁合金薄带是由铁基超微结晶质合金制成。
8、根据权利要求1至5之任一项的电感元件,其特征在于所述导线被用作心部件,同时磁合金薄带被直接绕在所述心部件上。
9、根据权利要求1至5之任一项的电感元件,其特征在于磁心的相对导磁率在100至2000范围内,该磁心被用作平滑扼流圈,交流电线的扼流圈,或开关变换器的扼流圈。
10、根据权利要求1至5的任一电感元件,其特征在于磁心的相对导磁率在5000至10000的范围内,而且该磁心用作降噪元件。
11、根据权利要求1至5任一项的电感元件,其特征在于导线电阻不大于20μΩcm。
12、根据权利要求1至5的任一项电感元件,其特征在于所述导线是涂Sn铜线。
13、由多个各为如权利要求1至5之任一项所述电感元件的组合部件,其特征在于这些电感元件并行排列,每个磁心部分由树脂密封以形成一个组件,而且各电感元件的电线从所述组件的侧壁伸出。
14、根据权利要求13的组合部件,其特征在于:一个用于组件的非磁性材料制成的壳体以替代树脂密封。
15、根据权利要求13的组合部件,其特征在于:非磁性材料制成的壳体是一种用于组件的改进的聚酰胺。
16、一种电感元件,包括:
在中心附近有一中空部分的磁心;
一个树脂封装装置,用以密封所述磁心;和
为穿过磁心中空部分而设置的导线,其中一部分所述导线露出所述树脂封装装置之外,待用作一实际接线端。
17、根据权利要求16的电感元件,其特征在于所述磁心由缠绕一磁合金薄带形成。
18、根据权利要求16的电感元件,其特征在于所述磁心由若干叠合的磁合金片形成。
19、根据权利要求16至18之任一电感元件,其特征在于所述导线被加工成弯向一个其上固定该露出部分的衬底。
20、根据权利要求16至18的任一电感元件,其特征在于所述磁心的相对导磁率μ是在100至10000范围内。
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