TW200937465A - Choke coil - Google Patents

Description

200937465 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種被動元件，特別是有關於一種扼 流線圈’。 【先前技術】 如第1A圖及第1B圖，習知組合式扼流線圈（Choke ❹ Coil)100包含一鼓狀中柱（Drum Core) 110、一線圈120 以及一外殼130。鼓狀中柱110包含中間柱112及連接於 其兩端之上柱111與下柱113 ;線圈120套設於鼓狀中柱 110 ;外殼130包覆線圈120及鼓狀中柱110，且線圈120 與外殼130之間及中柱110與外殼130之間具有一空氣間 隙t。當鼓狀中柱設置於扼流線圈100中央時’電感 值為4. 45uH;而當鼓狀中柱11〇偏移且接觸外殼13〇時（如 〇 第1C圖）’電感值為6.44uH ;由此可知’鼓狀中柱110的 位置改變將造成間隙t變化’而使電感值產生明顯的變 化。因此生產過程時’需對鼓狀中柱進行精密的定位 步驟，使間隙t固定，以减保扼流線圈1 〇 〇具有固定的電 感值；然定位步驟會增加生產步驟’使生產成本提高。再 者，，空氣間隙t會造成通過中柱no及屏蔽的磁通密度衰 減，造成電感量下降。而且，組合式扼流線圈ι〇〇僅可透 200937465 過改變線圈圈數及中柱尺寸兩個參數來改變電感值，所 以，調整電感值時容易受限。 習知壓縮成型式（Compression Molding Type)扼流線 圈’如美國專利第6, 204, 744號，將中空線圈及粉末狀磁 性材料置於一成型模具的模穴中，再施加壓力以成型。然 成型壓力通常很高且中空線圈本身無法得到足夠的支撐， 〇 因此’於成型過程中容易造成線圈外覆的絕緣層脫落，而 使扼流線圈發生層間短路的問題。 【發明内容】 本發明的一目的在於提供一種扼流線圈，利用適當選 用中柱與磁性㈣之導辦範圍’可使減線圈具有較佳 的飽和特性及較大的可應用電流。 Ο 本發月的另目的在於提供一種扼流線圈，不需進斗 中柱的精密定位，藉以簡化生產步驟。 本發明的又-目的在於提供—種扼流線圈，在填充石 性材料時’線圈可得敎夠的支撐，藉以改善線圈之層F 短路之問題。 本發明的再一目的在妒^ . j隹於徒供一種扼流線圈，製造纪 中不需承受高成型壓力，蕤 i 錯以可耠升製程穩定性及產占 紹从〇 200937465 本發明的又一目的在於提供-種扼流線圈，可增加調 整電感值的參數，使調整電感值較不易受限。 根據上述的目的’本發明揭露一種扼流線圈包含一磁 性中柱、一線圈以及磁性材料，其中，磁性中柱具有一第 一導磁率’第一導磁率約介於35〇至12〇〇之間，線圈纏繞 於中柱’磁性材料包覆線圈且具有一第二導磁率，第一導 磁率大於第二導磁率，第二導磁率約介於5至30之間。

【實施方式】 本發明的一些實施例將詳細描述如下。然而，除了如 下描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例施行，且 本發明的範圍並不受實施例之限定，其以之後的專利範圍 為準。再者，為提供更清楚的描述及更易理解本發明，圖 式内各部分並沒有依照其相對尺寸繪圖，某些尺寸與其他 相關尺度相比已經被誇張；不相關之細節部分也未完全繪 出，以求圖式的簡潔。 如第2A圖及第2B圖，本發明一較佳實施例之扼流線 圈2〇〇包含一磁性中柱210、一線圈220、磁性材料230及 二電極部240。中柱210具有一第一導磁率（permeability) ul °導磁率定義為磁化曲線上，磁場強度（Η)趨近於零時之 磁通密度（B)和磁場強度00的比值，且採用cgs制。中 检21〇由一上柱211、一中間柱212以及一下柱213形成 200937465 -鼓狀中柱〇)議c〇re)，且场211、中間柱212及下柱 213具有圓形截面。上柱2U、中間柱212及下柱213之間 形成-繞線空間214。線圈220縷繞於中柱之中間柱 212並容置於繞線空間214内。 磁性材料230包覆線圈22G並置於繞線㈣214内， 使扼流線圈200’之外形概成圓棱體，且線圈22〇與磁性 材料230之間可完全接觸而不具有空氣間隙。本實施例藉 ❾由射出成型（InjectionMolding)製程使磁性材料23〇包覆 線圈220，但並不以此為限’亦可採用塗佈等不需承受高 成型壓力的成型製程。磁性材料23〇具有一第二導磁率 u2，第一導磁率ui大於第二導磁率u2，其中，第一導磁 率ill約介於350至1200之間’第二導磁率u2約介於5至 30之間。磁性材料230包含一樹脂材料及一磁性粉狀材 料，且樹脂材料與磁性粉狀材料會先均勻混合後再作為射 〇出成型所需的射出材料。樹脂材料可選自聚醯胺6 (Polyamide 6 ’ PA6)、聚酿胺 12(Polyamide 12，PA12)、 聚苯硫醚（Polyphenylene Sulfide，PPS)、聚對苯二曱酸 丁二酯（polybutyleneterephthalate ’ PBT)或乙埽-丙稀酸 乙酯共聚物（ethylene - ethyl acrylate copolymer，EEA) 其中之一，上述材料之特性如第4圖所示。本實施例中， 射出材料係採用PPS，由於PPS的耐熱性及耐藥品性較佳， 200937465 ， 在咼溫及化學環境下較不易變質，可使扼流線圈200具有 較佳的L賴J·生，不會在迴焊製程pr〇cess)中受 損。磁性粉狀材料可為金屬軟磁材料或鐵氧體（FerrHe)， 其中金屬軟磁材料可選自鐵粉（Ir〇n)、鐵鋁矽合金 (FeAlSi Alloy)、鐵鉻矽合金（FeCrSi AU〇y)或不鏽鋼其 中之一。在本實施例中，磁性粉狀材料採用具有較佳的飽 和特性之鐵粉（Iron)。 〇 電極部240電性連接於線圈22〇之兩端，具體而言， 每-電極部240包括-導線架’導線架之一端連接於線圈 之一端，另一端延伸至設置於扼流線圈2〇〇之外表面，本 實施例中，電極部240延伸至設置於下柱213的外表面上 (如第2A阖）。電極部240亦可直接壓扁線圈22〇之兩端而 形成。 由於磁性材料23G藉由射出成型製程包覆線圈22〇， 〇使得線圈220與磁性材料23G間可完全接觸而不具有空氣 間隙’因此，可解決空氣間隙造成磁通密度衰減及電感量 下降的問題，且可免去進行中柱的精密定位，因此可以簡 化生產步驟。另外在填充磁性材料23〇時，由於線圈22〇 纏繞於中柱210 ’使得線圈22()可得到足夠的支擇，且採 用射出成型填充磁性材料23〇，不需承受壓縮成型所需的 高成型塵力，故可以改善線圈之層間短路的問題，藉以可 200937465 提升製程穩定性及產品信碉性。 如第2C圖’採用外形尺寸為3mmx3腿xlmm圓柱體之扼 流線圈200’中柱21〇之上柱211與下柱213之直徑為3mm， 中間柱212之直徑為1. 1腿1，且第一導磁率ui為450，第 二導磁率u2由5至30的狀況下’電感值的變化由iiuh至 〇 31 uH，可見改變第二導磁率u2可使電感量大幅變化；因 此，本發明之扼流線圈200除可透過改變線圈圈數及中柱 尺寸改變電感值外，亦可透過改變磁性材料的導磁率u2來 改變電感值，使調整電感值的參數增加，調整電感值較不 易受限。如表一，說明如何利用調整第二導磁率u2及線圈 圈數來達到目標的電感值（4. 7uH) ’而且透過提高第二導磁 率u2可使線圈圈數減少，藉以可使直流阻抗（DC Resistance，DCR，或稱為線圈阻抗）降低。 表一： 第二導磁率u2 第一導磁率ul 線圈圈數 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 如第3A圖及第3B圖，本發明另一較佳實施例之扼流 線圈200，與上述實施例之扼流線圈20〇的差異在於：磁 11 200937465 ， 性材料230’包覆線圈220及上柱211與下枉213之側面 2111、2131 ’使扼流線圈200’之外形概成正方體。如第 3C圖，採用外形尺寸為3mmx3mmxlmm立方體之扼流線圈 200’ ’中柱210之上柱211與下柱213之直徑為2.2mm， 中間柱212之直徑為1· lmm，電感值的變化由6uH至i8uH， 同樣地，改變第一導磁率u2可使電感量大幅變化；因此， 本實施例亦可透過改變磁性材料的導磁率u2來改變電感 0 值，使調整電感值的參數增加，調整電感值較不易受限。

採用外形尺寸為3mmx3mmxlmm正方體，電感值為4. 7uH 之扼流線圈200，（第3Δ圖），以第二導磁率U2為5之鐵 粉與樹脂材料組成之磁性材料230，、導磁率u2為30之 鐵粉與樹脂材料組成之磁性材料230，、導磁率u2為100 之鐵氧體與樹脂材料組成之磁性材料，及導磁率u2為6〇〇 之鐵氧體組成之磁性材料進行模擬，如第5圖所示，具有 ❹低導磁率（即u2=5、30)者具有高飽和特性，而高導磁率（即 u2=l00’ 600)者具有低飽和特性；如第6圖所示，低導磁率 (即u2 5)者’可應用電流(即飽和電流’ saturati〇n Current ’其定義為電感量下降至電流為〇安培時的7⑽之 電流值）為812mA ’低導磁率（即u2=30)者，可應用電流Is 為417mA’高導磁率（即u2=i〇〇)者可應用電流丨3為16〇mA， 高導磁率（即u2=6〇〇)者可應用電流Is為113mA ;因此，可 12 200937465 知本發明採用第二導磁率u2約介於5至3〇之間之磁性材 料230可具有較佳的飽和特性及較大的可應用電流。 #卜U知第1A圖之&合式扼流線圈1GG與本發 月第3A圖之扼机線圈2〇〇’，於相同尺寸及線圈圈數條件 下，利用軟體進行磁通量分佈模擬，結果得到扼流線圈1〇〇 之電感值為L’扼流線圈2〇〇，之電感值為i•亂，證實本 發明採用無空氣間隙的結構可增加扼流線圈的電感值約 D 36%。 再者，如第7圖所示，定義中柱21〇之上柱211之第 一寬度為a與第一厚度為c，下柱213與上柱211的尺寸 相同’中間柱212具有第二寬度b與第二厚度d。本發明 以第3A圖之扼流線圈200’ ，採用不同電感量及外形尺寸 進行第二寬度與第一寬度之比例（b/a)、第一厚度與第二厚 度之比例（c/d)之最佳化模擬，並使扼流線圈200’之特性 Q 於市面上產品的規格範圍内。中柱210採用第一導磁率ui 介於350至1200之間之鐵氧體（Ferrite)軟磁材料，磁性 材料230’採用第二導磁率u2介於5至30之間之鐵粉與 樹脂材料均勻混合物。詳細進行模擬的電感量與外形尺寸 條件，如表二，而模擬結果如表三。 表二： 13 200937465 條件 外形尺寸（mm) 電感值 (uH) 第一導 磁率 第二 導磁 率 長X寬 厚 A 1x1 0· 6 、 3 、 5 1· 0、10、47 350-120 0 5 ' 30 B 5x5 0. 6 、 3 、 5 1. 0、10、47 350-120 0 5 ' 30 C 10x10 0. 6 、 3 、 5 1. 0、10、47 350-120 0 5 ' 30 表三： 條 件 外形尺寸 長X寬X厚 (mm) 電感值 (uH) b/a c/d 1x1x0.6 1. 0〜47 0.375-0.688 0.263-1.11 A 1x1x3.0 1.0-47 0.375-0.688 0.278 〜0667 1x1x5. 0 1. 0〜47 0.375-0.688 0. 3-0. 7 5x5x0.6 1. 0〜47 0.372-0.698 0.263-1.11 B 5x5x3.0 1. 0〜47 0.372-0.698 0.278 〜0.667 5x5x5.0 1.0-47 0.372-0.698 0. 3-0. 7 C 10x10x0.6 1. 0〜47 0.-367〜0. 667 0. 263-1. 11 14 200937465 10x10x3.0 1· 0〜47 0.367-0.667 0.278-0.667 10x10x5.0 1.0-47 0.367-0.667 0.3-0.7 由表三之模擬結果，可得知條件A之b/ a約介於 0.375至0. 688之間，c/d約介於〇. 3至0. 667之間；條件 B之b/a約介於〇· 372至0. 698之間，c/d約介於0. 3至 0. 667之間；條件C之b/a約介於〇. 367至0. 667之間，c/d ^ 約介於0. 3至0. 667之間；將上述各條件之數據的交集結 果，可得到第二寬度與第一寬度之比例（b/a)約介於0.375 至0.688之間，第一厚度與第二厚度之比例（c/d)約介於 0. 3至0. 667之間。 在扼流線圈的應用上，直流阻抗（DCR)及飽和電流Is 為實際應用時的考慮重點。然根據線圈消耗的能量公式： I2R (R即直流阻抗）與法拉第定律（Faraday’ s Law)，在 Q 固定的扼流線圈外觀尺寸前提下，直流阻抗越低，飽和特 性越差；因此，本發明透過模擬得到低直流阻抗（即直流阻 抗$140πιΩ )及高飽和電流（飽和電流21480mA)應用領域下 之較佳第二寬度與第一寬度之比例（b/a)及第一厚度與第 二厚度之比例（c/d)。詳細模擬條件為：採用第3A圖之扼 流線圈200’ ’外形尺寸為3mmx3mmxlmm，電感值為4. 7 uH。 模擬結果如第8圖及下表（即表四），其中條件A為基準， 15 200937465 條件B為低直流阻抗（直流阻抗為條件A之直流阻抗的6 〇 % ) 之應用，條件C為咼飽和電流（飽和電流為條件A之飽和電 流的1. 8倍）之應用。

表四·· 條件 b/a c/d 直流阻抗（dcr) 飽和電流 (Is) A 0. 593 0. 526 230 mQ 812 mA B 0.3696 0.3125 140 mQ 460 mA C 0. 696 0. 647 595 mQ 1480 mA 由上可知，於低直流阻抗應用時，第二寬度與第一寬度 之比例（b/a)約為0. 3696’第一厚度與第二厚度之比例（c/(i) 約為0.3125。於高飽和電流應用時，第二寬度與第一寬度 之比例（b/a)約為0. 696,第一厚度與第二厚度之比例（c/d) 約為0. 647。 上述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點， 其目的在使熟悉此技藝之人士能了解本發明之内容並據以 實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即凡其他未脫 離本發明所揭示精神所完成之各種等效改變或修飾都涵蓋 在本發明所揭露的範圍内’均應包含在下述之申請專利範 圍内。 16 200937465 * 【圖式簡單說明】 第1A圖顯示習知組合式扼流線圈的立體示意圖。 第1B圖顯示第1A圖組合式扼流線圈的剖面示意圖。 第1C圖顯示第1A圖之中柱偏移後之扼流線圈的立體 示意圖。 第2A圖顯示本發明一實施例之扼流線圈的立體示意 圖。 第2B圖顯示第2B圖扼流線圈的剖面示意圖。 f% θ 第2C圖顯示第2A圖扼流線圈之第二導磁率與電感值 之關係圖。 第3A圖顯示本發明另一實施例之扼流線圈的立體示 意圖。 第3B圖顯示第3A圖扼流線圈的剖面示意圖。 第3C圖顯示第3A圖扼流線圈之第二導磁率與電感值 之關係圖。 〇 第4圖顯示不同樹脂材料的特性圖。 第5圖顯示習知與本發明之磁場與磁通密度關係圖。 第6圖顯示習知與本發明之電流與電感值關係圖。 第7圖顯示第3A圖之中柱的剖面示意圖。 第8圖顯示本發明另一電流與電感值之關係圖。 【主要元件符號說明】 17 200937465 100 組合式扼流線圈 110 中柱 111 上柱 112 中間柱 113 下柱 120 線圈 130 磁性材料 ^ 200 ❹ 扼流線圈 200’ 扼流線圈 210 中柱 211 上柱 2111 侧面 212 中間柱 213 下柱 q 2131 侧面 214 繞線空間 220 線圈 230 磁性材料 230’ 磁性村料 240 電極部 a 第一寬度 18 200937465 b 第二寬度 c 第一厚度 d 第二厚度 t 間隙 ul 第一導磁率 u2 第二導磁率 〇 〇 19

Claims (1)

1. 200937465 ’ 十、申請專利範圍： 1. 一種扼流線圈，包含： 一磁性中柱，具有一第一導磁率，談第一導磁率約介 於350至1200之間： 一線圈，纏繞於該磁性中柱； 磁性材料，包覆該線圈且具有一第二導磁率，該第一 導磁率大於該第二導磁率，該第二導磁率約介於5至30之 間；以及 一電極部，連接於該線圈之兩端。 2. 如申請專利範圍第1項所述之扼流線圈，其中該磁性材 料係藉由一射出成型製程包覆該線圈。 3. 如申請專利範圍第1項所述之扼流線圈，其中該線圈與 該磁性材料之間不具有空隙間隙。 〇 4. 如申請專利範圍第1項所述之扼流線圈，其中該磁性材 料包含一樹脂材料以及一磁性粉狀材料。 5. 如申請專利範圍第4項所述之扼流線圈，其中該樹脂材 料可選自聚醯胺6 (PA6)、聚醯胺12(PA12)、聚苯硫醚 (PPS)、聚對苯二曱酸丁二酯（PBT)或乙烯-丙烯酸乙酯共聚 20 200937465 物（EEA)其中之一。 6. 如申請專利範圍第4項所述之扼流線圈’其中該樹月曰材 料係為聚苯硫醚（PPS)。 7. 如申請專利範圍第4項戶斤述之扼流線圈，其中該磁性粉 狀材料包含一金屬軟磁材科或一鐵氧體（Ferrite)。 〇 8. 如申請專利範圍第7項所述之扼流線圈’其中該金屬軟 磁材料包含鐵粉（Iron)、鐵鋁矽合金（FeAlSi Alloy)、鐵 鉻矽合金（FeCrSi Alloy)或不鏽鋼。 9. 如申請專利範圍第1項所述之扼流線圈，其中該中柱係 由一鐵氧體（Ferrite)軟磁材料所製成。 〇 10. 如申請專利範圍第1項所述之扼流線圈，其中該中柱為 一鼓狀中柱（Drum Core) ’該鼓狀中柱包含一上柱、一中間 枝以及一下柱’該上柱與該下柱具有相同的一第一寬度與 一第一厚度。 11. 如申請專利範圍第1〇項所述之扼流線圈，其中該中間 21 200937465 柱具有一第二寬度，該第二寬度與該第一寬度之比例約介 於0. 367至0. 667之間。 12.如申請專利範圍第10項所述之扼流線圈，其令該中間 柱具有一第二厚度，該第一厚度與該第二厚度之比例約介 於0. 3至0. 667之間。 p 13.如申請專利範圍第10項所述之扼流線圈，其中該上 柱、中間柱及下柱之間形成一繞線空間，該線圈及該磁性 材料容置於繞線空間内。 〇 22