TW202242918A - 包含未磁化的可磁化顆粒之能量傳遞元件 - Google Patents

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Abstract

一種用於製造能量傳遞元件之方法，該方法包含：提供在磁路中具有一間隙之磁芯，在該間隙中放置産生初始通量密度之可磁化材料，固化懸浮介質，並將一或多個功率繞組纏繞在該磁路周圍。當該可磁化材料被磁化時，由該被磁化的材料産生之通量密度偏離該初始通量密度。該可磁化材料包含懸浮介質與可磁化顆粒之混合物，該懸浮介質包含未固化的環氧樹脂。當被磁化時，可磁化顆粒能夠具有永久磁性。磁性材料之顆粒之磁導率至少為1000µ o。磁導率至少為1000µ o之磁性材料之顆粒及可磁化顆粒之顆粒均勻分佈在懸浮介質中。

Description

包含未磁化的可磁化顆粒之能量傳遞元件
本發明概言之係關於磁芯，且更具體而言，係關於可用作能量傳遞元件之磁芯。
電子裝置使用電力運行。開關模式電源因其高效率、小尺寸及低重量而常被用於為當今許多電子裝置供電。傳統的牆壁插座提供高壓交流電。在開關電源中，高壓交流電（alternating current，ac）輸入藉由開關模式功率轉換器處理，以經由能量傳遞元件提供被良好調節之直流電（direct current，dc）輸出。在操作中，開關被用來藉由改變負載迴圈、改變開關頻率或改變開關模式功率轉換器中開關之每單位時間之脈衝數來提供所需的輸出。
用於開關模式功率轉換器之能量傳遞元件通常包含纏繞在具有相對高磁導率之材料（例如，鐵氧體或鋼）之一芯上之線圈。對於例如變壓器及耦合電感器等能量傳遞元件，能量傳遞元件還可包含被稱為線軸（bobbin）或作為另一選擇被稱為線圈架（coil former）之結構，其為線圈提供支撐，並為要插入之芯提供一區域，使得線圈可包圍芯之一部分。芯為由線圈中之電流產生之磁場提供一路徑。常常在由芯提供之磁場的路徑中引入具有相對低磁導率之分立區（discrete region），此通常被稱為間隙。可選擇間隙之長度來管理能量傳遞元件中之能量分佈。具有相對低磁導率之材料通常為空氣，並且該間隙常常被稱為氣隙，但該間隙可含有具有相對低的磁導率之其他材料，例如紙或清漆。在磁芯材料之一些組成物中，間隙均勻地分佈在整個材料中。能量傳遞元件還可包含磁體，例如永磁體，該磁體與芯一起使用以為具有相對高磁導率材料之芯提供通量密度偏移。可將磁體插入能量傳遞元件之氣隙中。然而，由於能量傳遞元件之磁場變化，永磁體可能容易受渦電流（eddy current）之影響。渦電流可在磁體中產生不期望的功率耗散。此外，不能將永磁體之厚度與氣隙尺寸精確匹配可能導致通量密度偏移之不可接受的公差及可變性，使得此種方案在此種能量傳遞元件之大規模生產中不切實際。
用於電子設備之電源可受益於磁性能量傳遞元件，該磁性能量傳遞元件提供通量密度偏移，而在操作中無過度的功率損耗，並且可以相對低之成本製造。
一種製造能量傳遞元件之方法，包含：提供在磁路中具有一間隙之磁芯；將可磁化材料置於該間隙中，且該可磁化材料産生初始通量密度；固化懸浮介質；以及將一或多個功率繞組纏繞在該磁路周圍。其中當該可磁化材料被磁化時，由該被磁化的材料産生之通量密度偏離該初始通量密度。
該可磁化材料包含懸浮介質與可磁化顆粒之混合物，該懸浮介質包含未固化的環氧樹脂。該等可磁化顆粒包含當被磁化時能夠具有永久磁性之材料。該材料係為選自包含釹鐵硼（NdFeB）系材料或釤鈷（SmCo）系材料之群組之稀土材料。
該懸浮介質更包含磁導率至少為1000µ o之磁性材料之顆粒，其中該等磁性材料之顆粒之磁導率至少為1000µ o。磁導率至少為1000µ o之磁性材料之顆粒與可磁化顆粒之顆粒均勻分佈在該懸浮介質中。
該懸浮介質包含固化化合物，該固化化合物在固化製程之前具有液相，並且在該固化製程之後具有固相。該懸浮介質將該等可磁化顆粒保持在懸浮狀態，且在該固化製程之前該等可磁化顆粒之顆粒保持彼此電性絕緣。該固化製程將該懸浮介質之溫度升高至高於該懸浮介質之固化溫度，或者將該懸浮介質之壓力升高至高於與該懸浮介質相關聯之固化壓力。該液相具有使得該懸浮介質保持該等可磁化顆粒之均勻分佈之黏度。該固相係為剛性固體或因應於組裝力（assembling force）而變形之非剛性固體。
在以下描述中，闡述許多具體細節，以便提供對本發明之透徹理解。然而，對於此項技術中具有通常知識者而言顯而易見的是，不需要採用具體細節來實施本發明。在其他情況下，為避免使本發明模糊不清，未詳細描述眾所周知之材料或方法。
在本說明書通篇中提及「一個實施態樣」、「一實施態樣」、「一個實例」或「一實例」意指結合該實施態樣或實例描述之一特定特徵、結構或特性被包含在本發明之至少一個實施態樣中。因此，在本說明書通篇中各處出現的片語「在一個實施態樣中」、「在一實施態樣中」、「一個實例」或「一實例」未必皆指同一實施態樣或實例。此外，在一或多個實施態樣或實例中，特定特徵、結構或特性可以任何合適的組合及/或子組合來組合。特定特徵、結構或特性可包含在積體電路、電子電路、組合邏輯電路或提供所述功能性之其他合適的組件中。此外，應理解，在此提供之附圖用於向此項技術中具有通常知識者進行解釋的目的，且附圖未必按比例繪製。
熟習此項技術者將理解，磁性組合件（assembly）及磁性組合件之部件可用各種術語來描述，該等術語未必在技術上準確或精確。舉例而言，實際上任何一塊磁性材料皆可被稱為磁芯。除了繞組之外之多件磁性組件之完整組合件（complete assembly）通常亦可稱為磁芯。
一種增加在dc應用中操作之電感器之能量儲存能力之先前技術方法係為永磁體偏置。通常，在圍繞線圈組裝芯件之前，將磁化的永磁體放置於氣隙中。作為另外一種選擇，可在組裝芯及線圈之後將磁化的永磁體附裝至能量傳遞元件之外表面。
第1A圖及第1B圖例示可包含在電源中之先前技術例示性能量傳遞元件之構造之顯著特徵。第1A圖係為俯視圖100A，其示出具有初級繞組115 1及次級繞組115 2之環形磁芯110。環形磁芯110內之磁路包含距離為d之一間隙。B W指示來自等效功率繞組電流（例如，經由其對應繞組之匝數施加之每個電流I 1及I 2之總和（通常稱為安培匝數））之磁場之磁通量密度。來自由繞組產生之磁場之總磁通量密度為B W。第1B圖係為俯視圖100B，其示出間隙中插入永磁體115。B M指示來自永磁體115之磁通量密度，並且與來自繞組之通量密度B W相反。淨磁通量密度係為相對的通量密度之大小之差（B W–B M）。
第2A圖及第2B圖以曲線圖例示能量傳遞元件中之磁通量密度與該能量傳遞元件之功率繞組中之電流之間的關係。第2A圖係為曲線圖200A，其示出相對於橫軸上之等效功率繞組電流，在縱軸上繪製之磁通量密度。等效功率繞組電流可為能量傳遞元件之繞組中之安培匝數之和。舉例而言，在第2A圖之結構中，在任何時間，電流乘以繞組115 1之匝數加上電流I 2乘以繞組115 2之匝數將為當時安培匝數之總和。繞組處由箭頭所指示方向上之電流具有正值，而相反方向上之電流具有負值。
當無電流產生磁場時，能量傳遞元件中使用之具有相對高磁導率（例如，為自由空間µ 0之磁導率之1000倍或大於1000倍）之材料通常具有可忽略之通量密度。因此，其不被視為被永久磁化，並且其不表現出我們通常預期永久磁體所具有之性質。因此，第2A圖及第2B圖中之磁通量密度與電流之間的關係係為單值的（single-valued），對於橫軸上之每一電流值，在縱軸上僅有一個通量密度值。該等材料被視為未被磁化，並且其不能被永久磁化。
永磁體的材料通常在磁通量密度與來自等效電流之磁場之間具有多值（multi-valued）關係。暴露於足夠強之磁場可將材料之狀態自第一狀態或初始通量密度（例如，可忽略之通量密度）改變至第二狀態，該第二狀態在等效電流返回至零之後保持相對高的磁通量密度。處於第二狀態之材料可被視為永磁體，其可在能量傳遞元件中引入所需的通量密度偏移。該等材料可被磁化或亦可不被磁化，此取決於其在磁場中之暴露。
第2A圖之曲線圖之例示性能量傳遞元件無自永磁體之通量密度偏移，因此當電流為零時，通量密度為零。第2A圖中之磁通量密度曲線205示出幾個區別特徵。曲線205在兩個軸上呈現關於原點對稱之正值及負值。正電流具有正通量密度，且負電流具有負通量密度。由於典型能量傳遞元件中之等效電流僅在一個方向上，因此圖中強調了電流正值之特徵。隨著電流I P自零增加，能量傳遞元件在準線性區B QL235中操作，直至電流達到與準線性區之上邊界225對應之最大值I MAX。準線性區235中之曲線205之斜率係為正的並且相對恆定。換言之，通量密度隨著電流增加以近乎恆定之比率增加。隨著電流增加超過I MAX，通量密度曲線205之斜率減小，對於大於與飽和通量密度B SAT215對應之飽和電流I SAT之電流，達到一較低之相對恆定值。在較高之通量密度值下運作可能會產生電流，此可損壞開關裝置及電源中之其他組件。當曲線205之斜率自其在電流小於I MAX之準線性區B QL235中之接近恆定的值變化至其在電流大於I SAT之情況下低得多之接近恆定的值時，存在斜率在二個接近恆定的值之間快速變化之區。I MAX與I SAT之間通量密度之斜率變化最迅速之電流被辨識為I KNEE，乃因其對應於通量密度曲線205中相對急劇之彎曲。
第2B圖係為曲線圖200B，其示出相對於橫軸上之功率繞組電流I P在縱軸上繪製之磁通量密度。與第2A圖之曲線圖相比，第2B圖之曲線圖之例示性能量傳遞元件具有自永磁體之通量密度偏移。
自永磁體偏移之通量密度使第2A圖之曲線205在橫軸上向右移位，如由第2B圖中之曲線255所示。縱軸上飽和通量密度B SAT215及準線性區B QL235之值保持不變，乃因其為芯之磁性材料之固有性質。通量密度偏移可改變通量密度與外部刺激之間的關係，但其不能改變磁性材料之固有性質。自永磁體（例如，可放置於第2A圖中所示組合件之間隙中之永磁體）之通量密度偏移在第2B圖中示出為當橫軸上之電流I P為零時在能量傳遞元件中產生一負通量密度245之B OFFSET。
通量密度偏移增加了到達準線性區B QL235之上邊界225、飽和值B SAT215以及曲線之斜率變化最迅速之通量密度所需之電流I P之值。換言之，第2A圖之電流I MAX、I SAT及I KNEE分別增加至第2B圖中之I MAXBIAS、I SATBIAS及I KNEEBIAS。因此，對於一給定最大電流，使用具有永磁體之一芯來提供通量密度偏移之能量傳遞元件可較無永磁體之能量傳遞元件存儲及傳遞更多的能量。本揭露描述將永磁體引入能量傳遞元件之磁路之材料及方法。
第3A圖及第3B圖例示在間隙中具有未磁化及磁化的磁性材料之能量傳遞元件之磁芯的構造之顯著特徵。第3A圖係為俯視圖300A，其示出磁化之前之環形磁芯310。環形磁芯310之磁路包含距離為d之一間隙。未磁化的磁性材料320置於間隙中。第3B圖係為俯視圖300B，其示出在磁化之後，磁性材料320將磁場B M引入可用於能量傳遞元件中之磁芯之磁路中。
第4A圖及第4B圖例示可包含在一電源中之第3A圖及第3B圖的芯之能量傳遞元件的構造之顯著特徵。第4A圖係為俯視圖400A，其示出磁化之前之環形磁芯410，環形磁芯410具有初級繞組415 1及次級繞組415 2。環形磁芯410之磁路包含距離為d之一間隙。B W指示等效功率繞組電流（例如，經由其對應繞組施加之每個電流I 1及I 2之總和）之磁通量密度。
第4B圖係為俯視圖400B，其示出在磁化之後，磁性材料420將永久磁場B M引入傳遞元件之磁路中。總磁通量密度為B W–B M之差。
第5圖例示用於磁化上述能量傳遞元件之磁化器之截面。能量傳遞元件被放置於螺線管磁化固定裝置（solenoid magnetizing fixture）內。螺線管磁化固定裝置500係為雙壁圓筒530，其將螺線管導體540（例如，線圈）夾置在壁之間。電流源520施加通過螺線管導體之一電流，以產生大小適於磁化永磁體材料之磁場。在一個實例中，永磁體材料可包含稀土磁性材料，例如釹鐵硼（NdFeB）、釤鈷（SmCo）等。對於NdFeB材料，磁場通常大於3特斯拉。
磁芯可由包含相對高磁導率材料及相對低磁導率材料之顆粒之均質混合物製作而成。當鑄造成所需的形狀時，結果會產生具有均勻分佈在其體積中之氣隙之一芯。具有此種組成之芯被稱為「粉末芯」，乃因混合物最初呈現粉末形式。由具有分佈間隙之粉末芯組裝之能量傳遞元件不需要額外的分立氣隙。儘管可以與具有高磁導率之型式相同的標準形狀及幾何形狀獲得粉末芯，但通常將該等部件鑄造成無分立間隙之環形線圈之形式。
粉末芯中之磁性材料通常具有相對低的剩餘通量密度，且因此其永磁性可忽略不計。為獲得與能量傳遞元件或過濾元件中之電感器中之dc通量密度偏移相關聯之益處，混合物可包含具有永磁體性質之稀土合金（例如，NdFeB或SmCo）粉末。
芯可照常用粉末中未磁化的顆粒鑄造。在形狀被鑄造之後，其可用經由穿過芯中之一孔之導體之電流磁化。由於永磁體不侷限於芯之一小部分，因此單獨將芯或組裝的能量傳遞元件浸入磁場中進行磁化是不夠的。
環形線圈例如需要在任何地方皆垂直於環形線圈的半徑之一方向上具有通量密度偏移。換言之，來自永磁體之磁通量密度必須與來自繞組中之電流之磁場平行。藉由使足夠的電流通過一繞組，芯可在其被組裝成能量傳遞元件後被磁化。作為另外一種選擇，藉由暫時建立通過環形線圈之孔之一高電流，芯可在其被組裝成能量傳遞元件之前被磁化。
芯之幾何形狀不必為具有圓形內圓周及外圓周之環形線圈。含有永磁體材料之粉末芯可為為一電流導體提供閉合磁路及孔之任何形狀。
出於例示目的，僅包含粉末芯之元件係劃有方形圖案，而包含可磁化磁性材料之元件係劃有菱形圖案。可磁化磁性材料可為含有黏結化合物（例如，環氧樹脂）之顆粒及磁性粉末的混合物，或者為更包含不可磁化的磁性粉末之粉末芯材料。
第6A圖及第6B圖例示具有未磁化的可磁化磁性材料之能量傳遞元件之一芯的構造之顯著特徵及一粉末芯之組成。第6A圖係為俯視圖600A，其示出由粉末芯製成之U形芯610。包含未磁化的可磁化磁性材料以及與U形芯610中相同的不可磁化材料之一棒605配置成橫跨U形芯之腿部。第6B圖係為俯視圖600B，其示出在組裝及磁化之後，磁性材料615處於U形磁芯之磁路中。在實踐中，磁通量密度並不完全侷限在芯之邊界內，且一些磁場將延伸超過由U形界定之邊界。
第7A圖及第7B圖例示具有分佈間隙之粉末芯之構造之顯著特徵，示出芯之包含被磁化的可磁化磁性材料之顆粒之一個部分，該一個部分與芯之不具有可磁化材料之另一部分組裝在一起。第7A圖係為俯視圖700A，其示出U形磁芯710及含有磁化磁性材料之粉末芯棒715。第7B圖係為俯視圖700B，其示出在組裝後，含有磁化磁性材料之粉末芯棒715橫亙U形磁芯之腿部。結構720示出由棒715及U形磁芯710形成之閉合磁路。由於來自永磁體之磁通量密度傾向於自棒之端部線性延伸，因此橫亙U形部分之腿部之構造對於將通量密度插入來自繞組之磁場的路徑中而言並非最佳的。替代構造在將來自棒部分的磁通量密度插入至U形部分中時可能更有效。
第8A圖及第8B圖例示具有分佈間隙之粉末芯之另一構造之顯著特徵，示出芯之包含被磁化的可磁化磁性材料之顆粒之一個部分，該一個部分與芯之不具有可磁化材料之另一部分組裝在一起。第8A圖係為俯視圖800A，其示出U形磁芯810及包含磁化磁性材料之一棒825。第8B圖示出俯視圖800B，其中含有磁化磁性材料之粉末芯棒825插入U形磁芯之腿部之間。結構835示出由棒825及U形磁芯810形成之閉合磁路。磁路在由U形界定之邊界內。
第9A圖及第9B圖例示具有分佈間隙之粉末芯之另一構造之顯著特徵，示出芯之包含被磁化的可磁化磁性材料之顆粒之一個部分，該一個部分與芯之不具有可磁化材料之另一部分組裝在一起。第9A圖係為俯視圖900A，其示出具有斜接角之U形粉末芯910及含有具有斜接端之磁化磁性材料之粉末芯棒925。第9B圖示出俯視圖900B，其中含有磁化磁性材料之粉末芯棒925插入至U形粉末芯910之腿部之間。結構935示出由棒925及U形磁芯910形成之閉合磁路。磁路在由U形界定之邊界內。
第10A圖及第10B圖例示具有分佈間隙之一粉末芯之構造之顯著特徵，示出芯之包含被磁化的可磁化磁性材料之顆粒並被組裝之多個部分。第10A圖示出芯之每一側為由包含可磁化粉末之粉末芯形成之磁性材料棒1045、1065、1060、1070。每一棒具有與一相鄰棒之端部的表面匹配的斜接端1045、1065、1060、1070。第10B圖係為俯視圖1000B，其示出一組裝的四側磁芯結構1075。結構1075示出由U形棒形成之閉合磁路。
第11圖例示用於在組裝第7A圖至第7B圖、第8A圖至第8B圖、第9A圖至第9B圖及第10A圖至第10B圖之芯之前磁化具有可磁化磁性材料之一棒之磁化器之截面。能量傳遞元件被放置於螺線管磁化固定裝置內部。螺線管磁化固定裝置1100係為雙壁圓筒1110，其將螺線管導體1115（例如，線圈）夾置在壁之間。電流源1120施加通過螺線管導體之電流，以產生大小適於磁化具有磁性材料之棒之磁場。
第12圖例示用於在組裝第9A圖至第9B圖之能量傳遞元件之後磁化具有可磁化磁性材料之一棒之磁化器之截面。組裝的能量傳遞元件被放置於螺線管磁化固定裝置內部。在第12圖之例子中，包含可磁化材料之棒被定向成使得在磁化之後，北極N向上，且南極S向下。螺線管磁化固定裝置1200係為雙壁圓筒1210，其將螺線管導體1215（例如，線圈）夾置在壁之間。電流源1220施加通過螺線管導體之電流，以產生大小適於磁化具有磁性材料之棒之磁場。
第13圖例示用於在組裝第6A圖至第6B圖之能量傳遞元件之後磁化包含可磁化磁性材料之一棒之磁化器之截面。組裝的能量傳遞元件被放置於螺線管磁化固定裝置內部。包含可磁化材料之棒被定向成使得在磁化之後，北極N向上，且南極S向下。螺線管磁化固定裝置1300係為雙壁圓筒1310，其將螺線管導體1315（例如，線圈）夾置在壁之間。電流源1320施加通過螺線管導體之電流，以產生大小適於磁化具有磁性材料之棒之磁場。
第14A圖及第14B圖例示可包含在電源中之先前技術例示性能量傳遞元件之構造之顯著特徵。第14A圖係為透視圖1400A，其示出上部芯件（例如，上半磁芯1405）組裝在下部芯件（例如，下半磁芯1415）上方。每個半磁芯具有由代表一或多個功率繞組之繞組1418包圍之中心柱1425。在一實際組件中，功率繞組之匝通常將被放置於一單獨的捲軸（spool）（有時被稱為線軸（bobbin）或線圈架（coil former））上，該捲軸將安裝在中心柱上方以便於組裝。第14A圖示出組裝的半芯之中心柱1425中之間隙1445。間隙之尺寸通常與功率繞組上之匝數一起選擇，以設定特定應用所需之電性參數。
第14B圖係為第14A圖之先前技術例示性能量傳遞元件之截面圖1400B，其中上半芯1405及下半芯1415具有二個功率繞組1418 1、1418 2。初級功率繞組1418 1由最靠近線軸的捲軸纏繞之較小圓圈表示。次級功率繞組1418 2由初級功率繞組上方纏繞在線軸1435上之大圓圈表示。
熟習此項技術者將理解，磁性組合件及磁性組合件之部件可用各種術語來描述，該等術語未必在技術上準確或精確。舉例而言，實際上任何一塊磁性材料皆可被稱為磁芯。除了繞組之外之多件磁性組件之一完整組合件通常亦可稱為磁芯。磁芯組合件通常包含二個芯件。在許多磁芯組合件中，例如在第14A圖之實例中，二個芯件可能近乎相同。因此，每一芯件通常可被稱為一芯構件或半芯。在實踐中，例如在第14A圖之組合件中之中心柱1425中之間隙可藉由自二個相同半芯其中僅一者之中心柱移除材料來形成。儘管形成間隙之芯件不再與未被移除任何材料之芯件相同，但每一芯件仍被稱為一半芯。該組合件還可被稱為一芯對（core pair）。在本揭露中，術語「半芯」可用於指一組合件中二個近乎相同的芯件（例如，1405及1415）其中之一，以將該組合件與包含明顯不相同的芯件之替代組合件區分開。舉例而言，具有二個E形芯件（例如，1405及1415）之一組合件可具有與使用一個E形芯件及一個I形芯件之一組合件相同的幾何特徵及磁性性質。EE組合件包含二個半芯，而EI組合件不包含，儘管每一組合件包含二個芯構件。應注意，在此項技術之實踐中，磁芯件、磁芯構件、磁芯元件、半磁芯及磁芯組合件其中之每一者可被稱為磁芯，此並不暗指芯之任何永磁體性質，而通常指具有相對高磁導率之芯材料。因此，第14圖之磁性能量傳遞元件可被描述為具有磁通路徑，該磁通路徑包含具有相對高磁導率芯材料之一區及具有低磁導率（其將接近自由空間之磁導率）之一間隙區。
第15A圖及第15B圖例示在間隙中具有未磁化的磁性材料之能量傳遞元件之構造之顯著特徵。間隙位於一任選的中心柱內。第15A圖係為透視圖1500A，其示出上芯件（例如，上半磁芯1505）組裝在下芯件（例如，下半磁芯1515）上方。組合起來，半磁芯形成由代表一或多個功率繞組之繞組1518包圍之中心柱1525。在一實際組件中，功率繞組之匝通常將被放置於一單獨的捲軸（有時被稱為線軸或線圈架）上，該捲軸將安裝在中心柱上方以便於組裝。第15A圖示出組裝的半芯之中心柱中之未磁化磁性材料。間隙之尺寸通常與功率繞組上之匝數一起選擇，以設定特定應用所需之電性參數。
第15B圖係為使用第15A圖之構造之一例示性能量傳遞元件之截面圖1500B，其中上半芯1505及下半芯1515具有二個功率繞組。最靠近線軸的捲軸纏繞之較小圓圈代表初級功率繞組。大圓圈代表纏繞在線軸的捲軸上之初級繞組上方之次級功率繞組。未磁化的磁性材料1545填充上半芯1505及下半芯1515之間的間隙之區。
可存在一任選的清漆塗層（未示出）來密封組合件。
組裝的能量傳遞元件1500A、1500B可經受一外部磁場，以永久磁化間隙中之可磁化材料1545。
可磁化材料可為含有可磁化粉末以及懸浮介質的懸浮混合物，該懸浮介質可為黏著劑或環氧樹脂或為未磁化的磁體。
第16圖例示組裝分別在第15A圖及第15B圖中所示之能量傳遞元件1500A、1500B之流程圖1600。
在步驟1602中，製備在磁路中具有所間隙之芯。
在步驟1604中，製備具有繞組之線軸。
在步驟1606中，將未磁化的材料施加至一組芯（a set of cores）之間的間隙。
在步驟1608中，將帶有繞組之線軸安裝至芯。
步驟1606及1608之順序可互換。
在步驟1610中，組裝能量傳遞元件。
在步驟1612中，對芯進行固定。
在步驟1614中，將能量傳遞組合件磁化。
第17A圖至第17F圖例示在二個半芯之間的間隙中具有未磁化的磁性材料之能量傳遞元件1700之構造之顯著特徵，其中根據本發明之教示內容，第17F圖中之成品組合件準備好進行磁化。
第17A圖例示具有間隙之一組芯之截面。
第17B圖例示具有繞組之線軸之截面。初級功率繞組由最靠近線軸之捲軸纏繞之較小圓圈表示。次級功率繞組由遠離線軸之捲軸纏繞之大圓圈表示。
第17C圖表示一容器中未磁化的磁性顆粒與未固化的黏著劑之混合物。該混合物具有電性相對高阻抗及黏性之材料性質。最初，混合物處於液相中，且在黏結或固化製程後，混合物變為固相。液相具有黏度，使得混合物保持未磁化顆粒之一均勻分佈。固相可為剛性固體。
該混合物被配置成潤濕未磁化顆粒之表面。該混合物具有足以使顆粒保持懸浮的黏性及內聚性，並在組裝、固化及磁化製程期間保持實質上彼此電性絕緣，使得該混合物具有比在與懸浮介質混合之前單獨的未磁化顆粒顯著更高之電阻抗。合適的懸浮介質係為環氧樹脂或類似材料。
未磁化的材料由在被磁化時能夠具有永久磁性之顆粒組成。該等材料包含稀土材料，例如釹鐵硼（NdFeB）系材料及釤鈷（SmCo）系材料。
組合起來，未磁化顆粒對懸浮介質之體積比通常大於1。
第17D圖示出混合物施加至間隙區域。
第17E圖示出具有繞組之線軸安裝至芯。
第17F圖例示組裝及固化之能量傳遞元件。完成的元件準備好進行磁化。混合物已藉由組裝力形成，以填充間隙區，並且可視情況自間隙擠出，以將線軸固定至柱上。
第18圖例示組裝第17A圖至第17F圖所示能量傳遞元件1700之流程圖1800。
在步驟1802中，製備在磁路中具有所需間隙之芯。
在步驟1804中，製備具有繞組之線軸。
在步驟1806中，製備磁性顆粒與懸浮介質（例如，黏著劑或環氧樹脂）之混合物。此步驟可發生在步驟1808之前之任何時間點。
在步驟1808中，將混合物施加至一組芯之間的間隙。
在步驟1810中，將帶有繞組之線軸安裝至芯。
步驟1808及1810之順序可互換。
在步驟1812中，組裝能量傳遞元件。
在步驟1814中，使黏著劑固化。固化可藉由幾種技術來達成。在一種技術中，將溫度升高至高於環氧樹脂之固化溫度。在另一技術中，將壓力升高至高於與固化材料相關聯之一固化壓力。在另一技術中，藉由以與固化材料相關聯之波長進行之輻射來固化環氧樹脂。對於每種固化技術，保持固化操作參數，以使環氧樹脂有時間固化。
在步驟1816中，將能量傳遞組合件磁化。
第19A圖至第19F圖例示具有未磁化的磁性材料之一能量傳遞元件1900之構造之顯著特徵，其中厚度小於二個半芯之間的間隙。
第19A圖例示一組具有距離為d之間隙之芯。
第19B圖例示具有繞組之線軸。初級功率繞組由最靠近線軸之捲軸纏繞之較小圓圈表示。次級功率繞組由遠離線軸之捲軸纏繞之大圓圈表示。
第19C圖係為高度小於或等於距離d之未磁化的磁性材料之固體塊。
該等材料包含稀土材料，例如釹鐵硼（NdFeB）系材料及釤鈷（SmCo）系材料。
第19D圖示出未磁化的磁性材料固定在間隙區域中。
第19E圖示出具有繞組之線軸安裝至芯。
第19F圖例示與未磁化的磁性材料之固體塊組裝在一起之能量傳遞元件。
第20圖例示組裝第19A圖至第19F圖所示能量傳遞元件1900之流程圖2000。
在步驟2002中，製備在磁路中具有距離為d之所需間隙之芯。
在步驟2004中，製備具有繞組之線軸。
在步驟2006中，將厚度為h（其中h≤d）之未磁化的磁性材料放置於一組芯之間的間隙中。
在步驟2008中，將未磁化的磁性材料固定在該組芯之間的間隙中。
在步驟2010中，將帶有繞組之線軸安裝至芯。
步驟2008及2010之順序可互換。
在步驟2012中，組裝能量傳遞元件。
在步驟2014中，將能量傳遞組合件磁化。
第21A圖至第21F圖例示在間隙中具有未磁化的磁性材料之能量傳遞元件2100之構造之顯著特徵，該間隙中未磁化的磁性材料之厚度大於二個半芯之間的距離。
第21A圖例示具有距離為d之間隙之一組芯。
第21B圖例示具有繞組之線軸。初級功率繞組由最靠近線軸之捲軸纏繞之較小圓圈表示。次級功率繞組由遠離線軸之捲軸纏繞之大圓圈表示。
第21C圖係為高度h大於距離d之未磁化的磁性材料之固體塊。
該等材料包含稀土材料，例如釹鐵硼（NdFeB）系材料及釤鈷（SmCo）系材料。
第21D圖示出未磁化的磁性材料固定在間隙區域中。移除一些磁性材料，使得h≤d。若材料足夠硬，則可將其研磨至正確厚度。
第21E圖示出具有繞組之線軸安裝至芯。
第21F圖例示經組裝並準備好進行磁化之能量傳遞元件。
第22圖例示組裝第21A圖至第21F圖所示能量傳遞元件2100之流程圖2200。
在步驟2202中，製備在磁路中具有距離為d之所需間隙之芯。
在步驟2204中，製備具有繞組之線軸。
在步驟2206中，將厚度為h（其中h＞d）之未磁化的磁性材料放置於一組芯之間的間隙中。
在步驟2208中，自未磁化的磁性材料移除材料，使得h≤d。
在步驟2210中，將帶有繞組之線軸安裝至芯。
在步驟2212中，組裝能量傳遞元件。
在步驟2214中，將能量傳遞組合件磁化。
第23A圖至第23F圖例示在二個半芯之間的間隙中具有可變形之未磁化的磁性材料之能量傳遞元件2300之構造之顯著特徵。
第23A圖例示具有距離為d之間隙之一組芯。
第23B圖例示具有繞組之線軸。初級功率繞組由最靠近線軸之捲軸纏繞之較小圓圈表示。次級功率繞組由遠離線軸之捲軸纏繞之大圓圈表示。
第23C圖係為高度h大於距離d之未磁化的磁性材料之可變形固體塊。該材料可為未磁化的磁性粉末與未固化的黏著劑的混合物。該混合物具有比單獨的未磁化的磁性粉末及黏著劑顯著更高的電阻抗之材料性質。最初，混合物處於順應相（compliant phase）中，例如允許在壓力下變形，並且在固化之後，混合物變為固相。順應相具有一黏度，使得混合物保持未磁化的粉末之一均勻分佈。固相可為在一定溫度範圍內為非剛性之一剛性固體，例如玻璃。當順應相為非剛性固體時，其可因應於彈性或非彈性之組裝力而變形。
第23D圖示出未磁化的磁性材料固定在間隙區域中。
第23E圖示出具有繞組之線軸安裝至芯。
第23F圖例示經組裝並準備好進行磁化之能量傳遞元件。
第24圖例示組裝第23A圖至第23F圖所示能量傳遞元件之流程圖2400。
在步驟2402中，製備在磁路中具有距離為d之所需間隙之芯。
在步驟2404中，製備具有繞組之線軸。
在步驟2406中，將厚度為h（其中h＞d）之可變形之未磁化的磁性材料固定在一組芯之間的間隙中。
在步驟2408中，將帶有繞組之線軸安裝至芯。
步驟2406及2408之順序可互換。
在步驟2410中，組裝能量傳遞元件。
在步驟2412中，將能量傳遞組合件磁化。
第25圖例示用於磁化上述能量傳遞元件之磁化器2500之截面。能量傳遞元件被放置於螺線管磁化固定裝置2500內。螺線管磁化固定裝置2500係為雙壁圓筒2510，其將螺線管導體2515（例如，線圈）夾置在壁之間。電流源2520施加通過螺線管導體之電流，以產生大小適於磁化永磁體材料之磁場。對於NdFeB材料，磁場通常大於3特斯拉。
本發明之所示實例之以上說明（包含在摘要中描述之內容）並不旨在為窮舉性的或限制於所揭露之精確形式。儘管在本文中出於例示目的描述了本發明之具體實施態樣及實例，但在不背離本發明之更廣泛之精神及範圍之情況下，可作出各種等效修改。實際上，應理解，提供具體的例示性電壓、電流、頻率、功率範圍值、時間或類似參數是出於闡釋目的，並且根據本發明之教示內容，在其他實施態樣及實例中亦可採用其他值。
實例1：一種能量傳遞元件，藉由包含以下步驟之方法製備：提供在磁路中具有一間隙之磁芯；將可磁化材料置於該間隙中，且該可磁化材料産生初始通量密度，其中該可磁化材料包含懸浮介質與可磁化顆粒之混合物，該懸浮介質包含未固化的環氧樹脂；固化該懸浮介質；以及將一或多個功率繞組纏繞在該磁路周圍，其中當該可磁化材料被磁化時，由該被磁化的材料産生之通量密度偏離該初始通量密度。
實例2：如實例1所述之能量傳遞元件，該芯包含二個芯件。
實例3：如實例1所述之能量傳遞元件，該懸浮介質包含固化化合物，該固化化合物在固化製程之前具有液相，並且在該固化製程之後具有固相。
實例4：如實例3所述之能量傳遞元件，其中該懸浮介質將該等可磁化顆粒保持在懸浮狀態，並且該等可磁化顆粒之顆粒在該固化製程之前保持彼此電性絕緣。
實例5：如實例4所述之能量傳遞元件，該固化製程將該懸浮介質之溫度升高至高於該懸浮介質之固化溫度，或者將該懸浮介質之壓力升高至高於與該懸浮介質相關聯之固化壓力。
實例6：如實例4所述之能量傳遞元件，該液相具有使得該懸浮介質保持該等可磁化顆粒之均勻分佈之黏度。
實例7：如實例4所述之能量傳遞元件，其中該固相係為剛性固體。
實例8：如實例4所述之能量傳遞元件，其中該固相係為因應於組裝力而變形之非剛性固體。
實例9：如實例1所述之能量傳遞元件，該等可磁化顆粒包含當被磁化時能夠具有永久磁性之材料。
實例10：如實例9所述之能量傳遞元件，其中該材料係為稀土材料。
實例11：如實例9所述之能量傳遞元件，其中該稀土材料選自包含釹鐵硼（NdFeB）系材料或釤鈷（SmCo）系材料之群組。
實例12：如實例1所述之能量傳遞元件，該懸浮介質更包含磁導率至少為1000µ o之磁性材料之顆粒，其中磁導率至少為1000µ o之該等磁性材料之顆粒與該等可磁化顆粒之顆粒均勻分佈在該懸浮介質中。
實例13：如實例12所述之能量傳遞元件，該懸浮介質包含固化化合物，該固化化合物在固化製程之前具有液相，並且在該固化製程之後具有固相。
實例14：如實例13所述之能量傳遞元件，其中該懸浮介質在該固化製程之前將磁導率至少為1000µ之磁性材料之顆粒及該等可磁化材料之顆粒保持在懸浮狀態並且彼此電性絕緣。
實例15：如實例13所述之能量傳遞元件，該固化製程包含將該懸浮介質之該溫度升高至高於該懸浮介質之固化溫度，或者將該懸浮介質之該壓力升高至高於與該懸浮介質相關聯之固化壓力。
實例16：如實例13所述之能量傳遞元件，其中該液相具有一黏度，使得該懸浮介質保持磁導率至少為1000µ之該磁性材料及該等可磁化材料之顆粒之均勻分佈。
實例17：如實例13所述之能量傳遞元件，其中該固相係為剛性固體。
實例18：如實例13所述之能量傳遞元件，該固相係為因應於組裝力而變形之非剛性固體。
實例19：如實例12所述之能量傳遞元件，該等可磁化材料之顆粒包含當被磁化時能夠保持永久磁體性質之材料。
實例20：如實例19所述之能量傳遞元件，其中該材料係為稀土材料。
實例21：如實例20所述之能量傳遞元件，其中該稀土材料選自包含釹鐵硼（NdFeB）系材料或釤鈷（SmCo）系材料之群組。
100A、100B、300A、300B、400A、400B、600A、600B、700A、700B、800A、800B、900A、900B、1000B:俯視圖 110:環形磁芯 115 1:初級繞組／繞組 115 2:次級繞組／繞組 200A、200B:曲線圖 205、255:曲線 215:飽和通量密度B SAT／飽和值B SAT225:上邊界 235:準線性區 245:負通量密度 310:環形磁芯 320:磁性材料 410:環形磁芯 420:磁性材料 415 1:初級繞組 415 2:次級繞組 500、1100、1200、1300:螺線管磁化固定裝置 520、1120、1220、1320、2520:電流源 530、1110、1210、1310、2510:雙壁圓筒 540、1115、1215、1315、2515: 螺線管導體 605:棒 610:U形芯 615:磁性材料 710、810:U形磁芯 715、825、925: 棒 720、835、935:結構 910:U形粉末芯／U形磁芯 1045、1060、1065、1070:磁性材料棒／斜接端 1075:結構 1400A:透視圖 1400B:截面圖 1405:上半芯／上半磁芯／E形芯件／芯件 1415:下半芯／下半磁芯／E形芯件／芯件 1418:繞組 1418 1:功率繞組／初級功率繞組 1418 2:功率繞組／次級功率繞組 1425:中心柱 1445:間隙 1500A:能量傳遞元件／透視圖 1500B:能量傳遞元件／截面圖 1505:上半芯／上半磁芯 1515:下半芯／下半磁芯 1518:繞組 1525:中心柱 1545:可磁化材料／磁性材料 1600、1800、2000、2200、2400:流程圖 1602、1604、1606、1608、1610、1612、1614、1802、1804、1806、1808、1810、1812、1814、1816、2002、2004、2006、2008、2010、2012、2014、2102、2104、2106、2108、2110、2112、2114、2402、2404、2406、2408、2410、2412:步驟 1700、1900、2100、2300:能量傳遞元件 2500:磁化器／螺線管磁化固定裝置 B M:磁通量密度／永久磁場／磁場 B W:磁通量密度／通量密度 B SAT:飽和通量密度／飽和值 d:距離 h:厚度／高度 I 1、I 2、I KNEE、I KNEEBIAS、I MAXBIAS、I SATBIAS:電流 I MAX:最大值／電流 I P:功率繞組電流／電流 I SAT:飽和電流／電流 N:北極 S:南極
參照以下附圖描述本發明之非限制性及非窮盡性實施態樣，其中除非另有說明，否則在各個視圖中相同的參考編號指代相同的部件。
第1A圖及第1B圖例示可包含在電源中之先前技術例示性能量傳遞元件之構造之顯著特徵。
第2A圖及第2B圖以曲線圖例示能量傳遞元件中之磁通量密度與該能量傳遞元件之功率繞組中之電流之間的關係。
第3A圖及第3B圖例示在間隙中具有未磁化及磁化的磁性材料之能量傳遞元件之芯之顯著特徵。
第4A圖及第4B圖例示可包含在電源中之第3A圖及第3B圖的芯上之能量傳遞元件的構造之顯著特徵。
第5圖例示用於磁化上述能量傳遞元件之磁化器之截面。
第6A圖及第6B圖例示具有分佈間隙之粉末芯之構造之顯著特徵，示出芯之包含在組裝後磁化之可磁化磁性材料之一個區段。
第7A圖及第7B圖例示具有分佈間隙之粉末芯之構造之顯著特徵，示出芯之包含被磁化的可磁化磁性材料之顆粒之一個部分，該一個部分與芯之不具有可磁化材料之另一部分組裝在一起。
第8A圖及第8B圖例示具有分佈間隙之粉末芯之另一構造之顯著特徵，示出芯之包含被磁化的可磁化磁性材料之顆粒之一個部分，該一個部分與芯之不具有可磁化材料之另一部分組裝在一起。
第9A圖及第9B圖例示具有分佈間隙之粉末芯之另一構造之顯著特徵，示出芯之包含被磁化的可磁化磁性材料之顆粒之一個部分，該一個部分與芯之不具有可磁化材料之另一部分組裝在一起。
第10A圖及第10B圖例示具有分佈間隙之粉末芯之構造之顯著特徵，示出芯之包含被磁化的可磁化磁性材料之顆粒並被組裝之多個部分。
第11圖例示用於在組裝第7A圖至第7B圖、第8A圖至第8B圖、第9A圖至第9B圖及第10A圖至第10B圖之粉末芯之前磁化包含可磁化磁性材料之一棒之磁化器之截面。
第12圖例示用於在組裝呈第9B圖之幾何形狀之粉末芯之後磁化包含可磁化磁性材料之一棒之磁化器之截面。
第13圖例示用於在組裝第6A圖至第6B圖所示之粉末芯之後磁化包含可磁化磁性材料之一棒之磁化器之截面。
第14A圖及第14B圖例示可包含在電源中之先前技術例示性能量傳遞元件之構造之顯著特徵。
第15A圖及第15B圖例示在間隙中具有未磁化的磁性材料之能量傳遞元件之構造之顯著特徵。
第16圖例示組裝分別在第15A圖及第15B圖中所示之能量傳遞元件1500A、1500B之流程圖1600。
第17A圖至第17F圖例示在間隙中具有未磁化的磁性材料之能量傳遞元件之構造之顯著特徵。
第18圖例示組裝第17A圖至第17F圖所示能量傳遞元件之流程圖1800。
第19A圖至第19F圖例示具有未磁化的磁性材料之能量傳遞元件之構造之顯著特徵，其中磁性材料之厚度小於或等於間隙。
第20圖例示組裝第19A圖至第19F圖所示能量傳遞元件之流程圖2000。
第21A圖至第21F圖例示在間隙中具有未磁化的磁性材料之能量傳遞元件之構造之顯著特徵，該未磁化的磁性材料之厚度大於間隙。
第22圖例示組裝第21A圖至第21F圖所示能量傳遞元件之流程圖2200。
第23A圖至第23F圖例示在間隙中具有可變形之未磁化的磁性材料之能量傳遞元件之構造之顯著特徵。
第24圖例示組裝第23A圖至第23F圖所示能量傳遞元件之流程圖2400。
第25圖例示用於磁化上述能量傳遞元件之磁化器2500之截面。
在附圖之幾個視圖中，對應的參考字元指示對應的組件。熟習此項技術者將理解，附圖中之元件係為簡單及清楚而例示，並且未必按比例繪製。舉例而言，圖中一些元件之尺寸可能相對於其他元件被誇大，以幫助提高對本發明各種實施態樣之理解。此外，在商業上可行之實施態樣中有用或必要之常見但眾所習知之元件常常未予以繪示，以便於較少妨礙對本發明之各種實施態樣之觀察。
400A:俯視圖
410:環形磁芯
4151:初級繞組
4152:次級繞組
BW:磁通量密度/通量密度
d:距離
I1、I2:電流

Claims (21)

  1. 一種能量傳遞元件，藉由包含以下步驟之方法製備： 提供在磁路中具有一間隙之磁芯； 將可磁化材料置於該間隙中，且該可磁化材料產生初始通量密度，其中該可磁化材料包含懸浮介質與可磁化顆粒之混合物，該懸浮介質包含未固化的環氧樹脂； 固化該懸浮介質；以及 將一或多個功率繞組纏繞在該磁路周圍， 其中當該可磁化材料被磁化時，由該被磁化的材料産生之通量密度偏離該初始通量密度。
  2. 如請求項1所述之能量傳遞元件，該芯包含二個芯件。
  3. 如請求項1所述之能量傳遞元件，該懸浮介質包含固化化合物，該固化化合物在固化製程之前具有液相，並且在該固化製程之後具有固相。
  4. 如請求項3所述之能量傳遞元件，其中該懸浮介質將該等可磁化顆粒保持在懸浮狀態，並且該等可磁化顆粒之顆粒在該固化製程之前保持彼此電性絕緣。
  5. 如請求項4所述之能量傳遞元件，該固化製程將該懸浮介質之溫度升高至高於該懸浮介質之固化溫度，或者將該懸浮介質之壓力升高至高於與該懸浮介質相關聯之固化壓力。
  6. 如請求項4所述之能量傳遞元件，該液相具有使得該懸浮介質保持該等可磁化顆粒之均勻分佈之黏度。
  7. 如請求項4所述之能量傳遞元件，其中該固相係為剛性固體。
  8. 如請求項4所述之能量傳遞元件，其中該固相係為因應於組裝力（assembling force）而變形之非剛性固體。
  9. 如請求項1所述之能量傳遞元件，該等可磁化顆粒包含當被磁化時能夠具有永久磁性之材料。
  10. 如請求項9所述之能量傳遞元件，其中該材料係為稀土材料。
  11. 如請求項9所述之能量傳遞元件，其中該稀土材料選自包含釹鐵硼（NdFeB）系材料或釤鈷（SmCo）系材料之群組。
  12. 如請求項1所述之能量傳遞元件，該懸浮介質更包含磁導率至少為1000µ o之磁性材料之顆粒，其中磁導率至少為1000µ o之該等磁性材料之顆粒與該等可磁化顆粒之顆粒均勻分佈在該懸浮介質中。
  13. 如請求項12所述之能量傳遞元件，該懸浮介質包含固化化合物，該固化化合物在固化製程之前具有液相，並且在該固化製程之後具有固相。
  14. 如請求項13所述之能量傳遞元件，其中該懸浮介質在該固化製程之前將磁導率至少為1000µ之磁性材料之顆粒及該等可磁化材料之顆粒保持在懸浮狀態並且彼此電性絕緣。
  15. 如請求項13所述之能量傳遞元件，該固化製程包含將該懸浮介質之溫度升高至高於該懸浮介質之固化溫度，或者將該懸浮介質之壓力升高至高於與該懸浮介質相關聯之固化壓力。
  16. 如請求項13所述之能量傳遞元件，其中該液相具有一黏度，使得該懸浮介質保持磁導率至少為1000µ之該磁性材料及該等可磁化材料之顆粒之均勻分佈。
  17. 如請求項13所述之能量傳遞元件，其中該固相係為剛性固體。
  18. 如請求項13所述之能量傳遞元件，該固相係為因應於組裝力而變形之非剛性固體。
  19. 如請求項12所述之能量傳遞元件，該等可磁化材料之顆粒包含當被磁化時能夠保持永久磁體性質之材料。
  20. 如請求項19所述之能量傳遞元件，其中該材料為稀土材料。
  21. 如請求項20所述之能量傳遞元件，其中該稀土材料選自包含釹鐵硼（NdFeB）系材料或釤鈷（SmCo）系材料之群組。
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