TWI389145B - Magnetic wire, its application, and magnetic wire and enameled wire production methods - Google Patents

Description

導磁線、其應用、及導磁線與漆包線之製作方法

本發明係一種導磁線，尤其是一種利用磁性材料對於導線本身磁力線產生干擾或引導效應以克服近接效應與集膚效應，以降低高頻交流電阻並節省能量損耗的導磁線。

一般常用的線圈及變壓器等裝置，主要利用電磁感應的原理來達到控制電感或轉換電壓的目的，然而能量在每一次的電能與磁能轉換中都會出現損耗，尤其是在高頻的工作環境下，能量損耗的現象更為明顯。這種高頻下的能量損耗主要來自「渦流損(eddy current loss)」，包含由鐵芯造成的「鐵損」以及來自於漆包線的「銅損」。渦電流的成因源於在交流電下通過導體的磁束發生變化，產生用以抵抗磁場變化之感應電流，該電流在導體內呈反向流動造成導體阻抗提高，當電流頻率增加時此現象更為明顯。

鐵芯的損耗一般可藉由其材料與構造的設計來改善，利用導磁性(relative permeability)較大，亦即具有較低磁阻的材料，即可降低渦電流的影響。另外，將鐵芯採用相互絕緣的薄矽鋼片堆疊而成，當矽鋼片的厚度越薄，渦電流亦越小。而添加矽元素於鐵芯中，也可有效降低鐵芯導電性，減少渦電流造成的損耗。

漆包線的損耗除了銅線本身的電阻損失外，主要來自於高頻下的集膚效應(skin effect)與近接效應(proximity effect)。集膚效應是導線在高頻時受到自身渦電流影響，致使電流流動範圍只集中於導體邊緣部分，造成導線交流電阻增加。近接效應則是當相鄰的導體載有高頻交變電流時，每一導線除了自身電流所產生的磁場外，同時受到其他導線所產生的磁場之交互作用，引發鄰近導線產生渦電流，導致導線損失大幅增加，影響其能量轉換效率，因此目前的相關產業無不致力於開發具有更低損耗、更能有效轉換工作能量的產品。

為了降低導線的電阻損失，一般可選用高純度銅材或是增加銅導線線徑，此外，使用鍍銀線或純銀線等低電阻材料，也可達到降低電阻的目的，然而這些作法都會造成材料成本的大幅增加。由於交流電阻大幅增加的主因來自於渦電流，若能有效限制引發渦電流的電磁效應，即可達到降低交流阻抗之目的。目前技術主要利用絞合導線間感應電動勢相互抵消來抑制渦電流產生，達到降低交流電阻及減低線圈溫升現象目的。絞合漆包線由多股相互絕緣的細線組成，製程複雜、價格較貴，且使用不慎容易發生部分導線折斷或是末端焊接不良現象，往往因而造成損耗增加。將磁性材料應用於漆包線的概念於2000年在現已失效的中國公開第CN1242582A號專利案中曾被提及，該發明利用在漆包線用絕緣漆與浸漬漆中摻入50%以上磁性粉末，來提升繞製成線圈後的磁感應強度並減少磁漏，以減少鐵芯用量或取代鐵芯。但該專利並非利用磁性材料來抑制漆包線渦電流，亦無降低漆包線交流電阻之作用。

日本東京特殊電線公司2002年提出日本公開第2002-231060號專利案，將50%的鐵粉、鎳粉、鐵鎳合金等材料加入絕緣塗料中製成漆包線，使大量金屬粉末在導線外圍形成遮蔽層，利用遮蔽效應來提升高頻線圈之Q特性。然而，此專利使用之金屬粉末雖具有高磁化率，但同時具高導電性不適用於絕緣塗料，加上金屬比重大，添加於絕緣塗料中相當容易沉澱分層，無法應用於長時間量產作業，也無法維持漆包線應有之電氣特性。

美國公開第2006/0165983號專利案利用磁阻(magnetoresistant)材料製成的磁阻漆包線，為了維持漆包線原有特性，磁阻材料添加量僅為相對於塗料固含量之0.3-30%。其漆包線產品應用於一般馬達線圈，雖可降低馬達運轉時的功率損失以及減少溫升效果，但漆包線電阻卻僅下降0.07%，加上難以克服磁阻材料在絕緣塗料的分散性與後續關鍵製程技術，其磁阻材料添加量無法突破30%。

本發明人有鑑於既有磁阻漆包線無法在維持漆包線原有特性的情況下，將磁阻材料的含量提高，所以無法讓電阻明顯下降，並克服渦電流的產生，因此無法克服近接效應與集膚效應，故經過長期的研究以及不斷的試驗之後，終於發明出此導磁線。

本發明之目的係在於提供一種利用磁性材料對於導線本身磁力線產生干擾或引導效應以克服近接效應與集膚效應，以降低高頻交流電阻並節省能量損耗的導磁線。

為達上述目的，本發明之導磁線，其係包括一導線本體以及包覆於該導線本體外側且彼此交錯設置之至少一磁性塗料層和至少一絕緣塗料層，該磁性塗料層中的磁性材料為非導電性。

較佳的是，各磁性塗料層包含絕緣塗料以及相對於該絕緣塗料之固含量為30~50wt%的磁性材料。

較佳的是，各磁性塗料層係由經界面活性劑進行表面改質後之磁性材料與絕緣塗料均勻混煉所形成者。

較佳的是，該界面活性劑為有機矽烷或油酸。

較佳的是，該磁性材料包含鐵磁性材料(Ferromagnetism)與亞鐵磁性材料(Ferrimagnetism)兩種，主要代表材料包括，但不限制在：γ-Fe₂ O₃ 、Fe₃ O₄ 、鎳鋅系、錳鋅系、鎂鋅系、鋇系及鍶系等鐵氧磁體(ferrite)等，且該磁性材料的平均粒徑不大於3μm。

較佳的是，該絕緣塗料層係由以下物質所組成之群組所組成的：聚酯樹脂、聚亞胺酯樹脂、聚胺酯樹脂、聚醯胺亞胺酯樹脂以及聚酯亞胺樹脂。

較佳的是，該導線本體可包括，但不限制在：圓型裸銅線、扁型裸銅線、銅包鋁線、鋁線、鍍錫銅線、及其它合金金屬線、一般的漆包線、多層絕緣線等。

本發明又關於一種高頻電感，其係包含如上所述之導磁線，且所述之高頻為10k至500k赫茲(Hz)。

較佳的是，所述之高頻為50k至200k Hz。

本發明也關於一種高頻變壓器，其係包含如上所述之導磁線，且所述之高頻為10k至500k赫茲(Hz)。

較佳的是，所述之高頻為50k至200k Hz。

本發明尚關於一種高頻電子線圈，其係包含如上所述之導磁線，且所述之高頻為10k至500k赫茲(Hz)。

較佳的是，所述之高頻為50k至200k Hz。

本發明還關於一種電源供應器，其係包含如上所述之導磁線。

本發明又關於一種導磁線的製作方法，其係包括：提供一導體；以及於該導體表面以快速多回高溫瞬間烘乾之方式塗佈添加至少一磁性塗料層和至少一絕緣塗料層，各磁性塗料層包含絕緣塗料以及相對於該絕緣塗料之固含量為30~50wt%的磁性材料。

本發明還關於一種漆包線的製作方法，其係讓以上所述之導磁線通過磁化設備，將磁性塗料層中磁性材料磁化，以提升高頻下漆包線交流電阻之降低效果。

本發明係將磁性材料加入絕緣塗料中而形成磁性塗料，且與不具磁性之絕緣塗料交錯包覆於導線本體的外側，故能藉由磁性材料的作用引導或抵消導線本體通電後產生的磁場干擾，有效抑制導線渦電流形成，達到降低交流電阻目的。

本發明旨在開發一種能普遍應用於各式高頻電子產品，且具有降低高頻交流電阻效果之新穎型態的導磁線(漆包線)，該導磁線是將磁性材料加入絕緣塗料中，再包覆於導線本體外層，藉由磁性材料的作用引導或抵消導線本體通電後產生的磁場干擾，有效抑制導線渦電流形成，達到降低交流電阻目的。為了提高絕緣塗料中磁性材料添加量，漆包線乃經由快速多回高溫瞬間烘乾的作業方式塗佈磁性塗料，而為了再提升高頻下導磁線交流電阻之降低效果，更可於導磁線製作過程中，讓導磁線通過磁化設備，將磁性塗料層中的磁性材料磁化，增強磁性材料對導線磁場的引導或抵消效果。

由於導線本體受到電磁效應而引發的渦電流在越高工作頻率下越明顯，因此一般導線交流電阻會隨頻率升高而增加，但採用本發明漆包線後，在10k-500kHz頻率下，對於線圈的交流電阻將有明顯抑制效果，尤其適合應用於工作頻率在50k-200kHz之間的電源供應器、變壓器、電感、以及各式高頻電子線圈。

本發明所添加的磁性材料並非藉由遮蔽效應來降低外界磁場對導線的電磁干擾，而是利用磁性材料對於導線自身磁力線產生干擾或引導效應來克服近接效應與集膚效應，進而達到降低高頻交流電阻以及節省能量損耗之目的。

因此本發明之導磁線係包括一導線本體以及包覆於該導線本體外側且彼此交錯設置之至少一磁性塗料層和至少一絕緣塗料層，該磁性塗料層中的磁性材料為非導電性，且該磁性塗料層中的磁性材料之含量為相對於絕緣塗料固含量之30-50%為佳，為使磁性材料能與絕緣塗料均勻混合，磁性材料可先以有機矽烷或油酸等作為界面活性劑，進行表面改質後再與絕緣塗料進行混煉，形成磁性塗料後應用。為確保塗料絕緣特性，選用之磁性材料必須不具導電性，主要為鐵磁性(Ferromagnetism)或亞鐵磁性(Ferrimagnetism)兩類，包含γ-Fe₂ O₃ 、Fe₃ O₄ 、鎳鋅系、錳鋅系、鎂鋅系、鋇系及鍶系等鐵氧磁體(ferrite)等，可單獨使用或多種混和後再加入絕緣塗料；為求製成漆包線後表面光滑無粗粒，所選用之磁性材料平均粒徑係不超過3μm。

請參看第一圖所示，其係本發明之第一態樣，於本態樣中，該導磁線係包括一銅製的導線本體(10)、包覆於該導線本體(10)外側的一層絕緣塗料層(11)以及包覆於該絕緣塗料層(11)外側的一層磁性塗料層(12)。故在本態樣中，該導磁線包括一絕緣塗料層(11)以及一磁性塗料層(12)。

請參看第二圖所示，其係本發明之第二態樣，於本態樣中，該導磁線係包括一銅製的導線本體(20)、包覆於該導線本體(20)外側的一層磁性塗料層(21)以及包覆於該磁性塗料層(21)外側的一層絕緣塗料層(22)。故在本態樣中，該導磁線包括一磁性塗料層(21)以及一絕緣塗料層(22)。

請參看第三圖所示，其係本發明之第三態樣，於本態樣中，該導磁線係包括一銅製的導線本體(30)、包覆於該導線本體(30)外側的一層第一絕緣塗料層(31)、包覆於該第一絕緣塗料層(31)外側的一層磁性塗料層(32)以及包覆於該磁性塗料層(32)外側的一層第二絕緣塗層(33)。故在本態樣中，該導磁線包括二絕緣塗料層(31)(33)以及一磁性塗料層(32)。

請參看第四圖所示，其係本發明之第四態樣，於本態樣中，該導磁線係包括一銅製的導線本體(40)、包覆於該導線本體(40)外側的一層第一磁性塗料層(41)、包覆於該第一磁性塗料層(41)外側的一層第一絕緣塗料層(42)、包覆於該第一絕緣塗料層(42)外側的一層第二磁性塗料層(43)、包覆於該第二磁性塗料層(43)外側的一層第二絕緣塗料層(44)。故在本態樣中，該導磁線包括二磁性塗料層(41)(43)以及二絕緣塗料層(42)(44)。

請參看第五圖所示，其係本發明之第五態樣，於本態樣中，該導磁線係包括一銅製的導線本體(50)、包覆於該導線本體(50)外側的一層第一絕緣塗料層(51)、包覆於該第一絕緣塗料層(51)外側的一層第一磁性塗料層(52)、包覆於該第一磁性塗料層(52)外側的一層第二絕緣塗層(53)、包覆於該第二絕緣塗料層(53)外側的一層第二磁性塗料層(54)、包覆於該第二磁性塗料層(54)外側的一層第三絕緣塗層(55)。故在本態樣中，該導磁線包括三絕緣塗料層(51)(53)(55)以及二磁性塗料層(52)(54)。

由上述各態樣可知，本發明之導磁線於導線本體外能夠包覆有一層或兩層以上的絕緣塗料層以及磁性塗料層，且當磁性塗料層為兩層以上時，該等磁性塗料層可為相同磁性材料或是相異磁性材料所組成，而且任意兩層磁性塗料層之間係間隔有一絕緣塗料層，利用不同孔徑之眼模塗佈絕緣塗料，控制該絕緣塗料層之厚度，可調整任意兩層磁性塗料層之間相隔距離，藉以控制磁性塗料層對於高頻下導磁線交流電阻之降低效果。

實施例：

使用材料及設備說明：

1.聚胺酯塗料：東協化工生產，型號PU-130-45，黏度於30℃為0.5帕‧秒(Pa‧s)，固含量45%。

2. γ-Fe₂ O₃ ：日本Titan Kogyo公司生產，型號γ-MRD，軸長0.5μm，軸比7。

3.油酸：日本島久公司生產，CAS No.112-80-1，濃度98%。

4.電感、電容、電阻量測儀(LCR Meter)：美國安捷倫公司(Agilent)製造，型號E4980A，測試頻率範圍20Hz至2MHz。

比較例1：

將未添加磁性材料之聚胺酯塗料，單層塗佈於線徑0.31mm銅材上製作線樣，塗佈條件如下：

塗佈方式：眼模

塗佈回數：12回

線速：60-70公尺/分鐘

烘烤爐溫：440-500℃

其漆包線成品特性示於表一。

實施例1：

將20份γ-Fe₂ O₃ 加入100份聚胺酯塗料中，以球磨機混煉24小時製成磁性塗料，依下列條件單層塗佈於線徑0.31mm銅材上製作線樣，其成品特性示於表一。

塗佈方式：眼模

塗佈回數：交替塗佈磁性塗料5回和聚胺酯塗料5回(如第二圖所示)

線速：60-70公尺/分鐘

烘烤爐溫：440-500℃

實施例2：

將20份γ-Fe2O3以5份油酸進行表面改質後，一同加入100份聚胺酯塗料，以球磨機混煉24小時製成磁性塗料，依實施例1條件單層塗佈於線徑0.31mm銅材上製作線樣，其成品特性示於表一。

實施例3：

將15份γ-Fe₂ O₃ 加入100份聚胺酯塗料中，以球磨機混煉24小時製成磁性塗料，依實施例1條件單層塗佈於線徑0.31mm銅材上製作線樣，其成品特性示於表一。

*1各項性能測試係依NEMA MW-75C標準進行評估。

*2取長度110cm漆包線，緊密捲繞於胴徑8.0mm、緣距7.0mm之電感線架上，構成捲繞34匝之電感線圈，裝上型號RM7之鐵氧磁體鐵芯，以電感、電容、電阻量測儀(LCR Meter)於電壓1V模式下量測其200kHz頻率下之交流電阻值。

*3計算公式=(比較例1之200kHz交流電阻值-實施例之200kHz交流電阻值)/比較例1之200kHz交流電阻值*100%。

本發明之實施例1至3，皆有具有較比較例1更低的交流電阻，尤其以實施例1所能提供的交流電阻降低率最高，故能證明本發明能夠突破以往的限制，而確實達到降低交流電阻的目的。

(10)(20)(30)(40)(50)．．．導線本體

(11)(22)．．．絕緣塗料層

(12)(21)．．．磁性塗料層

(31)．．．第一絕緣塗料層

(32)．．．磁性塗料層

(33)．．．第二絕緣塗層

(41)．．．第一磁性塗料層

(42)．．．第一絕緣塗料層

(43)．．．第二磁性塗料層

(44)．．．第二絕緣塗料層

(51)．．．第一絕緣塗料層

(52)．．．第一磁性塗料層

(53)．．．第二絕緣塗料層

(54)．．．第二磁性塗料層

(55)．．．第三絕緣塗層

第一圖係本發明第一態樣的端視剖面圖。

第二圖係本發明第二態樣的端視剖面圖。

第三圖係本發明第三態樣的端視剖面圖。

第四圖係本發明第四態樣的端視剖面圖。

第五圖係本發明第五態樣的端視剖面圖。

(20)‧‧‧導線本體

(21)‧‧‧磁性塗料層

(22)‧‧‧絕緣塗料層

Claims (19)

1. 一種導磁線，其係包括一導線本體以及包覆於該導線本體外側且彼此交錯設置之至少一磁性塗料層和至少一絕緣塗料層，該磁性塗料層中的磁性材料為非導電性，其中各磁性塗料層包含絕緣塗料以及相對於該絕緣塗料之固含量為30~50wt%的磁性材料。
2. 如申請專利範圍第1項所述之導磁線，其中各磁性塗料層係由經界面活性劑進行表面改質後之磁性材料與絕緣塗料均勻混煉所形成者。
3. 如申請專利範圍第2項所述之導磁線，其中該界面活性劑為有機矽烷或油酸。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之導磁線，其中該磁性材料係選自於由鐵磁性材料(Ferromagnetism)與亞鐵磁性材料(Ferrimagnetism)所組成之群組。
5. 如申請專利範圍第4項所述之導磁線，其中該磁性材料係選自於由γ-Fe₂ O₃ 、Fe₃ O₄ 、鎳鋅系鐵氧磁體、錳鋅系鐵氧磁體、鎂鋅系鐵氧磁體、鋇系鐵氧磁體及鍶系鐵氧磁體所組成之群組。
6. 如申請專利範圍第4項所述之導磁線，其中該磁性材料的平均粒徑不大於3μm。
7. 如申請專利範圍第5項所述之導磁線，其中該磁性材料的平均粒徑不大於3μm。
8. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之導磁線，其中該絕緣塗料層係由以下物質所組成之群組所組成 的：聚酯樹脂、聚亞胺酯樹脂、聚胺酯樹脂、聚醯胺亞胺酯樹脂以及聚酯亞胺樹脂。
9. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之導磁線，其中該導線本體係選自於由圓型裸銅線、扁型裸銅線、銅包鋁線、鋁線、鍍錫銅線、以及銅鋁合金金屬線所組成之群組。
10. 一種高頻電感，其係包含如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之導磁線，且所述之高頻為10k至500k赫茲(Hz)。
11. 如申請專利範圍第10項所述之高頻電感，其中所述之高頻為50k至200k Hz。
12. 一種高頻變壓器，其係包含如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之導磁線，且所述之高頻為10k至500k赫茲(Hz)。
13. 如申請專利範圍第12項所述之高頻變壓器，其中所述之高頻為50k至200k Hz。
14. 一種高頻電子線圈，其係包含如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之導磁線，且所述之高頻為10k至500k赫茲(Hz)。
15. 如申請專利範圍第14項所述之高頻電子線圈，其中所述之高頻為50k至200k Hz。
16. 一種電源供應器，其係包含如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之導磁線。
17. 一種導磁線的製作方法，其係包括：提供一導體；以及 於該導體表面以快速多回高溫瞬間烘乾之方式塗佈添加至少一磁性塗料層和至少一絕緣塗料層，各磁性塗料層包含絕緣塗料以及相對於該絕緣塗料之固含量為30~50wt%的磁性材料。
18. 一種漆包線的製作方法，其係讓如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之導磁線通過磁化設備，將磁性塗料層中磁性材料磁化，以提升高頻下漆包線交流電阻之降低效果。
19. 一種漆包線的製作方法，其係讓如申請專利範圍第17項所述之導磁線的製作方法所製成的導磁線通過磁化設備，將磁性塗料層中磁性材料磁化，以提升高頻下漆包線交流電阻之降低效果。