TWI402868B - 具屏蔽功能之線圈及磁性元件 - Google Patents

Description

具屏蔽功能之線圈及磁性元件

本發明係關於一種線圈及磁性元件，尤指一種具屏蔽功能之線圈及磁性元件。

在交換式電源系統中，變壓器和電感等磁性元件非常重要。這類磁性元件的製作，可以直接將絕緣導線，例如單層絕緣導線或三層絕緣導線，繞設於磁芯(magnetic core)上，也可以先將絕緣導線繞製成線餅狀或是將絕緣導線繞設於繞線架(bobbin)之繞線區上面，然後與磁芯進行組裝。交換式電源系統由於採用開關元件而產生電磁干擾(EMI)的問題，電磁干擾會透過傳導和輻射的方式干擾，甚者損壞其它的電子元件或電子設備。磁性元件，特別是變壓器，是交換式電源系統中主要的電磁干擾傳播源之一，因為變壓器初級側與次級側之間的寄生電容使得電磁干擾向外傳播。

採用初級線圈與次級線圈之間增加金屬屏蔽層，並將金屬屏蔽層接地的方法可以有效減少初級側與次級側之間的寄生電容，從而減少磁性元件的電磁干擾影響。第一圖A及第一圖B係顯示在初級側與次級側之間繞置金屬片以減少磁性元件電磁干擾的傳統方法，其中第一圖B係第一圖A所示結構於AA截面之示意圖。如第一圖A及B所示，首先，將初級繞線14繞置於繞線架11上，然後再以金屬片13包覆初級繞線14，其中金屬片13不完全閉合且保留一縫隙131以避免造成短路。隨後，將次級繞線12繞置於金屬片13上。最後，將金屬片13接地，並將磁芯組15與繞線架11進行組裝以組成變壓器1。

這種方法雖可以在一定程度上減少由變壓器1所產生的電磁干擾問題，但是缺點是金屬片13不能有效的將變壓器1之初級線圈14與次級線圈12隔離開，因而對提升電磁干擾的屏蔽效果有限。

因此，如何發展一種可改善習知技術缺失的線圈及磁性元件，實為目前迫切需要研發之課題。

本發明之目的在於提供一種具屏蔽功能之線圈及磁性元件，可以有效地降低由該線圈製成磁性元件的電磁干擾、提高磁性元件之磁芯的窗口利用率，同時也減小了磁性元件的體積。

為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種具屏蔽功能之線圈，包括：至少一絕緣導線，繞設形成一繞線部，且具有第一出線段及第二出線段，其中繞線部具有通孔；以及電磁干擾屏蔽層，形成於繞線部上以遮罩絕緣導線，其中電磁干擾屏蔽層於繞線部之側面具有投影，以及電磁干擾屏蔽層具有徑向間隙以使電磁干擾屏蔽層為非導電環路。

為達上述目的，本案之另一較廣義實施態樣為提供一種磁性元件，包括：一具屏蔽功能之線圈以及一磁芯組。其中，該具屏蔽功能之線圈包括：至少一絕緣導線，繞設形成一繞線部，且具有第一出線段及第二出線段，其中該繞線部具有通孔；以及電磁干擾屏蔽層，形成於繞線部上以遮罩絕緣導線，其中電磁干擾屏蔽層於繞線部之側面具有投影，以及電磁干擾屏蔽層具有徑向間隙以使電磁干擾屏蔽層為非導電環路。磁芯組係至少部分地穿設於繞線部之通孔。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。

第二圖A係為本案較佳實施例之具屏蔽功能之線圈之結構示意圖，以及第二圖B係為第二圖A所示結構於BB截面之示意圖。如第二圖A及第二圖B所示，本案具屏蔽功能之線圈2包括至少一絕緣導線21及一電磁干擾屏蔽層22。其中，絕緣導線21係繞設形成一繞線部23，且具有一第一出線段21a及一第二出線段21b，其中該繞線部23具有一通孔24。電磁干擾屏蔽層22係形成於繞線部23上以遮罩該絕緣導線21，其中電磁干擾屏蔽層22於繞線部23之側面具有投影，以及電磁干擾屏蔽層22具有徑向間隙22a使該電磁干擾屏蔽層22為非閉合的迴路，亦即非導電環路，藉此使該線圈具有電磁干擾屏蔽之功能。

請參閱第二圖C，其係為第二圖A所示實施例之延伸結構示意圖，以及第二圖D係為第二圖C所示結構於CC截面之示意圖。於此實施例中，電磁干擾屏蔽層22可藉由導電黏結劑28與接地導線27實現電氣連接。具屏蔽功能之線圈2更包含一絕緣層26，形成於電磁干擾屏蔽層22及接地導線27上，且該絕緣層26可由耐高壓絕緣材料構成，俾使該線圈具有電磁干擾屏蔽之功能，同時滿足絕緣耐高壓的要求。

於本實施例中，電磁干擾屏蔽層22係為導體層，該導體層可由例如金屬導電材料、導電樹脂或導電膠構成。電磁干擾屏蔽層22之厚度以小於1微米(μm)為較佳，於一些實施例中，電磁干擾屏蔽層22之厚度亦可為數十至數百微米，且不以此為限。於本實施例中，絕緣導線21以軸線L為軸心所繞設形成之繞線部23包含複數匝圈數且以單層或多層排列，該繞線部23呈線餅狀或環狀，且不以此為限。於本實施例中，具屏蔽功能之線圈2更包括黏結元件25，分佈於絕緣導線21所繞設形成之繞線部23中，以用於黏結絕緣導線21且可於繞線部23之外周圍形成一平整之表面23a，藉此電磁干擾屏蔽層22可形成於該表面23a上。該黏結元件25可為例如有機黏結劑，但不以此為限。於本實施例中，電磁干擾屏蔽層22可藉由導電黏結劑28與接地導線27實現電氣連接，且導電黏結劑28可以是例如焊料、導電膠。於本實施例中，絕緣層26可由耐高壓絕緣材料構成，例如但不限於聚對二甲苯。於本實施例中，第一出線段21a及一第二出線段21b係相互捲繞，但不以此為限。於本實施例中，電磁干擾屏蔽層22之徑向間隙22a係沿絕緣導線21之圓周徑向設置，以使電磁干擾屏蔽層22為非導電環路。

第三圖係為本案較佳實施例之具屏蔽功能之線圈之製作流程圖。本案之具屏蔽功能之線圈2的製作方式如下：首先，如步驟S11，提供至少一絕緣導線21，並將絕緣導線21繞設形成一繞線部23，其中絕緣導線21包括一第一出線段21a及一第二出線段21b。接著，如步驟S12所示，將繞線部23浸入黏結元件25，並於黏結元件25黏固後，以於繞線部23上形成平滑且規整之表面23a。然後，如步驟S13所示，以例如化學鍍、電鍍、噴塗、浸塗或者蒸鍍之方式於繞線部23之表面23a上形成電磁干擾屏蔽層22，其中該電磁干擾屏蔽層22為導體層，同時該電磁干擾屏蔽層22保留一徑向間隙22a，使該電磁干擾屏蔽層22為非閉合的迴路，亦即非導電環路，其中導體層形成之厚度以小於1微米為較佳。此外，若想要得到更厚或更緻密的導體層，可以在化學鍍、電鍍、噴塗、浸塗或是蒸鍍的基礎上再進行電鍍加厚，使導體層的厚度達到數十到數百微米，且不以此為限。於一些實施例中，導體層可以是例如金屬遮罩物或是其他可遮罩物。之後，如步驟S14所示，將電磁干擾屏蔽層22藉由導電黏結劑28與接地導線27實現電氣連接，其中導電黏結劑28可以是例如焊料、導電膠。最後，如步驟S15所示，於電磁干擾屏蔽層22及接地導線27上形成絕緣層26，以形成本案之具屏蔽功能之線圈2。於此步驟中，於電磁干擾屏蔽層22上形成絕緣層26之方式可採用化學氣相沉積(CVD)或者其它方式實現(例如噴塗、浸塗等)。

第四圖係為本案另一較佳實施例之具屏蔽功能之線圈之部分截面結構示意圖。如第四圖所示，於此實施例中，本案具屏蔽功能之線圈2之結構與第二圖C所示結構相似，於此不再贅述，惟第四圖所示實施例之具屏蔽功能之線圈2之電磁干擾屏蔽層22並非完全包覆繞線部23，亦即電磁干擾屏蔽層22包含至少一開口29，於一些實施例中，該開口29係形成於繞線部23之側面上，且不以此為限。於本實施例中，絕緣層26係形成於電磁干擾屏蔽層22、接地導線27以及第一出線段21a與第二出線段21b上(如第二圖C所示)，且填於該開口29中。

第五圖A係為使用第二圖C及D所示線圈用於製作一示範性磁性元件之結構示意圖，以及第五圖B係為第五圖A所示磁性元件之組合結構圖。本案之磁性元件5包括具屏蔽功能之線圈2以及磁芯組3，其中，具屏蔽功能之線圈2包括至少一絕緣導線21及一電磁干擾屏蔽層22。絕緣導線21係繞設形成一繞線部23，且具有一第一出線段21a及一第二出線段21b，其中該繞線部23具有一通孔24。電磁干擾屏蔽層22係形成於繞線部23上以遮罩該絕緣導線21，其中電磁干擾屏蔽層22於繞線部23之側面具有投影，以及電磁干擾屏蔽層22具有徑向間隙22a使該電磁干擾屏蔽層22為非閉合的迴路，亦即非導電環路。電磁干擾屏蔽層22可藉由導電黏結劑28與接地導線27實現電氣連接。具屏蔽功能之線圈2更包含一絕緣層26，形成於電磁干擾屏蔽層22及接地導線27上，且該絕緣層26可由耐高壓絕緣材料構成，俾使該線圈具有電磁干擾屏蔽之功能，同時滿足絕緣耐高壓的要求。磁芯組3係至少部份地穿設於繞線部23之通孔24。於此實施例中，磁性元件5可為變壓器或電感，且不以此為限。

於本實施例中，磁芯組3包括第一磁芯部31以及第二磁芯部32，其中第一磁芯部31之中柱31a以及第二磁芯部32之中柱32a係相對地穿設於具屏蔽功能之線圈2之繞線部23之通孔24中。第一磁芯部31之側柱31b、31c以及第二磁芯部32之側柱32b、32c則相對地連接且設置於繞線部23之外側。

於一些實施例中，磁性元件5更可包括一電路板4，該電路板4之內部或表面可形成導電線圈41，且該電路板4具有一穿孔42，其中導電線圈41環繞設置於該穿孔42之周邊。於本實施例中，具屏蔽功能之線圈2之通孔24與電路板4之穿孔42相對。此外，磁芯組3之第一磁芯部31之中柱31a以及第二磁芯部32之中柱32a係相對地穿設於通孔24以及穿孔42中，且第一磁芯部31之側柱31b、31c以及第二磁芯部32之側柱32b、32c則相對地連接且設置於繞線部23以及電路板4之外側。於此實施例中，磁性元件5，例如變壓器，可以具屏蔽功能之線圈2作為初級側線圈，並以電路板4之導電線圈41作為次級側線圈，因此透過線圈與磁芯組3之電磁感應作用，便可將初級側線圈之能量傳遞到次級側線圈，同時實現電壓的變換。

本案之磁性元件5，例如變壓器，可應用於一交換式電源系統，本案之磁性元件5的電磁干擾遮罩原理簡述如下：當本案之磁性元件5，例如變壓器，以具屏蔽功能之線圈2作為初級側線圈，並以電路板4之導電線圈41作為次級側線圈時，由於具屏蔽功能之線圈2之電磁干擾屏蔽層22包覆且遮罩於磁性元件5的絕緣導線21，亦即初級側線圈，並通過接地導線27接地，如此可以減小磁性元件5之初級側線圈和次級側線圈之間的等效寄生電容，從而減小了磁性元件5的共模雜訊，同時電磁干擾屏蔽層22遮罩了初級側線圈中噪音源向外的輻射。

於一些實施例中，電路板4更可包括複數個開關元件43以及複數個導孔44。於一些實施例中，電路板4可以例如繞線架(bobbin)取代，繞線架可供另一導電線圈繞設，因此將具屏蔽功能之線圈2、磁芯組3以及繞線架組合後便可形成本案之磁性元件。

此外，於一些實施例中，具屏蔽功能之線圈2之絕緣導線21可採用單層絕緣導線或三層絕緣導線，其中以採用單層絕緣導線為較佳。這是因為當採用單層絕緣導線時，其所組成變壓器之磁芯的窗口利用率會相對高於採用三層絕緣導線所組成之變壓器之磁芯的窗口利用率。變壓器磁芯的窗口利用率是指變壓器磁芯窗口截面中，銅面積所占的比例，銅面積所占的比例越大，說明窗口利用率越高。因此，對於同樣大小的變壓器磁芯視窗，使用單層絕緣導線所組成變壓器的磁芯窗口利用率比使用三層絕緣導線所組成變壓器之磁芯窗口利用率高約25%左右。此外，由於在切換式電源系統之變壓器的實際應用中，對初級側和次級側有較高的安規結構要求，一般為例如3000Vac左右(或等效4242Vdc)，當本案之具屏蔽功能之線圈2採用的絕緣導線為單層絕緣導線而非耐高壓的三層絕緣導線時，可以相對地降低成本並可於具屏蔽功能之線圈2外形成絕緣層26以進行整體安規絕緣。

綜上所述，本發明提供一種具屏蔽功能之線圈及磁性元件，藉由形成電磁干擾屏蔽層於繞線部上以遮罩絕緣導線，使該線圈具有電磁干擾屏蔽之功能。本案之具屏蔽功能之線圈可以有效地降低由該線圈製成磁性元件的電磁干擾、提高磁性元件之磁芯的窗口利用率，同時也減小了磁性元件的體積。

本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

1．．．變壓器

11．．．繞線架

12．．．次級繞線

13．．．金屬片

14．．．初級繞線

15．．．磁芯組

131．．．縫隙

2．．．具屏蔽功能之線圈

21．．．絕緣導線

21a．．．第一出線段

21b．．．第二出線段

22．．．電磁干擾屏蔽層

23．．．繞線部

23a．．．表面

24．．．通孔

25．．．黏結元件

26．．．絕緣層

27．．．接地導線

27a．．．連接端

28．．．導電黏結劑

29．．．開口

L．．．軸線

3．．．磁芯組

31．．．第一磁芯部

32．．．第二磁芯部

31a、32a．．．中柱

31b、31c、32b、32c．．．側柱

4．．．電路板

41．．．導電線圈

42．．．穿孔

43．．．開關元件

44．．．導孔

5．．．磁性元件

22a．．．徑向間隙

S11~S15．．．具屏蔽功能之線圈之製作流程

第一圖A及第一圖B：係顯示在初級側與次級側之間繞置金屬片以減少磁性元件電磁干擾的傳統方法，其中第一圖B係第一圖A所示結構於AA截面之示意圖。

第二圖A：係為本案較佳實施例之具屏蔽功能之線圈之結構示意圖。

第二圖B：係為第二圖A所示結構於BB截面之示意圖。

第二圖C：其係為第二圖A所示實施例之延伸結構示意圖。

第二圖D：係為第二圖C所示結構於CC截面之示意圖。

第三圖：係為本案較佳實施例之具屏蔽功能之線圈之製作流程圖。

第四圖：係為本案另一較佳實施例之具屏蔽功能之線圈之部分截面結構示意圖。

第五圖A：係為使用第二圖C及D所示線圈用於製作一示範性磁性元件之結構示意圖。

第五圖B：係為第五圖A所示磁性元件之組合結構圖。

2．．．具屏蔽功能之線圈

26．．．絕緣層

27．．．接地導線

Claims (16)

1. 一種具屏蔽功能之線圈，至少包括：至少一絕緣導線，繞設形成一繞線部，且具有一第一出線段及一第二出線段，其中該繞線部具有一通孔；以及一電磁干擾屏蔽層，形成於該繞線部上以遮罩該絕緣導線，其中該電磁干擾屏蔽層於該繞線部之側面具有投影，以及該電磁干擾屏蔽層具有一徑向間隙以使該電磁干擾屏蔽層為非導電環路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具屏蔽功能之線圈，其中該電磁干擾屏蔽層為導體層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具屏蔽功能之線圈，其中該電磁干擾屏蔽層以化學鍍、電鍍、噴塗、浸塗或蒸鍍之方式形成於該繞線部上。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具屏蔽功能之線圈，更包括一黏結元件，分佈於該繞線部中且於該繞線部之外周圍形成一平整之表面。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具屏蔽功能之線圈，更包含一絕緣層，形成於該電磁干擾屏蔽層上。
6. 如申請專利範圍第5項所述之具屏蔽功能之線圈，其中該絕緣層以化學氣相沉積、噴塗或浸塗之方式形成於該電磁干擾屏蔽層上。
7. 如申請專利範圍第1項所述之具屏蔽功能之線圈，其中該電磁干擾屏蔽層包括至少一開口。
8. 如申請專利範圍第1項所述之具屏蔽功能之線圈，更包括一接地導線，該接地導線之一連接端電氣連接於該電磁干擾屏蔽層。
9. 如申請專利範圍第8項所述之具屏蔽功能之線圈，其中該電磁干擾屏蔽層以導電黏結劑與該接地導線電氣連接。
10. 如申請專利範圍第8項所述之具屏蔽功能之線圈，更包括一絕緣層，形成於該電磁干擾屏蔽層、該接地導線、該第一出線段以及該第二出線段上。
11. 如申請專利範圍第1項所述之具屏蔽功能之線圈，其中該繞線部為線餅狀或環狀。
12. 如申請專利範圍第1項所述之具屏蔽功能之線圈，其中該電磁干擾屏蔽層之該徑向間隙係沿該絕緣導線之圓周徑向設置。
13. 一種磁性元件，至少包括：一具屏蔽功能之線圈，至少包括：至少一絕緣導線，繞設形成一繞線部，且具有一第一出線段及一第二出線段，其中該繞線部具有一通孔；以及一電磁干擾屏蔽層，形成於該繞線部上以遮罩該絕緣導線，其中該電磁干擾屏蔽層於該繞線部之側面具有投影，以及該電磁干擾屏蔽層具有一徑向間隙以使該電磁干擾屏蔽層為非導電環路；以及一磁芯組，至少部分地穿設於該繞線部之該通孔。
14. 如申請專利範圍第13項所述之磁性元件，其中該磁性元件為變壓器或電感。
15. 如申請專利範圍第13項所述之磁性元件，更包括一電路板，該電路板包括一導電線圈以及一穿孔，該導電線圈環繞設置於該穿孔之周邊，且該穿孔與該繞線部之該通孔相對，使該磁芯組至少部分地穿設於該繞線部之該通孔與該電路板之該穿孔。
16. 如申請專利範圍第13項所述之磁性元件，其中該電磁干擾屏蔽層之該徑向間隙係沿該絕緣導線之圓周徑向設置。