TWI464759B - 扼流圈及用於製造扼流圈核心單元之方法 - Google Patents

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Description

扼流圈及用於製造扼流圈核心單元之方法
本發明係一種具有申請專利範圍第1項之特徵的扼流圈,以及一種具有申請專利範圍第8項之特徵的製造扼流圈核心單元的方法。
此種扼流圈是熟習該項技術者所熟知的一種感應式電子元件,其用途是儲存及釋放電能。為此扼流圈具有一個產生磁場的電導體及至少一個設置於電導體範圍之扼流圈核心單元,該扼流圈核心單元具有一個由可磁化材料製成的扼流圈核心。為了使扼流圈核心的磁通密度不致於過大,扼流圈核心具有至少一個氣隙,因此只有在磁場強度很高時扼流圈核出才會出現磁飽和的現象,而且可以避免以交流電運轉的扼流圈出現過熱的現象。為了達到良好的機械穩定性,扼流圈核心的氣隙至少有一部分填入一種填充材料,這樣一方面可以降低扼流圈運轉時的噪音,另一方面也可以避免氣隙寬度改變。通常是以有機黏膠或矽膠作為填充材料,此種填充材料在填充到氣隙中後會硬化。
這種扼流圈的缺點是,在扼流圈運轉過程中,由於溫度的變化,扼流圈核心單元之氣隙的填充材料及扼流圈核心的可磁化材料可能出現裂縫,因而使扼流圈發出人耳可聽聞之頻率範圍的噪音明顯升高,以及使扼流圈核心單元的機械穩定性變差。這些缺點會導致低噪音扼流圈之使用壽命大幅縮短。
本發明的目的是提出一種使用壽命較長的低噪音扼流圈。
採用具有申請專利範圍1之特徵的扼流圈及具有申請專利範圍8之特徵的製造扼流圈核心單元的方法,即可達到上述目的。附屬專利申請項目之內容為本發明之有利的實施方式,其中扼流圈的有利的實施方式被視為是以本發明之有利的製造方法所製成,反過來說,使用本發明之有利製造方法
就可以製造出扼流圈的有利實施方式。
為了製造出使用壽命長且低噪音的扼流圈,本發明是以熱膨脹係數之值在扼流圈核心之可磁化材料的熱膨脹係數之值之±70%的範圍內的材料作為扼流圈核心之氣隙的填充材料。相較於先前技術使用之熱膨脹係數為扼流圈核心材料之熱膨脹係數的5至10倍的填充材料,本發明所使用的填充材料不但可以有效防止在扼流圈之扼流圈核心單元之氣隙出現裂縫,而且也可以有效防止扼流圈核心之可磁化材料出現裂縫。扼流圈因長時間運轉產生的溫度變化一方面會使扼流圈核心(或扼流圈核心之氣隙)具有一可比較的溫度相關的膨脹特性,另一方面也會使填充材料具有一可比較的溫度相關的膨脹特性,因此不會出現裂縫或機械損傷,因此可以大幅延長扼流圈的運轉時間及使用壽命。因此本發明不但具有成本上的優點,而且可以確保扼流圈在運轉時不會發出人耳可聽聞之頻率範圍的噪音。
根據本發明之一有利實施方式,填充材料之熱膨脹係數之值在扼流圈核心之可磁化材料之熱膨脹係數之值的±50%、及/或±40%、及/或±25%、及/或±10%的範圍內。使用這種填充材料的好處是可以使填充材料與扼流圈核心材料之間的溫度相關的膨脹特性進一步趨近,因此可以進一步延長低噪音扼流圈的運轉時間。填充材料之熱膨脹係數高於扼流圈核心之可磁化材料的熱膨脹係數10%至50%的好處是,當溫度升高時,可以在扼流圈內產生適當的機械預應力,因此可以進一步降低扼流圈核心單元的機械振動及因此而產生的噪音。
可以選擇鐵氧體及/或鐵粉及/或鉬坡莫合金及/或奈米結晶磁性材料作為製造扼流圈核心的材料。由於有這些材料可供選擇,因此可以根據使用目的、製造成本以及所需的參數(電感、磁導率、飽和磁通密度)靈活且完美的製造出最適當的扼流圈核心或扼流圈核心單元。例如可以製造出電子鎮流器的共振扼流圈、深度調整扼流圈、或是燈扼流圈。
根據本發明的另一有利實施方式,電導體是捲繞在一個線圈管上,而且最好是捲繞好幾圈。這樣做的好處是只需改變電導體捲繞的圈數就可以用很簡單且低成本的方式使扼流圈的電感符合使用目的需要。
另一有利方式是填充材料含有一種無機黏著劑。例如水泥、氧化物、或凝膠之類的無機黏著劑。這一類黏著劑不但價格低廉,而且其熱膨脹係數通常位於本發明之扼流圈核心材料所需之熱膨脹係數的範圍。此外,這一類黏著劑在正常條件下還具有良好的體積穩定性、耐水性、耐酸性、以及抗氧化性,因此可以確保扼流圈能夠達到夠長的使用壽命。此外,這一類黏著劑在未硬化狀態時具有流動性佳的優點,因此比較容易將填充材料填充到氣隙中,以及製造出高均勻性及尺寸精確的扼流圈核心。在填充材料達到設定的硬度後,就可有可靠的阻斷扼流圈或扼流圈核心的機械振動或聲振動。
根據本發明的另一有利實施方式,無機黏著劑至少含有一種可加水硬化的水泥。這種水泥在加水變成漿膏狀後很容易就可以被填充到氣隙中,然後就會在空氣中自行凝固。以這種方式可以很容易的以低成本製造出扼流圈。這種填充材料的優點還包括無臭、耐熱性佳、耐溫度變化能力佳、毒性低、以及對油、溶劑、大部分的有機酸及無機酸的化學穩定性佳。
根據本發明的另一有利實施方式,此種水泥含有一種矽酸鹽(尤其是矽酸鋯及/或矽酸鈉及/或矽酸鈣)、及/或一種氧化物(尤其是二氧化矽及/或氧化鎂及/或氧化鋁及/或氧化鐵及/或氧化鈣)、及/或一種氫氧化物(尤其是氫氧化鈣)、及/或一種硫酸鹽(尤其是硫酸鈣)、及/或一種磷酸鹽(尤其是磷酸鎂)。這些材料可以使水泥的力學特性及化學特性完美的與扼流圈的製造條件及使用條件配合。
本發明的另一目的是提出一種製造扼流圈之扼流圈核心單元的方法,這種方法是以可磁化材料製造具有至少一個氣隙的扼流圈核心,以及至少在一部分的氣隙中填入一種填充材料,以達到良好的機械穩定性,此種方法使用的填充材料具有一線性熱膨脹係數,其值在扼流圈核心之可磁化材料的熱膨脹係數之值之±70%的範圍內。經由這種方式可以有效防止扼流圈核心單元之氣隙或扼流圈之可磁化材料出現裂縫,這是因為扼流圈因長時間運轉產生的溫度變化會使扼流圈核心(或扼流圈核心之氣隙)及填充材料具有一可比較的溫度相關的膨脹特性。由於不會有裂縫或機械損傷出現,因此扼流圈核心單元(或具有此種扼流圈核心單元之扼流圈)的使用壽命就可以大幅延長。這種方法除了可以降低扼流圈的製造成本外,還可以確保扼流圈在運轉時不會發出人耳可聽聞之頻率範圍的噪音。
一種有利方式是以一種含有至少一種鐵氧體的材料作為製造扼流圈核心的材料,及以一種可加水硬化的水泥作為填充材料。以含有至少一種鐵氧體之材料製造的扼流圈核心具有很高的磁導率,因此可以製造出體積很小但電導很高的扼流圈。此種含有至少一種鐵氧體的材料及填充材料(一種可加水硬化的水泥)可以形成化學及機械穩定性均極高的材料組合,而且此材料組合中的各個材料均具有相近的熱膨脹係數,因此可以有效防止扼流圈核心單元在運轉時出現裂縫,或是扼流圈核心破裂。
先將水泥與一規定量的水混合,然後填充到氣隙中,就可以放快速、簡單且低成本的製造出扼流圈核心單元。由於填充材料具有良好的流動性及可配料性,因此不需其他的加工步驟就可以均勻的將氣隙填滿,因而能夠達到很高的機械強度。接著水泥就會在空氣中凝固。
另一可行方式是將填充材料填充到氣隙中後,接著擠壓填充材料。這種方式使氣隙達到至少接近完全填滿的狀態,因此可以確保扼流圈核心單元具有很高的機械強度及承載能力。
為了進一步提高扼流圈核心單元的機械強度,一可行方式是在填入填充材料時或是在其他加工步驟之後,在扼流圈核心與扼流圈的線圈管之間形成附著。例如可以擠壓氣隙中的填充材料或壓縮扼流圈核心,以形成附著。因多餘而溢出的填充材料很容易就可以被去除。
第1圖顯示扼流圈的一個扼流圈核心單元(10)的側向斷面圖。扼流圈核心單元(10)具有一個扼流圈核心(12)。扼流圈核心(12)是由兩個斷面為E形的扼流圈核心部分(12a,12b)所構成。扼流圈核心部分(12a,12b)環繞一個斷面為雙重T形的線圈管(14)。在線圈管(14)上捲繞多圈電導體(未在圖式中繪出)可以提高扼流圈的電感。在扼流圈核心部分(12a,12b)與線圈管(14)之間有一個氣隙(16),該氣隙(16)的不同段落(16a-c)具有不同的氣隙厚度。為了提高機械穩定性,在構成扼流圈中間部分的氣隙(16)的段落(16b)中有填入填充材料(18)。氣隙(16)構成兩個扼流圈核心部分(12a,12b)的外邊段落(16b,16c)的厚度介於0.01mm至0.05mm之間,由於段落(16b,16c)被黏著劑黏合住,因而在磁化圈其形成另外一個氣隙(16)。在本實施例中,扼流圈(12)是由一種鐵氧體材料製成,其熱膨脹係數(αD )介於11*10-6 /K至12*10-6 /K之間。為了延長扼流圈核心單元(10)及扼流圈的運轉時間及使用壽命,填充材料(18)的熱膨脹係數(αF )之值在扼流圈核心(12)之材料之熱膨脹係數(αD )之值的±%70%的範圍內。經由這種方式可以確保在扼流圈/扼流圈核心單元(10)運轉期間,扼流圈核心(12)/氣隙(16)及填充材料(18)因為溫度變化造成的尺寸變化是差不多的。這樣就可以避免裂縫的出現及噪音的產生。例如填充材料(18)可以含有一種以鋯為主要成份的可加水硬化的水泥,其熱膨脹係數(αF )大約是4.7*10-6 /K。由於此種填充材料(18)具有很高的電絕緣能力、對熱衝擊具有很高的抵抗能力、很高的耐熱性以及很高的化學耐受性,沒有臭味且毒性低,因此在使用上不會有任何問題。原則上大部分的無機矽酸鹽水泥都可以作為填充材料(18),因為這些水泥的熱膨脹係數(αF )通常介於4.0*10-6 /K至18.0*10-6 /K之間。
例如可以用一種含有氧化鎂、矽酸鋯及磷酸鎂的可化學凝固的水泥作為填充材料(18)。這種填充材料(18)在硬化狀態的熱膨脹係數(αF )同樣是4.7*10-6 /K。同樣的,也可使用以石英及矽酸鈉為主要成份的可化學凝固的水泥作為填充材料(18)。這種填充材料(18)熱膨脹係數(αF )大約介於7.5*10-6 /K至17.5*10-6 /K之間,而且耐酸性特別強。先前技術使用的是含有環氧樹脂的填充材料(18),其熱膨脹係數(αF )大約是60.0*10-6 /K,因此在承受熱負荷時,很快就會出現裂縫及產生噪音。
本發明的另一實施方式使用的填充材料是由75%(重量百分比)的鋯水泥(例如Sauereisen(公司所在地:Pittsburg)生產的Zircon Potting Cement,No.13)及25%(重量百分比)的砂(例如等級1[A7-1]的砂)混合而成。
另一可行方式是,填充材料(18)的熱膨脹係數(αF )比扼流圈核心(12)之可磁化材料的熱膨脹係數(αD )大10%至50%。例如可以經由選擇適當的填充材料(18)或是將具有適當之熱膨脹係數(αS )的添加物質到材充材料(18)中達到這個目的。由於氣隙(16)之中間段落(16b)的溫度高於橫向段落(16a,16c)的溫度,因此,同樣長度之填充材料(18)的熱膨脹量會大於扼流圈核心(12)之可磁化材料的熱膨脹量。由於扼流圈核心(12)內部區域的機械預應力會隨著溫度的升高而愈來愈大,因此可以進一步降低扼流圈核心單元(10)的機械振動及產生的噪音。
製造扼流圈核心單元(10)的過程是先將水泥與必要的水量混合,例如將水泥與相當於水泥重量之7.5%的蒸餾水混合,以形成一種漿膏狀的胚料,然後填充到氣隙(16)的段落(16b)中。接著將兩個扼流圈核心部分(12a,12b)壓縮,以形成扼流圈核心(12)及線圈管(14)之間的附著,這樣在水泥硬化後就可以達到穩定性非常高的機械連接。在壓縮時,中間段落(16b)中的填充材料(18)會溢出,並至少移動到氣隙(16)的大部分區域。多餘的填充材料(18)可以很容易的被去除。為了提高流動性,可以選擇性地在填充材料(18)中加入適當的添加物。
硬化過程分為3個階段進行,第一階段(預硬化)是在室溫下進行10至30小時,第二階段是在50℃下進行3小時,最後是在70℃℃下進行3小時。待冷卻後就可以對扼流圈核心(10)做最後的上漆工作。
第2圖顯示兩條頻譜曲線,其中第一條頻譜曲線(20a)顯示的是以先前技術製造之沒有填充材料(18)之扼流圈的機械振動強度與激發頻率(f)的關係。第2圖中的第二條頻譜曲線(20b)顯示的是具有如第1圖之扼流圈核心單元(10)之扼流圈的機械振動強度與激發頻率(f)的關係。在這兩種情況中,捲繞在線圈管(14)上的電導體都是以激發頻率(f)介於10kHz至30kHz的正弦狀激發電流運轉。第2圖中的縱座標代表扼流圈核心(12)之最大振幅的振動(FFT),其單位為m/s。從第2圖可以看出,由於氣隙(16)的機械穩定性較差,頻譜曲線(20a)在人耳可聽聞的頻率範圍(16kHz至19kHz)會出現一個機械振動的峰值,因此會產生大的噪音。反之,頻譜曲線(20b)之機械振動的峰值是出現在28kHz至29kHz的頻率範圍。因此這個振動是在人耳可聽聞的範圍之外。因此相較於以先前技術製造之扼流圈核心單元的扼流圈,本發明之扼流圈核心單元(10)在人耳可聽聞之範圍的機械振動及聲壓級均明顯較低。
為了更清楚的呈現上述的情況,第3圖顯示的是第2圖中III區(激發頻率(f)介於27kHz至30kHz)的放大圖。
10...扼流圈核心單元
12...扼流圈核心
12a,12b...扼流圈核心部分
14...線圈管
16...氣隙
16a,16b,16c...段落
18...填充材料
20a,20b...頻譜曲線
以下配合圖式及實施例對本發明的優點、特徵及細節作進一步的說明,在這些圖式中,相同或相同作用的元件均以相同的元件符號標示:
第1圖係扼流圈之扼流圈核心單元的一個實施例的側向斷面圖。
第2圖係兩個扼流圈的激發頻率相關的振動頻譜。
第3圖係第2圖的III區的放大圖。
10...扼流圈核心單元
12a,12b...扼流圈核心部分
14...線圈管
16a,16b,16c...段落
18...填充材料

Claims (9)

  1. 一種扼流圈,具有一個產生磁場的電導體及至少一個設置於電導體範圍之扼流圈核心單元(10),該扼流圈核心單元(10)具有一個由可磁化材料製成的扼流圈核心(12)及至少一個氣隙(16),為了達到良好的機械穩定性,該氣隙(16)至少有一部分填入一種填充材料(18),此種扼流圈之特徵為:該填充材料(18)的熱膨脹係數(αF )之值在該扼流圈核心(12)之該可磁化材料的熱膨脹係數(αD )之值之±70%的範圍內;其中該填充材料(18)含有一種無機黏著劑,該無機黏著劑至少含有一種可加水硬化的水泥。
  2. 如申請專利範圍第1項的扼流圈,其中該填充材料(18)之熱膨脹係數(αF )在該扼流圈核心(12)之該可磁化材料之熱膨脹係數(αD )的±50%、及/或±40%、及/或±25%、及/或±10%的範圍內。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項的扼流圈,其中製造該扼流圈核心(12)的材料至少包括一種鐵氧體及/或鐵粉及/或鉬坡莫合金及/或奈米結晶磁性材料。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項的扼流圈,其中該電導體在一個線圈管(14)上捲繞好幾圈。
  5. 如申請專利範圍第1項的扼流圈,其中水泥含有一種矽酸鹽,尤其是矽酸鋯及/或矽酸鈉及/或矽酸鈣、及/或一種氧化物,尤其是二氧化矽及/或氧化鎂及/或氧化鋁及/或氧化鐵及/或氧化鈣、及/或一種氫氧化物,尤其是氫氧 化鈣、及/或一種硫酸鹽,尤其是硫酸鈣、及/或一種磷酸鹽,尤其是磷酸鎂。
  6. 一種製造扼流圈之扼流圈核心單元(10)的方法,這種方法是以可磁化材料製造具有至少一個氣隙(16)的扼流圈核心(12),以及至少在一部分該氣隙(16)中填入一種填充材料(18),以達到良好的機械穩定性,此種方法的特徵為:該填充材料(18)具有一線性熱膨脹係數(αF ),其值在該扼流圈核心(12)之該可磁化材料的熱膨脹係數(αD )之值之±70%的範圍內;其中以含有至少一種鐵氧體的該可磁化材料作為製造該扼流圈核心(12)的材料,以及以一種可加水硬化的水泥作為該填充材料。
  7. 如申請專利範圍第6項的方法,其中先將該水泥與一規定量的水混合,然後填充到該氣隙(16)中。
  8. 如申請專利範圍第6項或第7項的方法,其中將該填充材料(18)填充到該氣隙中後,接著擠壓該填充材料。
  9. 如申請專利範圍第6項或第7項的方法,其中在填入該填充材料(18)時,在該扼流圈核心(12)及該扼流圈的線圈管(14)之間形成附著。
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