TWI493579B - 具多氣隙之磁性組件 - Google Patents

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Chien Hung Liu
Yu Liang Hung
Kun Te Chen
Yi Lin Chen
Fan Lin Liu
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Description

具多氣隙之磁性組件
本案係關於一種磁性組件，尤指一種具多氣隙之磁性組件。
一般而言，各式電器設備中經常使用磁性組件，例如變壓器、電感元件等。以電感元件為例，請參閱第1A圖及第1B圖，第1A圖係為習用具氣隙之電感元件之爆炸結構示意圖，及第1B圖係為第1A圖之電感元件之部分結構示意圖，其中繞線架與繞線組於圖中省略未示出。該具氣隙之電感元件1可應用於電源供應裝置之功率因素校正電路或諧振電路之電感元件使用，且包括繞線架10、第一磁芯11、第二磁芯12以及繞線組13。繞線架10具有貫穿通道101及繞線區102，其中貫穿通道101係供第一磁芯11之中柱111及第二磁芯12之中柱121容置於其內，繞線區102係供繞線組13繞設於其上。第一磁芯11與第二磁芯12係相對地設置於繞線架10上，且第一磁芯11之中柱111與第二磁芯12之中柱121之間形成一氣隙14，藉此以組裝形成具氣隙之電感元件1。
目前，應用於電源供應裝置之磁性組件除功率要求提高之外，也同時要求高度的降低與增加繞線空間。習用具氣隙之電感元件1需要使用繞線架10以將繞線組13固定設置於第一磁芯11與第二磁芯12之間，且使繞線組13覆蓋氣隙14。然而，繞線架10的設置會 佔用一定的空間，導致第一磁芯11與第二磁芯12之間所能容置的繞線組減少，降低了繞線使用率，且無法增加繞線組的線徑，導致電感元件1整體的溫度過高，降低了電感元件1的工作效率。此外，習用之電感元件1利用第一磁芯11之中柱111與第二磁芯12之中柱121間形成的單一氣隙14來避免磁飽和，然而，間距越大的氣隙將會造成較高的漏磁，導致能量耗損的增加，使電感元件1整體溫度上升，且降低了電感元件1的工作效率。
因此，如何解決傳統具氣隙之電感元件所面臨之繞線組使用率較低，無法增加繞線線徑，電感元件整體溫度較高及效率無法提升等問題，實為目前有待解決之課題。
本案之目的在於提供一種具多氣隙之磁性組件，其無需使用繞線架且直接繞線於磁芯上，藉此可減少製造成本及提高繞線使用率，並透過多氣隙之分散分佈與設置來降低與分散漏磁耗損，降低擴散磁通，使磁性組件工作溫度降低，進而提升磁性組件的工作效率。
本案之另一目的在於提供一種具多氣隙之磁性組件，藉由非對稱結構的堆疊磁芯單元設計，及利用串聯電流相同的電氣特性，使兩組繞線組間的磁芯磁力線可部分抵銷或共用，藉此可減少中層磁芯的厚度，進而節省空間，實現將串聯設置之磁性組件薄型化的目的。
根據本案之構想，本案之一較廣實施態樣為提供一種具多氣隙之 磁性組件，其包括第一磁芯、第二磁芯、中層磁芯、第一繞線組及第二繞線組。中層磁芯設置於第一磁芯與第二磁芯之間，其中第一磁芯與中層磁芯相耦接且形成第一繞線空間與第一氣隙，且第二磁芯與中層磁芯相耦接且形成第二繞線空間及第二氣隙。第一繞線組繞設於第一繞線空間中且覆蓋第一氣隙，且第二繞線組繞設於第二繞線空間中且覆蓋第二氣隙。其中，第一繞線組與第二繞線組串聯連接。
1‧‧‧電感元件
10‧‧‧繞線架
101‧‧‧貫穿通道
102‧‧‧繞線區
11、21、31‧‧‧第一磁芯
111、121、201、211、221、301、311‧‧‧中柱
12、22、32‧‧‧第二磁芯
13‧‧‧繞線組
14‧‧‧氣隙
2、3‧‧‧磁性組件
20、30‧‧‧中層磁芯
200、210、220、300、310、320‧‧‧連接部
200a‧‧‧頂面
202、212、222、302、321‧‧‧側柱
23‧‧‧第一繞線組
24‧‧‧第二繞線組
231、241‧‧‧第一出線端
232、242‧‧‧第二出線端
25‧‧‧底板
250‧‧‧貫穿通孔
26、33‧‧‧第一繞線空間
27、34‧‧‧第一氣隙
28、35‧‧‧第二繞線空間
29、36‧‧‧第二氣隙
3001‧‧‧上半連接部
3002‧‧‧下半連接部
A-A’‧‧‧軸線
H1‧‧‧第一長度
H2‧‧‧第二長度
H3‧‧‧第三長度
第1A圖係為習用具氣隙之電感元件之爆炸結構示意圖。
第1B圖係為第1A圖之電感元件之部分結構示意圖，其中繞線架與繞線組於圖中省略未示出。
第2圖係為本案第一較佳實施例之磁性組件之結構示意圖。
第3圖係為第2圖之磁芯結構示意圖。
第4圖係為本案第二較佳實施例之磁芯結構示意圖。
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，且其中的說明及圖式在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。
第2圖係為本案第一較佳實施例之磁性組件之結構示意圖，第3圖係為第2圖之磁芯結構示意圖。如第2圖及第3圖所示，本案之具 多氣隙之磁性組件2可應用於例如電源供應裝置之功率因素校正電路或諧振電路之磁性組件使用。本案之磁性組件2係為免繞線架(bobbinless)之磁性組件，且可為但不限於電感元件或變壓器。本案之磁性組件2包括中層磁芯20、第一磁芯21、第二磁芯22、第一繞線組23及第二繞線組24。第一磁芯21、中層磁芯20及第二磁芯22係依序堆疊連接，以形成一堆疊磁芯單元，其中該中層磁芯20係設置於第一磁芯21與第二磁芯22之間且分別與第一磁芯21與第二磁芯22相耦接。第一磁芯21與第二磁芯22係設置於中層磁芯20之兩相對側。第一磁芯21與中層磁芯20相組接且定義形成第一繞線空間26與第一氣隙27，其中第一氣隙27形成於第一磁芯21與中層磁芯20之間。第二磁芯22與中層磁芯20相組接且定義形成第二繞線空間28與第二氣隙29，其中第二氣隙29形成於第二磁芯22與中層磁芯20之間。第一繞線組23繞設於第一繞線空間26中並覆蓋第一氣隙27，第二繞線組24繞設於第二繞線空間28中並覆蓋第二氣隙29，且第一繞線組23與第二繞線組24串聯連接，藉此以組裝形成非對稱結構之具多氣隙之磁性組件2。
於一實施例中，磁性組件2更包括一底板25，例如絕緣板，且該第二磁芯22具有一底面(未圖示)與中層磁芯20相對，其中該底板25係貼附於第二磁芯22之底面，且底板25具有複數個貫穿通孔250可供第一繞線組23及第二繞線組24之各出線端穿設並固定於底板25上。於一些實施例中，底板25可利用黏膠連接之方式貼附於第二磁芯22之底面。
請再參閱第3圖，中層磁芯20、第一磁芯21及第二磁芯22分別為E型磁芯，但不以此為限。中層磁芯20具有一連接部200、一中柱 201及兩側柱202，第一磁芯21具有一連接部210、一中柱211及兩側柱212，且第二磁芯22亦具有一連接部220、一中柱221及兩側柱222。於一實施例中，中層磁芯20之連接部200、第一磁芯21之連接部210及第二磁芯22之連接部220具有相同之輪廓形狀及面積大小。中層磁芯20之中柱201、第一磁芯21之中柱211及第二磁芯22之中柱221皆為圓柱結構，具有相同之徑長，且其圓心皆設置於同一軸線A-A'上。中層磁芯20之兩側柱202、第一磁芯21之兩側柱212及第二磁芯22之兩側柱222具有相同之截面形狀及面積大小。當中層磁芯20、第一磁芯21及第二磁芯22相耦接時，第一磁芯21之中柱211與中層磁芯20之連接部200之頂面200a間形成第一氣隙27，且中層磁芯20之中柱201與第二磁芯22之中柱221之間形成第二氣隙29。其中，中層磁芯20、第一磁芯21及第一氣隙27構成第一組磁通路，且中層磁芯20、第二磁芯22及第二氣隙29構成第二組磁通路，因此可利用三個磁芯所連接構成之堆疊磁芯單元、第一繞線組23及第二繞線組24而組裝形成具多氣隙之磁性組件2，且可形成至少兩組具有漏感之磁通路。請再參閱第2圖，第一繞線組23可為一線餅結構，繞設於第一磁芯21之中柱211上，且覆蓋第一氣隙27。第一繞線組23具有第一出線端231與第二出線端232，且第一出線端231與第二出線端232分別由位於第一繞線空間26之中柱211之相對側延伸出線。第二繞線組24可為一線餅結構，繞設於中層磁芯20之中柱201及第二磁芯22之中柱221上，且覆蓋中層磁芯20之中柱201與第二磁芯22之中柱221間之第二氣隙29。第二繞線組24具有第一出線端241與第二出線端242，且第一出線端241與第二出線端242分別由位於第二繞線空間28之中柱201與中柱221之相對側延伸出線。其中，第一繞線組23之第二出 線端232係與第二繞線組24之第二出線端242連接，例如銲接。第一繞線組23之第一出線端231以及第二繞線組24之第一出線端241分別從第一繞線空間26及第二繞線空間28同側向外向下延伸至底板25，並分別穿設於不同之貫穿通孔250內，以將第一繞線組23之第一出線端231及第二繞線組24之第一出線端241固定於底板25上，藉此可利用該第一出線端231及第一出線端241作為導接端子而分別與對應之外部電路進行電性連接。於本實施例中，第一繞線組23與第二繞線組24具有相同之繞線方向，舉例來說，當第一繞線組23為順時針繞線時，第二繞線組24亦同時為順時針繞線。
於一實施例中，中層磁芯20之連接部200、第一磁芯21之連接部210及第二磁芯22之連接部220具有相同之厚度。中層磁芯20之側柱202具有第一長度H1，第一磁芯21之側柱212具有第二長度H2，第二磁芯22之側柱222具有第三長度H3，其中第二長度H2分別大於第一長度H1及第三長度H3，且第一長度H1相等於第三長度H3。然而，第一長度H1、第二長度H2與第三長度H3之大小與三者間的比例並不以此為限，可根據第一繞線組23及第二繞線組24之繞線圈數及實際應用而對應調整。於本實施例中，第一氣隙27之間距大小與第二氣隙29之間距大小以相等為較佳，但不以此為限，可根據第一長度H1、第二長度H2及第三長度H3及實際應用而調整第一氣隙27與第二氣隙29的間距大小。此外，當第一長度H1與第三長度H3相等時，以中層磁芯20之中柱201相等於第二磁芯22之中柱221為較佳，藉以使第二氣隙29平均分布於中層磁芯20與第二磁芯22之間。
於一些實施例中，中層磁芯20、第一磁芯21與第二磁芯22之間可 利用例如黏膠及/或膠帶纏繞等方式組接，以避免各元件彼此分離。
此外，如第1B圖所示，習用之電感元件1僅具有單一氣隙14，其所需之間距較大。反觀本發明之磁性組件2，藉由串聯設置之第一繞線組23及第二繞線組24完成多氣隙之設計，不僅使所需之氣隙分散，更可使各磁芯之中柱磨得較淺，即氣隙之總間距變小。例如，習用之電感元件1之氣隙14間距總和為6.10釐米，且平均分布於第一磁芯11與第二磁芯12，即第一磁芯11與第二磁芯12各具有3.05釐米之氣隙，亦即第一磁芯11與第二磁芯12之中柱磨得較深。在達到與相同電感值之條件下，本發明之磁性組件2之氣隙間距總和僅需4釐米，其中第一氣隙27及第二氣隙29之間距為2釐米，第二氣隙29平均分布於中層磁芯20與第二磁芯22上，即中層磁芯20具有1釐米之氣隙，且第二磁芯22亦具有1釐米之氣隙，換言之，中層磁芯20之中柱201、第一磁芯21之中柱211及第二磁芯22之中柱221磨得較淺。由於氣隙越大會造成較大之能量損耗，並使磁性組件之工作溫度上升，故利用本案之非對稱結構之具多氣隙之磁性組件2，可以減縮氣隙間距，進而提升磁性組件2之工作效率。
請參閱第4圖，其係為本案第二較佳實施例之具多氣隙之磁性組件之磁芯結構示意圖。如圖所示，於本實施例中，具多氣隙之磁性組件3包括中層磁芯30、第一磁芯31、第二磁芯32、第一繞線組(未圖示)、第二繞線組(未圖示)、第一繞線空間33、第一氣隙34、第二繞線空間35及第二氣隙36，其中該具多氣隙之磁性組件3之結構與第一實施例之具多氣隙之磁性組件2之結構相仿，於此 不再贅述。惟本實施例之具多氣隙之磁性組件3與第一實施例之具多氣隙之磁性組件2之間的差異在於，具多氣隙之磁性組件3之中層磁芯30係為Y型磁芯且藉由一U型磁芯及一T型磁芯連接組成，第一磁芯31為T型磁芯，第二磁芯32為U型磁芯，其中，中層磁芯30與第一磁芯31及第一氣隙34形成第一組磁通路，且中層磁芯30與第二磁芯32及第二氣隙36形成第二組磁通路，因此可利用三個以上之磁芯所連接構成之堆疊磁芯單元、第一繞線組及第二繞線組而組裝形成具多氣隙之磁性組件3，且可形成至少兩組具有漏感之磁通路。於本實施例中，中層磁芯30之U型磁芯及T型磁芯可藉由例如黏膠方式相連接組合，但不以此為限。中層磁芯30、第一磁芯31及第二磁芯32之間可利用例如黏膠及/或膠帶纏繞等方式耦接，以避免各元件彼此分離。
請再參閱第4圖，於本實施例中，中層磁芯30包括連接部300、中柱301及兩側柱302，第一磁芯31包括連接部310及中柱311，第二磁芯32包括連接部320及兩側柱321。其中，中層磁芯30之連接部300係由上半連接部3001及下半連接部3002所構成，且上半連接部3001之底面與下半連接部3002之頂面相組接，換言之，兩側柱302係由上半連接部3001之頂面兩相對側延伸而出，而中柱301係由下半連接部3002之底面延伸而出。中層磁芯30之上半連接部3001、下半連接部3002、第一磁芯31之連接部310及第二磁芯32之連接部320具有相同之厚度，且上半連接部3001之厚度相等於下半連接部3002之厚度。
於本實施例中，中層磁芯30與第一磁芯31皆包括T型磁芯的結構，因此，可利用自動繞線的方式直接將第一繞線組(未圖示)及第 二繞線組分別繞設於第一磁芯31之中柱311上與中層磁芯30之中柱301上，以達到自動化繞線作業及節省繞線成本的優點。
綜上所述，本案提供一種具多氣隙之磁性組件，其無需使用繞線架且可直接繞線於磁芯上，藉此可減少製造成本及提高繞線使用率。此外，本案之具多氣隙之磁性組件可透過多氣隙之分散分佈與設置來降低與分散漏磁耗損，降低擴散磁通，使磁性組件之工作溫度降低，進而提升磁性組件的工作效率。此外，藉由非對稱結構的堆疊磁芯單元設計，及利用串聯電流相同的電氣特性，使兩組繞線組間的磁芯磁力線可部分抵銷或共用，藉此可減少中層磁芯的厚度，進而節省空間，實現將串聯設置之磁性組件薄型化的目的。
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。
2‧‧‧具多氣隙之磁性組件
20‧‧‧中層磁芯
21‧‧‧第一磁芯
22‧‧‧第二磁芯
23‧‧‧第一繞線組
24‧‧‧第二繞線組
231、241‧‧‧第一出線端
232、242‧‧‧第二出線端
25‧‧‧底板
250‧‧‧貫穿通孔
26‧‧‧第一繞線空間
27‧‧‧第一氣隙
28‧‧‧第二繞線空間
29‧‧‧第二氣隙

Claims (6)

  1. 一種具多氣隙之磁性組件，包括：一第一磁芯；一第二磁芯；一中層磁芯，設置於該第一磁芯與該第二磁芯之間，其中該第一磁芯與該中層磁芯相耦接且形成一第一繞線空間與一第一氣隙，該第二磁芯與該中層磁芯相耦接且形成一第二繞線空間與一第二氣隙；一第一繞線組，繞設於該第一繞線空間中且覆蓋該第一氣隙；以及一第二繞線組，繞設於該第二繞線空間中且覆蓋該第二氣隙，其中該第一繞線組與該第二繞線組串聯連接；其中，該中層磁芯為一Y型磁芯且由一U型磁芯及一T型磁芯連接組成，該第一磁芯為一T型磁芯，該第二磁芯為一U型磁芯。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具多氣隙之磁性組件，其中該中層磁芯、該第一磁芯及該第二磁芯形成一非對稱結構之具多氣隙之磁性組件。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具多氣隙之磁性組件，其中該第一磁芯包括一連接部及一中柱，該第二磁芯包括一連接部及二側柱，以及該中層磁芯包括一連接部、一中柱及二側柱。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之具多氣隙之磁性組件，其中該第一磁芯之該中柱與該中層磁芯之該連接部之一底面間形成該第一氣 隙，且該中層磁芯之該中柱與該第二磁芯之該連接部之間形成該第二氣隙。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之具多氣隙之磁性組件，其中該第一氣隙之間距等於該第二氣隙之間距。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之具多氣隙之磁性組件，其更包括一底板，該底板具有複數個貫穿通孔，其中該底板貼附於該第二磁芯之一底面，且該第一繞線組之一出線端及該第二繞線組之一出線端分別穿設於該複數個貫穿通孔且固定於該底板。
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