专利名称：磁元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁元件，它有磁芯和绕组构件，磁芯有第1侧面和与它相对的第2侧面，它有第1空腔，空腔从磁芯的第1侧面延伸到第2侧面，空腔内装入至少部分绕组构件，磁芯大致垂直于空腔，磁芯横截面的绕组窗口有第1对和第2对侧面，第1对侧面的两个侧面按高度方向隔开一个高度，第2对侧面的两个侧面按宽度方向隔开一个宽度。
绕组构件包括初级绕组，它有用箔绕成的相互绝缘的许多线圈匝，有底面和大致平行的顶面，所述的底面和顶面按高度方向隔开，绕组构件线圈匝大致从底面延伸到顶面，和绕在中心部分周围。
本发明还涉及消费电子装置。
这种磁元件已由WO-A 99/22565公开。现有的磁元件用磁芯的中心部分作它的中心件，其中设有磁隙。磁隙的方向大致平行于绕组构件的底面和顶面，和大致垂直于单个线圈匝。结果，现有磁元件的初级绕组是高密度的和高机械刚度的致密构件。磁元件可以是电感或变压器。
有磁隙的磁元件中，当元件在高频下用交流工作时会存在涡流。所述涡流会产生显著的能量损耗，因此，使温度升高。现有磁元件中，随着平行于磁隙取向的线圈匝表区域变小而限制涡流。如上所述，磁隙取向大致垂直于单个线圈匝。
现有磁元件的缺点是，当频率为100KHz时涡流增加较大，从上述WO专利申请的图3可以看到。
本发明的目的是，提供本文第1段所述类型的磁元件，与现有磁元件相比，在100KHz频率的涡流受到限制。
为实现该发明目的，中心部分包括按高度方向延伸的和延伸到至少是50％高度的磁隙。总的说来，磁隙允许磁场限定和集中在小体积内，极利于存储能量。磁元件的用途取决于它存储能量的能力，特别是磁元件是变压器时，磁元件的用途与它转换能量的能力有关。很多应用中，它有利于转移部分能量和存储剩余的能量。能量存储在经过初级绕组的电流产生的磁场中。
现有磁元件把磁场限制在与磁场变形一致的磁隙中。该变形包括磁场方向变化；无磁隙时磁场方向平行于线圈匝；有磁隙时，磁场方向不平行于绕组线圈附近区域内的磁场方向。这些相邻区域处于磁隙和绕组构件的底面和顶面之间。结果，在高频下存在涡流。
本发明的磁元件中，相邻区域距绕组构件的底面和顶面的距离短。结果，磁场主要在绕组构件的顶面上和底面下偏离平行于绕组线圈的方向。但是，由于绕组构件的顶面上和底面下不存在绕组线圈匝，所以能进一步限制涡流。
本发明的磁元件进一步满足了例如存储足够能量的条件。事实上，与现有磁元件相比，本发明的磁元件的绕组构件的高度下降，而磁隙区域扩大。典型的高度是1至10mm。
发明磁元件中的磁隙区域可以无磁性材料。因而有结构简单的优点。特别是结合磁隙区域的延长度为高度的80至100％时，更有利于简化结构。
磁隙区域内可填充低导磁率材料，如任何低导磁率铁氧体材料，以精细调节磁元件的性能。这种低导磁率材料在组装过程中能设定所要求的电感量，能提供电隔离，增大漏电距离和提供高导热率。低导磁率组材料实际上是聚合材料和磁性材料的组合材料，它最好是细颗粒料。材料可用塑性挤压和模塑技术制成任何形状。改变磁隙区域中的组合材料量来确定元件的电感量。迄今为止，这些磁性组合材料主要用于电磁干扰(EMI)屏蔽。例如，美国专利571402中公开的材料，和Tokin Flex-Suppressor和Epcom/Siemens-Matsuskita生产的材料，例如C302，C303，这些材料目前均能从市场上买到。这种磁性组合材料的优选例是纳晶Fe聚合物组合物和非晶型共聚物组合物。
优选实施例中，磁隙区域包括多层结构，它包括交替放置的磁性材料第1层和非磁性材料第2层，这些膜层与绕组构件的底面大致平行。该实施例中，用分布式间隙构成磁隙区域。多层结构例中，第1层是铁氧体板，它嵌在作为第2层的聚合物或其它非磁性的电绝缘材料中。另一结构例中，第1层包括低导磁率聚合物磁性组合材料。很容易制成导磁率在1至30范围内的这种材料。它用在磁隙中极好。为了获得最佳结果，第1层的厚度应接近磁性颗粒的直径。第2层的厚度应等于或大于颗粒直径。叠层垛压成盘之后，多层结构插入绕组构件中。
本发明的磁元件可以是电感。但是，优选实施例中，绕组构件包括次级绕组，它与初级绕组绝缘，初级和次级绕组均设有多个输出。该情况下，磁元件是变压器。绕组用的箔的厚度范围是0.5μm至500μm，可用任何导电材料，如铜，银或导电有机材料或填充有导电颗粒的有机材料制成箔。由于多个输出，初级和次级绕组均能装入电路中。这些输出最好在不受外部铁芯干扰的侧面引出磁元件。
初级和次级绕组最好是经过有第1漏电距离的第1隔离而相互绝缘。可用绝缘材料制成绝缘，这是本行业技术人员公知的。最好用聚合绝缘材料，聚对苯二甲酸乙酯(PET)，厚度最好是1μm至100μm；高度最好是0.1mm至30mm；这还与不同国家的法律规定的安全条例有关。
绕组有相互绝缘的许多线圈匝。但是，它的另一个优点是在绕组构件外边的初级绕组与磁芯之间设有第2绝缘。它还与它的初级绕组是初级或是次级电路的一部分的应用有关。本发明的磁元件能包括在回扫拓朴电路中，但是，也可以而且最好是包括在谐振电路中。
本发明还涉及包括本发明的磁元件的消费电子装置。由于磁元件的小型化形状和高频下的良好性能，所以磁元件特别适合于用在消费电子装置中，如移动电话，便携式计算机，电子灯镇流器等等。
以下将参照附图详细说明本发明磁元件的这些方案和其它方案，附图中相同的元件用相同的数字指示，附图中
图1是磁元件的透视图；图2是去掉磁芯顶部的磁元件的透视图，以便看得更清楚；图3是沿图1和2所示的V-V线剖开的磁元件的剖视图；图4是展示现有磁元件的磁芯和绕组的设置状况的示意图；图5是本发明的磁元件的磁芯和绕组的设置状况示意图；图6是说明有各种磁隙结构的磁元件的绕组损耗函数的损耗与工作频率的关系曲线图；图7是与磁场分布曲线有关的磁元件的曲线图；图8是在冷却体上的磁元件的剖视图。
图1是本发明磁元件20的透视图。磁元件20有磁芯100，磁芯100有第1侧面101和与它相对的第2侧面102。磁芯100有底部110和顶部111，它们之间有从第1侧面101延伸到第2侧面102的第1空腔105。第1空腔105装入绕组构件21。
图2是去掉磁芯100的顶部111的图1所示磁元件的透视图。磁芯100除底部110外还包括竖立部分112、113。绕组构件21是椭球形，它包括初级绕组78的线圈匝121，线圈匝121用隔离层79相互绝缘。绕组构件21在其顶面125和底面126之间有高度27。线圈匝绕在中心部分140周围。
图3是沿图1和2中V-V线剖开的剖视图。该剖面是绕组窗130。它有第1对和第2对侧面，第1对侧面的侧面131和132之间按高度方向隔开一个高度H，第2对侧面的侧面133和134之间按宽度方向隔开一个宽度。中心部分140中设有磁芯100的两部分141、142。中心部分141与142之间是磁隙区域24。该磁隙区域24有延长度23。它是高度27的至少50％，该情况下约为85％。
图4是现有磁元件200的示意图。在接近磁隙区域224的箔中有两个不同的损耗区域38、40，它们的延长度223小于高度27的50％。在顶上和底上的区域38中磁隙与磁场畸形相关，用箭头指示畸变量和畸变方向。因此在这些区域38、40中的磁场不平行于磁隙224，由于局部磁场增强，所以产生了明显涡流和损耗。磁场畸变导致明显的涡流，所以磁场的建立趋向中心部分240，畸变尺寸如箭头12所指。由于场边缘现象，使磁隙224附近区域38和40中的磁场不平行于箔绕制的线圈匝，此处的磁场最高。这导致附加损耗，如区域40中所示。
图5是本发明磁元件22的剖视图，例如，绕组窗130的示意图。该元件22中，磁隙区域24的延长度23是绕组构件21的高度27的100％。该元件22中，磁场的建立趋向中心部分140。但是，中心部分140附近的区域38、40中的磁力线平行该部分140中的磁场。本实施例中，磁隙24填充了磁性材料第1层61和电绝缘材料第2层62组成的多层构件60。
图6是损耗D与工作频率f的关系曲线图，它表示绕组损耗。曲线10是图4所示现有磁元件200的损耗D随工作频率f增大而增大的损耗曲线。曲线12是图5所示本发明的元件22的损耗随频率增大而增大的损耗曲线图。计算出对于平行于绕组窗130的厚度为0.5mm的磁芯100的元件层的绕组损耗。用有限参数法进行计算。结果以瓦特(Watts)为单位表示成交流电流的频率函数。
图7是与磁场分布曲线相关的磁元件32的曲线图。所示的磁元件是变压器32。图7中的箭头指示磁场(H)的方向。
图7a是沿绕组窗剖开的磁元件32的剖视图。磁元件32包括无铁芯段的磁芯100，所以，磁隙区域23的延长度等于绕组构件的高度。绕组构件包括初级绕组78和次级绕组80。两个绕组是由从绕组构件的底面延伸到顶面相互绝缘(没画)的线圈匝构成。这些参考数字尽管在图7b至7d中为了清楚而没画出，但将用在图7b至7d的说明中。
图7b中的曲线70指示满载的磁元件3d中的磁场方向，有效地缩短了次级电路中的次级绕组80。在初级绕组中建立了从点p5开始的磁场，在点p6达到磁场的最大。建立的磁场最大值保持在点p6和p7之间的初级绕组78和次级绕组80之间。在次级绕组80中的点p7和p8之间磁场减小。变压器中的磁场的该特性叫做漏磁通。这些条件下漏磁通平行于磁元件32的箔。
实际的变压器32中，总是有总漏磁通的一个小分量磁通不耦合到次级绕组80。该漏磁通按图7C中箭头所指的方式在磁芯100中循环。无负载的情况下，次级绕组开路，磁元件或变压器32基本上起电感器作用。初级绕组78产生磁场把能量存储在磁隙区域24中。磁隙区域24位于在磁芯100的中心部分中的点p4和p5之间。该磁隙区域24的延长度基本上等于绕组构件21的高度27。如图6所示，该条件下，磁场平行于线圈匝121的箔。
如图7d所示，在中间情况下，部分磁场46建立在初级绕组78中。该磁场建立部分转移到次级绕组80，一部分存储起来，如上述的实施例一样，在所有条件下，磁场将仍保持平行于线圈匝121。
变压器32最好实施在300KHz至500HKz的谐振功率供给，与常规的线绕变压器相比，变压器的尺寸小涡流损耗小。初级绕组78有匝数为43匝的线圈匝121；次级绕组80的线圈匝数与线圈匝121的匝数相近。两个绕组有多个引出头，每个绕组78，80的总厚度是20μm。单个线圈匝121的厚度是0.4μm，包括绝缘。绕组构件21的高度是5mm。用厚8μm宽6μm的聚对苯二甲酸乙酯构成线圈匝121的隔离层。为了符合安全要求，初级和次级绕组78和80和磁芯100之间，和初级和次级绕组78和80之间的隔离层用聚酰亚胺灌封，因此，使漏电距离达到2.3mm。该距离能提供要求的漏磁通量，并典型地密封初级和次级绕组78和80之间的表区域。变压器的漏电感是26μH，主电感是61μH。
图8是放在冷却体上的磁元件22的剖视图。磁元件22工作期间，特别是若实施例是变压器时，要从磁元件22去除的能耗升高。
由于在磁元件22和冷却体300之间有温度梯度，热形式的能耗会流入冷却体300。当线圈匝121垂直于冷却体取向时，热传导好。磁芯100的顶部111与空气接触。顶部111与空气之间同样有温度梯度，但它的斜率不太大，只是温度有较小的差别，但受热空气不能以有效的方式去除。为了改善磁芯100的中心部分的散热，磁芯最好在任何磁芯段，使得磁芯能用有较高导热系数的绝缘材料填充。这些填充料的实例是非离子化的非金属结晶材料。从而允许磁芯100的顶部111经中心部分140把热散到冷却体去。
权利要求
1.磁元件(22，32)，设有磁芯(100)和绕组构件(21)，磁芯(100)有第1侧面(101)和与它相对的第2侧面(102)，并设有第1空腔(105)，空腔(105)从磁芯(100)的第1侧面(101)延伸到第2侧面(102)，空腔(105)中装入至少部分绕组构件(21)，基本上垂直于空腔(105)的磁芯(100)的绕组窗(130)指定的横截面有第1对侧面(131，132)和第2对侧面(133，134)，第1对侧面中的侧面131和132按高度方向隔开一个高度(27)，第2对侧面中的侧面133和134按宽度方向隔开一个宽度，绕组构件(21)包括有箔绕制成的相互绝缘的多个线圈匝(121)的初级绕组(78)，绕组构件(21)还有大致平行的底面(126)和顶面(125)，所述底面(126)和顶面(125)按高度方向隔开，绕组构件(21)的线圈匝(121)基本上从底面(126)延伸到顶面(125)并绕在中心部分(140)周围，其特征是，中心部分(140)包括磁隙区域(24)，它按高度方向延伸，延伸度至少是高度(27)的50％。
2.按权利要求1的磁元件(22)，其特征是，磁隙区域(24)的延伸程度(23)是高度(27)的80-100％。
3.按权利要求2的磁元件(22、32)，其特征是，磁隙区域(24)的延伸程度(23)大致是高度(27)的100％，这种磁元件(22、32)无磁芯段。
4.按权利要求1、2或3的磁元件，其特征是磁隙区域(24)中无磁性材料。
5.按权利要求1、2或3的磁元件，其特征是，磁隙区域(24)包括多层构件(60)，它包括交替设置的磁性材料第1层(61)和非磁性材料第2层(62)，第1层(61)和第2层(62)大致平行于绕组构件(21)的底面(126)。
6.按权利要求1至5中任一项的磁元件(32)，其特征是，绕组构件(21)包括有箔绕制成的相互绝缘的多个线圈匝(121)的次级绕组(80)，次级绕组(80)与初级绕组(78)相互绝缘，初级和次级绕组(78，80)设有多个引出头。
7.按权利要求6的磁元件(32)，其特征是，初级绕组(78)和次级绕组(80)经有第1漏电距离的第1隔离层相互绝缘。
8.按权利要求6或7的磁元件(32)，其特征是，初级绕组(78)与磁芯(100)之间设有第2隔离层。
9.包括上述任一权利要求所述磁元件(22，32)的消费用电子装置。
全文摘要
磁元件有磁芯(100),和装在空腔(105)中的绕组构件(21)。绕组构件(21)有垂直于它的底面(126)和顶面(125)的高度,和设有从底面(126)延伸到顶面(125)的许多线圈匝(121),磁芯(100)有磁隙区域(24),它的延长程度至少是绕组构件(21)的高度(27)的50%,因此限制了涡流。
文档编号H01F27/34GK1366683SQ01800966
公开日2002年8月28日 申请日期2001年2月9日 优先权日2000年2月17日
发明者R·M·沃尔夫, P·J·范德扎尔格 申请人:皇家菲利浦电子有限公司