磁芯和包括该磁芯的磁性元件的制作方法

1.本公开涉及一种能够精确地维持间隙尺寸的磁芯和包括该磁芯的磁性元件。


背景技术：

2.磁芯是具有磁路特性的必要部件，磁路用于为磁性元件(例如变压器或电感器)中的磁通量提供通路。这样的磁性元件构成电磁干扰(emi)滤波器，或者被广泛用于近年来已广泛研究和开发的电动车辆、混合动力车辆等的dc-dc转换器。
3.图1是示出一般的dc-dc转换器的构造的一个示例的框图。
4.参考图1，dc-dc转换器10可以布置在第一电池(batt 1)20和第二电池(batt 2)30之间，并且可以包括驱动电路11、变压器12和输出电路13。
5.第一电池20可以输出dc电压和dc电流，并且变压器12可以转换ac电压和ac电流。因而，驱动电路11可以将第一电池20输出的dc电流转换为随时间变化的ac电流，并可以将该ac电流供应给变压器12的初级线圈，从而将该ac电流输入变压器12。为此，驱动电路11可以包括构成全桥(full bridge)的多个驱动开关，并且每个驱动开关可以在控制器40的控制下操作。
6.变压器12从驱动电路11接收ac电力，将该ac电力升压或降压以便对应于第一电池20与第二电池30之间的电压差，并将转换后的电力输出到次级线圈。另外，输出电路13可以将从变压器12输出的ac电流转换成dc电流，并且可以将该dc电流传输到第二电池30。除了该功能之外，变压器12还用于将分别连接到该变压器的输入端和输出端的电路电气隔离。
7.变压器12的磁芯通常包括mn-zn基铁氧体组分，因而可以被称为铁氧体磁芯。变压器12的效率根据铁氧体磁芯的磁通密度的变化而变化，损失的能量被转换为热能，并且该热能被释放。关于应用了包括铁氧体磁芯的磁性元件的上述dc-dc转换器和许多其它设备，存在小型化的需求和减少在操作期间从铁氧体磁芯产生的热量的需求。然而，由于铁氧体磁芯的尺寸与所产生的热量的减少之间存在权衡关系，仅通过减小铁氧体磁芯的尺寸难以满足电气性能要求。因此，作为减小铁氧体磁芯尺寸的替代方案，有必要修改铁氧体磁芯的形状或结构。
8.作为其替代方案，当磁芯由两个或更多个芯部分(core parts)组成时，可以在彼此面向的芯部分的中心腿或外腿之间形成间隙，以控制发热和电感。
9.然而，当仅在中心腿之间形成中心间隙的情况下，可以简单地通过切削所述中心腿来容易地形成该中心间隙，但这带来了热量集中在中心腿中的问题。为了解决该问题，已经提出了一种在外腿之间另外形成外部间隙的方法。然而，在这种情况下，难以控制该间隙的尺寸。


技术实现要素：

10.技术问题
11.为了解决现有技术的上述问题，已做出了本公开，并且本公开提供了一种具有优
异的发热特性且能够减小尺寸的磁芯以及包括该磁芯的磁性元件。
12.特别地，本公开提供了一种能够精确地维持外腿之间的间隙尺寸的磁芯和包括该磁芯的磁性元件。
13.本公开要实现的目的不限于上述目的，从以下描述中，本领域技术人员将清楚地理解本文中未提到的其它目的。
14.技术方案
15.为了实现上述目的，根据本公开的一个实施例的磁芯可以包括：上部芯，其至少具有第一外腿和第二外腿；下部芯，其至少具有面向第一外腿的第三外腿和面向第二外腿的第四外腿；以及外腿间隙部，其布置在以下区域的每一个中：第一外腿与第三外腿之间的区域，和第二外腿与第四外腿之间的区域。该外腿间隙部可以包括：粘合剂；以及多个球形填充物(fillers)，所述多个球形填充物以分散的形式布置在该粘合剂中。
16.在一个示例中，所述多个球形填充物可以在外腿间隙部中沿厚度方向彼此不重叠。
17.在一个示例中，可以考虑到与所述粘合剂的粘合力有关的所述外腿间隙部的平面面积来确定外腿间隙部中的所述球形填充物的含量上限，并且可以考虑到第一外腿、第二外腿、第三外腿和第四外腿中的每一个外腿的短边的长度以及所述球形填充物的直径来确定外腿间隙部中的所述球形填充物的含量下限。
18.在一个示例中，所述球形填充物可以占外腿间隙部的平面面积的0.2％至50％。
19.在一个示例中，所述上部芯还可以包括第一中心腿，所述下部芯还可以包括面向第一中心腿的第二中心腿，并且第一中心腿和第二中心腿之间可以形成中心间隙。
20.另外，根据一个实施例的磁性元件可以包括磁芯和至少一个线圈。所述磁芯可以包括：上部芯，其至少具有第一外腿和第二外腿；下部芯，其至少具有面向第一外腿的第三外腿和面向第二外腿的第四外腿；以及外腿间隙部，其布置在以下区域的每一个中：第一外腿与第三外腿之间的区域，和第二外腿与第四外腿之间的区域。该外腿间隙部可以包括：粘合剂；以及多个球形填充物，所述多个球形填充物以分散的形式布置在该粘合剂中。
21.有利效果
22.下面将描述根据本公开的磁芯的效果。
23.首先，由于球形填充物被设置在外部间隙中，所以可以通过改变所述填充物的直径来准确地控制该外部间隙的尺寸。
24.其次，也可以通过准确地维持该外部间隙的尺寸来维持中心间隙的尺寸。因此，可以实现目标电感值，可以在整个磁芯中均匀地发热，并且可以通过控制发热来减小其尺寸。
25.可通过本公开实现的效果不限于上述效果，从以下描述中，本领域技术人员将清楚地理解本文中未提到的其它效果。
附图说明
26.这里包括了附图以提供对本公开的进一步理解，并且这些附图与详细描述一起说明了本公开的实施例。然而，本公开的技术特征不限于特定附图，并且附图中所示的特征可以组合以构成新的实施例。
27.图1是示出一般的dc-dc转换器的构造的一个示例的框图。
28.图2a示出根据实施例的磁芯的构造的示例。
29.图2b是图2a中的部分
‘
a’的放大图。
30.图3a是示出根据实施例的下部芯的构造的一个示例的透视图。
31.图3b示出为了在根据实施例的外腿的截面上提供最小所需的支撑而布置填充物的示例。
32.图4示出了根据比较例的磁芯的构造的示例。
具体实施方式
33.下面将参考附图详细地描述适用本公开的实施例的设备和方法。本文中用于描述构成要素的后缀“模块”和“单元”仅是考虑到撰写本说明书的方便而分配或使用的，并且这两个后缀本身没有任何相互区分的含义或作用。
34.在实施例的以下描述中，应当理解的是，当每个元件被称为形成在另一元件“上”或“下”和“之前”或“之后”时，该元件可以直接在所述另一元件“上”或“下”和“之前”或“之后”，或者可以在二者之间有一个或多个居间元件的情况下间接地形成。
35.另外，本文中可能使用诸如“第一”、“第二”、“a”、“b”、“(a)”、“(b)”等术语来描述实施例的部件。这些术语仅用于将一个元件与另一元件区分开，对应元件的本质、次序或顺序不受这些术语限制。应当注意，如果在说明书中描述了一个部件“连接”、“联接”或“结合”到另一部件，则前者可以直接“连接”、“联接”或“结合”到后者，或者可以经由另一部件间接“连接”、“联接”或“结合”到后者。
36.另外，本文所述的术语“包含
…”
、“包括
…”
或“具有
…”
应被解释为不排除其它元件，而是还包括这样的其它元件，因为除非另有说明，否则相应元件可能是固有的。除非另有定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语或科学术语)与本领域技术人员通常理解的含义相同。术语(例如在通用词典中定义的那些术语)应被解释为与相关技术的上下文中的术语具有相同的含义，而不应被解释为具有理想的或过度形式的含义，除非在说明书中明确定义。
37.下面将参考附图详细地描述根据实施例的磁芯。
38.图2a示出了根据实施例的磁芯的构造的一个示例。
39.参考图2a，根据实施例的磁芯100可以包括从上方联接的上部芯110和从下方联接的下部芯120。上部芯110和下部芯120可以在竖直方向上彼此对称，或者可以不对称。为了便于说明，将在假设上部芯和下部芯彼此对称的情况下进行以下描述。
40.上部芯110和下部芯120中的每一个均可以包括磁性材料，例如铁或铁氧体，但本公开不限于此。
41.构成磁芯100的上部芯110或下部芯120中的至少一个(例如上部芯110)可以包括：本体bd，其具有扁平板形状；和多个腿111、112和113，这些腿111、112和113从本体bd沿厚度方向(即，-z轴方向)突出并沿预定方向延伸。所述多个腿可以包括：两个外腿112和113，所述两个外腿112和113在平面上的一个轴的方向(这里是y轴方向)上延伸并在另一个轴的方向(这里是x轴方向)上彼此间隔开；以及一个中心腿111，其布置在两个外腿112和113之间。
42.类似地，下部芯120也可以包括两个外腿122和123、以及布置在两个外腿122和123之间的一个中心腿121。
43.根据其外部外观，具有上述构造的上部芯110和下部芯120中的每一个都可以被称为“e”型芯。
44.上部芯110的中心腿111的下表面和下部芯120的中心腿121的上表面可以彼此面对，二者之间在厚度方向上有预定间隙。中心腿111和121之间的间隙可以被称为中心间隙cg。
45.另外，外腿间隙部130可以布置在每一对彼此面对的外腿之间，例如布置在以下区域的每一个中：上部芯110的一个外腿112与下部芯120的一个外腿122之间的区域，和上部芯110的另一外腿113与下部芯120的另一外腿123之间的区域。将参考图2b描述外腿间隙部130的具体构造。
46.图2b是图2a中的部分
‘
a’的放大图。
47.参考图2b，外腿间隙部130可以包括粘合剂131和多个填充物132。粘合剂131可以包括用于粘合一般铁氧体磁芯的成分，例如环氧树脂，但本发明不限于此。
48.每个填充物132可以具有球形形状，并且可以包括绝缘材料(例如氧化锆)，或者可以包括导电金属。每个填充物132可以布置成在外腿间隙部130中沿厚度方向不与其它填充物重叠。即，填充物132可以在外腿间隙部130中彼此平行地布置为单层。
49.在这种情况下，填充物132的直径d对应于由外腿间隙部130形成的外部间隙的尺寸，即，上部芯110的一个外腿113的下表面与下部芯120的一个外腿123的上表面之间的距离。因此，在根据本实施例的磁芯100中，通过改变填充物132的直径，可以精确地维持考虑到目标电感等而确定的该外部间隙的尺寸。
50.如果所有外腿和中心腿的长度在z轴方向上相等，则中心间隙cg的尺寸和该外部间隙的尺寸二者可以对应于填充物132的直径d。取决于中心腿被切削的长度，中心间隙cg的尺寸可大于填充物132的直径d。因而，在根据本实施例的磁芯100中，可以根据填充物132的直径d而自由地且准确地改变中心间隙cg和外部间隙的尺寸，因而容易地实现目标电感。另外，该磁芯能够以低公差制造，因而提高了其产量和可靠性。
51.为了制造根据本实施例的磁芯100，可以制备上部芯110和下部芯120，被形成为使得多个填充物132分散在粘合剂131中的间隙胶可以涂布在一对外腿112和122之间的区域以及一对外腿113和123之间的区域的每一个中，并且该间隙胶可以在上部芯和下部芯沿竖直方向被按压的状态下固化。在按压过程中，可以调整所述填充物的位置，使得一个填充物在厚度方向上不与其它填充物重叠。另外，为了控制根据本实施例的外腿间隙部130的厚度(即，所述外部间隙的尺寸)以使其对应于填充物132的直径d，优选所述填充物132具有足以防止其由于沿竖直方向施加到所述填充物的压力而变形或允许所述填充物的高度在对所述填充物施加压力之后在预定范围(例如5％)内改变的刚度。
52.如果填充物132包括导电材料，则上部芯110和下部芯120由于填充物132而处于电短路状态。在这种情况下，当磁芯100用于其中初级线圈的电压与次级线圈的电压之间存在较大差异的变压器中时，可以消除在上部芯110与一个线圈之间以及在下部芯120与另一线圈之间产生的寄生电容分量之间的电位差。因此，可以防止由于大的电位差引起的电弧放电现象的发生。
53.接下来，将参考图3a和图3b来描述外腿间隙部130中的填充物132的含量。
54.图3a是示出根据实施例的下部芯的构造的一个示例的透视图，并且图3b示出为了
在根据实施例的外腿的截面上提供最小所需的支撑而布置所述填充物的示例。
55.参考图3a，下部芯120的一个外腿123被形成为具有矩形平面的矩形柱的形状，使得其上表面su具有宽度w和长度l。在构造根据本实施例的磁芯100时，外腿间隙部130设置在外腿123的上表面su上，并且上部芯110的外腿113的与外腿123相对的下表面设置在外腿间隙部130上。这里，使外腿间隙部130能够支撑上部芯110的外腿113且同时防止外腿113变形的填充物132的理论最小数量是四个，并且这四个填充物132布置在外腿123的上表面su的四个相应的拐角p1、p2、p3和p4上。然而，这是理想的分布形式。在实践中，为了支撑，有必要在上表面su的短边(即，对应于“w”)所延伸的方向上布置至少两个填充物。
56.例如，假设上表面su的宽度w为4.25mm，其长度l为28mm，并且所述外部间隙的目标尺寸为100μm，则应设置在上表面su上的外腿间隙部130的平面面积为119mm2，并且外腿间隙部130的厚度(即，填充物132的直径d)为100μm。
57.在这种情况下，假设确保上部芯110和下部芯120之间的稳定联接所需的最小粘合力为100kg/cm2并且包括环氧树脂成分的粘合剂131的粘合力为200kg/cm2，如果粘合剂131的平面面积与外腿间隙部130的总平面面积的比值约为50％或更大，则能够确保稳定联接。即，当填充物132所占的平面面积为119mm2(即，外腿间隙部130的平面面积)的50％或更低时，能够稳定地联接上部芯110和下部芯120。
58.同时，直径为100μm的一个填充物132所占的平面面积为0.007850mm2(＝0.05x0.05x3.14)。
59.如图3b中所示，为了可靠地支撑上部芯110，上表面su的短边w被形成为使得：通过将短边w的长度减去50μm(即，位于左下角上的填充物132a的左半径r1)再减去50μm(即，位于右下角上的填充物132b的右半径)获得的值为4.15μm。该长度对应于定义用于最小所需的支撑的扇形单元区域的半径r2。此外，为了可靠地支撑对应的单元区域，提供了至少三个填充物132a、132b和132c。半径r2为4.15mm的该扇形单元区域的面积为13.5mm2(＝4.15
×
4.15
×
3.14/4)，并且，通过将外腿间隙部130的平面面积除以该单元区域的面积而获得的值约为8.8(即，119mm2/13.5mm2)。因此，在外腿间隙部130中为了得到最小所需的支撑而需要提供的填充物132的数量为26.4个(＝8.8
×
3)，并且26.4个填充物的平面面积为0.207mm2(＝0.00785mm2×
26.4)。
60.因此，当这些填充物在119mm2的平面面积中占了0.207mm2的平面面积时，可以支撑磁芯。所述填充物的该含量相当于0.17％，即，约0.2％。
61.综上所述，从所需粘合力的角度来看，外腿间隙部120中的填充物含量的上限约为50％，而从支撑铁芯的角度来看，填充物含量的下限约为0.2％。也就是说，外腿间隙部120中的填充物含量可以在0.2％至50％的范围内。
62.然而，该含量是基于环氧基粘合剂131的粘合力以及填充物的直径与外腿的平面面积的比值来计算的。因此，本领域技术人员应明白，该含量可以根据粘合剂的成分、所述外部间隙的目标尺寸以及外腿的平面区域的形状和尺寸而变化。
63.接下来，将参考图4描述根据本实施例的磁芯与比较例相比的优点。
64.图4示出了根据比较例的磁芯的构造的一个示例。
65.图4中的左图示出了根据比较例的磁芯100’，并且图4中的右图是对应于一对外腿113’和123’的部分b的放大图。在根据比较例的磁芯100’中，具有涂布到其上表面和下表面
的粘合剂ad的间隔层spl布置在彼此面向以形成外部间隙的一对外腿113’和123’之间。即，为了制造根据比较例的磁芯100’，将粘合剂ad涂布到每一对外腿的彼此面向的端表面上，将间隔层spl插入在每一对外腿之间，并且按压该磁芯。
66.然而，粘合剂ad的厚度可能会根据磁芯被按压的程度而变化。此外，因为间隔层spl通常被实现为聚酰亚胺膜，所以在按压该磁芯时，间隔层spl可能被压缩，因而难以准确地形成具有所期望的尺寸的外部间隙。此外，由于间隔层spl采用与外腿的平面形状相对应的单个片的形式，所以在制造过程中，间隔层spl可能从一对外腿之间的区域逸出，因而损害外观，或者在严重的情况下，不能满足目标规格。
67.相比之下，在根据实施例的磁芯100中，由于外腿间隙部130的厚度是根据填充物132的直径d决定的，所以在制造过程中几乎不需要担心公差或有缺陷的外观，并且，通过控制填充物132的直径，可以精确地实现具有任何各种各样尺寸的外部间隙。
68.同时，尽管上文已经描述了由两个e型芯组成的磁芯100，但本领域技术人员应明白，上述描述也可适用于其中磁芯被构造为i型芯与e型芯的组合或者三个或更多个芯的组合的情况，这取决于要制造的磁性元件的类型。此外，根据实施例的磁芯100也可应用于变压器、电感器以及通过与线圈组合而应用包括间隙的磁芯的任何其它磁性元件。
69.上述实施例的技术内容可以组合成各种形式，只要它们不会彼此不兼容即可，因而，可以在新实施例中实施。
70.本领域技术人员应当明白，在不背离本文中阐述的本公开内容的精神和本质特征的情况下，可以对形式和细节进行各种修改。因而，上文的详细描述并非旨在被解释为在所有方面限制本公开，而是应该作为示例来考虑。本公开的范围应通过对所附权利要求书的合理解释来确定，并且，在不脱离本公开的情况下所做的所有等效修改均应被包含在所附权利要求书中。