CN111292930B - 电子设备与其滤波电感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电子设备与滤波电感器(filter inductor)(200)，滤波电感器可被装设于一电子设备的一输入端；该滤波电感器(200)包括多个磁芯与至少一导体，该多个磁芯包括一第一磁芯(22)与一第二磁芯(55)，其中该至少一导体嵌入该第一磁芯(22)内；该第二磁芯(55)有一中空部份，用以容纳该第一磁芯(22)，其中该第一磁芯(22)是由一第一磁性材质构成，而该第二磁芯(55)是由一第二磁性材质构成，该第二磁性材质不同于该第一磁性材质。
Description
技术领域
本发明涉及一电子设备，尤其涉及一电子设备的一滤波电感器(filterinductor)。
背景技术
一高功率电力系统通常具备一高功率电源模块，例如一转换器(converter)模块或一逆变器(inverter)模块。这类电源模块在全频率范围或至少是某些频率范围内，通常无法满足国际无线电干扰特别委员会(CISPR，法语原名为ComitéInternational Spécialdes Perturbations Radioélectriques)对于电磁干扰现象(electromagneticinterference，简称EMI)的监管标准和其他标准，尤其是在电动汽车(electric vehicle，简称EV)或是油电混合动力车(hybrid electric vehicle，简称HEV)的驱动系统所需的频率范围和/或一高频范围内。因此，在这类高功率电源模块的输入端需设置多个各自使用不同磁性材质的滤波电感器，用以滤除在全频范围内的共模(common-mode，简称CM)和差模(differential-mode，简称DM)噪声与消除电磁干扰。
图1是现有技术中的一滤波电感器100的一切面示意图。滤波电感器100设置在一高功率电力系统具有的一高功率电源模块的输入端。滤波电感器100包括一外壳41、一磁芯26、两条分别为正负的母线(busbar)11、一中心柱202、一侧柱201、一中央空隙65与至少一侧边空隙。两条母线11嵌在磁芯26里，且将磁芯26区分成中心柱202与侧柱201。中心柱202位于两条母线11之间，磁芯26的其余部分则为侧柱201。中央空隙45与该至少一侧边空隙各自位于中心柱202与侧柱201内，如此，形成了如图1所示的一个，由滤波电感器100的切面看来是近似于一H型的结构。为了便于形成上述结构与元件组装，磁芯26由多个独立的磁块26a、26b所组成，组装方式为使用一黏合层(adhesive layer)33将磁块26a、26b黏合在一起。黏合层33的材质可为单液型环氧树脂黏着剂(EPORITE 2089)。
外壳41用以容纳磁芯26与母线11，因此外壳41的容积与形状的设计，须配合磁芯26与两条母线11各自的体积与形状。此外，为了便于元件组装，外壳41可由多个外壳部件组成，例如本实施例中的一上半部壳体41a与一下半部壳体41b。
磁芯26的材料为一种磁性材质，可由以下几种软磁材料中选取一种来使用：铁氧体(ferrite)、非晶软磁(amorphous soft magnetic material)和铁粉。若磁芯26的材质是锰锌铁氧体(MnZn ferrite)，由于其具有的高磁导率仅适用于一低频范围(例如介于1K与30M赫兹之间)内，滤波电感器100只能用于衰减该低频范围内的共模与差模噪声。相反地，如果选用镍锌铁氧体(NiZn ferrite)作为磁芯26的材质，则由于其在一高频范围(例如介于30M与1000M赫兹之间)内的高组抗的特性，滤波电感器100只能用于衰减该高频范围内的共模与差模噪声与消除电磁干扰。
因此得知，为了能够消除在一全频范围(即涵盖上述该低频范围与该高频范围)内的共模与差模噪声与电磁干扰，仅靠单一个现有技术的滤波电感器是无法施行的，而必须在该高功率电源模块的该输入端设置多个各自使用不同磁性材质的滤波电感器；此外，该多个滤波电感器分别占据该高功率电源模块内部一定的空间，以致于在产品设计规划上，无法缩减该高功率电源模块的整体体积。
发明内容
本发明的目的在于解决上述的技术问题，而提供一种具有多个磁芯的滤波电感器，用以消除在一全频范围内的噪声与电磁干扰。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种滤波电感器，其可被装设于一电子设备电源模块的一输入端；该滤波电感器包括多个磁芯与至少一导体，该多个磁芯包括一第一磁芯与一第二磁芯，其中该至少一导体嵌入该第一磁芯内；该第二磁芯有一中空部份，用以容纳该第一磁芯，其中该第一磁芯是由一第一磁性材质构成，而该第二磁芯是由一第二磁性材质构成，该第二磁性材质不同于该第一磁性材质。
进一步地，该第一磁性材质与该第二磁性磁性材质，皆可在以下的多种软磁材料中选取：铁氧体(ferrite)、非晶软磁(amorphous soft magnetic material)和铁粉。
进一步地，该第一磁性材质能在一第一频率范围内消除噪声与电磁干扰，而该第二磁性材质能在一第二频率范围内消除噪声与电磁干扰，该第二频率范围不同于该第一频率范围。
进一步地，该第一频率范围与该第二频率范围的并集覆盖了一全频范围，该全频范围介于1K赫兹与1000M赫兹。
进一步地，该第一磁性材质与该第二磁性材质中的其中一个是镍锌铁氧体(NiZnferrite)，另一个是锰锌铁氧体(MnZn ferrite)。
进一步地，该滤波电感器另包括一外壳，其用以容纳该多个磁芯。
进一步地，该滤波电感器另包括一第一紧固装置，该第一紧固装置用以固定该多个磁芯中的至少一个磁芯。
进一步地，该第一紧固装置包括至少一第一肋，以及与该至少一第一肋相对的至少一第一槽，其中该至少一第一肋设置于该外壳的至少一内壁，并与设置于该第二磁芯的表面的该至少一第一槽相对应；或该至少一第一槽中设置于该外壳的至少一内壁，并与设置于该第二磁芯的表面的该至少一第一肋相对应。
进一步地，该滤波电感器另包括至少一导体通道，该至少一导体通道形成于该第一磁芯的内部，用以让该至少一导体通过。
进一步地，该滤波电感器另包括一第二紧固装置，该第二紧固装置用以固定该多个磁芯中的至少一个磁芯。
进一步地，该第二紧固装置包括至少一第二肋，以及与该至少一第二肋相对的至少一第二槽，其中该至少一第二肋设置于该至少一导体通道的至少一外壁，并与设置于该第一磁芯与该至少一导体通道接触的部分的表面的该至少一第二槽相对应；或该至少一第二槽中设置于该至少一导体通道的至少一外壁，并与设置于该第一磁芯与该至少一导体通道接触的部分的表面的该至少一第二肋相对应。
进一步地，该第一磁芯和该第二磁芯的其中的至少一个，是由多个独立的磁块所组成，组成方式为使用一黏合层(adhesive layer)将该多个磁块黏合在一起。
进一步地，该滤波电感器包括两个导体，该两个导体包括两条各为正负的母线(busbar)，该至少一导体通道包括两个导体通道。
进一步地，该第一磁芯包括一中心柱与一侧柱，该中心柱位于该两个导体通道之间。
进一步地，该滤波电感器包括至少一中央空隙，该至少一中央空隙位于该中心柱内。
本发明亦涉及于一种电子设备，包括上述的滤波电感器。
进一步地，该电子设备为一逆变器(inverter)。
附图说明
图1是现有技术中的一滤波电感器100的一切面示意图。
图2a、图2b和图2c各自是本发明的一滤波电感器200的第一实施例的切面示意图。
图3a和图3b各自是本发明的滤波电感器200的第二实施例的切面示意图。
图4a和图4b各自是本发明的滤波电感器200的第三实施例的切面示意图。
图5a和图5b各自是本发明的滤波电感器200的第四实施例的切面示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例，对本发明的实质性特点和优势作进行详细说明，但本发明并不局限于所列的实施例。
图2a、图2b和图2c各自是本发明的一滤波电感器200的第一实施例的切面示意图。滤波电感器200设置在一电子设备，例如一高功率电力系统具有的一高功率电源模块的输入端，且具有多个磁芯，用以消除在一全频范围内的噪声与电磁干扰。该多个磁芯中的至少两个磁芯是由不同于彼此的磁性材质构成的。优选地，该电子设备为一逆变器(inverter)。
于本实施例中，滤波电感器200的该多个磁芯包括一第一磁芯22与一第二磁芯55，而第二磁芯55具有一中空部分，该中空部分用以容纳第一磁芯22。在另一个实施例(未图示)中，滤波电感器200有三个磁芯，由内而外包括一第一磁芯、一第二磁芯与一最外围的第三磁芯，则该第二磁芯与该第三磁芯皆具有一中空部分，分别用以容纳该第一磁芯与该第二磁芯。本发明不受限于该多个磁芯的个数。
进一步地，滤波电感器200另包括一外壳44(如图2c所示)、至少一导体通道101、至少一导体、一中心柱202、至少一中央空隙65、一侧柱201与至少一侧边空隙。该至少一导体通道101形成于(亦可说是镶嵌在)第一磁芯22的内部，用以让该至少一导体通过。于本实施例中，该至少一导体包括两条各自为正负的母线(busbar)，而滤波电感器200具有的两个导体通道101则用以让该两条母线通过。
至于外壳44，其材质可为一塑胶。外壳44用以容纳该多个磁芯(例如本实施例中的第一磁芯22与第二磁芯55)，并且设置有该至少一导体通道101。外壳44的容积与形状的设计，须配合该多个磁芯与该至少一导体通道101的体积与形状。于一实施例中，外壳44的结构可为如同图1的滤波电感器100的外壳41，其可由多个外壳部件组成，例如上半部壳体41a与下半部壳体41b；然而本发明不限于外壳44的实施(例如材质、结构、尺寸与形状等等)。
滤波电感器200的两个导体通道101将第一磁芯22区分成中心柱202与侧柱201，中心柱202位于两个导体通道101之间，其余部分则为侧柱201。该至少一中央空隙65与该至少一侧边空隙则各自位于中心柱202与侧柱201里，且通常是各自位于中心柱202与侧柱201的中间，如此，形成了如图2a所示的一个，由滤波电感器200的切面来看是一近似于H型的结构。该至少一中央空隙65可用以容纳滤波电感器200另具有的一元件，像是一传感器。此外，于另一个实施例中(未图示)，滤波电感器200具有多个位于中心柱202内的中央空隙65。进一步地，在另一些实施例中(未图示)，滤波电感器200不具有上述的侧边空隙或是具有多个该侧边空隙。本实施例不限于该至少一中央空隙65与该至少一侧边空隙的个数。
进一步地，为了便于形成上述结构与元件组装，第一磁芯22由多个独立的第一磁块22a、22b所组成，组装方式为使用一黏合层(adhesive layer)33将该多个第一磁块22a、22b黏合在一起，组成一个形状为一个长度、宽度、厚度各自为90毫米、60毫米、50毫米的方块，如图2a所示。黏合层33的材质可为的材质可为单液型环氧树脂黏着剂(EPORITE 2089)。另外，虽然本实施例中的第一磁芯22是由两个第一磁块22a、22b组成的，然而本发明不受限于多个第一磁块的个数；除此之外，在另一实施例中(如后面会叙述到的第三实施例)，第一磁芯22可为一个一体成型的磁芯块，无须使用任何黏合层黏合。
第二磁芯55可为一个一体成型且具有一中空部分的方块，该中空部分用以将第一磁芯22容纳于其内，如图2a与图2b所示。也因此，第二磁芯55的该中空部分的形状与体积，是由第一磁芯22的形状与体积来决定的。更进一步地，第一磁芯22和第二磁芯55各自的尺寸与形状，须配合滤波电感器200关于形状或是体积相关的设计细节来决定。于本实施例中，第一磁芯22和第二磁芯55的形状，以及第二磁芯55的该中空部分的形状皆为一方块；然而本发明不限于第一磁芯22和第二磁芯55各自的尺寸与形状。
第一磁芯22由一第一磁性材质构成，而第二磁芯55由一第二磁性材质构成，该第二磁性材质不同于该第一磁性材质。此外，在选取该第一磁性材质与该第二磁性材质时，须考虑这两种材质在对于共模和/或差模躁声与电磁干扰的消除的效果上，是否能够分别在某一个频率范围内达成良好的效果；也就是说，该第一磁性材质与该第二磁性材质被选取用以能分别有效地消除在一第一频率范围与在一第二频率范围内的噪声与电磁干扰，且该第一频率范围不同于该第二频率范围；优选地，该第一频率范围与该第二频率范围的并集为一介于1K赫兹与1000M赫兹的全频范围。
至于在上述提到的具有三个磁芯的实施例(未图示)中，该三个磁芯各由不同的磁性材质构成，各自能有效地消除在三个频率范围内的噪声与电磁干扰，且该三个频率范围的并集，即是该全频范围。如此一来，滤波电感器200便能消除在该全频范围内的共模和/或差模躁声与电磁干扰。
该多个磁芯各自的磁性材质，例如第一磁芯22的该第一磁性材质与第二磁芯55的该第二磁性材质，皆可以从以下的几种软磁材料中选取：铁氧体(ferrite)、非晶软磁(amorphous soft magnetic material)和铁粉等。于本实施例中，该第一磁性材质是镍锌铁氧体(NiZn ferrite)，由于其在该第一频率范围(例如介于30M与1000M赫兹之间的一高频范围)内的高阻抗的特性，因此第一磁芯22可在该第一频率范围内有效地使共模和/或差模噪声衰减与提供良好的消除电磁干扰的效果；该第二磁性材质则是锰锌铁氧体(MnZnferrite)，由于其在该第二频率范围(例如介于1K与30M赫兹之间的一低频范围)内的高传导率的特性，因此第二磁芯55可在该第二频率范围内有效地使噪声衰减。
如此，利用第一磁芯22和第二磁芯55各自不同的磁性材质分别在该高频范围和在该低频范围内的特性，单一个滤波电感器200即能达成在该全频范围(即包括上述的该第一频率范围与该第二频率范围)内对于消除噪声与电磁干扰的要求。
优选地，滤波电感器200另包括一第一紧固装置和/或一第二紧固装置，用以固定该多个磁芯中的至少一个磁芯。于图2c所示的本实施例中，滤波电感器200包括该第一紧固装置与该第二紧固装置，分别用以固定第二磁芯55与固定第一磁芯22，且因此可避免第一磁芯22和第二磁芯55之间的相互间的电磁干扰。
进一步地，如图2c所示，该第一紧固装置包括至少一第一肋81，以及与该至少一第一肋81相对的至少一第一槽；该至少一第一肋81设置于外壳44的至少一内壁，并与设置于第二磁芯55的表面的该至少一第一槽相对应。该第二紧固装置包括至少一第二肋82，以及与该至少一第二肋82相对的至少一第二槽；该至少一第二肋82设置于该至少一导体通道101的至少一外壁，并与设置于第一磁芯22与该至少一导体通道101接触的部分的表面的该至少一第二槽相对应。
于另一实施例(未图示)中，上述的肋与槽的位置对调，也就是说，该第一紧固装置所包括的至少一第一槽设置于该外壳44的至少一内壁，并与设置于第二磁芯55的表面的至少一第一肋81相对应；该第二紧固装置所包括的至少一第二槽设置于该至少一导体通道101的至少一外壁，并与设置于第一磁芯22与该至少一导体通道101接触的部分的表面的至少一第二肋82相对应。
图3a和图3b、图4a和图4b、图5a和图5b分别是本发明的滤波电感器200的第二、第三以及第四实施例的切面示意图。第二、第三以及第四实施例中具有与第一实施例中同名且同编号的元件，该些元件的功能相似或相同，已于上述对于第一实施例的描述中解说过，故不再赘叙。
第二实施例和第一实施例之间的区别，在于第一磁芯22和第二磁芯55的形状。第二实施例的第一磁芯22和第二磁芯55的形状，以及第二磁芯55的该中空部分的形状皆为一圆柱状，与第一实施例的皆为方块状的形状不同。而于另一些实施例(未图示)中，第一磁芯22、第二磁芯55与第二磁芯的该中空部分，可为一椭圆柱或一三角柱状。
第三实施例和第一实施例的第一磁芯22的形状皆相同，皆为一方块，而区别在于第一磁芯22是否是一体成形。第三实施例的第一磁芯22是一个一体成形的磁芯块，而第一实施例的第一磁芯22是通过使用一黏合层33将多个分离的第一磁块22a、22b黏合而组成。
第四实施例和第一实施例的第二磁芯55的形状皆相同，皆为一具有中空部分的方块，该中空部分用以容纳第一磁芯22。第四实施例和第一实施例的区别，在于第四实施例的第二磁芯55包括多个独立的第二磁块55a、55b，并通过使用一黏合层33将第二磁块55a、55b黏合，然而第一实施例的第二磁芯55是一个一体成形的磁芯块，无须使用任何黏合层黏合。因此，虽然第四实施例中的第二磁芯55是由两个第二磁块55a、55b组成的，然而本发明不受限于多个第二磁块55的个数。
与现有技术相比，现有技术需要在一高功率功率模块的输入端安装多个滤波电感器以消除在全频范围内的噪声与电磁干扰，然而本发明的优点即在于，只须要设置一个本发明的滤波电感器，即能达成上述的功效；另一方面，正是因为一高功率电源模块不再需要具有多个滤波电感器，所以本发明的滤波电感器能降低该高功率电源模块以及与其所属的高功率电力系统的制造成本，并且能缩小该高功率电源模块的体积，且其功率密度更高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种滤波电感器(200)，其可被装设于电子设备的输入端；所述滤波电感器(200)包括第一磁芯(22)与至少一导体，所述至少一导体设置在所述第一磁芯(22)内；所述滤波电感器(200)特征在于包括：
多个磁芯，其至少包括有所述第一磁芯(22)与第二磁芯(55)，所述第二磁芯(55)有中空部份，用以容纳所述第一磁芯(22)，其中所述第一磁芯(22)是由第一磁性材质构成，而所述第二磁芯(55)是由第二磁性材质构成，所述第二磁性材质不同于所述第一磁性材质，
一外壳(44)，其用以容纳所述多个磁芯，
一第一紧固装置，其用以固定所述多个磁芯中的至少一个磁芯(55)，所述第一紧固装置包括至少一第一肋(81)，以及与所述至少一第一肋(81)相对的至少一第一槽，其中:
所述至少一第一肋(81)设置于所述外壳(44)的至少一内壁，并与设置于所述第二磁芯(55)的表面的所述至少一第一槽相对应；或
所述至少一第一槽设置于所述外壳(44)的至少一内壁，并与设置于所述第二磁芯(55)的表面的所述至少一第一肋(81)相对应；
一第二紧固装置，用以固定所述多个磁芯中的至少一个磁芯(22)，所述第二紧固装置包括至少一第二肋(82)，以及与所述至少一第二肋(82)相对的至少一第二槽，其中：
所述至少一第二肋(82)设置于至少一导体通道(101)的至少一外壁，并与设置于所述第一磁芯(22)与所述至少一导体通道(101)接触的部分的表面的所述至少一第二槽相对应；或
所述至少一第二槽设置于所述至少一导体通道(101)的至少一外壁，并与设置于所述第一磁芯(22)与所述至少一导体通道(101)接触的部分的表面的所述至少一第二肋(82)相对应；
所述第一磁性材质能在第一频率范围内消除噪声与电磁干扰，而所述第二磁性材质能在第二频率范围内消除噪声与电磁干扰，所述第二频率范围为介于1K与30M赫兹之间的一低频范围，所述第一频率范围为介于30M与1000M赫兹之间的一高频范围，所述第一频率范围与所述第二频率范围的并集覆盖了介于1K赫兹与1000M赫兹的全频范围。
2.根据权利要求1所述的滤波电感器(200)，其特征在于：所述第一磁性材质与所述第二磁性材质，皆可在以下的多种软磁材料中选取：铁氧体、非晶软磁和铁粉。
3.根据权利要求1所述的滤波电感器(200)，其特征在于：所述第一磁性材质与所述第二磁性材质中的其中一个是镍锌铁氧体，另一个是锰锌铁氧体。
4.根据权利要求1所述的滤波电感器(200)，其特征在于：所述滤波电感器(200)另包括所述至少一导体通道(101)，所述至少一导体通道(101)形成于所述第一磁芯(22)的内部，用以让所述至少一导体通过。
5.根据权利要求1所述的滤波电感器(200)，其特征在于：所述第一磁芯(22)和所述第二磁芯(55)的其中的至少一个，是由多个独立的磁块所组成，组成方式为使用黏合层(33)将所述多个磁块黏合在一起。
6.根据权利要求4所述的滤波电感器(200)，其特征在于：所述滤波电感器(200)包括两个导体，所述两个导体包括两条各为正负的母线，所述至少一导体通道包括两个导体通道(101)。
7.根据权利要求6所述的滤波电感器(200)，其特征在于：所述第一磁芯(22)包括中心柱(202)与侧柱(201)，所述中心柱(202)位于所述两个导体通道(101)之间。
8.根据权利要求7所述的滤波电感器(200)，其特征在于：所述滤波电感器(200)包括至少一中央空隙(65)，所述至少一中央空隙(65)位于所述中心柱(202)内。
9.一种电子设备，其特征在于包括如权利要求1到8中任一权利要求所述的滤波电感器(200)。
10.根据权利要求9所述的电子设备，其特征在于：所述电子设备为逆变器。
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