金属粉末注射成型电感器及其加工方法
技术领域
本发明涉及电感器元件及其加工方法,更具体地说,涉及一种金属粉末注射成型电感器及其加工方法。
背景技术
传统的功率电感器主要包括导磁芯、线圈、电极三部分;其中的导磁芯通常采用锰锌、镍锌铁氧体制成。另一种结构的功率电感器则沿用粉末冶金工艺,具体是将立式空心漆包线线圈埋入绝缘铁粉里,再经压铸、热固化而制成。
前一种结构的电感器中,其导磁芯通常需要依赖专业工厂生产,且整个电感器产品的制作过程基本靠治具并配合手工操作,存在产品易碎、漏感大、体积能效比低、一致性难以控制、无法实现全部工序自动化、成本已无下降空间等弊端。
后一种结构的电感器虽然较好地解决了以上弊端,但是受铁粉磁导率低以及压铸工艺的限制,其电感量无法做大,且其线圈中心不能装入任何导磁体,从而限制了电感性能的扩展运用。实际生产中每模产品往往不能超过10只,存在资金投入大、机器产能低、生产安全系数低、后续工序多、耗电大、生产环境粉尘大、漏粉和浪费严重等缺陷;而且其中置入线圈的方向必须迎合入粉口、不能变换;对于其中所需的耐抗电强度的金属粉末,制造工艺难度大;为了防止锈蚀,金属粉末的外表还需喷涂环氧树脂,这些问题都致使相对生产成本仍然较高,不符合节约型、效益型、环保型产业发展之路。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷,本发明要解决传统功率电感器的电气性能一致性差、生产成本高等问题。
为解决上述技术问题,本发明首先提供一种金属粉末注射成型电感器,包括导磁体和空心漆包线线圈,所述线圈包括主体和延伸部,其特征在于,所述导磁体包括导磁芯和包覆层;所述导磁芯装于所述线圈主体的空心腔内;所述包覆层是以铁磁系金属粉末为主的复合材料,所述复合材料紧密包覆于所述导磁芯和线圈主体的外部,使所述导磁芯、线圈主体、包覆层之间构成一体成型结构。
本发明的金属粉末注射成型电感器可以是插件式电感器、或者是贴片式电感器。
本发明还提供一种金属粉末注射成型电感器的加工方法,其中包括以下步骤:
(1)在漆包线线圈主体的空心腔内装入导磁芯;
(2)将带有导磁芯的线圈装入注射模具中;
(3)将以铁磁系金属粉末为主的复合材料作为流动喂料,注射到所述注射模具中,直至完全充满所述注射模具的型腔;
(4)等注入的复合材料固化后,脱模,得到金属粉末注射成型电感器。
本发明的方法中,当加工贴片式电感器时,在所述步骤(1)中,先将空心的漆包线线圈的延伸部点焊到已经具备电极的金属框架上,再装入导磁芯,然后在所述线圈与导磁芯之间适量点胶以实现固定作用;在所述步骤(2)中,将多个带有导磁芯的线圈装入同一注射模具。
本发明的方法中,当加工插件式电感器时,在所述步骤(1)中,装入导磁芯后,在所述线圈与导磁芯之间适量点胶以实现固定作用;在所述步骤(2)中,将多个带有导磁芯的线圈装入同一注射模具。
本发明的方法中,所述复合材料中最好包括铁磁系金属粉末、热塑性或热固性粘结剂、润滑剂、稳定剂、防锈剂。所述铁磁系金属粉末的颗粒直径最好为0.5-20μm。
由于采取了上述技术方案,本发明有效克服了目前功率电感生产成本高和难以自动化的问题,具有以下优点:(1)可提供一种能高效率、低成本生产的有闭合磁路的且抗干扰的电感器;(2)相比粉末压铸工艺,其内部线圈的放置方向可任意设计;(3)可在其线圈主体的空心腔内置入各种导磁芯,满足不同的电感性能需要,使电感器具有优良的力学、电磁学物理特性;(4)可保证生产环境洁净、无有害物质、无粉尘、废料少,外观无需喷涂;(5)由于除电极之外的核心部分被复合材料紧密包覆,因此耐震动、抗击打、重量轻;(6)符合元件短小轻薄的发展方向,其成本与可靠性是现有电感器不能比拟的。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是本发明一个实施例中的贴片式电感器加工过程示意图;
图2是本发明一个实施例中的插件式电感器加工过程示意图;
图3是本发明另一个优选实施例中的插件式电感器加工过程示意图。
具体实施方式
电感器的主要性能70%取决于线圈内部空间的材料选用,线圈外部材料则主要用于形成闭合磁路,实现电磁学的屏蔽作用、减小涡流作用,并实现物理学的绝缘作用、散热作用、耐焊接热作用,以及实现力学的包覆保护作用。用金属粉末制成的金属粉芯的磁电性能,主要取决于金属粉末的磁导率;而目前广泛使用的金属粉末材料的饱和磁感应强度值在1.4T左右,磁导率范围在22-100,这样低的磁导率限制了它的应用范围。如果要选择磁导率在100以上的材料,目前只能选择易碎的铁氧体。本发明则巧妙的利用了铁氧体和铁粉芯特性的互补性,结合金属粉末注射成型技术实现了一种全新的电感器及其加工方法。
在图1、图2、图3中,分别示出了本发明中三种电感器的加工过程,其中的细箭头表示部件安装方向,粗箭头则表示加工的先后顺序。
以图1所示的贴片式电感器100为例,其中导磁体和空心漆包线线圈,线圈包括主体101和延伸部104,其中,导磁体包括导磁芯102和包覆层103;导磁芯102装于线圈主体的空心腔内;包覆层103是以铁磁系金属粉末为主的复合材料,该复合材料紧密包覆于导磁芯和线圈主体的外部,使导磁芯102、线圈主体101、包覆层103之间构成一体成型结构;线圈的延伸部与导电金属片焊接,并紧贴在包覆层外部而形成该电感器的电极端105。
贴片式电感器的加工过程如图1所示,具体步骤是:
(1)先将空心漆包线线圈的延伸部104点焊到已经具备电极的金属框架106上,然后在漆包线线圈主体的空心腔内装入导磁芯102,然后在线圈与导磁芯之间适量点胶以实现固定作用;
(2)将多个这样的金属框架106装入注射模具,也就是将多个带有导磁芯的线圈装入同一注射模具中;
(3)将以铁磁系金属粉末为主的复合材料作为流动喂料,注射到所述注射模具中,直至完全充满所述注射模具的型腔;
(4)等注入的复合材料固化后(通常在20秒左右自动固化),脱模,得到金属粉末注射成型电感器。
其中,以铁磁系金属粉末为主的复合材料构成电感器100的包覆层103,与导磁芯一起形成电感器的闭合磁路,该包覆层还具有绝缘、散热、磁屏蔽、基座等多重功能;上述方法可得到外观尺寸、电气性能高度一致的功率电感器,再经后固化、激光印字、切筋、电极成型、测试、包装等步骤,即得到可供销售的成品。
在图2所示的实施例中,也是在漆包线线圈主体201的空心腔内装入导磁芯202,然后点微量胶固定,然后逐个成排插入到具有定位功能的专用治具上,将多个这样的专用治具装入注射模具,再执行后续的注射复合材料、固化、脱模步骤,即可得到图2所示的插件式电感器200。
在图2中,漆包线线圈主体201的空心腔内是竖向的,导磁芯202竖向装入;在图3中,漆包线线圈主体301的空心腔内是横向的,导磁芯302竖向装入,得到另一种插件式电感器300。可见,这里可根据需要调整线圈的方向。
复合材料中,铁磁性金属粉末的颗粒直径可为0.5-20μm,例如取高斯分布,平均值为10μm;铁磁性金属粉末的具体成分可包括还原铁粉、电解铁粉、羰基铁粉、铁硅铝等。
复合材料中还包括热塑性或热固性粘合剂(例如尼龙6、PPS等)、稳定剂、防锈剂、润滑剂等,这些非导磁材料的质量比控制在10%-20%之间;各组分按一定的比例混合,经混炼包膜,使金属颗粒间形成有一定的绝缘特性与抗涡流损特性的流动喂料,并确保其在180℃-260℃的范围内具有流变性。该复合材料固化后,长期符合电感器要求的力学、电磁学物理特性。
本发明中,以适当的压力、温度,通过普通立式注射成型机(其中的推料螺杆和料筒须进行氮化钛硬化处理)将流动喂料注射入注射模具的型腔中,复合材料的流变性可使型腔内的所有零件无位移、无形变、安全无损,并确保填充致密,无气孔、无蜂窝,以充分发挥包覆层的屏蔽、导磁、包覆保护等多重性能。
由于将金属框架或专用治具放入注射模具的过程可做到迅速精准,每一注射模具可同时嵌入几百只带导磁芯的线圈,而从注射、固化、到脱模的时间仅是传统粉末压铸工艺的用时2-3倍,因此生产效率可获极大的提高。
由上述实施例可以看出,本发明具有以下优点:
(1)提供了一种能高效率、低成本生产的有闭合磁路的且抗干扰的电感器,具体可以是插件式电感器、或贴片式电感器、或其他复杂形状的功率电感器;
(2)相比粉末压铸工艺,其内部线圈的放置方向可任意设计;
(3)可在其线圈主体的空心腔内置入各种形状、材质的导磁芯,满足不同的电感性能需要,使电感器具有优良的力学、电磁学物理特性;
(4)可保证生产环境洁净、无有害物质、无粉尘、废料少,外观无需喷涂;
(5)由于除电极之外的核心部分被复合材料紧密包覆,因此耐震动、抗击打、重量轻;
(6)符合元件短小轻薄的发展方向,电感器的体积可以在5×5×5至30×30×30尺寸之间灵活设计,其成本与可靠性是现有电感器不能比拟的。