CN101944416A - 热压成型磁性元件制造方法及产品 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热压成型磁性元件制造方法及产品，尤其涉及磁性粉末热压技术及以该热压技术而获得高感值、低磁损及高电磁波屏蔽的热压成型磁性元件产品，其将一般基础型磁性元件的低磁损磁芯给与单层或多层电磁波材质屏蔽，据以获得高感值、低磁损及低电磁波逸散的加强型磁性元件产品。

Description

热压成型磁性元件制造方法及产品

技术领域

本发明涉及一种运用于大电流储能电感、电子元件及电磁控制元件等相关磁性元件产品的热压成型磁性元件制造方法及产品。

背景技术

为克服传统磁性元件绕线问题，业界已逐渐改采柱状磁芯，如图9所示的传统开放式柱状磁芯元件剖视图，其产品除了载流线圈1周围可形成磁力线回圈外，大多都呈现放射线状由磁芯2中心向外逸散，此为电磁干扰(EMI)的主要来源，且其磁力线路径都外曝在空气中，并无增强磁场感应的功能。

为改善开放式磁性元件缺点，市场多采用在磁芯2外部增加一外盖3的方式，俗称组合式磁芯元件(Drum Core)，图10所示为传统组合式磁芯元件剖视图，组合式磁芯元件相较于开放式元件，其具有两项明显优点：

1.增长外加磁力线于磁性材料路径，可加强整体磁场强度输出。

2.外盖将磁力线引导至外盖材质中，减少磁力线逸散。

但此种设计仍有组件空隙(Gap)问题，由于采用组装方式构成，故组件中必有组件空隙31(如图中斜线区域)，此部份空隙将造成50％以上的磁损。

发明内容

本发明的目的在于：

1.提供一种热压技术于基础型磁性元件，紧密封装包覆磁性材料，使得到加强型磁性储能元件成品，据以解决传统开口逸散及组件空隙的问题。

2.提供一种低磁损高感值材料及高电磁波屏蔽材料，据以提升最终加强型元件成品性能。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明提供一种磁性元件热压成型制造方法，其步骤包含：将载流线圈1围绕于磁芯2外围组成磁性储能元件A后，将其置于模具中并于磁性储能元件A外围投入磁性屏蔽材料4，再经热压成型的加工过程得到包覆有磁性屏蔽材料4的热压成型磁性元件B。

本发明还提供一种磁性元件热压成型产品，其包含磁芯2、围绕于磁芯2外围的载流线圈1及于磁芯2、载流线圈1外围以热压方式封装磁性屏蔽材料4所制成的热压成型磁性元件产品。

新旧技术比较：

本发明热压技术：主要借由加热加压过程中，将成型粉末加热至软化熔融，粉末至模具中成型，可达成弯角、中空、微小尺寸等复杂成型。

传统冷压技术：泛指粉末压入成型(Press)，主要经由机械加压成型，后经退火烧结完成成品。

传统磁性元件都使用粉末冷压成型进行制造，以下为本发明热压成型与传统冷压成型磁性技术比较。

附图说明

图1为本发明热压成型磁性元件剖视图；

图2为本发明磁芯与载流线圈组合变化剖视图；

图3为本发明磁芯与载流线圈组合变化另一实施例剖视图；

图4为本发明磁芯与载流线圈组合变化另一实施例剖视图；

图5为本发明磁芯与载流线圈组合变化另一实施例剖视图；

图6为本发明热压成型磁性元件制造简要步骤图；

图7为本发明磁性粉末热压成型磁性元件制造过程图；

图8为本发明热压装置图；

图9为本传统开放式柱状磁芯元件剖视图；

图10为本传统组合式磁芯元件剖视图；

图11a和图11b为本发明实施例的装置尺寸图；

图12为本发明实施例成品侧视图；

图13为本发明实施例成品前视图；

图14为本发明实施例成品俯视图。

附图标记说明：1-载流线圈；2-磁芯；3-外盖；31-组件空隙；4-磁性屏蔽材料；71-加热；72-待包覆物置于模穴；73-热压；731-关模；732-入粉；733-压合；74-上模保压；75-脱模动作；751-上模开模；752-脱模顶出产品退模；81-粉料桶；82-料管；83-模具；84-压合装置；85-上模；86-导杆装置；A-磁性储能元件；B-热压成型磁性元件。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

本发明中所称的“元件”泛指磁性材料外加线圈、线路、涂装等附加装置所形成可作用的磁性元件，其可做为电感、电磁力等应用；其所称“磁芯”泛指磁性元件中所包覆的感磁芯棒。

如图1的本发明热压成型磁性元件剖视图所示，本发明热压成型磁性元件包含：磁芯2、围绕于磁芯2外围的载流线圈1及于磁芯2、载流线圈1外围以热压方式封装磁性屏蔽材料4所制成的热压成型磁性元件。

本发明所称的磁芯2可包含具有低磁损(Core Loss)及良好磁导率(Permeability)的单一或磁性特性不同的复合磁性材料磁芯2，而磁性屏蔽材料4乃指具有高电磁波屏蔽(EMI Shielding)的单一或磁性特性不同的复合磁性材料磁性屏蔽材料4。

当载流线圈1通过电流时，将产生一外加磁场，使周围磁芯2及磁性屏蔽材料4的磁性材料产生电磁感应，可强化整体磁场输出。

如所知，载流线圈1中心区域为磁力线密度最高区域，本发明使用磁性特性不同的单一或复合磁性材料制成具低磁损特性的磁芯2，其位于载流线圈1中心区域，提供最佳的磁力线感应。

当核心磁力线密度拉升时，由于磁芯2低磁损特性，故可有效抑制磁损上升，外围包覆具有高电磁波特性的磁性屏蔽材料4具有磁力线引导特性，有效容纳磁力线于元件中，可抑制电磁波干扰。

由上可知本发明热压成型磁性元件具有如下三特点：

a.有效利用低磁损磁芯2及高电磁波磁性屏蔽材料4的材料特性，使元件磁力线最大化，但又不会造成太大的电磁逸散干扰及磁损问题。

b.借由妥善控制低磁损磁芯2及高电磁波磁性屏蔽材料4所占体积比例，可获得设计所需的感值(Inductance)及适当磁损控制，通常高磁导低磁损材料较一般磁性材料昂贵，成品也可获得适当成本控制。

c.低磁损磁芯2及高电磁波磁性屏蔽材料4获得紧密包覆，其可避免产生接面空隙所导致的磁场紊乱及磁损增加问题。

本发明热压成型磁性元件具有如下延伸变化，其可依设计及规格需要而发展不同磁芯2及磁性屏蔽材料4材质配比，如图2至图5所示，随着磁芯2材质体积增加，可有效增加元件感值、降低磁损。

如图2、本发明磁芯与载流线圈组合变化剖视图所示，为较小的磁芯2及较大磁性屏蔽材料4体积比设计，适合低感量元件及高EMI屏蔽效果。

图3为磁芯2突出载流线圈1设计，研究发现由于磁芯2凸出载流线圈1，可有效避免磁力线壅塞问题，且对感量有20～50％的提升效果。

图4为磁芯2呈T形形状，此种设计优点为增加磁芯2及磁性屏蔽材料4交接表面积及材料体积比，可有效避免在磁芯2及磁性屏蔽材料4接面的磁力线损失及提升感量。

图5为拉大磁芯2材料体积比，其可高度提升感量及降低磁损设计。

故该磁芯2形状可为工形、T形、柱形等形状，而磁性屏蔽材料4材质的包覆可考量元件尺寸进行全面包覆或局部包覆。

本发明磁性元件热压成型的制造方法包含：

1.热压成型粉末准备工程：

本发明热压成型粉末准备，其包含如下原料准备：

A、磁性粉：磁性粉包含为Hogonas SC200、SC100.26北票盛隆BF200.27、BF100.27等铁粉或合金铁粉(Fe、Al、Si、Cr、Ni、Co)或其它具有类似导磁性混合粉末(如Sendust、Amorphous、MPP、Hi-Flux)。

B、结合剂：磁性粉粉末使用4重量％～20重量％(以磁性粉为基准)单种或多种特有树脂，做为热压时磁性分子结合剂。使用的树脂种类，可包含聚碳酸脂(PC)、苯乙烯树脂(PS)、聚乙烯(PE)、尼龙(Nylon)、聚丙烯(PP)等常用的热压材料。

C、润滑剂：按磁性粉0.05重量％～3重量％使用的润滑剂(如白蜡、二硫化钼、PTFE)等，使热压时产生润滑效果有助于脱模。

2.拌粉工程：

本发明拌粉工程使用本领域一般单轴或多轴向搅拌机，搅拌时依照下列工法顺序进行：

a.加入单种磁性粉或多种磁性粉，搅拌至均匀。

b.反复a.过程至所有磁性粉末已加入并搅拌均匀。

c.加入结合剂或多种结合剂，搅拌至均匀。若结合剂为湿式结合剂(内含溶剂，如乙醇或丙酮等)，则需拌至干燥、未结块状况。

d.反复c.过程至所有结合剂已加入并搅拌均匀。

e.加入润滑剂，搅拌至均匀。

f.反复e.过程至所有润滑剂已加入并搅拌均匀。

3.成品粉产出工程：

a.粉末特性确认：粉末拌均匀后，将测量粉末导磁率、电阻值、磁滞曲线等特性，确认粉末特性。粉末特性主要参考指标为粉末松装密度，密度范围6～7mg/m3。

b.粉末过筛：粉料将经过筛粉机，依据磁性需要，使用不同大小筛网筛出各粒径大小粉末。使用粒径范围主要为筛网网目80目以下粉末。

c.热处理：考量粉末磁性需要、粉末封装密度、粉末流动性、成型后生胚强度，有时将对粉末进行热处理，以改善其磁性及加工特性。热处理时机主要考量当粉末热压成型时包覆性不佳时(即外观有明显裂痕或包覆不完全)，可对粉末进行180～230℃预热处理，使结合剂与磁性材料先进行包覆，再使用于热压制程。

4.磁性粉末热压制造：

如图6所示，本发明热压成型磁性元件制造简要步骤如下：

A.将载流线圈1围绕于磁芯2外围，使两者结合后而产生磁性储能元件A。

B.填入磁性粉末并投入磁性屏蔽材料4，经热压成型的制作过程，得到热压有磁性屏蔽材料4的加强型热压成型磁性元件B。

故本发明可参照前述元件设计，变更或调整载流线圈1及围绕于磁芯2材料的比例，达到所需产品规格。由基础物理电磁学可知，感量(Inductance)与载流线圈圈数成平方比。增减线圈圈数，可调整产品感量。当圈数变化时，包含铁芯比例也随之改变。

本发明所述磁性粉末热压制造步骤及相关注意、参数，如图7的本发磁性粉末热压成型磁性元件制造过程图及图8的本发明热压装置图所示。

本制造方法过程分为下列几项动作：

1.粉料桶81、料管82及模具83加热71：

为确保粉料的热压成型特性维持，粉料桶81、料管82及模具83皆需安装加热器，加热温度依所在区域不同，范围约140～350℃。

2.将已结合的低磁损磁芯2及载流线圈1磁性储能元件A待包覆物置于模穴中72：

将磁性储能元件A待包覆物至模穴中，磁性储能元件A待包覆物设计需考量以下几点：

a.磁性储能元件A待包覆物固定或夹持方式。

b.磁性储能元件A待包覆物放置位置及热压粉末填充入口方向。

c.磁性储能元件A待包覆物可承受强度设计。

d.磁性储能元件A待包覆物脱模设计。

3.压合装置84进行热压73：

热压时步骤如下：

a.上模85关模731：上模85装置随两侧导杆装置86关模。

b.入粉732：磁性粉料入填粉区。

c.上模压合装置84压合733：配合压合装置作动，施压使填粉区粉末入模穴中，与磁性储能元件A待包覆物包覆成型，由于加热及加压特性，此时磁性粉末呈现如软化/熔融，可达到紧密的包覆于磁性储能元件A待包覆物表面上。

d.上模保压74：上模压合装置保持静止，使压合区保压，避免成型物成型时间不够造成层裂。

5.脱模动作75：

脱模时步骤如下：

a.上模开模751：上模装置随两侧导杆装置开模。

b.脱模顶出产品退模752：脱模装置作动向上顶出，使产品随脱模装置脱出模穴，以利后续人工或自动化取件。

本发明使用磁性粉末热压技术时，需注意以下重点：

1.磁性粉的耐热性：由于本发明中所有粉料管线皆需加热保温，故使用磁性原料时，需考量加热温度是否造成磁性条件劣化。

2.添加剂(结合剂、润滑剂)的耐热性：由于本发明中所有粉料管线皆需加热保温，故使用添加剂时，需考量加热温度是否造成高温氧化分解。加热温度以不超过所使用结合剂热分解温度为主，例如聚醚酮(PEEK)为143℃。

3.模穴入料口设计：模穴入料口设计主要影响因素如下：

a.成品成型密度：适当的入料口尺寸，可达到高成型密度。

b.磁性储能元件A待包覆物耐磨擦性：成型粉末在加压情况下，成型粉末会高速磨擦磁性储能元件A待包覆物，造成单体或元件内部损害。故需从入料口角度、位置、尺寸、及磁性储能元件A待包覆物前处理着手。

c.脱模毛边：适当的入料口设计，有助于成品毛边减少。

下面结合实施例对本发明作进一步说明，应该理解的是，这些实施例仅用于例证的目的，决不限制本发明的保护范围。

实施例1

以表面贴附式(Surface Mounted Device)电感实施例说明。装置尺寸如图11a所示，具体参见表1

表1

	尺寸(mm)	说明
			A	12.8	装置长度
B	12.8	装置宽度
			C	5.20	装置高度
D	9.0	两侧铜片距离
			E	2.3	左侧铜片贴附长度
F	2.3	右侧铜片贴附长度
			G	5	铜片贴附宽度

H	参见底下说明	铁芯(2)外露直径
			J		磁性屏蔽材料(4)

*H尺寸将依实验条件变更以下三种尺寸，说明铁芯体积变化对功耗影响

X.直径为0，即未放置铁芯。

Y.直径为4.5，高度为4.95的柱状铁芯，材质为铁铝硅合金。

Z.T型铁芯尺寸如图11b所示，材质为铁铝硅合金。

装置实品照片成品侧视图如图12所示、成品前视图如图13所示、成品俯视图(以铁芯2直径：4.5mm为例)如图14所示。

实验条件：

制作不同尺寸铁芯2至于线圈(线圈线径1.2mm、线圈直径4.6mm、圈数2.5圈)中，经磁性遮蔽材料4包覆后，量测该装置的感值及功耗。

测试条件：

感值：频率500Khz，交流电压1伏特。

功耗：频率300Khz，交流电压1伏特，直流电电流30安培。

实验结果及讨论

表2

	X	Y	Z
				铁芯体积(mm3)	0	25.1	43.3
所占体积比(％)	0	3％	5.20％
				感值(μH)	0.414	0.511	0.71
感值提升比例		23.43％	71.50％
				功耗(Watt)	8.15	6.98	6.31
功耗下降比例		14.36％	22.58％

由表2可以看出，借由高感值及低磁损铁芯体积比增加，可使装置感值上升及功耗下降。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (14)

1.一种磁性元件热压成型制造方法，其特征在于其步骤包含：将载流线圈(1)围绕于磁芯(2)外围组成磁性储能元件(A)后，将其置于模具中并于磁性储能元件(A)外围投入磁性屏蔽材料(4)，再经热压成型的加工过程得到包覆有磁性屏蔽材料(4)的热压成型磁性元件(B)。

2.如权利要求1所述磁性元件热压成型制造方法，其特征在于所述磁芯(2)，包含一般的磁性元件中所包覆的感磁芯棒或具有低磁损及良好磁导率的单一或磁性特性不同的复合磁性材料。

3.如权利要求1所述磁性元件热压成型制造方法，其特征在于所述磁性屏蔽材料(4)，包含由磁性粉、结合剂及润滑剂经混合及搅拌均匀的一般磁性屏蔽材料或具有高电磁波屏蔽的单一或磁性特性不同的复合磁性材料。

4.如权利要求3所述磁性元件热压成型制造方法，其特征在于所述磁性粉包含：Hogonas SC200、SC100.26北票盛隆BF200.27、BF100.27等铁粉或合金铁粉或其它具有类似导磁性混合粉末，如Sendust、Amorphous、MPP、Hi-Flux；

所述结合剂包含：磁性粉粉末使用4％～20％单种或多种特有树脂，做为热压时磁性分子结合剂；

所述润滑剂包含：按磁性粉0.05％～3％使用的润滑剂，如白蜡、二硫化钼、PTFE等，使热压时产生润滑效果有助于脱模。

5.如权利要求1所述磁性元件热压成型制造方法，其特征在于所述热压成型加工过程，是指将磁性屏蔽材料(4)加热至140～350℃的软化溶融状后，再由压合装置加压该磁性屏蔽材料(4)，使载流线圈(1)及磁芯(2)被封装于磁性屏蔽材料(4)内，而达成弯角、中空、微小尺寸等复杂成型。

6.一种磁性元件热压成型产品，其特征在于其包含磁芯(2)、围绕于磁芯(2)外围的载流线圈(1)及于磁芯(2)、载流线圈(1)外围以热压方式封装磁性屏蔽材料(4)所制成的热压成型磁性元件产品。

7.如权利要求6所述磁性元件热压成型产品，其特征在于所述磁芯(2)，包含一般的磁性元件中所包覆的感磁芯棒或具有低磁损及良好磁导率的单一或磁性特性不同的复合磁性材料。

8.如权利要求6所述磁性元件热压成型产品，其特征在于所述磁性屏蔽材料(4)，包含由磁性粉、结合剂及润滑剂经混合及搅拌均匀的一般磁性屏蔽材料或具有高电磁波屏蔽的单一或磁性特性不同的复合磁性材料。

9.如权利要求6所述磁性元件热压成型产品，其特征在于所述磁性屏蔽材料(4)，其包覆载流线圈(1)及于磁芯(2)的范围，可依元件尺寸进行全面包覆或局部包覆。

10.如权利要求6所述磁性元件热压成型产品，其特征在于调整磁芯(2)及磁性屏蔽材料(4)体积比设计，可获得需要的感值、磁损、及相关电磁特性。

11.如权利要求6所述磁性元件热压成型产品，其特征在于所述磁芯(2)，可呈突出载流线圈(1)的设计，据以有效避免磁力线壅塞问题，且对感量有20～50％的提升效果。

12.如权利要求6所述磁性元件热压成型产品，其特征在于所述磁芯(2)可呈T形形状，使增加磁芯(2)及磁性屏蔽材料(4)交接表面积及材料体积比，据以有效避免在磁芯(2)及磁性屏蔽材料(4)接面的磁力线损失及提升感量。

13.如权利要求6所述磁性元件热压成型产品，其特征在于所述磁芯(2)，可将其加大体积比，据以高度提升感量及降低磁损设计。

14.如权利要求6所述磁性元件热压成型产品，其特征在于所述磁芯(2)，其形状可为工形、T形、柱形等形状。

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