CN107342154A - 一种非晶磁芯立绕式电感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电感器领域，具体涉及一种非晶磁芯立绕式电感器，包括环形非晶磁芯及扁平线圈，扁平线圈均匀立式绕制在环形非晶磁芯上，其中，环形非晶磁芯，包括护盒和置于护盒中的铁基非晶磁粉芯，且铁基非晶磁粉芯与护盒相对的各面之间填充有有机树脂；上述环形非晶磁芯是由至少二个磁芯段组合而成，还可以通过金属钢带将各所述磁芯段捆绑成在一起，各个相邻磁芯段之间为非导磁的气隙。本发明提供的非晶磁芯立绕式电感器可以有效降低非晶磁粉芯在大电流下工作时产生的较大噪音，同时可改善电感器的散热效果和电路的EMC效果，并实现电感器的自动化绕线。
Description
技术领域
本发明涉及电感器领域，尤其涉及一种非晶磁芯立绕式电感器。
背景技术
Fe-Si-B非晶磁粉芯因其具有高频损耗低、抗直流叠加特性好等优异软磁特性而作为开关电源和逆变电源中的电感器优选的一种磁芯材料，但目前市场上应用的非晶磁粉芯普遍采用Fe-Si-B非晶带材破碎后的粉末制备，因Fe-Si-B非晶合金软磁性能对应力非常敏感，从而导致非晶磁粉芯对涂层树脂要求很高，大多数情况下，涂层后的非晶磁粉芯磁芯损耗同未涂层的非晶磁粉芯相比普遍上升20％左右，在某些极端情况下甚至高出30％以上，产品的一致性较差。此外，在制备电感的过程中，由于绕线匝数较多，同样也会对涂层后的非晶磁粉芯产生应力，从而进一步增大磁芯损耗。并且由于Fe-Si-B非晶磁粉芯的强度较差，在倒角涂装过程中会产生大量外观不良品，良品率较低。此外，Fe-Si-B非晶合金具有较大的饱和磁致伸缩系数，这导致Fe-Si-B非晶磁粉芯在部分大电流应用场合会产生很大的噪音，影响整个系统的工作的稳定性。
同时，现有的磁粉芯绕线工艺为了有效降低高频电感闭合磁路中漏磁场而产生的电磁干扰，以及绕组因漏磁场而产生的涡流损耗，普遍采用圆形导线均匀密绕，为了满足电感的要求，绕制匝数在数十匝到数百匝之间，此外，为了获得大电流下的高电感，还要采取多股圆形导线并联且多层绕制的方式，这样就必须采用人工绕制，增加了绕线难度，加工成本高。并且采用多层绕制，必然使得绕组的寄生杂散电容加大，会给电流波形带来的很大的尖峰，加重电磁干扰。圆铜线的密集叠层绕制，使得导体和外部空气的总接触面积变小，并包围磁芯，影响电感散热效果。而且对于磁环内孔绕制占积率高的产品，难以实现自动化绕线，影响产品的一致性。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的是提供一种非晶磁芯立绕式电感器，其可以有效降低非晶磁粉芯在大电流下工作时产生的较大噪音，同时可改善电感器的散热效果和电路的EMC效果，并实现电感器的自动化绕线。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种环形非晶磁芯，包括护盒和置于所述护盒中的铁基非晶磁粉芯，所述铁基非晶磁粉芯与所述护盒相对的各面之间填充有有机树脂层。
上述环形非晶磁芯中，作为一种优选实施方式，所述有机树脂为环氧树脂、有机硅树脂和聚氨酯中的一种或几种。
上述环形非晶磁芯中，作为一种优选实施方式，所述有机树脂层厚度为0.1mm-0.3mm。
上述环形非晶磁芯中，作为一种优选实施方式，所述铁基非晶磁粉芯是Fe-Si-B非晶磁粉芯，优选地，所述铁基非晶磁粉芯是未涂层的Fe-Si-B非晶磁粉芯；所述护盒材质为塑料。
一种非晶磁芯立绕式电感器，包括上述环形非晶磁芯及扁平线圈，所述扁平线圈均匀立式绕制在所述环形非晶磁芯上。
一种非晶磁芯立绕式电感器，作为一种优选实施方式，所述立式绕制是指：所述扁平线圈中的各匝线圈沿所述环形非晶磁芯的圆周方向均匀分布，且形成所述扁平线圈的扁平线的宽面垂直于所述环形非晶磁芯的表面，形成所述扁平线圈的扁平线的窄面与所述环形非晶磁芯的表面平行。
上述非晶磁芯立绕式电感器中，作为一种优选实施方式，所述环形非晶磁芯是由至少二个磁芯段组合而成，各个相邻所述磁芯段之间为非导磁的气隙；优选地，通过金属钢带将组合后的各所述磁芯段固定在一起。
上述非晶磁芯立绕式电感器中，作为一种优选实施方式，所述扁平线圈材质为金属铝或者金属铜或者为二者的组合。
一种上述非晶磁芯立绕式电感器的制备方法，包括如下操作步骤：
环形非晶磁芯切割步骤，沿所述环形非晶磁芯的轴向将磁芯切割成至少两个磁芯段；
扁平线圈立绕步骤，按照扁平线的宽面与立绕工装的待缠绕面垂直的方式将扁平线绕制在所述立绕工装上，得到所述扁平线圈；
线圈与磁芯组装步骤，首先将所述扁平线圈套设在所述磁芯段上同时将各个所述磁芯段拼合成环状磁芯；然后采用金属钢带将拼合后的各个磁芯段捆紧在一起；最后利用所述扁平线圈本身的弹性自动分开各匝线圈，所述扁平线圈均匀立式绕制在所述环形非晶磁芯上，即得到所述非晶磁芯立绕式电感器。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述环形非晶磁芯切割步骤中采用砂轮切割的方法；优选地，所选用的砂轮切割片厚度为0.1mm～2mm，更优选的厚度为0.5～1mm。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述环形非晶磁芯的制备方法包括如下步骤：首先，往所述护盒中注入一定量的有机树脂；其次，将未涂层的铁基非晶磁粉芯装入所述护盒内；然后，往所述护盒继续注入有机树脂直至有机树脂充满所述铁基非晶磁粉芯与所述护盒之间的空隙且覆盖所述铁基非晶磁粉芯的上表面；最后，在所述护盒的顶端盖上护盒盖，室温下固化处理，从而制得所述环形非晶磁芯。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)在本发明中，借助护盒树脂灌封的方法，可省去常规非晶磁粉芯制备过程中倒角和涂装的工艺环节，降低倒角和涂装环节中产品外观的不良率，更容易控制非晶磁芯产品的外观。同时，所采用的灌封树脂较软，具有一定弹性，可有效降低封装工艺和绕线工艺对未涂层非晶磁粉芯产生的应力，从而大幅减少封装和绕线后磁芯损耗上升的幅度，提高产品的一致性和良品率。此外，所采用的灌封树脂具有优异的吸音特性，可有效降低Fe-Si-B非晶磁粉芯在大电流工作下的噪音。
(2)在本发明中，非晶磁芯经切割分成至少两个磁芯段后，便于实现磁芯与立绕线圈的组装工艺，实现了扁平线圈的自动化立绕工艺；这种扁平线圈立绕工艺，使得相邻导线匝间为单一的线接触或点接触，绕组所形成的寄生电容为所有匝数的串联，EMC效果得到大幅改善；并且，线圈采用截面为矩形的扁平导线立绕，每匝线圈可紧贴磁芯内外圆周，对于特定的磁环截面，绕组的单匝周长最短，降低了绕组内阻，减少了用线重量，可降低线圈成本。此外，由于采用了截面为矩形的扁平导线立绕，与常规漆包线绕组相比，可以提升绕组匝数，从而提升电感量。最后这种扁平线圈立绕的结构，使得导线的所有表面直接和空气接触，非常利于散热，降低温升，因此对于相同的功率的应用，可以采用比较高的导线的电流密度的设计，使得电感的绕线匝数进一步得到改善；而且单层绕组的线圈设计，彻底消除了线圈内的高频临近效应，减小了电感的损耗。
附图说明
图1为本发明优选实施例中非晶磁芯立绕式电感器整体效果示意图；
图2为本发明优选实施例中非晶磁芯立绕式电感器组装后的纵向剖面示意图；
图3为未涂层的Fe-Si-B环形非晶磁粉芯示意图；
图4为开顶缝的环形塑料护盒示意图；
图5为Fe-Si-B非晶磁粉芯与护盒装配效果示意图；
图6为环形非晶磁芯切割成两个磁芯段示意图；
图7为环形非晶磁芯切割成三个磁芯段示意图；
图8为图7中所示环形非晶磁芯由扁平线圈立绕效果示意图；
图9为在工装上自动绕制的扁平线圈示意图；
图10为切割后的各个磁芯段与立绕扁平线圈的装配效果示意图；
其中，10-电感器，20-环形非晶磁芯，21-磁粉芯，22-有机树脂，23-护盒，24,25-磁芯段，30-扁平线圈。
具体实施方式
以下结合附图通过实例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本发明提供一种非晶磁芯立绕式电感器，参见图1-图2，电感器10包括：环形非晶磁芯20及扁平线圈30，其中，扁平线圈30均匀立式绕制在环形非晶磁芯20上，即每匝线圈均为宽面相对而立，以确保扁平线圈30的每一匝线圈均立式绕制在环形非晶磁粉芯20上。下面对以上部件一一进行说明。
环形非晶磁芯20，如图2所示，包括护盒23和置于其中的铁基非晶磁粉芯21，铁基非晶磁粉芯21与护盒23相对的各面之间都留有空隙，空隙宽度优选为0.1mm-0.3mm。铁基非晶磁粉芯21为环形磁粉芯，参见图3，在本发明的优选实施例中为圆环形的Fe-Si-B非晶磁粉芯；护盒23参见图4，包括盒体和盖，其形状大小与铁基非晶磁粉芯21相适应，材料可以是塑料；本发明优选实施例中护盒23为开顶缝的塑料环形护盒，即顶面开口且设有盒盖的环形护盒。本发明的优选实施例中，铁基非晶磁粉芯21与护盒23之间的空隙填充有有机树脂22，从而可有效降低铁基非晶磁芯在大电流工作下产生的噪音；具体地，铁基非晶磁粉芯21和护盒23的内侧壁之间、护盒的盒盖之间以及护盒的下底面之间都填充有有机树脂22，即，铁基非晶磁粉芯21被有机树脂22均匀全面灌封；有机树脂22可以为环氧树脂、有机硅树脂和聚氨酯中的一种或几种；优选地，铁基非晶磁粉芯21与护盒23之间的有机树脂层厚度为0.1mm-0.3mm。
扁平线圈30，参见图9-图10，由扁平线均匀立式绕制而成；材质为金属铝或者金属铜或者为二者的组合。在本发明提供的非晶磁芯立绕式电感器中，扁平线圈30均匀立式绕制在环形非晶磁芯20上，即扁平线圈30中的各匝线圈沿环形非晶磁芯的圆周方向均匀分布，且形成扁平线圈30的扁平线的宽面垂直于环形非晶磁芯21的表面，形成扁平线圈30的扁平线的窄面与所述环形非晶磁芯21的表面平行，各匝线圈之间均为宽面相对而立，以确保扁平线圈30的每一匝线圈均立式绕制在环形非晶磁芯20上。扁平线圈30的绕制匝数根据电感性能需求为数匝到数十匝不等。
本发明的另一优选实施方式中，环形非晶磁芯20是由至少二个磁芯段组合而成；具体地，将由环形磁粉芯20、装有环形磁粉芯的护盒23以及灌注在环形磁粉芯20与护盒23之间的胶层22形成的一体的环形非晶磁芯20沿轴向切割成若干磁芯段，再将各磁芯段拼合成环状整体非晶磁芯20，各个相邻磁芯段之间为非导磁的气隙；气隙宽度可根据需要在后期装配时再进行调整的。本发明的优选实施例中，环形非晶磁芯20由两个磁芯段24、25或三个磁芯段拼合而成(分别参见图6和图7)，通过金属钢带将拼合后的各磁芯段固定在一起。具体地，可通过金属钢带将拼接后的各磁芯段捆绑成环状磁芯，通过调节金属钢带的松紧度可以调节各磁芯段之间的气隙大小。
本发明提供的上述非晶磁芯立绕式电感器的制备方法的一种优选实施方式，包括如下操作步骤：
环形非晶磁芯切割步骤，将购买或自制的环形非晶磁芯20装入工装，沿环形非晶磁芯20的轴向将磁芯切割成至少两个磁芯段；各个切割后的磁芯段套上金属钢带后仍可以组合成一个完整的环形非晶磁芯；本发明的优选实施例中，该步骤中采用砂轮切割的方法，所选用的砂轮切割片厚度优为0.1mm～2mm，更优选为0.5～1mm；砂轮片过薄，易折断在磁粉芯内部，砂轮片过厚，磁粉芯损失部分较大，严重影响磁粉芯软磁性能；本发明的优选实施例中，将磁芯均匀切割成至少两个磁芯段；因为在实际操作过程中，如果各磁芯段的大小不一致，切割及装配的效率都会严重下降。
扁平线圈立绕步骤，将扁平线按照其宽面与立绕工装的待缠绕面垂直的方式绕制在立绕工装上，采用全自动方式进行绕线，得到扁平线圈30(参见图9)；所述立绕工装截面为带倒角的矩形，这样所述扁平线圈的每匝线圈为带倒角的矩形，可避免直角破坏线圈的保护漆层。
线圈与磁芯组装步骤，参见图10，首先将各个磁芯段24、25装入扁平线圈30的空心位置(即将扁平线圈30套设在磁芯段24和/或磁芯段25上同时将磁芯段24和磁芯段25拼合形成环状)；然后采用金属钢带将各个磁芯段24、25捆紧形成一个完整的环状磁芯；最后利用扁平线圈30本身的弹性自动分开各匝线圈，扁平线圈30均匀立式绕制在环形非晶磁芯20上，即得到非晶磁芯立绕式电感器10，参见图1。可通过金属钢带的松紧度来调整各个磁芯段之间的间隙大小。由于扁平线圈的内侧壁是与磁芯的外侧壁之间存在间隙，该间隙一般小于0.1mm，该间隙的存在可以方便将钢带套在磁芯上；金属钢带材质很软，在捆绑各磁芯段时，稍微将钢带头部弯曲，贴在磁芯外壁，向间隙中逐渐塞入钢带，将各磁芯段围住后再将金属钢带两端固定以捆紧各个磁芯段，形成一个完整的环状磁芯；扁平线圈30本身具有一定弹性，各匝线圈会自动分开，均匀分布于环状磁芯20上。
本发明的另一优选实施方式中，环形非晶磁芯切割步骤之前还包括非晶磁粉芯装盒步骤：首先，往护盒23中注入一定量的有机树脂22；其次，将未涂层的铁基非晶磁粉芯21装入护盒23内；然后，向护盒23继续注入有机树脂22直至有机树脂22充满铁基非晶磁粉芯21与护盒23之间的空隙且覆盖铁基非晶磁粉芯21上表面，即用有机树脂22将铁基非晶磁粉芯21均匀全面灌封；最后，在护盒23的顶端盖上护盒盖，室温下固化处理，从而制得环形非晶磁芯20。
实施例1
本实施例的非晶磁芯立绕式电感器10由环形非晶磁芯20和扁平线圈30组合而成，扁平线圈30是立绕在环形非晶磁芯20上，匝数为85匝。更具体地，环形非晶磁芯20是将Fe78Si9B13(成分下标数字表示原子百分比)环形非晶磁粉芯21装入塑料护盒23并采用有机硅树脂23灌封固化后经砂轮切割成两个磁芯段24和25再组合而成，其中，各磁芯段24、25由金属钢带捆紧成一环形整体。图1为本实施例的非晶磁芯立绕式电感器的整体效果图；图2为本实施例的非晶磁芯立绕式电感器组装后的剖面示意图；图3为本实施例采用的Fe-Si-B环形非晶磁粉芯；图6为本实施例中环形非晶磁芯切割成两个磁芯段的示意图；图9为本实施例所选用的扁平线圈立绕效果图；图10为本实施例的环形非晶磁芯20与立绕线圈30的组装效果示意图。
本实施例的非晶磁芯立绕式电感器10的详细制备方法如下：
1)首先往塑料护盒23底部注入一定量的有机硅树脂22，然后将未涂层的Fe78Si9B13(成分下标数字表示原子百分比)环形非晶磁粉芯21(规格Φ47.6*23.3*13.0mm)装入塑料护盒23内，轻轻压下环形非晶磁粉芯21，使磁粉芯21的下表面和护盒23的下表面之间填充有一层有机硅树脂22，且使磁粉芯21和护盒23相对的各侧面之间填充有有机硅树脂23；再继续将有机硅树脂22注入护盒23直至使有机树脂22充满铁基非晶磁粉芯21和护盒23相对的各侧面之间的空隙且覆盖铁基非晶磁粉芯21上表面，将非晶磁粉芯21均匀全面灌封；最后在护盒23的顶端盖上护盒盖，室温下固化处理，得到环形非晶磁芯20，参见图5；
2)将步骤(1)制得的环形非晶磁芯20装入工装，采用砂轮(砂轮切割片厚度为1mm)将磁芯均匀切割成两个磁芯段24、25，参见图6；
3)将扁平线按照其宽面与立绕工装的待缠绕面垂直的方式绕制在立绕工装(立绕工装截面为带倒角的矩形)上，采用全自动方式进行绕线，得到匝数为85的扁平线圈30，参见图9；
4)首先将各个磁芯段24、25装入扁平线圈30的空心位置；然后采用金属钢带将各个磁芯段24、25捆紧形成一个完整的环状磁芯；最后利用扁平线圈30本身的弹性自动分开各匝线圈，扁平线圈30均匀立式绕制在环形非晶磁芯20上，即得到非晶磁芯立绕式电感器10，参见图10、图1、图5。
表1为实施例1和比较例1、比较例1’的规格参数及电感特性对比，其中，比较例1为采用相同规格未切割非晶磁芯经相同匝数圆导线平绕后获得电感器，所选用的圆导线截面积与扁平线圈截面积相当；比较例1’为采用相同规格未切割非晶磁芯经相同匝数扁平线立绕后获得电感器。从表中内容可看出，实施例1的电感器直流特性更好。
表1实施例1与比较例1/比较例1’规格参数及电感特性对比
表2为实施例1与对比例1制备的电感器装机温升特性对比，从表2中可以看出，在相同测试条件，实施例1的温升比比较例1低约20℃，散热效果明显。实施例1的立绕线圈的结构，使得导线的所有表面直接和空气接触，非常利于散热，降低温升，因此对于相同的功率的应用，可以采用比较高的导线的电流密度的设计，使得电感的绕线匝数进一步得到改善，而且这种线圈设计，彻底消除了线圈内的高频临近效应，减小了电感的损耗。
表2实施例1与对比例1装机温升特性对比
表3为实施例1和比较例2制备的两种非晶磁芯的磁性能对比，其中，比较例2为相同尺寸规格的Fe78Si9B13涂层非晶磁粉芯(涂层材料为环氧树脂绝缘粉末)。从该表可以看出实施例1的磁芯损耗与比较例2相比，下降了23％，说明采用护盒树脂灌封的方法可以减少封装工艺对非晶磁粉芯的应力影响，从而大幅降低磁芯损耗上升的幅度。
表3实施例1与比较例2规格参数及磁芯性能对比
表4为实施例1与比较例2装机噪音测试对比结果，其中比较例2为采用与实施例1相同规格的非晶磁粉芯经涂层(涂层材料为环氧树脂绝缘粉末)后绕制相同匝数的圆形导线而获得的电感器。测试方法是：将电感安装在市售格力空调上，替代原先PFC电感，分别替换完毕后，空调稳定运行5min之后，分贝测试仪贴近1cm位置，测试此时噪音。从表4中的结果可以看出，实施例1的噪音水平低于比较例2的噪音10dB，说明采用实施例1的方法对改善非晶磁粉芯在大电流工作条件下的噪音水平效果明显。
表4实施例1与比较例2电感装机噪音特性对比
实施例2
实施例2与实施例1的制备方法相同，只是立绕扁平线圈的匝数为45匝。表5为实施例1与实施例2的电感特性参数，从表4中数据可以看出，匝数减少，10A下的电感衰减幅度较低，85匝电感衰减至73.3％，而45匝电感仅衰减至95.5％。实际应用中，可以根据实际性能需求，在满足初始电感性能的需求下，匝数越少则抗饱和能力越好。
表5实施例1与实施例2装机电感特性对比
以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种环形非晶磁芯，其特征在于，包括护盒和置于所述护盒中的铁基非晶磁粉芯，所述铁基非晶磁粉芯与所述护盒相对的各面之间填充有有机树脂层。
2.据权利要求1所述环形非晶磁芯，其特征在于，所述有机树脂为环氧树脂、有机硅树脂和聚氨酯中的一种或几种。
3.据权利要求1所述环形非晶磁芯，其特征在于，所述有机树脂层厚度为0.1mm-0.3mm。
4.根据权利要求1所述环形非晶磁芯，其特征在于，所述铁基非晶磁粉芯是Fe-Si-B非晶磁粉芯，优选地，所述铁基非晶磁粉芯是未涂层的Fe-Si-B非晶磁粉芯；所述护盒材质为塑料。
5.一种非晶磁芯立绕式电感器，其特征在于，所述电感器包括权利要求1-4中任一项所述环形非晶磁芯及扁平线圈，所述扁平线圈均匀立式绕制在所述环形非晶磁芯上；优选地，所述立式绕制是指：所述扁平线圈中的各匝线圈沿所述环形非晶磁芯的圆周方向均匀分布，且形成所述扁平线圈的扁平线的宽面垂直于所述环形非晶磁芯的表面，形成所述扁平线圈的扁平线的窄面与所述环形非晶磁芯的表面平行。
6.根据权利要求5所述电感器，其特征在于，所述环形非晶磁芯是由至少二个磁芯段组合而成，各个相邻所述磁芯段之间为非导磁的气隙；优选地，通过金属钢带将组合后的各所述磁芯段固定在一起。
7.根据权利要求6所述电感器，其特征在于，所述扁平线圈材质为金属铝或者金属铜或者为二者的组合。
8.一种如权利要求6-7中任一项所述非晶磁芯立绕式电感器的制备方法，包括如下操作步骤：
环形非晶磁芯切割步骤，沿所述环形非晶磁芯的轴向将磁芯切割成至少两个磁芯段；
扁平线圈立绕步骤，按照扁平线的宽面与立绕工装的待缠绕面垂直的方式将所述扁平线绕制在所述立绕工装上，得到所述扁平线圈；
线圈与磁芯组装步骤，首先将所述扁平线圈套设在所述磁芯段上同时将各个所述磁芯段拼合成环状磁芯；然后采用金属钢带将拼合后的各个磁芯段捆紧在一起；最后利用所述扁平线圈本身的弹性自动分开各匝线圈，所述扁平线圈均匀立式绕制在所述环形非晶磁芯上，即得到所述非晶磁芯立绕式电感器。
9.根据权利要求8所述制备方法，其特征在于，所述环形非晶磁芯切割步骤中采用砂轮切割的方法；优选地，所选用的砂轮切割片厚度为0.1mm～2mm，更优选的厚度为0.5～1mm。
10.根据权利要求8或9所述制备方法，其特征在于，所述环形非晶磁芯的制备方法包括如下步骤：首先，往所述护盒中注入一定量的有机树脂；其次，将未涂层的铁基非晶磁粉芯装入所述护盒内；然后，往所述护盒继续注入有机树脂直至有机树脂充满所述铁基非晶磁粉芯与所述护盒之间的空隙且覆盖所述铁基非晶磁粉芯的上表面；最后，在所述护盒的顶端盖上护盒盖，室温下固化处理，从而制得所述环形非晶磁芯。
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