CN107452494B - 实现多磁导率连续变化环形磁芯电感的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现多磁导率连续变化环形磁芯电感的装置及方法。包括冷凝管和夹具；夹具上排列设置有矩形凹槽，矩形凹槽底面设置有与环形电感生坯同心的弧形凹槽；在夹具垂直于凹槽的两个端面设置有贯穿圆孔，圆孔圆心与弧形凹槽圆心位于同一条直线上，冷凝管穿入夹具圆孔，并贯穿整个夹具。将镍锌铜铁氧体材料与聚乙烯醇混合均匀,产物装入模具，用压片机压制成为环形电感生坯；将压制好的环形电感生坯置入夹具的弧形凹槽中，用冷凝管穿入夹具，将装有环形电感生坯的装置置于管式炉中，在冷凝管中通入冷凝介质，冷凝介质为水或者空气，在管式炉中进行烧结，烧结完成随炉冷却；得到环内外侧晶粒尺寸的变化、磁导率分布连续变化的环形磁芯电感。
Description
技术领域
本发明涉及一种实现多磁导率连续变化环形磁芯电感的装置及方法，具体地说，是通过温度场的梯度差烧结环形磁芯电感，进而实现环形磁芯电感磁导率差异的方法，即通过控温来达到控性的目的，属于电子元器件制造领域。
背景技术
电感器件作为高频功率转换器、变压器中不可或缺的元器件，在电力电子行业中有着重要的应用，而环形电感更是作为dc/dc转换器中的主要部件而备受青睐。目前商业环形电感，主要存在的问题，根据公式：
其中，B表示环形电感的磁通密度，μ代表磁导率，I表示电流激励，r代表磁环的半径。在实际工作过程中，由于磁环的外侧和内侧具有相同的磁导率，但半径大小不同，根据公式(1)，从而导致整个环形电感沿半径方向具有不同的磁通密度，在低电流激励时，磁环内侧和外侧磁通密度都较小；继续增大电流激励I，由于磁环内侧半径r较小，致使B较大，因此率先达到饱和，而外侧半径r较大，致使B较小，此时还未达到饱和，这种磁环内外侧不能同时达到饱和的情况导致不能充分利用环形电感的磁性组分，影响了电感性能的发挥；而内侧率先饱和也会导致功率损耗增加，转变成热量导致温度升高，既影响了电感器件能量传输效率，同时温度的升高还会影响电子元器件的使用寿命。
而制备外侧磁导率高，内侧磁导率低的多磁导率电感则可以充分发挥磁芯的性能，因为根据公式(1)，外侧磁导率高，内侧磁导率低可以实现内外侧相同的磁通密度。有报道表明，外高内低的多磁导率电感相比目前的商业单磁导率电感，不仅拥有较为均匀的磁通密度分布，而且还可以提高能流密度，降低器件尺寸。因此开发具有不同磁导率梯度分布(外高内低)的环形电感对电力电子中能量密度的提高，器件体积的降低尤为必要。
发明内容
本发明是针对目前商业环形电感单磁导率特征，从而导致磁环内外侧磁通密度分布不均匀的现状，提出利用梯度温度场(即让整个磁环的内外侧经历不同的烧结温度)实现多磁导率连续变化环形磁芯电感的装置以及方法，从而实现电感内外侧均匀的磁通密度，提高器件的能流密度，降低功率损耗的目的。
由于目前测量磁导率是通过整个磁环来测试，而这样测出来的磁导率值是整个环形电感的平均值，因此还不能准确的表征磁环各处磁导率的值。诸多报道表明，镍锌系列铁氧体随烧结温度的升高，晶粒尺寸增大，导致磁导率升高。在一定温度范围内烧结，晶粒尺寸随烧结温度的升高而增大，而磁导率又随着晶粒尺寸的增大而升高。本发明是通过利用扫描电子显微镜(SEM)观察沿磁环半径方向的显微形貌，观察晶粒尺寸的大小来间接证明磁环半径方向经历的烧结温度不同，从而导致磁导率的不同。
本发明的技术方案如下：
一种实现多磁导率连续变化环形磁芯电感的装置，包括冷凝管2和夹具3；夹具3上排列设置有矩形凹槽4，矩形凹槽4底面设置有与环形电感生坯1同心的弧形凹槽5；在夹具垂直于凹槽的两个端面设置有夹具圆孔6，夹具圆孔6圆心与弧形凹槽5圆心位于同一条直线上，冷凝管2穿入夹具圆孔6，并贯穿整个夹具3。
所述夹具3和冷凝管2材料为316不锈钢。
所述夹具3总体外形为一个立方体。
所述矩形凹槽4等间距排列，贯穿上表面；弧形凹槽5宽度与矩形凹槽4宽度相等。
为方便的将环形电感生坯1放入到矩形凹槽4和弧形凹槽5中，弧形凹槽5半径要略大于环形电感生坯1的外径，矩形凹槽4和弧形凹槽5宽度略大于环形电感生坯1厚度。
为方便的将冷凝管2穿入夹具圆孔6，冷凝管2外径略小于夹具圆孔6直径，小于环形电感生坯1的内径。
利用本发明的装置实现多磁导率连续变化环形磁芯电感的烧结方法；其步骤如下：
(a)混料：将镍锌铜铁氧体材料与聚乙烯醇(PVA)溶液在研钵中混合均匀；
(b)成型：将混合好的产物装入模具，用压片机压制成为环形电感生坯1；
(c)梯度烧结：将压制好的环形电感生坯1置入夹具3的弧形凹槽5中，用冷凝管2穿入夹具圆孔6并贯穿夹具3，将装有环形电感生坯1的此装置置于管式炉中，继而在冷凝管2中通入冷凝介质，冷凝介质为水或者空气，在管式炉中进行烧结，烧结完成随炉冷却；
(d)样品取出，得到环内外侧晶粒尺寸的变化、磁导率分布连续变化的环形磁芯电感。
所述镍锌铜铁氧体材料与聚乙烯醇(PVA)溶液质量比为100:10～20，聚乙烯醇(PVA)溶液为聚乙烯醇固含量占质量分数为5～10％的水溶液。
所述管式炉中烧结温度为950～1050℃，保温2小时。
所述压制环形电感生坯1成型压力为300～500MPa，保压时间为3～5min。
本发明的效果：
1.在烧结过程进行时，由于同时通入冷凝介质，因此可形成沿冷凝管半径方向分布的渐变梯度温度场，从而可对环形磁芯电感沿半径方向形成渐变温度梯度，为环形磁芯电感磁导率的连续变化提供有利条件。
2.烧结后的环形磁芯电感磁导率分布连续变化，可形成较均匀的磁通密度分布。
附图说明
图1为夹具剖面示意图。
图2为环形电感生坯和装置组合示意图。
图3为实施例2烧结完成以后环形磁芯电感显微结构图。
其中：1-环形电感生坯、2-冷凝管、3-夹具、4-凹槽、5-弧形凹槽、6-夹具圆孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明：
如图1、2所示，本发明的装置如下，一种可实现多磁导率连续变化环形磁芯电感的装置及方法，取一块立方体形状的316不锈钢作为夹具3原材料，沿夹具3一表面中间设置一定深度和宽度的矩形凹槽4，矩形凹槽4底面设置有与环形电感生坯1同心的弧形凹槽5，弧形凹槽5的半径比环形电感生坯1大0.2～0.5mm，矩形凹槽4与弧形凹槽5宽度相等，比环形电感生坯1的厚度大0.5mm；在夹具垂直于凹槽的两个端面设置有夹具圆孔6，夹具圆孔6圆心与弧形凹槽5圆心位于同一条直线上，冷凝管2穿入夹具圆孔6，并贯穿整个夹具3，冷凝管的外径比夹具圆孔6直径小0.2mm。
所述夹具3和冷凝管2材料为316不锈钢。
所述矩形凹槽4等间距排列，贯穿上表面；弧形凹槽5宽度与矩形凹槽4宽度相等。
为方便的将环形电感生坯1放入到矩形凹槽4和弧形凹槽5中，弧形凹槽5半径要略大于环形电感生坯1的外径，矩形凹槽4和弧形凹槽5宽度略大于环形电感生坯1的厚度。
为方便的将冷凝管2穿入夹具圆孔6，冷凝管2外径略小于夹具圆孔6直径，小于环形电感生坯1的内径。
利用本发明的装置实现多磁导率连续变化环形磁芯电感的烧结方法；其步骤如下：
(a)混料：将镍锌铜铁氧体材料与聚乙烯醇(PVA)溶液在研钵中混合均匀；
(b)成型：将混合好的产物装入模具，用压片机压制成为环形电感生坯1；
(c)梯度烧结：将压制好的环形电感生坯1置入夹具的弧形凹槽5中，用冷凝管2穿入夹具圆孔6并贯穿夹具3，将装有环形电感生坯1的此装置置于管式炉中，继而在冷凝管2中通入冷凝介质，冷凝介质为水或者空气，在管式炉中进行烧结，烧结完成随炉冷却；
(d)样品取出，得到环内外侧晶粒尺寸的变化、磁导率分布连续变化的环形磁芯电感。
所述镍锌铜铁氧体材料与聚乙烯醇(PVA)溶液质量比为100:10～20，聚乙烯醇(PVA)溶液为聚乙烯醇固含量占质量分数为5～10％的水溶液。
所述管式炉中烧结温度为950～1050℃，保温2小时。
所述压制环形电感生坯1成型压力为300～500MPa，保压时间为3～5min。
实施例1
利用具体实施方式中所制备的夹具装置，按如下步骤操作：
(a)取2g镍锌铜铁氧体粉末与0.2g质量分数为5％的聚乙烯醇(PVA)溶液在玛瑙研钵中混合均匀。
(b)将混合均匀的产物放入模具中，在300MPa压力下保压5min压制成型，压制的环形电感生坯1外径为20mm，内径10mm，厚度为3.8mm。
(c)将压好的环形电感生坯1放于可形成梯度温度分布的本发明装置上烧结，将此装置放于管式炉中，继而在冷凝管2中通入空气，通气流速为12L/min，在1050℃下烧结2小时。
(d)样品随炉冷却，取出做SEM测试，观察沿磁环半径方向晶粒尺寸的大小。发现沿环形磁芯电感半径方向呈现出了随半径增大，晶粒尺寸也变大的趋势，说明沿磁芯电感半径形成了温度梯度，从而间接证明了磁导率也随半径增大而变大的结果。
实施例2
利用具体实施方式中所制备的夹具装置，按如下步骤操作：
(a)取2g镍锌铜铁氧体粉末与0.3g质量分数为6％的聚乙烯醇(PVA)溶液在玛瑙研钵中混合均匀。
(b)将混合均匀的产物放入模具中，在400MPa压力下保压4min压制成型，压制的环形电感生坯1外径为20mm，内径10mm，厚度为3.7mm。
(c)将压好的环形电感生坯1放于可形成梯度温度分布的本发明装置上烧结，将此装置放于管式炉中，继而在冷凝管2中通入水，通水流速为100ml/min，在1000℃下烧结2小时。
(d)样品随炉冷却，取出做SEM测试，观察沿磁环半径方向晶粒尺寸的大小。发现沿环形磁芯电感半径方向呈现出了随半径增大，晶粒尺寸也变大的趋势，说明沿磁芯电感半径形成了温度梯度，从而间接证明了磁导率也随半径增大而变大的结果。
实施例3
利用具体实施方式中所制备的夹具装置，按如下步骤操作：
(a)取2g镍锌铜铁氧体粉末与0.4g质量分数为10％的聚乙烯醇(PVA)溶液在玛瑙研钵中混合均匀。
(b)将混合均匀的产物放入模具中，在500MPa压力下保压3min压制成型，压制的环形电感生坯1外径为20mm，内径10mm，厚度为3.5mm。
(c)将压好的环形电感生坯1放于可形成梯度温度分布的本发明装置上烧结，将此装置放于管式炉中，继而在冷凝管2中通入水，通水流速为90ml/min，在950℃下烧结2小时。
(d)样品随炉冷却，取出做SEM测试，观察沿磁环半径方向晶粒尺寸的大小。发现沿环形磁芯电感半径方向呈现出了随半径增大，晶粒尺寸也变大的趋势，说明沿磁芯电感半径形成了温度梯度，从而间接证明了磁导率也随半径增大而变大的结果。
按照上述实施方式，观察环形磁芯电感沿半径方向分布的显微结构，发现沿半径增大方向，均呈现了晶粒尺寸也增大的趋势，进而形成了磁导率的变化，成功制备了多磁导率连续分布的环形磁芯电感。
本发明公开和提出的所有方法，已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
Claims (10)
1.一种实现多磁导率连续变化环形磁芯电感的装置，包括冷凝管(2)和夹具(3)；夹具(3)上排列设置有矩形凹槽(4)，矩形凹槽(4)底面设置有与环形电感生坯(1)同心的弧形凹槽(5)；在夹具垂直于凹槽的两个端面设置有夹具圆孔(6)，夹具圆孔(6)圆心与弧形凹槽(5)圆心位于同一条直线上，冷凝管(2)穿入夹具圆孔(6)，并贯穿整个夹具(3)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征是夹具(3)和冷凝管(2)材料为316不锈钢。
3.如权利要求1所述的装置，其特征是夹具(3)总体外形为一个立方体。
4.如权利要求1所述的装置，其特征是矩形凹槽(4)等间距排列，贯穿上表面；弧形凹槽(5)宽度与矩形凹槽(4)宽度相等。
5.如权利要求1所述的装置，其特征是为方便的将环形电感生坯(1)放入到矩形凹槽(4)和弧形凹槽(5)中，弧形凹槽(5)半径要略大于环形电感生坯(1)的外径，矩形凹槽(4)和弧形凹槽(5)宽度略大于环形电感生坯(1)的厚度。
6.如权利要求1所述的装置，其特征是为方便的将冷凝管(2)穿入夹具圆孔(6)，冷凝管(2)外径略小于夹具圆孔(6)直径，小于环形电感生坯(1)的内径。
7.利用权利要求1的装置实现多磁导率连续变化环形磁芯电感的烧结方法；其特征是步骤如下：
(a)混料：将镍锌铜铁氧体材料与聚乙烯醇(PVA)溶液在研钵中混合均匀；
(b)成型：将混合好的产物装入模具，用压片机压制成为环形电感生坯(1)；
(c)梯度烧结：将压制好的环形电感生坯(1)置入夹具的弧形凹槽(5)中，用冷凝管(2)穿入夹具圆孔(6)并贯穿夹具(3)，将装有环形电感生坯(1)的此装置置于管式炉中，继而在冷凝管(2)中通入冷凝介质，冷凝介质为水或者空气，在管式炉中进行烧结，烧结完成随炉冷却；
(d)样品取出，得到环内外侧晶粒尺寸的变化、磁导率分布连续变化的环形磁芯电感。
8.如权利要求7所述的方法，其特征是镍锌铜铁氧体材料与聚乙烯醇(PVA)溶液质量比为100:10～20，聚乙烯醇(PVA)溶液为聚乙烯醇固含量占质量分数为5～10％的水溶液。
9.如权利要求7所述的方法，其特征是管式炉中烧结温度为950～1050℃，保温2小时。
10.如权利要求7所述的方法，其特征是压制环形电感生坯成型压力为300～500MPa，保压时间为3～5min。
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