CN115527749A - 一种非晶纳米晶电感磁芯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁性元器件技术领域，具体涉及一种非晶纳米晶电感磁芯及其制备方法，包括：磁芯带材，磁芯带材卷制形成非晶纳米晶电感磁芯；磁芯带材包括：衬底胶层；磁体层，磁体层包括多个相互分离的磁体单元，磁体单元粘合于衬底胶层上方，且相邻的磁体单元之间设置有气隙。本发明的有益效果在于：通过在加工晶带的过程中，将磁体层加工成若干个相互分离的磁体单元，并黏附在衬底胶层上固定气隙，使得各磁体单元之间能够通过气隙实现相互绝缘，进而在卷制成磁芯后能够实现对感应涡流的抑制效果，避免了现有技术中的连续晶带会因为感应涡流严重发热的问题。同时，通过添加气隙增强散热，进一步地抑制了缠绕密集线圈带来的散热问题。
Description
技术领域
本发明涉及磁性元器件技术领域，具体涉及一种非晶纳米晶电感磁芯及其制备方法。
背景技术
铁基纳米晶磁芯拥有优异的软磁性能，被广泛应用于变压器、电抗器、磁放大器、EMC滤波器共模电感和差模电感磁芯。铁基非晶电感磁芯具有高磁感应强度Bs，具有低损耗、易于安装和易于绕线等优点而被得到广泛的应用，它适用于高频变压器，光伏逆变器滤波电感，中频变压器，大功率输出滤波器，变频空调PFC电感等场合。
现有技术中，已存在有基于铁基纳米晶带材卷制形成磁芯的技术方案。比如，中国专利CN202210320890.9中公开了一种纳米晶磁芯的制备方法，该方法是通过在纳米晶带上进行辊压，形成特定的辊压花纹后，将预处理纳米晶进行卷制形成磁芯，通过在纳米晶带表面加出花纹来降低纳米晶矫顽力和损耗，
但是，在实际实施过程中，发明人发现，上述方案在加工成电感的过程中，通常需要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，圆铜线的密集叠层绕制。导致密绕的线圈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。同时，上述连续晶带的设计使得磁芯的饱和电流上限较低，不利于对抗强饱和电流。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种非晶纳米晶电感磁芯；另一方面，还提供该非晶纳米晶电感磁芯的制备方法。
具体技术方案如下：
一种非晶纳米晶电感磁芯，包括：磁芯带材，所述磁芯带材卷制形成所述非晶纳米晶电感磁芯；
所述磁芯带材包括：
衬底胶层；
磁体层，所述磁体层包括多个相互分离的磁体单元，所述磁体单元粘合于所述衬底胶层上方，且相邻的所述磁体单元之间设置有气隙。
优选地，所述磁体单元具有相同的规则图形；
所述规则图形包括：正八边形、正六边形、正方形；
优选地，所述磁体单元的面积在1～4平方毫米之间。
优选地，所述气隙的宽度在4～90μm之间。
优选地，所述气隙中填充有固化剂；
所述固化剂包括：异氰酸酯、吡啶、氨基树脂、带环氧基团树脂和四异丙氧基钛。
一种非晶纳米晶电感磁芯的制备方法，用于制备上述的非晶纳米晶电感磁芯，包括：
步骤S1：对非晶纳米晶带材进行热处理形成热处理带材；
步骤S2：将热处理带材粘合至衬底胶层，并在热处理带材上制备气隙以形成多个磁体单元，随后作为磁芯带材输出；
步骤S3：将所述磁芯带材卷制成所述非晶纳米晶电感磁芯。
优选地，所述步骤S2包括：
步骤S21：在所述衬底胶层上粘合所述热处理带材；
步骤S22：对所述热处理带材进行辊压破碎形成所述气隙，以使得所述磁体单元彼此分离；
步骤S23：在所述热处理带材上喷涂固化剂，对所述气隙进行填充固化，形成所述磁芯带材。
优选地，所述步骤S22中，采用超声波辊压设备对所述热处理带材进行辊压；
所述超声波辊压设备的辊轮上设置有凸起线条，所述凸起线条的宽度在0.05～0.22mm之间。
优选地，所述步骤S3包括：
步骤S31：根据所述非晶纳米晶电感磁芯的规格需求切割并卷制所述磁芯带材，形成磁芯胚体；
步骤S32：将所述卷制磁芯浸胶，以使得所述磁芯胚体的外部包覆保护层，形成所述非晶纳米晶电感磁芯。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：通过在加工晶带的过程中，将磁体层加工成若干个相互分离的磁体单元，并黏附在衬底胶层上固定气隙，使得各磁体单元之间能够通过气隙实现相互绝缘，进而在卷制成磁芯后能够实现对感应涡流的抑制效果，避免了现有技术中的连续晶带会因为感应涡流严重发热的问题。同时，通过添加气隙，使得各磁体单元与空气之间具有了较大的接触面积，进一步地抑制了缠绕密集线圈带来的散热问题。
附图说明
参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为本发明实施例的整体示意图；
图2为现有技术中的磁芯带材剖面图；
图3为本发明另一实施例的示意图；
图4为本发明实施例中制备方法示意图；
图5为本发明实施例中步骤S2子步骤示意图；
图6为本发明实施例中步骤S3子步骤示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明包括：
一种非晶纳米晶电感磁芯，包括：磁芯带材，磁芯带材卷制形成非晶纳米晶电感磁芯；
如图1所示，磁芯带材包括：
衬底胶层1；
磁体层2，磁体层2包括多个相互分离的磁体单元21，磁体单元21粘合于衬底胶层1上方，且相邻的磁体单元21之间设置有气隙。
具体地，针对现有技术中由连续软磁带材卷制形成的电感磁芯，其在使用过程中会因为感应涡流导致剧烈发热的问题，本实施例中，通过将连续的软磁带材替换成粘贴在衬底胶层1上方的若干个磁体单元21等效得到的磁体层2，在能够实现软磁带材的导磁效果的同时，使得磁体单元21之间通过气隙形成绝缘，进而抑制了感应涡流的生成，避免了由于感应涡流导致的发热问题。
进一步地，通过在磁体单元21中设置气隙，增加了各磁体单元21与空气接触的面积，进而实现了较好的散热效果，针对电感磁芯密集缠绕线圈的情况可以使得磁体单元21充分散热，进一步地抑制了发热问题。
进一步地，通过设置绝缘的衬底胶层1作为磁芯带材的底层结构，使得磁芯带材被卷制形成
在实施过程中，上述磁芯带材用于指代衬底胶层1和磁体单元21的复合结构，其相当于现有技术中用于卷制电感磁芯的软磁带材；同样地，磁体层2指粘贴在衬底胶层1上方的结构，其实质上是由多个磁体单元21组成的“等效”磁体层2。磁体单元21指基于非晶材料、纳米晶材料制成的具有特定形状的磁性材料区块，其粘贴在衬底胶层1上方，并与其他磁体单元21组合，起到现有技术中的软磁带材的作用。气隙指相邻的磁体单元21之间的空间，其用于在相邻的磁体单元21之间形成间隔进而维持较好的绝缘特性，以此来阻断感应涡流的生成。如图2所示，现有技术中的磁芯带材，其通常为一连续的磁芯带材，根据工艺需求的不同其表面可能加工有特定的辊压花纹、裂纹等图形，但其仅是对磁芯的表面进行了图形化处理，在花纹下方仍存在有连续的软磁材料层，因此其在绕制成磁芯后，会产生相对较大的感应涡流。
在一种较优的实施例中，磁体单元21具有相同的规则图形；
规则图形包括：正八边形、正六边形、正方形。
在一种较优的实施例中，磁体单元21的面积在1～4平方毫米之间。
具体地，针对现有技术中由连续软磁带材卷制形成的电感磁芯，其在使用过程中会因为感应涡流导致剧烈发热的问题，本实施例中，通过将单个磁体单元21的尺寸控制在1～4平方毫米之间，使得最终形成的磁体层2中，有效抑制了连续导体中的感应涡流的生成，进而避免了发热的问题。
在一种较优的实施例中，气隙的宽度在4～90μm之间。
具体地，为实现磁体单元21之间较好的隔离效果，以避免连续的磁体层2中产生感应涡流，同时使得最终制备得到的磁芯具有较高的磁导率密度，本实施例中，通过控制气隙的宽度在4～90μm之间，使得气隙能够对磁体单元21之间实现较好的绝缘效果，同时避免了磁体单元21之间距离过远导致的磁导率密度下降的问题。
在一种较优的实施例中，如图3所示，气隙中填充有固化剂22；
固化剂22包括：异氰酸酯、吡啶、氨基树脂、带环氧基团树脂和四异丙氧基钛。
具体地，为实现较好的层间绝缘的效果，本实施例中，还在衬底胶层1上方制备形成多个磁体单元21后，针对磁体单元21之间的气隙采用固化剂22进行填充，从而实现了对气隙较好的固化效果，进而使得磁芯带材被卷绕成磁芯后，仍能够对气隙进行较好的定型，实现磁体单元21之间的良好隔离。
一种非晶纳米晶电感磁芯的制备方法，用于制备上述的非晶纳米晶电感磁芯，如图4所示，包括：
步骤S1：对非晶纳米晶带材进行热处理形成热处理带材；
步骤S2：将热处理带材粘合至衬底胶层1，并在热处理带材上制备气隙以形成多个磁体单元21，随后作为磁芯带材输出；
步骤S3：将磁芯带材卷制成非晶纳米晶电感磁芯。
具体地，针对现有技术中由连续软磁带材卷制形成的电感磁芯，其在使用过程中会因为感应涡流导致剧烈发热的问题，本实施例中，通过在对带材处理的过程中，将衬底胶层1作为基底固定热处理带材，随后在热处理带材上加工出气隙，以使得磁体单元21之间彼此分离，进而使得磁芯带材具有较好的抗涡流性能，避免了最后卷制得到磁芯容易因为感应涡流发热。
在一种较优的实施例中，如图5所示，步骤S2包括：
步骤S21：在衬底胶层1上粘合热处理带材；
步骤S22：对热处理带材进行辊压破碎形成气隙，以使得磁体单元21彼此分离；
步骤S23：在热处理带材上喷涂固化剂22，对气隙进行填充固化，形成磁芯带材。
具体地，针对现有技术中由连续软磁带材卷制形成的电感磁芯，其在使用过程中会因为感应涡流导致剧烈发热的问题，本实施例中，通过在衬底胶层1上粘合热处理带材后，对热处理带材进行辊压破碎，使得原本连续的磁材受压断裂，进而得到若干个相互分离的磁体单元21。随后，通过在磁体单元21上喷涂固化剂22，填充磁体单元21中的气隙，从而实现气隙间的有效绝缘，以及相对恒定的气隙宽度。
在一种较优的实施例中，步骤S22中，采用超声波辊压设备对热处理带材进行辊压；
超声波辊压设备的辊轮上设置有凸起线条，凸起线条的宽度在0.05～0.22mm之间，辊轮的压力在50～250Kg之间。
具体地，为实现在热处理带材上辊压得到若干相互分离的磁体单元21，本实施例中，通过在超声波辊压设备上设置特定的凸起线条，并对辊轮的压力加以调整，从而使得热处理带材在辊压时能够彻底断裂形成相互分离的磁体单元21。
在一种较优的实施例中，如图6所示，步骤S3包括：
步骤S31：根据非晶纳米晶电感磁芯的规格需求切割并卷制磁芯带材，形成磁芯胚体；
步骤S32：将卷制磁芯浸胶，以使得磁芯胚体的外部包覆保护层，形成非晶纳米晶电感磁芯。
具体地，为实现电感磁芯较好的绝缘效果，本实施例中，通过在卷制磁芯后对磁芯的外部浸漆形成保护层，从而实现了较好的绝缘效果。
作为可选的实施方式，步骤S32中，保护层的厚度为30～65μm；
步骤S32具体包括：将磁芯坯体置于所述胶液中，浸泡6～15min使所述磁芯坯体的外表面覆上胶液，随后进行烘干，烘干温度为50℃～60℃，烘干时间为45～65min。
作为可选的实施方式，衬底胶层1的厚度为1～3μm。
衬底胶层1为单面胶或双面胶，衬底胶层1为透明胶或不透明胶；
作为可选的实施方式，衬底胶层1为导热胶或石墨烯散热膜。
下面结合具体的生产实施例对本发明作进一步说明：
采用上述方法生产铁基纳米晶电感磁芯，其中磁芯规格为CNC(产品规格型号的代码)-75(内窗口长度)*28(内窗口宽度)*25(叠片厚度)*35(带材宽度)。
实施例1
启动加热系统关闭炉腔门将炉体抽真空；达到真空要求关闭真空泵，向炉体通入氮气；
升温至250℃，将铁基纳米晶卷制成待处理磁芯放入炉腔；
开启磁场，磁场强度为2600A/m；
升温至490℃保温90min，再升温至550℃保温90min后冷却至200℃将待处理出炉并展平形成热处理带材；
在热处理带材上粘贴透明胶，设置压力为10-250Kg，采用具有正八边形凸起线条的辊轮对热处理带材进行辊压，并喷涂固化剂；
上述固化后的的卷材分切固定宽度的尺寸并卷绕成规定尺寸的磁芯坯体；
将合成树脂搅拌混合形成粘度为30-40s的胶液，然后将磁芯坯体置于所述胶液中，浸泡5-8min后于35℃-45℃烘干40min，在磁芯坯体的外表面上得到一层厚度为35-40μm的防锈涂层；得到最终的成品。
实例2
启动加热系统关闭炉腔门将炉体抽真空；达到真空要求关闭真空泵，向炉体通入氮气；
升温至250℃，将铁基纳米晶卷制成待处理磁芯放入炉腔；
开启磁场，磁场强度为2600A/m；
升温至490℃保温90min，再升温至550℃保温90min后冷却至200℃将待处理出炉并展平形成热处理带材；
在热处理带材上粘贴透明胶，设置压力为10-250Kg，采用具有正六边形凸起线条的辊轮对热处理带材进行辊压，并喷涂固化剂；
上述固化后的的卷材分切固定宽度的尺寸并卷绕成规定尺寸的磁芯坯体；
将合成树脂搅拌混合形成粘度为30-40s的胶液，然后将磁芯坯体置于所述胶液中，浸泡5-8min后于35℃-45℃烘干40min，在磁芯坯体的外表面上得到一层厚度为35-40μm的防锈涂层；得到最终的成品。
实例3
启动加热系统关闭炉腔门将炉体抽真空；达到真空要求关闭真空泵，向炉体通入氮气；
升温至250℃，将铁基纳米晶卷制成待处理磁芯放入炉腔；
开启磁场，磁场强度为2600A/m；
升温至490℃保温90min，再升温至550℃保温90min后冷却至200℃将待处理出炉并展平形成热处理带材；
在热处理带材上粘贴透明胶，设置压力为10-250Kg，采用具有正方形凸起线条的辊轮对热处理带材进行辊压，并喷涂固化剂；
上述固化后的的卷材分切固定宽度的尺寸并卷绕成规定尺寸的磁芯坯体；
将合成树脂搅拌混合形成粘度为30-40s的胶液，然后将磁芯坯体置于所述胶液中，浸泡5-8min后于35℃-45℃烘干40min，在磁芯坯体的外表面上得到一层厚度为35-40μm的防锈涂层；得到最终的成品。
综上所述对本发明实例1、实例2实例3在都是单个面积同为1平方毫米及相同磁导率下进行相同频率下损耗对比.
表1.不同条件下性能测试参数表
表1
对比实例1、实例2实例3可知相同磁导率下正八边形总损耗最低，涡流损耗也最低。其次为六边形。单个图形气隙的长度就等于图形的周长之和。说明单个图形下周长越小其损耗也越小，在相同磁导率下说明正八边形的气隙就要相对大一些进而实现碎片与碎片之间的绝缘度更好故损耗特性最好。
以实例1工序，对辊轮压力进行改变，分别制备实例4-11制备磁导率为600、800、1000、1500、2000、3000、6000、8000。相同频率下的损耗及温升如下表
对比实例4-11可知随着压力的增大磁导率随着变小，对应的总损耗和涡流损耗也会变小，随着涡流损耗的变小温升也随着变小。可知通过本发明的实现了平面磁性单元与磁性单元之间真正的绝缘降低了高频下的涡流损耗及温升，又通过胶层实现磁芯层与层之间的绝对绝缘进一步减少损耗，增加抗直流能力。对应表不同的电感可以选择不同磁导率的磁芯。
综上所述通过改变超声共振装置中辊轮的图形形状，八边形的特性最优，在磁体平面上实现磁体与磁体气隙绝缘同时气隙可以抗饱和，分切卷绕后实现层与层均匀的绝缘有效的降低高频下的涡流损耗减少热量及噪音。还可以减少整体的体积。对应表不同的电感可以选择不同磁导率的磁芯。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种非晶纳米晶电感磁芯，其特征在于，包括：磁芯带材，所述磁芯带材卷制形成所述非晶纳米晶电感磁芯；
所述磁芯带材包括：
衬底胶层；
磁体层，所述磁体层包括多个相互分离的磁体单元，所述磁体单元粘合于所述衬底胶层上方，且相邻的所述磁体单元之间设置有气隙。
2.根据权利要求1所述的非晶纳米晶电感磁芯，其特征在于，所述磁体单元具有相同的规则图形；
所述规则图形包括：正八边形、正六边形、正方形。
3.根据权利要求1所述的非晶纳米晶电感磁芯，其特征在于，所述磁体单元的面积在1～4平方毫米之间。
4.根据权利要求1所述的非晶纳米晶电感磁芯，其特征在于，所述气隙的宽度在4～90μm之间。
5.根据权利要求1所述的非晶纳米晶电感磁芯，其特征在于，所述气隙中填充有固化剂；
所述固化剂包括：异氰酸酯、吡啶、氨基树脂、带环氧基团树脂和四异丙氧基钛。
6.一种非晶纳米晶电感磁芯的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-5任意一项所述的非晶纳米晶电感磁芯，包括：
步骤S1：对非晶纳米晶带材进行热处理形成热处理带材；
步骤S2：将热处理带材粘合至衬底胶层，并在热处理带材上制备气隙以形成多个磁体单元，随后作为磁芯带材输出；
步骤S3：将所述磁芯带材卷制成所述非晶纳米晶电感磁芯。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S21：在所述衬底胶层上粘合所述热处理带材；
步骤S22：对所述热处理带材进行辊压破碎形成所述气隙，以使得所述磁体单元彼此分离；
步骤S23：在所述热处理带材上喷涂固化剂，对所述气隙进行填充固化，形成所述磁芯带材。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S22中，采用超声波辊压设备对所述热处理带材进行辊压；
所述超声波辊压设备的辊轮上设置有凸起线条，所述凸起线条的宽度在0.05～0.22mm之间。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S31：根据所述非晶纳米晶电感磁芯的规格需求切割并卷制所述磁芯带材，形成磁芯胚体；
步骤S32：将所述卷制磁芯浸胶，以使得所述磁芯胚体的外部包覆保护层，形成所述非晶纳米晶电感磁芯。
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