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隨著電子設(shè)備功能不斷增強(qiáng)，對電源功率要求日益提高，電源的大功率化進(jìn)程加速，這成為推動磁芯尺寸變大的關(guān)鍵因素。例如40kW的充電樁模塊電源，其重量已達(dá)到30千克，而更大功率的集中式光伏逆變器，僅電抗器就高達(dá)幾十千克。

為了探究如何解決磁芯尺寸變大后一體成型面臨的挑戰(zhàn)，Big-Bit資訊采訪了惠州市安可遠(yuǎn)磁性器件有限公司(下稱“安可遠(yuǎn)”)總經(jīng)理王理平，看他們是如何解決大體積金屬軟磁粉芯一體成型難題，以及他們能夠?qū)崿F(xiàn)一體成型的磁芯最大體積是多少。

電源功率攀升促使磁芯體積逐漸增大

目前，車載OBC、充電樁、光儲、AI服務(wù)器等熱門市場，其模塊電源功率均呈不斷上升趨勢。隨著電源功率的不斷攀升，對磁芯的需求也在發(fā)生變化。

各個終端市場開關(guān)電源功率變化趨勢，Big-Bit資訊整理

電源大功率化意味著磁芯要處理更大的電流與功傳輸。為滿足這一需求，磁芯需具備更高的飽和磁通密度與更低的磁損耗。

磁芯尺寸變大能夠提供更大的磁通量承載能力，減少磁飽和現(xiàn)象的發(fā)生，從而保障電源在大功率運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性與高效性。

以40kW充電樁模塊電源為例，取效率Ef=0.8、初級繞組窗口占用系數(shù)Sn=0.4、最大磁通密度Bmax=1600G、電流密度J=4A/平方毫米，假設(shè)采用全橋電路m=4.48，開關(guān)頻率f=20kHz，初步估算磁芯截面積和窗口面積的乘積大約為140平方厘米。

隨著功率不斷提升，傳統(tǒng)小尺寸磁芯已無法滿足要求，促使磁芯尺寸逐漸增大。

安可遠(yuǎn)通過磁芯結(jié)構(gòu)創(chuàng)新及自動化設(shè)備改造，將傳統(tǒng)的大功率組合磁芯改造成一體成型磁芯ATX系產(chǎn)品，完美應(yīng)用于光伏逆變器，大功率工商儲能領(lǐng)域，可以平替?zhèn)鹘y(tǒng)磁件方案。

以成品電感的磁芯對比為例，新磁芯結(jié)構(gòu)制做的電感，比傳統(tǒng)磁芯做成的器件的價(jià)格上下降10%左右。（如圖示）新磁芯結(jié)構(gòu)人工費(fèi)降低，治工具也相對簡單，磁芯結(jié)構(gòu)組合簡便，后段組裝成本大輻度下降，從而達(dá)到整體成品電感降本的效果。

傳統(tǒng)組合磁芯結(jié)構(gòu)，圖片來源：安可遠(yuǎn)

安可遠(yuǎn)ATX系列新磁芯結(jié)構(gòu)，圖片來源：安可遠(yuǎn)

磁集成后磁芯單體體積更大

除了模塊電源功率變大，磁集成也在一定程度上讓單個磁芯體積變得更大。

此前在Big-Bit資訊磁集成系列專題的采訪中，中國電源學(xué)會磁技術(shù)專業(yè)委員會名譽(yù)主任委員、福州大學(xué)陳為教授表示，磁集成技術(shù)在LLC電路中的電源應(yīng)用相對較多，且發(fā)展較為成熟。

眾多業(yè)界頂尖專家、整機(jī)大咖和行業(yè)資深研發(fā)人員都表示，雖然磁集成從總整體上縮小了磁芯尺寸，但具體到單個磁芯尺寸而言，集成后磁芯尺寸反而比分立磁性元件單個磁芯尺寸更大。

不僅如此，除了尺寸變大，磁集成后，由于集合了兩個甚至多個磁性元件的功能，磁芯結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。

而隨著磁芯尺寸的增大，問題也接踵而至。

安可遠(yuǎn)雙相磁集成電感磁芯，圖片來源：安可遠(yuǎn)

磁芯體積變大后面臨的制造難點(diǎn)

磁芯尺寸變大后，生產(chǎn)制造各個環(huán)節(jié)都帶來了新的問題。

一是壓制環(huán)節(jié)遭遇困境。以金屬磁粉芯為例，磁芯尺寸變大后，對壓力的均勻分布要求更高。王理平表示，在傳統(tǒng)的磁芯壓制設(shè)備中，壓力在傳遞到較大體積磁芯的內(nèi)部和邊緣時(shí)，容易出現(xiàn)差異。磁芯邊緣可能因壓力過大而產(chǎn)生裂紋，內(nèi)部則可能因壓力不足而致密度不夠。這種壓力分布不均使得磁芯一體成型的合格率大幅降低。

同時(shí)，磁芯尺寸變大后，在壓制過程中，脫模也成為難題。磁芯與模具內(nèi)壁的接觸面積增大，脫模時(shí)所需克服的摩擦力顯著增加，稍有不慎就會造成粉芯表面損傷或整體結(jié)構(gòu)破壞。

二是成型壓強(qiáng)更大。環(huán)狀的金屬軟磁粉芯磁芯本身就是需要高制密性才能做出高質(zhì)量的磁芯產(chǎn)品，磁芯尺寸變大后，需要的成型壓強(qiáng)也更大。據(jù)了解，目前業(yè)界出現(xiàn)成型壓強(qiáng)高達(dá)25 噸/平方厘米的磁芯產(chǎn)品。

三是磁芯如何適合自動化繞線。磁芯生產(chǎn)過程中，目前業(yè)界能一體成型的純圓形磁芯最大直徑尺寸在55mm左右，更大的磁芯尺寸只能采用多塊、人工拼接的方式制造；繞線環(huán)節(jié)中，能自動化機(jī)器推繞的比例不到10%，生產(chǎn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足整機(jī)客戶降本需求。

安可遠(yuǎn)經(jīng)過多年的研發(fā)與實(shí)踐，已成功推出全尺寸AYX/AKX系磁芯產(chǎn)品，能很好地適合自動機(jī)器推繞。

傳統(tǒng)的上下蓋板加中柱的磁芯結(jié)構(gòu)組合形式（如下圖左），繞線必須以折繞的方式才能實(shí)現(xiàn)。安可遠(yuǎn)的AKX系磁芯（如下圖右）實(shí)現(xiàn)了一體成型，磁芯表面做了絕緣處理，利用推繞的方式即可實(shí)現(xiàn)扁銅線自動繞線

不僅如此，AKX系列磁芯還把推繞銅線的截面積提高到15平方左右，承載電流可達(dá)50-100A之間，且繞線成本對比傳統(tǒng)的機(jī)器折繞方式效率提高3倍以上，且AKX系磁芯后段組裝上形成了獨(dú)一無二的風(fēng)道設(shè)計(jì)，整體溫升更優(yōu)異。

30kW-40kW充電樁模塊電源傳統(tǒng)組合磁芯電感（左）與安可遠(yuǎn)一體成PFC電感磁芯（右）對比圖，圖片來源：安可遠(yuǎn)

安可遠(yuǎn)20kW充電樁模塊電源磁集成PFC電感磁芯，圖片來源：安可遠(yuǎn)

磁芯截面為純圓形的磁環(huán)直徑達(dá)到102mm 安可遠(yuǎn)突破一體成型桎梏

為了滿足業(yè)界自動化生產(chǎn)需求，安可遠(yuǎn)投入大量資金，耗時(shí)2年，在現(xiàn)有的成型設(shè)備上進(jìn)行再造，治工具上進(jìn)行深化改良，并結(jié)合自有制粉技術(shù)、粉末包覆技術(shù)和總公司麥捷科技的超微包覆工藝，開發(fā)了AYX與AKX以及ATX系列磁芯，有效地解決了磁芯尺寸變大后的一體成型和自動化生產(chǎn)痛點(diǎn)，可滿足扁線推繞的自動化生產(chǎn)。比傳統(tǒng)的機(jī)器折繞方式快了3倍以上！比傳統(tǒng)的人工勾線快了4倍以上!

AYX系列合金磁芯，圖片來源：安可遠(yuǎn)

AYX系列合金磁芯，圖片來源：安可遠(yuǎn)

AYX系列合金磁芯，圖片來源：安可遠(yuǎn)

AYX系列合金磁芯，圖片來源：安可遠(yuǎn)

扁線立繞已經(jīng)過批量驗(yàn)證。安可遠(yuǎn)已將磁芯截面為純圓形的AYX、AKX以及ATX磁芯做成系例產(chǎn)品，磁環(huán)直徑從尺寸26mm-102mm都可以批量生產(chǎn)，匹配客戶現(xiàn)有的，或正在使用的傳統(tǒng)手工繞線電感磁芯的電性參數(shù)，依據(jù)客戶的PCBA上空間體積要求，重新設(shè)計(jì)替代的磁芯降本方案。

生產(chǎn)效率提高4倍以上。AYX與AKX以及ATX系磁芯（磁環(huán)電感）每小時(shí)可繞制250-400 顆，生產(chǎn)效率相當(dāng)于手工繞制的4-6倍左右。

匝間寄生電容值小。磁集成后面臨的一大問題就是磁性元件雜散參數(shù)更大，散熱更難。安可遠(yuǎn)的AYX與AKX以及ATX系列磁芯扁線立繞磁環(huán)散熱性能優(yōu)越，匝間電容小，且分布均勻，所以EMC效果非常好。

生產(chǎn)成本降低20%。以某新能源磁件公司采用安可遠(yuǎn)一體成型高感合金磁芯開發(fā)的充電樁直流共模電感新方案為例，不僅將感抗、差模分量做得更高，扁線立繞方式還將生產(chǎn)效率提高至3min/顆，生產(chǎn)成本降低20%。

三相共模電感新結(jié)構(gòu)ADX系列高感合金磁芯（左）與傳統(tǒng)磁環(huán)磁芯（右），圖片來源：安可遠(yuǎn)

而傳統(tǒng)的共模電感方案為手工勾線，線徑粗，生產(chǎn)效率低，繞線分布雜亂，寄生電容大，且EMI效果一般，一致性也低。改用新式的三模共模電感，無論是外觀，電性參數(shù)，EMC效果，性價(jià)比非常的高。整個電源模塊在同等電性參數(shù)的情況下零件布局適用性，觀賞性提高一大截！

磁極新能源正是選用安可遠(yuǎn)的優(yōu)質(zhì)的，新式的磁芯結(jié)構(gòu)，以及高感合金磁芯和出色的產(chǎn)品研發(fā)能力，開發(fā)了多個性能優(yōu)異且具有成本優(yōu)勢的新產(chǎn)品方案，在競爭激烈的2024年仍實(shí)現(xiàn)了業(yè)績快速增長，特別在工商儲能領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。

三相共模電感新結(jié)構(gòu)ADX系列高感合金磁芯，圖片來源：安可遠(yuǎn)

結(jié)語

金屬軟磁粉芯體積變大后一體成型難度劇增，這不僅是對現(xiàn)有制造工藝的挑戰(zhàn)，同時(shí)也是推動行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的契機(jī)。不僅如此，浙江大學(xué)王正仕副教授還提到，目前業(yè)界已有企業(yè)正在探索將兩級電路整合成一級電路的可能性，以現(xiàn)降本增效的目標(biāo)，這也意味著未來磁性元件產(chǎn)品的集成度有可能進(jìn)一步提高。

這不僅需要磁性元件、磁芯、磁材、線材等元器件和材料供應(yīng)商探索更多新的磁芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝，更需要終端整機(jī)企業(yè)敢于驗(yàn)證和嘗試新方案、新產(chǎn)品、新工藝，因此，只有整個產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)攜手合作，共同探索和創(chuàng)新，才能生產(chǎn)出更多優(yōu)質(zhì)的磁性元件產(chǎn)品，推動電子行業(yè)不斷向前發(fā)展。