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直徑102mm 安可遠(yuǎn)突破大體積磁芯一體成型瓶頸
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直徑102mm 安可遠(yuǎn)突破大體積磁芯一體成型瓶頸

2025-02-28 18:33:51 來源:電子變壓器與電感網(wǎng) 作者:丘水林 點(diǎn)擊:1265

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            

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。

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

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

 

安可遠(yuǎn)ATX系列新結(jié)構(gòu)磁芯

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

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。

安可遠(yuǎn)充電樁模塊電源一體成形PFC電感磁芯

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

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

AYX系列合金磁芯,圖片來源:安可遠(yuǎn)

AYX系列合金磁芯

AYX系列合金磁芯,圖片來源:安可遠(yuǎn)

AYX系列合金磁芯

AYX系列合金磁芯,圖片來源:安可遠(yuǎn)

AYX系列合金磁芯

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。

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,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

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

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。

本文為嗶哥嗶特資訊原創(chuàng)文章,未經(jīng)允許和授權(quán),不得轉(zhuǎn)載,否則將嚴(yán)格追究法律責(zé)任;

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