磨加工对铁氧体磁芯电感的影响
软磁铁氧体作为一种基础电子材料,在高频电力电子领域得到广应用。高频铁氧体磁心大多数配对使用,如EE、EC、EI、PQ、RM、POT等。为了保持一定的电感量和电感稳定性,需要对配对使用的磁心其接触面进行磨加工。铁氧体是一种硬脆性的陶瓷材料,它与一般陶瓷材料的磨加工有共性,也有其作为电感磁心材料的电性能要求。磨加工工序是铁氧体磁心生产中最关键的工序之一,一般产品都只关注磁心磨加工的外观、强度性能或磨削机理等方面,本文主要从铁氧体磁心磨加工工艺对产品的电感和直流叠加(DC - Bias)性能的影响方面进行讨论,指出了磨加工工艺对提高产品电磁性能的改善方向。
2、磨加工砂轮倾角对电感的影响
为适应铁氧体磁心大批量生产的需要,较多采用端面磨加工方式即立轴磨加工方式,这种方式在保证磨加工产量的前提下,可以获较高的表面精度。一般硬脆材料在端面磨削过程中形成很多相互交贯的裂纹,使切屑呈粉碎状,并在被切削表面留下许多细裂纹 。立轴磨加工时,砂轮与磁心平行可以得到最好的平面度,但是这样会在铁氧体产品的表面留下交错的磨加工纹路的阴阳面,并且因铁氧体材料的脆硬性,还会在产品通过砂轮后角时造成崩边。因而实际生产中砂轮通常有一个微小的倾角,只利用砂轮的前角进行加工。这样既保证了产品的磨加工速度,又保证了产品的表面质量。
3、产品或砂轮振动对电感的影响
磨加工的振动主要来自于两个方面:一是产品底面不平整产生的振动,二是砂轮旋转产生的振动。产品底面不平整时,产品与磨床台面之间的接触至少有一角是悬空的,当砂轮磨加工作用到这一悬空部位时,就会造成产品振动,磨加工面形成对角凹陷状态,产生阴阳面,从而造成配对后产品出现气隙,导致电感下降。而当砂轮主轴或砂轮自身,因加工精度的偏差或材料密度分布不均匀或装配时不对称等因素,使得砂轮轴在旋转时产生离心力,而此离心力让轴偏离固定的轴线旋转,无法使砂轮面均匀旋转,造成配合面呈中间高、两边低的三角面或锥形面,同样造成产品配对后出现气隙,如图2所示。按前面所述气隙对电感的影响可知,产品电感会显著下降。
4、气隙平整度对电感及直流叠加的影响
因受磨加工磨床精度、产品大小、底部平整度、开气隙方式等因素的影响,在磁心开气隙时会造成气隙面不平整。这种不平整,既有宏观上的气隙面倾斜,也有微观上的气隙面粗糙度引起的不平整,以实际生产中的EE25型μi = 2300材料制作的磁心产品为例,在这两种不同情况下比较电感及直流叠加性能的变化情况,结果见表1、表2。表1数据表明在相同平均气隙条件下,砂轮的倾斜角度大时平面电感高,直流叠加性能差;表2实验数据表明在相同平均气隙情况下,当平面电感相同时,表面粗糙度低的直流叠加性能较好。这种现象可以用磁路磁阻的概念来解释。在表面不平整时,磁力线优先通过磁阻小的部分,因而突起的部分通过更多的磁力线,也即磁感应强度大,在有直流偏置电流时也就更容易饱和,因而整体磁心也更容易饱和,导致直流叠加时电感跌落更多。
5、砂轮目数、线速度、进给速度、进刀量等对电感的影响
脆硬材料在进行磨加工时,随着砂轮切削深度减小,工件进给速度变小,砂轮线速度变大以及磨粒变小而使得加工面变得平整 。在砂轮目数(粗细)变化中,对产品电感的影响同表2情况类似,目数越高的砂轮,磨加工面的光洁度越好,直流叠加后能够维持较高的电感。磨加工工件进给速度越快,磨加工面平整度越差,砂轮磨削的时间越短,研磨时间也相应缩短,表面也越粗糙,对直流叠加性能的影响越大。在砂轮切削深度很小时,主要产生剪切移动,表面较光滑。在进刀量大时,产生大面积的崩碎,表面粗糙度增大。在电感公差范围内,对平面电感影响不大,但是对有直流叠加时的电感会造成较大影响。表3为相同转速、进给速度及进刀量下不同砂轮目数及直径研磨后的电感数据。从表3可以看出,相同目数、直径大的砂轮磨加工后产品电感大;相同直径、粒度细的砂轮磨加工后产品电感大,与理论分析一致。
6、研磨方向对电感的影响
选用砂轮不同表面进行磁心磨加工,会得到不同的表面加工精度。利用砂轮的侧面进行磨加工时(横轴方式),因砂轮本身表面不平整,旋转砂轮时,同一厚度的圆周上的最大半径尺寸决定磨加工时的最低高度。在磨加工过程中,工件的运动方向与砂轮的磨加工方向是平行的,并没有横向移动,砂轮与产品更多地是切线接触,砂轮在产品上留下的磨痕可以等同于砂轮各层上的最大半径。立轴砂轮磨加工磁心时,产品前进方向与砂轮运动方向几乎垂直,平面上的点均匀扫过产品磨加工面,整体以最高点为基准,多轨道重复,砂轮与产品磨加工面可看作是面接触,参与磨加工的磨粒更多,磨削效率更高,表面光洁度更好。不同磨加工方式对应的磁心和砂轮相对运动轨迹示意于图3。结合前面对配合面表面粗糙度的分析,采用端面磨加工方法得到的产品电感更高。
7、结论
通过以上分析可知,磨加工对铁氧体磁心电感的电感值和直流叠加性能有重要影响。通过减小砂轮倾角、减小产品和砂轮的振动、使用细砂粒的砂轮、减小磨削量、降低进给速度、采用立轴磨加工等方法,可以提高加工面的表面平整度、光洁度,从而获得更高的磁心平面电感值。并能够在维持相同平面电感的基础上,提高磁心的直流叠加性能。