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磨加工对铁氧体磁心电感的影响

1、引言
     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泛应用。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,可以获得较高的表面精度。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。图 1 是铁氧体磁心端面磨加工示意图。磨加工时下凹深度可按下式近似计算:


 

式中,D0为砂轮直径(mm)B为磨削表面宽度(mm)a为磨头倾斜角度(°)

从(1)式中可以看出,砂轮直径及倾斜角度不变时,产品的宽度尺寸 B 越大,下凹深度也越大。例如,用直径 400 mm 的砂轮磨加工宽度尺寸 B 25mm产品,在倾斜角度为30°时,下凹深度e0.0034 mm

尺寸 B 50mm 时,砂轮直径及倾斜角度不变时,下凹深度为 0.0137mm,增加的比例超过 B 值增加的比例。

根据气隙定理,铁氧体磁心的电感系数与气隙值的关系可用下式表述:

 

式中,AL 为电感系数,nH/N2 C1 为磁心常数,mm―1i 为起始导磁率;G 为气隙深度,mmle 为磁路长度,mm

对于 EE25 磁心而言,若采用i=2300 的材质, 其 le=57.7 mmC1=1.11 mm―1,配合间隙一般按 0.008 mm 计,再加上 0.0034 mm 的下凹深度(忽略气隙形状的因素),总共深度为 0.0114 mm,由(2)式可以计算出无下凹时的电感系数为 1974 nH/N2,有下凹深度时的电感系数为 1790 nH/N2,电感有10%左右的下降。

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。


 2 产品或砂轮振动产生不平整研磨面


4、气隙平整度对电感及支流叠加的影响
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  i=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


 

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;
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。


3 不同砂轮目数及直径研磨后电感
 

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



3 不同磨加工方式磁心和砂轮相对运动轨迹




七、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


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