本申請要求2014年4月2日提交的美國非臨時申請No.14/242,982的權(quán)益，其內(nèi)容通過引用并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及電子部件，更具體地，涉及磁性部件及其制造。

背景技術(shù)：

對磁性部件的需求不斷增加，如感應(yīng)器和變壓器，其具有對于電參數(shù)的給定值(例如電感，交流和直流電阻)和品質(zhì)因數(shù)的改進，例如減小的重量，高度或體積，并且具有較低的損耗，降低漏電電感，并更好地平衡繞組間電容和漏電電感。這種需求非常大的一種技術(shù)是電動和混合動力汽車。

傳統(tǒng)上，磁性部件通過繞線，機械加工和金屬切割制成。一直被使用的金屬切割技術(shù)包括沖壓，化學(xué)蝕刻，等離子體切割，銑削和放電加工(EDM)。當(dāng)考慮用于如上所述的改進部件的批量生產(chǎn)時，這些切割方法中的每一種都具有以下缺點中的至少一個：(1)設(shè)計變更后的高的再加工成本；(2)相對大的切口(在切割期間去除的材料的寬度)；(3)無法切割相對厚的金屬；(4)相對慢的切割速度；(5)工具磨損；(6)導(dǎo)體的熱和機械應(yīng)力；以及(7)需要高度訓(xùn)練的機器操作員。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，需要有效地制造地具有改進的電特性的磁性部件。描述了磁性部件及其制造方法。一種方法實施例涉及例如使用高功率激光器切割導(dǎo)電材料，高功率激光器例如，但并不局限于，稀土光纖激光器(例如鐿光纖激光器)。另一種方法實施例涉及使用磨料水射流切割導(dǎo)電材料。該磁性部件可以是平面的。

附圖說明

圖1A和1B是使用激光切割方法或水噴射切割方法制造的示例性磁性部件的兩個視圖。

圖2顯示了使用激光切割方法或水噴射切割方法制造的示例性磁性部件的視圖，其中標明了一些尺寸。

圖3顯示出磨料水噴射切割裝置的示例。

圖4顯示出平面變壓器的示例。

圖5顯示出了切割磁性部件的方法的示例。

具體實施方式

平面磁性部件可以用于滿足上述要求。在過去，平面磁性部件的生產(chǎn)比相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)的繞線部件更昂貴。然而，通過本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用諸如激光切割和磨料水射流切割的方法可以顯著降低平面磁性部件的生產(chǎn)成本。

在水射流切割中，使用高壓水流來切割材料。水在高壓下被迫通過噴嘴以產(chǎn)生直徑小至0.25毫米(0.01英寸)或更小直徑的切割流。在磨料水射流切割中，將相對硬的研磨材料的小顆粒(例如石榴石)引入水流中。水流加速顆粒，并且顆粒盡可能侵蝕要被切割的材料。

圖3顯示出磨料水噴射切割裝置300的示例。儲存器310中的水被加壓并被迫通過噴嘴315以形成切割流。磨料顆粒325可以通過側(cè)管320被引入。

與以前的方法相比，激光切割和磨料水射流切割可以分別為磁性部件提供更快的切割速度。用激光切割比用水射流切割能更快速地切割具有約2毫米(0.08英寸)或更小厚度的導(dǎo)電材料(例如金屬)片。對于較厚的材料，磨料水射流切割提供較高的切割速度。同時，通過在單次通過中同時切割幾張片材的堆疊，可以增加水射流切割的生產(chǎn)量。在表1中概括了實驗結(jié)果。

表1

大功率激光器可以用于切割導(dǎo)電材料，諸如金屬，包括平面導(dǎo)電材料，以形成用于磁性器件(諸如電感器和變壓器)中的平面磁性部件，比如線圈。例如，這種線圈就可以自身用作電感器?？蛇x地，幾個這樣的線圈可以彼此結(jié)合以形成具有多個繞組和層的裝置。線圈的結(jié)合可以通過諸如堆疊，折疊，焊接，硬釬焊或錫焊的這樣的技術(shù)來實現(xiàn)。可以使用用于切割線圈的相同激光器來結(jié)合它們。例如，層和匝可以通過例如施加片狀或者液體形式的絕緣材料，或通過模制而彼此絕緣。

然而，直到最近，激光器不能夠切割相對較厚片的相對高的反射材料，例如銅。這至少是因為它們不能支持高水平的連續(xù)輸出功率，在峰值功率輸出處的適當(dāng)冷卻以及需要更高的光束質(zhì)量。

能夠以相對窄的切口(切口的寬度)以相對高的切割速度下切割相對厚且高反射的材料的激光器的一個示例是稀土光纖激光器，例如鐿光纖激光器。這樣的激光器由諸如Hypertherm，JK Lasers，Laser Star，Rofin，Coherent，IPG Photonic和Trumpf的公司制造。這樣的激光器可以發(fā)出在近似紅外范圍(約1微米的波長)內(nèi)具有千瓦范圍內(nèi)的平均連續(xù)功率的光作為脈沖。與其它切割方法相反，這種稀土光纖激光器可用于以相對高的切割速度(參見表1)從相對高反射性的金屬(例如銅或銅合金)切割出一定形狀。對于金屬以及其它材料，在可見光和紅外范圍內(nèi)的光的高反射率在從DC到至少微波范圍變化的頻率下通常伴隨著高電導(dǎo)率。(金屬中的高反射率和高導(dǎo)電性具有共同起源，即金屬包含高濃度的高度移動(“自由”)電子的事實。)由于這個原因，使用高功率紅外激光器的切割方法，例如以上描述的那些方法，在用于切割電部件時可以是特別有利的。

水射流切割設(shè)備的制造商包括OMAX和Flow。

具有這些高反射率和高厚度條件，使用這些新的激光切割方法可以獲得在銅上窄至250微米(0.010英寸)的切口，但是該尺寸不受當(dāng)前技術(shù)限制，并且可以獲得更小的切口。切口與焦點區(qū)域(束腰)上的束直徑是基本上相同的尺寸，并且可以通過改變光束聚焦光學(xué)器件來改變。

使用這種新穎的方法，與先前方法相比，可以更快且更廉價地制造小，緊湊和輕型的磁性裝置。有助于提高速度和降低成本的因素包括減少材料浪費，大大提高切割速度，以及縮短設(shè)計和制造之間的時間。實質(zhì)上消除了在其它方法中不可避免的再加工成本，例如新的沖壓模具的制造。

使用磨料水射流切割可以獲得小至0.015英寸的切口，但是該尺寸不受當(dāng)前技術(shù)的限制，并且可以獲得更小的切口。切口非常近似等于很大程度上由噴嘴的幾何形狀決定的水流的直徑，并且具有該切口的切割可以在單次通過下完成。與激光切割一樣，磨料水射流切割實際上消除了再加工成本。水流的直徑和所得的切口可以通過使用不同幾何形狀的噴嘴來改變。

通過激光切割和水射流切割可獲得的較小切口具有很多優(yōu)點。縮減的切口允許在磁性部件的芯內(nèi)部的更大體積的導(dǎo)電材料。較高的導(dǎo)電體積導(dǎo)致繞組中的電阻較小，繞組損耗較小，繞組和芯中的功率密度較小，以及溫度升高較少。較低的電阻還導(dǎo)致品質(zhì)因數(shù)Q的增加。較小的切口可能導(dǎo)致給定體積中每層更多的匝數(shù)，這不但導(dǎo)致電感的增加而且增加了變壓器中可能的匝數(shù)比。較小切口的其它優(yōu)點包括最優(yōu)化漏電電感和電容。

通過激光和水射流切割可獲得的較小切口的這些優(yōu)點可從下列等式定量地看到。對于感應(yīng)器，電感L由以下給出：

L＝T²*A₁ 等式(1)

其中，T是匝數(shù)，并且A_l對于每平方匝具有毫微亨(nH)單位的給定結(jié)構(gòu)是常數(shù)(芯常數(shù))。縮減的切口的可用匝數(shù)的增加使電感與匝數(shù)的平方成比例地增加。導(dǎo)電材料的電阻R由等式(2)給出：

其中，ρ是導(dǎo)電材料的電阻率，L是其長度，并且A是其橫截面積。因此，可以用縮減的切口獲得的較大體積的導(dǎo)電材料(例如增加的寬度導(dǎo)致增加的橫截面面積A)被認為降低了電阻R。

從等式(3)可以看出隨著電阻減小，品質(zhì)因數(shù)Q的增加：

其中ω是操作的角頻率，L是電感，R_dc是DC繞組電阻，R_ac是由于芯損耗的電阻，R_cd是由于繞組中的電介質(zhì)損耗。

降低的電阻還導(dǎo)致降低的功率損耗、降低的功率密度(在給定體積中耗散的能量)，并且因此減小溫度升高。這些可以從等式(4)-(6)看出：

功率損耗：因為電阻較小，由于無效導(dǎo)致的功率損耗減少。

Pcu＝I_p²R_p(初級) 等式(4)

Pcu＝I_s²R_s(次級) 等式(5)

P_core＝P_V*V_e*1000 等式(6)

其中：

P_cu＝銅功率損耗(瓦)

P_core＝芯功率損耗(瓦)

I_p＝初級電流(安培)

I_S＝次級電流(安培)

R_P＝初級電阻(歐姆)

R_S＝次級電阻(歐姆)

P_V＝功率損耗芯(千瓦/立方米)

V_e＝芯體積(立方米)

功率密度：當(dāng)功率損耗降低時，功率密度也降低，如等式(7)和(8)所示。

其中：

λ＝瓦特密度(瓦/平方厘米)

Pcu＝銅功率損耗(瓦)

Pfe＝芯功率損耗(瓦)

A＝表面積(平方厘米)

溫度上升：當(dāng)芯和變壓器兩者中的功率密度降低時，相應(yīng)的溫度升高降低，如等式(9)所示。

ΔT＝400*λ^0.826 等式(9)

其中：

ΔT＝假如環(huán)境變冷的溫度升高(℃)

λ＝功率密度(瓦/平方厘米)

由于較小的切口尺寸以及額外的導(dǎo)體體積，用水射流或激光系統(tǒng)制造的磁性體在匝數(shù)、層數(shù)以及任何給定設(shè)計上的每匝平均長度方面具有更大的柔性。這個事實允許設(shè)計更好地優(yōu)化漏電電感和電容，如等式(10)—(14)所示。

漏電電感

其中：

L_l＝漏電電感(μH)

N＝繞組匝數(shù)

M＝截面界面數(shù)

I_W＝平均匝長(毫米)

X＝垂直于截面界面的總繞線尺寸(毫米)

Y＝平行于截面界面的繞線尺寸(毫米)

ΣX＝垂直于截面截面的所有截面尺寸的總和(毫米)

ΣXA＝所有截面交互層厚度的總和(毫米)

電容

C_L＝C_p+n²C_s 等式(11)

其中：

C_L＝集總電容(皮法)

C_p＝初級電容(皮法)

C_s＝次級電容(皮法)

C_c＝第一繞組層和芯之間的電容(皮法)

n＝匝數(shù)比，初級匝數(shù)除以次級匝數(shù)

N_L＝給定繞組的層數(shù)

MLT＝對于整個線圈的每匝的平均長度(厘米)

a＝卷繞寬度(厘米)

e＝絕緣體的電介質(zhì)常數(shù)

d＝絕緣體厚度(厘米)

在一個實施例中，平坦的金屬片材被固定到工作臺上，該工作臺可以在至少兩個維度上通過精確控制的距離被平移。激光輸出固定在位。計算機生成的設(shè)計存儲在驅(qū)動工作臺位置的計算機中。隨著工作臺平移通過所需的設(shè)計圖案，激光器發(fā)射將金屬切割成所需形狀的脈沖。或者，工作臺和片可以是固定的，而激光或激光器本身可以基于存儲有計算機生成的設(shè)計而運動。

類似地，利用磨料水射流切割，可以使工作臺移動以通過固定噴嘴，或者可以使噴嘴在固定工作臺上方移動。通過水射流切割，可以切割單個平面金屬片或堆疊的金屬片，以形成所需的形狀。

圖5顯示出了制造磁性部件的方法500的一個實施例。所需的切割圖案存儲在被配置為移動工作臺或切割工具510的計算機中。平的金屬片或片堆被固定到工作臺515。在切割期間，計算機基于存儲的圖案520向工作臺或切割工具發(fā)送命令以使其移動。以這種方式，在金屬片或堆疊的片中切割所需的圖案。

圖1A和1B分別顯示出了使用上述的諸如激光切割方法從導(dǎo)電金屬片切割出的線圈的俯視圖和仰視圖。線圈具有三匝的平面螺旋的形狀。線圈在螺旋的平面中具有矩形形狀。這種線圈可以單獨使用或者與如上所述的其它線圈結(jié)合。例如，以這種方式制成的兩個線圈可以用作平面變壓器中的初級線圈和次級線圈。圖1A和1B中所示的特定線圈僅是可以使用如上所述的激光切割技術(shù)制造的幾乎無限制種類的線圈幾何形狀的一個示例。因此，任何圖中所示的線圈特性都不應(yīng)被解釋為限制。尤其是，在所有附圖中示出的線圈的尺寸，平面度，形狀和匝數(shù)不應(yīng)被解釋為限制。

圖4顯示出平面變壓器400的一個示例。初級線圈具有端子415和420，并且通過用銅塊410連接多個平面層而制成。次級線圈405在變壓器400的背側(cè)上具有未顯示出的端子。次級線圈405類似于圖1A和圖1B中所示的，但是次級線圈405在其繞組中具有圓形節(jié)段，如在圖4中可以看到的，而不是在圖1A和圖1B中看到的只有直的節(jié)段。平面變壓器的這個示例不應(yīng)被解釋為限制；許多其它配置對于平面變壓器也是可能的。

圖2是圖1B中所示的線圈的放大圖。圖2示出了線圈的各種尺寸，標記為A，B，C，D，T和K，它們可用于描述和表征這種線圈。尺寸A是外部線圈長度，尺寸B是外部線圈寬度。忽略連接延伸部分，線圈所占據(jù)的總面積大約為A×B。對于某些應(yīng)用，為了給定的電特性，例如電感，可能希望盡可能地減小該面積。尺寸C是內(nèi)部長度，尺寸D是內(nèi)部寬度。尺寸K是相鄰匝之間的間隔。如上所述，對于使用上述的激光切割技術(shù)制造的線圈，K可以小至0.010英寸，或者通過磨料水射流切割可以為小至0.015英寸，但是這些尺寸并非限定的。尺寸T是線圈的厚度，并且在該示例中是切割線圈的單個金屬片的厚度。

水射流切割可以切割大約24英寸厚的材料，取決于材料，泵馬力和噴射壓力。該材料可以堆疊數(shù)個英寸高。材料(原料或堆疊的材料)越厚，切割速度越慢。可以進行優(yōu)化以平衡切割速度和堆疊高度。

對于激光切割，根據(jù)激光器的輸出功率和其它因素，近似最大厚度目前為約1英寸，但這不應(yīng)被認為是限制性的。

通過堆疊原材料片來提高制造生產(chǎn)量是水射流切割可能優(yōu)于激光切割的地方，因為激光可能將各個片材彼此焊接。舉一個示例，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用于制造0.25英寸厚的部件的有效方法是使用磨料水射流切割五個銅片的堆疊，每個片具有0.050英寸的厚度。

再次參考圖2，字母C和D表示線圈的內(nèi)部開口的尺寸。至少這些量值(A，B，C，D，K，T)可以被選擇以有利地影響線圈的各種電的，幾何的和機械特性的值。這種電特性可以包括電感L，DC電阻DCR和品質(zhì)因數(shù)Q。這種幾何和機械特性可以包括線圈的尺寸和重量。如上所述，相對于其它切割技術(shù)，激光切割技術(shù)可以能夠同時地生產(chǎn)具有較厚匝和較小匝間間距K的線圈。增加的厚度可以獲得用于線圈導(dǎo)體的較大的橫截面面積，其它尺寸保持基本上恒定。較大的橫截面又可導(dǎo)致較低的DCR，較高的Q和較高的載流能力。

減小間隔K可以導(dǎo)致磁通量的更大耦合，并因此導(dǎo)致更高的電感。總的來說，相對于其它切割技術(shù)，激光切割可以能夠生產(chǎn)具有例如較高電感，較低DCR，較高Q以及在給定線圈面積或線圈體積內(nèi)的雜散電感和電容之間更好的平衡的任意組合的線圈。因此，如果電子系統(tǒng)的設(shè)計需要對磁性部件的尺寸的限制，則可以獲得相對較高的電感，較低的DCR，較高的Q以及雜散電感和電容之間的更好的平衡的組合而不違反這些限制。相反，如所述以及上述等式中所示出的，激光切割方法使制造相對較小，較輕的磁線圈和具有所需值的電感，DCR，Q和其它電特性或者在其上具有限制的其它磁性部件的制造成為可能。

激光切割部件可以具有將它們識別為已經(jīng)使用該切割方法制造的特征。它們可能具有看起來“燒制過”的區(qū)域和顯示出稱為“渣”的小球的區(qū)域。還可以看到在金屬中由來自激光器的脈沖產(chǎn)生的線。這些特征中的至少一個通常用激光切割方法會產(chǎn)生，并且?guī)缀醪豢赡茉谄渌懈罘椒ㄖ杏^察到。

水射流切割的部件可以具有將它們識別為已經(jīng)使用該切割方法制造的特征。水射流切割的一個清晰標記是在線圈的底部邊緣上的小毛刺以及在實際切割表面上的明顯顆粒狀的結(jié)構(gòu)。頂部邊緣可以具有細小的輻射線，其中水柱和石榴石在切割邊緣上方蔓延并且磨掉非常小的材料區(qū)域。

由此，已經(jīng)描述了使用高功率激光器或使用磨料水射流切割來切割磁性部件的方法。也已經(jīng)描述了所得到的磁性部件。其中所給出的實施例不被解釋為限制性的。

盡管本發(fā)明的特征和元件在示例性的實施例中已經(jīng)描述為特定的組合，但是每個特征都可以單獨使用，而不需要示例性實施例的其它特征和元件，或者，可以與本發(fā)明的其它特征和元件進行各種組合或者不與其進行組合使用。隨著環(huán)境發(fā)生改變或者為了更有利，可以考慮部件的形式和比例以及等同替代的改變，均不脫離以下的權(quán)利要求書的精神或者范圍。