基于电磁耦合处理的锰锌铁氧体磁性能的提升方法

技术领域

本发明属于软磁铁氧体零件磁性能提升的技术领域，具体涉及一种基于电磁耦合处理的锰锌铁氧体磁性能的提升方法。

背景技术

在信息化与工业化不断融合的今天，随着5G通信、高速计算、新能源汽车、人工智能等新兴产业飞速发展，在促进电子电力、移动通信等领域不断升级的同时，也对电子元器件的核心零部件加工技术、关键性能提升技术提出了更高的要求。其中利用锰锌铁氧体材料制备的磁性元件因为具有良好的磁性能和高阻抗性能，在电子电路中应用广泛。而在市场需求的驱使下，电子元器件向高稳定性、高可靠性和宽适应性等方向发展，对锰锌铁氧体零件也提出了高磁导率、低损耗和低矫顽力等更高的性能要求。因此，提升锰锌铁氧体零件的各项磁性能，满足不断增长的市场需求，具有重要的现实意义和深远的应用前景。而现有的锰锌铁氧体磁性能改良技术可概括为改变掺杂物质，改变烧结温度和保温时间，改变烧结方式等几种，均是从制造过程中发挥作用，其制造周期较长，成本较高，且往往涉及生产工序的改变，消耗能源且调整不易。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种基于电磁耦合处理的锰锌铁氧体磁性能的提升方法，以解决现有的锰锌铁氧体磁性能改良技术制造周期较长，成本较高，且往往涉及生产工序的改变，消耗能源且调整不易的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于电磁耦合处理的锰锌铁氧体磁性能的提升方法，其包括以下步骤：

S1、根据磁力线路径选择处理锰锌铁氧体磁芯零件的数量；

S2、根据锰锌铁氧体磁芯零件使用与测试时磁化磁场的绕线方向确定锰锌铁氧体磁芯零件处理时的夹持方向；

S3、设定处理锰锌铁氧体磁芯零件的电磁耦合处理的耦合方式；

S4、根据锰锌铁氧体磁芯零件的截面积和晶粒尺寸，确定脉冲电场和脉冲磁场的参数；

S5、基于确定的脉冲电场和脉冲磁场的参数对锰锌铁氧体磁芯零件进行电磁耦合处理，对处理结束后的锰锌铁氧体磁芯零件进行磁性能测试，若锰锌铁氧体磁芯零件的初始磁导率、功率损耗和矫顽力三项磁性能数据提升均达到预设值，则结束；反之，则重复步骤S1～步骤S4，直至初始磁导率、功率损耗和矫顽力三项磁性能数据提升均达到预设值。

进一步地，步骤S1具体包括：

若锰锌铁氧体磁芯零件为开路磁芯，则选择单个锰锌铁氧体磁芯零件进行处理；

若锰锌铁氧体磁芯零件为闭路磁芯，则选择两个锰锌铁氧体磁芯零件进行组合处理。

进一步地，步骤S2中将锰锌铁氧体磁芯零件夹持后，电磁耦合处理磁场绕线方向与锰锌铁氧体磁芯零件使用、测试时的磁化磁场绕线方向一致，且锰锌铁氧体磁芯零件放置于电磁耦合处理腔中心。

进一步地，步骤S3中电磁耦合处理的耦合方式为：一个脉冲磁场里耦合四个脉冲电场放电，四次电脉冲的电流方向为正负交替。

进一步地，在磁场线圈完成一次充电并放电的同时，先后施加四个脉冲电流作用于锰锌铁氧体磁芯零件；其中，按照放电先后顺序，第一个与第三个脉冲电流为正向，第二个与第四个脉冲电流为反向交替处理。

进一步地，步骤S4中脉冲磁场的参数包括：磁场B、充磁次数n

脉冲电场的参数包括：电流大小I、单组脉冲电流个数n

进一步地，磁场B为1.5T，磁场作用时间T

进一步地，单组电场作用时间为T

T

电磁耦合处理总时间T

T

进一步地，根据锰锌铁氧体磁芯零件的截面积确定电磁耦合处理的电流I为：

I＝∫JdS

其中，S为锰锌铁氧体磁芯零件的有效截面积。

进一步地，采用扫描电子显微镜拍摄锰锌铁氧体磁芯零件的SEM图像，在SEM图像中利用截线法测量20个晶粒尺寸，并取20个晶粒尺寸的平均值作为锰锌铁氧体磁芯零件的平均晶粒尺寸，根据平均晶粒尺寸调整充磁次数：

若平均晶粒尺寸<3μm时，则充磁次数n

若3μm<平均晶粒尺寸<6μm时，则充磁次数n

若平均晶粒尺寸>6μm时，则充磁次数n

本发明提供的基于电磁耦合处理的锰锌铁氧体磁性能的提升方法，具有以下有益效果：

1、本发明根据锰锌铁氧体零件的特点来进行处理参数的设置，可以让磁场与电场耦合的能量在不改变零部件宏观尺寸与形状的基础上改善材料的性能，促进材料中空位缺陷与原子扩散行为的进行，使峰值应力松弛，均化在加工制造过程中产生的残余应力；同时激活位错源的运动，增加位错密度，促进材料的畴壁的位移，阻碍位错运动引起的位错密度进一步增加产生的硬化，从而有效的降低了材料在磁化过程中可逆磁畴位移与转动的阻力，提升其磁导率，降低矫顽力，进而降低在使用过程中的功率损耗。

2、本发明在提升其初始磁导率的同时降低了功率损耗和矫顽力，提高锰锌铁氧体磁芯在变压器和电感器等设备中的能源转换效率，进而减少能源消耗和能源损失。对比传统的改变掺杂物质与改变烧结工艺等工序复杂、难以控制、消耗能源、成本高昂的方法，本发明为软磁材料制造行业提供了一个高效、清洁、绿色的磁性能提升方法。同时锰锌铁氧体零件磁性能的提升还有助于推动高频变压器、滤波器、传感器等电子设备的发展和创新，可以减少能源损耗、降低环境污染，这也符合国家可持续发展的战略。

3、本发明设置的电磁场参数，在处理过程中的耦合效果更好，对锰锌铁氧体零件的磁性能提升效果更明显。相较于传统的磁性能提升工艺，本发明采用的电磁耦合处理技术具有高效、清洁、安全的特点，且在处理过程中不改变零件的宏观尺寸。通过电磁耦合处理，可以产生高强度的磁场和电场，使锰锌铁氧体材料表面产生高密度电流，从而在材料表面形成纳米级的作用效果，改善零件的微观组织缺陷，均化加工制造过程中的残余应力，从而有效的提升零件的磁性能。

4、本发明针对开路磁芯采用单个处理的方式，闭路磁芯采用配对处理的方式，保证处理工况与使用及测试工况相同。采用一个脉冲磁场耦合四个电流方向正负交替脉冲电流的形式，使得电磁场的时空耦合效果更佳；根据零件的有效截面积来改变处理的电流大小，以达到控制电流密度相同的目的，保证零件在最佳处理工艺下进行处理，进一步保证了零件的磁性能提升。

附图说明

图1为基于电磁耦合处理的锰锌铁氧体磁性能的提升方法的流程图。

图2为基于电磁耦合处理的锰锌铁氧体磁性能的提升方法的电场和磁场作用图。

图3为实施例2中EP-13型磁芯处理夹持方式。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1，本实施例给出了一种基于电磁耦合处理的锰锌铁氧体磁性能的提升方法，本实施例基于电磁耦合技术，通过控制电场与磁场的耦合方式与参数，来对锰锌铁氧体磁芯零件进行处理，提升其初始磁导率μ

步骤S1、根据磁力线路径选择处理锰锌铁氧体磁芯零件的数量，其具体包括以下内容：

锰锌铁氧体磁芯按磁力线的路径大致可分两大类：

第一类为开路磁芯，若锰锌铁氧体磁芯零件为开路磁芯，则选择单个锰锌铁氧体磁芯零件进行处理；

这类磁芯的磁路是开启的(open magnetic circuits)通过磁芯的磁通同时要通过周围空间(气隙)才能形成闭合磁路。开路磁芯的气隙占磁路总长度的相当部分,磁阻很大,磁路中的部分磁通在达到气隙以前就已离开磁芯形成漏磁通。因而,开路磁芯在磁路各个截面上的磁通不相等,这是开路磁芯的特点。由于开路磁芯存在大的气隙,磁路受到退磁场作用，使磁芯的有效磁导率μ比材料的磁导率有所降低,降低的程度决定于磁芯的几何形状及尺寸。因此在进行电磁耦合处理时，选择单个处理，直接将单个零件夹持在两个电极头之间。

第二类磁芯为闭路磁芯这类磁芯的磁路是闭合的(closed magnetic circuits),或基本上是闭合的，IEC 1332标准称闭路磁芯为CL类磁芯；若锰锌铁氧体磁芯零件为闭路磁芯，则选择两个锰锌铁氧体磁芯零件进行组合处理；

磁路完全闭合的磁芯最典型的是环形磁芯，除此此外还有双孔磁芯、多孔磁芯等等。目前大量生产和使用的闭路磁芯是组合型的闭磁路磁芯,它由二个相同形状尺寸或不同形状尺寸的磁芯配对后才能形成闭合磁路,为EE、UU磁芯或EI、UI、EP磁芯。这类磁芯的接触面间可能存在气隙，组合后磁路不一定完全闭合，因此，组合型闭路磁芯的有效磁导率基本上等于磁芯材料的磁导率，但不完全等于磁芯材料的磁导率，且由于在使用过程与测试过程中闭路磁芯均为配对使用，因此在进行电磁耦合处理时选择配对处理，使其磁路线闭合，保证处理效果。

步骤S2、根据锰锌铁氧体磁芯零件使用与测试时磁化磁场的绕线方向确定锰锌铁氧体磁芯零件处理时的夹持方向，其具体包括以下内容：

当锰锌铁氧体磁芯零件夹持后，电磁耦合处理磁场绕线方向与锰锌铁氧体磁芯零件使用、测试时的磁化磁场绕线方向一致，且锰锌铁氧体磁芯零件放置于电磁耦合处理腔中心。

具体的，启动电磁耦合处理装置，电磁耦合处理装置直接采用现有技术；待两个同轴线放置的铜电极退回到两端后，使用夹具将待处理的单个或单组零件夹持于处理腔中心，启动电机使两个电机向中心移动，通过控制断面夹持力的大小使待处理零件夹紧于处理腔正中心；夹紧后撤出夹具，控制两个磁场线圈移动到处理腔正中心。

因为锰锌铁氧体磁芯零件在使用过程中均需要根据不同型号使用不同的绕线方向，故在电磁耦合处理时需要控制零件夹持的方向，让电磁耦合处理设备的磁场线圈绕线方向与锰锌铁氧体磁芯零件使用时的绕线方向保持一致，以保证脉冲磁场的处理效果。

步骤S3、设定处理锰锌铁氧体磁芯零件的电磁耦合处理的耦合方式；

本实施例控制电磁耦合方式为一个脉冲磁场耦合四个脉冲电场方式，在磁场线圈完成一次充电并放电的同时，先后施加四个脉冲电流作用于待处理零件。其中按照放电先后顺序，其中，按照放电先后顺序，第一个与第三个脉冲电流为正向，第二个与第四个脉冲电流为反向交替处理。

即通过控制调节单个脉冲电场之间的间隔时间控制电场处理时间与磁场处理时间一致，通过控制充磁次数来控制耦合处理总个数。

步骤S4、根据锰锌铁氧体磁芯零件的截面积和晶粒尺寸，确定脉冲电场和脉冲磁场的参数，其具体包括以下内容：

脉冲磁场的参数包括：磁场B、充磁次数n

脉冲电场的参数包括：电流大小I、单组脉冲电流个数n

在本实施例中，以下参数的大小不改变：

磁场B为1.5T，磁场作用时间T

充磁间隔时间T

本实施例固定上述参数的目的是控制电场作用时间应与磁场作用时间吻合，为保证电磁场的耦合效果，在磁场启动后经过一个电流间隔时间t

参考图2，磁场开始处理后，经过了一个电流间隔时间后，第一个电流开始作用，磁场和电场不是同时释放。

单组磁场作用时间T

单组电场作用时间T

电磁耦合处理总时间T

为控制电磁耦合处理时作用于零件的脉冲电流密度相同，本发明根据不同尺寸、型号的零件有效截面积，改变脉冲电流大小来控制电流密度不变。

具体的，根据不同零件的有效截面积(S)的大小来调整电流大小：

I＝∫JdS

其中，I为电磁耦合处理的电流大小，S为锰锌铁氧体零件的有效截面积，J为电流密度。

在进行电磁耦合处理前，采用扫描电子显微镜(SEM)拍摄待测零件的SEM图像，在SEM图像中利用截线法(利用SEM图像目前测量软磁铁氧体材料晶粒尺寸的方法为对其固封并磨抛后，在抛光断面上任意画直线，采用显微镜量出一条直线的长度，然后数出与直线相交的晶粒边界的数目，通过计算得到其晶粒的尺寸)测量20个晶粒尺寸，并取平均值作为锰锌铁氧体零件的平均晶粒尺寸，根据零件的晶粒大小来调整充磁次数，即调整电磁耦合处理的组数：

若平均晶粒尺寸<3μm时，则充磁次数n

若3μm<平均晶粒尺寸<6μm时，则充磁次数n

若平均晶粒尺寸>6μm时，则充磁次数n

锰锌铁氧体材料晶粒大小是影响其初始磁导率μ

步骤S5、基于确定的脉冲电场和脉冲磁场的参数对锰锌铁氧体磁芯零件进行电磁耦合处理，对处理结束后的锰锌铁氧体磁芯零件进行磁性能测试，若锰锌铁氧体磁芯零件的初始磁导率、功率损耗和矫顽力三项磁性能数据提升均达到预设值，则结束；反之，则重复步骤S1～步骤S4，直至初始磁导率、功率损耗和矫顽力三项磁性能数据提升均达到预设值。

实施例2

本实施例以EP-13型锰锌铁氧体磁芯为处理对象，采用实施例1中的方法进行性能的提升，其具体包括以下步骤：

步骤T1、参考图3，由于EP型磁芯为闭路磁芯，故采用两个磁芯组合的处理方式；

EP形磁芯源于E形和罐形磁芯，是E形磁芯的后工序作业简单的优点和罐形磁芯的屏蔽效应的优点的巧妙组合，因此取名为EP形磁芯，最适用于设计小型电感器和高性能变压器。

以E型磁芯为例，其磁力线从中间磁芯出发，向左右两边，再到中间磁芯的另一边。故对EP13进行处理时，选择两个磁芯组合处理方式，使用专门夹具进行夹持，尽可能减小零件接触的气隙，使组合后的磁路尽可能闭合。

步骤T2、参考图3，将组合好的EP-13型号零件按照处理磁场绕线方向与使用时磁化磁场绕线方向一致的原则放置于电磁耦合处理腔中心，夹持在两电极之间。

EP-13型锰锌铁氧体磁芯在进行性能测试与封装使用时，磁场导线绕其中心圆柱结构绕线，所产生磁场的方向沿圆柱轴向，故而在夹持时选择两个圆柱端面进行夹持，使脉冲磁场方向与其保持一致。

步骤T3、设定处理锰锌铁氧体磁芯零件的电磁耦合处理的耦合方式；

具体为一个脉冲磁场里耦合四个脉冲电场放电，四次电脉冲的电流方向为正负交替。

按照放电时间的先后顺序将四个脉冲电流依次命名为一号到四号电流，其中一号电流与三号电流方向一致，均为正向；二号与四号电流方向一致，均为反向。

步骤T4、根据锰锌铁氧体磁芯零件的截面积和晶粒尺寸，确定脉冲电场和脉冲磁场的参数；

其中，脉冲磁场的参数包含：磁场大小(B)、充磁次数(n

脉冲电场的参数包含：电流大小(I)、单组脉冲电流个数(n

磁场大小B＝1.5T，电流密度J＝20A/mm

EP-13型锰锌铁氧体磁芯的有效截面积为S为20mm

I＝∫JdS

在本实施例中，将电流密度代入公式中可得：

I＝∫20dS＝400A

计算得到电流大小I＝400A，因此设定脉冲电流大小为400A。

采用的锰锌铁氧体材料其晶粒平均尺寸为5μm，因此设定充磁次数为15次。

由此计算每组零件处理总时长：

T

在本实施例中，将电磁场参数代入公式中可得：

T

确定所有电磁耦合处理参数后，启动电磁耦合处理设备，对EP-13型锰锌铁氧体零件进行处理。

步骤T5、对处理完成后的EP-13型锰锌铁氧体零件进行磁性能测试，根据零件制造时的检测标准，分别在两种测试条件下检测初始磁导率μ

测试条件：

温度25℃，磁场200mT，频率200kHz

温度100℃，磁场200mT，频率200kHz，测试结果如下表所示：

表1温度25℃测试结果

表2温度100℃测试结果

由表1和表2可知，通过处理前后的磁性能测试分析可以发现，经过本发明所述方法的电磁耦合处理技术处理后，EP-13型锰锌铁氧体零件三项磁性能都有了明显改善。经过处理，其初始磁导率在25℃与100℃时均提升百分之十以上，其中在25℃，磁场200mT，频率200kHz的条件下提升17.3％；其功率损耗与矫顽力有了明显降低，在100℃，磁场200mT，频率200kHz条件下功率损耗降低了13.7％，矫顽力降低了12.2％。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。