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

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)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(duì)磁性部件的需求不斷增加，如感應(yīng)器和變壓器，其具有對(duì)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(jìn)，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(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)。

傳統(tǒng)上，磁性部件通過(guò)繞線，機(jī)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(jìn)部件的批量生產(chǎn)時(shí)，這些切割方法中的每一種都具有以下缺點(diǎn)中的至少一個(gè)：(1)設(shè)計(jì)變更后的高的再加工成本；(2)相對(duì)大的切口(在切割期間去除的材料的寬度)；(3)無(wú)法切割相對(duì)厚的金屬；(4)相對(duì)慢的切割速度；(5)工具磨損；(6)導(dǎo)體的熱和機(jī)械應(yīng)力；以及(7)需要高度訓(xùn)練的機(jī)器操作員。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，需要有效地制造地具有改進(jìn)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(shí)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(shí)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(shuō)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(gè)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(biāo)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(shí)施方式

平面磁性部件可以用于滿足上述要求。在過(guò)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(guò)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(lái)切割材料。水在高壓下被迫通過(guò)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(duì)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(chǔ)存器310中的水被加壓并被迫通過(guò)噴嘴315以形成切割流。磨料顆粒325可以通過(guò)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(duì)于較厚的材料，磨料水射流切割提供較高的切割速度。同時(shí)，通過(guò)在單次通過(guò)中同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)這樣的線圈可以彼此結(jié)合以形成具有多個(gè)繞組和層的裝置。線圈的結(jié)合可以通過(guò)諸如堆疊，折疊，焊接，硬釬焊或錫焊的這樣的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢允褂糜糜谇懈罹€圈的相同激光器來(lái)結(jié)合它們。例如，層和匝可以通過(guò)例如施加片狀或者液體形式的絕緣材料，或通過(guò)模制而彼此絕緣。

然而，直到最近，激光器不能夠切割相對(duì)較厚片的相對(duì)高的反射材料，例如銅。這至少是因?yàn)樗鼈儾荒苤С指咚降倪B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(duì)窄的切口(切口的寬度)以相對(duì)高的切割速度下切割相對(duì)厚且高反射的材料的激光器的一個(gè)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(zhǎng))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(duì)高的切割速度(參見(jiàn)表1)從相對(duì)高反射性的金屬(例如銅或銅合金)切割出一定形狀。對(duì)于金屬以及其它材料，在可見(jiàn)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(dòng)(“自由”)電子的事實(shí)。)由于這個(gè)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(shí)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(diǎn)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(guò)改變光束聚焦光學(xué)器件來(lái)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(jià)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(fèi)，大大提高切割速度，以及縮短設(shè)計(jì)和制造之間的時(shí)間。實(shí)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(guò)下完成。與激光切割一樣，磨料水射流切割實(shí)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(guò)使用不同幾何形狀的噴嘴來(lái)改變。

通過(guò)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(diǎn)?？s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(diǎn)包括最優(yōu)化漏電電感和電容。

通過(guò)激光和水射流切割可獲得的較小切口的這些優(yōu)點(diǎn)可從下列等式定量地看到。對(duì)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(duì)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))?？s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(zhǎng)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(rèn)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?yàn)殡娮栎^小，由于無(wú)效導(dǎo)致的功率損耗減少。

Pcu＝I_p²R_p(初級(jí)) 等式(4)

Pcu＝I_s²R_s(次級(jí)) 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(jí)電流(安培)

I_S＝次級(jí)電流(安培)

R_P＝初級(jí)電阻(歐姆)

R_S＝次級(jí)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(shí)，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(shí)，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(jì)上的每匝平均長(zhǎng)度方面具有更大的柔性。這個(gè)事實(shí)允許設(shè)計(jì)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(zhǎng)(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(jí)電容(皮法)

C_s＝次級(jí)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(jí)匝數(shù)除以次級(jí)匝數(shù)

N_L＝給定繞組的層數(shù)

MLT＝對(duì)于整個(gè)線圈的每匝的平均長(zhǎng)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(gè)實(shí)施例中，平坦的金屬片材被固定到工作臺(tái)上，該工作臺(tái)可以在至少兩個(gè)維度上通過(guò)精確控制的距離被平移。激光輸出固定在位。計(jì)算機(jī)生成的設(shè)計(jì)存儲(chǔ)在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)位置的計(jì)算機(jī)中。隨著工作臺(tái)平移通過(guò)所需的設(shè)計(jì)圖案，激光器發(fā)射將金屬切割成所需形狀的脈沖?；蛘撸ぷ髋_(tái)和片可以是固定的，而激光或激光器本身可以基于存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)生成的設(shè)計(jì)而運(yùn)動(dòng)。

類(lèi)似地，利用磨料水射流切割，可以使工作臺(tái)移動(dòng)以通過(guò)固定噴嘴，或者可以使噴嘴在固定工作臺(tái)上方移動(dòng)。通過(guò)水射流切割，可以切割單個(gè)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(gè)實(shí)施例。所需的切割圖案存儲(chǔ)在被配置為移動(dòng)工作臺(tái)或切割工具510的計(jì)算機(jī)中。平的金屬片或片堆被固定到工作臺(tái)515。在切割期間，計(jì)算機(jī)基于存儲(chǔ)的圖案520向工作臺(tái)或切割工具發(fā)送命令以使其移動(dòng)。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(dú)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(gè)線圈可以用作平面變壓器中的初級(jí)線圈和次級(jí)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(wú)限制種類(lèi)的線圈幾何形狀的一個(gè)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(gè)示例。初級(jí)線圈具有端子415和420，并且通過(guò)用銅塊410連接多個(gè)平面層而制成。次級(jí)線圈405在變壓器400的背側(cè)上具有未顯示出的端子。次級(jí)線圈405類(lèi)似于圖1A和圖1B中所示的，但是次級(jí)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(gè)示例不應(yīng)被解釋為限制；許多其它配置對(duì)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(biāo)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(guò)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(gè)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(gè)英寸高。材料(原料或堆疊的材料)越厚，切割速度越慢?？梢赃M(jìn)行優(yōu)化以平衡切割速度和堆疊高度。

對(duì)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(rèn)為是限制性的。

通過(guò)堆疊原材料片來(lái)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?yàn)榧す饪赡軐⒏鱾€(gè)片材彼此焊接。舉一個(gè)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(gè)銅片的堆疊，每個(gè)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(kāi)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(jī)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(jī)械特性可以包括線圈的尺寸和重量。如上所述，相對(duì)于其它切割技術(shù)，激光切割技術(shù)可以能夠同時(shí)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?？偟膩?lái)說(shuō)，相對(duì)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(jì)需要對(duì)磁性部件的尺寸的限制，則可以獲得相對(duì)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(duì)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(shí)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(lái)“燒制過(guò)”的區(qū)域和顯示出稱(chēng)為“渣”的小球的區(qū)域。還可以看到在金屬中由來(lái)自激光器的脈沖產(chǎn)生的線。這些特征中的至少一個(gè)通常用激光切割方法會(huì)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(shí)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(gè)清晰標(biāo)記是在線圈的底部邊緣上的小毛刺以及在實(shí)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(xì)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(lái)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(shí)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(shí)施例中已經(jīng)描述為特定的組合，但是每個(gè)特征都可以單獨(dú)使用，而不需要示例性實(shí)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(jìn)行各種組合或者不與其進(jìn)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(shū)的精神或者范圍。