一种三维编织多功能Litz线缆、功率电感及端部处理方法与流程

本发明涉及电力电子传输与电磁元件，特别是一种三维编织多功能litz线缆、功率电感及端部处理方法。

背景技术：

1、随着新能源汽车、航空航天及高端装备制造的发展，对电力传输系统的高频性能、功率密度及可靠性提出了更高要求。传统的利兹线虽然通过多股绞合在一定程度上缓解了高频下的趋肤效应，但其屏蔽层通常采用金属箔或金属网后道包裹，形成了明显的“层叠界面”。这种物理界面不仅增加了接触电阻和界面热阻，在复杂振动环境下还容易导致层间剥离，可靠性较低。

2、现有技术中，如alva industries等尝试采用电磁垫结合嵌入导体的方式制造电机部件，但其本质上仍属于分层结构，未能实现导电流与磁路在微观尺度上的深度耦合。此外，对于功率电感等磁性元件，现有3d打印技术虽然能制造复杂形状，但存在材料结合力弱、微观孔隙率高的问题，且难以实现磁导率的平滑梯度变化。

3、另外，针对三维编织线缆的端部连接，由于内部纤维存在复杂的机械互锁结构，传统的机械剥皮方式难以将纤维束有效分离，导致焊接质量差，接触电阻大。

4、因此，亟需一种微观拓扑结构重构的一体化线缆及电感制造方案，以解决上述界面结合力、高频损耗及连接工艺难题。

技术实现思路

1、本发明旨在解决上述技术问题，提供一种三维编织多功能litz线缆、功率电感及端部处理方法，通过构建微观尺度的机械互锁拓扑结构，消除层间界面，提升电磁性能和机械可靠性。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种三维编织多功能litz线缆，包括由多束独立纱线系统在同一三维编织工序中交织形成的非层叠一体化网状拓扑结构：

4、导电区，由多束独立绝缘的导电纤维束构成，导电纤维束在三维编织体内沿螺旋路径延伸并周期性换位，在每一换位节距内发生径向与周向的空间位置交换，以形成统计上均等的电流路径微观拓扑；

5、磁控区，由独立于导电纤维束的磁纤维束构成，磁纤维束在三维空间内与导电纤维束相互穿插并形成阵列式分布的机械互锁节点，构建出包裹导电区的连续三维磁通拓扑网络；

6、绝缘区，由独立绝缘纤维构成，填充于导电纤维束与磁纤维束的穿插间隙中；

7、结构区，由独立结构纤维构成，形成维持网状拓扑结构的骨架；

8、其中，机械互锁节点使得磁纤维束与导电纤维束在微观尺度上相互锚定，且各功能区之间不存在沿径向分布的层间界面。

9、进一步的，导电纤维束的单根导电纤维直径为5μm至200μm，每束包含3至128根导电纤维，表面包覆厚度为1μm至20μm的聚酰亚胺或陶瓷化硅橡胶绝缘涂层；磁纤维束为铁氧体复合纤维或非晶软磁纤维，相对磁导率为10至1000，体积分数为5%至60%。

10、进一步的，机械互锁节点的节点密度为每立方厘米5至50个；在机械互锁节点处，结构纤维以20°至60°的交织角穿过导电纤维束的间隙，与导电纤维束形成点-线接触或面-面贴合的锚定关系。

11、第二方面，本发明提供了一种三维编织功率电感，包括三维编织体，三维编织体具有一体化的纤维微观拓扑结构：

12、导电区，由多束独立绝缘的导电纤维束按litz原则换位排列形成电感绕组；

13、磁控区，由磁纤维束构成，形成包围或贯穿导电区的三维连续磁路；

14、其中，磁纤维束在三维编织体内部构成连续拓扑梯度结构，即磁纤维束的分布密度沿径向或轴向连续渐变，且在渐变区域内保持纤维的连续延伸与交织，未形成磁导率突变的物理界面。

15、进一步的，磁纤维束与导电纤维束在空间交汇处形成磁约束节点；在磁约束节点处，磁纤维束的延伸路径相对于导电纤维束的轴线呈30°至80°的螺旋包围角，使得磁纤维束在节点局部形成对导电纤维束产生的交变磁通的物理包围路径。

16、进一步的，磁控区包括e型磁轭、中心磁柱及气隙；气隙是在三维编织工序中通过占位编织方式形成的，即在编织时于气隙目标位置设置可移除的水溶性聚乙烯醇纱线或可移除芯棒，成型后移除占位物以形成宽度为0.1mm至2.0mm的气隙。

17、第三方面，本发明提供了一种三维编织litz线端部处理方法，用于处理包含绝缘纤维和结构纤维的三维编织litz线，包括以下步骤：

18、绝缘去除步骤：采用等离子体切割或激光切割去除端部绝缘；

19、松散步骤：利用超声波振动单元对暴露的导电纤维束端头施加15khz至40khz的高频机械振动，振动的能量作用于导电纤维束与绝缘纤维及结构纤维之间的微观编织节点，以破坏由三维编织工艺形成的机械互锁拓扑，使导电纤维单丝从编织网格中解离并自由分散；

20、集束与预压步骤：将分离后的导电纤维束排列于集束模具中并预压；

21、焊接步骤：采用超声波焊接、激光焊接或摩擦搅拌焊对预压后的端部预制体进行固态焊接，使多束导电纤维束之间形成冶金结合。

22、进一步的，焊接步骤形成的端子连接结构包括扁平端子本体和覆盖于其表面的电镀保护层；扁平端子本体的宽度与厚度之比为3:1至20:1，导电纤维体积分数为，且接触电阻低于0.1mω。

23、进一步的，当三维编织litz线具有中空冷却通道时，在焊接步骤之后还包括密封步骤：向中空冷却通道端部注入密封胶体并抽真空至-0.1mpa至-0.08mpa，使密封胶体渗透并固化，形成与焊接端部一体的密封结构。

24、第四方面，本发明提供了一种三维编织多功能litz线缆的制造方法，包括以下步骤：

25、将多束独立绝缘的导电纤维束、独立磁纤维束、独立绝缘纤维和独立结构纤维分别装载到三维编织机的相应纱锭；

26、在三维编织机的控制系统中设定各纤维束的走线路径，使导电纤维束以的编织角和1mm至100mm的节距在三维空间内交织排布；

27、控制三维编织机执行三维编织工序，通过控制携纱器的运动轨迹形成机械互锁节点，将导电区、磁控区、绝缘区和结构区一体成型。

28、本发明有益效果为：微观拓扑重构：通过“机械互锁节点”和“非层叠网状拓扑”，彻底消除了传统线缆的物理界面，解决了界面热阻高和层间剥离的问题。

29、电磁性能优化：litz换位路径在微观上均衡了磁链，显著降低了高频交流损耗；磁控区的连续拓扑梯度结构实现了磁路性能的平滑过渡，无应力集中点。

30、工艺创新：利用“占位编织”制造气隙，利用“超声波破坏节点”进行端部处理，针对性解决了三维编织结构的制造与连接难题。

31、高可靠性：一体成型结构使得线缆在极端弯曲和振动环境下，各功能区纤维仍能通过互锁节点协同受力，大幅提升寿命。

1.一种三维编织多功能litz线缆，其特征在于，包括由多束独立纱线系统在同一三维编织工序中交织形成的非层叠一体化网状拓扑结构：

2.根据权利要求1所述的三维编织多功能litz线缆，其特征在于，所述导电纤维束（3）的单根导电纤维直径为5μm至200μm，每束包含3至128根导电纤维，表面包覆厚度为1μm至20μm的聚酰亚胺或陶瓷化硅橡胶绝缘涂层；所述磁纤维束（5）为铁氧体复合纤维或非晶软磁纤维，相对磁导率为10至1000，体积分数为5%至60%。

3.根据权利要求1所述的三维编织多功能litz线缆，其特征在于，所述机械互锁节点的节点密度为每立方厘米5至50个；在所述机械互锁节点处，所述结构纤维（9）以的交织角穿过所述导电纤维束（3）的间隙，与所述导电纤维束（3）形成点-线接触或面-面贴合的锚定关系。

4.一种三维编织功率电感，其特征在于，包括三维编织体，所述三维编织体具有一体化的纤维微观拓扑结构：

5.根据权利要求4所述的三维编织功率电感，其特征在于，所述磁纤维束（5）与所述导电纤维束（3）在空间交汇处形成磁约束节点；在所述磁约束节点处，所述磁纤维束（5）的延伸路径相对于所述导电纤维束（3）的轴线呈的螺旋包围角，使得所述磁纤维束（5）在节点局部形成对所述导电纤维束（3）产生的交变磁通的物理包围路径。

6.根据权利要求4所述的三维编织功率电感，其特征在于，所述磁控区（4）包括e型磁轭、中心磁柱（17）及气隙（19）；所述气隙（19）是在三维编织工序中通过占位编织方式形成的，即在编织时于气隙目标位置设置可移除的水溶性聚乙烯醇纱线或可移除芯棒，成型后移除所述占位物以形成宽度为0.1mm至2.0mm的气隙。

7.一种三维编织litz线端部处理方法，用于处理包含绝缘纤维（7）和结构纤维（9）的三维编织litz线（1），其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的三维编织litz线端部处理方法，其特征在于，所述焊接步骤形成的端子连接结构（28）包括扁平端子本体（29）和覆盖于其表面的电镀保护层（30）；所述扁平端子本体（29）的宽度与厚度之比为3:1至20:1，导电纤维体积分数为50%至70%，且接触电阻低于0.1mω。

9.根据权利要求7所述的三维编织litz线端部处理方法，其特征在于，当所述三维编织litz线（1）具有中空冷却通道（43）时，在焊接步骤之后还包括密封步骤：向中空冷却通道（43）端部注入密封胶体（44）并抽真空至-0.1mpa至-0.08mpa，使密封胶体（44）渗透并固化，形成与焊接端部一体的密封结构。

10.一种根据权利要求1或2所述的三维编织多功能litz线缆的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：