CN101499343A - 复合软磁粉材料及永磁偏置磁芯 - Google Patents

Abstract

本发明为一种复合软磁粉材料，其至少包括：强永磁粉末以及铁基软磁粉末，该铁基软磁粉末与该强永磁粉末的混合比例范围实质上介于5∶5～9∶1之间，且该复合软磁粉材料具有实质上介于5～50之间的导磁率。本发明的永磁偏置磁芯可以有效地减少磁芯体积且同时降低损耗，增加导磁率，适用于中大电流的磁性元件应用，且工艺简单并适合批量生产。

Description

复合软磁粉材料及永磁偏置磁芯

技术领域

本发明涉及一种磁粉材料以及使用该磁粉材料的磁芯，尤其涉及一种复合软磁粉材料以及使用该复合软磁粉材料的永磁偏置磁芯。

背景技术

在用于例如开关电源的扼流圈或变压器等磁性元件中，直流信号通常与交流信号相叠加，所以这些磁性元件所使用的磁芯要求对该直流叠加的不磁饱和的导磁率特性必须良好，换言之，所使用的磁芯必须具有良好的直流叠加特性。

此外，近年来，随着电子设备小型化以及轻量化的设计要求，相对地使得电子设备内的电子元件的体积及重量也必需小型化及轻量化，当然电子产品中经常使用的磁性元件，例如变压器或电感器，也无法避免地朝体积小型化及重量轻量化的趋势发展。磁性元件为了实现体积小型化及重量轻量化的目的，会减少磁芯的体积，然而磁芯体积的减少容易使得磁性元件的磁化强度饱和，造成磁性元件可以承受的电流量降低。

为解决上述问题，磁性元件在减少磁芯体积的同时，会在磁芯的导磁路径增加间隙(gap)，且在该间隙中设置永久磁铁，以通过永久磁铁所提供的偏磁来消除电路信号中因直流成分叠加所产生的直流磁场。为了减少永久磁铁加入后会造成磁芯损耗的增大以及偏磁量过小的问题，美国专利US6,856,231公开了一种将强磁性粉末与大量树脂混合的黏结磁铁(bondmagnet)，并通过此黏结磁铁提供偏磁。虽然该磁铁可以避免磁芯损耗的增大以及偏磁量过小的问题，但是磁芯的导磁路径必需具有磁隙，增大了磁芯制造的复杂度，而且将磁铁安装在该磁芯的磁隙中时，磁铁与磁芯无法完全紧密接合而产生漏磁，使得磁隙位置产生更大的损耗。

美国专利US 6,545,582公开了一种永久磁铁外置以提供有效磁偏置的磁芯，其使用的磁芯不具有完整且封闭的导磁路径，所以可以轻易地将磁铁安置在磁芯外侧的导磁路径上，因此制造与组装较为容易。然而使用外置的永久磁铁提供偏磁，将不可避免地使磁芯总体积变大，因此不利于磁性元件的体积小型化要求。

由此可知，传统的利用永久磁铁提供偏磁的方法会使得磁芯制造复杂度增大，而且将磁铁放置在该磁芯的磁隙中时，磁铁与磁芯无法完全紧密接合而产生漏磁，会使得磁隙位置产生更大的损耗。另外，将永久磁铁外置以提供磁偏置的方式也无法达到有效减少磁芯体积的要求。因此，如何发展一种可改善上述已有技术的缺点的复合软磁粉材料及使用该复合软磁粉材料的永磁偏置磁芯，实为本领域技术人员目前所迫切需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种复合软磁粉材料，以使利用该软磁性材料制备的磁芯具有良好的直流叠加特性以及抗饱和能力，具有较低的损耗，可提供有效的磁偏置。

本发明的另一目的是提供一种永磁偏置磁芯，可以有效地减少磁芯体积且同时降低损耗，增加导磁率，不易被退磁，且使用安全性较高。

本发明的又一目的是提供一种永磁偏置磁芯，适用于中大电流的磁性元件应用，且制造过程简单并适合批量生产。

为达到上述目的，本发明的一较广义实施形式为提供一种复合软磁粉材料，其至少包括：强永磁粉末以及铁基软磁粉末，该铁基软磁粉末与该强永磁粉末的混合比例范围实质上介于5:5～9:1之间，且该复合软磁粉材料具有实质上介于5～50之间的导磁率。

为达到上述目的，本发明的另一较广义实施形式为提供一种永磁偏置磁芯，其至少包括复合软磁粉材料，该复合软磁粉材料至少包括强永磁粉末以及铁基软磁粉末，该铁基软磁粉末与该强永磁粉末的混合比例范围实质上介于5:5～9:1之间。其中，该永磁偏置磁芯具有实质上介于5～50之间的导磁率。

附图说明

图1是利用本发明优选实施例的复合软磁粉材料制作磁性元件使用的永磁偏置磁芯的制程流程图。

图2是本发明实施例的磁芯未充磁与充磁后的直流特性比较图。

图3显示将本发明实施例的棒状磁芯均匀缠绕线圈的结构示意图。

图4是图3所示结构测量电感随直流偏置电流变化的曲线关系图

其中，附图标记说明如下：

S11～S15：复合软磁粉材料制作磁性元件使用的永磁偏置磁芯的工艺流程步骤。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的形式上具有各种的变化，其都不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上应当作为说明之用，而非用以限制本发明。

本发明涉及一种复合软磁粉材料，其主要由铁基软磁粉末以及强永磁粉末所组成，其中铁基软磁粉末与强永磁粉末的比例范围实质上介于5:5～9:1之间。由于强永磁粉末的比例过低会导致所提供的偏置磁场太低，不能有效的提高磁芯的抗饱和能力，若强永磁粉末的比例过高则会使磁芯的导磁率过低，不利于实际使用，因此铁基软磁粉末与强永磁粉末的比例范围以实质上介于5:5～9:1之间较好。

在本实施例中，铁基软磁粉末指可用于制备软磁粉芯的铁基软磁粉末，包括但不限于羰基铁粉、雾化铁粉、电解铁粉、铁硅(FeSi)合金粉末、铁镍(FeNi)合金粉末、铁硅铝(FeSiAl)合金粉末、铁硅铬(FeSiCr)合金粉末以及铁基非晶粉末等。此外，强永磁粉末指该永磁粉末具有实质上大于或等于5KOe的本征矫顽力(intrinsic coercive force)，实质上大于或等于300℃的居里温度Tc(Curie point)，更加优选的是具有实质上大于或等于10KOe的本征矫顽力，实质上大于或等于500℃的居里温度Tc。相对较大的本征矫顽力可以使复合软磁粉材料得到优良的直流叠加特性，相对较高的居里温度则可以防止复合软磁粉材料在高温工作时，直流叠加特性由于热退磁效应而恶化。在本实施例中，强永磁粉末可包括但不限于稀土类永磁粉末，例如钕铁硼(NdFeB)系列、钐钴(SmCo)系列以及钐铁氮(SmFeN)系列等永磁粉末。

请参阅图1，其是利用本发明优选实施例的复合软磁粉材料制作磁性元件使用的永磁偏置磁芯的工艺流程图。如图1所示，首先，如步骤S11所示，提供复合软磁粉材料，其中该复合软磁粉材料由铁基软磁粉末及强永磁粉末按特定比例均匀混合而组成，该特定比例范围实质上介于5:5～9:1之间。接着，如步骤S12所示，将复合软磁粉材料中加入绝缘剂进行处理，使得复合软磁粉材料的粉末表面形成绝缘覆膜，以改善颗粒绝缘性质，防止涡流损耗过高，其中绝缘剂包括但不限于磷酸溶液、硅树脂溶液、钛酸酯溶液等。然后，如步骤S13所示，将处理过的粉末中加入有机黏接剂并进行造粒，其中有机黏接剂可以是但不限于有机树脂，例如双聚丙烯树脂、6-尼龙树脂、12-尼龙树脂、聚乙烯树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、环氧树脂等。另外，在此步骤中，在加入有机黏接剂后可先将处理过的粉末与有机黏接剂混合均匀，当充分搅拌使其成为泥糊状后，再使用例如刮板法或利用造粒机进行造粒工作以产生较大颗粒，以使得成型时粉末能满足流动性的需求。

接着，如步骤S14所示，对造粒后的粉末进行压型程序。在此步骤中，可将造粒后的粉末装入金属模具中并通过压机进行压型程序，其中成型的压力范围可为实质上介于4T/cm²～20T/cm²之间，压力越大则磁芯的导磁率越高，同时由于强永磁粉末之间距离拉近，则偏磁性能也更好，但压力若太大则有可能破坏强永磁粉末的结构，导致强永磁粉末的本征矫顽力降低，故优选的成型压力范围为实质上介于6T/cm²～15T/cm²之间。另外，为了提高磁芯的压制密度，颗粒的形状可进行匹配，换言之，铁基软磁粉末与强永磁粉末的形状可实质上相同。对于鳞片状的磁粉，如果磁路方向垂直于磁粉平面，则所得磁感矫顽力较大，也就是抗磁性最好，但是导磁率相对较小，如果磁路方向平行于磁粉平面，则导磁率可以得到增强，但是抗磁性又显著降低，且扁平磁粉由于其尺寸较大，会导致涡流损耗较大，故综合考虑，球形或者近似球形的磁粉为优选。同时为了避免磁芯在高频磁场下的高频涡流损耗过大，本发明中铁基软磁粉末和强永磁粉末的最大颗粒直径可皆为100μm以下，且平均颗粒直径可实质上介于5μm～50μm之间。

最后，如步骤S15所示，将所制备的磁芯进行热处理后放入磁场中充磁，其中充磁的磁场强度可大于例如3T，磁芯中强永磁粉末经过充磁后可为铁基粉末提供偏磁，以提高整个磁芯的抗饱和能力，经过充磁后的磁芯即可投入使用。

本发明最终完成的磁芯满足如下的参数要求：所制备的永磁偏置磁芯具有实质上介于5～50之间的导磁率，导磁率太低则无法作为软磁粉芯使用，导磁率太高则直流叠加能力较差。本发明所制备的永磁偏置磁芯具有大于或者等于0.1Ω·cm的电阻率，以抑制涡流。本发明所制备的永磁偏置磁芯具有大于或等于5.5g/cm³的密度，密度过小的话强永磁粉末之间的间距过大，退磁系数也会比较大，那么有效偏置磁场就会减小，不利于磁芯的直流叠加能力的提高。

实施例一：

本实施例中，先将Fe-3％Si铁基软磁粉末与NdFeB强永磁粉末按照7：3的重量比例称量后，放入混粉机中混合均匀，其中NdFeB强永磁粉末用喷雾法制备，形貌为球形，平均粒径约为30μm，粉末本征矫顽力为9.4KOe，此外，铁基软磁粉末的平均粒径约为12μm。然后，使用硅树脂对均匀混合后的复合软磁粉材料进行绝缘处理，以在处理过的粉末中加入有机黏接剂，其中有机黏接剂可使用环氧树脂，环氧树脂的重量比例为5％。接着，处理后的粉末在混合均匀后进行造粒烘干并过60目筛，将造粒后的粉末装在金属模具中压制成型，其中成型压力为8T/cm²。之后，将样品从金属模具中取出后放入160℃恒温烘箱中烘烤30分钟，使有机黏接剂固化，并将固化后的样品进行充磁，充磁磁场为4T。最后测量磁芯的电学性能，本实施例的磁芯电阻率可稳定在10³Ω·cm以上。

此外，请参阅图2，将本实施例的磁芯未充磁与充磁后的直流特性做比较，从数据中可以看出本例的磁芯充磁后抗直流饱和能力明显提高。

实施例二：

本实施例中铁基软磁粉末为羰基铁粉，粉末平均粒径为7μm，此外采用机械合金化球磨法制备的球形NdFeB强永磁粉末，其平均粒径约10μm，粉末的本征矫顽力为11KOe。两种粉末分别按照9：1、8：2、7：3、6：4的重量比例混合均匀后使用钛酸酯溶液进行表面绝缘处理。将处理后的粉末与有机黏接剂均匀混合并干燥造粒，其中有机黏接剂使用酚醛树脂，质量比例为4.2％。然后，通过压机成型，成型压力为10T/cm²。接着，使所制备的样品在恒温烘箱中烘烤，使有机黏接剂固化，然后进行饱和充磁，其中充磁磁场为4T。最后测试本实施例中磁芯的电学性能，测试结果如表1所示。由表1可以看出，充磁后磁芯所能够承受的偏置磁场均有很大提高。同时，可以发现强永磁粉末加入比例越大，所得到的抗饱和性能的提高也越多，但同时导磁率也会有较快的下降。

表1

实施例三：

本实施例中的磁芯采用Fe-1.5％Si铁基软磁粉末与Sm₂Co₁₇强永磁粉末共同制备，所选用的Fe-1.5％Si铁基软磁粉末平均粒径为12μm，另外Sm₂Co₁₇强永磁粉末的平均粒径为5μm，粉末的本征矫顽力为12KOe，居里温度为850℃。将两种粉末按照8:2的比例均匀混合后，使用磷酸溶液做绝缘处理。然后在绝缘处理过的粉末中加入有机黏接剂搅拌，其中有机黏接剂为聚酰亚胺树脂，其重量比例为4.2％。接着，将粉末混合均匀后烘干造粒并过60目筛。然后，将造粒后的粉末装入棒状金属模具中压制成型，成型压力为12T/cm²。之后，将样品从金属模具中取出，并放入恒温烘箱中烘烤使有机黏接剂固化。接着，对固化后的磁芯进行充磁，充磁磁场为5T。

接着，如图3所示，将棒状磁芯均匀缠绕线圈，然后放入窗口形的铁氧体磁芯中并置于中柱位置，当密合后测量电感随直流偏置电流变化的曲线，其结果如图4所示。由图4可以看出，如果偏置电流产生的直流磁场与磁芯的充磁方向一致，则两者互相叠加，会导致电感加速饱和，感量快速下降。如果偏置电流产生的直流磁场与磁芯的充磁方向相反，则两者互相抵消，会导致电感延缓饱和，感量在更大的电流下能够保持稳定。

综上所述，本发明提供一种复合软磁粉材料，该复合软磁粉材料由铁基软磁粉末以及强永磁粉末所组成，利用该软磁性粉末材料制备的磁芯具有良好的直流叠加特性以及抗饱和能力，以及较低的损耗，还可提供有效的磁偏置。此外，本发明的永磁偏置磁芯可以有效地减少磁芯体积且同时降低损耗，增加导磁率，适用于中大电流的磁性元件应用，且工艺简单并适合批量生产。另外，由于强永磁粉末导磁率接近1，而其四周的铁基软磁粉末一般导磁率会在2000以上，因此大部分的磁通量会从铁基软磁粉末上穿过，而小部分的磁通量才会通过强永磁粉末，同时强永磁粉末的矫顽力很高，因此强永磁粉末极不容易被退磁，也就是说，本发明的永磁偏置磁芯使用安全性比较高。

本发明可以由本领域技术人员任施匠思而做各种改变，然都不脱离所附的权利要求书所要保护的范围。

Claims (12)

1.一种复合软磁粉材料，至少包括：

一强永磁粉末；以及

一铁基软磁粉末，该铁基软磁粉末与该强永磁粉末的混合比例的范围实质上介于5:5～9:1之间，

其中，该复合软磁粉材料具有实质上介于5～50之间的导磁率。

2.如权利要求1所述的复合软磁粉材料，其中该强永磁粉末具有实质上大于或等于5KOe的本征矫顽力，以及实质上大于或等于300℃的居里温度。

3.如权利要求1所述的复合软磁粉材料，其中该强永磁粉末为稀土类永磁粉末，该稀土类永磁粉末为选自钕铁硼系列、钐钴系列以及钐铁氮系列永磁粉末所组成的群族其中之一。

4.如权利要求1所述的复合软磁粉材料，其中该铁基软磁粉末为选自羰基铁粉、雾化铁粉、电解铁粉、铁硅合金粉末、铁镍合金粉末、铁硅铝合金粉末、铁硅铬合金粉末以及铁基非晶粉末所组成的群族其中之一。

5.如权利要求1所述的复合软磁粉材料，其中该复合软磁粉材料具有大于或者等于0.1Ω·cm的电阻率。

6.如权利要求1所述的复合软磁粉材料，其中该铁基软磁粉末与该强永磁粉末的形状实质上相同，该铁基软磁粉末与该强永磁粉末形状为球形或近似球形，该铁基软磁粉末与该强永磁粉末的最大颗粒直径为100μm以下且平均颗粒直径实质上介于5μm～50μm之间。

7.一种永磁偏置磁芯，至少包括：

一复合软磁粉材料，该复合软磁粉材料至少包括一强永磁粉末以及一铁基软磁粉末，该铁基软磁粉末与该强永磁粉末的混合比例范围实质上介于5:5～9:1之间，

其中，该永磁偏置磁芯具有实质上介于5～50之间的导磁率。

8.如权利要求7所述的永磁偏置磁芯，其中该永磁偏置磁芯具有大于或者等于0.1Ω·cm的电阻率。

9.如权利要求7所述的永磁偏置磁芯，其中该永磁偏置磁芯具有大于或等于5.5g/cm³的密度。

10.如权利要求7所述的永磁偏置磁芯，还包括绝缘剂。

11.如权利要求10所述的永磁偏置磁芯，还包括有机黏接剂，该有机黏接剂为选自双聚丙烯树脂、6-尼龙树脂、12-尼龙树脂、聚乙烯树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂以及环氧树脂所组成的群族其中之一。

12.如权利要求7所述的永磁偏置磁芯，其中该永磁偏置磁芯经过充磁程序。

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