CN102176367A - 金属磁粉心罐型磁芯及高直流叠加特性磁芯的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属磁粉心罐型磁芯，其由一种或多种金属软磁粉末制作而成，所述粉末粒径为5μm-180μm，所述罐型磁芯的外径为4cm-15cm，罐壁厚为2mm-2cm，底厚为5mm-3cm，高度为2cm-8cm，所述罐型磁芯的侧面设有一宽度为10mm-20mm的槽口。相较于现有技术，本发明所述的金属磁粉心罐型磁芯采用多种金属合金软磁粉末制作而成，其具有良好的直流叠加特性、非常好的电磁屏蔽特性、极低的磁芯损耗、非常高的绕线窗口利用率。

Description

金属磁粉心罐型磁芯及高直流叠加特性磁芯的制作方法

【技术领域】

本发明属于金属软磁粉末技术领域，尤其涉及一种由金属软磁粉末制成的罐型磁芯及利用该罐型磁芯制作高直流叠加特性磁芯的制作方法。

【背景技术】

罐型磁芯广泛用于有源电力滤波器、大功率UPS、太阳光伏及风力发电逆变器、电梯滤波电路中的大功率滤波电感器中，而罐型磁芯通常使用的金属软磁芯材料包括金属磁粉芯、硅钢片及非晶，这些磁芯可以分类为片式磁芯、EE型磁芯、U型磁芯及环形磁芯。

硅钢片磁芯或非晶磁芯可被应用于电抗器中，硅钢片工作频率一般小于5kHz或者更小；而非晶磁芯工作频率一般小于50kHz，但是无论是硅钢片或非晶磁芯，由于损耗偏高或者磁滞伸缩系数偏高、而且磁芯需要开气隙非闭合磁路，造成磁芯在工作中温升偏高或者工作出现明显的噪声及电磁辐射。为了克服以上问题，不得不通过增大产品尺寸的方式来降低温升或者降低噪声，结果大大增加成本。

而环形金属软磁磁芯，可以满足上述的应用，尺寸需要外径77-100mm以上的磁芯，通常一只环形产品无法满足使用要求，通常是三只甚至是五只以上产品同时使用才能够满足要求，同时由于这种电感通常都是线径较粗的铜线，使环形磁芯在绕线过程中难度较大，如果使用合股线会造成绕线填充系数很小，造成电感器的功率密度低，外观差等缺点。而且由于磁环最大尺寸限制，电流大于100A时很难设计出满足要求的电感器。因此技术人员希望有更好的磁芯能够满足要求。

鉴于此，有必要提供一种新的金属磁粉心罐型磁芯来解决上述问题。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于提供一种金属磁粉心罐型磁芯，其组合叠加后具有良好的直流叠加特性及电磁屏蔽特性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种罐型磁芯，其由一种或多种金属软磁粉末制作而成，所述粉末粒径为5μm-180μm，所述罐型磁芯的外径为4cm-15cm，罐壁厚为2mm-2cm，底厚为5mm-3cm，高度为2cm-8cm，所述罐型磁芯的侧面设有一宽度为10mm-20mm的槽口。

进一步地，所述罐型磁芯设有一高度为1cm-7cm的中柱，该中柱中央设有一孔径为0-8mm的中柱孔。

进一步地，所述金属软磁粉末包括铁硅铝、铁镍、铁镍钼或铁硅粉或者其混合粉末。

进一步地，所述铁硅铝粉末中硅8.5％-9.8％，铝5-8％，余量为铁；铁镍粉末中镍40-55％，余量为铁；铁镍钼粉末中镍80-81％，钼2-4％，余量为铁；铁硅粉末中硅含量3-8％，余量为铁。

进一步地，所述罐型磁芯可通过环氧树脂、酚醛树脂或者聚酰亚胺叠加组成柱状磁芯。

本发明亦可采用如下技术方案：一种高直流叠加特性磁芯的制作方法，其包括如下步骤：

首先，将金属软磁粉末与绝缘物质做粉末表面绝缘处理；

然后，将绝缘处理过的粉末与润滑粉按一定比例混合，并在8-18T/cm2的压力下成型；

接着，对上述成型后产品置于600-800℃、时间50-120分钟、惰性气氛烧结的条件下进行热处理，制得如权利要求1所述的罐型磁芯；

最后，使用环氧树脂、酚醛树脂或者聚酰亚胺将二个罐型磁芯粘合形成一个柱状磁芯。

相较于现有技术，本发明所述的金属磁粉心罐型磁芯采用多种金属合金软磁粉末制作而成，其具有良好的直流叠加特性、非常好的电磁屏蔽特性、极低的磁芯损耗、非常高的绕线窗口利用率。

【附图说明】

图1为本发明所述金属磁粉心罐型磁芯的结构示意图，图中标出了各关键部位的尺寸。

图2为本发明所述金属磁粉心罐型磁芯组合叠加成的柱状磁芯的结构示意图。

【具体实施方式】

如图1及图2所示，本发明提供一种由金属软磁粉末制作的金属磁粉心罐型磁芯10，其由一种或多种金属软磁粉组成，粉末粒径在5μm-180μm之间，金属软磁粉末包括铁硅铝、铁镍、铁镍钼或铁硅粉或者其混合粉末，所述粉末经成型与热处理后制成罐型磁芯，具体产品尺寸如图1所示。

本发明中制作罐型磁芯10所用金属软磁粉末要求如下，铁硅铝中硅成分8.5-9.8％，铝5-8％，余量为铁。铁镍粉中镍成分40-55％，余量为铁。铁镍钼粉末中镍成为80-81％，钼2-4％，余量为铁。铁硅粉中硅成分为3-8％，余量为铁。

所述罐型磁芯10由铁硅铝、铁镍钼、铁镍及铁硅粉末或者其混合粉末组成，罐型磁芯尺寸如图1所示。本发明中所述的罐型磁芯10可通过两个叠加的方式组装成一柱状磁芯20，请参图2所示，该柱状磁芯20具有良好的直流叠加特性和电磁屏蔽特性，所述柱状磁芯中的两个罐型磁芯是由环氧树脂、酚醛树脂或者聚酰亚胺树脂粘结在一起，这种磁芯可以用来制作电抗器等感性器件。

所述柱状磁芯20是通过如下制作方法制得的，首先，将金属软磁粉末与绝缘物质做粉末表面绝缘处理，然后与润滑粉按一定比例混合，在8-18T/cm2压力下成型，产品尺寸如图1所示，成型后毛坯产品热处理条件600-800℃、时间50-120分钟、惰性气氛烧结，热处理后产品尺寸如图1所示，最后，使用环氧树脂、酚醛树脂或者聚酰亚胺将二个罐型磁芯10粘合形成一个柱状磁芯20。

根据本发明制作的罐型磁芯10具体尺寸如图1所示，具体为外径4cm-15cm，罐壁厚2mm-2cm，底厚5mm-3cm，高度2cm-8cm，中柱高度为1cm-7cm，侧面槽口11处宽1cm-2cm，槽口11高度2mm-7cm，中柱孔12孔径为0-8mm。材料是金属软磁粉末，金属软磁粉末包括铁硅、铁硅铝、铁镍、铁镍钼或者是以上几种粉末的混合粉。

规定上面罐型磁芯尺寸的原因如下，当外径过小于4cm、壁厚小于2mm、底部低于5mm、中柱低于1cm时，此时制作的产品性能将可能不适合于本发明中提出的一些应用。而当外径大于15cm、高度大于8cm、罐壁厚小于2mm时，磁芯成型时存在很大难度。当罐壁厚大于2cm、中柱大于7cm时，则会造成罐中空间太小，造成二只罐型磁芯组合成柱状磁芯时，空间过小，影响磁芯性能。侧面槽口11处宽1cm-2cm，高度5mm-7cm，此槽口11是用来引出引线用，此尺寸正好适合引线从此处引出。所述中柱用于供电感器的绕组缠绕，而中柱处孔径为0-8mm的中柱孔12用来安装产品用。

由于本发明中金属软磁粉末粒径在5μm-180μm之间，可以确保产品具有良好的压实强度，制作出的产品有良好的电气性能。目前本发明中罐型磁芯的成型压力8-18T/cm2，实验中发现，当压力低于8T/cm2时，毛坯强度差，易破损，不易保持产品形状。如果压力大于18T/cm2时，模具易破损。

另外，上述条件下成型的产品热处理条件600-800℃，1-2小时，惰性气氛烧结，在上述条件下热处理磁芯是为了消除罐型磁芯内残余的内应力，以改善磁芯的性能。

本发明中，二个罐型产品粘在一起形成一个柱状磁芯过程中，利用环氧树脂、酚醛树脂或聚酰亚胺树脂用作粘合剂的原因是在80℃或者以上，它们不会失去粘结力，磁芯可能会在80℃以上使用。

下面介绍本发明所述金属软磁粉末的制作工艺。

将成分为硅9.6％、铝15.4％、余量铁在中高温炉中熔炼，倒出制作成铁硅铝锭子，然后在鄂式破碎机、振磨机等设备将锭子破碎成铁硅铝粉末，粉末在600-900℃温度下，热处理时间3-8小时，气氛可以是氮气或氢气或者氢氮混合气。然后使用水玻璃、高岭土、云母粉等硅酸盐混合物处理热处理后的铁硅铝粉末，用1.0％-3.0％左右的混合物在水做溶剂条件下均匀湿混已经热处理好的铁硅铝粉，完成粉末表面绝缘处理。

铁镍粉或铁镍钼粉末使用雾化过程生产，可以是气雾化粉，可以是水雾化粉，也可以是水气雾化粉，热处理温度600-900℃，时间3-8小时，气氛可以是氮气或氢气或者氮氢混合气。然后使用水玻璃，高岭土，云母粉等硅酸盐混合物处理热处理后铁硅铝粉末，用1.0％-3.0％左右的混合物在水做溶剂条件下均匀湿混已经热处理好的铁镍钼或者铁镍粉，完成粉末表面绝缘处理。

铁硅粉末可使用雾化过程生产，可以是气雾化粉，可以是水雾化粉，也可以是水气雾化粉，其中硅含量在3％-8％之间，粉末热处理温度600-900℃，时间3-8小时，气氛可以是氮气或氢气或者氮氢混合气。然后使用水玻璃，高岭土，云母粉等硅酸盐混合物处理热处理后铁硅粉末，用1.0％-3.0％左右的混合物在水做溶剂条件下均匀湿混已经热处理好的铁硅粉，完成粉末表面绝缘处理。

然后，将完成上述表面绝缘处理的粉末(铁镍钼、铁镍、铁硅铝、铁硅)与固体润滑粉混合，如硬脂酸锌、硬脂酸钙等，以减少成型时粉末与粉末之间、粉末与模具之间的磨擦力。

粉末制作完成后，制作尺寸如图1所示罐型磁芯，成型压力为8-18T/cm2。成型后毛坯在600-800℃下，热处理60分钟，气氛氮气，以消除残留在产品内的应力，完成罐型磁芯的制作。

综上所述，该罐型磁芯制作工艺是，各种合金按照一定比例，通过熔炼浇锭破碎或者水雾化工艺或者气雾化工艺处形成一定粒度比例的合金粉末，加入一定的绝缘剂，润滑粉混合后，填充到罐型的成型模具里，在8-18T/cm2压力下压成型，在600-800℃条件下、充有惰性气体的密闭烧结炉中进行烧结，时间50-120分钟。罐型产品尺寸，外径4cm-15cm，壁厚2mm-2cm，底厚5mm-3cm，高度2cm-8cm，中柱1cm-7cm，侧面槽口处宽1cm-2cm，槽口高度2mm-7cm，中柱孔0-8mm。在制作电感器时，电感器绕组成型后，把绕组安装到罐型中心柱上，两个罐型磁芯用胶水粘在一起组成柱状的电感器。

本发明所述的金属软磁粉末制作的金属磁粉心罐型磁芯，其通过叠加可构成柱状磁芯，具有高的直流叠加特性，优良的电磁屏蔽特性，低的磁芯损耗。因此，生产由金属粉末组成的软磁罐型磁芯是可行的，由于提高了磁导率，提高了空间使用率，它能够减少热、噪声，减少产品尺寸和重量。这种新型的软磁罐型磁芯可以用来替代传统的软磁磁芯，用来做有源电力滤波器、大功率UPS、太阳光伏及风力发电逆变器、以及电梯滤波电路中的大功率滤波电感器中。

以上所述，仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，均属于本发明技术方案的范围之内。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的方法内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，均属于权利要求书保护的范围。

Claims (6)

1.一种金属磁粉心罐型磁芯，其由一种或多种金属软磁粉末制作而成，其特征在于：所述粉末粒径为5μm-180μm，所述罐型磁芯的外径为4cm-15cm，罐壁厚为2mm-2cm，底厚为5mm-3cm，高度为2cm-8cm，所述罐型磁芯的侧面设有一宽度为10mm-20mm的槽口。

2.根据权利要求1所述的金属磁粉心罐型磁芯，其特征在于：所述罐型磁芯设有一高度为1cm-7cm的中柱，该中柱中央设有一孔径为0-8mm的中柱孔。

3.根据权利要求2所述的金属磁粉心罐型磁芯，其特征在于：所述金属软磁粉末包括铁硅铝、铁镍、铁镍钼或铁硅粉或者其混合粉末。

4.根据权利要求3所述的金属磁粉心罐型磁芯，其特征在于：所述铁硅铝粉末中硅8.5％-9.8％，铝5-8％，余量为铁；铁镍粉末中镍40-55％，余量为铁；铁镍钼粉末中镍80-81％，钼2-4％，余量为铁；铁硅粉末中硅含量3-8％，余量为铁。

5.根据权利要求4所述的金属磁粉心罐型磁芯，其特征在于：所述罐型磁芯可通过环氧树脂、酚醛树脂或者聚酰亚胺叠加组成柱状磁芯。

6.一种高直流叠加特性磁芯的制作方法，其包括如下步骤：

首先，将金属软磁粉末与绝缘物质做粉末表面绝缘处理；

然后，将绝缘处理过的粉末与润滑粉按一定比例混合，并在8-18T/cm2的压力下成型；

接着，对上述成型后产品置于600-800℃、时间50-120分钟、惰性气氛烧结的条件下进行热处理，制得如权利要求1所述的罐型磁芯；

最后，使用环氧树脂、酚醛树脂或者聚酰亚胺将二个罐型磁芯粘合形成一个柱状磁芯。

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