CN105845385B

CN105845385B - 软磁性金属压粉磁芯

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Publication number: CN105845385B
Application number: CN201610064523.1A
Authority: CN
Inventors: 黑田朋史; 谷口友祐; 樱井优
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2018-05-15
Anticipated expiration: 2036-01-29
Also published as: JP2016139748A; JP5958571B1; KR20160093557A; KR101719496B1; CN105845385A

Abstract

本发明的技术问题在于在软磁性金属压粉磁芯中，能兼顾直流叠加特性优异，且磁芯损耗小。本发明提供一种软磁性金属压粉磁芯，其特征在于，该软磁性金属压粉磁芯含有软磁性金属粉末和绝缘物，通过在所述软磁性金属粉末的粒度分布中，从粒径小的颗粒开始累计个数，将个数成为10％的粒径作为d10％，将成为16％的粒径作为d16％，将成为50％的粒径作为d50％的情况下，d50％为15～65μm，且(d16％‑d10％)/d16％＝0.10～0.20，构成所述软磁性金属粉末的80％以上的颗粒的截面的圆形度为0.75～1.0，从而能够改善直流叠加特性，并做成磁芯损耗小的软磁性金属压粉磁芯。

Description

软磁性金属压粉磁芯

技术领域

本发明涉及用于电源电路等中的电抗器或电感器，尤其涉及软磁性金属压粉磁芯的电感的直流叠加特性的改善。

背景技术

作为用于施加大电流的用途中的电抗器或电感器用的磁芯材料，可以使用铁氧体磁芯、叠层电磁钢板、软磁性金属压粉磁芯(模具成型、挤出成型、制片(sheet)成型等制作的磁芯)等。叠层电磁钢板虽然饱和磁通密度高，但是存在如果电源电路的驱动频率超过数十kHz则磁芯损耗增大，并且招致功率的降低的问题。另一方面，铁氧体磁芯是高频损耗小的磁芯材料，但是饱和磁通密度低，因此存在形状大型化的问题。相对于此，软磁性金属压粉磁芯高频的磁芯损耗比叠层电磁钢板小，饱和磁通密度比铁氧体大，因此被广泛使用。但尽管这样，软磁性金属压粉磁芯的磁芯损耗尚不能说足够小，仍然寻求低损耗的软磁性金属压粉磁芯。

通常施加于电抗器或电感器的电流波形成为交流成分叠加于直流成分上的波形，并且如果直流成分大则电抗器或电感器的电感会降低。作为在电抗器或电感器中要求的特性，寻求即便在直流叠加下电感的降低也小的性能，对于用于该电抗器或电感器中的磁芯材料也要求直流叠加特性良好，即，即便在直流电流叠加下电感的降低、进而磁导率的降低也小。

专利文献1中作为改善软磁性金属压粉磁芯的直流叠加特性的技术，公开有将软磁性金属颗粒的平均粒径做成1～70μm，粒度分布的变异系数(coefficient ofvariation，Cv)设为0.40以下，圆形度设为0.8～1.01。

在专利文献2中，作为将软磁性金属压粉磁芯做成高密度的技术，公开有将具有平均粒径之比为1/8～1/3的2种平均粒径的颗粒以10/90～25/75混合。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-70885号公报

专利文献2：日本特开2011-192729号公报

发明内容

发明想要解决的技术问题

在专利文献1的技术中，通过将软磁性金属粉末的平均粒径做成1～70μm，圆形度做成0.8～1.0，将粒度分布的变异系数(Cv)设为0.40以下，从而可以改善直流叠加特性。但是，在想要将变异系数做到该范围的情况下，需要使粒度分布非常尖锐，因此在成型软磁性金属压粉磁芯的情况下，存在充填密度必然降低的问题。作为结果，由于所得到的软磁性金属压粉磁芯的密度降低，因此不但直流叠加特性恶化，而且磁芯损耗也增大。

专利文献2中，通过混合粒径不同的2种以上的软磁性金属粉末，从而提高成型软磁性金属压粉磁性的情况下的填充密度。虽然能够提高软磁性金属压粉磁芯的密度但是粒度分布宽，因此存在仅仅能得到不足够的直流叠加特性的程度。

在这样的现有技术中，如果使软磁性金属粉末的粒度分布尖锐，则存在软磁性金属压粉磁芯的密度不能提高，磁芯损耗增大的问题，并且如果加宽软磁性金属粉末的粒度分布，则存在不能得到良好的直流叠加特性的问题。因此，寻求兼顾直流叠加特性优异并且磁芯损耗小的软磁性金属压粉磁芯。

本发明是为了解决上述问题而想出的发明，以兼顾在软磁性金属压粉磁芯中直流叠加特性优异，并且磁芯损耗小为技术问题。

用于解决技术问题的手段

本发明的软磁性金属压粉磁芯特征在于包含软磁性金属粉末以及绝缘物，在上述软磁性金属粉末的粒度分布中，在上述软磁性金属粉末的粒度分布中，从粒径小的颗粒开始累计个数，将个数成为10％的粒径作为d10％，将成为16％的粒径作为d16％，将成为50％的粒径作为d50％的情况下，d50％为15～65μm，且(d16％-d10％)/d16％＝0.10～0.20，构成上述软磁性金属粉末的80％以上的颗粒的截面的圆形度为0.75～1.0。通过这样，能够改善直流叠加特性，并做成磁芯损耗小的软磁性金属压粉磁芯。

另外，本发明的软磁性金属压粉磁芯为上述的软磁性压粉磁芯，其特征在于在研磨上述软磁性金属压粉磁芯的截面而进行观察的情况下，上述软磁性金属粉末所占的面积相对于上述软磁性金属压粉磁芯的截面的面积的比例为90％～95％。通过这样，能够进一步降低磁芯损耗。

发明的效果

通过本发明，在软磁性金属磁芯中，能够使磁芯损耗小，并且改善电感的直流叠加特性。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的软磁性金属压粉磁芯的结构的截面的模式图。

图2是表示实施例1-9和比较例1-3的软磁性金属粉末的粒度分布的图。

图3是表示观察实施例1-1的软磁性金属压粉磁芯的截面的结果的图。

图4是表示观察比较例1-3的软磁性金属压粉磁芯的截面的结果的图。

符号说明

10：软磁性金属压粉磁芯

11：软磁性金属粉末

12：绝缘物

具体实施方式

本发明是一种软磁性金属压粉磁芯，通过其特征在于包含软磁性金属粉末和绝缘物，上述软磁性金属粉末的平均粒径为15～65μm，上述软磁性金属粉末的粒度分布中(d16％-d10％)/d16％＝0.10～0.20，构成上述软磁性金属粉末的80％以上的颗粒的截面的圆形度为0.75～1.0，从而能够减小磁芯损耗并且提高直流电流叠加下的电感。

以下，参照附图来说明本发明的优选实施方式。

图1是表示软磁性金属压粉磁芯10的结构的图。软磁性金属压粉磁芯10由软磁性金属粉末11和包覆构成该软磁性金属压粉磁芯的大部分颗粒表面的绝缘层12构成。软磁性金属粉末11是以铁为主要成分的软磁性金属，可以使用纯铁、Fe-Si合金、Fe-Si-Cr合金、Fe-Al合金、Fe-Si-Al合金、Fe-Ni合金等。为了得到良好的直流叠加特性优选使用饱和磁化高的软磁性金属粉末，因此优选使用纯铁、Fe-Si合金、Fe-Ni合金等。

测定软磁性金属粉末11的粒度分布，在从粒径小的颗粒开始累计个数，将个数成为10％的粒径作为d10％，将成为16％的粒径作为d16％，将成为50％的粒径作为d50％的情况下，平均粒径d50％为15～65μm，且(d16％-d10％)/d16％＝0.10～0.20。在平均粒径d50％小于15μm的情况下，起始磁导率太小因此直流叠加下的磁导率也只能得到很小。在平均粒径d50％大于65μm的情况下，涡流损耗变大，因此磁芯损耗增大。特别的，由于能够得到良好的直流叠加特性，因此进一步优选d50％为30～55μm。

软磁性金属粉末11的粒度分布用激光衍射式粒度分布仪测定很简便，不过也可以通过用扫描型电子显微镜等观察软磁性金属粉末11的外观，并且从各颗粒的外接圆直径算出粒度分布，或者研磨软磁性金属压粉磁芯10的截面并观察，并从各颗粒的外接圆直径算出粒度分布。

(d16％-d10％)/d16％表示粒度分布的微粉侧的下摆的宽度，并且该值越大则表示微粉侧具有越宽的粒度分布。在将软磁性金属压粉磁芯成型时，小颗粒进入大颗粒的空隙从而提高填充密度，具有提高成型体密度的效果。但是，由于小颗粒曲率大应力集中，因此会变形为挤到大颗粒的表面。因此，在大量包含小颗粒的情况下，会产生塑性变形量大的部分和塑性变形量不大的部分，因此磁化过程不均匀，结果直流叠加特性变差。即，在(d16％-d10％)/d16％大于0.2的情况下，微粉的量过多，直流叠加特性变差。另一方面，虽然(d16％-d10％)/d16％越小越好，不过从制造上的容易性的观点出发，下限为0.1左右。因此，(d16％-d10％)/d16％控制为0.10～0.20。特别地，由于能够得到良好的直流叠加特性，因此更加优选(d16％-d10％)/d16％设为0.10～0.16。

另外，在观察软磁性金属压粉磁芯10的截面，并且测定软磁性金属粉末11的圆形度的情况下，在构成软磁性金属粉末11的颗粒中，80％以上的颗粒的圆形度为0.75～1.0。作为圆形度的一个例子，可以使用Wadell的圆形度，以等于颗粒截面的投影面积的圆的直径相对于外接于颗粒截面的圆的直径的比来定义。在为正圆的情况下，Wadell的圆形度为1，越接近于1正圆度越高。在观察中可以使用光学显微镜或者SEM，在圆形度的计算中可以使用图像分析。

圆形度低的颗粒的颗粒表面的曲率不一定，因此成形时的应力的施加变得不均匀。因此，在较多含有圆形度低的颗粒的情况下，产生塑性变形量大的部分和塑性变形量不大的部分，因袭，磁化过程变得不均匀，作为结果直流叠加特性变差。即，通过80％以上的颗粒的圆形度设为0.75～1.0，从而可以得到良好的直流叠加特性。

软磁性金属粉末11的表面大部分被绝缘层12包覆。绝缘层可以使用导电性小的无机物、有机物中的任意种，也可以为它们的复合物。在绝缘层12中优选含有硅化合物。硅化合物可以形成均匀的绝缘层，因此即便做成高密度也能抑制涡电流的产生，并且降低磁芯损耗。

软磁性金属粉末11的原料粉末可以用水雾化法或气体雾化法等来制作。通常使用气体雾化法容易得到圆形度高的颗粒，不过即便在使用水雾化法的情况下，通过适当调节喷雾条件等也可以得到圆形度高的颗粒。

通过分级该原料粉末，可以得到具有上述的d10％、d16％、d50％、圆形度的软磁性金属粉末11。在分级中可以使用振动筛或风力分级器等，特别地通过除去微粉可以将粒度分布调节到所希望的粒度分布。

在研磨软磁性金属压粉磁芯10的截面进行观察的情况下，优选软磁性金属粉末11所占的面积相对于软磁性金属压粉磁芯的截面的面积的比例为90％～95％。软磁性金属粉末11所占的面积的比例越高，则非磁性物所占的部分变得越少，因此磁滞损耗降低，并且容易得到低磁芯损耗。另一方面，为了使软磁性金属粉末11所占的面积的比例超过95％，需要极高的成型压，因此产生制造上的困难。

使用软磁性金属粉末11制作软磁性金属压粉磁芯10的方法按照通常的软磁性金属压粉磁芯10的制作方法即可，以下示出一例。

相对于软磁性金属粉末包覆绝缘物并得到颗粒状的造粒物。作为绝缘物可以使用硅酮树脂或环氧树脂等的树脂，并且优选可以用具有成形时的保形性和电绝缘性的绝缘物来均匀涂布于软磁性金属粉末表面。在仅以规定的量向软磁性金属粉末11中添加这些溶液，并且用捏合机等来进行混炼之后，进行干燥，从而得到凝聚物，将凝聚物进行粉碎从而可以得到颗粒。

将得到的颗粒填充于规定的形状的模具中，加压成型从而得到成型体。成型压力可以通过软磁性金属粉末的组成或所希望的成型密度进行适当选择，不过大致为600～1600MPa的范围。可以根据必要使用润滑剂。所得到的成型体通过热固化而做成软磁性金属压粉磁芯。或者为了除去成型时的应力而进行热处理，从而做成软磁性金属压粉磁芯。热处理的温度为500～800℃，优选在氮气氛或者氩气氛等的非氧化性气氛中进行。在作为绝缘物使用硅酮树脂的情况下，热处理之后可以形成包含硅化合物的绝缘物，因此可以抑制涡流损失从而优选。

以上针对本发明的优选实施方式进行了说明，不过本发明不限定于上述实施方式。本发明可以在不脱离其宗旨的范围内进行各种变形。

实施例

作为原料粉末，用气体雾化法以及水雾化法制作了Fe-4.5Si合金粉末。将它们分级从而调节了粒度分布，并且准备了软磁性金属粉末。软磁性金属粉末的粒度分布通过激光衍射式粒度分布测定装置(HELOS系统，Sympatec公司制造)进行测定，并且从d10％、d16％算出(d16％-d10％)/d16％。表1中示出粒度分布中各累计粒径(d10％、d16％、d50％、d84％)以及原料粉末的制法。

相对于表1的软磁性金属粉末为100质量％，用二甲苯稀释以硅酮树脂成为1.5质量％的方式来添加，用捏合机混炼并干燥从而将所得到的凝聚物进行整粒至成为355μm以下，从而得到颗粒。将其填充于外径为17.5mm、内径为11.0mm的圆环形状的模具中，并且用成型压为1180MPa进行加压并得到了成型体。磁芯重量做成5g。将得到的成型体用传送带式加热炉在750℃在氮气氛中进行30min热处理从而做成了软磁性金属压粉磁芯(实施例1-1～1-10，比较例1-1～1-6)。同样，准备了用成型压为1570MPa进行加压成型的样品(实施例1-11)和用成型压780MPa进行加压成型的样品(实施例1-12)。

将这些软磁性金属压粉磁芯用冷镶嵌树脂固定，切出截面，并且进行镜面研磨。随机观察50各颗粒的截面，并且测定各颗粒的Wadell的圆形度，算出圆形度为0.75以上的颗粒的比例。将结果示于表1中。

同样地，用冷镶嵌树脂将这些的软磁性金属压粉磁芯固定，切出截面，并且进行镜面研磨。用电子显微镜观察截面，拍摄组成照片。从图像的对比中求出金属相的面积相对于视野面积的比例，并将结果示于表1中。

使用LCR测试仪(Agilent Technologies公司制造的4284A)和直流偏置电源(Agilent Technologies公司制造的42841A)测定软磁性压粉磁芯的电感，从电感算出软磁性压粉磁芯的磁导率。对直流叠加磁场为0A/n的情况和8000A/m的情况进行测定，分别将其磁导率作为μ0、μ(8kA/m)示于表1。

使用BH分析仪(岩通计测公司制造的SY-8258)测定了软磁性压粉磁芯的磁芯损耗。磁芯损耗在频率为20kHz、测定磁通密度为50mT的条件下进行测定。将结果示于表1。

通过表1可知实施例1-1～实施例1-12都显示μ(8kA/m)为40以上的良好的直流叠加特性，并且磁芯损耗为60kW/m³以下。因此，可以确认通过将软磁性金属粉末的d50％控制为15～65μm的范围，将(d16％-d10％)/d16％控制为0.10～0.20的范围，将圆形度为0.75以上的颗粒的比例控制为80％以上，从而可以制得兼顾了良好的直流叠加特性和低的磁芯损耗的优异的软磁性金属压粉磁芯。

比较例1-5的d50％为13.5μm，比较例1-6的d50％为69.5μm。比较例1-5粒径过小因此μ0过小，结果μ(8kA/m)仅为小于40的小值。另外，比较例1-6粒径过大因此涡流损失增大，仅能得到涡流损失超过60kW/m³的大值。另一方面，实施例1-1、实施例1-5、实施例1-6、实施例1-10的d50％在15～65μm的范围内，因此μ(8kA/m)为40以上，且磁芯损耗成为60kW/m³以下，需要将d50％控制在适当的范围内。

比较例1-1、比较例1-2、比较例1-7的(d16％-d10％)/d16％都比0.20大。比较例1-1和比较例1-7微粉过多因此μ0过于增大，结果μ(8kA/m)仅得到小于40的小值。另外，比较例1-2通过使粒度分布尖锐，从而尝试了直流叠加特性的改善，但是由于微粉量过多因此不仅μ(8kA/m)小于40，而且密度还降低，因此，仅能得到磁芯损耗超过60kW/m³的大值。相对于此，实施例1-1～1-9的(d16％-d10％)/d16％在0.10～0.20的范围内，因此μ(8kA/m)为40以上，磁芯损耗成为60kW/m³以下，可知必须将(d16％-d10％)/d16％控制在适当的范围内。另外，可知实施例1-3、实施例1-4、实施例1-6的(d16％-d10％)/d16％在0.10～0.16的范围内，因此特别地μ(8kA/m)会增大。

比较例1-3、比较例1-4的圆形度为0.75以上的颗粒的比例小于80％。由于比较例1-4的圆形度低的颗粒过多，所以μ0会过于增大，结果μ(8kA/m)仅为小于40的小值。进一步，比较例1-3大量含有圆形度低的颗粒，进一步(d16％-d10％)/d16％大于0.20，因此尤其是μ0会过于增大，结果μ(8kA/m)仅为小于40的小值。相对于此，实施例1-1～1-9中圆形度为0.75以上的颗粒的比例为80％以上，因此能够得到良好的直流叠加特性。

实施例1-3、实施例1-11、实施例1-12使用相同软磁性金属粉末，改变成型压力制作的软磁性压粉磁芯。可知实施例1-3和实施例1-11的磁芯损耗为50kW/m³，能得到比实施例1-12更低的磁芯损耗。实施例1-3和实施例1-11成型压力高，因此密度变高，如果研磨截面进行观察，则相对于观察面的面积，软磁性金属粉末所占的面积的比例为90％以上。另一方面，实施例1-12密度低，软磁性金属粉末所占的面积的比例小于90％。另外，在高压下成型的情况下模具有破损的可能，因此难以得到软磁性金属粉末所占的面积的比例超过95％的样品。因此，在研磨软磁性金属压粉磁芯的截面进行观察的情况下，更加优选使软磁性金属粉末占有的面积相对于软磁性金属压粉磁芯的截面的面积的比例为90～95％。

图2中示出了实施例1-9和比较例1-3的软磁性金属粉末的粒度分布。从图2的粒度分布中可知，实施例1-9相对于比较例1-3粒度分布的整体的宽度相同，但是微粉侧的下摆的宽度更小。正如从表1中可知，实施例1-9能得到比比较例1-3更大的μ(8kA/m)，并且可知将粒度分布中的微粉侧的下摆的宽度减小，即，将(d16％-d10％)/d16％控制为0.10～0.20的范围内对于直流叠加特性的改善有效。

图3中显示了实施例1-1的软磁性金属压粉磁芯的截面的形状。图4中显示了比较例1-3的软磁性金属压粉磁芯的截面的形状。正如从图3和图4中可知，实施例1-1的圆形度高，相对于此，比较例1-3成为圆形度低的颗粒。从表1中可知，实施例1-1能得到比比较例1-3更大的μ(8kA/m)，从而提高构成软磁性金属粉末的圆形度，即，使颗粒截面的圆形度成为0.75～1.0的颗粒成为80％以上对于直流叠加特性的改善有效。

产业上的利用可能性

如以上所说明的，本发明的软磁性金属压粉磁芯降低损耗并且即便在直流电流叠加下也具有高的电感，从而能够实现高效率化以及小型化，因此能够广泛且有效地用于电源电路等的电感器或电抗器等的电·磁设备中。

Claims

1.一种软磁性金属压粉磁芯，其特征在于，

含有软磁性金属粉末和绝缘物，

在所述软磁性金属粉末的粒度分布中，从粒径小的颗粒开始累计个数，将个数成为10％的粒径作为d10％，将成为16％的粒径作为d16％，将成为50％的粒径作为d50％的情况下，d50％为15～65μm，且(d16％-d10％)/d16％＝0.10～0.20，

构成所述软磁性金属粉末的80％以上的颗粒的截面的圆形度为0.75～1.0。

2.如权利要求1所述的软磁性金属压粉磁芯，其特征在于，

在研磨所述软磁性金属压粉磁芯的截面而进行观察的情况下，所述软磁性金属粉末所占的面积相对于所述软磁性金属压粉磁芯的截面的面积的比例为90％～95％。