CN106104718A - 磁性元件 - Google Patents
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Abstract
提供一种抑制由于铁损所致的发热并且生产率优良的磁性元件。具备使由线圈(4)产生的磁通通过的磁性体，该磁性体是使在线圈的轴向上2分割的磁性体相互结合了的结合体，将由于铁损而发热大的部位或者散热性差的部位设为压缩成型磁性体(2)，将该压缩成型磁性体以外的部位设为射出成型磁性体(3)，并上述压缩成型磁性体和上述射出成型磁性体被结合，压缩成型磁性体在磁性体表面露出。
Description
技术领域
本发明涉及在磁性体的周围卷绕了线圈的磁性元件。特别涉及作为电感、变压器、天线(棒状天线)、扼流线圈、滤波器、传感器等而用于电气仪器或者电子仪器的磁性元件。
背景技术
近年来，在电气、电子仪器的高频率化、大电流化发展的过程中，在磁性元件中也希望同样的对应，但当前作为磁性体，在主流的铁氧体材料中，材料特性本身到达极限，正摸索新的磁性体材料。例如，铁氧体材料被置换成铁硅铝、非晶等的压缩成型磁性材料、非晶箔带等。但是，上述压缩成型磁性材料的成型性差，且烧制后的机械性强度也低。另外，上述非晶箔带由于卷绕、切断、间隙形成而制造成本变高。因此，这些磁性材料的实用化迟缓。
本申请人以提供一种使用成型性差的磁性粉末来制造具有存在变化的形状、特性的小型且廉价的磁性芯部件的制造方法为目的，关于如下方法获得了专利,该方法是用绝缘材料包覆在射出成型中使用的树脂组成物所包含的磁性粉末，在上述树脂组成物中插入成型压缩成型磁性体以及压粉磁铁成型体中的任意个，并通过射出成型来制造压缩成型磁性体或者压粉磁铁成型体含有具有比射出成型温度低的熔点的粘结剂的、具有规定的磁特性的芯部件的方法(专利文献1)。
另外，以提供能够使用成型性差的磁性粉末作成任意的形状并具有直流重叠电流特性优良的磁特性的复合磁性芯以及在该复合磁性芯的周围卷绕了线圈的磁性元件为目的，本申请人申请了复合磁性芯,该复合磁性芯具有使压缩成型磁性体和射出成型磁性体相互结合了的结合体，该结合体以射出成型磁性体为外壳，在该外壳的内部配置了压缩成型磁性体,上述压缩成型磁性体是对磁性粉末进行压缩成型而得到的,上述射出成型磁性体是对粉末表面被电绝缘的磁性粉末配合粘结树脂进行射出成型而得到的(专利文献2)。
现有技术文献
专利文献1：日本专利第4763609号公报
专利文献2：日本特开2014-27050号公报
发明内容
然而，磁性元件与在线圈中流过的电流值成比例地变大，所以大电流用的磁性元件除了此前成为问题的由于铜损所致的发热以外，由于铁损所致的发热也成为无法忽略的问题。
在作为构成磁性元件的磁性体而使用了专利文献1或者2记载的磁性体的情况下，产生了以下的问题。
(1)射出成型磁性体相比于压缩成型磁性体，从形状、大小的点看自由度高，所以能够应对大型化的磁性体。然而，由于包含树脂，所以从热传导度、比热的点看，不及压缩成型磁性体，例如罐形、ER芯等远离散热面，线圈内径侧的射出成型磁性体易成为高温。
(2)压缩成型磁性体相比于射出成型磁性体，在发热以及散热方面是有利的，但在制造中，如射出成型磁性体那样，难以形成复杂的形状，并且与大小成比例，设备变大型，制造成本增加。因此，在大电流下使用的磁性体变得大型，所以压缩成型磁性体无法一体地廉价成型。在分割制作的情况下，模具的种类多而制造成本增加。
本发明是为了处理这样的问题而完成的，其目的在于提供一种抑制由于铁损所致的发热、并且生产率优良的磁性元件。
本发明的磁性元件具备线圈、和使由该线圈产生的磁通通过的磁性体，该磁性元件的特征在于，在磁性体中，将由于铁损而发热大的部位或者散热性差的部位设为压缩成型磁性体，将该压缩成型磁性体以外的部位、例如大型或者复杂形状的部位设为射出成型磁性体，并所述压缩成型磁性体和所述射出成型磁性体被结合。
另外，其特征在于所述线圈配置于所述磁性体内部，该压缩成型磁性体配置于所述线圈内径侧，所述射出成型磁性体配置于所述线圈外径侧，所述压缩成型磁性体在磁性体表面露出。特别地，其特征在于至少所述射出成型磁性体是使在线圈的轴向上被2分割的磁性体相互结合了的结合体。
另外，其特征在于所述压缩成型磁性体在磁性体内部具有空隙部。
本发明的磁性元件通过将由于铁损而发热大的部位或者散热性差的部位设为压缩成型磁性体，能够抑制磁性元件的发热，能够保护磁性体以及线圈绝缘覆膜。
另外，即便是成型性差的压缩成型磁性体，通过与射出成型磁性体组合，也能得到具有任意的形状以及优良的磁特性的复合磁性体，相比于通过插入成型制造的情况，能实现制造设备费的降低、生产率的提高、制造成本的降低以及形状自由度的提高。
附图说明
图1是罐形磁性元件的例子。
图2是抑制发热并提高了散热性的罐形磁性元件的例子。
图3是抑制发热并进一步提高了散热性的罐形磁性元件的例子。
图4是能够调整磁特性的罐形磁性元件的例子。
图5是作为比较例子的磁性元件的例子。
图6是示出图1所示的磁性元件的发热状况的图。
图7是示出图3所示的磁性元件的发热状况的图。
图8是示出图5所示的磁性元件的发热状况的图。
(符号说明)
1：罐形磁性元件；2：压缩成型磁性体；3：射出成型磁性体；4：线圈；5：中间线；6：空隙部。
具体实施方式
在电气、电子仪器的高频率化、大电流化中，使用了通过当前主流的压缩成型法得到的铁氧体材料的磁性元件导磁率优良，易于得到电感值，但频率特性、重叠电流特性差。另一方面，使用了含有非晶材料的射出成型磁性材料的磁性元件的频率特性、重叠电流特性优良，但导磁率低。另外，大电流用的磁性元件除了由于铜损所致的发热以外，还无法忽略由于铁损所致的发热。因此，通过将易于发热的部位或者散热困难的部位设为热传导性优良的压缩成型磁性体，用射出成型磁性材料对其他大型或者复杂的形状的磁性体进行成型并结合，从而得到抑制发热且散热性优良的磁性元件。
本发明的磁性元件适合作为在磁性体内部配置有线圈的罐形的磁性元件。一般，罐形的磁性元件具有(1)由于以覆盖线圈的方式设置磁路而能够减小泄漏磁通、(2)由于线圈外径侧磁性体的壁厚比线圈内径侧磁性体的半径薄而能够减小磁性体的形状等优点。但是，罐形的磁性元件存在线圈内径侧在构造上难以将在磁性体以及线圈发生的热向外部空气散热这样的问题。因此，以将线圈内径侧磁性体用压缩成型磁性体来成型，使该压缩成型磁性体在磁性体表面露出的方式，配置磁性体。进而，通过使该压缩成型磁性体抵接到基板或者外壳等冷却面，能够促进散热困难的线圈内径侧的热传导。
可在本发明中使用的压缩成型磁性体能够以例如铁粉、氮化铁粉等纯铁系列软磁性材料、Fe-Si-Al合金(铁硅铝)粉末、超级铁硅铝粉末、Ni-Fe合金(坡莫合金)粉末、Co-Fe合金粉末、Fe-Si-B系列合金粉末等铁基合金系列软磁性材料、铁氧体系列磁性材料、非晶系列磁性材料、微细结晶材料等磁性材料为原料。
作为铁氧体系列磁性材料，可以举出锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、铜锌铁氧体、磁铁矿等具有尖晶石型结晶构造的尖晶石铁氧体、钡铁氧体、锶铁氧体等六方晶系铁氧体、钇铁石榴石等石榴石铁氧体。即使在这些铁氧体系列磁性材料中，也优选导磁率高、且高频率区域中的涡电流损失小的软磁性铁氧体即尖晶石铁氧体。
作为非晶系列磁性材料，可以举出铁合金系列、钴合金系列、镍合金系列、它们的混合合金系列非晶等。
作为在成为原料的软磁性金属粉末材料的粒子表面形成绝缘包覆的氧化物，可以举出Al2O3、Y2O3、MgO、ZrO2等绝缘性金属或者半金属的氧化物、玻璃、它们的混合物。
作为绝缘包覆的形成方法，能够使用机械融合等粉末涂层法、无电解镀、溶胶-凝胶法等湿式薄膜制作法、或者溅射等干式薄膜制作法等。
关于压缩成型磁性体，能够对在粒子表面形成有绝缘包覆的上述原料粉末单体、或者在上述原料粉末中配合环氧树脂等热硬化性树脂而得到的粉末进行加压成型而设为压粉体，对该压粉体进行烧制来制造。
原料粉末的平均粒径优选为1～150μm。更优选为5～100μm。如果平均粒径比1μm小，则加压成型时的压缩性(表示粉末的凝固难易度的尺度)降低，烧制后的材料强度显著降低。如果平均粒径比150μm大，则高频率区域中的铁损变大，磁特性(频率特性)降低。
另外，关于原料粉末的比例，在将原料粉末和热硬化性树脂的合计量设为100质量％时，优选为96～100质量％。如果小于96质量％，则原料粉末的配合比例降低，磁通密度、导磁率降低。
在压缩成型中，能够使用在模具内填充上述原料粉末，以规定的施加压力进行冲压成型的方法。对该压粉体进行烧制来得到烧制体。此外，作为原料使用非晶质合金粉末的情况下，需要使烧制温度为比非晶质合金的结晶化开始温度更低的温度。另外，在使用配合了热硬化性树脂的粉末的情况下，需要使烧制温度为树脂的硬化温度范围。
能够在本发明中使用的射出成型磁性体是通过在上述压缩成型磁性体的原料粉末中配合粘结树脂、并对该混合物进行射出成型而得到的。
从射出成型容易、射出成型后的形状维持容易、复合磁性体的磁特性优良等方面看，磁性粉末优选为非晶金属粉末。
非晶金属粉末能够使用上述铁合金系列、钴合金系列、镍合金系列、它们的混合合金系列非晶等。在这些非晶金属粉末表面形成有上述绝缘包覆。
作为粘结树脂，能够使用可射出成型的热可塑性树脂。作为热可塑性树脂，可以举出聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃、聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚苯硫醚(PPS)、液晶聚合物、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚缩醛、聚醚砜、聚砜、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、聚邻苯二甲酰胺、聚酰胺、它们的混合物。在它们中，更优选为混合到非晶金属粉末时的射出成型时的流动性优良、能够用树脂层覆盖射出成型后的成型体的表面，并且耐热性等优良的聚苯硫醚(PPS)。
关于原料粉末的比例，在将原料粉末和热可塑性树脂的合计量设为100质量％时，优选为80～95质量％。如果小于80质量％，则得不到磁特性，如果超过95质量％，则射出成型性劣化。
在射出成型中，能够使用例如对将可动模以及固定模对接了的模具内射出上述原料粉末进行射出成型的方法。作为射出成型条件，根据热可塑性树脂的种类而不同，但在例如聚苯硫醚(PPS)的情况下，优选树脂温度是290～350℃、模具温度是100～150℃。
通过上述方法分别独立地制作压缩成型磁性体以及射出成型磁性体并相互结合。各个的形状是易于将磁性体分割装配的形状，并且设为适合于压缩成型、射出成型的形状。例如，在制作无中心轴孔的圆筒磁性体的情况下，将成为线圈内径侧的圆柱形状制作成基于压缩成型的压缩成型磁性体，将线圈外径侧制作成基于射出成型的射出成型磁性体。之后，通过对设置于射出成型磁性体的中心部的孔部压入圆柱形状的压缩成型磁性体，而得到圆筒磁性体。另外，通过在模具内配置压缩成型磁性体，对射出成型磁性体进行插入成型，能够制造圆筒磁性体。
另外，相互结合的磁性体中的至少射出成型磁性体优选为在线圈被插入的轴向上被2分割的磁性体。2分割的方法只要是能够插入线圈的2分割即可，优选为在轴向上等分割。通过设为等分割，能够减少模具件数。在使用粘接剂的情况下，优选可相互贴紧的无溶剂型的环氧系列粘接剂。
作为压缩成型磁性体以及射出成型磁性体的优选的材料的组合，优选压缩成型磁性体是非晶、射出成型磁性体是非晶金属粉末以及热可塑性树脂。更优选，非晶金属是Fe-Si-Cr系列非晶，热可塑性树脂是聚苯硫醚(PPS)。
关于本发明的磁性元件，在上述压缩成型磁性体的周围缠绕绕线而形成线圈，具有电感功能。该磁性元件被嵌入到电气、电子仪器电路。
作为绕线，能够使用铜漆包线，作为其种类，能够使用聚氨酯线(UEW)、甲缩醛线(PVF)、聚酯线(PEW)、聚酯亚胺线(EIW)、聚酰胺酰亚胺线(AIW)、聚酰亚胺线(PIW)、组合了它们的双层包覆线、或者自焊线、利兹线等。优选为耐热性优良的聚酰胺酰亚胺线(AIW)、聚酰亚胺线(PIW)等。作为铜漆包线的剖面形状，能够使用圆形线、四方形线。特别，通过使矩形线的剖面形状的短径侧与压缩成型磁性体的周围相接地重叠卷绕，得到提高了绕线密度的线圈。另外，作为线圈的卷绕方法，优选采用螺旋卷绕。
图1～图4示出本发明的磁性元件的一个例子。
图1(a)是罐形磁性元件的平面图，图1(b)是A-A剖面图。罐形磁性元件1在压缩成型磁性体2和射出成型磁性体3的结合体内部内置了线圈4。线圈4的终端省略了图示。压缩成型磁性体2和射出成型磁性体3的结合体通过轴向长度的中间线5成为2分割形状。
压缩成型磁性体2以成为线圈4的内径侧的方式，与射出成型磁性体3结合。另外，压缩成型磁性体2的端面2a在罐形磁性元件1的表面露出。该露出的端面2a抵接到基板等冷却面。由此，能够促进散热困难的线圈内径侧的热传导。
图2(a)是抑制图1所示的磁性元件的发热而进一步提高了散热性的罐形磁性元件的平面图，图2(b)是A-A剖面图。
通过在远离与冷却面抵接的端面2a的压缩成型磁性体2的上端面2a’的周围设置压缩成型磁性体2b，能够使线圈4积极地冷却。
图3(a)是抑制图2所示的磁性元件的发热而进一步提高了散热性的罐形磁性元件的平面图，图3(b)是A-A剖面图。
通过在与冷却面抵接的压缩成型磁性体的端面2a的周围设置压缩成型磁性体2b，增加与冷却面抵接的接触面积，从而能够使线圈4积极地冷却。另外，上下的射出成型磁性体的形状相同，所以减少模具件数而实现成本削减。
图4(a)是在图1所示的磁性元件中，能够调整磁特性的罐形磁性元件的平面图，图4(b)是A-A剖面图。
罐形磁性元件1在压缩成型磁性体2和射出成型磁性体3的结合体内部内置了线圈4。线圈4的终端省略了图示。压缩成型磁性体2和射出成型磁性体3的结合体通过轴向长度的中间线5成为2分割形状，但压缩成型磁性体2的轴向长度被成型为比射出成型磁性体3的轴向长度更短，压缩成型磁性体2的端面2a和射出成型磁性体3的端面3a成为同一平面的端面，所以压缩成型磁性体2在磁性体内部具有空隙部6。通过调节该空隙部6的长度t，能够抑制饱和磁通密度等特性。
图5示出比较例的磁性元件的一个例子。图5是在射出成型磁性体3内配置了线圈4的例子。射出成型磁性体3通过轴向长度的中间线5被2分割，在内置线圈4之后，通过中间线5结合，从而得到罐形磁性元件。
作为一个例子，示出通过利用有限元素法的电磁场解析和热解析的组合解析对磁性元件的发热状况进行解析而得到的结果。关于试验样品，使磁性元件的形状以及线圈的种类、卷绕数相同。使用的磁性元件的圆柱高度是30mm，圆柱直径是45mm。将结果作为在圆周方向上切断了的立体图示出在图6～图8。图6是图1所示的磁性元件的例子，图7是图3所示的磁性元件的例子，图8是作为比较例示出的图5所示的磁性元件的例子，各个图对线圈部分省略了图示。附图下方与冷却部抵接。在图6～图8中，关于各部分的温度，用多个颜色显示，但由于是灰度，所以用数字记入椭圆区域以及周边的温度。
将线圈内径侧设为热传导性优良的压缩成型磁性体、并将其他设为射出成型磁性体的图6以及图7所示的罐形磁性元件相比于仅用射出成型磁性体制作的图8所示的罐形磁性元件，能够大幅降低线圈周边的温度。
本发明的磁性元件能够用作包括两轮车在内的汽车、工业用仪器以及医疗用仪器的电源电路、滤波器电路、开关电路等中使用的磁性元件、例如电感、变压器、天线、扼流线圈、滤波器等。另外，能够用作表面安装用部件。
产业上的可利用性
本发明的磁性元件能够大幅降低铁损，散热性优良，所以能实现今后的电气、电子仪器的高效化。
Claims (4)
1.一种磁性元件，具备线圈、和使由该线圈产生的磁通通过的磁性体，该磁性元件的特征在于，
在所述磁性体中，将由于铁损而发热大的部位或者散热性差的部位设为压缩成型磁性体，将该压缩成型磁性体以外的部位设为射出成型磁性体，并且所述压缩成型磁性体和所述射出成型磁性体被结合。
2.根据权利要求1所述的磁性元件，其特征在于，
所述线圈配置于所述磁性体内部，所述压缩成型磁性体配置于所述线圈内径侧，所述射出成型磁性体配置于所述线圈外径侧，所述压缩成型磁性体在所述磁性体表面露出。
3.根据权利要求1所述的磁性元件，其特征在于，
在所述磁性体中至少射出成型磁性体是使在所述线圈的轴向上被2分割的磁性体相互结合了的结合体。
4.根据权利要求1所述的磁性元件，其特征在于，
所述压缩成型磁性体在磁性体内部具有空隙部。
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