CN107610871A - 一种面向大功率电抗器的低损耗铁硅金属软磁粉芯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向大功率电抗器的低损耗铁硅金属软磁粉芯的制备方法，通过对铁硅原粉进行粒度配比处理，采用磷酸和SiO₂粉末对铁硅粉末颗粒进行绝缘包覆处理，制备出了有效磁导率为60的铁硅软磁粉芯。本发明能够有效降低铁硅粉芯的损耗，粉芯制备流程简单、容易操作；制备出的铁硅软磁粉芯具有优良的直流偏置性能和频率稳定特性，在50kHz、100mT条件下的粉芯损耗低于600mW/cm³。

Description

一种面向大功率电抗器的低损耗铁硅金属软磁粉芯的制备 方法

技术领域

本发明具体涉及一种面向大功率电抗器的低损耗铁硅金属软磁粉芯的制备方法。

背景技术

进入21世纪以来，随着电子技术的发展，设备小型化、轻型化导致电子器件必须小型化和高功率密度化，因此必须使用具有高磁通密度、高直流偏置性能以及高频低损耗的磁粉芯材料。金属软磁粉芯通过将金属或合金软磁材料制成的粉末与非磁性绝缘添加物混合压制，能够提升金属软磁粉芯电阻率，降低涡流损耗，提升直流偏置性能，所以适用于较高频率和大功率场合。同时，由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率变化的稳定性好。

金属软磁粉芯主要包括铁粉芯、铁镍(坡莫)合金粉芯、铁硅合金粉芯、铁硅铝合金粉芯以及非晶纳米晶合金粉芯等。其中，由于铁硅合金粉芯具有优良的直流偏置性能和较高的性价比，从而引起人们的广泛关注和研究，目前已成为大功率电抗器更新换代的首选磁芯。

目前，常见的铁硅软磁粉芯绝缘包覆工艺主要是通过磷酸或者铬酸对铁硅软磁粉末颗粒进行腐蚀处理，在颗粒表面生成绝缘层，达到磁粉颗粒间绝缘效果，从而降低铁硅软磁粉芯的铁损。

专利CN201110130713.6公开了一种铁硅软磁粉芯的制备方法，即采用磷酸对铁硅粉颗粒表面进行钝化处理，随后采用质量分数为0.5％～1.0％的酚醛树脂对绝缘粉末进行二次处理，制备出磁导率为75的铁硅软磁粉芯。该专利在传统磷酸钝化工艺的基础上，通过酚醛树脂的二次绝缘处理来降低铁硅软磁粉芯中颗粒之间存在的涡流损耗。但是，这种工艺方法由于引入了有机的酚醛树脂，从而在降低涡流损耗的同时又会增加粉芯的磁滞损耗，使得降低粉芯损耗的效果不明显。专利CN103824670A中，在铁硅的基础上通过添加微量元素Ni或Co，采用气雾化制粉法获得掺杂铁硅原粉。采用高锰酸钾为钝化剂，酚醛树脂和环氧树脂为粘结剂，制备出铁硅生坯。铁硅生坯需要在200℃～400℃条件保温1小时～5小时，在600℃～800℃保温0.5小时～1小时，获得铁硅环形粉芯成品。该专利公开的降低铁硅粉芯损耗的方法需要对原粉进行微量元素的掺杂，并且生坯需要在不同的温度区间进行保温处理，制备方法比较复杂，步骤较多，制备条件控制困难。除了对绝缘工艺的研究以外，专利CN201410689574.4中公开了一种采用温压工艺来压制铁硅软磁粉芯。但是温压工艺需要对压机模具进行预热、保温，因此会对压机设备提出更高的要求。

综上所述，提供一种操作简单、能够有效降低铁硅软磁粉芯损耗的制备方法是一个亟待解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种面向大功率电抗器的低损耗铁硅金属软磁粉芯的制备方法，采用粉芯常规工序，操作简单，生产成本低，且采用本发明制备方法可以制备出有效磁导率为60的低损耗铁硅软磁粉芯，并且具有优良的直流偏置性能和频率稳定特性，在50kHz、100mT条件下的粉芯损耗低于600mW/cm³。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种面向大功率电抗器的低损耗铁硅金属软磁粉芯的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照-200目～+325目粒度粉的质量占比50％、-325目～+400目度粉的质量占比40％、-400目粒度粉的质量占比10％调配出1000g铁硅原粉；

(2)对金属磁粉进行绝缘处理，并将获得的干燥的绝缘粉末进行过筛；

(3)向步骤(2)中筛过的绝缘粉末中加入占粉末质量0.25％的粘结剂、0.3％的脱模剂，混合均匀后，得到待成型的磁粉；

(4)将待成型磁粉压制成粉芯毛坯件；

(5)在充有保护性气体的环境中，将粉芯在650℃～780℃进行保温60分钟～100分钟，得到半成品磁粉芯；

(6)在半成品磁粉表面进行绝缘喷涂，获得所需的铁硅金属软磁粉芯。

进一步地，所述步骤(2)具体为：向金属磁粉中加入占金属磁粉质量0.5％～1.5％的磷酸、10.0％的H₂O以及2％～5％的MgO粉末，搅拌均匀，形成混合的磁粉浆料；将磁粉浆料在常温下搅拌20分钟后，加热至100℃～110℃，并继续搅拌10分钟～30分钟；保温结束后，将获得的干燥的绝缘粉末进行过筛。

进一步地，所述步骤(2)中采用60-120目的筛网进行过筛。

进一步地，所述步骤(3)中具体为：采用压机将待成型磁粉压制成粉芯毛坯件。

进一步地，所述采用的压机压制压强为1500MPa～2200MPa。

进一步地，所述保护性气体为氮气或氢气。

进一步地，所述步骤(6)具体为：在半成品磁粉表面喷涂一层绝缘层，获得金属软磁粉芯成品。

进一步地，所述绝缘层为环氧树脂涂层。

本发明的有益效果：

本发明对铁硅原粉进行了粒度配比处理，提高细粉比例，可以有效减小磁粉内部涡流，降低铁硅粉芯的涡流损耗，提高铁硅粉芯的频率稳定性；另外，本发明采用磷酸作为铁硅粉末的钝化剂，并用高电阻率MgO粉末对粉末颗粒做进一步的绝缘包覆处理，能够进一步降低铁硅粉芯的涡流损耗。相较于采用磷酸腐蚀生成的磷酸盐等绝缘层以及有机绝缘包覆绝缘层，MgO具有更好的温度稳定特性，因此还能够有效提高铁硅粉芯的温度稳定特性。此外，本发明的制备方法采用粉芯常规工序，操作简单，生产成本低。

本发明公开的制备方法可以成功地制备出有效磁导率为60的低损耗铁硅软磁粉芯，并且具有优良的直流偏置性能和频率稳定特性，在50kHz、100mT条件下的粉芯损耗低于600mW/cm³。

附图说明

图1为本发明实施例1中铁硅软磁粉芯在20Hz～2MHz条件下的有效磁导率变化图；

图2为本发明实施例2中铁硅软磁粉芯在20Hz～2MHz条件下的有效磁导率变化图；

图3为本发明实施例3中铁硅软磁粉芯在20Hz～2MHz条件下的有效磁导率变化图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

实施例1：

按照-200目～+325目粒度粉的质量占比50％、-325目～+400目度粉的质量占比40％、-400目粒度粉的质量占比10％调配出1000g铁硅原粉。然后，加入5.0g的磷酸、100.0g的H₂O以及50.0g的MgO粉末，在常温下搅拌20分钟后，形成均匀的混合浆料。随后，将混合浆料加热至110℃，并保温搅拌30分钟。之后，将干燥的铁硅绝缘粉末用100目的筛网进行过筛。向过筛后的粉末中加入2.5g的粘结剂和3.0g的脱模剂，并混合均匀。采用压制压强约为2200MPa将混合均匀的粉末压制成粉芯毛坯件。其中，粉芯毛坯件为外径26.92mm×内径14.73mm×高度11.18mm的环形粉芯。采用氮气作为保护性气体，将粉芯在780℃保温80分钟得到半成品磁粉芯。最后，在半成品磁粉表面喷涂一层绝缘、耐高温的环氧树脂涂层，获得金属软磁粉芯成品。

在铁硅金属软磁粉芯上采用线径Φ0.80mm、线长0.90m的漆包线绕制25匝电感线圈，测量得到的粉芯磁电性能如下：

(1)100kHz/1V条件下，电感L＝48.00μH；

(2)100kHz/1V条件下，品质因数Q＝65.43；

(3)100kHz条件下直流叠加性能：H＝100Oe时，直流偏置L_H/L₀＝73.50％；H＝200Oe时，L_H/L₀＝36.56％；

(4)50kHz/100mT条件下，铁硅软磁粉芯体积损耗：Pv＝550.87mW/cm³。

图1为实施例1中铁硅软磁粉芯在20Hz～2MHz条件下的有效磁导率变化图。如图1所示，随着测试频率的增加，铁硅软磁粉芯的有效磁导率μ_e一直维持在59左右(在磁导率牌号60μ产品的60±8％的性能范围内)，没有出现随频率升高，有效磁导率下降的趋势，具有优良的频率稳定特性。

实施例2：

按照-200目～+325目粒度粉的质量占比45％、-325目～+400目度粉的质量占比36％、-400目粒度粉的质量占比19％调配出1000g铁硅原粉。然后，加入8.0g的磷酸、100.0g的H₂O以及30.0g的MgO粉末，在常温下搅拌20分钟后，形成均匀的混合浆料。随后，将混合浆料加热至100℃，并保温搅拌15分钟。之后，将干燥的铁硅绝缘粉末用100目的筛网进行过筛。向过筛后的粉末中加入2.5g的粘结剂和3.0g的脱模剂，并混合均匀。采用压制压强约为1900MPa将混合均匀的粉末压制成粉芯毛坯件。其中，粉芯毛坯件为外径26.92mm×内径14.73mm×高度11.18mm的环形粉芯。采用氮气作为保护性气体，将粉芯在700℃保温100分钟得到半成品磁粉芯。最后，在半成品磁粉表面喷涂一层绝缘、耐高温的环氧树脂涂层，获得金属软磁粉芯成品。

在铁硅金属软磁粉芯上采用线径Φ0.80mm、线长0.90m的漆包线绕制25匝电感线圈，测量得到的粉芯磁电性能如下：

(1)100kHz/1V条件下，电感L＝47.52μH；

(2)100kHz/1V条件下，品质因数Q＝70.59；

(3)100kHz条件下直流叠加性能：H＝100Oe时，L_H/L₀＝74.57％；H＝200Oe时，L_H/L₀＝36.75％；

(4)50kHz/100mT条件下，铁硅软磁粉芯体积损耗：Pv＝560.85mW/cm³。

图2为实施例2中铁硅软磁粉芯在20Hz～2MHz条件下的有效磁导率变化图。如图2所示，随着测试频率的增加，铁硅软磁粉芯的有效磁导率μ_e一直维持在58左右(在磁导率牌号60μ产品的60±8％的性能范围内)，没有出现随频率升高，有效磁导率下降的趋势，具有优良的频率稳定特性。

实施例3：

按照-200目～+325目粒度粉的质量占比40％、-325目～+400目度粉的质量占比30％、-400目粒度粉的质量占比30％调配出1000g铁硅原粉。然后，加入15.0g的磷酸、100.0g的H₂O以及20.0g的MgO粉末，在常温下搅拌20分钟后，形成均匀的混合浆料。随后，将混合浆料加热至90℃，并保温搅拌10分钟。之后，将干燥的铁硅绝缘粉末用100目的筛网进行过筛。向过筛后的粉末中加入2.5g的粘结剂和3.0g的脱模剂，并混合均匀。采用压制压强约为1500MPa将混合均匀的粉末压制成粉芯毛坯件。其中，粉芯毛坯件为外径26.92mm×内径14.73mm×高度11.18mm的环形粉芯。采用氮气作为保护性气体，将粉芯在650℃保温60分钟得到半成品磁粉芯。最后，在半成品磁粉表面喷涂一层绝缘、耐高温的环氧树脂涂层，获得金属软磁粉芯成品。

在铁硅金属软磁粉芯上采用线径Φ0.80mm、线长0.90m的漆包线绕制25匝电感线圈，测量得到的粉芯磁电性能如下：

(1)100kHz/1V条件下，电感L＝46.14μH；

(2)100kHz/1V条件下，品质因数Q＝78.24；

(3)100kHz条件下直流叠加性能：H＝100Oe时，L_H/L₀＝75.32％；H＝200Oe时，L_H/L₀＝37.24％；

(4)50kHz/100mT条件下，铁硅软磁粉芯体积损耗：Pv＝583.25mW/cm³。

图3为实施例3中铁硅软磁粉芯在20Hz～2MHz条件下的有效磁导率变化图。如图3所示，随着测试频率的增加，铁硅软磁粉芯的有效磁导率μ_e一直维持在56左右(在磁导率牌号60μ产品的60±8％的性能范围内)，没有出现随频率升高，有效磁导率下降的趋势，具有优良的频率稳定特性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种面向大功率电抗器的低损耗铁硅金属软磁粉芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按照-200目～+325目粒度粉的质量占比50％、-325目～+400目度粉的质量占比40％、-400目粒度粉的质量占比10％调配出1000g铁硅原粉；

(2)对金属磁粉进行绝缘处理，并将获得的干燥的绝缘粉末进行过筛；

(3)向步骤(2)中筛过的绝缘粉末中加入占粉末质量0.25％的粘结剂、0.3％的脱模剂，混合均匀后，得到待成型的磁粉；

(4)将待成型磁粉压制成粉芯毛坯件；

(5)在充有保护性气体的环境中，将粉芯在650℃～780℃进行保温60分钟～100分钟，得到半成品磁粉芯；

(6)在半成品磁粉表面进行绝缘喷涂，获得所需的铁硅金属软磁粉芯。

2.根据权利要求1所述的一种面向大功率电抗器的低损耗铁硅金属软磁粉芯的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)具体为：向金属磁粉中加入占金属磁粉质量0.5％～1.5％的磷酸、10.0％的H₂O以及2％～5％的MgO粉末，搅拌均匀，形成混合的磁粉浆料；将磁粉浆料在常温下搅拌20分钟后，加热至100℃～110℃，并继续搅拌10分钟～30分钟；保温结束后，将获得的干燥的绝缘粉末进行过筛。

3.根据权利要求2所述的一种面向大功率电抗器的低损耗铁硅金属软磁粉芯的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中采用60-120目的筛网进行过筛。

4.根据权利要求1所述的一种面向大功率电抗器的低损耗铁硅金属软磁粉芯的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中具体为：采用压机将待成型磁粉压制成粉芯毛坯件。

5.根据权利要求1所述的一种面向大功率电抗器的低损耗铁硅金属软磁粉芯的制备方法，其特征在于：所述采用的压机压制压强为1500MPa～2200MPa。

6.根据权利要求1所述的一种面向大功率电抗器磁导率等于60的复合粉芯制备方法，其特征在于：所述保护性气体为氮气或氢气。

7.根据权利要求1所述的一种面向大功率电抗器磁导率等于60的复合粉芯制备方法，其特征在于：所述步骤(6)具体为：在半成品磁粉表面喷涂一层绝缘层，获得金属软磁粉芯成品。

8.根据权利要求7所述的一种面向大功率电抗器磁导率等于60的复合粉芯制备方法，其特征在于：所述绝缘层为环氧树脂涂层。