CN107610872A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开了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，通过选用质量占比40.0％～50.0％的铁硅粉和50.0％～60.0％的破碎铁硅铝粉配置出复合磁粉，采用磷酸和CaO粉末对磁粉颗粒进行绝缘包覆处理，制备出了有效磁导率为60的复合软磁粉芯。本发明制备出的复合软磁粉芯具有优良的直流偏置性能，在频率50kHz、100mT条件下的粉芯损耗低于500mW/cm³。

Description

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

技术领域

本发明属于软磁材料制备技术领域，具体涉及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。

背景技术

软磁材料是电力电子工业中广泛应用的一类材料，主要起能量转换、信息变换和传递等作用。金属软磁材料是磁性材料中用途最广、用量最大的一类材料，主要有电工纯铁、铁镍(坡莫)合金、铁硅合金、铁铝合金、铁硅铝合金以及铁钴合金等。

通常，铁硅合金中硅的质量分数介于0.5wt％～6.5wt％，硅含量的增加将会使铁硅合金的电阻率得到提高、损耗下降和加工性能变差。采用铁硅合金粉制备出的软磁粉芯具有优良的直流偏置性能，并且性价比也较高。铁硅铝合金又称为仙台斯特合金(Sendust合金)，它的元素含量为9.6wt％Si、5.4wt％Al，其余全部是Fe元素。由于铁硅铝磁晶各向异性常数和磁致伸缩系数均接近于0，因此铁硅铝软磁材料的磁导率较高、矫顽力也非常低，仅为1.6A/m。该合金还具有高的硬度和高的耐磨性，因此广泛用于制作视频和音频磁头的磁芯。与铁硅软磁粉芯相比较，铁硅铝软磁粉芯的损耗水平明显优于铁硅粉芯，但是直流偏置性能要远低于铁硅粉芯。如果开发出能够结合铁硅铝低损耗和铁硅的优良直流偏置性能的软磁粉芯，将可以用在大功率电抗器中，同时实现耐受大电流、低温升、高效率等优点，因此市场前景非常广阔。

专利CN104505209A公开一种金属软磁复合粉芯的制备方法，即将铁硅铝和铁硅粉末经过前期的退火处理后，按照铁硅与铁硅铝质量比2.0～0.9:1进行配粉，然后采用传统的磷酸钝化工艺对两种粉末分别进行绝缘处理，然后通过混粉、压制，制备出复合粉芯。该专利公布的制备方法工艺复杂，并且需要对铁硅铝和铁硅原粉进行前期的热处理工序。专利CN106229104A中选用的粉末材质为纯Fe、FeSi、FeSiAl、FeNi50、FeNiMo和FeCo，复合粉芯的原粉由金属软磁粉末、非晶纳米晶粉末以及铁氧体粉末中的至少两种粉末类型构成。此外，针对不同材质的粉末，还需要选定不同的粒度。经过粉末的选型和配比之后，采用酸钝化工艺，制备出了不同性能的复合磁粉芯。其中，采用FeNi50:FeSi:FeSiAl(气雾化):Fe基纳米晶:MnZn铁氧体为55:25:5:15:1比例制备出的复合粉芯性能最优，磁导率μ为60复合粉芯的直流偏置性能(100Oe)高达82％，并且在50kHz、100mT条件下的损耗仅为350mW/cm³。但是该制备方法中采用了价格昂贵的FeNi50合金粉，并且所占质量比例为55％，所以该复合粉芯的性价比不高。在实际生产中，采用多种原料粉进行粉料配比，过程控制也比较复杂。

综上所述，很有必要研究一种操作简单的复合粉芯的制备方法，并且能够同时具有低损耗和优良的直流偏置性能。

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磁导率等于60的复合粉芯制备方法，可以制备出有效磁导率为60的复合软磁粉芯，制备出的复合粉芯，在50kHz、100mT条件下的粉芯损耗低于500mW/cm³，具有良好的直流偏置性能。

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磁导率等于60的复合粉芯制备方法，包括以下步骤：

(1)选用质量占比20.0％～30.0％的铁硅粉和70.0％～80.0％的破碎铁硅铝粉配置出金属磁粉；

(2)对制得的金属磁粉进行绝缘处理，并将获得的干燥的绝缘粉末用筛网进行过筛；

(3)向步骤(2)中筛过的绝缘粉末中加入占绝缘粉末质量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，将粉芯毛坯件在700℃～800℃进行保温80分钟～110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，获得所需的磁导率等于60的复合粉芯。

进一步地，所述步骤(2)具体为：向制得的金属磁粉中加入占金属磁粉质量6.5‰～8.5‰的磷酸、4.0％～8.0％的CaO粉末以及12.0％的H₂O，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℃～150℃，并继续搅拌15分钟～40分钟；保温结束后，将获得的干燥的绝缘粉末用筛网进行过筛。

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(4)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，采用的压机压制压强为1700MPa～2500MPa。

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：

本发明按照铁硅粉的质量百分占比40.0％～50.0％、铁硅铝粉的质量百分占比50.0％～60.0％的比例配备出所需金属磁粉，粉芯成分组成简单；而采用传统磷酸钝化工艺进行基础绝缘，然后用CaO粉末对复合粉末颗粒做二次绝缘包覆处理，从而制备出性能优良的复合粉芯。相对于现有技术，本发明的制备方法控制过程简单，无需对原粉进行复杂处理；并且粉末绝缘工艺过程中，无需对铁硅和铁硅铝粉末分步绝缘，简化了操作步骤。相对于现有的酸钝化工艺，本发明中采用了具有良好温度稳定特性CaO绝缘剂，能够有效提高复合粉芯的温度稳定特性。

本发明的复合粉芯制备方法可以成功地制备出有效磁导率为60的复合软磁粉芯，制备出的复合粉芯，在频率50kHz、最大磁通密度100mT条件下的粉芯损耗低于500mW/cm³，具有良好的直流偏置性能。

附图说明

图1为本发明实施例1中复合软磁粉芯在0Oe～200Oe条件下的直流偏置性能变化图；

图2为本发明实施例2中复合软磁粉芯在0Oe～200Oe条件下的直流偏置性能变化图；

图3为本发明实施例3中复合软磁粉芯在0Oe～200Oe条件下的直流偏置性能变化图。

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：

按照铁硅粉的质量百分占比50.0％、铁硅铝粉的质量百分占比50.0％调配出1000g复合原粉。然后，加入6.5g的磷酸、120.0g的H₂O以及80.0g的CaO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，实现绝缘包覆。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2500MPa将混合均匀的粉末压制成粉芯毛坯件，实现压制成型。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800℃保温110分钟得到半成品磁粉芯(该过程为热处理过程)。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。

在复合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＝47.12μH；

(2)100kHz/1V条件下，品质因数Q＝75.43；

(3)100kHz条件下直流叠加性能：直流磁场H＝100Oe时，L_H/L₀＝74.50％；直流磁场H＝200Oe时，L_H/L₀＝38.56％；

(4)50kHz/100mT条件下，复合软磁粉芯体积损耗：Pv＝450.87mW/cm³。

图1为实施例1中复合软磁粉芯在0Oe～200Oe条件下的直流偏置性能变化图，由图1可见，随着偏置直流场的增强，复合软磁粉芯的直流偏置特性呈下降趋势，当H＝100Oe时，直流偏置特性L_H/L₀高达74.50％，具有优良的直流偏置性能，可用于大功率电抗器。

实施例2：

按照铁硅粉的质量百分占比40.0％，铁硅铝粉的质量百分占比60.0％调配出1000g复合原粉。然后，加入8.3g的磷酸、120.0g的H₂O以及42.0g的CaO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120℃，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1700MPa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745℃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。

在复合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＝48.12μH；

(2)100kHz/1V条件下，品质因数Q＝81.05；

(3)100kHz条件下直流叠加性能：H＝100Oe时，直流偏置L_H/L₀＝73.12％；H＝200Oe时，L_H/L₀＝36.52％；

(4)50kHz/100mT条件下，复合软磁粉芯体积损耗：Pv＝400.52mW/cm³。

图2为实施例2中复合软磁粉芯在0Oe～200Oe条件下的直流偏置性能变化图。由图2可见，随着偏置直流场的增强，复合软磁粉芯的直流偏置特性呈下降趋势。当H＝100Oe时，直流偏置特性L_H/L₀高达73.12％，具有优良的直流偏置性能，可用于大功率电抗器。

实施例3：

按照铁硅粉的质量百分占比46.0％，铁硅铝粉的质量百分占比54.0％调配出1000g复合原粉。然后，加入7.2g的磷酸、120.0g的H₂O以及65.0g的CaO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130℃，并保温搅拌40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2100MPa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720℃保温90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。

在复合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＝47.82μH；

(2)100kHz/1V条件下，品质因数Q＝78.05；

(3)100kHz条件下直流叠加性能：H＝100Oe时，L_H/L₀＝73.92％；H＝200Oe时，L_H/L₀＝37.32％；(4)50kHz/100mT条件下，复合软磁粉芯体积损耗：Pv＝430.52mW/cm³。

图3为实施例3中复合软磁粉芯在0Oe～200Oe条件下的直流偏置性能变化图。由图3可见，随着偏置直流场的增强，复合软磁粉芯的直流偏置特性呈下降趋势。当H＝100Oe时，直流偏置特性L_H/L₀高达73.92％，具有优良的直流偏置性能，可用于大功率电抗器。

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磁导率等于60的复合粉芯制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选用质量占比20.0％～30.0％的铁硅粉和70.0％～80.0％的破碎铁硅铝粉配置出金属磁粉；

(2)对制得的金属磁粉进行绝缘处理，并将获得的干燥的绝缘粉末用筛网进行过筛；

(3)向步骤(2)中筛过的绝缘粉末中加入占绝缘粉末质量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，将粉芯毛坯件在700℃～800℃进行保温80分钟～110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，获得所需的磁导率等于60的复合粉芯。

2.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(2)具体为：向制得的金属磁粉中加入占金属磁粉质量6.5‰～8.5‰的磷酸、4.0％～8.0％的CaO粉末以及12.0％的H₂O，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℃～150℃，并继续搅拌15分钟～40分钟；保温结束后，将获得的干燥的绝缘粉末用筛网进行过筛。

3.根据权利要求2所述的一种面向大功率电抗器磁导率等于60的复合粉芯制备方法，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磁导率等于60的复合粉芯制备方法，其特征在于：所述步骤(4)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4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：采用的压机压制压强为1700MPa～2500MPa。

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。