CN107610873A - 一种面向pfc电感的磁导率等于125的复合软磁粉芯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向PFC电感的磁导率等于125的复合软磁粉芯的制备方法，通过选用质量占比20.0％～30.0％的铁硅粉和70.0％～80.0％的破碎铁硅铝粉配置出复合磁粉，采用磷酸和B₂O₃粉末对复合磁粉颗粒进行绝缘包覆处理，制备出了有效磁导率为125的复合软磁粉芯。本发明制备出的复合软磁粉芯在50kHz、100mT条件下的粉芯损耗低于400mW/cm³，100Oe条件下直流偏置性能高于25％。

Description

一种面向PFC电感的磁导率等于125的复合软磁粉芯的制备 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PFC电感的磁导率等于125的复合软磁粉芯的制备方法。

背景技术

软磁材料广泛应用于电力电子工业、计算机技术、电信工程等，在工业生产中占据重要位置。最早应用的一类软磁材料是金属软磁材料。目前，常采用破碎法或者气雾化法制备出金属软磁粉末，然后通过绝缘包覆、压制成型、热处理等工艺，制备出金属软磁粉芯。由于金属软磁粉芯通过绝缘处理后，颗粒之间存在高电阻率的绝缘层，因此能够有效降低粉芯的涡流损耗。此外，压制后的金属软磁粉芯内部存在均匀分布的气隙，所以能够提高粉芯的抗饱和性能。凭借低损耗、高抗饱和特性，金属软磁粉芯被广泛应用于光伏逆变器、有源滤波器、充电桩等电子电力器件中作为PFC电感的磁芯使用。

专利CN106373694A中公开一种Fe基非晶复合软磁粉芯的制备方法。专利中，采用质量百分比95％～97％的快淬法FeSiB非晶粉末和FeSi_3.5粉末中的至少一种，以及质量百分比3％～5％的羰基铁粉和水雾化FeNi50中的至少一种粉末组成软磁复合粉末的原料，采用酸钝化工艺将不同类型的粉末分别进行绝缘钝化处理，然后按照设定质量比例混粉，最后通过压制成型、热处理，制备出复合软磁粉芯。通过这种方法制备出的复合软磁粉芯在100Oe条件下的直流偏置特性约为53％，50kHz、100mT条件下的粉芯损耗约为800mW/cm³。专利CN106409461A中，采用FeSi_6.5、破碎铁硅铝和Mn-Zn铁氧体粉末调配出复合软磁粉末。其中，要求FeSi_6.5粉末的粒度为-150目、破碎铁硅铝的粒度为-200/325目，Mn-Zn铁氧体粉末的粒度低于5μm。通过对上述粉末分别进行酸钝化处理后，压制出复合软磁粉芯毛坯件，然后在氮气和氢气氛围中、600℃～800℃条件下经过60分钟～120分钟退火得到复合软磁粉芯。通过这种方法可以制备出磁导率为60的复合软磁粉芯，在100Oe的条件下直流偏置性能能够达到70％。专利CN106229104A中也公布了一种复合软磁粉芯的制备方法。该专利中选用的粉末材质包括纯Fe、FeSi、FeSiAl、FeNi50、FeNiMo和FeCo。粉末种类偏多，并且制备过程中，需要针对不同材质的粉末，选定不同的粒度，过程控制复杂。

综上所述，现有制备复合软磁粉芯的方法需要选用的粉末种类较多，并且需要对粉末分别进行绝缘钝化处理，控制过程中繁杂。针对不同材质的复合软磁粉芯，甚至还需要在氢气氛围中进行热处理，增加了制备过程的风险。因此，很有必要提供一种操作简便的复合软磁粉芯制备方法，并且能够具有低损耗特点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PFC电感的磁导率等于125的复合软磁粉芯的制备方法，可以成功地制备出有效磁导率为125的复合软磁粉芯，且制备出的复合软磁粉芯，在50kHz、100mT条件下的粉芯损耗低于350mW/cm³，100Oe条件下直流偏置性能高于25％。

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PFC电感的磁导率等于125的复合软磁粉芯的制备方法，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粘结剂和脱模剂，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720℃～820℃进行保温90分钟～110分钟，得到所需磁导率的复合软磁粉芯。

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2.5‰～4.5‰的磷酸、2.0‰～4.0‰的B₂O₃粉末以及10.0％的乙醇，加热至90℃，搅拌20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(2)中采用100目的筛网进行过筛。

进一步地，所述步骤(3)具体为：向步骤(2)中筛过的绝缘粉末中加入占绝缘粉末质量0.1％的粘结剂、0.2％的脱模剂，混合均匀后，得到待成型的磁粉。

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2000MPa～2800MPa。

进一步地，所述步骤(5)中的保护性气体为氮气或氢气。

本发明的有益效果：

本发明按照铁硅粉的质量百分占比20.0％～30.0％、铁硅铝粉的质量百分占比70.0％～80.0％的比例配备出所需金属磁粉，通过磷酸钝化工艺和B₂O₃粉末进行二次绝缘包覆处理，制备出磁导率为125的复合软磁粉芯。相对于现有技术，本发明公开的制备方法无需对原粉进行复杂处理，控制过程简单；在粉末绝缘工艺过程中，实现铁硅和铁硅铝混合粉末的同时绝缘，简化了操作步骤；此外，本发明中采用了具有低熔点特性的B₂O₃绝缘剂，能够有效减少粉芯内部气隙，提高密度，从而有助于实现高磁导率。

本发明的方法可以成功地制备出有效磁导率为125的复合软磁粉芯，且制备出的复合软磁粉芯，在频率50kHz、最大磁通密度100mT条件下的粉芯损耗低于350mW/cm³，100Oe直流磁场条件下直流偏置性能高于25％。

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。

为了克服现有技术中，需要选用的粉末种类较多，并且需要对粉末分别进行绝缘钝化处理，控制过程中繁杂。针对不同材质的复合软磁粉芯，甚至还需要在氢气氛围中进行热处理，增加了制备过程的风险。因此，本发明实施例中，提供了一种操作简便的复合软磁粉芯制备方法，通过选用质量占比20.0％～30.0％的铁硅粉和70.0％～80.0％的破碎铁硅铝粉配置出复合磁粉，采用磷酸和B₂O₃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125的复合软磁粉芯。本发明制备出的复合软磁粉芯在频率50kHz、最大磁通密度100mT条件下的粉芯损耗低于400mW/cm³，100Oe直流磁场条件下直流偏置性能高于25％。

实施例1

按照铁硅粉的质量百分占比20.0％，铁硅铝粉的质量百分占比80.0％调配出1000g的金属磁粉(即复合原粉)；然后，加入4.5g的磷酸、100.0g的乙醇以及4.0g的B₂O₃粉末。随后，将粉料加热至90℃，并保温搅拌40分钟。之后，将获得的干燥的复合绝缘粉末用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1.0g的粘结剂和2.0g的脱模剂，并混合均匀；采用压制压强约为2000MPa的压机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720℃保温90分钟得到复合金属软磁粉芯。

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＝101.2μH；

(2)100kHz/1V条件下，品质因数Q＝85.43；

(3)100kHz条件下直流叠加性能：直流磁场H＝100Oe时，直流偏置特性L_H/L₀＝25.18％；直流磁场H＝200Oe时，L_H/L₀＝9.74％；

(4)50kHz/100mT条件下，复合软磁粉芯体积损耗：Pv＝300.87mW/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。如图1所示，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。在H＝100Oe时，直流偏置特性L_H/L₀为25.18％，具有优良的直流偏置性能。

实施例2：

按照铁硅粉的质量百分占比24.0％，铁硅铝粉的质量百分占比76.0％调配出1000g的金属磁粉(即复合原粉)；然后，加入3.1g的磷酸、100.0g的乙醇以及3.0g的B₂O₃粉末。随后，将粉料加热至90℃，并保温搅拌30分钟；之后，将干燥的复合绝缘粉末用100目的筛网进行过筛；向过筛后的粉末中加入1.0g的粘结剂和2.0g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。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760℃保温100分钟得到复合金属软磁粉芯。

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＝99.12μH；

(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，L_H/L₀＝26.12％；H＝200Oe时，L_H/L₀＝10.50％；

(4)50kHz/100mT条件下，复合软磁粉芯体积损耗：Pv＝325.52mW/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。如图2所示，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。在H＝100Oe时，直流偏置特性L_H/L₀为26.12％，具有优良的直流偏置性能。

实施例3：

按照铁硅粉的质量百分占比30.0％，铁硅铝粉的质量百分占比70.0％调配出1000g的金属磁粉(即复合原粉)；然后，加入2.5g的磷酸、100.0g的乙醇以及2.0g的B₂O₃粉末；随后，将粉料加热至90℃，并保温搅拌20分钟。之后，将干燥的复合绝缘粉末用100目的筛网进行过筛；向过筛后的粉末中加入1.0g的粘结剂和2.0g的脱模剂，并混合均匀。采用压制压强约为2000MPa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820℃保温110分钟得到复合金属软磁粉芯。

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＝97.34μH；

(2)100kHz/1V条件下，品质因数Q＝78.55；

(3)100kHz条件下直流叠加性能：H＝100Oe时，L_H/L₀＝27.62％；H＝200Oe时，L_H/L₀＝11.94％；

(4)50kHz/100mT条件下，复合软磁粉芯体积损耗：Pv＝340.52mW/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。如图3所示，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。在H＝100Oe时，直流偏置特性L_H/L₀为27.62％，具有优良的直流偏置性能。

综上所述：

本发明按照铁硅粉的质量百分占比20.0％～30.0％、铁硅铝粉的质量百分占比70.0％～80.0％的比例配备出所需磁粉，通过磷酸钝化工艺和B₂O₃粉末进行二次绝缘包覆处理，制备出磁导率为125的复合软磁粉芯。相对于现有技术，本发明公开的制备方法无需对原粉进行复杂处理，控制过程简单；在粉末绝缘工艺过程中，实现铁硅和铁硅铝混合粉末的同时绝缘，简化了操作步骤；此外，本发明中采用了具有低熔点特性的B₂O₃绝缘剂，能够有效减少粉芯内部气隙，提高密度，从而有助于实现高磁导率。

本发明的方法可以成功地制备出有效磁导率为125的复合软磁粉芯，且制备出的复合软磁粉芯，在50kHz、100mT条件下的粉芯损耗低于350mW/cm³，100Oe条件下直流偏置性能高于25％。

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PFC电感的磁导率等于125的复合软磁粉芯的制备方法，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)向制得的金属磁粉中加入占金属磁粉质量2.5‰～4.5‰的磷酸、2.0‰～4.0‰的B₂O₃粉末以及10.0％的乙醇，加热至90℃，搅拌20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)向步骤(2)中筛过的绝缘粉末中加入粘结剂和脱模剂，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720℃～820℃进行保温90分钟～110分钟，得到所需磁导率的复合软磁粉芯。

2.根据权利要求1所述的一种面向PFC电感的磁导率等于125的复合软磁粉芯的制备方法，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2.5‰～4.5‰的磷酸、2.0‰～4.0‰的B₂O₃粉末以及10.0％的乙醇，加热至90℃，搅拌20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PFC电感的磁导率等于125的复合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3所述的一种面向PFC电感的磁导率等于125的复合软磁粉芯的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中采用100目的筛网进行过筛。

5.根据权利要求1所述的一种面向PFC电感的磁导率等于125的复合软磁粉芯的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)具体为：向步骤(2)中筛过的绝缘粉末中加入占绝缘粉末质量0.1％的粘结剂、0.2％的脱模剂，混合均匀后，得到待成型的磁粉。

6.根据权利要求1所述的一种面向PFC电感的磁导率等于125的复合软磁粉芯的制备方法，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。

7.根据权利要求6所述的一种面向PFC电感的磁导率等于125的复合软磁粉芯的制备方法，其特征在于：采用的压机压制压强为2000MPa～2800MPa。

8.根据权利要求1所述的一种面向PFC电感的磁导率等于125的复合软磁粉芯的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中的保护性气体为氮气或氢气。