CN108010656A - 一种高电感磁芯 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁芯技术领域，具体涉及一种高电感磁芯，包括磁芯本体和包覆磁芯本体的绝缘层，所述磁芯本体包括依次层叠的第一环形磁芯、粘结层和第二环形磁芯，所述第一环形磁芯和第二环形磁芯的内径均为14‑15mm、外径均为26.5‑27.5mm、厚度为8‑9mm。本发明通过合理的设计、科学的布局，在有限的空间内提升了磁芯的电感，降低了磁粉的消耗，降低了生产成本，并且绕线后的成品在DC5A、25℃的条件下电感达到了500μH(min)，具有较小的尺寸和较高的电感，具有巨大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及磁芯技术领域，具体涉及一种高电感磁芯。
背景技术
磁芯是指由各种氧化铁混合物组成的一种烧结磁性金属氧化物。例如，锰-锌铁氧体和镍-锌铁氧体是典型的磁芯体材料。铁氧体磁芯用于各种电子设备的线圈和变压器中，其是一种高频导磁材料，主要做高频变压器(像开关电源，行输出变压器等)，高频磁环(抗干扰用)等等。锰-锌铁氧体具有高磁导率和高磁通密度的特点，且在低于1MHz的频率时，具有较低损耗的特性。镍-锌铁氧体具有极高的阻抗率、不到几百的低磁导率等特性，及在高于1MHz的频率亦产生较低损耗等。
现有的磁环尺寸基本都有限定的规格，虽然该些限定的规格基本能够满足各种情况的需求，但是对于一些特殊的尺寸和电气性能要求并不一定能够覆盖，因此现有规格磁环设计不够合理，布局不够科学，磁粉用量较高，电感较低。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种为设计合理、布局科学、磁粉用量较低、电感较高的磁芯。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种高电感磁芯，包括磁芯本体和包覆磁芯本体的绝缘层，所述磁芯本体包括依次层叠的第一环形磁芯、粘结层和第二环形磁芯，所述第一环形磁芯和第二环形磁芯的内径均为14-15mm、外径均为26.5-27.5mm、厚度均为8-9mm。
优选地，所述第一环形磁芯和第二环形磁芯的内径均为14.3-14.7mm、外径均为26.8-27.2mm、厚度均为8.3-8.7mm。
更为优选地，所述第一环形磁芯和第二环形磁芯的内径均为14.5mm、外径均为27mm、厚度均为8.5mm。
其中，所述粘接层为丙烯酸胶粘层，所述丙烯酸胶粘层的厚度为0.1-0.3mm。
其中，所述绝缘层包括由内而外层叠的环氧树脂绝缘层和聚四氟乙烯绝缘层。
其中，所述环氧树脂绝缘层的厚度为0.6-1.2mm，所述聚四氟乙烯绝缘层的厚度为0.7-1.2mm。
其中，所述绝缘层上还涂覆有一层氮化硼改性丙烯酸导热层，所述氮化硼改性丙烯酸导热层的厚度为1.2-1.4mm。
更进一步地，所述氮化硼改性丙烯酸导热层上还涂覆有一层有机硅改性丙烯酸耐磨层，所述有机硅改性丙烯酸耐磨层的厚度为0.8-1.6mm。
其中，所述第一环形磁芯和第二环形磁芯均为铁氧体磁芯，所述铁氧体磁芯由90wt％-92wt％主成分和8wt％-10wt％粘结剂组成，所述主成分由如下重量百分比原料组成：
本发明的铁氧体磁芯中，由于Zn2+为非磁性离子，因此ZnO大于13.6％时，容易大幅度降低磁芯的磁性性能，但是Zn2+的加入可以降低磁芯的各向异性离子的数量，Zn2+大于10.5％可以有效提高磁芯的磁导率和降低磁芯的矫顽力。
适当地加入NiO和MgO，可以明显提高磁芯的韧性、耐温性和导磁率。
而Co2O3和TiO2可以固溶在晶格内，提高铁氧体磁芯整体的各向异性常数，从而降低磁芯的矫顽力，明显提高磁芯的高温、高频特性，使铁氧体磁芯具有较高的居里温度和磁化强度。
WO3、Nb2O5可以促进晶粒成长，而Bi2O3、SiO2则用于抑制晶粒成长，通过对四者的合理配比控制，可以促使晶核生长成稳定晶体，并消除内部缺陷，完善晶格结构，从而使铁氧体磁芯具有较高的磁导率和磁稳定性。
本发明通过对铁、锰、锌、镍和镁等元素含量的合理配比和配方设计，使制得的铁氧体磁芯具有高电感、磁性能稳定、机械性能高等特点，综合性能优异。
优选地，所述主成分由如下重量百分比原料组成：
进一步优选地，所述主成分由如下重量百分比原料组成：
其中，所述粘结剂为质量分数为8％-10％的聚乙烯醇水溶液。
其中，所述铁氧体磁芯的制备方法包括如下步骤：
(1)一次球磨：按配方量取Fe2O3、Mn3O4、ZnO、NiO、MgO进行混合后进行湿法球磨，得到第一浆料；
(2)一次干燥：将步骤(1)得到的第一浆料进行干燥，得到第一粉粒；
(3)预烧：将步骤(2)得到的第一粉料升温至800-1000℃，保温1-3h，得到预烧料；
(4)二次球磨：将配方量的Co2O3、TiO2、WO3、Nb2O5、Bi2O3、SiO2、粘结剂和步骤(3)得到的预烧料进行混合后进行湿法球磨，得到第二浆料；
(5)烧结：将步骤(4)得到的第二浆料进行压制成型后，升温至600-800℃，保温1-3h，再升温至1000-1200℃，保温4-6h，自然冷却，即得到所述铁氧体磁芯。
本发明铁氧体磁芯的制备方法中，一次球磨是为了粉碎原料从而提高原料的活性，有利于预烧时的固相反应；一次干燥可以提高预烧效率；预烧可使第一粉料中发生一定程度的固相反应，生成部分的铁氧体结构，从而有利于二次烧结，有助于提高磁芯性能；二次球磨可以加入配方中的其它原料，有效提高铁氧体磁芯性能的一致性；烧结伴随着去除水分、排除粘合剂、致密化、结晶成长、铁氧体生成反应、氧化、还原、蒸发以及晶相转变离析等过程，通过控制烧结的温度和时间，可以使第二浆料收缩致密化并结晶生长成具有高磁性性能的多晶铁氧体磁芯。
其中，步骤(2)得到的第一粉料的颗粒分布为40-100目，含水量为0.1％-0.4％，堆积角为31°-35°。第一粉料的各个参数会影响反应活性、固相反应效率，通过对第一粉料的颗粒大小、含水量、堆积角，可以有效提高铁氧体磁芯的综合性能。
其中，所述步骤(3)中，将步骤(2)得到的第一粉料升温至800-1000℃，升温速率为100-200℃/h。
其中，所述步骤(5)中，将步骤(4)得到的第二浆料进行压制成型后，升温至600-800℃的升温速率为120-160℃/h，升温至1000-1200℃的升温速率为80-120℃/h。
升温速率对于固相反应的阶段进行程度有重大的影响，本发明通过对个步骤升温速率的控制，可以提高固相反应效率，降低缺陷的生成，从而提高磁导率和电感值。
本发明的有益效果在于：本发明通过合理的设计、科学的布局，在有限的空间内提升了磁芯的电感，降低了磁粉的消耗，降低了生产成本，并且绕线后的成品在DC5A、25℃的条件下电感达到了500μH(min)，具有较小的尺寸和较高的电感，具有巨大的应用前景。
附图说明
图1是本发明的剖视图；
图2是本发明的俯视图；
附图标记为：1-第一环形磁芯、2-第二环形磁芯、3-粘结层、4-环氧树脂绝缘层、5-聚四氟乙烯绝缘层、6-氮化硼改性丙烯酸导热层、7-有机硅改性丙烯酸耐磨层。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例及附图1-2对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
实施例1
如图1-2所示，一种高电感磁芯，包括磁芯本体和包覆磁芯本体的绝缘层，所述磁芯本体包括依次层叠的第一环形磁芯1、粘结层3和第二环形磁芯2，所述第一环形磁芯1和第二环形磁芯2的内径均为14-15mm、外径均为26.5-27.5mm、厚度均为8-9mm。
优选地，所述第一环形磁芯1和第二环形磁芯2的内径均为14.3-14.7mm、外径均为26.8-27.2mm、厚度均为8.3-8.7mm。
更为优选地，所述第一环形磁芯1和第二环形磁芯2的内径均为14.5mm、外径均为27mm、厚度均为8.5mm。
本发明通过合理的设计、科学的布局，在有限的空间内提升了磁芯的电感，降低了磁粉的消耗，降低了生产成本；此外，利用铜线将本发明的高电感磁芯进行绕线，得到外径为34mm、厚度为23.3mm的成品后，对该成品进行电气性能测试，得到如下结果：
由上表可知，该成品的DC5A、25℃的条件下电感达到了500μH(min)，具有较小的尺寸和较高的电感，具有巨大的应用前景。
另，本实施例中的第一环形磁芯1和第二环形磁芯2由52材制成，设计采用T106-52A OD(外径):27*ID(内径):14.5*H(厚度):7.92mm磁环模具在模压时压厚度为8.5mm得到。
其中，所述粘接层为丙烯酸胶粘层，所述丙烯酸胶粘层的厚度为0.1-0.3mm。丙烯酸胶粘层环保、粘性强，具有一定的导热性，0.1-0.3mm的丙烯酸胶粘层适用于本实施例的第一环形磁芯1和第二环形磁芯2的粘接。
其中，所述绝缘层包括由内而外层叠的环氧树脂绝缘层4和聚四氟乙烯绝缘层5。
其中，所述环氧树脂绝缘层4的厚度为0.6-1.2mm，所述聚四氟乙烯绝缘层5的厚度为0.7-1.2mm。环氧树脂绝缘层4与磁芯本体的附着性强，聚四氟乙烯绝缘层5绝缘性好，与环氧树脂绝缘层4附着性强，两者配合使绝缘层在较低厚度的情况下也具有较高的绝缘性。
其中，所述第一环形磁环和第二环形磁环均为四氧化三铁粉芯磁环。
其中，所述绝缘层上还涂覆有一层氮化硼改性丙烯酸导热层6，所述氮化硼改性丙烯酸导热层6的厚度为1.2-1.4mm。由于磁芯在工作时会发热，温度对电器性能和安全性影响极大，因此氮化硼改性丙烯酸导热层6有助于热量的散发，维持高强度的工作稳定性。
更进一步地，所述氮化硼改性丙烯酸导热层6上还涂覆有一层有机硅改性丙烯酸耐磨层7，所述有机硅改性丙烯酸耐磨层7的厚度为0.8-1.6mm。铜线与磁芯之间容易发生摩擦从而损毁磁芯，因此设置厚度为0.8-1.6mm有机硅改性丙烯酸耐磨层7有助于提高磁芯的耐磨性。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：
其中，所述第一环形磁芯1和第二环形磁芯2均为铁氧体磁芯，所述铁氧体磁芯由91wt％主成分和9wt％粘结剂组成，所述主成分由如下重量百分比原料组成：
其中，所述粘结剂为质量分数为9％的聚乙烯醇水溶液。
其中，所述铁氧体磁芯的制备方法包括如下步骤：
(1)一次球磨：按配方量取Fe2O3、Mn3O4、ZnO、NiO、MgO进行混合后进行湿法球磨，得到第一浆料；
(2)一次干燥：将步骤(1)得到的第一浆料进行干燥，得到第一粉粒；
(3)预烧：将步骤(2)得到的第一粉料以150℃/h的升温速率升温至900℃，保温2h，得到预烧料；
(4)二次球磨：将配方量的Co2O3、TiO2、WO3、Nb2O5、Bi2O3、SiO2、粘结剂和步骤(3)得到的预烧料进行混合后进行湿法球磨，得到第二浆料；
(5)烧结：将步骤(4)得到的第二浆料进行压制成型后，以140℃/h的升温速率升温至700℃，保温2h，以100℃/h的升温速率升温至1100℃，保温5h，自然冷却，即得到所述铁氧体磁芯。
其中，步骤(2)得到的第一粉料的颗粒分布为40-100目，含水量为0.25％，堆积角为33°。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：
其中，所述第一环形磁芯1和第二环形磁芯2均为铁氧体磁芯，所述铁氧体磁芯由90wt％主成分和10wt％粘结剂组成，所述主成分由如下重量百分比原料组成：
其中，所述粘结剂为质量分数为8％的聚乙烯醇水溶液。
其中，所述铁氧体磁芯的制备方法包括如下步骤：
(1)一次球磨：按配方量取Fe2O3、Mn3O4、ZnO、NiO、MgO进行混合后进行湿法球磨，得到第一浆料；
(2)一次干燥：将步骤(1)得到的第一浆料进行干燥，得到第一粉粒；
(3)预烧：将步骤(2)得到的第一粉料以100℃/h的升温速率升温至升温至800℃，保温1h，得到预烧料；
(4)二次球磨：将配方量的Co2O3、TiO2、WO3、Nb2O5、Bi2O3、SiO2、粘结剂和步骤(3)得到的预烧料进行混合后进行湿法球磨，得到第二浆料；
(5)烧结：将步骤(4)得到的第二浆料进行压制成型后，以120℃/h的升温速率升温至600℃，保温1h，以80℃/h的升温速率升温至1000℃，保温4h，自然冷却，即得到所述铁氧体磁芯。
其中，步骤(2)得到的第一粉料的颗粒分布为40-100目，含水量为0.1％，堆积角为31°。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于：
其中，所述第一环形磁芯1和第二环形磁芯2均为铁氧体磁芯，所述铁氧体磁芯由92wt％主成分和8wt％粘结剂组成，所述主成分由如下重量百分比原料组成：
其中，所述粘结剂为质量分数为10％的聚乙烯醇水溶液。
其中，所述铁氧体磁芯的制备方法包括如下步骤：
(1)一次球磨：按配方量取Fe2O3、Mn3O4、ZnO、NiO、MgO进行混合后进行湿法球磨，得到第一浆料；
(2)一次干燥：将步骤(1)得到的第一浆料进行干燥，得到第一粉粒；
(3)预烧：将步骤(2)得到的第一粉料以200℃/h的升温速率升温至升温至1000℃，保温3h，得到预烧料；
(4)二次球磨：将配方量的Co2O3、TiO2、WO3、Nb2O5、Bi2O3、SiO2、粘结剂和步骤(3)得到的预烧料进行混合后进行湿法球磨，得到第二浆料；
(5)烧结：将步骤(4)得到的第二浆料进行压制成型后，以160℃/h的升温速率升温至800℃，保温3h，以120℃/h的升温速率升温至1200℃，保温6h，自然冷却，即得到所述铁氧体磁芯。
其中，步骤(2)得到的第一粉料的颗粒分布为40-100目，含水量为0.4％，堆积角为35°。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于：
其中，所述第一环形磁芯1和第二环形磁芯2均为铁氧体磁芯，所述铁氧体磁芯由91.5wt％主成分和8.5wt％粘结剂组成，所述主成分由如下重量百分比原料组成：
其中，所述粘结剂为质量分数为9.3％的聚乙烯醇水溶液。
其中，所述铁氧体磁芯的制备方法包括如下步骤：
(1)一次球磨：按配方量取Fe2O3、Mn3O4、ZnO、NiO、MgO进行混合后进行湿法球磨，得到第一浆料；
(2)一次干燥：将步骤(1)得到的第一浆料进行干燥，得到第一粉粒；
(3)预烧：将步骤(2)得到的第一粉料以160℃/h的升温速率升温至升温至940℃，保温2.2h，得到预烧料；
(4)二次球磨：将配方量的Co2O3、TiO2、WO3、Nb2O5、Bi2O3、SiO2、粘结剂和步骤(3)得到的预烧料进行混合后进行湿法球磨，得到第二浆料；
(5)烧结：将步骤(4)得到的第二浆料进行压制成型后，以120-160℃/h的升温速率升温至720℃，保温2.4h，以110℃/h的升温速率升温至1150℃，保温5.5h，自然冷却，即得到所述铁氧体磁芯。
其中，步骤(2)得到的第一粉料的颗粒分布为40-100目，含水量为0.3％，堆积角为34°。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于：
其中，所述第一环形磁芯1和第二环形磁芯2均为铁氧体磁芯，所述铁氧体磁芯由90.5wt％主成分和9.5wt％粘结剂组成，所述主成分由如下重量百分比原料组成：
其中，所述粘结剂为质量分数为8.4％的聚乙烯醇水溶液。
其中，所述铁氧体磁芯的制备方法包括如下步骤：
(1)一次球磨：按配方量取Fe2O3、Mn3O4、ZnO、NiO、MgO进行混合后进行湿法球磨，得到第一浆料；
(2)一次干燥：将步骤(1)得到的第一浆料进行干燥，得到第一粉粒；
(3)预烧：将步骤(2)得到的第一粉料升温至850℃，保温1.5h，得到预烧料；
(4)二次球磨：将配方量的Co2O3、TiO2、WO3、Nb2O5、Bi2O3、SiO2、粘结剂和步骤(3)得到的预烧料进行混合后进行湿法球磨，得到第二浆料；
(5)烧结：将步骤(4)得到的第二浆料进行压制成型后，升温至650℃，保温1.5h，升温至1050℃，保温4.5h，自然冷却，即得到所述铁氧体磁芯。
其中，步骤(2)得到的第一粉料的颗粒分布为40-100目，含水量为0.2％，堆积角为32°。
其中，所述步骤(3)中，将步骤(2)得到的第一粉料升温至850℃，升温速率为120℃/h。
其中，所述步骤(5)中，将步骤(4)得到的第二浆料进行压制成型后，升温至640℃的升温速率为130℃/h，升温至1050℃的升温速率为90℃/h。
实施例7
本实施例与实施例1的区别在于：
其中，所述第一环形磁芯1和第二环形磁芯2均为铁氧体磁芯，所述铁氧体磁芯由91wt％主成分和9wt％粘结剂组成，所述主成分由如下重量百分比原料组成：
其中，所述粘结剂为质量分数为8.5％的聚乙烯醇水溶液。
其中，所述铁氧体磁芯的制备方法包括如下步骤：
(1)一次球磨：按配方量取Fe2O3、Mn3O4、ZnO、NiO、MgO进行混合后进行湿法球磨，得到第一浆料；
(2)一次干燥：将步骤(1)得到的第一浆料进行干燥，得到第一粉粒；
(3)预烧：将步骤(2)得到的第一粉料以180℃/h的升温速率升温至升温至990℃，保温2.4h，得到预烧料；
(4)二次球磨：将配方量的Co2O3、TiO2、WO3、Nb2O5、Bi2O3、SiO2、粘结剂和步骤(3)得到的预烧料进行混合后进行湿法球磨，得到第二浆料；
(5)烧结：将步骤(4)得到的第二浆料进行压制成型后，以135℃/h的升温速率升温至780℃，保温2.6h，以115℃/h的升温速率升温至1120℃，保温4.4h，自然冷却，即得到所述铁氧体磁芯。
其中，步骤(2)得到的第一粉料的颗粒分布为40-100目，含水量为0.2％，堆积角为33°。
经测试，实施例2-7得到的铁氧体磁芯的初始磁导率为4200-4600H/m，居里温度为200-240℃，高电感磁芯在DC5A、25℃的条件下电感达到了700μH(min)以上，可见实施例2-7得到的铁氧体磁芯具有优良的磁性性能，应用前景广。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高电感磁芯，其特征在于：包括磁芯本体和包覆磁芯本体的绝缘层，所述磁芯本体包括依次层叠的第一环形磁芯、粘结层和第二环形磁芯，所述第一环形磁芯和第二环形磁芯的内径均为14-15mm、外径均为26.5-27.5mm、厚度均为8-9mm。
2.根据权利要求1所述的一种高电感磁芯，其特征在于：所述第一环形磁芯和第二环形磁芯的内径均为14.3-14.7mm、外径均为26.8-27.2mm、厚度均为8.3-8.7mm。
3.根据权利要求2所述的一种高电感磁芯，其特征在于：所述第一环形磁芯和第二环形磁芯的内径均为14.5mm、外径均为27mm、厚度均为8.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种高电感磁芯，其特征在于：所述粘接层为丙烯酸胶粘层，所述丙烯酸胶粘层的厚度为0.1-0.3mm。
5.根据权利要求1所述的一种高电感磁芯，其特征在于：所述绝缘层包括由内而外层叠的环氧树脂绝缘层和聚四氟乙烯绝缘层。
6.根据权利要求5所述的一种高电感磁芯，其特征在于：所述环氧树脂绝缘层的厚度为0.6-1.2mm，所述聚四氟乙烯绝缘层的厚度为0.7-1.2mm。
7.根据权利要求1所述的一种高电感磁芯，其特征在于：所述绝缘层上还涂覆有一层氮化硼改性丙烯酸导热层，所述氮化硼改性丙烯酸导热层的厚度为1.2-1.4mm。
8.根据权利要求6所述的一种高电感磁芯，其特征在于：所述氮化硼改性丙烯酸导热层上还涂覆有一层有机硅改性丙烯酸耐磨层，所述有机硅改性丙烯酸耐磨层的厚度为0.8-1.6mm。
9.根据权利要求1所述的一种高电感磁芯，其特征在于：所述第一环形磁芯和第二环形磁芯均为铁氧体磁芯，所述铁氧体磁芯由90wt％-92wt％主成分和8wt％-10wt％粘结剂组成，所述主成分由如下重量百分比原料组成：
10.根据权利要求9所述的一种高电感磁芯，其特征在于：所述铁氧体磁芯的制备方法包括如下步骤：
(1)一次球磨：按配方量取Fe2O3、Mn3O4、ZnO、NiO、MgO进行混合后进行湿法球磨，得到第一浆料；
(2)一次干燥：将步骤(1)得到的第一浆料进行干燥，得到第一粉粒；
(3)预烧：将步骤(2)得到的第一粉料升温至800-1000℃，保温1-3h，得到预烧料；
(4)二次球磨：将配方量的Co2O3、TiO2、WO3、Nb2O5、Bi2O3、SiO2、粘结剂和步骤(3)得到的预烧料进行混合后进行湿法球磨，得到第二浆料；
(5)烧结：将步骤(4)得到的第二浆料进行压制成型后，升温至600-800℃，保温1-3h，再升温至1000-1200℃，保温4-6h，自然冷却，即得到所述铁氧体磁芯。
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