CN108083794B - 铁氧体材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了铁氧体材料及其应用，该铁氧体材料由以下重量份的原料组成：Fe2O3为61～70重量份，MnO为8～17重量份，ZnO为7～16重量份，CuO为2～6重量份，CoO为0.6～2重量份，Gd2O3为1.3～4重量份，Dy2O3为1.8～5.5重量份。由上述成分和比例的原料组成的铁氧体材料，在10KHz～5MHz范围内具有较高的磁导率和较低的磁损耗，从而应用于无线充电装置时能够大幅提高充电效率和充电距离。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，具体的，涉及铁氧体材料及其应用，更具体的，涉及铁氧体材料、含有上述铁氧体材料的无线充电装置、含有上述无线充电装置的无线充电系统和新能源汽车。
背景技术
汽车无线充电技术在应用时，会受到无线充电装置周围金属物的干扰，这些金属物在充电过程中将产生“涡流”效应，阻碍磁感应线的通过，造成充电距离减小甚至无法充电。在无线充电线圈与金属物之间加入软磁材料制成的薄片，就会使磁感应线顺利形成回路，达到提高充电距离和充电效率的目的。相关技术中，使用铁硅铝合金与树脂的复合材料，复合材料中的铁硅铝合金颗粒需要在树脂中定向排列，并且合金颗粒呈扁平状，否则磁导率会很低，达不到提高充电距离和效率的目的，不足是现有技术水平还很难制作出达到要求的产品；使用一般配方的MnZn铁氧体粉末制作薄磁片，不足是无法在降低厚度的情况下保证材料具有较高的强度和充电效率。另外，由于汽车底部各种金属件高低不平，会造成磁场的不规整，也会影响充电效率。相关技术中，使用塑料板或者普通金属板固定铁氧体和线圈，塑料板不能规整磁场，普通金属板绝缘性能差。
因而，目前的无线充电相关技术仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有能够有效提高无线充电装置充电效率的铁氧体材料。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种铁氧体材料。根据本发明的实施例，该铁氧体材料由以下重量份的原料组成：Fe2O3为61～70重量份，MnO为8～17重量份，ZnO为7～16重量份，CuO为2～6重量份，CoO为0.6～2重量份，Gd2O3为1.3～4重量份，Dy2O3为1.8～5.5重量份。发明人发现，由上述成分和比例的原料组成的铁氧体材料，在10KHz～5MHz范围内具有较高的磁导率和较低的磁损耗，从而应用于无线充电装置时能够大幅提高充电效率。
在本发明的第二方面，本发明提供了一种无线充电装置。根据本发明的实施例，该无线充电装置包括：接收线圈；铁氧体层，所述铁氧体层设置于所述接收线圈的一侧，且含有前面所述的铁氧体材料；合金板，所述合金板设置于所述铁氧体层远离所述接收线圈的一侧。发明人发现，该无线充电装置可以有效适用于新能源汽车充电系统，位于汽车接收端，能有效为新能源汽车充电，具有方便、安全、无地面装置占用空间的优点。且含有上述铁氧体材料构成的铁氧体层，不仅能够使磁感应线顺利形成回路，达到提高充电距离和充电效率的目的，而且在10KHz～5MHz范围内具有较高的磁导率和较低的磁损耗，能够进一步大幅提高无线充电装置的充电效率。
在本发明的第三方面，本发明提供了一种无线充电系统。根据本发明的实施例，该无线充电系统包括：前面所述的无线充电装置。本领域技术人员可以理解，该无线充电系统具有前面所述的无线充电装置的全部特征和优点，在此不再一一赘述。
在本发明的第四方面，本发明提供了一种新能源汽车。根据本发明的实施例，该新能源汽车上设置有前面所述的无线充电装置。本领域技术人员可以理解，该新能源汽车具有前面所述的无线充电装置的全部特征和优点，在此不再一一赘述。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种铁氧体材料。根据本发明的实施例，该铁氧体材料由以下重量份的原料组成：Fe2O3为61～70重量份，MnO为8～17重量份，ZnO为7～16重量份，CuO为2～6重量份，CoO为0.6～2重量份，Gd2O3为1.3～4重量份，Dy2O3为1.8～5.5重量份。发明人发现，通过控制掺杂添加剂(CuO、CoO、Gd2O3、Y2O3)的种类和添加量，由上述成分和比例的原料组成的铁氧体材料，在10KHz～5MHz范围内具有较高的磁导率和较低的磁损耗，从而应用于无线充电装置时能够大幅提高充电效率和充电距离。
根据本发明的实施例中，该铁氧体材料可以由以下重量份的原料组成。具体如下：
根据本发明的一个具体示例，该铁氧体材料可以由以下重量份的原料组成：Fe2O3为64.42重量份，MnO为16.10重量份，ZnO为10.269重量份，CuO为3.34重量份，CoO为0.63重量份，Gd2O3为1.46重量份，Dy2O3为3.80重量份。
根据本发明的又一个具体示例，该铁氧体材料可以由以下重量份的原料组成：Fe2O3为66.42重量份，MnO为11.91重量份，ZnO为11.728重量份，CuO为2.54重量份，CoO为0.6重量份，Gd2O3为1.39重量份，Dy2O3为5.42重量份。
根据本发明的又一个具体示例，该铁氧体材料可以由以下重量份的原料组成：Fe2O3为69.37重量份，MnO为8.56重量份，ZnO为15.068重量份，CuO为3.2重量份，CoO为0.6重量份，Gd2O3为1.39重量份，Dy2O3为1.82重量份。
根据本发明的又一个具体示例，该铁氧体材料可以由以下重量份的原料组成：Fe2O3为63.87重量份，MnO为13.32重量份，ZnO为9.977重量份，CuO为3.25重量份，CoO为1.22重量份，Gd2O3为2.83重量份，Dy2O3为5.53重量份。
根据本发明的又一个具体示例，该铁氧体材料可以由以下重量份的原料组成：Fe2O3为67.46重量份，MnO为14.69重量份，ZnO为8.76重量份，CuO为3.29重量份，CoO为0.62重量份，Gd2O3为1.43重量份，Dy2O3为3.74重量份。
根据本发明的又一个具体示例，该铁氧体材料可以由以下重量份的原料组成：Fe2O3为65.77重量份，MnO为14.74重量份，ZnO为9.47重量份，CuO为3.3重量份，CoO为0.99重量份，Gd2O3为2.07重量份，Dy2O3为3.75重量份。
根据本发明的又一个具体示例，该铁氧体材料可以由以下重量份的原料组成：Fe2O3为65.82重量份，MnO为15.34重量份，ZnO为8.8重量份，CuO为3.31重量份，CoO为0.9重量份，Gd2O3为2.07重量份，Dy2O3为3.76重量份。
发明人发现，根据本发明实施例的上述铁氧体材料，通过控制Gd2O3的添加量，增大晶格常数，阻碍畴壁移动，降低四面体A位与八面体B位离子间的超交换作用，可以有效提高截止频率，降低磁损耗；加入Dy2O3，Dy3+进入Mn－Zn铁氧体八面体间隙B位取代Fe3+时，Dy3+中的4f层电子与Fe3+中的3d层电子产生强的超交换作用，故样品的饱和磁化强度增强；另外，Co的第三电离能要高于Fe，Co2+会阻碍Fe2+的生成，而且Co2+倾向于占据八面体空隙，导致B位的Fe2+-Fe3+对数量减小，电子跃迁距离也就增加，电阻率随之增大。由上述成分和比例的原料组成的铁氧体材料，具有较高的磁导率和较低的磁损耗，能够有效提高采用该铁氧体材料的无线充电装置的充电效率和充电距离。
在本发明的第二方面，本发明提供了一种无线充电装置。根据本发明的实施例，该无线充电装置包括：接收线圈；铁氧体层，所述铁氧体层设置于所述接收线圈的一侧，且含有前面所述的铁氧体材料；合金板，所述合金板设置于所述铁氧体层远离所述接收线圈的一侧。发明人发现，该无线充电装置可以有效适用于新能源汽车充电系统，位于汽车接收端，能有效为新能源汽车充电，具有方便、安全、无地面装置占用空间的优点。且含有上述铁氧体材料构成的铁氧体层，不仅能够使磁感应线顺利形成回路，达到提高充电距离和充电效率的目的，而且在10KHz～5MHz范围内具有较高的磁导率和较低的磁损耗，能够进一步大幅提高无线充电装置的充电效率。
根据本发明的实施例，可以采用的接收线圈的具体种类不受特别限制，只要能够有效实现无线充电的功能即可，本领域技术人员可以选择本领域任何已知的无线充电线圈。该接收线圈的匝数、设置方式等本领域技术人员也可以根据实际需要灵活选择。
根据本发明的实施例，该无线充电装置中的铁氧体层是有前面所述的铁氧体材料制成的，具体的，可以通过一定的成型工艺将上述铁氧体材料制成磁片，构成上述铁氧体层。在本发明的一些实施例中，可以通过以下步骤制备磁片(即铁氧体层)：
1球磨：取适量主要原料(Fe2O3、MnO、ZnO)和各种添加剂(CuO、CoO、Gd2O3、Y2O3)混合，再加入适量溶剂和分散剂，进行湿法研磨，例如研磨条件包括但不限于300～450r/min，3～12h；
2烘干：将上述球磨得到的粉料过筛后盛入烧杯等合适容器内，放入烘箱烘干，烘干条件包括但不限于60～120℃，3～10h；
3粉末预烧：将烘干后的粉料粉碎，置入坩埚等烧结容器中，以升温速率3～5℃/min，升温至700～900℃，保温1～4h，随炉冷却；
4研磨控制粒径：向预烧得到的粉末中加入酒精等溶剂，酒精液面高于大部分铁氧体粉末即可，再以300～450r/min研磨4～10h，研磨后过筛、烘干；
5成型：采用流延、涂布、压制等方法进行产品片状成型，或者根据需要形状采用模压、注射等方式进行其他形状成型；
6成品烧结：将成型步骤得到的产品以升温速率0.5-3℃/min，产品烧结温度950℃-1250℃烧结，保温2-4h，得到磁片。
根据本发明的实施例，按上述配方和工艺生产的铁氧体磁片的优点是：通过对添加剂种类和添加量的控制，磁片在10KHz-5MHz范围内频具有较高的磁导率μ’和较低的磁损耗μ”，能提高充电距离和充电效率。
根据本发明的实施例，可以采用的合金板的具体种类不受特别限制，只要能够有效规整磁场等效果即可。在本发明的一些实施例中，所述合金板为镁铝合金板。由此，有利于提高充电效果和充电距离。
根据本发明的实施例，为了进一步提高无线充电装置的绝缘性能、耐腐蚀性能等，采用的合金板预先经过微弧氧化处理。由此，可以在合金板表面形成致密的氧化物层，使其具有良好的绝缘效果和耐腐蚀性能，进而有效提高无线充电装置的使用性能。
根据本发明的实施例，上述微弧氧化处理可以通过以下步骤进行：
1)将合金板(形状包括但不限于长方形、正方形、圆形等)用酒精和无尘布擦拭、清洗干净；
2)将擦拭干净的镁铝合金板用挂具固定后整体浸入装有电解液的微弧电解槽中；
3)使用如下参数对镁铝合金板进行微弧处理：电压400V，频率500Hz，占空比30％，温度≤40℃，时间30～40min，在此期间尽量保持合金板的稳定性，减小晃动；
4)断电后取出合金板，用酒精、二甲苯等溶剂冲洗干净，晾干待用，即得经过微弧氧化处理的合金板。
根据本发明的实施例，为了进一步提高维护氧化处理的效果，发明人微弧氧化处理采用的电解液的成分和配比进行了筛选。在本发明的一些实施例中，所述微弧氧化处理采用的电解液含有：Na2SiO3 1～10g/L，(NaPO3)6 1～7g/L，Na2WO4 1～7g/L，NaOH 6～12g/L，NH4F 1～4g/L，Na2EDTA 0.7～3g/L。由此，能够进一步提高微弧氧化处理的效果，经过处理的合金板具有良好的绝缘效果和耐腐蚀性能。
在本发明的第三方面，本发明提供了一种无线充电系统。根据本发明的实施例，该无线充电系统包括：前面所述的无线充电装置。本领域技术人员可以理解，该无线充电系统具有前面所述的无线充电装置的全部特征和优点，在此不再一一赘述。
本领域技术人员可以理解，除了上述无线充电装置，根据本发明实施例的无线充电系统还包括其他必要部件，例如发射线圈、电源电路等常规无线充电系统具有的部件、结构。
在本发明的第四方面，本发明提供了一种新能源汽车。根据本发明的实施例，该新能源汽车上设置有前面所述的无线充电装置。本领域技术人员可以理解，该新能源汽车具有前面所述的无线充电装置的全部特征和优点，在此不再一一赘述。
下面详细描述本发明的实施例。
实施例
铁氧体材料制备方法如下：
1按表1所示粉末原料配方称取各样品原料，溶剂等漫过粉料即可，进行湿法球磨：400r/min，6h；
2粉料烘干：80℃，6h；
3粉料预烧结：升温速度3～5℃/min，升温至900℃，保温2h，随炉冷却；
4研磨控制粒径：研磨前加入溶剂，再以400r/min研磨6h；
5成型：采用模压方式成型成圆环状，环尺寸外径不大于20mm，内径不小于5mm，高度不大于8mm；
6成品烧结：升温速率为0.5～2℃/min；300℃保温30min；550℃保温30min；900℃保温60min；最高温度为1200℃，保温120min；随炉冷却。
表1粉末原料配方(单位：g)
| 编号 | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | MnO | ZnO | CuO | CoO | Gd<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Dy<sub>2</sub>O<sub>3</sub> |
| D1 | 67.7 | 16.54 | 15.76 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| D2 | 61.30 | 13.32 | 15.29 | 1.99 | 1.88 | 4.34 | 1.88 |
| D3 | 66.24 | 7.65 | 17.56 | 4.62 | 0.62 | 1.44 | 1.87 |
| 1 | 64.42 | 16.10 | 10.269 | 3.34 | 0.63 | 1.46 | 3.80 |
| 2 | 66.42 | 11.91 | 11.728 | 2.54 | 0.60 | 1.39 | 5.42 |
| 3 | 69.37 | 8.56 | 15.068 | 3.20 | 0.60 | 1.39 | 1.82 |
| 4 | 63.87 | 13.32 | 9.98 | 4.25 | 1.22 | 2.83 | 4.53 |
| 5 | 67.46 | 14.69 | 8.76 | 3.29 | 0.62 | 1.43 | 3.74 |
| 6 | 65.77 | 14.74 | 9.47 | 3.30 | 0.990 | 2.07 | 3.75 |
| 7 | 65.82 | 15.34 | 8.80 | 3.31 | 0.90 | 2.07 | 3.76 |
镁铝合金板的微弧氧化处理工艺为：
1、将镁铝合金板(形状可为长方形、正方形、圆形)用酒精和无尘布擦拭、清洗干净；
2、按表2配制微弧氧化电解液；
3、将擦拭干净的镁铝合金板用挂具固定后整体浸入装有电解液的微弧电解槽中，使用如下参数对镁铝合金板进行微弧氧化处理：电压400V，频率500Hz，占空比30％，温度≤40℃，时间30～40min，在此期间尽量保持合金金属板的稳定性，减小晃动。
4、断电后取出合金板，用酒精、二甲苯等溶剂冲洗干净，晾干待用。
表2微弧氧化电解液配方(单位：g/L)
性能测试：
复数磁导率测试
采用美国Aglient公司生产E4991阻抗分析仪及磁导率测量专用夹具16454A，把上述制备的铁氧体粉末样品采用模压的方法制成中空的圆柱体，入炉烧结，圆环尺寸外径不大于20mm，内径不小于5mm，高度不大于8mm。将该圆环体看做一个单匝线圈，通过测量该线圈的阻抗可得到圆环线圈电感的大小，继而计算出样品磁导率的大小，测试10KHz-5MHz频率下铁氧体材料的复数磁导率数值。测试结果如下表所示：
磁导率μ’
| 编号 | 10KHz | 20KHz | 50KHz | 100KHz | 1MHz | 2MHz | 5MHz |
| D1 | 1857 | 1860 | 1875 | 1892 | 1913 | 1940 | 1972 |
| D2 | 2135 | 2140 | 2161 | 2185 | 2217 | 2295 | 2364 |
| D3 | 2263 | 2269 | 2283 | 2305 | 2336 | 2431 | 2552 |
| 1 | 2831 | 2837 | 2853 | 2879 | 2912 | 3006 | 3125 |
| 2 | 3320 | 3328 | 3343 | 3380 | 3407 | 3512 | 3651 |
| 3 | 2785 | 2795 | 2812 | 2840 | 2874 | 2979 | 3098 |
| 4 | 3208 | 3215 | 3236 | 3267 | 3301 | 3402 | 3521 |
| 5 | 3842 | 3852 | 3877 | 3898 | 3936 | 4051 | 4195 |
| 6 | 4033 | 4045 | 4069 | 4111 | 4157 | 4294 | 4452 |
| 7 | 4251 | 4263 | 4296 | 4341 | 4395 | 4521 | 4684 |
磁损耗μ”
腐蚀率测试：
失重法测试上述微弧氧化处理后的合金板的耐蚀性，采用质量分数为3.5％的NaCl中性溶液为电解液。金属的腐烛速度计算公式：
K-＝(m0-m1)/St
式中K—腐烛速度，g/(cm2.h)；
m0腐蚀前金属的质量，g；
m1腐蚀后去掉腐蚀产物剩余的质量，g；
S——试样表面积，cm2；
t腐烛时间，h。
测试结果见下表3。
电阻率测试：
用砝码式表面电阻测试仪SURPA9802测试上述微弧氧化处理后的合金板的电阻，测试结果见下表3。
表3
上述实验结果说明，本发明的铁氧体材料具有较高的磁导率、较低的磁损耗，同时采用微弧氧化处理后的合金板具有良好的绝缘性和耐腐蚀性，均能够有效提高采用上述材料的无线充电装置的充电效率、充电距离等性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种无线充电装置，其特征在于，包括：
接收线圈；
铁氧体层，所述铁氧体层设置于所述接收线圈的一侧，且含有铁氧体材料；
合金板，所述合金板设置于所述铁氧体层远离所述接收线圈的一侧；
其中，所述铁氧体材料由以下重量份的原料组成：
Fe2O3为61～70重量份，MnO为8～17重量份，ZnO为7～16重量份，CuO为2～6重量份，CoO为0.6～2重量份，Gd2O3为1.3～4重量份，Dy2O3为1.8～5.5重量份。
2.根据权利要求1所述的无线充电装置，其特征在于，所述铁氧体材料由以下之一重量份的原料组成：
Fe2O3为64.42重量份，MnO为16.10重量份，ZnO为10.269重量份，CuO为3.34重量份，CoO为0.63重量份，Gd2O3为1.46重量份，Dy2O3为3.80重量份；
Fe2O3为66.42重量份，MnO为11.91重量份，ZnO为11.728重量份，CuO为2.54重量份，CoO为0.6重量份，Gd2O3为1.39重量份，Dy2O3为5.42重量份；
Fe2O3为69.37重量份，MnO为8.56重量份，ZnO为15.068重量份，CuO为3.2重量份，CoO为0.6重量份，Gd2O3为1.39重量份，Dy2O3为1.82重量份；
Fe2O3为63.87重量份，MnO为13.32重量份，ZnO为9.98重量份，CuO为4.25重量份，CoO为1.22重量份，Gd2O3为2.83重量份，Dy2O3为4.53重量份；
Fe2O3为67.46重量份，MnO为14.69重量份，ZnO为8.76重量份，CuO为3.29重量份，CoO为0.62重量份，Gd2O3为1.43重量份，Dy2O3为3.74重量份；
Fe2O3为65.77重量份，MnO为14.74重量份，ZnO为9.47重量份，CuO为3.3重量份，CoO为0.99重量份，Gd2O3为2.07重量份，Dy2O3为3.75重量份；
Fe2O3为65.82重量份，MnO为15.34重量份，ZnO为8.8重量份，CuO为3.31重量份，CoO为0.9重量份，Gd2O3为2.07重量份，Dy2O3为3.76重量份。
3.根据权利要求1所述的无线充电装置，其特征在于，所述合金板为镁铝合金板。
4.根据权利要求1所述的无线充电装置，其特征在于，所述合金板预先经过微弧氧化处理。
5.根据权利要求4所述的无线充电装置，其特征在于，所述微弧氧化处理采用的电解液含有：
Na2SiO3 1～10g/L，(NaPO3)6 1～7g/L，Na2WO4 1～7g/L，NaOH 6～12g/L，NH4F 1～4g/L，Na2EDTA 0.7～3g/L。
6.一种无线充电系统，其特征在于，包括：
权利要求1-5中任一项所述的无线充电装置。
7.一种新能源汽车，其特征在于，设置有权利要求1-5中任一项所述的无线充电装置。
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