CN1100231A - NiZn铁氧体材料的变压器或电感器烧结磁芯 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种NiZn铁氧体材料的变压器 磁芯。当所述的变压器磁芯用在一个变压器中时显 示出较低的总损耗。如果烧结铁氧体材料的大多数 晶粒为单畴结构，就能达到所述的低损耗。如果平均 晶粒尺寸小于2.8微米就会出现这种情况。烧结材 料的平均晶粒尺寸的优选范围是1.3至2.6微米。 优选的δ值小于4nm。

Description

本发明涉及NiZn铁氧体材料的变压器或电感器烧结磁芯。本发明还涉及分别装有这种电感和变压器磁芯的电感器和变压器。借助于一个变压器可以将一个电流源的电压和/或电流强度转变成另一所要的电压和/或电流强度。
在起始段中提到的变压器磁芯其本身是已知的。例如，在菲利浦资料手册（Philips Data Handbook）MA-01，1993，PP.131和132中公开了一种被称为4F1的NiZn磁芯。在所述的手册中记载的磁芯材料的组成对应的化学式为Ni0.49Zn0.49Co0.49Fe1.90O3.850这种变压器磁芯特别是用于所谓的“电源变压器”。这种类型的变压器能够适合于在MHz范围的频率和相对高的5mT或更高的磁感值下工作。
这种已知变压器或电感磁芯的缺点是如果将其作为“电源变压器”使用，则单位体积的总损耗（P）相对较高。所述的损耗使变压器发热。特别是，如果该变压器在从2MHz的频率使用，则发热可达相当高的温度。例如，第132页图7所示，在20℃、磁芯的磁感为10mT并且频率为3MHz时测到的单位体积总损耗为190mw/cm3。
本发明的目的是提供一种特别是当用作电源变压器时表现出相对低的总损耗的变压器或电感磁芯。本发明进一步的目的是提供一种分别装有这种电感和变压器磁芯的电感器及电源变压器。
根据本发明，条用起始段提到的那种变压器或电感磁芯，可实现本发明的这些和其它目的，其特征在于铁氧体材料的大多数晶粒为单畴结构。
已经发现，主要为单畴晶粒的NiZn铁氧体材料的烧结磁芯显示出非常低的总损耗。如将在示范的具体实例中详细说明的，按照本发明的方法能使总损耗降低50%或更多。还没有得出对损耗的这种实质降低的确切解释。然而，本发明的发明人已通过实验确认，所述的低损耗与磁导率（μ）无关，并且在小晶粒尺寸的情况下，与晶粒的精确尺寸也无关。已经发现，达到本发明效果的必不可少的先决条件是烧结材料的大多数晶粒为单畴结构。“大多数晶粒”的说法在这里应理解为铁氧体材料中至少90%的晶粒为单畴结构。
本发明的一个优选实施例的特征在于，材料的平均晶粒尺寸小于2.8微米。本发明的发明人经一系列实验后确认，如果平均晶粒尺寸约为2.8微米，则单畴晶粒的数量约为90%。在较小的平均晶粒尺寸时，单畴晶粒的数量按比例增加。在平均晶粒尺寸低于约2.6微米时，单畴晶粒达到约100%的水平。然而，如果选用的单畴晶粒的平均尺寸小于1.1微米，一种还不了解的损耗机理造成总损耗增加。在优选的平均晶粒尺寸为1.3至2.6微米的优选范围内，总损耗基本上为常数并且与晶粒尺寸基本无关。烧结NiZn磁芯的晶粒尺寸是由所谓的“线性平均截距”方法确定的。
应该注意，已知的4F1材料的大多数晶粒不是单畴结构，晶粒的平均尺寸约为3.1微米。
按照本发明的烧结磁芯的另一个良好的实施例的特征在于，该磁芯的铁氧体材料包括42.8-55.9mol%Fe2O3，17.6-45.7mol%NiO和8.4-34.3mol%ZnO。组成在所述限度内的磁芯表现出相对高的自发磁感（Bs）。由于与具有相对低的饱和磁化的磁芯相比，这些损耗相对的低，因此对所述的磁芯具有有利的作用。
应该注意，该铁氧体材料最好包括较少置的Co这种添加物的存在将导致相对平坦的μ-T曲线，特别是在电源变压器工作的温度范围内。然而，Co含量超过1.5at%是有害的。它不会使所述的曲线产生更高和平坦度。另外，Co昂贵并且有毒。按照本发明的铁氧体材料可以进一步包括少量的掺杂物，特别是例如助熔剂，如V2O5和Bi2O3。另外，可以含有MnO、SiO2和CaO。但所述的各种掺杂物的最大含量要低于2wt%。
按照本发明的磁芯的另一个优选实例的特征是，磁芯的铁氧体材料包括42.8-50.0mol%Fe2O3、20.0-45.7mol%NiO和10.0-34.3mol%ZnO。不同于上述的组成范围，在本优选实例中描述的NiZn铁氧体中都缺Fe。缺Fe是有利的，因为由此可以防止铁氧体材料中出现Fe2+离子。这种离子的出现将导致涡流损耗变大。
本发明磁芯的另一个有趣的实例的特征是在居里温度下，晶粒平均尺寸d与初始磁导率μi的比率d/μi＜4nm。该比率用δ表示。
最后提到的实例是基于以下观察，在相对高的磁感值（B＞15mT）下，如果选用相对高的δ值，则含有单畴晶粒的烧结铁氧体材料中磁滞损耗实质上构成了总损耗。通过使所述的δ值小于4nm可将该构成显著地降低。这时，在烧结磁芯工作期间，外加磁场的较小部分横跨在晶粒边界。结果，外加磁场的较大部分可用于按照所要求的波形改变铁氧体材料的磁化。已经发现，δ值取决于铁氧体材料偏离化学理想配比较小或较大的程度。在与化学理想配比有较大偏差的情况下，大量的二价金属氧化物（例如NiO和/或ZnO）将沉积在晶粒边界上。这将使δ值增大。在实质上为化学理想配比的烧结铁氧体材料中δ值低于4nm。
本发明还涉及一种电感器。该电感器的主要部分是一个带有线圈的单个烧结电感磁芯。按照本发明，上述的电感磁芯被用于该电感器。
本发明还涉及一种变压器，包括带有初级和次级绕组的变压器磁芯以及用于将初级绕组的直流电压转换成方波电压的高频开关。该变压器包括一个按照本发明的变压器磁芯并用于所谓的“开关式电源”。这种变压器通常工作于高频和高磁感下。因此，按照本发明的变压器磁芯非常适用于所述的变压器。
通过实施例和参考附图对本发明的具体实施进行更详细的说明，其中，
图1是按照本发明的变压器磁芯的透视图。
图2是一些变压器磁芯的单位体积损耗P（mw/cm3）与晶粒尺寸d（微米）的函数关系图。
图3是按照本发明的开关式电源的示意图。
图1是一个外径2是5mm、内径3是3mm的环形变压器磁芯1。厚度4和高度5是1mm。该磁芯可以是另一种形状，例如椭圆。该环断面可以用矩形或圆形代替图中所示的方形断面。按照本发明的烧结变压器磁芯可以是棒形（电感器）、E-形或U形。也可以是管形磁芯，例如在高频感应外壳中使用。变压器磁芯由烧结NiZn铁氧体构成。该烧结材料的组成由化学式Ni0.49Zn0.49Co0.02Fe1.90O3.85给出。构成该材料的烧结晶粒为单畴结构并且平均晶粒尺寸为2.2微米。
按照本发明的变压器磁芯是采用NiZn铁氧体粉末制造的。粉末是采用标准陶瓷技术制造的。在制造中，金属氧化物和/或金属碳酸盐按照所要求的组成按比例混合，预烧并湿磨。将得到的混合物或是干燥并粒化或干燥喷雾，然后压制成型为要求的形状并在空气中烧结。在该方法中，通过改变烧结温度（1000℃-1300℃）和烧结时间，制成许多具有不同平均晶粒尺寸的上述变压器磁芯。通过热等静压制成平均晶粒尺寸为0.3微米的磁芯材料。
图2所示的图中，上述组成的变压器磁芯的单位体积的总损耗P是平均晶尺寸（“线性平均截距”值）的函数。该测定是在温度为20℃和100℃，频率为3MHz并且磁感为10mT的情况下进行的。图中清楚地表明晶粒尺寸范围在1.1至2.8微米之间时，总损耗低于100mw/cm3。当平均晶粒尺寸范围在1.3至2.6微米时发现总损耗最小。这些损耗大约只有80mw/cm3。通过对这些磁芯进行中子去极化测量，确认平均晶粒尺寸小于2.6微米的变压器磁芯的晶粒实质上100%为单畴结构。
表1
Figure 941066320_IMG2
表1列出了几个按照本发明的变压器磁芯（实施例1到并包括实施例5）的单位体积的总损耗P（mw/cm3）与几个不是按照本发明的变压器磁芯（比较实施例a到并包括实施例d）的比较。平均晶粒尺寸为3.1微米（比较实施例d）的材料是已知的4F1材料。磁芯单位体积的总损耗P由下面三种不同的状态决定：P1（3MHz和10mT），P2（5MHz和7.5mT）以及P3（10MHz和5mT）。该表清楚地表明按照本发明的磁芯质量优于已知的磁芯质量。
表1中所列的变压器磁芯的平均值δ大约是10nm。通过使磁芯的δ值大约为1-2nm，可使单畴晶粒的磁芯的损耗进一步显著地降低。
图3是一个“开关式电源”式的变压器，其中按照本发明的变压器磁芯非常适于使用。首先由整流器（1）将输入的电源电压（50Hz）整流，然后由电容器（2）滤波。所形成的直流电压在非常高的频率（2-20MHz）下由开关（3）（开关晶体管）转换成方波B。将方波加到变压器磁芯（5）的初级绕组（4）。变压器磁芯的次级绕组（6）上形成的传输方波信号接着由整流器（7）整流并由电容器（8）滤波。由此，得到了直流电压的要求值。当然，按照本发明的磁芯也可用于其它类型的变压器。然而，当这些磁芯用于工作在高频（超过2MHz）与高磁感（超过5mT）组合的变压器中时尤其能获得本发明的效果。

Claims (8)

1、一种NiZn铁氧体材料的变压器或电感器烧结磁芯，其特征在于铁氧体材料的大多数晶粒为单畴结构。
2、根据权利要求1所述的磁芯，其特征在于铁氧体材料的平均晶粒尺寸是2.8微米或更小。
3、根据权利要求2所述的磁芯，其特征在于铁氧体材料的平均晶粒尺寸范围在1.3至2.6微米之间。
4、根据权利要求1、2或3所述的磁芯，其特征在于磁芯的铁氧体材料包括42.8-55.9mol%Fe2O3、17.6-45.7mol%NiO和8.4-34.3mol%ZnO。
5、根据权利要求4所述的磁芯，其特征在于磁芯的铁氧体材料包括42.8-50.0mol%Fe2O3，20.0-45.7mol%NiO和10.0-34.3mol%ZnO。
6、根据前面任意一项权利要求所述的磁芯，其特征在于在居里温度下平均晶粒尺寸d与初始磁导率μi的比率d/μi＜4nm。
7、一种由具有线圈的电感磁芯构成的电感器，其特征在于电感磁芯使用前面任意一项权利要求所述的电感磁芯。
8、一种变压器，包括具有初级和次级绕组的变压器磁芯以及用于将初级绕组上的直流电压转换成方波电压的高频开关，其特征在于变压器磁芯采用权利要求1-6中任意一个所述的磁芯。
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