CN110444361B - 高频高饱和磁通密度铁氧体制备方法及电感器及变压器 - Google Patents

高频高饱和磁通密度铁氧体制备方法及电感器及变压器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高频高饱和磁通密度铁氧体及制备方法及电感器及变压器，包括摩尔份的主成分和副成分，所述主成分包括Fe2O3:55～57mol％，ZnO：0～3.5mol％，余量为MnO；所述副成分包括Nb2O5:0.01～0.03wt％、CaCO3:0.02～0.10wt％、V2O5:0.01～0.04wt％、SiO2:0～0.01wt％、Ta2O5:0～0.05wt％、TiO2：0～0.05wt％，Co2O3:0.10～0.25wt％。本发明的高频高饱和磁通密度铁氧体具备较高的饱和磁通密度，能够适用于电感器和变压器，再者使用高频超高饱和磁通密度锰锌铁氧体材料制备的电感器具备下述有益效果：体积小，满足器件小型化的要求。

Description

高频高饱和磁通密度铁氧体制备方法及电感器及变压器
技术领域
本发明涉及锰锌铁氧体材料技术领域，具体涉及一种高频高饱和磁通密度铁氧体制备方法及电感器及变压器。
背景技术
电感器是与电阻器和电容器一起构造电子电路以去除噪声的一种代表性无源元件。电感器与使用电磁特性的电容器组合，以构造放大特定频带中的信号的谐振电路或滤波器电路等。
随着电源技术的发展，电感器等磁性元器件朝着小型化、高功率密度等方向发展。而这对应用其关键元器件及软磁铁氧体材料提出了更高性能的要求。
现有技术中，如若为了满足器件的小型化，软磁材料使用频率越来越高，但是由于电源需要输出更高能量密度，而输出电压越来越低，因此需要输出电流越来越高，要达到上述要求则需要软磁材料具有较高的饱和磁通密度，满足大电流下电感器不饱和。现有技术中的软磁材料无法满足上述需求。
中国专利CN 101521072B公开了一种功率型电感器铁氧体锰镁锌材料及用途，由氧化铁、氧化镁、氧化锌、氧化锰混合煅烧后，再加入辅助材料，并经常规砂磨、烘干、制粒后压制成型得到。本发明生产成本低，具有高磁通密度(Bs达4000G)、高居里温度(Tc达210℃)、高绝缘电阻率(达103MΩ(500V))，可广泛应用于制备功率电感器磁芯元件等材料。
现有技术中的变压器设计方面需要提升窗口面积的利用率，提升变压器功率密度，使得整个器件的进一步小型化成为可能。
P＝k1AefBmNI
P-变压器输出功率(W)；
k1-占空比，即最大导通与周期之比，通常取k＝0.4；
Ae-磁芯有效截面积(cm2)；
f-变压器工作频率(kHz)；
Bm-允许的磁通最大变化幅度(G)；
N-变压器的绕组匝数(Ts)；
I-电流强度(A)；
从以上公式可以得出，当输出功率P不变时，变压器工作频率f提高可以使磁芯截面积Ae减小，从而使磁芯体积更小，实现变压器的小型化，节约了原材料等相关资源。
综上所述，现有技术的软磁材料无法满足输出较高的电流，即软磁材料的有较高的饱和磁通密度；再者，现有技术的电感器由于软磁材料性能的限制，电感器窗口面积的利用率较低，而且电感器的体积较大，不满足器件的小型化要求。
再者，随着信息技术的发展，电子变压器朝着小型化、高功率密度等方向发展。而这对应用其关键元器件中的软磁铁氧体材料和变压器的设计提出了更高性能的要求：一方面随着SiC等高频功率开关管的广泛应用，开关电源其元器件向着小型化和模块化方向发展，为了满足器件的小型化，软磁材料使用频率越来越高；另一方面由于高端市场上对电子变压器的工作效率越来越高，这就要求软磁材料具有超低的功率损耗，满足市场对电源整机高效率的要求。同时在变压器设计方面需要提升窗口面积的利用率，提升变压器功率密度，使得整个器件的进一步小型化成为可能。
P＝k1AefBmNI
P-变压器输出功率(W)；
k1-占空比，即最大导通与周期之比，通常取k＝0.4；
Ae-磁芯有效截面积(cm2)；
f-变压器工作频率(kHz)；
Bm-允许的磁通最大变化幅度(G)；
N-变压器的绕组匝数(Ts)；
I-电流强度(A)；
从以上公式可以得出，当输出功率P不变时，变压器工作频率f提高可以使磁芯截面积Ae减小，从而使磁芯体积更小，实现变压器的小型化，能够节约原材料。
综上所述，由于软磁材料性能的限制，现有技术的变压器体积较大，不能够满足器件的小型化要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高频高饱和磁通密度铁氧体制备方法及电感器，本发明制备的高频高饱和磁通密度铁氧体具备较高的饱和磁通密度，能够适用于电感器；再者，采用高频高饱和磁通密度铁氧体制备的电感器和变压器，体积小，满足器件小型化的要求。
为实现上述目的，本发明是通过下列技术方案实现的：
本发明提供了一种高频超高饱和磁通密度锰锌铁氧体材料，包括摩尔份的主成分和副成分，
所述主成分包括Fe2O3:55～57mol％，ZnO：0～3.5mol％，余量为MnO；
所述副成分包括Nb2O5:0.01～0.03wt％、CaCO3:0.02～0.10wt％、V2O5:0.01～0.04wt％、SiO2:0～0.01wt％、Ta2O5:0～0.05wt％、TiO2：0～0.05wt％，Co2O3:0.10～0.25wt％。
作为进一步的改进，所述主成分包括Fe2O3：55～56.5mol％，ZnO：2～3.5mol％，余量为MnO。
一种高频超高饱和磁通密度锰锌铁氧体材料的制备方法，包括以下步骤
1)配料：按照主成分的配方55～57mol％Fe2O3、0～3.5mol％ZnO、余量为MnO的比例进行称量并混合砂磨；
2)预烧：将混合后的粉料进行预烧，得到预烧料；
3)砂磨：将副成分Nb2O5:0.01～0.03wt％、CaCO3:0.02～0.10wt％、V2O5:0.01～0.04wt％、SiO2:0～0.01wt％、Ta2O5:0～0.05wt％、TiO2：0～0.05wt％，Co2O3:0.10～0.25wt％加入步骤2)制得的预烧料中先振磨后再进行二次混合处理，砂磨时间为60～100min；
4)造粒：将砂磨后的料浆烘干后进行造粒；
5)成型：将造粒好的颗粒进行压制得到需要的毛坯；
6)烧结：将毛坯在窑炉中采用二段保温平衡氧分压烧结法，一段预烧结温度为1220～1250℃，保温时间为3～6h，一段为降温段1050～1100℃，保温时间30～80min。
作为进一步的改进，步骤6)中的预烧结温度为1220～1250℃，保温时间为3～5h，其中0～1h氧含量为3.5～4％，后段保温时间氧含量为2.4～3.0％，所述降温段1050℃～1100℃进行二次保温，保温时间为30～60min，氧含量按照平衡氧分压公式计算。
一种电感器，将制得的高频超高饱和磁通密度锰锌铁氧体材料制备电感器。
作为进一步的改进，所述电感器包括两个主体、两个底板和线圈，所述主体内设置有圆形容纳腔，该圆形容纳腔用于线圈的放置，所述线圈的两个端部分别穿过对称设置的底板。
电感器：结合材料的超高饱和磁通密度，产品的直流叠加特性大大改善。同时线包采用无骨架设计，去除了传统电感器内部的线圈骨架，将骨架所占用的空间充分利用起来，大大提升产品的功率密度。
与现有技术相比，本发明高频超高饱和磁通密度锰锌铁氧体材料及其制备方法的有益效果为：通过控制主成分、副成分的组成及含量，结合优化的烧结工艺，最终制备的锰锌铁氧体材料在1MHz 50mT下25℃和100℃功耗小于90kW/m3，100℃下的饱和磁通密度达到460mT以上，使锰锌铁氧体材料能够适应电感器用的需求。
与现有技术相比，本发明电感器的有益效果为：1、高频超高饱和磁通密度锰锌铁氧体材料制备的电感器的直流叠加特性大大改善；2、电感器线包采用无骨架设计，去除了传统电感器内部的线圈骨架，将骨架所占用的空间充分利用起来，有效提升产品的功率密度；3、无骨架设计进一步缩小体积提升功率密度。
与现有技术相比，本发明变压器的有益效果为：1、变压器中中柱气隙为0.3mm，气隙均匀分布在了两个边脚和中柱上，边脚气隙为0.1mm，边脚采用气隙片色设计，上述的结构设计解决了变压器局部损耗过高的问题，同时降低了产品总损耗；2、本发明的变压器的线包采用无骨架设计，去除了传统变压器内部的线圈骨架，将骨架所占用的空间充分利用起来，有效提升产品的功率密度。同时变压器线包采用三明治绕线方式，将初级铜箔55夹在2层次级线圈即次级线圈一54和次级线圈二56之间，将组间耐压从2000VAC提升到3750VAC，降低产品漏感提升EMI特性；3、变压器窗口面积利用率从原来的26％提升到75％，提升了产品功率密度，实现产品小型化，产品体积对比现有技术的变压器减少了20％。
附图说明：
图1为本发明的电感器的立体结构示意图；
图2为本发明的电感器的俯视图；
图3为本发明的电感器的线圈示意图；
图4为本发明的电感器的主体结构示意图；
图5为本发明的电感器的底板结构示意图；
图6为本发明的变压器的立体结构示意图；
图7为本发明的变压器的另一个视角的立体结构示意图；
图8为本发明变压器的固定座一和线包立体结构示意图；
图9为本发明变压器的固定座一立体结构示意图；
图10为本发明变压器的次级线圈和初级铜箔的立体结构示意图；
附图标记说明：
1-电感器，2-线圈，3-底板，4-主体，5-变压器，51-固定座一，52-固定座二，53-容纳腔，54-初级线圈，55-初级铜箔，56-次级线圈，57-针脚，58-引脚58，6-定位柱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图1～5和实施例对本发明作进一步说明：
实施例1
一种高频超高饱和磁通密度锰锌铁氧体材料及电感器的制备方法，铁氧体材料的由主成分和副成分组成，所述主成分为Fe2O3：55.0mol％，ZnO：3.2mol％，余量MnO；副成分Nb2O5：0.02wt％、CaCO3：0.03wt％、V2O5：0.02wt％、TiO2：0.01wt％，Ta2O5:0.01wt％，Co2O3：0.15wt％，以上副成分按Fe2O3、ZnO、MnO的总重量百分比进行计算。
一种高频超高饱和磁通密度锰锌铁氧体材料的制备方法包括如下步骤：
1)配料：按照主配方Fe2O3、ZnO和MnO的比例进行称量并混合砂磨，砂磨时间为15min；
2)预烧：将混合后的粉料进行预烧，预烧温度为900℃，保温2h；
3)砂磨：将添加剂加入预烧料中先振磨后再进行二次混合处理,砂磨时间为80min；
4)造粒：将砂磨后的料浆烘干后进行造粒；
5)成型：将造粒好的颗粒进行压制得到需要的毛坯，
6)烧结：将毛坯在窑炉中采用二段保温平衡气氛烧结法，一段烧结温度为1220～1250℃，保温时间为3～6h，其中前0～1h氧含量为3.5～4％，后面保温时间氧含量为2.4～3.0％；一段在降温段1050～1100℃，保温时间30～80min，氧含量按照平衡氧分压公式计算。
一种电感器：采用高频超高饱和磁通密度锰锌铁氧体材料制备电感器，其中
1)磁芯设计：磁芯采购分段气隙，将原中柱的气隙量分散到2个边脚上，能够减小电感器的局部损耗和总体损耗。
2)线包采用无骨架设计，去除了传统电感器内部的线圈骨架，将骨架所占用的空间充分利用起来，大大提升产品的功率密度。同时整个制程采用自动焊锡夹具等专用保护工装，减少人与产品的直接接触，完全保护针脚，降低品质风险。
实施例2
一种高频超高饱和磁通密度锰锌铁氧体材料及电感器的制备方法，铁氧体材料的由主成分和副成分组成，所述主成分为Fe2O3：55.5mol％，ZnO：2.8mol％，MnO 41.7mol％；副成分Nb2O5：0.02wt％、CaCO3：0.05wt％、V2O5：0.03wt％、TiO2：0.01wt％，Ta2O5:0.01wt％，Co2O3：0.15wt％，以上副成分按Fe2O3、ZnO、MnO的总重量百分比进行计算。
一种高频超高饱和磁通密度锰锌铁氧体材料的制备方法包括如下步骤：
1)配料：按照主配方Fe2O3、ZnO和MnO的比例进行称量并混合砂磨，砂磨时间为15min；
2)预烧：将混合后的粉料进行预烧，预烧温度为900℃，保温2h；
3)砂磨：将添加剂加入预烧料中先振磨后再进行二次混合处理,砂磨时间为80min；
4)造粒：将砂磨后的料浆烘干后进行造粒；
5)成型：将造粒好的颗粒进行压制得到需要的毛坯，
6)烧结：将毛坯在窑炉中采用二段保温平衡气氛烧结法，一段烧结温度为1220～1250℃，保温时间为3～6h，其中前0～1h氧含量为3.5～4％，后面保温时间氧含量为2.4～3.0％；一段在降温段1050～1100℃，保温时间30～80min，氧含量按照平衡氧分压公式计算。
一种电感器：采用高频超高饱和磁通密度锰锌铁氧体材料制备电感器，其中
1)磁芯设计：磁芯采购分段气隙，将原中柱的气隙量分散到2个边脚上，能够减小电感器的局部损耗和总体损耗。
2)线包采用无骨架设计，去除了传统电感器内部的线圈骨架，将骨架所占用的空间充分利用起来，大大提升产品的功率密度。同时整个制程采用自动焊锡夹具等专用保护工装，减少人与产品的直接接触，完全保护针脚，降低品质风险。
实施例3
一种高频超高饱和磁通密度锰锌铁氧体材料及电感器的制备方法，铁氧体材料的由主成分和副成分组成，所述主成分为Fe2O3：55.0mol％，ZnO：3.2mol％，余量MnO；副成分Nb2O5：0.02wt％、CaCO3：0.03wt％、V2O5：0.02wt％、TiO2：0.01wt％，Ta2O5:0.01wt％，Co2O3：0.15wt％，以上副成分按Fe2O3、ZnO、MnO的总重量百分比进行计算。
一种高频超高饱和磁通密度锰锌铁氧体材料的制备方法包括如下步骤：
1)配料：按照主配方Fe2O3、ZnO和MnO的比例进行称量并混合砂磨，砂磨时间为15min；
2)预烧：将混合后的粉料进行预烧，预烧温度为900℃，保温2h；
3)砂磨：将添加剂加入预烧料中先振磨后再进行二次混合处理,砂磨时间为80min；
4)造粒：将砂磨后的料浆烘干后进行造粒；
5)成型：将造粒好的颗粒进行压制得到需要的毛坯，
6)烧结：将毛坯在窑炉中采用二段保温平衡气氛烧结法，一段烧结温度为1220～1250℃，保温时间为3～6h，其中前0～1h氧含量为3.5～4％，后面保温时间氧含量为2.4～3.0％；一段在降温段1050～1100℃，保温时间30～80min，氧含量按照平衡氧分压公式计算。
一种电感器：采用高频超高饱和磁通密度锰锌铁氧体材料制备电感器，其中
1)磁芯设计：磁芯采购分段气隙，将原中柱的气隙量分散到2个边脚上，能够减小电感器的局部损耗和总体损耗。
2)线包采用无骨架设计，去除了传统电感器内部的线圈骨架。
具体为所述电感器1包括两个主体4、两个底板3和线圈2，所述主体1内设置有圆形容纳腔，该圆形容纳腔用于线圈2的放置，所述线圈2的两个端部分别穿过对称设置的底板3。将骨架所占用的空间充分利用起来，大大提升产品的功率密度。同时整个制程采用自动焊锡夹具等专用保护工装，减少人与产品的直接接触，完全保护针脚，降低品质风险。
表1实施例的烧结工艺
实施例 烧结温度及保温时间 氧含量及时间 降温段温度及保温时间
实施例1 1240℃，5h 3.5％@前1h，2.4％@后4h 1060℃，45min
实施例2 1230℃，4h 4％@前1h，2.6％@后3h 1060℃，40min
实施例3 1230℃，5h 4％@前1h，3％@后3h 1100℃，60min
表2实施例的成份配比
Figure GDA0002579346340000071
Figure GDA0002579346340000081
表3实施例磁性能
Figure GDA0002579346340000082
本发明的锰锌铁氧体材料提高了电感器的工作频率，能够适应小型化需求，并且具有超高的饱和磁通密度，满足开关电源及其元器件的高功率密度需求。
本发明的电感器产品，采用了无骨架设计，去除了传统电感器内部的线圈骨架，将骨架所占用的空间充分利用起来。具体为：电感器1包括两个主体4、两个底板3和线圈2，所述主体1内设置有圆形容纳腔，该圆形容纳腔用于线圈2的放置，所述线圈2的两个端部分别穿过对称设置的底板3。
上述电感器1的结构将骨架所占用的空间充分利用，有效提升了产品的功率密度。同时整个制程采用自动焊锡夹具等专用保护工装，减少人与产品的直接接触，完全保护针脚，降低品质风险。
将电感器窗口面积利用率从原来的26％提升到75％，从而极大提升了产品功率密度，实现产品小型化，产品体积减少20％。
电感器性能方面，一方面通过高频超高饱和磁通密度锰锌铁氧体专用材料结合磁芯结构设计，大大降低了电感器功率损耗，工作效率较现有技术的产品提升了0.6％。通过电感器材料及设计的改进，将电源的综合整机效率提升了到了96％以上。
变压器的制备：
1)磁芯设计：磁芯采购分段气隙，将原中柱的气隙量分散到2个边脚上，减小变压器的局部损耗和总体损耗。
2)线包采用无骨架设计，去除了传统变压器内部的线圈骨架，将骨架所占用的空间充分利用起来，大大提升产品的功率密度。同时整个制程采用自动焊锡夹具等专用保护工装，减少人与产品的直接接触，完全保护针脚，降低品质风险。
具体结构如图6～10所示，本发明的变压器5包括固定座一51和固定座二52，所述固定座一51和固定座二52内均设有容纳腔53，容纳腔53由内往外依次设有初级线圈54、初级铜箔55和次级线圈56，所述容纳腔53的两侧分别设有针脚57和引脚58。
更具体的，固定座一51和固定座二52内设有定位柱6，定位柱6与固定座一51的侧壁之间构成了圆环形的容纳腔53，初级线圈一54、初级铜箔55和次级线圈56设于容纳腔53内，其中，次级线圈本体上具备中柱气隙，固定座一51和固定座二52之间分布有边脚气隙。
现有技术的变压器气隙都集中于产品的中柱，导致磁芯中柱的局部损耗很高，本发明的变压器中中柱气隙为0.3mm，气隙均匀分布在了两个边脚和中柱上，边脚气隙为0.1mm，边脚采用气隙片色设计，上述的结构设计解决了变压器局部损耗过高的问题，同时降低了产品总损耗。
现有技术的变压器的线包具有线圈骨架，本发明的变压器的线包采用无骨架设计，去除了传统变压器内部的线圈骨架，将骨架所占用的空间充分利用起来，有效提升产品的功率密度。同时变压器线包采用三明治绕线方式，将初级铜箔55夹在2层次级线圈即初级线圈一54和次级线圈56之间，提升了变压器的组间耐压，将组间耐压从2000VAC提升到3750VAC，降低产品漏感提升EMI特性。
本发明的锰锌铁氧体材料提高了变压器的工作频率，适应小型化需求，并且具有超高的饱和磁通密度，满足开关电源及其元器件的高功率密度需求。变压器产品设计方面，采用无骨架设计，去除了传统变压器内部的线圈骨架，将骨架所占用的空间充分利用起来。将变压器窗口面积利用率从原来的26％提升到75％，从而大大提升了产品功率密度，实现产品小型化，产品体积减少20％。
变压器制备工艺方面，产品采用三层绝缘线和铜箔绕制，其中引线端使用绝缘套管，铜箔采用绝缘胶带隔离，从而有效提升产品耐压及可靠性；同时整个制程采用自动焊锡夹具等专用保护工装，减少人与产品的直接接触，完全保护针脚，降低品质风险。
变压器性能方面，通过将制得的高频超高饱和磁通密度锰锌铁氧体专用材料结合磁芯结构设计，有效降低了变压器功率损耗，工作效率较老产品提升了1.2％。同时磁元件设计方面采用了无骨架设计，有效提升了产品功率密度，工作效率较老产品提升0.8％。
综上所述，通过变压器材料及设计的改进，将电源的综合整机效率提升了到了96.7％，达到国际先进水平。
本发明所描述的具体实施例仅仅是对本发明作举例说明，相关技术领域的专家或技术人员可以对所描述的具体实施例做不同程度的修改，补充或者用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种高频高饱和磁通密度铁氧体的制备方法，其特征在于，高频高饱和磁通密度铁氧体包括摩尔份的主成分和副成分，所述主成分包括Fe2O3:55～57mol％，ZnO：0～3.5mol％，余量为MnO；所述副成分包括Nb2O5:0.01～0.03wt％、CaCO3:0.02～0.10wt％、V2O5:0.01～0.04wt％、SiO2:0～0.01wt％、Ta2O5:0～0.05wt％、TiO2：0～0.05wt％，Co2O3:0.10～0.25wt％；
包括以下步骤
1)配料：按照主成分的配方55～57mol％Fe2O3、0～3.5mol％ZnO、余量为MnO的比例进行称量并混合砂磨；
2)预烧：将混合后的粉料进行预烧，得到预烧料；
3)砂磨：将副成分Nb2O5:0.01～0.03wt％、CaCO3:0.02～0.10wt％、V2O5:0.01～0.04wt％、SiO2:0～0.01wt％、Ta2O5:0～0.05wt％、TiO2：0～0.05wt％，Co2O3:0.10～0.25wt％加入步骤2)制得的预烧料中先振磨后再进行二次混合处理，砂磨时间为60～100min；
4)造粒：将砂磨后的料浆烘干后进行造粒；
5)成型：将造粒好的颗粒进行压制得到需要的毛坯；
6)烧结：将毛坯在窑炉中采用二段保温平衡氧分压烧结法，一段预烧结温度为1220～1250℃，保温时间为3～5h，一段为降温段1050～1100℃，保温时间30～80min，其中0～1h氧含量为3.5～4％，后段保温时间氧含量为2.4～3.0％，所述降温段1050℃～1100℃进行二次保温，保温时间为30～60min，氧含量按照平衡氧分压公式计算。
2.一种电感器，其特征在于，将权利要求1制得的高频高饱和磁通密度铁氧体制备电感器。
3.根据权利要求2所述的电感器，其特征在于，所述电感器包括两个主体、两个底板和线圈，所述主体内设置有圆形容纳腔，该圆形容纳腔用于线圈的放置，所述线圈的两个端部分别穿过对称设置的底板。
4.一种变压器，其特征在于，将权利要求1制得的高频高饱和磁通密度铁氧体制备变压器。
5.根据权利要求4所述的变压器，其特征在于，所述变压器包括固定座一和固定座二，所述固定座一和固定座二内均设有容纳腔，容纳腔由内往外依次设有初级线圈、初级铜箔和次级线圈，所述容纳腔的两侧分别设有针脚和引脚。
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