CN1114217C - 具有分布气隙的扼流圈 - Google Patents
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Abstract
一种具有带分布气隙的磁芯的扼流圈。该磁芯由铁基的快速固化的金属构成。通过退火处理使非晶金属部分晶化以形成该分布气隙构造。由于退火处理，磁芯的非晶金属合金被部分纯晶超过10%的体积，并且在10千赫下具有导磁率为100-400，低的磁芯损耗(即在100千赫和0.1特斯拉下小于70瓦/公斤)，以及优异的DC偏置性能(即在3980安/米的DC偏置磁场或50奥斯特下维持起始导磁率的至少40%)。
Description
技术领域
本发明涉及一种供扼流圈使用的带分布气隙的非晶金属磁芯，更具体地说涉及一种用于对非晶磁芯退火以在其中形成分布气隙的方法。
背景技术
扼流圈是一种储能电感。对于环形电感储存的能量W＝1/2[(B2AcIm)/(2μoμr)]，其中B是磁通密度，Ac是磁芯的有效导磁面积，Im是平均磁路长度，μo是自由空间的导磁率，μr是材料的相对导磁率。
通过在环形磁芯中形成小的气隙，使在气隙中的磁通保持与在铁磁材料芯中相同。然而，由于空气的导磁率(μ～1)明显低于通常铁磁材料的导磁率(μ～几千)，在气隙中的磁场强度(H)远高于在磁芯的其余部分中的磁场强度(H＝B/μ)。在磁场中单位体积存储的能量是W＝1/2(BH)，表明其主要集中在气隙。换句话说，由于形成气隙使磁芯的存储能量的能力提高了。气隙可以是分散或分布的。通过利用非磁性粘接剂将铁磁粉末粘接在一起或通过使非晶合金部分晶化可以形成分布的气隙。在第二种情况下，铁磁结晶相是分开的或由非磁基质所环绕。这种部分晶化机理可以结合本发明的扼流圈采用。
基于铁基非晶磁芯退火原理形成扼流圈在GB 2117979A和US P4812181中已经作过描述。在US专利4812181中介绍了一种通过使铁基非晶磁芯长时间地(长于10小时)在410℃以上的温度下退火以实现平直磁化回路的方法。所公开的方法包含使非晶带材的表面晶化的步骤，因此，在该带材的非晶总体上施加了应力。
在GB 2117979A中，在对铁基非晶磁芯进行热处理的基础上制成一种扼流圈。最大导磁率降低到原有数值的1/50到1/30之间(由于这种处理使最大导磁率40000变为约800到1300)，并且非晶磁芯呈现一定程度的晶化，就体积而言不超过10％。
IEEE磁学学报，MAG-20(1984，9月)第5期第2篇，美国纽约，第1415-1416页上讨论了一些供扼流圈和电感器使用的Fe-B基非晶合金的进展。这一著作指出导磁率达到200，但在高频损耗特性方面却有所损失。
欧洲专利申请EP-A-513-385公开一些铁基软磁合金，其需要铝，故阻碍生成Fe-B结晶。
对于笔记本计算机或其它小型器件的电源应用场合，需要一种具有很低导磁率(100-300)、很低磁芯损耗、高饱和磁化强度的很小尺寸的扼流圈，其可维持高DC偏置磁场。
发明内容
本发明提供外径约8到45毫米的扼流圈，导磁率范围为100到400，并具有低的磁芯损耗(在100千赫和0.1特斯拉下小于70瓦/公斤)。最好，在DC偏置下能维持磁化特性(在3980安/米或50奥斯特的DC偏置磁场下至少维持起始导磁率的40％)。
此外，本发明提供一种以可控方式对Fe基非晶合金热处理的方法，以使非晶态带材总体部分晶化并在磁芯中产生微气隙。由于形成分布气隙，实现了上述特性。
更具体地说，根据本发明确定一种在结晶度和导磁率数值之间的独特的相关关系。为了达到范围为100到400的导磁率，需要使非晶磁芯的总体晶化，其程度最好为磁芯体积的10-25％的量级。
此外，本发明要求一定的退火温度和时间参数，以及这些参数的控制范围，以便得到所需的扼流圈特性。
一个解决方案可以是：非晶金属合金为Fe80B11Si9，退火温度可为约425℃，以及所述退火时间为约6-8小时。
作为另一个解决方案，本发明的非晶金属合金也可以是Fe80B12Si8，退火温度可约为455℃，退火时间可约为4小时。
作为另一个解决方案，本发明的所述反应被选定以使所述部分结晶导致其中形成α-Fe和Fe2B结晶。
附图说明
参照如下详细介绍和附图，会更充分地理解本发明，其它的优点也会变得很明显，其中：
图1是表示磁芯导磁率和退火温度之间的关系的曲线图；不同的曲线代表具有不同晶化温度的材料；
图2是表示不同退火时间下，磁芯导磁率和退火温度之间的关系曲线图；
图3是表示为达到几度范围内的温度均匀性的磁芯退火用装载结构的示意图。
图4是表示作为DC偏置磁场和频率函数的磁芯中按瓦/公斤计的磁芯损耗的曲线图；
图5是表示在各种DC偏置磁场条件下磁芯的导磁率的曲线图；
图6是表示在退火后典型的断面式扫描电子显微镜(SEM)图；以及
图7是表示作为晶体度体积百分率函数的导磁率曲线。
具体实施方式
图1表示作为退火温度函数的经退火的Fe基磁芯的导磁率。该导磁率是利用电感电桥在10千赫频率8匝耦合器和100毫伏交流励磁条件下测量的。退火时间保持不变为6小时。所有的磁芯在惰性气氛下进行退火。不同的曲线表示化学成分稍有变化因而晶化温度也有微小变化的铁基合金。晶化温度是利用差分扫描式量热器(DSC)测量的。对于恒定的退火时间可观察到随退火温度增加而使导磁率降低。对于指定的退火温度，从按晶化温度标度的各导磁率看，具有最高晶化温度的合金的导磁率最高。
图2表示作为退火温度函数的具有相同化学成分的经退火的铁基磁芯的导磁率。不同的曲线代表不同的退火时间。该曲线表明，对于高于450℃的温度，退火温度的影响超过退火时间的影响。
在图1和2所示信息的基础上，可选定Fe-B-Si基非晶合金合适的热处理温度和时间的组合参数。倘若已知结晶温度(Tx)和/或合金的化学成分，就可以进行这种选择。例如，对于Tx＝507℃的Fe80B11Si9，为了达到范围为100到400的导磁率，退火温度范围在420到425℃，退火时间为6小时是合适的。
再来参阅图1，当温度变化维持小于1或2℃时，对于指定的导磁率数值可实现良好的重现性和均匀性。对退火工艺已开发研究了各种专用装载结构，使得能在加热炉中产生良好的均匀性和重现性。对于一种箱式惰性气体加热炉，按照图3所示叠放各Al线网板(2)，并将该装置置于加热炉的中心。该Al板是在退火过程中安放磁芯(1)的底板。
在图4和5中表示了关于扼流圈的典型磁化特性数据例如磁芯损耗以及DC偏置参数。磁芯损耗数据是按照DC偏置磁场的函数绘制的，不同的曲线代表不同的测量频率。所示数据是针对外径为25毫米的磁芯。扼流圈性能的一个重要参数是当利用DC偏置磁场激励磁芯时维持的起始导磁率的百分值。图5表示对于外径35毫米的磁芯的典型的DC偏置曲线。
利用断面式扫描电子显微镜(SEM)和x射线衍射(XRD)对经退火的磁芯的晶化分布和百分率进行测定。图6表示典型的断面式SEM，显示出合金总体和表面的晶化。这易于与在美国专利4812181中所描述的仅表面结晶的方法相区别。
利用SEM和XRD两者的数据曾测定结晶的体积百分率，并且在图7中作为导磁率的函数将其绘出。对于范围在100到400的导磁率，需要5-30％的体积结晶度。
上面已对本发明进行了相当全面详细的描述，应理解，这些细节并不需要严格遵守，本领域技术人员可作进一步变更和改进，只要与权利要求所限定的本发明的范围相一致。
Claims (9)
1.一种生产扼流圈的方法，所述扼流圈具有磁芯，所述磁芯由铁基非晶金属合金构成，且具有分布气隙，所述生产扼流圈的方法包括：
在一选定的温度和时间下，在保护气氛中将所述扼流圈退火，以使磁芯的非晶金属合金被部分结晶超过10％的体积，并具有在10千赫下为100-400的导磁率。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述非晶金属合金是Fe80B11Si9，所述退火温度为425℃，以及所述退火时间为6-8小时。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述非晶金属合金是Fe80B12Sig，所述退火温度为455℃，所述退火时间为4小时。
4.如权利要求1的方法，其中所述退火步骤是在无磁场的条件下进行的。
5.如权利要求1的方法，其中在所述退火步骤期间，所述温度的变化被控制在2-5摄氏温度。
6.如权利要求5所述的方法。其中所述退火步骤是在箱型对流加热炉中进行的。
7.如权利要求1的方法，其中所述磁芯的非晶金属合金被部分结晶，结晶体积是10-25％。
8.如权利要求1的方法，其中所述反应被选定以使所述部分结晶导致其中形成α-Fe和Fe2B结晶。
9.如权利要求1的方法，包含以薄的高温树脂涂敷所述磁芯的步骤，所述树脂将所述磁芯电绝缘并维持磁芯的整体性。
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