CN111656464A - 铁氧体磁芯和包含所述铁氧体磁芯的线圈部件 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的一个实施方式的铁氧体磁芯包含：多个晶粒，所述多个晶粒含有30摩尔％‑40摩尔％的Mn、5摩尔％‑15摩尔％的Zn和50摩尔％‑60摩尔％的Fe；以及在所述多个晶粒之间的多个晶界，其中所述多个晶粒和所述多个晶界含有Co、Ni、SiO2、CaO和Ta2O5，其中在所述多个晶粒内部Co和Ni的含量是在所述多个晶界中Co和Ni的含量的至少两倍，其中在所述多个晶界中SiO2、CaO和Ta2O5的含量是在所述多个晶粒内部SiO2、CaO和Ta2O5的含量的至少两倍，并且其中所述铁氧体磁芯具有3000以上的磁导率和800以下的磁芯损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁氧体磁芯，更具体地，涉及一种铁氧体磁芯和包含所述铁氧体磁芯的线圈部件。
背景技术
随着车辆相关技术的发展，对车辆电气部件的技术的关注正在增长。车辆电气部件的技术主要可以分为车辆半导体技术、远程信息处理技术、车辆显示技术、电池技术、电动机技术、相机模块技术等。车辆电气部件可以包括电感器、扼流线圈、变压器、电动机、直流(DC)/DC转换器用变压器、电磁干扰(EMI)屏蔽构件等，并且车辆电气部件可能必定包括线圈部件，所述线圈部件包含铁氧体磁芯和线圈。
一般，铁氧体磁芯所需的磁性能是高磁导率和低磁芯损耗。为了获得所述磁性能，铁氧体磁芯用组合物在铁氧体磁芯中包含的主要材料的基础上，还可以包含各种添加剂。
然而，一些添加剂用于改善铁氧体磁芯的磁性能，但是可能会增加铁氧体磁芯中晶粒之间的晶界。当在铁氧体磁芯中晶粒之间的晶界增加时，铁氧体磁芯的强度和成形性会降低，因此，存在铁氧体磁芯的可靠性降低的问题。
发明内容
[技术问题]
本发明旨在提供一种具有优异的磁性能和成形性的铁氧体磁芯和包含所述铁氧体磁芯的线圈部件。
[技术方案]
本发明的一个方面提供了一种铁氧体磁芯，包含多个晶粒，所述多个晶粒包含30摩尔％至40摩尔％的Mn、5摩尔％至15摩尔％的Zn和50摩尔％至60摩尔％的Fe；以及位于所述多个晶粒之间的多个晶界，其中所述多个晶粒和所述多个晶界包含Co、Ni、SiO2、CaO和Ta2O5，所述多个晶粒中Co和Ni的含量是所述多个晶界中Co和Ni的含量的两倍以上，所述多个晶界中SiO2、CaO和Ta2O5的含量是所述多个晶粒中SiO2、CaO和Ta2O5的含量的两倍以上，磁导率是3000以上，并且磁芯损耗是800以下。
所述多个晶粒和所述多个晶界还可以包含Nb2O5和V2O5，并且与所述多个晶粒中Nb2O5和V2O5的含量相比，Nb2O5和V2O5可以以更高的含量分布在所述多个晶界中。
可以包含1ppm至200ppm的SiO2。
可以包含50ppm至150ppm的SiO2。
可以包含1500ppm至5500ppm的Co。
可以包含300ppm至500ppm的Ni。
可以包含400ppm至600ppm的CaO。
可以包含400ppm至600ppm的Ta2O5。
可以包含250ppm至400ppm的Nb2O5。
可以包含400ppm至600ppm的V2O5。
所述多个晶粒之间的平均间距可以在0.5μm至3μm的范围内。
所述多个晶粒之间的平均间距可以在1μm至2μm的范围内。
所述多个晶粒的平均粒径可以在3μm至16μm的范围内。
所述多个晶粒的平均粒径可以在7μm至12μm的范围内。
本发明的一个方面提供了一种线圈部件，包含Mn-Zn类铁氧体磁芯和卷绕在所述Mn-Zn类铁氧体磁芯周围的线圈，其中所述Mn-Zn类铁氧体磁芯包含多个晶粒，所述多个晶粒包含30摩尔％至40摩尔％的Mn、5摩尔％至15摩尔％的Zn和50摩尔％至60摩尔％的Fe；以及位于所述多个晶粒之间的多个晶界，所述多个晶粒和所述多个晶界包含Co、Ni、SiO2、CaO和Ta2O5，所述多个晶粒中Co和Ni的含量是所述多个晶界中Co和Ni的含量的两倍以上，所述多个晶界中SiO2、CaO和Ta2O5的含量是所述多个晶粒中SiO2、CaO和Ta2O5的含量的两倍以上，磁导率是3000以上，并且磁芯损耗是800以下。
[有益效果]
根据本发明的实施方式，能够获得具有高磁导率和低磁芯损耗的铁氧体磁芯。特别是，根据本发明的实施方式的铁氧体磁芯能够具有优异的磁性能，如磁导率和磁芯损耗、高强度以及优异的成形性和机械加工性。根据本发明的实施方式的铁氧体磁芯可以多样地应用于车辆或工业应用。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个实施方式的线圈部件的一个实例的图。
图2是示出根据本发明的一个实施方式的铁氧体磁芯的一部分的放大图。
图3是根据本发明的一个实施方式的铁氧体磁芯的由光学显微镜拍摄的图像。
图4是根据本发明的一个实施方式的铁氧体磁芯中的一些添加剂的含量分布图。
图5是根据本发明的一个实施方式的铁氧体磁芯中的其余添加剂的含量分布图。
图6是示出根据本发明的一个实施方式的铁氧体磁芯的制造方法的流程图。
图7是实施例3、实施例4、比较例1和比较例2的由光学显微镜拍摄的一组图像。
具体实施方式
由于本发明允许多种变化和许多实施方式，因此将在附图中示出并且在书面描述中详细描述特定实施方式。然而，这不旨在将本发明限于特定的实施方式，并且应当了解的是，不脱离本发明的主旨和技术范围的所有变化、等同方案和替代方案均涵盖在本发明中。
尽管在本文中可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种要素，但是这些要素不应当受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个要素与另一个要素。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一要素可以被称作第二要素，并且第二要素可以类似地被称作第一要素。如本文所用的术语“和/或”包括多个相关的所列项目的组合或任一个。
应当了解的是，当一个要素被称为与另一个要素“连接”或“联接”时，它可以与另一个要素直接连接或联接或可以存在居间要素。相反，当一个要素被称为与另一个要素“直接连接”或“直接联接”时，不存在居间要素。
在本文中用于描述本发明的实施方式的术语不旨在限制本发明的范围。除非上下文另外明确表示，否则本说明书中所用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”也旨在包括复数形式。应当了解的是，当在本文中使用时，术语“包含”、“包含着”、“包括”和/或“包括着”指明所述特征、数字、步骤、操作、要素、部件或其组合的存在，但是不排除一个以上其它特征、数字、步骤、操作、要素、部件或其组合的存在或添加。
除非另外定义，否则本文所用的包括技术术语和科学术语的所有术语所具有的含义与本发明所属领域的技术人员一般所理解的含义相同。除非在本文中如此明确定义，否则在一般使用的词典中定义的术语被解释为包括与相关技术的上下文含义相同的含义，但是不被解释为理想化的或在过于形式的意义上被解释。
在下文中将参照附图更详细地描述本发明的实施方式。彼此相同或对应的部件由相同的附图标记表示而与附图编号无关，并且将省略多余的描述。
图1是示出根据本发明的一个实施方式的线圈部件的一个实例的图。
参照图1，线圈部件100包含铁氧体磁芯110和卷绕在铁氧体磁芯110周围的线圈120。在这种情况下，铁氧体磁芯110可以具有环形形状，并且线圈120可以包含卷绕在铁氧体磁芯110周围的第一线圈122和卷绕在铁氧体磁芯110周围以与第一线圈122对称的第二线圈124。第一线圈122和第二线圈124可以卷绕在具有环形形状的铁氧体磁芯110的上表面S1、外周表面S2、下表面S3和内周表面S4上。用于将铁氧体磁芯110与线圈120绝缘的线轴(未图示)可以进一步设置于铁氧体磁芯110与线圈120之间。线圈120可以形成为表面涂有绝缘材料的导线。所述导线可以由表面涂有绝缘材料的铜、银、铝、金、镍、锡等形成，并且导线的横截面可以具有圆形或方形。
根据本发明的实施方式的线圈部件可以多样地应用于例如电感器、扼流线圈、变压器、电动机、直流(DC)/DC用变压器和电磁干扰(EMI)屏蔽罩，但是不限于此，并且可以多样地应用于车辆和工业应用。
在这种情况下，示出了线圈部件，其中一对线圈对称地卷绕在具有环形形状的铁氧体磁芯周围，但是不限于此。
根据本发明的实施方式的铁氧体磁芯可以应用于周围卷绕有线圈的具有各种形状的线圈部件。
根据本发明的一个实施方式的铁氧体磁芯110可以是包含Mn、Zn和Fe的Mn-Zn类铁氧体磁芯。
图2是示出根据本发明的一个实施方式的铁氧体磁芯的一部分的放大图，图3是根据本发明的一个实施方式的铁氧体磁芯的由光学显微镜拍摄的图像，图4是图3的区域A中的根据本发明的一个实施方式的铁氧体磁芯中的一些添加剂的含量分布图，并且图5是图3的区域B中的根据本发明的一个实施方式的铁氧体磁芯中的其余添加剂的含量分布图。
参照图2和图3，根据本发明的一个实施方式的铁氧体磁芯110包含含有Mn、Zn和Fe的晶粒200和位于所述晶粒之间的晶界210。在这种情况下，基于Mn、Zn和Fe的总含量，晶粒200可以包含30摩尔％至40摩尔％、优选地33摩尔％至39摩尔％、更优选地35摩尔％至38摩尔％的Mn；5摩尔％至15摩尔％、优选地7摩尔％至13摩尔％、更优选地9摩尔％至11摩尔％的Zn；和50摩尔％至60摩尔％、优选地51摩尔％至57摩尔％、更优选地52摩尔％至54摩尔％的Fe。
此外，根据本发明的一个实施方式的铁氧体磁芯110还可以包含Co、Ni、SiO2、CaO和Ta2O5。此外，根据本发明的一个实施方式的铁氧体磁芯110还可以进一步包含Nb2O5和V2O5。
在根据本发明的一个实施方式的铁氧体磁芯110中，晶粒200的组成可以与晶界210的组成不同。特别是，晶粒200中Co、Ni、SiO2、CaO和Ta2O5中的至少一种的含量可以与晶界210中Co、Ni、SiO2、CaO和Ta2O5中的至少一种的含量不同。此外，晶粒200中Nb2O5和V2O5中的至少一种的含量可以与晶界210中Nb2O5和V2O5中的至少一种的含量不同。在本说明书中，Co、Ni、SiO2、CaO、Ta2O5、Nb2O5和V2O5被描述为存在于晶粒200和/或晶界210中，但是可以被描述为分别以Co、Ni、Si、Ca、Ta、Nb和V的形式存在于其中。
参照图4和图5，Co和Ni可以以与在位于晶粒200之间的晶界210中的含量相比更高的含量分布在晶粒200中，并且SiO2、CaO和Ta2O5可以以与在晶粒200中的含量相比更高的含量分布在位于晶粒之间的晶界210中。此外，Nb2O5和V2O5也可以以与在晶粒200中的含量相比更高的含量分布在位于晶粒之间的晶界210中。例如，Co和Ni可以以在位于晶粒200之间的晶界210中的含量的两倍以上的含量分布在晶粒200中，并且SiO2、CaO和Ta2O5可以以在晶粒200中的含量的两倍以上的含量分布在位于晶粒之间的晶界210中。此外，Nb2O5和V2O5也可以以在晶粒200中的含量的两倍以上的含量分布在位于晶粒之间的晶界210中。在这种情况下，所述含量可以指的是重量比、体积比、摩尔比和百万分率(ppm)中的至少一种。
在这种情况下，在晶粒200中Co2+可以被Fe2+置换。因此，晶粒200中Co的含量可以高于其在晶界210中的含量，由于所述含量而可以改善铁氧体磁芯110的磁导率的温度依赖性，并且可以通过所述含量来控制磁各向异性。
此外，由于晶粒200中的Ni代替了铁氧体磁芯110的Zn，因此晶粒200中Ni的含量可以高于其在晶界210中的含量，并且Fe2O3的含量由于Ni而相对增加。因此，开始发生磁芯损耗的最低温度可以提高。
接下来，SiO2可以改善磁性能，移动穿过晶界210，并且诱导晶粒200的生长。然而，在晶粒200中可以包含1ppm至200ppm、优选地50ppm至150ppm的SiO2。当在其中包含200ppm以上的SiO2时，晶粒200可能会过度生长，从而晶粒200的平均粒径会变得过大，晶粒之间的间隔即位于晶粒200之间的晶界210的长度也可能会变大。因此，铁氧体磁芯的强度可能会减弱，其磁导率可能会降低，并且其损耗可能会增加。
接下来，CaO可以改善铁氧体磁芯110的高频响应。此外，由于CaO存在于晶界210中，因此CaO用于减少其磁滞损耗。
接下来，V2O5在晶界210上形成液膜以用于抑制晶粒200的生长，从而能够减少其涡流损耗。
接下来，当Ta2O5存在于晶界210中时，Ta2O5可以增加晶界的阻力并且用于抑制晶粒200的过度生长。
此外，当将SiO2和CaO一起使用时，CaO在晶界210中析出而增加晶界210的阻力，从而用于抑制晶粒200的过度生长。
如上文所述，V2O5、Ta2O5和SiO2+CaO用于抑制晶粒200的过度生长，结果，能够减少涡流损耗。
此外，在其中将SiO2和CaO与Ta2O5一起使用的情况下，Ta2O5帮助CaO在晶界210中均匀分布，从而能够减少磁滞损耗。在这种情况下，Ta2O5可以用Nb2O5或ZrO2代替，并且Nb2O5或ZrO2也可以发挥与Ta2O5相同的功能，从而能够减少铁氧体磁芯110的磁滞损耗。
如上文所述，在用于控制晶粒生长的CaO、V2O5、Ta2O5和SiO2以与在晶粒中的含量相比更高的含量分布在晶界中的情况下，能够抑制晶粒的过度生长，能够控制晶粒的粒径，能够减小晶界、即晶粒之间的间距，并且能够减少涡流损耗和磁滞损耗。
进一步参照图2和图3，铁氧体磁芯110中晶粒200之间的平均间隔，即晶粒200之间的平均间距d可以在0.5μm至3μm的范围内并且优选地在1μm至2μm的范围内，并且晶粒200的平均粒径D可以在3μm至16μm的范围内并且优选地在7μm至12μm的范围内。在晶粒200之间的平均间距d和晶粒200的平均粒径D满足上述值范围的情况下，能够获得磁导率高，磁芯损耗低，并且成形性、机械加工性和强度优异，从而可靠性高的铁氧体磁芯。
在本说明书中，晶粒之间的间隔可以与晶粒之间的距离、晶界、晶界的距离、晶界的直径、晶界的间隔等一起使用。
图6是示出根据本发明的一个实施方式的铁氧体磁芯的制造方法的流程图。
参照图6，将原料、CoO和NiO混合(S600)。在这种情况下，所述原料可以包含纯度为99％以上的Fe2O3、Mn3O4和ZnO，并且可以使用球磨机将原料、CoO和NiO以20rpm至30rpm并且优选地以约24rpm混合12小时至24小时并且优选地混合约18小时。在这种情况下，可以以1500ppm至5500ppm，优选地以2500ppm至3500ppm，更优选地以3000ppm至4000ppm向其中添加CoO，并且可以以300ppm至500ppm，更优选地以350ppm至450ppm向其中添加NiO。
接下来，对混合的原料、CoO和NiO进行煅烧工序(S602)。在这种情况下，可以将混合的原料、CoO和NiO以约3.33℃/分钟的升温速率处理4小时至6小时、优选地约5小时，使得其最高温度是900℃至1000℃，优选地是约950℃。可以改善通过煅烧工序混合的原料、CoO和NiO的密度。
接下来，制造浆料(S604)。为此，可以将进行了煅烧工序的粉末与溶剂、粘合剂和分散剂混合并且搅拌10小时以上。在这种情况下，所述溶剂可以是蒸馏水，并且所述粘合剂可以是聚乙烯醇。所述粉末可以包含约1重量％的粘合剂和约0.1重量％至0.3重量％的分散剂。
接下来，进行喷雾干燥工序(S606)。为此，可以将浆料连续地输入到腔室中，并且可以使用旋转雾化器和喷雾干燥器进行喷雾干燥工序。在这种情况下，所述腔室的入口温度可以是约160℃并且出口温度可以是约100℃，当腔室的直径是约1500mm时，可以将浆料以12kg/小时的速率注入到腔室中，并且可以将旋转雾化器的速度设置为约7000rpm。当进行喷雾干燥工序时，粒子可以被造粒成球形。
接下来，混合另外的添加剂(S608)。在这种情况下，所述另外的添加剂可以包含SiO2、CaO和Ta2O5。此外，所述另外的添加剂还可以进一步包含Nb2O5和V2O5。在这种情况下，可以添加1ppm至200ppm、优选地50ppm至150ppm的SiO2，可以添加400ppm至600ppm、优选地450ppm至550ppm的CaO，并且可以添加400ppm至600ppm、优选地450ppm至550ppm的Ta2O5。此外，可以添加250ppm至450ppm、优选地300ppm至400ppm的Nb2O5，并且可以添加400ppm至600ppm、优选地450ppm至550ppm的V2O5。
接下来，将磁芯成形并且烧结(S610)。为此，磁芯可以用每单位面积4吨至5吨的压力成形并且在最大1360℃的温度下成形6小时。
接下来，可以进一步进行表面抛光工序等。
在通过这样的工序制造铁氧体磁芯的情况下，由于晶粒中CoO和NiO的含量可以是高的，并且晶界中CaO、V2O5、Ta2O5和SiO2的含量可以是高的，因此能够获得如下铁氧体磁芯，使得能够控制晶粒的直径和晶粒之间的距离并且所述铁氧体磁芯具有高强度、高磁导率和低损耗。
在下文中，将参照实施例和比较例给出更详细的描述。
为了制造根据实施例和比较例的铁氧体磁芯，分别以36.3摩尔％、10摩尔％和53.5摩尔％添加Mn、Zn和Fe作为原料，根据下表1调节另外的添加剂的量，并且进行图6的制造方法。
[表1]
表2示出了根据实施例和比较例的的各铁氧体磁芯的磁导率和磁芯损耗的测量结果，并且表3示出了实施例3和比较例1的各铁氧体磁芯的强度的测量结果，并且图7是实施例3、实施例4、比较例1和比较例2的铁氧体磁芯的由光学显微镜拍摄的一组图像。
[表2]
[表3]
| 实验编号 | 强度(N) |
| 实施例3 | 910 |
| 比较例1 | 750 |
参照表1和表2，根据本发明的实施方式，能够获得磁导率是3000以上并且损耗是800以下的Mn-Zn类铁氧体磁芯。特别是，在如实施例3中那样进一步添加Nb2O5和V2O5作为添加剂的情况下，损耗能够降低到500以下。
参照表1和表3，使用万能试验机(UTM)在970N的最大载荷和30mm/分钟的速度的条件下测量强度，并且可以看到实施例3的强度大于比较例1的强度。
此外，参照图7，可以看到，实施例3和实施例4各自中的晶界，即晶粒之间的间距小于比较例1和比较例2各自中的晶粒之间的间距。也就是说，在如实施例3和实施例4中那样将SiO2的含量限制为1ppm至200ppm的情况下，可以防止晶粒的过度生长，从而可以将晶粒的平均粒径控制到3μm至16μm范围内的水平，并且可以将晶粒之间的平均间距减小到0.5μm至3μm范围内的水平，由此，可以获得更高的磁导率和更低的磁芯损耗。特别是，在将SiO2的含量限制为50ppm至150ppm的情况下，可以进一步减小晶粒之间的平均间距，由此，可以看到，磁芯损耗进一步降低。
尽管已经参照本发明的示例性实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员应当了解的是，可以在不脱离如由所附权利要求所限定的本发明的主旨和范围的情况下在其中进行各种变化。
Claims (10)
1.一种铁氧体磁芯，包含：
多个晶粒，所述多个晶粒包含30摩尔％至40摩尔％的Mn、5摩尔％至15摩尔％的Zn和50摩尔％至60摩尔％的Fe；以及
位于所述多个晶粒之间的多个晶界，
其中所述多个晶粒和所述多个晶界包含Co、Ni、SiO2、CaO和Ta2O5，
所述多个晶粒中所述Co和所述Ni的含量是所述多个晶界中所述Co和所述Ni的含量的两倍以上，
所述多个晶界中所述SiO2、所述CaO和所述Ta2O5的含量是所述多个晶粒中所述SiO2、所述CaO和所述Ta2O5的含量的两倍以上，
磁导率是3000以上，并且
磁芯损耗是800以下。
2.根据权利要求1所述的铁氧体磁芯，其中：
所述多个晶粒和所述多个晶界还包含Nb2O5和V2O5；并且
与所述多个晶粒中所述Nb2O5和所述V2O5的含量相比，所述Nb2O5和所述V2O5以更高的含量分布在所述多个晶界中。
3.根据权利要求1所述的铁氧体磁芯，其中包含1ppm至200ppm的所述SiO2。
4.根据权利要求3所述的铁氧体磁芯，其中包含50ppm至150ppm的所述SiO2。
5.根据权利要求1所述的铁氧体磁芯，其中所述多个晶粒之间的平均间距在0.5μm至3μm的范围内。
6.根据权利要求5所述的铁氧体磁芯，其中所述多个晶粒之间的平均间距在1μm至2μm的范围内。
7.根据权利要求5所述的铁氧体磁芯，其中所述多个晶粒的平均粒径在3μm至16μm的范围内。
8.根据权利要求7所述的铁氧体磁芯，其中所述多个晶粒的平均粒径在7μm至12μm的范围内。
9.一种线圈部件，包含：
Mn-Zn类铁氧体磁芯；和
卷绕在所述Mn-Zn类铁氧体磁芯周围的线圈，
其中所述Mn-Zn类铁氧体磁芯包含多个晶粒，所述多个晶粒包含30摩尔％至40摩尔％的Mn、5摩尔％至15摩尔％的Zn和50摩尔％至60摩尔％的Fe；以及位于所述多个晶粒之间的多个晶界，
所述多个晶粒和所述多个晶界包含Co、Ni、SiO2、CaO和Ta2O5，
所述多个晶粒中所述Co和所述Ni的含量是所述多个晶界中所述Co和所述Ni的含量的两倍以上，
所述多个晶界中所述SiO2、所述CaO和所述Ta2O5的含量是所述多个晶粒中所述SiO2、所述CaO和所述Ta2O5的含量的两倍以上，
磁导率是3000以上，并且
磁芯损耗是800以下。
10.根据权利要求9所述的线圈部件，其中：
所述多个晶粒之间的平均间距在0.5μm至3μm的范围内；并且
所述多个晶粒的平均粒径在3μm至16μm的范围内。
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