CN1441446A

CN1441446A - 压粉磁心及采用该磁心的扼流器

Info

Publication number: CN1441446A
Application number: CN 02106568
Authority: CN
Inventors: 藤原照彦; 石井政义; 斋藤义孝
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-09-10

Abstract

准备具有硅为3.0～8.0重量％，氧为0.1～1.0重量％，锰、铝、钒、铬、钛中至少一种合计为0～2.0重量％(但不包括0)，其余为铁的组成，并且粒径实质上为150μm以下的合金粉末。在这种合金粉末中混合粘结剂，用金属模具压缩成形。因此，获得20kHz时的交流导磁率在直流外加磁场为12000A/m时是20以上，铁损特性在20kHz、0.1T的条件下为1000kW/m³以下，磁饱和为10000G以上，并且顽磁力为3.00e以下的压粉磁心。

Description

压粉磁心及采用该磁心的扼流器

技术领域

本发明涉及一种可搭载在开关电源上的扼流器，以及适用于其中的压粉磁心。

背景技术

今年来，省能，二氧化碳气体的增加所引起的地球温暖化的问题日益严重，所以一般家用电器制品和工业用机器中省能的对策快速地发展。通常，作为耗电量大，实施省能对策的优先度高的是空调、冰箱等使用马达的设备，以及照明器具等。

为了促进这种制品的省能化，要求采用高效率的马达和电路高效率化。电路中功率大的问题是将50/60Hz的交流输入直流化的电源部，为了改善其效率，今年来工业用机器及一般家用电器制品中开关电源的普及飞速发展。

但是，采用开关电源时，因电源波形的失真而产生高次谐波电流。作为其对策，提出了各种电路方式，例如可列举出扼流圈输入方式，整体转换器方式，有源滤波器方式等，但在任一方式中为了扩大电流的导通角均使用扼流器。

这种扼流器所要求的特性除了电感值之外，还要求高变换效率，无可听区域的拍音，温度上升小，小型轻量，低成本等。达到这些特性的方法分别有多种，但作为能够同时解决的最有效的手段，可考虑将开关电源的开关频率升高到例如10kHz以上的高值。在这种情况下，使用的扼流器中采用的材料非常重要，需要高频下损耗低，而且在额定电流下高导磁率的材质。

实际上，高频用铁氧体材料的商品化对小容量的开关电源的高频化作出了很大贡献是公知的事实。

另一方面，大容量的开关电源中使用的扼流器中，除了上述特性之外，直流叠加特性也非常重要，所以不能使用磁饱和低的铁氧体材料，而只能使用其他的材料。但是，由于一般的硅钢片在高频下铁损很大而不能使用，而且，即使是高硅钢片，当超过20kHz时，铁损急剧增大和导磁率明显劣化，所以被限定在使用频率为20kHz以下。而且，非晶态材料由于要使用高价的硼，以及需要特殊的制造设备，所以成本增加，并且由于磁畸变大，不可避免地产生可听区域的拍音，所以不能说是最合适的材料。

与此相比，压粉磁心具有良好的频率特性，虽然存在初导磁率低的缺点，但另一方面通过降低初导磁率，直流叠加特性，具体地说直流外加磁场为4000A/m附近的导磁率良好，所以铁损也比较低。但是，由于扼流器所要求的直流叠加特性是12000A/m附近的高磁场，而且铁损特性也很重要，所以现有的压粉磁心的特性不能与之对应。

作为一般的改善直流叠加特性的方法，可考虑通过提高磁心的磁饱和和在磁路的一部分上设置空隙等。例如，特开平2-290002号公报中描述了一种使用磁饱和高的硅-铁合金粉末的压粉磁心。但是，特开平2-290002号公报只不过是仅对初导磁率和频率特性的改善进行了描述，对直流叠加特性、铁损的改进均未公开。结果，现有的大容量开关电源是将开关频率限定在20kHz以下，并且是使用在叠层高硅钢片的磁心上卷绕磁性线而成的扼流器。

今后，省能，减少二氧化碳排放量是必然的课题。因此，即使是大容量的开关电源，也不可避免地考虑其高频化，并强烈要求与其相适的扼流器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于高频化的大容量开关电源中的扼流器。

本发明的其他目的在于提供一种实现上述扼流器的压粉磁心。

本发明的另一目的在于提供一种实现高磁场下的直流叠加特性提高和铁损降低的压粉磁心。

本发明是根据对扼流器用压粉磁心的研究结果，找出用于压粉磁心中的合金粉末的组成及特性，以及压粉磁心的制造方法的最佳条件而完成的。

根据本发明，获得了具有下述特征的压粉磁心，即，具有硅为3.0～8.0重量％，氧为0.1～1.0重量％，锰、铝、钒、铬、钛中至少一种合计为0～2.0重量％(但不包括0)，其余为铁的组成，并且粒径实质上为150μm以下的合金粉末中混合粘结剂，用金属模具压缩成形而成，20kHz时的交流导磁率在直流外加磁场为12000A/m时是20以上，铁损特性在20kHz、0.1T的条件下为1000kW/m³以下，磁饱和为10000G以上，并且顽磁力为3.00e以下。

根据本发明，获得了特征为具有上述压粉磁心，和在所述压粉磁心上卷绕的绕组的扼流器。

为了提高压粉磁心的直流叠加特性，要使用具有尽可能高的磁饱和、而且导磁率相对于磁场变化的变化很小，即磁化曲线呈现平坦特性的磁性体。与此相适应的磁性体的种类可考虑低硅-铁类，坡莫合金PB类，纯铁等，但从特性、成本的观点考虑则限定为低硅-铁类。

磁化曲线的平坦化有由空隙或非磁性体置换磁路的一部分的方法，但压粉磁心由于原本的初导磁率低，因而要获得必要的特性很困难。本发明者发现，与80％硅-铁相比，低硅、并且含有0～2.0重量％(但不包括0)的锰或铝、钒、铬、钛的任一种以上以及0.1～1.0重量％的氧的合金的磁化曲线一直到高频为止是平坦的，直流叠加特性优良。

这表示虽然具有适度的磁各向异性，但对直流叠加特性的提高是有效的，推断出对于氧量而言，使磁性体具有适度的磁各向异性，会有一定的效果。另一方面，由于碳是使顽磁力增加，产生铁损的原因，所以最好将比率抑制在300ppm以下。这样一来，由于不需要用于制造扼流器的特殊装置，所以能够以简便的制造方法廉价地提供扼流器。

在此，描述合金组成的限定理由。

硅量为3.0重量％以下合金的磁各向异性高，而且比阻抗低，所以铁损高，而在8.0重量％以上则合金的磁饱和低，而且硬度高，所以成形体密度低，直流叠加特性劣化。

氧量为0.1重量％以下初导磁率过高，直流叠加特性不能提高，而在1.0重量％以上则粉末中的磁性体的比例减小，磁饱和明显降低，直流叠加特性劣化。

在添加了从锰、铝、钒、铬、钛中选出的添加物时虽然改善了磁特性，但当这些添加物的合计为2.0重量％以上时磁饱和的降低明显，直流叠加特性劣化。

而且，在粘接剂为3.0重量％以上的区域，压粉磁心的粉末填充率降低，磁饱和降低，所以最好使粘接剂的混合比率为3重量％以下。由于在压粉磁心成形后需要进行变形矫正的热处理，所以最好使用硅酮树脂作为粘接剂。

附图说明

图1A为表示本发明实施例所涉及的扼流器大致结构的立体图。

图1B为表示图1A的扼流器中使用的压粉磁心一例的立体图。

图1C为表示图1A的扼流器中使用的压粉磁心另一例的立体图。

图2为图1的扼流器中使用的压粉磁心例2中硅量和导磁率μ的关系的附图。

图3为图1的扼流器中使用的压粉磁心例3中氧量和铁损Pvc的关系的附图。

图4为图1的扼流器中使用的压粉磁心例4中铝量和导磁率μ的关系的附图。

图5为图1的扼流器中使用的压粉磁心例4中铬量和导磁率μ的关系的附图。

图6为图1的扼流器中使用的压粉磁心例5中粘结剂量和导磁率μ的关系的附图。

图7为图1的扼流器中使用的压粉磁心例6中复合添加的铬量和导磁率μ的关系的附图。

具体实施方式

参照图1对本发明实施例的扼流器加以说明。

如图1A所示，扼流器包括压粉磁心1，收放压粉磁心1的环状壳体2，螺旋状卷绕在壳体2上的电线、即螺旋状绕组3。

压粉磁心1既可以如图1B所示形成完整的环状，也可以如图1C所示形成一部分具有磁隙4的环状。另外，压粉磁心1的形状当然也可以有各种各样的变形。

以下，对图1的扼流器的制造方法加以说明。

制造压粉磁心所使用的合金粉末的原始材料既可以是将通过溶解法制作的坯料机械粉碎的材料，也可以使用通过粉化法制作的粉末。粉末的氧量在0.1重量％以下时，在适当的氧浓度氛围和温度下进行热处理，在粉末表面上实施氧化处理。

由于水粉化所形成的粉末几乎均是已含有适当量的氧的情况，所以可省略氧化处理。在这些粉末中混合热固性树脂作为粘结剂，使用例如螺旋状的金属模具进行压缩成形。然后，通过在适当的温度下对这种成形体进行变形矫正的热处理，获得本发明的扼流器用磁心。然后，使用与额定电流相对应线径的磁性线，通过确定圈数使其达到所希望的电感值，获得扼流器。以下，对各种例子加以说明。

例1

将由水粉化制作的4.5重量％硅-0.5重量％氧-1.5重量％铝-其余为铁的组成的合金粉末分级，使其粒度为150μm以下，作为粘结剂以重量比为1.5重量％混合硅酮类树脂。然后，使用成型用金属模具压缩成形出外径为27mm、内径为14mm、高度为18mm的螺旋状。

然后，将这种成形体放置在惰性氛围中，在850℃下保持1小时，之后在室温下逐渐冷却，得到压粉磁心。在该压粉磁心上进行一次30圈，二次30圈的绕线，用岩崎通信机的ST-8232交流BH检测器测定20kHz、0.1T时的导磁率、顽磁力、铁损的各磁特性，其结果示于表1。

作为比较例，用金属模具对板厚为0.1mm的高硅钢片进行冲裁，并由树脂叠层而制出形状完全相同的磁心。然后，在进行了同样的用于变形矫正的热处理后，在磁心上加入间隙，以使直流导磁率为与例1大致相同的值，与例1同样地进行一次、二次绕线，测定交流的磁特性。其结果与例1一起也示于表1。

表1

	交流导磁率μ：20kHz	顽磁力Hc(Oe)	铁损Pcv(kw/m³)
	交流导磁率μ：20kHz	顽磁力Hc(Oe)	铁损Pcv(kw/m³)	实施例	65	0.15	250
比较例	52	0.7	750	实施例	65	0.15	250

如表1所示，可知例1的压粉磁心与比较例相比，高频的磁特性良好。

例2

硅量为0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5重量％，氧量为0.5±0.1重量％，并且所有的组成是铝量为10重量％，其余为铁，构成合计为10种类的组成，对其用水粉化法制作合金粉末，采用与例1完全相同的方法分级成150μm以下后，添加粘结剂，由金属模具成形制成螺旋状压粉磁心。

然后，进行变形矫正的热处理，在频率为20kHz的状态下测定26A直流叠加时(12000A/m)的电感。根据该电感值计算出26A直流叠加时的导磁率。其结果示于图2。从图2可知，在硅量为8.0重量％以下的区域，μ为20以上。然后，在20kHz、0.1T的条件下测定铁损，可确认具有2.5重量％以上的硅的组成的压粉磁心的铁损为1000kw/m³以下。

例3

制作硅量为4.5重量％，铝量为1.0重量％，其余为铁的合金组成的气粉化粉末，分级成150μm以下后，使温度为一定，适当地调节氛围，制作出氧量为0.05、0.1、0.25、0.5、0.75、1.0、1.25重量％的合金粉末。然后，与例1和例2同样地在这些粉末中混合粘结剂后，用与例2完全相同的方法制作出同一形状的螺旋状压粉磁心。

然后，在变形矫正的热处理后，用与例1完全相同的方法在这些磁心上绕线，在20kHz、0.1T的条件下测定铁损。其结果示于图3。从图3可知，当氧量低于0.1重量％时，铁损急剧恶化。

然后，用与例2完全相同的方法在压粉磁心上绕线，根据26A直流叠加时(12000A/m)的20kHz的电感值求出导磁率μ，氧量为1.25重量％的导磁率μ为13，氧量为0.05重量％的压粉磁心的导磁率μ为19，之外的压粉磁心的导磁率μ为20以上。

例4

采用将硅量为4.5重量％，氧量为0.5±0.1重量％，铝量为0.1、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0重量％的合金粉末制成坯料后机械粉碎的方法，制作粒度为150μm以下的合金粉末。然后，用与例1完全相同的方法在合金中混合粘结剂后，由金属模具成形制作出螺旋状压粉磁心，在变形矫正的热处理后，用与例2相同的方法测定26A直流叠加时的20kHz的电感。

与例2同样地对其计算导磁率。其结果示于图4。从图4可知，在铝量为0.1～2.0重量％的范围内，压粉磁心表示高的导磁率。而且，采用锰、钒、铬、钛以取代铝也可以获得同样的效果。

作为添加其他元素以取代铝的例子，以铬加以表示。图5中示出采用硅量为4.5重量％，氧量为0.5±0.1重量％，铬量为0.1、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0重量％的合金粉末同样获得的导磁率的结果。从图5可知，在铬量为0.1～2.0重量％的范围内，压粉磁心表示高的导磁率。

例5

使用例3中制作的4.5重量％硅-0.5重量％氧-1.0重量％铝-其余为铁的合金粉末，使粘结剂量为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0重量％，将粘结剂混合，由与例2～例5完全相同的方法制作压粉磁心，测定26A直流叠加时的导磁率。其结果示于图6。

从图6可知，粘结剂为3.0重量％以下，获得高的导磁率。另外，粘结剂为3.0重量％的磁特性是磁饱和为10000G，压粉磁心的合金粉末填充率为81.0％，密度为6.1g/cm³。

例6

用气粉化法制作在合金组成为4.5重量％硅-0.5重量％氧-1.5重量％铝-其余为铁中添加了0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、3.0重量％的铬的合金。用与例1～例5完全相同的方法将这些粉末分级成粒径为150μm以下，混合粘结剂，压缩成形，热处理，获得压粉磁心。对其测定26A直流叠加时的导磁率。其结果示于图7。从图7可知，由于复合添加0.1～0.5重量％的铬，导磁率得以提高。

例7

使用例6中制作的4.5重量％硅-0.5重量％氧-1.5重量％铝-0.2重量％铬-其余为铁的合金粉末，用金属模具制作出外径为50mm，内径为25mm，高度为20mm的螺旋状压粉磁心。然后，对该螺旋状压粉磁心进行变形矫正的热处理，卷绕外径为1.8mm的磁性线60圈，制作出扼流器。

测定这种扼流器40A直流叠加时的电感，为550μH。然后，将该扼流器连接在输出为2000W的一般的变换器控制用的搭载了有源滤波器的开关电源上，测定电路效率。在此，输出一侧上连接了负载阻抗。而且，电路效率采用由输入电力除以输出电力的值。其结果示于表2。

作为比较例，使用宽度为20mm的铁类非晶态薄带，制作出与例7尺寸完全相同的螺旋状磁心。然后，形成间隙，以成为与实施例完全相同的电感，之后，绕线60圈，测定电感，为545μH。然后，用与例7完全相同的方法连接在开关电源上，测定其电路效率。其结果也一并示于表2。

表2

	输入电压(W)	输出电压(W)	效率(％)
	输入电压(W)	输出电压(W)	效率(％)	实施例	1950	1790	91.8
比较例	1930	1740	90.2	实施例	1950	1790	91.8

从表2可知，例7的扼流器与比较例相比，电路效率高。这可认为是非晶态磁心铁心要加有间隙，因此发生拍音，进而在间隙附近产生的漏磁等对效率带来不良影响的缘故。

如以例1～例7所说明的那样，硅量为3.0～8.0重量％，氧量为0.1～1.0重量％，锰、铝、铬、钛中至少一种为0～2.0重量％(但不包括0)，在粉末粒径为150μm以下的合金粉末中混合3.0重量％以下的粘结剂，获得合金粉末。通过将这种合金粉末压缩成形，获得填充率在体积比上为80％以上，成形体密度为6.0g/cm³以上，磁饱和为10000G以上，以及顽磁力Hc为3.0Oe以下的高频特性优良的压粉磁心。另外，若复合添加铬和铝，则磁特性得以改善，在0～0.5重量％(但不包括0)的添加量下直流叠加特性得以提高。另外，最好使铬和铝的总量为2重量％以下。

Claims

1.一种压粉磁心，其特征是，在具有硅为3.0～8.0重量％，氧为0.1～1.0重量％，锰、铝、钒、铬、钛中至少一种合计为0～2.0重量％(但不包括0)，其余为铁的组成，并且粒径实质上为150μm以下的合金粉末中混合粘结剂，用金属模具压缩成形而成，20kHz时的交流导磁率在直流外加磁场为12000A/m时是20以上，铁损特性在20kHz、0.1T的条件下为1000kW/m³以下，磁饱和为10000G以上，并且顽磁力为3.00e以下。

2.根据权利要求1所述的压粉磁心，其特征是，上述粘结剂的混合量为3重量％以下，上述压粉磁心的成形压力为5～20吨/cm²，并且上述压粉磁心是在500～1000℃的温度范围经热处理而成。

3.根据权利要求1所述的压粉磁心，其特征是，上述粘结剂为硅酮树脂，上述合金粉末的填充率按体积比为80％以上，并且上述压粉磁心的密度为6.0g/cm³以上。

4.一种扼流器，其特征是，具有权利要求1至3中任一项所述的压粉磁心，以及在上述压粉磁心上卷绕的绕组。