CN1574125A - 磁芯和使用该磁芯的线圈部件 - Google Patents

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山家孝志
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Abstract

一种通过硬化磁粉和树脂获得的磁芯。所述磁芯显示了优良的DC偏压特性，其不会彻底饱和，而是在即使超过1000＊103/4π [A/m]时稍微饱和。因此，所述磁芯具有大于10的足够的相对磁导率。

Description

磁芯和使用该磁芯的线圈部件
技术领域
本发明涉及磁芯和使用该磁芯的线圈部件，尤其是，本发明涉及用于线圈部件的磁芯，所述线圈部件作为诸如电动汽车或者包括电动机和内燃机的混合燃料汽车上安装的电池能量控制的大功率系统的反应器。
背景技术
已知的线圈部件公开在JP-A2001-185421中。所公开的线圈部件用于小功率系统。所公开的线圈部件包括线圈和第一和第二磁芯部件。第一磁芯部件包括50-70％体积的磁金属粉，50-30％体积的热硬化树脂。第二磁芯部件是由烧结铁素体或者磁性金属粉末制成的压粉铁心。第一和第二磁芯部件磁性串联。所述线圈嵌入第一磁芯部件中。
JP-A2001-185421的目的之一是提供一种诸如感应器、扼流圈和变压器的磁性部件，其适于使用在大电流电子部件中。
但是，注意此处的术语“大电流”是相对术语。JP-A2001-185421的电流范围的实际目标是几个安培至几十个安培，这公开在JP-A2001-185421的段落[0002]中。此外，由于线圈部件通常设计在其目标电流范围(即在JP-A2001-185421中所公开的几个安培至几十个安培的范围)中具有更好的DC偏压特性。此外，根据传统技术，超过目标电流范围，其DC偏压特性彻底饱和，其相对磁导率降低。
另一方面，在诸如安装在电动汽车或者混合燃料汽车上的电池的能量控制的大功率系统中，线圈部件使用在两百或者更大的电流中。因此，可以想象JP-A2001-185421的线圈部件不适宜用在大功率系统中。
发明内容
因此，本发明的目标是提供一种磁芯，所述磁芯适于使用在大功率线圈部件中，并提供使用所述磁芯的线圈部件。
所述目标通过根据权利要求1所述的磁芯以及根据权利要求25、26和27之一的线圈部件解决。
本发明的优选改进分别限定在独立权利要求1、25、26和27中。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的磁芯的DC偏压特性，其中磁芯由树脂和磁粉的混合物制造；
图2是使用由混合物制造的磁芯的线圈部件的透视图；
图3是使用混合物制造的磁芯的另外的线圈部件的透视图；
图4是使用混合物制造的磁芯的另外的线圈部件的透视图，其中另外的磁芯被插入混合物制造的磁芯中；
图5是使用混合物制造的磁芯的另外的线圈部件的透视图，其中高磁阻部件插入混合物制造的磁芯中；
图6是绝缘磁芯的结构的截面图；
图7是用混合物制造的磁芯的另外的线圈部件的透视图，其中线圈部件被包围在长方体外壳中；以及
图8是使用混合物制造的磁芯的另外的线圈部件的部分截面、透视图，其中线圈部件被包围在球形盒中。
具体实施方式
根据本发明的实施例，磁芯由磁粉和树脂的混合物制造。详细而言，实施例的磁芯是铸件，这是通过将混合物注入用于成型的预定形状的容器而进行铸造获得的。考虑到大功率线圈部件的尺寸，优选地混合物由不需要任何溶剂的能够铸造的材料构成。
在此实施例中，铸造工艺基本在没有压力或者压力减小的情况下执行。根据本发明的实施例，一旦铸造工艺完成，铸件可以承受一定的压力以增加磁芯的密度。对于模制形状没有什么限制，混合物的磁芯可以形成任何形状。
磁粉是软磁金属粉，尤其在本实施例中是铁基粉末。特别地，铁基粉末是从Fe-Si系统粉末、Fe-Si-Al系统粉末、Fe-Ni系统粉末和铁系统非晶粉末的组中选择的粉末。在Fe-Si系统粉末的情况下，Si的平均含量优选地在0.0％重量至11.0％重量的范围中，此区间是闭区间；在Fe-Si-Al系统粉末的情况下，Si的平均含量优选地在0.0％重量至11.0％重量的范围中，此区间是闭区间；而Al的平均含量优选地在0.0％重量至7.0％重量的范围中，此区间是闭区间。在Fe-Ni系统粉末的情况下，Ni的平均含量在30.0％重量至85.0％重量的范围中，此区间是闭区间。
在此实施例中，磁粉是大体的球形粉末，这可以通过气压雾化获得。球形或者大体为球形的粉末适于提高磁粉和树脂的混合物的填充因数或者填充比。在此实施例中，推荐球形或者大体为球形的粉末具有平均直径500μm或者更小来作为其微粒尺寸分布的最正常直径。在使用其各向异性时，磁粉可以是非球形粉末，例如通过另外的专门气压雾化或者水喷雾所获得的非特定形状的粉末。如果使用非球形粉末或者不特定形状的粉末的磁粉时，磁粉和树脂的混合物在混合物完全固化之前在预定的磁场之下进行各向异性排列。
在此实施例中，树脂是环氧树脂。在此实施例中，环氧树脂需要是具有较小的粘性系数的液体。因此，树脂和添加剂的相互溶解性、以及尤其是树脂的固化或者催化剂和寿命在考虑决定实际的环氧树脂时是非常重要的因素。基于上述考虑，优选地基复合物自双酚A环氧树脂、双酚F环氧树脂、多功能环氧树脂等的组中选择，同时硬化剂或者固化剂自芳香族聚胺系统、羧基酐系统、主动硬化剂系统等的组中选择。在此实施例中，双酚A环氧树脂被选为树脂的基复合物，低粘性不溶解芳香族胺液体作为硬化剂。
所述树脂另外可以是诸如硅酮树脂的热固性树脂。同样，所述树脂可以是另外的可固化或者可硬化树脂，例如光固化或者光硬化树脂、紫外线固化树脂、化学反应可固化树脂等。
考虑到树脂和磁粉的混合物的流动性，混合物中的树脂的混合比率在20％体积至90％体积的范围中，所述范围是闭区间。优选地，混合比率的范围在40％体积至70％体积中，所述范围是闭区间。
磁芯具有3000MPa或者更大的弹性模量。树脂被选择使得在特定的条件下磁芯具有前述弹性模量的情况下，只要树脂根据特定的条件固化，树脂具有弹性模量100MPa或者更大。磁芯或者硬化的树脂的弹性模量的数值根据被称为JIS K6911(热固塑料试验方法)的测量标准来进行测量。
在此实施例中，磁芯具有弹性模量15000MPa。所述树脂被选择使得硬化树脂具有1500MPa，只要树脂在与混合物固化相同的条件下固化以具有弹性模量15000MPa。当磁芯具有15000MPa或者更多的弹性模量，其热传导率迅速变得更好。特别地，热传导率变为2[WK-1m-1]。因此，优选地磁芯具有弹性模量15000MPa或者更大。
图1显示了Fe-Si系统粉末和环氧树脂的混合物所制造的磁芯的DC偏压特性。环氧树脂的混合比率在混合物中是50％体积百分比。即，Fe-Si系统粉末具有50％体积百分比。从图1显然可见，所述实施例的混合物的DC偏压特性没有彻底饱和，并且即使在磁场是1000*103/4π[A/m]时具有超过15的相对较高磁导率μe。
上述磁芯可以修改，只要磁芯具有在磁场是1000*103/4π[A/m]时是10或者更大的相对磁导率。例如，磁粉的各微粒可以设有高磁导率薄层，诸如Fe-Ni基薄层。高磁导率薄层形成在磁粉的各微粒的表面上。同样，各磁粉的微粒可以在混合粉末和树脂之前涂覆至少一个绝缘层。在磁粉微粒具有高磁导率薄层的情况下，绝缘层形成在高密封磁导率薄层上。树脂和磁粉的混合物可以进一步包括非磁性填料，诸如自玻璃纤维、粒状树脂和无机材料基粉末所构成的组中选择的填料，其包括氧化硅粉末、氧化铝粉末、钛氧化物粉末、氧化硅玻璃粉末、锆粉末、钙碳酸盐粉末和铝氢氧化物粉末。同样，树脂和磁粉的混合物可以包括小量的永久磁粉。
接着将参照图2至8说明使用上述磁芯的线圈部件。
图2中所示的第一线圈部件100是由上述混合物所形成的螺旋磁芯10和缠绕磁芯10的线圈20。
图3中所示的第二线圈部件110是螺旋线圈部件的修改之一。除了线圈20的端部21、22之外，线圈20完全嵌入混合物制造的磁芯10中。线圈20可以部分暴露出磁芯10。
图4的第三线圈部件120是螺旋磁芯部件的另外的修改，其除了前述说明的混合物所形成的磁芯10和线圈20之外还包括特定的磁芯部件30。除了线圈20的端部21、22之外，线圈20完全嵌入混合物制造的磁芯10中。线圈20缠绕在特定的磁芯30上，磁芯30也完全嵌入磁芯10。只要特定的磁芯30构成与线圈20相关的磁通路的一部分，特定的磁芯30可以设置在任何地方。例如，特定的磁芯部件30可以围绕线圈20设置和/或者设置在线圈20的中空部分或者内部。线圈20的中空部分或者内部也被称作磁通势部分。
优选地，特定的磁芯部件30通过由混合物制造的磁芯10固定到线圈20。同样，优选地特定的磁芯部件30是压粉铁心，其由自Fe系统非晶粉末、Fe-Si系统粉末和Fe-Ni系统粉末的组中选择，或者由Fe基薄板形成的层压铁心。
图5显示的第四线圈部件130是螺旋线圈部件的另外的修改例，其包括高磁阻部件40。高磁阻部件40具有的磁阻比混合物即磁芯10的材料高。高磁阻部件40插入通过线圈20形成的磁通路中，这样由于线圈20的磁通量通过高磁阻部件40。换言之，所述高磁阻部件40放置在线圈20的中空部分之内。所示高磁阻部件40嵌入由混合物制成的磁芯10中。所述高磁阻部件40由与构成混合物的树脂的相同树脂的材料构成。此外，高磁阻部件40可以由包括与混合物树脂相同的树脂以及磁粉的另外的材料制造，只要高磁阻部件40的磁阻高于磁芯10。
高磁阻部件40构成在混合物制造的磁芯10中具有相对磁导率为20或者更小的区域。
如图6中所示，线圈20可以被绝缘器50包围以保证线圈20的匝之间的绝缘。所述绝缘器50包括绕线管60和圆柱盖70。绕线管60在其周向部分具有螺旋槽61。所述槽61的相邻螺旋匝构成线圈20的匝的分隔62。线圈20容纳在螺旋槽61和圆柱盖70之间的空间。因此，如果有两个或者更多的线圈20，它们可以彼此绝缘。
优选地，绝缘器50的材料与混合物相同的树脂。绝缘器50可以使用相同的材料模制。此外，所述线圈20是边朝上的线圈，但是可以是诸如螺旋线圈类型的线圈。
图7所示的第五线圈部件140进一步包括外壳80，所述外壳为长方形，尽管其上表面在图7中省略以利于更好理解。第五线圈部件140的线圈20是边朝上的线圈。线圈20安置在外壳80中。由混合物制造的磁芯10填充在线圈20和外壳80之间并在其中包围所述线圈20。例如，外壳80由诸如铝合金或者Fe-Ni合金的金属制造。优选地，在金属外壳80的内表面上形成绝缘层。外壳80可以是诸如氧化铝模的陶瓷外壳。
图8所示的第六线圈部件150具有外壳84，但是外壳84的形状是球形的。详细而言，所述外壳包括金属容器82和形成在金属容器82的内表面上的绝缘体层84。金属容器82由铝合金或者Fe-Ni合金制造。
在各线圈部件100、110、120、130、140、150中，由混合物形成的磁芯10构成通过线圈30中心的磁通路环。在各线圈部件100、110、120、130、140、150中，磁芯10构成至少与线圈20相关的磁路的一部分。

Claims (41)

1.一种通过硬化磁粉和树脂获得的磁芯(10)，所述磁芯(10)在磁场是1000*103/4π[A/m]时具有10或者更大的相对磁导率。
2.根据权利要求1所述的磁芯(10)，其特征在于，具有3000MPa或者更大的弹性模量。
3.根据权利要求2所述的磁芯(10)，其特征在于，在磁芯在特定的条件下具有前述弹性模量的情况下，只要树脂根据特定条件被硬化，所述树脂具有100MPa或者更大的弹性模量。
4.根据权利要求1-3之一所述的磁芯(10)，其特征在于，所述磁粉是软磁粉。
5.根据权利要求4所述的磁芯(10)，其特征在于，所述软磁粉是软磁金属粉末。
6.根据权利要求5所述的磁芯(10)，其特征在于，所述软磁金属粉末是Fe-Si系统粉末。
7.根据权利要求6所述的磁芯(10)，其特征在于，所述Fe-Si系统粉末中的Si的平均含量在0.0％重量百分比至11.0％重量百分比的范围中，此区间是闭区间。
8.根据权利要求5所述的磁芯(10)，其特征在于，所述软磁金属粉末是Fe-Si-Al系统粉末。
9.根据权利要求8所述的磁芯(10)，其特征在于，Fe-Si-Al系统粉末中的Si的平均含量在0.0％重量百分比至11.0％重量百分比的范围中，此区间是闭区间，Fe-Si-Al系统粉末中的另外的Al的平均含量在0.0％重量百分比至7.0％重量百分比的范围中，此区间是闭区间。
10.根据权利要求5所述的磁芯(10)，其特征在于，所述软磁金属粉末是Fe-Ni系统粉末。
11.根据权利要求10所述的磁芯(10)，其特征在于，所述Fe-Ni系统粉末中的Ni的平均含量在30.0％重量百分比至85.0％重量百分比的范围中，此区间是闭区间。
12.根据权利要求5所述的磁芯(10)，其特征在于，所述软磁金属粉末是Fe系统非晶粉末。
13.根据权利要求1-12之一所述的磁芯(10)，其特征在于，所述磁粉是大体的球形粉末。
14.根据权利要求1-13之一所述的磁芯(10)，其特征在于，所述磁粉的各微粒设有高磁导率薄层，所述高磁导率薄层形成在磁粉的各微粒的表面上。
15.根据权利要求14所述的磁芯(10)，其特征在于，所述高磁导率薄层是Fe-Ni基薄层。
16.根据权利要求1-15之一所述的磁芯(10)，其特征在于，磁粉的各微粒在粉末和树脂混合之前涂覆以至少一绝缘体层。
17.根据权利要求1-16之一所述的磁芯(10)，其特征在于，所述树脂是可固化或者可硬化树脂。
18.根据权利要求17所述的磁芯(10)，其特征在于，所述可固化树脂是热固树脂。
19.根据权利要求18所述的磁芯(10)，其特征在于，所述树脂是环氧树脂或者硅树脂。
20.根据权利要求1-19之一所述的磁芯(10)，其特征在于，所述混合物中的树脂的混合率在30％体积百分比至90％体积百分比范围中，所述区间是闭区间。
21.根据权利要求20所述的磁芯(10)，其特征在于，混合率是50％体积百分比至70％体积百分比范围中，所述区间是闭区间。
22.根据权利要求1-21之一所述的磁芯(10)，其特征在于，所述混合物包括非磁填料。
23.根据权利要求1-22之一所述的磁芯(10)，其特征在于，通过铸造混合物获得铸件。
24.根据权利要求23所述的磁芯(10)，其特征在于，所述混合物是不需要任何溶剂而能铸造的材料构成。
25.一种线圈部件(100)，包括：根据权利要求1-24之一所述的磁芯(10)；以及围绕磁芯(10)的线圈(20)。
26.一种线圈部件(110；120；130；140；150)，包括：根据权利要求1-24所述的磁芯(10)；以及线圈(20)，其中磁芯(10)被安置在线圈(20)的附近以相对线圈(20)构成至少磁通路的一部分。
27.一种线圈部件(110；120；130；140；150)，包括：根据权利要求1-24所述的磁芯(10)；以及线圈(20)，其中至少线圈(20)的一部分嵌入磁芯(10)中。
28.根据权利要求27所述的线圈部件(110；120；130；140；150)，其特征在于，除了线圈(20)的端部(21、22)，线圈(20)完全嵌入磁芯(10)。
29.根据权利要求25-28之一所述的线圈(120)，进一步包括围绕线圈(20)设置和/或者位于线圈(20)的中空部件内的特定磁芯部件(30)。
30.根据权利要求29所述的线圈部件(120)，其特征在于，特性磁芯部件(30)通过由混合物制造的磁芯(10)固定到线圈(20)。
31.根据权利要求29或者30所述的线圈部件(120)，其特征在于，所述特定磁芯部件(30)是自Fe系统非晶粉末、Fe-Si系统粉末和Fe-Ni系统粉末的组中选择的粉末制造的压粉铁心或者由Fe基薄板形成的层压铁心。
32.根据权利要求25-31之一所述的线圈部件(130)，其特征在于，进一步包括高磁阻部件(40)，所述高磁阻部件(40)具有的磁阻高于混合物并嵌入混合物制造的磁芯中。
33.根据权利要求32所述的线圈部件(130)，其特征在于，所述高磁阻部件(40)由包括与混合物树脂相同的树脂的材料制造。
34.根据权利要求32或者33所述的线圈部件(130)，其特征在于，所述高磁阻部件(40)放置在中空部分中。
35.根据权利要求32-34之一所述的线圈部件(130)，其特征在于，高磁阻部件(40)构成由混合物制造的磁芯(10)之内的具有20或者更小的相对磁导率的区域。
36.根据权利25-35之一所述的线圈部件(100；110；120；130；140；150)，其特征在于，由混合物构成的磁芯(10)构成通过线圈(10)的中心的磁路环。
37.根据权利要求25-36之一所述的线圈部件(140；150)，进一步包括外壳(80；82)，其中所述线圈(20)安置在外壳(80；82)之内，由混合物制造的磁芯(10)填充在线圈(20)和外壳(80；82)之间并在其中包围线圈(20)。
38.根据权利要求37所述的线圈部件(140；150)，其特征在于，所述外壳(82)包括金属容器(82)和形成在金属容器(82)的内表面上的绝缘体层(84)，或者，
其中所述外壳(80)包括陶瓷容器。
39.根据权利要求38所述的线圈部件(150)，其特征在于，金属容器(82)由铝合金或者Fe-Ni合金制造。
40.根据权利要求38所述的线圈部件(140)，其特征在于，所述陶瓷容器(80)是氧化铝模。
41.一种线圈部件(100)，包括：磁芯(10)，所述磁芯(10)通过硬化磁粉和树脂的混合物而获得；以及缠绕在磁芯(10)的周围上的线圈(20)。
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Open date: 20050202