DE60101951T2

DE60101951T2 - Magnetkern mit einem vormagnetisierenden Verbindungsmagneten und Induktorteil, das diesen verwendet

Info

Publication number: DE60101951T2
Application number: DE60101951T
Authority: DE
Inventors: Teruhiko Sendai-shi Fujiwara; Masayoshi Sendai-shi Ishii; Haruki Sendai-shi Hoshi; Keita Sendai-shi Isogai; Toru Sendai-shi Ito; Tamiko Ambo
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2021-11-28
Also published as: EP1211699A2; EP1211699B1; TW540071B; EP1211699A3; KR20020042491A; US6590485B2; DE60101951D1; CN1242432C; US20020093409A1; CN1359115A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Magnetkern einer Induktivitätsvorrichtung wie einer Drosselspule, eines Transformators oder dergleichen. Insbesondere bezieht sie sich auf einen Magnetkern (der im folgenden oft einfach als "Kern" bezeichnet wird), der einen Permanentmagneten als einen vormagnetisierenden Magneten aufweist.
Einer Drosselspule und einem Transformator, die z. B. in einem Schaltnetzteil oder dergleichen verwendet werden, wird für gewöhnlich ein AC-Strom mit einem diesem überlagerten DC-Strom zugeführt. Daher muss eine in dieser Drosselspule und diesem Transformator verwendeter Kern eine magnetische Kennlinie mit einer guten magnetischen Permeabilität aufweisen, so dass der Kern durch die Überlagerung des DC-Stroms nicht magnetisch gesättigt wird (die Kennlinie wird auch als "DC-Überlagerungskennlinie" oder einfach als "Überlagerungskennlinie" bezeichnet).
Als Magnetkerne in Anwendungsbereichen in Hochfrequenzbändern wurden ein Ferritkern und ein Pulverkern verwendet, die aufgrund der physikalischen Eigenschaften ihrer Materialien individuelle Merkmale aufweisen. Der Ferritkern hat eine hohe intrinsische magnetische Permeabilität und eine geringe Sättigungsmagnetflussdichte, während der Pulverkern eine geringe intrinsische magnetische Permeabilität und eine hohe Sättigungsmagnetflussdichte aufweist. Dementsprechend wird der Pulverkern oft als Kern mit einer Ringform verwendet. Dagegen hat der Ferritmagnetkern einen E-förmigen Kernabschnitt, bei dem ein mittlerer Schenkel mit einem Magnetspalt ausgebildet ist, um zu verhindern, dass durch die Überlagerung des DC-Stroms eine magnetische Sättigung erzielt wird.
Da in letzter Zeit elektronische Bauteile klein sein müssen, weil elektronische Vorrichtungen eine kompaktere Größe haben, ist auch der Magnetkern mit dem Magnetspalt klein. Somit besteht eine starke Nachfrage nach Magnetkernen mit einer erhöhten magnetischen Permeabilität gegen die Überlagerung eines DC-Stroms.
Für die Nachfrage ist es im allgemeinen erforderlich, einen Magnetkern mit einer hohen Sättigungsmagnetisierung auszuwählen, d. h. einen Magnetkern auszuwählen, der durch ein großes angelegtes Magnetfeld nicht magnetisch gesättigt wird. Die Sättigungsmagnetisierung ist unvermeidlich durch die Materialien bestimmt und kann nicht so groß gemacht werden wie erwünscht.
Als eine Lösung ist bisher vorgeschlagen worden, einen Permanentmagneten in einem Magnetspalt anzuordnen, der in einem Magnetpfad eines Magnetkerns ausgebildet ist, d. h. den Magnetkern vorzumagnetisieren, um dadurch einen durch die Überlagerung des DC-Stroms bewirkten DC-Magnetfluss aufzuheben.
Die Vormagnetisierung unter Verwendung eines Permanentmagneten ist eine gute Lösung, um die DC-Überlagerungskennlinie zu verbessern, aber sie ist kaum in die Praxis umgesetzt worden, weil die Verwendung eines gesinterten Metallmagneten ein beträchtliches Ansteigen eines Kernverlusts des Magnetkerns bewirkte, während die Verwendung eines Ferritmagnets zu unstabilen Überlagerungseigenschaften führten.
Um die Probleme zu lösen, offenbart JP-A 50-133453 z. B. die Verwendung eines Verbindungsmagneten als Vormagnetisierungsmagneten, der ein Magnetpulver von seltenen Erden mit einer hohen magnetischen Koerzitivkraft und einen Binder enthält, die miteinander vermischt und in eine Form verdichtet werden, wodurch die DC-Überlagerungskennlinie und die Temperaturerhöhung des Kerns verbessert werden.
In letzter Zeit muss eine Leistungsversorgung immer mehr ihre Leistungsübertragungseffizienz verbessern bis zu so einem hohen Ausmaß, dass es schwierig ist, gute und schlechte Kerne für Drosselspulen und Transformatoren durch die gemessenen Kerntemperaturen zu bestimmen. Daher ist es unvermeidlich, sie aus Kernverlustdaten zu bestimmen, die unter Verwendung einer Kernverlustmessvorrichtung gemessen werden. Nach einer Untersuchung durch die vorliegenden Erfinder wurde bestätigt, dass der Kernverlust in Kernen mit dem in JP-A 50-133453 offenbarten Widerstandswert einen verschlechterten Wert aufweist.
Weiterhin besteht in letzter Zeit eine Nachfrage für Spulenteile vom Oberflächenmontagetyp. Diese Spulenteile werden einem Reflow-Lötvorgang unterworfen, um auf der Oberfläche einer Leiterplatte angebracht zu werden. Es ist erwünscht, dass ein Magnetkern des Spulenteils in seinen magnetischen Eigenschaften unter den Bedingungen des Reflow-Lötvorgangs nicht verschlechtert wird. Weiterhin ist erwünscht, dass der Magnet oxidationsresistent ist.
Die JP-A-60 01605 offenbart einen Vormagnetisierungsmagneten, der aus einem Verbindungsmagneten aufgebaut ist, der Magnetpulver seltener Erden und ein Bindeharz enthält.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Gegenstand dieser Erfindung besteht darin, einen Magnetkern bereitzustellen, der hervorragende Magneteigenschaften und Kernverlusteigenschaften aufweist und der einen Vormagnetisierungsmagneten enthält, der in der Nähe zumindest eines Magnetspalts angeordnet ist, der in dem Magnetpfad des Kerns ausgebildet ist, um den Kern über die entgegengesetzten Enden des Magnetspalts vorzumagnetisieren.
Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, einen Magnetkern bereitzustellen, der unter den Bedingungen des Reflow-Lötvorgangs hervorragende Magneteigenschaften und Kernverlusteigenschaften aufweist.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein Induktivitätselement oder -teil mit einem Magnetkern bereitzustellen, der hervorragende DC-Überlagerungseigenschaften und Kernverlusteigenschaften aufweist.
Entsprechend dieser Erfindung wird ein Magnetkern bereitgestellt, der zumindest einen Magnetspalt in seinem Magnetpfad aufweist. Der Magnetkern enthält einen Vormagnetisierungsmagneten, der in dem Magnetspalt angeordnet ist, um eine Vormagnetisierung von entgegengesetzten Enden des Magnetspalts zu dem Kern bereitzustellen. Der Vormagnetisierungsmagnet enthält einen Verbindungsmagneten, der ein Magnetpulver seltener Erden und ein Bindeharz enthält. Das Magnetpulver seltener Erden hat eine intrinsische Koerzitivkraft von 5 kOe oder mehr, eine Curie-Temperatur Tc von 300°C oder mehr, einen spezifischen Widerstandswert von 0,1 Ω*cm oder mehr, eine Restmagnetisierung Br von 1.000 bis 4.000 G und eine Koerzitivkraft bHc einer B-H-Kurve von 0,9 kOe oder mehr.
Es ist vorteilhaft, dass die intrinsische Koerzitivkraft größer oder gleich 10 kOe ist, die Curie-Temperatur Tc größer oder gleich 500°C und der spezifische Widerstandswert größer oder gleich 1 Ω*cm.
Unter einem anderen Gesichtspunkt dieser Erfindung wird ein Induktivitätsteil erzielt, das den Magnetkern gemäß dieser Erfindung und zumindest eine Wicklung enthält, die mit einer oder mehreren Windungen auf diesem Magnetkern aufgewickelt ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Darstellung eines Magnetkerns nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Vorderansicht eines Induktivitätsteils mit einem magnetischen Kern nach 1 und einer um den Kern gewickelten Wicklung.
3 zeigt graphisch die Beziehungen zwischen der Behandlungstemperatur und dem gemessenen Fluss von Permanentmagnetmustern nach Beispiel 1, die verschiedene Epoxydharzanteile aufweisen.
4A zeigt eine Darstellung einer B-H-Kurve eines Permanentmagneten mit einer relativ hohen Restmagnetisierung.
4B zeigt eine Darstellung einer B-H-Kurve eines Permanentmagneten mit einer relativ niedrigen Restmagnetisierung.
5 zeigt graphisch die gemessene DC-Überlagerungskennlinie (Permeabilität) μ eines Magnetkerns bei Verwendung jedes der Magnetmuster nach Beispiel 1.
6 zeigt graphisch die gemessene DC-Überlagerungskennlinie (Permeabilität) μ vor und nach einer Reflow-Behandlung eines Magnetkerns bei Verwendung jedes der Magnetmuster nach Beispiel 2, die verschiedene Epoxydharzanteile aufweisen.
7 zeigt graphisch die gemessene DC-Überlagerungskennlinie (Permeabilität) μ vor und nach einer Reflow-Behandlung eines Magnetkerns bei Verwendung jedes der Magnetmuster nach Beispiel 3, die verschiedene Harze enthalten.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf die Zeichnungen werden nun Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Mit Bezug auf 1 umfasst ein Magnetkern nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwei E-förmige Ferritkerne 2, die aneinander stoßen. Zwischen einander zugewandten Enden des mittleren Schenkels der zwei E-förmigen Ferritkerne 2 ist ein Spalt gelassen. In diesen Spalt ist ein Permanentmagnet 1 eingesetzt und angeordnet, um ein Vormagnetisierungsfeld bereitzustellen.
Mit Bezug auf 2 ist ein Induktivitätsteil gezeigt, das durch Anbringen einer Drahtwicklung 3 auf den in 1 gezeigten Magnetkern gebildet wird.
Die vorliegenden Miterfinder haben eine Möglichkeit für einen Permanentmagneten zum Bereitstellen eines Magnetfelds untersucht, wie er als 1 in 1 und 2 dargestellt ist. Als Ergebnis kamen die Miterfinder zu der Kenntnis, dass die Verwendung eines Permanentmagneten mit einem spezifischen Widerstandswert von 0,1 Ω*cm oder mehr (vorzugsweise 1 Ω*cm oder mehr) und einer intrinsischen Koerzitivkraft iHc von 5 kOe oder mehr einen Magnetkern bereitstellen kann, der eine hervorragende DC-Überlagerungskennlinie und eine nicht verschlechterte Kernverlusteigenschaft aufweist. Das bedeutet, dass die Eigenschaft des Magneten, die zum Erzielen einer hervorragenden DC-Überlagerungskennlinie notwendig ist, eher die intrinsische Koerzitivkraft ist als das Energieprodukt. Somit beruht die vorliegende Erfindung auf dem Ergebnis, dass die Verwendung eines Permanentmagneten mit einem hohen spezifischen Widerstandswert und einer hohen intrinsischen Koerzitivkraft ei ne hinreichend hohe DC-Überlagerungskennlinie bereitstellen kann.
Der oben beschriebene Permanentmagnet mit einem hohen spezifischen Widerstandswert und einer intrinsischen Koerzitivkraft kann durch einen Verbindungsmagneten seltener Erden verwirklicht werden, der aus einem Magnetpulver seltener Erden mit einer intrinsischen Koerzitivkraft von 5 kOe oder mehr und einem Binder gebildet wird, die zusammen gemischt und dann verdichtet werden. Das verwendete Magnetpulver ist jedoch nicht auf das Magnetpulver seltener Erden eingeschränkt, sondern kann eine beliebige Art von Magnetpulver sein, das eine hohe Koerzitivkraft aufweist wie z. B. eine intrinsische Koerzitivkraft von 5 kOe oder mehr. Das Magnetpulver seltener Erden beinhaltet die SmCo-Serie, die NdFeB-Serie, die SmFeN-Serie und andere. Weiterhin muss das verwendete Magnetpulver unter Berücksichtigung der thermischen Magnetisierungsverringerung einen Curie-Punkt Tc von 300°C und mehr aufweisen und eine intrinsische Koerzitivkraft von 5 kOe oder mehr.
Unter Berücksichtigung einer Temperatur in dem Reflow-Lötvorgang muss das verwendete Magnetpulver einen spezifischen Widerstandswert von 1 Ω*cm oder mehr aufweisen, eine intrinsische Koerzitivkraft iHc von 10 kOe oder mehr und einen Curie-Punkt Tc von 500°C oder mehr. Als Beispiel für das Magnetpulver wird unter den verschiedenen Magneten seltener Erden der Sm₂Co₁₇-Magnet empfohlen.
Eine intrinsische Koerzitivkraft von 5 kOe oder mehr ist erforderlich, da die intrinsische Koerzitivkraft des Permanentmagneten durch ein Magnetfeld ausgelöscht werden würde, das in dem Magnetpfad des Magnetkerns erzeugt wird, wenn die intrinsische Koerzitivkraft des Permanentmagneten kleiner wäre als 5 kOe. Auch wenn ein größerer spezifischer Widerstandswert für den Permanentmagneten bevorzugt ist, wird ein spezifischer Wi derstandswert von 1 Ω*cm oder mehr nicht ein Hauptgrund für eine Verschlechterung der Kernverlusteigenschaften sein.
Die durchschnittliche Partikelgröße des Magnetpulvers ist wünschenswerterweise maximal 50 μm oder weniger, weil die Verwendung von Magnetpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von mehr als 50 μm eine Verschlechterung der Kernverlusteigenschaften bewirkt, während der Minimalwert der durchschnittlichen Partikelgröße 2,5 μm oder mehr betragen soll, weil Pulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von weniger als 2,5 μm signifikant zu der Magnetisierungsverringerung aufgrund von Oxidation von Partikeln beiträgt, die durch eine Leistungswärmebehandlung und einen Reflow-Lötvorgang bewirkt wird.
Die vorliegenden Miterfinder haben durch verschiedene Untersuchungen herausgefunden, dass der Effekt der thermischen Entmagnetisierung verringert wird, wenn der Verbindungsmagnet eine Restmagnetisierung (remanente magnetischen Flussdichte) Br von 4.000 G oder weniger aufweist. Der Grund dafür kann wie folgt erhellt werden: Ein Verbindungsmagnet mit einer geringen Permeabilität ist in einem irreversiblem Entmagnetisierungsbereich, wenn die Restmagnetisierung Br 4.000 G übersteigt, da die Koerzitivkraft bHc der B-H-Kurve unter einem Knickpunkt liegt. Wenn die Restmagnetisierung Br andererseits kleiner als 4.000 G ist, wird der Effekt der thermischen Entmagnetisierung verringert, da der Bondmagnet sich in einem reversiblen Entmagnetisierungsbereich befindet, weil die Koerzitivkraft bHc oberhalb des Knickpunkts der BH-Kurve liegt. Dementsprechend ist der Effekt der thermischen Entmagnetisierung gering (auch nach der Reflow-Behandlung) und erlaubt es, mit einer hohen Zuverlässigkeit eine gute DC-Überlagerungskennlinie zu erhalten, wenn der Verbindungsmagnet eine Restmagnetisierung Br von 4.000 G oder weniger aufweist.
Ein Magnetkern für eine Drosselspule oder einen Transformator kann effektiv aus einer beliebigen Art von Materialien hergestellt werden, die einen Weichmagnetismus aufweisen. Allgemein gesagt beinhalten die Materialien Ferrite der MnZn-Serie oder NiZn-Serie, einen Pulverkern, eine Siliziumstahlplatte, Amorphe oder andere. Weiterhin ist der Magnetkern nicht auf eine bestimmte Form eingeschränkt, sondern der Permanentmagnet nach der vorliegenden Erfindung kann in einem Magnetkern verwendet werden, der eine andere Form aufweist, wie z. B. ein Ringkern, ein E-E-Kern, ein E-I-Kern oder andere. Jeder dieser Magnetkerne hat zumindest einen Magnetspalt, der in seinem Magnetpfad ausgebildet ist, und in diesem Spalt ist der Permanentmagnet angeordnet. Obwohl der Spalt in seiner Länge nicht eingeschränkt ist, wird die DC-Überlagerungskennlinie verschlechtert, wenn die Spaltlänge extrem klein ist. Wenn die Spaltlänge dagegen extrem groß ist, wird die Permeabilität verringert. Dementsprechend wird die Spaltlänge automatisch bestimmt.
Im folgenden werden nun Beispiele nach der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Beispiel 1
Zum Erhalten eines Magnetpulvers mit einer intrinsischen Koerzitivkraft von 5 kOe oder mehr und einer Curie-Temperatur Tc von 300°C oder mehr wurde eine Legierung von Sm₂Fe₁₇ grob zerkleinert, gefolgt von einer Feinzerkleinerung in einem organischen Lösungsmittel mit einer Kugelmühle, wodurch ein Legierungspulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 5 μm erzielt wurde. Dann wurde das erhaltene Pulver nitriert und magnetisiert, um ein Magnetpulver aus Sm₂Fe₁₇N₃ zu erhalten. Als nächstes wurde das erhaltene Magnetpulver mit einem Epoxydharz als Binder vermischt mit den Harzanteilen von 1 wt%, 3 wt%, 5 wt%, 10 wt%, 15 wt% und 20 wt%, um sechs Arten von Verbindungsmagneten mit verschiedenen Binderanteilen herzustellen, und jede der Mischungen wurde ohne Anlegen eines Magnetfelds in eine Form gegossen. Die magnetischen Eigenschaften der so gewonnenen Verbindungsmagneten sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1
Anschließend wurde jeder der hergestellten Verbindungsmagnete in ein Muster mit einer Abmessung von 7,0 × 10,0 × 1,5 mm verarbeitet und in der Richtung der Dicke mit einem Pulsmagnetfeld von 4 T magnetisiert. Der magnetische Fluss jedes Musters wurde bei einer Temperatur von 25°C mit einem digitalen Flussmesser TDF-5 von TOEI Co. gemessen. Nach dem Messen jedes Musters wurde es in eine Kammer mit konstanter Temperatur gesetzt, auf eine Temperatur von 50°C erwärmt und für eine Stunde auf der Temperatur gehalten. Der Verbindungsmagnet wurde in Ar (Argon) als Inertgas erwärmt, um den Effekt der permanenten Entmagnetisierung durch Oxidation des Verbindungsmagnetpulvers auszuschließen. Der erwärmte Verbindungsmagnet wurde anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt und für zwei weitere Stunden alleine gelassen. Dann wurde der Magnetfluss jedes Musters mit demselben Verfahren wie oben beschrieben gemessen. Weiterhin wurde der magnetische Fluss jedes Musters in jedem Fall gemessen, in dem die Temperatur der Konstanttemperaturkammer von 75°C bis 200°C in Schritten von 25°C verändert wurde. Die Ergebnisse sind in 3 dargestellt.
3 zeigt, dass das thermische Entmagnetisierungsverhältnis kleiner ist und den Verbindungsmagneten unabhängig von der Temperatur der Konstanttemperaturkammer zwischen 50°C und 200°C zuverlässig macht, wenn der Binderanteil 5 wt% oder weniger beträgt.
Das thermische Entmagnetisierungsverhältnis ist klein, weil der Magnet sich in einem reversiblen Entmagnetisierungsbereich befindet, da die Koerzitivkraft bHc wie in 4B dargestellt oberhalb des Knickpunkts der BH-Kurve liegt, wenn der Binderanteil 5 wt% oder mehr beträgt, während die Koerzitivkraft bHc der BH-Kurve wie in 4A dargestellt unter einem Knickpunkt liegt, wenn der Binderanteil weniger als 5 wt% beträgt. Das liegt daran, dass der erhöhte Binderanteil in dem Verbindungsmagnet mit der geringen Permeabilität eine geringe Restmagnetisierung Br bewirkt. Demzufolge wird der Effekt der thermischen Entmagnetisierung in dem Verbindungsmagnet mit der geringeren Restmagnetisierung Br verringert. Diese Ergebnisse zeigen, dass der Verbindungsmagnet wünschenswerterweise eine Restmagnetisierung Br von 4.000 G oder weniger aufweist.
In dem nächsten Schritt wurde zum Gewinnen von Mustern wie dem in 2 dargestellten Induktivitätsteil ein Spalt mit einer Länge von 1,5 mm an dem mittleren Schenkel eines EE-Kerns (eines Ferritkerns) 2 erzeugt, der unter Verwendung eines herkömmlichen Ferritmaterials der MnZn-Serie hergestellt wurde und eine Magnetpfadlänge von 7,5 cm und eine effektive Querschnittsfläche von 0,74 cm² aufweist. Ein in den Spalt des EE-Kerns 2 einzusetzender Verbindungsmagnet 1 wurde hergestellt unter Verwendung jeder der vier Arten von Bondmagneten, die ein geringes thermisches Entmagnetisierungsverhältnis zeigten und 5 wt% oder mehr Binder enthalten. Anders ausgedrückt wurde jeder der Bondmagnete, die 5 wt%, 10 wt%, 15 wt% und 20 wt% enthalten, in eine Dicke von 1,5 mm bearbeitet mit derselben Form wie die Querschnittsform des mittleren Schenkels des EE-Kerns 2, und das Stück des Bondmagneten wurde durch Anlegen eines Magnetfelds von 4 T unter Verwendung eines Pulsmagnetisierers in der Dickerichtung magnetisiert. Jeder der so hergestellten Bondmagnete 1 wurde in den Spalt des EE-Kerns 2 eingesetzt, und eine oder mehrere Windungen einer Drahtwicklung 3 wurde auf einem Wicklungsabschnitt bereitgestellt, um ein Induktivitätsteil fertigzustellen. Die DC-Überlagerungskennlinie der fertiggestellten Induktivitätskomponente wurde unter Verwendung eines LCR-Meters fünf mal wiederholt gemessen, und die magnetische Permeabilität μ wurde aus der Kernkonstante und der Anzahl von Windungen der Drahtwicklung 3 berechnet. Die Ergebnisse sind in 5 dargestellt. In 5 bezeichnet eine horizontale Achse das überlagerte Magnetfeld Hm. 5 zeigt zusätzlich ein Messergebnis eines Vergleichsmusters, bei dem kein Magnet in den Spalt des EE-Kerns eingesetzt ist.
5 zeigt, dass die Kennlinien sich der Kennlinie des Vergleichsmusters ohne in den Spalt eingesetzten Magneten annähern, wenn der Anteil des Binders in dem Verbindungsmagnet ansteigt. Das liegt daran, dass ein erhöhter Anteil des Binders eine Verringerung der Restmagnetisierung Br bewirkt. Wenn der Binderanteil 20 wt% beträgt, gibt es keine große Verbesserung der Eigenschaften verglichen mit dem Verbindungsmagneten ohne eingesetzten Magneten. Aus diesen Ergebnissen und den Ergebnissen in Tabelle 1 ist klar, dass eine Restmagnetisierung Br von mindestens 1.000 G wesentlich ist.
Aus den obigen Ergebnissen und der Berücksichtigung der Wärme-Entmagnetisierungseigenschaften und der DC-Überlagerungseigenschaften ist klar, dass die Restmagnetisierung Br von 1.000 bis 4.000 G für den Verbindungsmagneten als Vormagnetisierungsmagneten wünschenswert ist.
Entsprechend anderen Experimenten waren die DC-Überlagerungseigenschaften nach der Wärmebehandlung gut, wenn die Koerzitivkraft bHc 0,9 kOe oder mehr beträgt.
Um sicherzustellen, dass der Verbindungsmagnet nicht durch eine durch Oxidation des Pulvers bewirkte permanente Entmagnetisierung beeinträchtigt wird, wird der Magnet nach der Wärmebehandlung wieder pulsmagnetisiert. Nachfolgend wurden die Eigenschaften des Verbindungsmagneten gemessen. Als Ergebnis zeigte der Verbindungsmagnet annähernd dieselben Eigenschaften wie vor der Wärmebehandlung, so dass kein Effekt der permanenten Entmagnetisierung aufgrund von Oxidation des Pulvers festgestellt werden konnte. Es wurde ebenfalls aus anderen Experimenten festgestellt, dass keine permanente Entmagnetisierung durch Oxidation des Pulvers beobachtet wurde, wenn die durchschnittliche Partikelgröße 2,5 μm oder mehr betrug, während keine Verschlechterung der Kernverlusteigenschaften beobachtet wurde, wenn die durchschnittliche Partikelgröße 50 μm oder weniger betrug.
Ein Magnetkern und eine Induktivitätskomponente mit hervorragenden DC-Überlagerungseigenschaften können mit geringer thermischer Entmagnetisierung erzielt werden, indem ein Verbindungsmagnet in einen Spalt eingesetzt wird, der in dem mittleren Schenkel des EE-Kerns ausgebildet ist, wobei der Verbindungsmagnet ein Pulver eines Magneten seltener Erden enthält, das eine Partikelgröße von 2,5 bis 50 μm aufweist, eine intrinsische Koerzitivkraft von 5 kOe oder mehr und eine Curie-Temperatur Tc von 300°C oder mehr, und das eine Restmagnetisierung Br von 1.000 bis 4.000 G, eine Koerzitivkraft bHc von 0,9 kOe oder mehr und einen spezifischen Widerstandswert von 1 Ω*cm oder mehr aufweist.
Beispiel 2
Zum Erhalten eines Magnetpulvers mit einer intrinsischen Koerzitivkraft von 10 kOe oder mehr und einer Curie-Temperatur Tc von 500°C oder mehr wurde ein gesinterter Magnet der Sm₂CO₁₇-Serie mit einem Energieprodukt von 28 MGOe grob zerkleinert, gefolgt von einer Feinzerkleinerung in einem organischen Lösungsmittel mit einer Kugelmühle, wodurch ein Magnetpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 10 μm erzielt wurde. Dann wurde das erhaltene Magnetpulver mit einem Epoxydharz als Binder vermischt mit den Harzanteilen von 1 wt%, 3 wt%, 5 wt%, 10 wt%, 15 wt% und 20 wt%, um sechs Arten von Verbindungsmagneten mit verschiedenen Binderanteilen herzustellen, und jede der Mischungen wurde ohne Anlegen eines Magnetfelds in eine Form gegossen. Die magnetischen Eigenschaften der so gewonnenen Verbindungsmagneten sind in Tabelle 2 dargestellt.
Tabelle 2
Anschließend wurde jeder der hergestellten Verbindungsmagnete in ein Muster mit einer Abmessung von 7,0 × 10,0 × 1,5 mm verarbeitet und in der Richtung der Dicke mit einem Pulsmagnetfeld von 4 T magnetisiert. Der magnetische Fluss jedes Musters wurde wie in Beispiel 1 bei Raumtemperatur (25°C) mit einem digitalen Flussmesser TDF-5 von TOEI Co. gemessen. Nach dem Messen jedes Musters wurde es in eine Kammer mit konstanter Temperatur gesetzt, auf eine Temperatur von 270°C erwärmt, was der Temperatur bei einem Reflow-Lötvorgang entspricht, und für eine Stunde auf der Temperatur gehalten. Der Verbindungsmagnet wurde in Ar (Argon) als Inertgas erwärmt, um den Effekt der permanenten Entmagnetisierung durch Oxidation des Verbindungsmagnetpulvers auszuschließen. Der erwärmte Verbindungsmagnet wurde anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt und für zwei weitere Stunden alleine gelassen. Dann wurde der Magnetfluss jedes Musters mit demselben Verfahren wie oben beschrieben gemessen. Außerdem wurde die Verringerungsrate des Magnetflusses (das thermische Entmagnetisierungsverhältnis) aus dem gemessenen Magnetfluss vor und nach der Reflow-Behandlung berechnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt.
Tabelle 3
Tabelle 3 zeigt, dass das thermische Entmagnetisierungsverhältnis klein ist, um den Verbindungsmagneten auch nach der Reflow-Behandlung zuverlässig zu machen, wenn der Binderanteil 5 wt% oder weniger beträgt. Der Grund dafür ist derselbe wie bereits oben im Hinblick auf Beispiel 1 mit Bezug auf 4A und 4B erwähnt. Dementsprechend wird der Effekt der thermischen Entmagnetisierung in dem Verbindungsmagneten mit der kleineren Restmagnetisierung Br stärker verringert. Diese Ergebnisse zeigen auch an, dass der Verbindungsmagnet wünschenswerterweise eine Restmagnetisierung Br von 4.000 G oder weniger aufweist.
Als nächstes wurde wie in Beispiel 1 zum Gewinnen von Mustern wie dem in 2 dargestellten Induktivitätsteil ein Spalt mit einer Länge von 1,5 mm an dem mittleren Schenkel eines EE-Kerns (eines Ferritkerns) 2 erzeugt, der unter Verwendung eines herkömmlichen Ferritmaterials der MnZn-Serie hergestellt wurde und eine Magnetpfadlänge von 7,5 cm und eine effektive Querschnittsfläche von 0,74 cm² aufweist. Ein in den Spalt des EE-Kerns 2 einzusetzender Verbindungsmagnet 1 wurde hergestellt unter Verwendung jeder der vier Arten von Bondmagneten, die ein geringes thermisches Entmagnetisierungsverhältnis zeigten und 5 wt% oder mehr Binder enthalten. Anders ausgedrückt wurde jeder der Bondmagnete, die 5 wt%, 10 wt%, 15 wt% und 20 wt% enthalten, in eine Dicke von 1,5 mm bearbeitet mit derselben Form wie die Querschnittsform des mittleren Schenkels des EE-Kerns 2, und das Stück des Bondmagneten wurde durch Anlegen eines Magnetfelds von 4 T unter Verwendung eines Pulsmagnetisierers in der Dickerichtung magnetisiert. Jeder der so hergestellten Bondmagnete 1 wurde in den Spalt des EE-Kerns 2 eingesetzt, und eine oder mehrere Windungen einer Drahtwicklung 3 wurde auf einem Wicklungsabschnitt bereitge stellt, um ein Induktivitätsteil fertigzustellen. Die DC-Überlagerungskennlinie der fertiggestellten Induktivitätskomponente wurde unter Verwendung eines LCR-Meters gemessen, und die magnetische Permeabilität μ wurde aus der Kernkonstante und der Anzahl von Windungen der Drahtwicklung 3 berechnet. Die Ergebnisse sind in 6 dargestellt. In 6 bezeichnet eine horizontale Achse das überlagerte Magnetfeld Hm.
Nach Beenden der Messung der DC-Überlagerungskennlinie wurde das Muster auf 270°C aufgeheizt, für eine Stunde bei dieser Temperatur gehalten, und auf Raumtemperatur abgekühlt mit zwei weiteren Stunden. Dann wurden die DC-Überlagerungskennlinie unter Verwendung des LCR-Meters wieder gemessen. Die Ergebnisse sind ebenfalls in 6 aufgeführt. Auch die Ergebnisse der Messungen des Musters ohne in den Spalt des EE-Kerns eingesetzten Magneten als Vergleichsmuster sind in 6 dargestellt.
6 zeigt, dass die Kennlinien Formen haben wie die in 4 und sich der Kennlinie des Vergleichsmusters ohne in den Spalt eingesetzten Magneten annähern, wenn der Anteil des Binders in dem Verbindungsmagneten ansteigt. Wenn der Binderanteil 20 wt% beträgt, gibt es keine großen Verbesserungen in den Eigenschaften verglichen mit dem Verbindungsmagneten ohne eingesetzten Magnet. Wie oben erwähnt, ist das so, weil der erhöhte Anteil von Binder eine Verringerung der Restmagnetisierung Br bewirkt. Aus diesem Ergebnis und den in Tabelle 2 dargestellten Ergebnissen ist klar, dass eine Restmagnetisierung Br von mindestens 1.000 G wesentlich ist.
Aus den obigen Ergebnissen und der Berücksichtigung der Wärme-Entmagnetisierungseigenschaften und der DC-Überlagerungseigenschaften ist klar, dass die Restmagnetisierung Br von 1.000 bis 4.000 G für den Verbindungsmagneten als Vormagnetisierungsmagneten wünschenswert ist.
Entsprechend anderen Experimenten waren die DC-Überlagerungseigenschaften nach der Wärmebehandlung gut, wenn die Koerzitivkraft bHc 0,9 kOe oder mehr beträgt.
Um sicherzustellen, dass der Verbindungsmagnet nicht durch eine durch Oxidation des Pulvers bewirkte permanente Entmagnetisierung beeinträchtigt wird, wird der Magnet nach der Wärmebehandlung wieder pulsmagnetisiert. Nachfolgend wurden die Eigenschaften des Verbindungsmagneten gemessen. Als Ergebnis zeigte der Verbindungsmagnet annähernd dieselben Eigenschaften wie vor der Wärmebehandlung, so dass kein Effekt der permanenten Entmagnetisierung aufgrund von Oxidation des Pulvers festgestellt werden konnte. Es wurde ebenfalls aus anderen Experimenten festgestellt, dass keine permanente Entmagnetisierung durch Oxidation des Pulvers beobachtet wurde, wenn die durchschnittliche Partikelgröße 2,5 μm oder mehr betrug, während keine Verschlechterung der Kernverlusteigenschaften beobachtet wurde, wenn die durchschnittliche Partikelgröße 50 μm oder weniger betrug.
Ein Magnetkern und eine Induktivitätskomponente mit hervorragenden DC-Überlagerungseigenschaften können mit geringer thermischer Entmagnetisierung erzielt werden, indem ein Verbindungsmagnet in einen Spalt eingesetzt wird, der in dem mittleren Schenkel des EE-Kerns ausgebildet ist, wobei der Verbindungsmagnet ein Pulver eines Magneten seltener Erden enthält, das eine Partikelgröße von 2,5 bis 50 μm aufweist, eine intrinsische Koerzitivkraft von 10 kOe oder mehr und eine Curie-Temperatur Tc von 500°C oder mehr, und das eine Restmagnetisierung Br von 1.000 bis 4.000 G, eine Koerzitivkraft bHc von 0,9 kOe oder mehr und einen spezifischen Widerstandswert von 1 Ω*cm oder mehr aufweist.
Beispiel 3
Jedes Magnetpulver und Harz wurde in der in Tabelle 4 gezeigten Zusammensetzung geknetet, und Muster (d. h. dünne Plattenmagneten) mit einer Dicke von 0,5 mm wurden durch Gießen und Bearbeiten hergestellt.
Tabelle 4
Die Pulver der Sm₂Co₁₇-Serie und die Ferritpulver wurden durch Mahlen eines entsprechenden gesinterten Materials vorbereitet, und ein Sm₂Fe₁₇N-Pulver wurde durch Nitrieren des Sm₂Fe₁₇-Pulvers durch reduktive Diffusion hergestellt. Jedes Pulver hatte eine durchschnittliche Partikelgröße von ca. 5 μm. Nach dem Heißkneten des aromatischen Polyamidharzes (6T-Nylon) oder des Polypropylenharzes in Ar bei 300°C (Polyamid) bzw. 250°C (Polypropylen) mit einem der magnetischen Pulver wurde die Mischung mit einer Heißpresse gegossen, um jedes Muster vorzubereiten. Im Fall des löslichen Polyimidharzes wurde γ-Butyrolacton als Lösungsmittel hinzugefügt, und die Lösung wurde mit einem Zentrifugalentschäumer für 5 Minuten gerührt, um eine Paste vorzubereiten. Aus der Paste wurde mit einem Schaberverfahren ein grüner Bogen mit einer Enddicke von 500 μm hergestellt, und nach dem Trocknen wurde durch Heißpressen ein Muster hergestellt. Im Fall des Epoxydharzes wurde ein Muster hergestellt durch Gießen in eine Form unter geeigneten Abbindebedingungen nach dem Rühren und Mischen des Harzes in einem Becher. Alle diese Muster hatten spezifische Widerstandswerte von 0,1 Ω*cm oder mehr.
Jede der dünnen Plattenmagneten wurde wie bei Beispiel 1 oder Beispiel 2 in ein Stück geschnitten mit einem Querschnitt des mittleren Schenkels des in 1 dargestellten Ferritkerns. Der Kern ist ein EE-Kern mit einer magnetischen Kreislänge von 5,9 cm und einer effektiven Querschnittsfläche von 0,74 cm², der unter Verwendung eines herkömmlichen Ferritmaterials der MnZn-Serie hergestellt wurde. In dem mittleren Schenkel des EE-Kerns wurde ein Spalt von 0,5 mm hergestellt. Der wie oben beschrieben hergestellte dünne Plattenmagnet wurde wie in 1 dargestellt in den Spalt eingesetzt, um ein Induktivitätsteil wie in 2 dargestellt zu gewinnen.
Nach Magnetisieren des Magneten in der Richtung des magnetischen Kreises mit einem Pulsmagnetisierer wurde die DC-Überlagerungskennlinie bei einer Wechselmagnetfeldfrequenz von 100 kHz gemessen, und die effektive magnetische Permeabilität wurde bei einem DC-Überlagerungsmagnetfeld von 35 Oe unter Verwendung eines LCR-Meters (HP-4284 A von Hewlett Packard Co.) gemessen. Der Überlagerungsstrom wird natürlich der Drahtwicklung 3 so zugeführt, dass die Richtung des DC-Überlagerungsmagnetfelds umgekehrt zu der Richtung der Magnetisierung des Magneten ist.
Nach Halten der Kerne in einem auf 270°C aufgeheizten Reflow-Ofen für 30 Minuten wurden die DC-Überlagerungskennlinien unter denselben Bedingungen wie oben beschrieben wieder gemessen.
Auch der Magnetkern ohne in den Spalt eingesetzten Magneten wurde als Vergleichsmuster gemessen. Die Kennlinien zeigten keine Veränderungen vor und nach der Reflow-Behandlung mit einer effektiven magnetischen Permeabilität μe von 70.
Die Ergebnisse der gemessenen effektiven magnetischen Permeabilitäten μe sind in Tabelle 5 dargestellt. Stellvertretend sind in 7 die DC-Überlagerungseigenschaften der Muster S-2 und S-4 und des Vergleichsmusters dargestellt. Dabei waren Messungen des Kerns mit einem eingesetzten dünnen Plattenmagneten, der das Polypropylenharz enthielt, nicht möglich, da der Magnet merklich verformt wurde.
Tabelle 5
Nach diesen Ergebnissen hat der BA-Ferrit-Verbindungsmagnet (Muster S-5) eine Koerzitivkraft, die so klein ist wie 4 kOe. Daher wird bedacht, dass der Verbindungsmagnet durch ein entgegengesetztes Magnetfeld, das an ihn angelegt wird, in der umgekehrten Richtung entmagnetisiert oder magnetisiert wird, wodurch die Verschlechterung der DC-Überlagerungskennlinie bewirkt wird. Der Magnetkern, der den eingesetzten dünnen Sm₂Fe₁₇N-Plattenmagneten enthält, zeigt ebenfalls eine große Verschlechterung der DC-Überlagerungskennlinie nach der Reflow-Bearbeitung. Der Magnetkern, der den dünnen eingesetzten Sm₂Co₁₇-Plattenmagneten mit einer Koerzitivkraft von soviel wie 10 kOe oder mehr enthält, zeigt dagegen praktisch keine Verschlechterung der Eigenschaften, er zeigt sehr stabile Eigenschaften.
Aus diesen Ergebnissen kann vermutet werden, dass durch das inverse Magnetfeld, das an dem dünnen Plattenmagneten anliegt, der Magnet entmagnetisiert wurde oder dass seine Magnetisierung umgekehrt wurde aufgrund der kleinen Koerzitivkraft des dünnen BA-Ferrit-Plattenmagneten, wodurch die DC-Überlagerungseigenschaften verschlechtert wurden. Es kann vermutet werden, dass die thermische Entmagnetisierung aufgrund des kleinen Tc des SmFeN-Magneten von 470°C bewirkt wurde, auch wenn die Koerzitivkraft groß ist, und die Eigenschaften wurden durch einen synergistischen Effekt der Entmagnetisierung aufgrund des inversen Magnetfelds und der thermischen Entmagnetisierung verschlechtert. Dementsprechend wurde es klar, dass eine Koerzitivkraft von 10 kOe oder mehr und ein Tc von 500°C oder mehr erforderlich sind, um hervorragende DC-Überlagerungseigenschaften in dem dünnen Plattenmagneten zu erzielen, der in den Kern eingesetzt werden soll.
Auch für die dünnen Plattenmagneten, die durch andere Kombinationen als die in diesem Beispiel beschriebenen hergestellt wurden, d. h. für die dünnen Plattenmagneten, die Harze verwenden, die aus Polyphenylensulfid, Silicon, Polyester und Flüssigpolymerharzen ausgewählt sind, wurde bestätigt, dass sie dieselben Wirkungen wie in diesem Beispiel erzielen können, auch wenn sie in diesem Beispiel nicht aufgeführt waren.
Beispiel 4
Nach Kneten desselben Magnetpulvers der Sm₂Co₁₇-Serie wie es in Beispiel 3 verwendet wurde (iHc = 15 kOe) und des löslichen Polyimidharzes (Toyobo Biromax) mit einem Kompressionskneter wurde die Mischung verdünnt und mit einem Planetenrührer geknetet, gefolgt durch Rühren für fünf Minuten in einem Zentri fugalentschäumer, um eine Paste vorzubereiten. Aus der Paste wurde mit einem Schaberverfahren ein grüner Bogen so hergestellt, dass er nach dem Trocknen eine Dicke von ca. 500 μm hat. Nach dem Trocknen wurde durch Heißpressen gefolgt von einer Bearbeitung auf eine Dicke von 0,5 mm ein dünnes Magnetmuster hergestellt. Der Anteil des Polyimid-Imidharzes wurde so eingestellt, dass sich wie in Tabelle 6 dargestellt ein spezifischer Widerstandswert von 0,06, 0,1, 0,2, 0,5 bzw. 1,0 Ω*cm ergab. Jeder dieser dünnen Plattenmagneten wurde in Stücke mit der Querschnittsform des mittleren Schenkels desselben Kerns wie in Beispiel 3 geschnitten, um die Muster vorzubereiten.
Tabelle 6
Der wie oben beschrieben hergestellte dünne Plattenmagnet wurde wie in Beispiel 3 in einen EE-Kern mit einer Spaltlänge von 0,5 mm eingesetzt, und der Magnet wurde mit einem Pulsmagnetisierer magnetisiert. Seine Kernverlusteigenschaften bei 300 kHz und 0,1 T wurden bei Raumtemperatur unter Verwendung des SY-8232-Wechselstrom-BH-Tracers von Iwatsu Electric Co. gemessen. Bei diesen Messungen wurde derselbe Ferritkern verwendet, und die Magnete wurden durch solche mit unterschiedlichem spezifischen Widerstandswert ersetzt, um die Kernverlusteigenschaften nach Einsetzen und Magnetisieren jedes der Magnete mit dem Pulsmagnetisierer wieder zu messen.
Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 6 dargestellt. Als Vergleichsmuster hat derselbe EE-Kern ohne Magnet in dem Spalt einen Kernverlust von 520 kW/m², der unter denselben Messbedingungen gemessen wurde. Entsprechend Tabelle 6 hat der Magnetkern eine hervorragende Kernverlusteigenschaft bei Verwendung des Magnets mit dem spezifischen Widerstandswert von 0,1 Ω*cm oder mehr. Daraus wird geschlossen, dass die Verwendung eines dünnen Magneten mit einem hohen spezifischen Widerstandswert bis auf die Streuströme verringern kann.

Claims

Ein Magnetkern (2) mit zumindest einem Magnetspalt in seinem magnetischen Pfad, wobei der Magnetkern einen Vormagnetisierungsmagneten (1) enthält, der in dem Magnetspalt angeordnet ist, zum Bereitstellen einer Vormagnetisierung von entgegengesetzten Enden des Magnetspalts auf den Kern, wobei der Vormagnetisierungsmagnet einen Verbindungsmagneten umfasst, der ein Magnetpulver seltener Erden und ein Bindeharz enthält, wobei das Magnetpulver seltener Erden eine intrinsische Koerzitivkraft von 5 kOe oder mehr, eine Curie-Temperatur Tc von 300°C oder mehr, einen spezifischen Widerstandswert von 0,1 Ω*cm oder mehr, eine Restmagnetisierung Br von 1000 bis 4000 G und eine Koerzitivkraft bHc einer B-H-Kurve von 0,9 kOe oder mehr aufweist.
Ein Magnetkern nach Anspruch 1, bei dem die intrinsische Koerzitivkraft größer oder gleich 10 kOe ist, die Curie-Temperatur Tc größer oder gleich 500°C ist und der spezifische Widerstandswert größer oder gleich 1 Ω*cm ist.
Ein Induktivitätsteil mit dem Magnetkern, wie er in einem der Ansprüche 1 und 2 beansprucht ist, und zumindest einer Wicklung (3), die mit einer oder mehreren Windungen auf den Magnetkern gewickelt ist.