TWI663127B

TWI663127B - 低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料及具有由其製成之磁芯的變壓器

Info

Publication number: TWI663127B
Application number: TW107100558A
Authority: TW
Inventors: 洪永熊; 黃靖謙; 郭明峯; 葉錫緯; 曾勇仁
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2018-01-05
Filing date: 2018-01-05
Publication date: 2019-06-21
Also published as: TW201930198A

Abstract

本發明提供一種低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料及一種具有由其製成之磁芯的變壓器。該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料包含：一主成分，包含一鎳氧化物、一鋅氧化物、一銅氧化物及一鐵氧化物；一副成分，其包含一降低磁損失劑、一晶粒成長促進劑及一促晶粒成長及緻密劑，其中該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁具有一初始導磁率(μi)大於400、一飽和磁束密度(Bs)大於3600高斯，及一功率損耗(PL)小於250千瓦/米³。

Description

低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料及具有由其製成之磁芯的變壓器

本發明係關於一種低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料及具有由其製成之磁芯的變壓器，特別是關於一種高導磁率、高飽和磁束密度及低功率損耗之鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料及具有由其製成之磁芯的變壓器。

現有使用於變壓器之磁芯材料通常為錳鋅鐵氧體，其電阻係數約1~10Ωm，因為錳鋅鐵氧體之磁芯的電阻不夠高，在變壓器的實際應用中必須使用塑膠材質之繞線架(bobbin)將線圈纏繞於其上，以防止串聯阻抗而引發損失。再者，錳鋅鐵氧體之燒結必須在O₂及N₂控制氣氛下燒結，才能得到磁性結晶相。上述之因素增加了變壓器製造之成本。而鎳鋅鐵氧體之電阻係數(ρ)約大於10⁴~10⁶Ωm，因此可直接於磁芯上直接繞線使用於變壓器中。但是，磁芯的初始導磁率(μi)、飽和磁束密度(Bs)及一功率損耗(PL)如未達需求規格，仍會造成應用及銷售之困擾。

舉例來說，日本專利特許公開第2001-076923號強調在一磁粉主成分中，Fe₂O₃按莫耳百分比計佔該磁粉主成分之49.0%、ZnO按莫耳百分比計佔該磁粉主成分之30%、NiO按莫耳百分比計佔該磁粉主成分之15%、CuO按莫耳百分比計佔該磁粉主成分之6%；煆燒研磨後在磁粉中(1)加入第一添加劑K₂O按重量百分比計佔該主成分與副成分總和之1~11%，(2)加入第二添加劑V₂O₅按重量百分比計佔該主成分與副成分總和之0~10%或Sb₂O₅按重量百分比計佔該主成分與副成分總和之1~11%，研磨成型後磁芯於空氣下1250℃燒結。該專利揭露此配方所製作之磁芯之 PL_{50KHz,150mT,25℃}小於300KW/m³、PL_{50KHz,150mT,100℃}小於240KW/m³、ρ大於10⁹Ωcm。此專利僅強調PL_{50KHz,150mT,25℃}、PL_{50KHz,150mT,100℃}與ρ值，但並未提到Bs、μ_i值，且PL_{50KHz,150mT,100℃}未能滿足需求。

又舉例來說，日本專利特許公開第2000-306719號磁粉中，強調在一磁粉主成分中，Fe₂O₃按莫耳百分比計佔該磁粉主成分之48~50%、ZnO按莫耳百分比計佔該磁粉主成分之0~5%、CuO按莫耳百分比計佔該磁粉主成分之3~7%、NiO按莫耳百分比計佔該磁粉主成分之5~12%、其餘為MgO；未加入添加劑，煆燒後磁粉研磨成型，磁芯於空氣下1200℃燒結。所製作之磁芯PL_{50KHz,150mT,25℃}小於240KW/m³、PL_{50KHz,150mT,80℃}小於235KW/m³、Bs大於3840高斯。此專利僅強調PL_{50KHz,150mT,25℃}、PL_{50KHz,150mT,80℃}、ρ大於10⁸Ωcm與Bs值，但並未提到μ_i與PL_{50KHz,150mT,100℃}值。

再舉例來說，下表1顯示習知常用錳鋅及鎳銅鋅鐵氧體之重要磁特性，其中錳鋅鐵氧體擁有高導磁率μ_i及B_s值，但使用頻率低於鎳銅鋅鐵氧體，特別是錳鋅鐵氧體之電阻係數僅約10Ωm遠低於鎳鋅鐵氧體之10⁴~10⁶Ωm，又錳鋅鐵氧體需在O₂加N₂氣氛控制下燒結，造成磁芯製造商在燒結錳鋅鐵氧體需耗用大量氮氣以得到磁性相及符合規格之磁性質。而鎳銅鋅鐵氧體之ρ值約10⁴~10⁶Ωm，因此可直接於磁芯上直接繞線使用於變壓器中。且鎳銅鋅鐵氧體則可在大氣氣氛下燒結，因此燒結相對容易且節省氮氣消耗。

然而，上述現有之鎳銅鋅鐵氧體在實際使用上仍具有下述問題，例如：目前Bs值最高僅能達到3000高斯，適用頻率範圍為1~100MHz，且配方中的組成會改變磁特性μ_i值、PL_{50KHz,150mT,100℃}值及Bs值。

故，有必要提供一種低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料及具有由其製成之磁芯的變壓器，以解決習用技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料及具有由其製成之磁芯的變壓器，其係利用調整磁粉材料中副成分添加劑之種類及配比，添加一降低磁損失劑以便降低磁損，一晶粒成長促進劑及一促晶粒成長及緻密劑，以改善磁粉材料晶粒結構，進而提升鎳銅鋅鐵氧體軟磁之磁特性。

本發明之次要目的在於提供一種低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料及具有由其製成之磁芯的變壓器，其係利用一降低磁損失劑、一晶粒成長促進劑及一促晶粒成長及緻密劑，以使該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁具有一初始導磁率(μi)大於400、一飽和磁束密度(Bs)大於3600高斯，及一功率損耗(PL)小於250千瓦/米³，進而提高低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁之磁特性。

為達上述之目的，本發明提供一種低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料，其包含：一主成分，包含一鎳氧化物、一鋅氧化物、一銅氧化物及一鐵氧化物；以及一副成分，其包含一降低磁損失劑、一晶粒成長促進劑及一促晶粒成長及緻密劑，其中該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料具有一初始導磁率(μi)大於400、一飽和磁束密度(Bs)大於3600高斯，及一功率損耗(PL)小於250千瓦/米³。

在本發明之一實施例中，該鎳氧化物為氧化鎳(NiO)且該鋅氧化物為氧化鋅(ZnO)，該氧化鎳(NiO)/氧化鋅(ZnO)之莫耳比值為0.60至0.65；該銅氧化物為氧化銅(CuO)，按莫耳百分比計佔該主成分之5.4%至5.6%；該鐵氧化物三氧化二鐵(Fe₂O₃)，按莫耳百分比計佔該主成分之48.90%至49.50%。

在本發明之一實施例中，該降低磁損失劑為氧化鎂(MgO)，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.1%至0.2%。

在本發明之一實施例中，該晶粒成長促進劑為氧化鉬 (MoO₃)，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.01%至0.05%。

在本發明之一實施例中，該促晶粒成長及緻密劑為三氧化二鉍(Bi₂O₃)，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.01%至0.05%。

在本發明之又一實施例中，本發明提供一種具有由低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料製成之磁芯的變壓器，其包含：一磁芯，由一低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料製成，該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料具有：一主成分，包含一鎳氧化物、一鋅氧化物、一銅氧化物及一鐵氧化物；及一副成分，包含一降低磁損失劑、一晶粒成長促進劑及一促晶粒成長及緻密劑，其中該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料具有一初始導磁率(μi)大於400、一飽和磁束密度(Bs)大於3600高斯及一功率損耗(PL)小於250千瓦/米³；以及一線圈，直接繞線於該磁芯上。

在本發明之一實施例中，該鎳氧化物為氧化鎳(NiO)且該鋅氧化物為氧化鋅(ZnO)，該氧化鎳(NiO)/氧化鋅(ZnO)之莫耳比值為0.60至0.65；該銅氧化物為氧化銅(CuO)，按莫耳百分比計佔該主成分之5.4%至5.6%；該鐵氧化物三氧化二鐵(Fe₂O₃)，按莫耳百分比計佔該主成分之48.90%至49.40%。

在本發明之一實施例中，該晶粒成長促進劑為氧化鉬(MoO₃)，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.01%至0.05%。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的「%」若無特定說明皆指「重量百分比(wt%)」；數值範圍(如10%~15%的A)若無特定說明皆包含上、下限值(即10%≦A≦15%)及範圍中的所有數值點(如11、12、13、14...)；數值範圍若未界定下限值(如低於0.2%的B，或0.2%以下的B)，則皆指其下限值為趨近於0但不包含0(即0%<B≦0.2%)；各成份的「重量百分比」之比例關係亦可置換為「重量份」的比例關係。上述用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

本發明第一實施例之一種低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料主要包含一主成分，包含一鎳氧化物、一鋅氧化物、一銅氧化物及一鐵氧化物；以及一副成分，其包含一降低磁損失劑、一晶粒成長促進劑及一促晶粒成長及緻密劑，其中該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁具有一初始導磁率(μi)大於400、一飽和磁束密度(Bs)大於3600高斯，及一功率損耗(PL)小於250千瓦/米³。本發明將於下文逐一詳細說明第一實施例之上述各份的細部配比及其製作方式。

在本發明之一實施例中，本發明低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料可由下述製造方法加以製造：首先，先提供一鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之一主成分包含一鎳氧化物、一鋅氧化物、一銅氧化物及一鐵氧化物。其中該鎳氧化物為氧化鎳(NiO)且該鋅氧化物為氧化鋅(ZnO)，該氧化鎳(NiO)/氧化鋅(ZnO)之莫耳比值為0.60至0.65；該銅氧化物為氧化銅(CuO)，按莫耳百分比計佔該主成分之5.4%至5.6%；該鐵氧化物三氧化二鐵(Fe₂O₃)，按莫耳百分比計佔該主成分之48.90%至49.50%，該鎳氧化物、鋅氧化物、銅氧化物及鐵氧化物之總莫耳百分比為100mol%。接著，將該主成分混合後放入一煆燒爐以900℃煆燒1小時後，再加入副成分包含一降低磁損失劑、一晶粒成長促進劑及一促晶粒成長及緻密劑，其中該降低磁損失劑為氧化鎂(MgO)，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.1%至0.2%。其中該晶粒成長促進劑為氧化鉬(MoO₃)，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.01%至0.05%。其中該促晶粒成長及緻密劑為三氧化二鉍(Bi₂O₃)，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.01%至0.05%。於煅燒之後，再進行濕式研磨至約1.2μm，研磨後再過篩，以形成一鎳鋅銅鐵氧體軟磁磁粉。在該鎳鋅銅鐵氧體軟磁磁粉中，該主成分及該副成分合計為100wt%。

接著，將黏結劑(例如：按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之1%之PVA)加入鎳鋅銅鐵氧體軟磁磁粉中，透過手工過篩造粒製成顆粒，在本實施例中，造粒粉顆粒之粒徑為80~240μm。

接著，上述造粒粉顆粒進一步利用模具成型為所需形狀(本實施例中為外徑×內徑×厚度=8×4×5mm)的生胚，其中生胚再經過下列之燒結方法燒結：(a)以100℃/小時的昇溫速率，加熱到500℃；(b)以200℃/小時的昇溫速率，加熱到900℃；(c)以250℃/小時的昇溫速率，加熱到1180℃，然後持溫2小時；及(d)以200℃/小時的冷卻速率，冷卻到常溫。

以上燒結過程的氣氛完全在空氣21%之下。

經燒結後，即可獲得一鎳鋅銅鐵氧體軟磁磁芯，將該鎳鋅銅鐵氧體軟磁磁芯利用精密阻抗分析儀，例如Agilent-4294A，測得電感值(L)，並換算獲得μi值。另外，利用利用標準B-H分析儀，例如IWATSU SY8232測試儀，量測50KHz、150mT下測得之磁損失，此即功率損耗(Power Loss；PL_{50KHz,150mT,100℃})。再者，飽和磁束密度(Bs)係在室溫下以直流磁化特性試驗裝置，例如METRON SK-130，測得飽和磁束密度。所得該鎳鋅銅鐵氧體軟磁磁芯之磁特性為初始導磁率(μi)大於400、飽和磁束密度(Bs)大於3600高斯，及功率損耗(PL_{50KHz,150mT,100℃})小於250千瓦/米³。茲以下表實例予以詳細說明本發明之配方，惟並不意謂本發明僅侷限於此等實例所揭示之內容。

下表2為使用不同配方製造之鎳鋅銅鐵氧體軟磁磁芯的磁特性，其中一比較例1為鎳鋅銅鐵氧體軟磁主成份中Fe₂O₃按莫耳百分比計佔該主成分之49.25%，NiO/ZnO比值為0.71，CuO按莫耳百分比計佔該主成分之5.5%，Fe₂O₃之莫耳百分比及NiO之莫耳百分比與ZnO之莫耳百分比與CuO莫耳百分比總和為100%，將該主成分混合後放入一煆燒爐以900℃煆燒1小時後，再加入副成分形成一低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料，該少量副成分其中包含(1)第一種少量副成分為MgO，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.08%；(3)第二種少量副成分為MoO₃，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.03%；(4)第三種少量副成分為Bi₂O₃，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.03%。該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料在大氣中1180℃持溫2小時下燒結，燒結後的磁芯磁特性μ_i值為425與Bs值為3770雖符合所需，唯PL_{50KHz,150mT,100℃}值為258KW/m³未達需求規格。

再者，下表2之一比較例2的鎳鋅銅鐵氧體軟磁主成份中Fe₂O₃按莫耳百分比計佔該主成分之47.8%，NiO/ZnO比值為0.54，CuO按莫耳百分比計佔該主成分之5.5%，Fe₂O₃之莫耳百分比及NiO之莫耳百分比與ZnO之莫耳百分比與CuO莫耳百分比總和為100%，主成份原料粉經混合後以900℃煆燒後研磨，再加入副成分形成一低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料，該少量副成分其中包含(1)第一種少量副成分為MgO，佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.15%；(3)第二種少量副成分為MoO₃，佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.03%；(4)第三種少量副成分為Bi₂O₃，佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.03%。該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料在大氣中1180℃持溫2小時下燒結，所得磁特性μ_i值為510與PL_{50KHz,150mT,100℃}值為248KW/m³雖符合所需，唯Bs值為3521G未達需求規格。

另外，表2之比較例3至5則依表中各成分之數值設定按相同於上述的製造方式加以製造低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料，並進行各種磁特性之測量。由於表2之比較例1至5因部份磁特性(以底線標註者)尚未滿足需求，仍會造成應用及銷售之困擾。因此有必要改進鎳銅鋅軟磁之配方製程，以解決上述問題。

請再參照下表2中之實施例1至3，本發明第一實施例將低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之主成分調整至氧化鎳(NiO)/氧化鋅(ZnO)之莫耳比值為0.60至0.65；銅氧化物為氧化銅(CuO)，按莫耳百分比計佔該主成分之5.4%至5.6%；鐵氧化物三氧化二鐵(Fe₂O₃)，按莫耳百分比計佔該主成分之48.90%至49.50%。將主成分原料粉經混合後以900℃煆燒後研磨，再加入一副成分形成一低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料，該副成分包含一降低磁損失劑、一晶粒成長促進劑及一促晶粒成長及緻密劑，其中該降低磁損失劑為氧化鎂(MgO)，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.1%至0.2%。其中該晶粒成長促進劑為氧化鉬(MoO₃)，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.01%至0.05%。其中該促晶粒成長及緻密劑為三氧化二鉍(Bi₂O₃)，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.01%至0.05%。如此，可使得該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁具有一初始導磁率(μi)大於400、一飽和磁束密度(Bs)大於3600高斯，及一功率損耗(PL)小於250千瓦/米³。

請參照本發明之第二實施例，本發明第二實施例提供一種具有由低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料製成之磁芯的變壓器，其低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料係相似於本發明第一實施例，但兩實施例之間的差異之處在於：該第二實施例係將本發明第一實施例製成之低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料用以製作做為變壓器之磁芯，因其磁芯之電阻值ρ大於10⁶Ωm，因此可直接於磁芯上直接繞線使用而不需使用塑膠材質之繞線架(bobbin)，因此除磁芯製造成本較習知的磁芯製造成本低之外，尚可節省繞線架之成本並有利於磁芯的小型化。因此，使用本發明之低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料製成之變壓器其確實可以有效降低成本且簡化製程。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料，其包含：一主成分，包含一鎳氧化物、一鋅氧化物、一銅氧化物及一鐵氧化物；以及一副成分，其包含一降低磁損失劑、一晶粒成長促進劑及一促晶粒成長及緻密劑，其中該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料具有一初始導磁率(μi)大於400、一飽和磁束密度(Bs)大於3600高斯，及一功率損耗(PL)小於250千瓦/米³，其中該鎳氧化物為氧化鎳(NiO)且該鋅氧化物為氧化鋅(ZnO)，該氧化鎳(NiO)/氧化鋅(ZnO)之莫耳比值為0.60至0.65；該銅氧化物為氧化銅(CuO)，按莫耳百分比計佔該主成分之5.4%至5.6%；該鐵氧化物三氧化二鐵(Fe₂O₃)，按莫耳百分比計佔該主成分之48.90%至49.50%；其中該降低磁損失劑為氧化鎂(MgO)，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.1%至0.2%；其中該晶粒成長促進劑為氧化鉬(MoO₃)，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.01%至0.05%；及其中該促晶粒成長及緻密劑為三氧化二鉍(Bi₂O₃)，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.01%至0.05%。
一種具有由低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料製成之磁芯的變壓器，其包含：一磁芯，由一低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料製成，該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料具有：一主成分，包含一鎳氧化物、一鋅氧化物、一銅氧化物及一鐵氧化物；及一副成分，包含一降低磁損失劑、一晶粒成長促進劑及一促晶粒成長及緻密劑，其中該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料具有一初始導磁率(μi)大於400、一飽和磁束密度(Bs)大於3600高斯及一功率損耗(PL)小於250千瓦/米³；以及一線圈，直接繞線於該磁芯上，其中該鎳氧化物為氧化鎳(NiO)且該鋅氧化物為氧化鋅(ZnO)，該氧化鎳(NiO)/氧化鋅(ZnO)之莫耳比值為0.60至0.65；該銅氧化物為氧化銅(CuO)，按莫耳百分比計佔該主成分之5.4%至5.6%；該鐵氧化物三氧化二鐵(Fe₂O₃)，按莫耳百分比計佔該主成分之48.90%至49.40%；其中該降低磁損失劑為氧化鎂(MgO)，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.1%至0.2%；其中該晶粒成長促進劑為氧化鉬(MoO₃)，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.01%至0.05%；及其中該促晶粒成長及緻密劑為三氧化二鉍(Bi₂O₃)，按重量百分比計佔該低磁損鎳銅鋅鐵氧體軟磁磁粉材料之0.01%至0.05%。