专利名称：使用软磁性金属粉末的用于制造磁芯的单元块以及使用所述单元块制造具有大电流直流 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用软磁性金属粉末的用于磁芯的单元块、使用所述单元块的具有优异的大电流直流(DC)偏压特性的磁芯以及制造所述磁芯的方法。更具体地，本发明涉及使用软磁性金属粉末的用于磁芯的单元块、使用所述单元块的具有优异的大电流直流偏压特性的磁芯以及制造所述磁芯的方法，其中，所述单元块用于制造磁芯，该磁芯可应用于PFC(功率因数校正)用有源滤波器(大电流降压用电感器或大电流升压用电感器)、三相线路电抗器或采用燃料电池系统的汽车电子设备所用的电感器。
背景技术：
以往应用于PFC(功率因数校正)用有源滤波器(大电流降压用电感器或大电流升压用电感器)、三相线路电抗器或采用燃料电池系统的汽车电子设备所用的电感器的软磁性磁芯由纯铁、硅钢或无定型材料等制成，并分为层叠式磁芯和EE型磁芯和EI型磁芯。
层叠式硅钢磁芯或无定形磁芯被用于PFC(功率因数校正)用有源滤波器(大电流降压用电感器或大电流升压用电感器)，该滤波器具有等于或小于50kHz的切换频率；或被用于三相线路电抗器以便利用偏置高频电流来抑制电子噪声。然而，层叠式硅钢磁芯或无定形磁芯的缺点在于，由于磁芯损耗高和磁致伸缩常数高，因而不利地出现显著的热和噪音。要克服这一缺点，尺寸必然要大，从而使经济效率欠佳。
另外，由于高压压力机的压制能力有限，为上述用途而制造的软磁性环形磁芯的外径不能超过77mm～100mm，因此将软磁性环形磁芯用于大型产品是不可能的。
此外，尽管由纯铁粉末制成的磁芯具有低价的优势，但是这种磁芯的缺点在于，由于磁芯损耗大，因而会发生过热，在偏置高直流电流时，磁导率显著降低。同时，将层叠式硅钢磁芯或无定形磁芯用于PFC(功率因数校正)用有源滤波器(大电流降压用电感器或大电流升压用电感器)，该滤波器具有等于或小于50kHz的切换频率；或用于三相线路电抗器以便利用偏置高频电流来抑制电子噪声。然而层叠式硅钢磁芯或无定形磁芯的缺点在于，由于磁芯损耗大，并且磁致伸缩常数高，因而不利地出现显著的热和噪音。
另一方面，铁镍钼磁芯(MPP磁芯)的优点是，它在1kHz～100kHz的频率范围内具有优异的频率特性，在金属粉末磁芯中，铁镍钼磁芯的磁芯损耗最低，当偏置高直流电流时，磁导率下降小。然而，铁镍钼磁芯具有价格高的缺点。高通量磁芯的优点在于，在1kHz～100kHz的频率范围内具有优异的频率特性，磁芯损耗较低，而且，当偏置高直流电流时，在金属粉末磁芯中，高通量磁芯的磁导率下降最小。
另外，铁硅铝合金磁芯的优点在于，磁芯损耗比使用纯铁的磁芯的磁芯损耗要低得多，频率特性几乎与铁镍钼磁芯或高通量磁芯相同，而价格约为铁镍钼磁芯或高通量磁芯的一半。然而，大电流直流偏压特性略差于铁镍钼磁芯或高通量磁芯。此外，尽管硅钢粉末(由5重量％～8重量％的Si和余量的Fe组成)的磁芯损耗高于铁镍钼磁芯、高通量磁芯和铁硅铝合金磁芯，但是所述硅钢粉末的优点在于，其大电流直流偏压特性优于铁镍钼磁芯或铁硅铝合金磁芯，而且价格较低。
发明内容
通过本发明所要解决的技术任务鉴于现有技术中所用的纯铁粉末、层叠式硅钢或无定形磁芯所存在的上述问题而完成了本发明，本发明的目的是提供使用软磁性金属粉末的用于磁芯的单元块、使用所述单元块的具有优异的大电流直流偏压特性的磁芯以及制造所述磁芯的方法。在这一点上，可以根据目的、电感器的尺寸以及价格，有选择地采用铁镍钼粉末、高通量粉末、铁硅铝合金粉末或硅钢粉末来制造所述单元块。因此，可以将所述单元块用于PFC(功率因数校正)用有源滤波器(大电流降压用电感器或大电流升压用电感器)、三相线路电抗器或采用燃料电池系统的汽车电子设备所用的电感器。
技术方案为了实现上述目的，本发明提供了采用软磁性金属粉末的用于磁芯的单元块，所述软磁性金属粉末包含平均粒径均为等于或小于175μm的一种或多种粉末，并且所述一种或多种粉末选自由铁硅铝合金粉末、高通量粉末、铁镍钼粉末和硅钢粉末组成的组。所述粉末经过压制和热处理，形成长为3cm～10cm、宽为1cm～5cm、高为1cm～5cm的单元块。
此外，本发明提供一种单元块，其特征在于，所述铁硅铝合金粉末包含9％～10％的Si、4％～8％的Al和余量的Fe，所述高通量粉末包含45％～55％的Ni和余量的Fe，所述铁镍钼粉末包含80％～81％的Ni、16％～18％的Fe和1.5％～2.5％的Mo，以及所述硅钢粉末包含5重量％～8重量％的Si和余量的Fe。
另外，本发明还提供一种磁芯，该磁芯采用由软磁性金属粉末制成的单元块，并且具有优异的大电流直流偏压特性。所述磁芯包含用于磁芯的单元块，所述单元块采用一种或多种选自由铁硅铝合金粉末、高通量粉末、铁镍钼粉末和硅钢粉末组成的粉末制成，并且长为3cm～10cm，宽为1cm～5cm，高为1cm～5cm。利用耐热耐火的环氧粘合剂或聚氨酯粘合剂使所述单元块相互粘合，以形成单相电抗器或三相电抗器。
同时，本发明还提供制造磁芯的方法，所述磁芯采用由软磁性金属粉末制成的单元块，并且具有优异的大电流直流偏压特性。所述方法包括将一种或多种粉末与固体润滑剂混合，所述粉末的平均粒径均等于或小于175μm，并且选自由铁硅铝合金粉末、高通量粉末、铁镍钼粉末和硅钢粉末组成的组；以每单位面积10吨～18吨的压力对粉末混合物进行压制，使各单元块的长为3cm～10cm、宽为1cm～5cm、高为1cm～5cm；在600℃～800℃于惰性气体氛围中对经压制的混合物进行1小时～2小时的热处理，以形成单元块，各单元块的长为3cm～10cm、宽为1cm～5cm、高为1cm～5cm；利用耐热和耐火的环氧粘合剂或聚氨酯粘合剂使所述单元块相互粘合，以形成所述磁芯。
下文将通过参考附图来对本发明进行详细描述。
图1示意性说明了本发明的使用软磁性金属粉末的用于磁芯的单元块；图2示意性说明了采用单元块制造的单相电抗器，所述单元块为使用本发明的软磁性金属粉末的用于磁芯的单元块；图3示意性说明了采用单元块制造的三相电抗器，所述单元块为使用本发明的软磁性金属粉末的用于磁芯的单元块；图4是比较性地显示本发明的采用硅钢粉末制造的单相电抗器和常规环形磁芯的直流偏压特性的图；和图5是比较性地显示采用本发明的软磁性金属粉末制造的三相电抗器和包含层叠式硅钢的常规三相电抗器的直流偏压特性的图。
具体实施例方式
图1示意性说明了本发明的软磁性块状磁芯，图2示意性说明了采用本发明所述的软磁性块状磁芯制造的单相电抗器，而图3示意性说明了采用本发明所述的软磁性块状磁芯制造的三相电抗器。
以下将提供本发明说明书中的数值限定所依据的理由。
采用本发明的软磁性金属粉末制得的单元块具有六面体形状，其长为3cm～10cm、宽为1cm～5cm、高为1cm～5cm。
限制所述单元块的长度、宽度和高度的理由如下。当长度等于或小于3cm、宽度等于或小于1cm和高度等于或小于1cm时，组装单元块需要的时间和费用将增加。当长度等于或大于10cm、宽度等于或大于5cm和高度等于或大于5cm时，实践中无法安装制造所述单元块所需要的压力机。
另外，之所以将本发明中所用的软磁性金属粉末的平均粒径设定为等于或小于175μm，是为了确保单元块具有优异的成型强度，并防止压力机遭到损坏。
此外，本发明的单元块以每单位面积(cm2)10吨～18吨的压制压力形成。当压制压力等于或小于10吨时，将难以保持单元块的形状。另外，难以提供能够承受18吨或18吨以上的压制压力的设备。
同时，在600℃～800℃于惰性气体氛围中对在上述条件下形成的单元块进行1小时～2小时的热处理。之所以对上述温度和时间加以限制，是为了合乎需要地除去在非氧化性氛围中形成所述单元块的过程中该单元块的残余应力。
另外，在本发明中，利用耐热耐火的粘合剂使所述单元块相互粘合而形成磁芯。将环氧粘合剂或聚氨酯粘合剂用作所述耐热耐火的粘合剂。
将环氧粘合剂或聚氨酯粘合剂用作耐热和耐火的粘合剂的理由是，所述环氧粘合剂或聚氨酯粘合剂在磁芯实际使用的温度(即等于或大于100℃)不会失去其粘合强度。
以下将对本发明的软磁性金属粉末的制备进行描述。
根据由本发明的申请人完成的韩国专利申请No.1998-62927的相同方法，制备本发明中所用的铁硅铝合金粉末，该粉末的制备简述如下。
采用颚式压碎机、旋转压碎机或锤磨机等对铁硅铝合金锭进行粉碎，所述铁硅铝合金锭具有高磁导率和低损耗性质，并由9.6％的Si、5.4％的铝和余量的Fe组成；采用球磨机处理1小时，在800℃～900℃于氢和氮的混合气体氛围中热处理8小时。通过采用1.0重量％～2.0重量％的绝缘陶瓷的湿法绝缘涂覆或者通过采用低熔点陶瓷粘合剂的干法绝缘涂覆对经热处理的粉末进行处理，从而制备铁硅铝合金粉末。
由Ni和Fe组成的高通量粉末或由Ni、Fe和Mo组成的铁镍钼粉末的制备公开在由本发明的申请人完成的韩国专利申请No.2001-61455和1997-9412中，该制备方法简述如下。
高通量粉末或铁镍钼粉末采用喷雾法并在800℃～900℃于氢和氮的混合气体氛围中进行8小时的热处理而制得。通过采用0.5重量％～3.0重量％的混合陶瓷的绝缘涂覆工艺对经热处理的粉末进行处理。所述混合陶瓷含有相互混合的氢氧化镁、高岭土、滑石和水玻璃(硅酸钠)。
对于具有优异的直流偏压特性的硅钢粉末，可以根据由本发明的申请人完成的韩国专利申请No.2000-4180所公开的方法，将Fe和Si熔融，使得该熔融混合物含有6.5％的Si和余量的Fe，采用混合气进行喷雾来制备粉末，所述混合气包含选自由N2、He、Ne、Ar、Xe和Rn气体组成的组的一种或多种气体。在800℃～900℃于氢、氮或氢和氮的混合气体的氛围中对该粉末进行8小时的热处理。接着选择粒径等于或小于80目(175μm)的粉末，然后通过采用0.5重量％～2.0重量％的混合陶瓷的湿法绝缘涂覆或通过采用玻璃粉的干法绝缘涂覆对该粉末进行处理，以制备用于所述单元块的硅钢粉末。
另外，如果需要，可以通过由本发明的申请人完成的韩国专利申请2000-46247所公开的方法制备复合粉末。
随后将所制备的粉末(铁镍钼粉末、高通量粉末、铁硅铝合金粉末或复合粉末)以需压制到块型磁芯中的预定量与诸如Zn、ZnS或硬脂酸等固体润滑剂混合。
采用电动压力机在模具中进行所述压制，利用所述润滑剂来减少模具与压制品以及模具与粉末颗粒之间的磨擦力。
在这一阶段，以100吨～500吨的高压制压力(每单位面积[cm2]10吨～18吨)压制长为6cm、宽为3cm且高为2cm的单元块。
下一步，在650℃～750℃于氮气氛围中对经压制的单元磁芯热处理1小时，以除去残余应力和应变，据此完成用于磁芯的单元块的制造。
根据该磁芯的尺寸和用途，设计通过上述方法制造的单元块的尺寸和形状。采用具有优异的耐热性、耐火性的粘合剂将单元块相互组装在一起，然后安装于支持台(bracket)的外侧，据此形成表面安装中有用的抗振动耐冲击的磁芯。
发明效果如上所述，本发明采用由金属粉末制成的软磁性单元块所制造的软磁性磁芯的优点在于，使用低价的诸如硅钢(Fe-Si)合金粉末、铁硅铝合金粉末、铁镍钼粉末和高通量粉末来确保优异的大电流直流偏压特性和低磁芯损耗。据此可以制造由所述金属粉末制成的软磁性块状磁芯，所述磁芯可以减少热和噪音的发生，而且由于磁导率升高和噪音降低，所以可降低电感器的尺寸和重量。所述软磁性块状磁芯可用以代替应用于PFC(功率因数校正)用有源滤波器(大电流降压用电感器或大电流升压用电感器)、三相线路电抗器或采用燃料电池系统的汽车用电子设备所用的电感器的常规软磁性磁芯。另外，根据其尺寸和用途，本发明的磁芯可以具有不同的形状。
实施例实施例1压碎铁硅铝合金锭，以制造等于或小于300目(50μm)的铁硅铝合金粉末，所述铁硅铝合金锭具有高磁导率和低损耗特性，并由9.6重量％的Si、5.4重量％的Al和余量的Fe组成。通过采用1.0重量％的混合陶瓷的湿法绝缘涂覆或者通过采用玻璃粉的干法绝缘涂覆对铁硅铝合金粉末进行处理，从而完成铁硅铝合金粉末的制备(韩国专利申请No.1998-62927)。
向经涂覆的铁硅铝合金粉末中添加润滑剂后，以100吨～500吨的高压制压力将所得粉末压制成长度为60mm、宽度为30mm且高度为20mm的单元块，然后在700℃～800℃于氮气氛围中热处理1小时，从而完成所述的用于磁芯的单元块的制造。
实施例2通过采用1.0重量％的混合陶瓷的湿法绝缘涂覆对粉末(铁镍钼)进行处理，据此完成铁镍钼粉末的制备(韩国专利申请No.1997-0009412)，所述粉末(铁镍钼)具有等于或小于300目(50μm)的粒径，采用喷雾法制得，并由2％的Mo、80％的Ni和余量的Fe组成。
向经涂覆的铁镍钼粉末中添加作为润滑剂的硬脂酸后，以100吨～500吨的高压制压力将所得粉末压制成长度为60mm、宽度为30mm且高度为20mm的单元块，然后在700℃～800℃于氮气氛围中热处理1小时，从而完成所述的用于磁芯的单元块的制造。
实施例3通过采用1.0重量％的混合陶瓷的绝缘涂覆法对高通量粉末进行处理，据此完成高通量粉末的制备(韩国专利申请No.2001-61455)，所述高通量粉末具有等于或小于300目(50μm)的粒径，采用喷雾法制得，并由50％的Ni和余量的Fe组成。
向经涂覆的高通量粉末中添加润滑剂之后，以100吨～500吨的高压制压力将所得粉末压制成长度为60mm、宽度为30mm且高度为20mm的单元块，然后在700℃～800℃于氮气氛围中热处理1小时，从而完成所述的用于磁芯的单元块的制造。
实施例4熔融Fe和Si，使熔融混合物包含6.5％的Si和余量的Fe，并采用混合气进行喷雾以制备粉末，所述混合气包含选自由N2、He、Ne、Ar、Xe和Rn气体组成的组的一种或多种气体。在880℃于氢、氮或氢和氮的混合气体的氛围中对该粉末进行8小时的热处理。接着选择粒径等于或小于80目(175μm)的粉末，然后通过采用0.5重量％～2.0重量％的混合陶瓷的湿法绝缘涂覆或通过采用低熔点陶瓷粘合剂的干法绝缘涂覆对该粉末进行处理，以制备硅钢粉末(韩国专利申请No.2000-4180)。
向经涂覆的硅钢粉末中添加润滑剂后，以100吨～500吨的高压制压力将所得粉末压制成长度为60mm、宽度为30mm且高度为20mm的单元块，然后在700℃～800℃于氮气氛围中热处理1小时，从而完成所述的用于磁芯的单元块的制造。
实施例5根据用途以硅钢粉末作为主要组分的方式将通过实施例1～4所制备的粉末相互混合，据此制备复合粉末(韩国专利申请No.2000-4180)。
向所述复合粉末中添加润滑剂后，以100吨～500吨的高压制压力将所得粉末压制成长度为60mm、宽度为30mm且高度为20mm的单元块，然后在700℃～800℃于氮气氛围中热处理1小时，从而完成所述的用于磁芯的单元块的制造。
实施例6根据它们的用途使通过实施例1～4制备的软磁性金属粉末单元块成型，将具有优异的耐热耐火性的粘合剂涂覆在所述块的表面，以便使这些单元块相互粘合。接着将支持台设置在由相互粘合的所述单元块组成的磁芯的表面上，如此可耐受冲击和振动，然后对所得结构进行表面安装处理，据此形成采用由软磁性金属粉末制成的单元块的磁芯。
可以将该软磁性磁芯制成如图2和图3所示的单相电抗器或三相电抗器。另外，如图3所示，可以得知，通过将所述单元块相互粘合而制得的软磁性磁芯具有优于常规层叠式硅钢型软磁性磁芯的大电流直流偏压特性。
实施例7利用由实施例1～5的粉末制成的单元块，通过实施例6的方法制造块状磁芯。所述块状磁芯的电磁特性和噪声特性如表1所示。由表1可知，与比较试样1相比，本发明的试样1～7的直流偏压特性高2％～14％，并且噪声特性低约30dB(分贝)或30dB以上。而且它们的直流偏压特性也高于一般的环形磁芯。
如上所述，对于采用由软磁性金属粉末制成的单元块制造的磁芯，在250Oe(奥斯特)或250Oe以上(该磁场强度为该磁芯实际使用时所处的磁场强度)，其直流偏压特性高于层叠式硅钢或环形磁芯。因此相信本发明的磁芯可以用作用于PFC(功率因数校正)用有源滤波器(大电流降压用电感器或大电流升压用电感器)、三相线路电抗器或采用燃料电池系统的汽车用电子设备所用的电感器的软磁性磁芯的替代品。
表1
*M铁镍钼粉末，H高通量粉末，S铁硅铝合金粉末，C硅钢粉末
权利要求
1.采用软磁性金属粉末的用于磁芯的单元块，该单元块包含一种或多种粉末，所述粉末的平均粒径均为等于或小于175μm，并且选自由铁硅铝合金粉末、高通量粉末、铁镍钼粉末和硅钢粉末组成的组，其中，所述粉末经过压制和热处理而形成长为3cm～10cm、宽为1cm～5cm、高为1cm～5cm的单元块。
2.如权利要求1所述的单元块，其中，所述铁硅铝合金粉末包含9％～10％的Si、4％～8％的Al和余量的Fe，所述高通量粉末包含45％～55％的Ni和余量的Fe，所述铁镍钼粉末包含80％～81％的Ni、16％～18％的Fe和1.5％～2.5％的Mo，而且所述硅钢粉末包含5重量％～8重量％的Si和余量的Fe。
3.一种磁芯，该磁芯采用由软磁性金属粉末制成的单元块，并且具有优异的大电流直流偏压特性，所述磁芯包含用于磁芯的多个单元块，所述单元块通过使用选自由铁硅铝合金粉末、高通量粉末、铁镍钼粉末和硅钢粉末组成的组中的一种或多种粉末而制成，并且长为3cm～10cm，宽为1cm～5cm，高为1cm～5cm，其中，利用耐热耐火性的环氧粘合剂或聚氨酯粘合剂使所述单元块相互粘合，以形成单相电抗器或三相电抗器。
4.一种制造磁芯的方法，所述磁芯采用由软磁性金属粉末制成的单元块，并且具有优异的大电流直流偏压特性，所述方法包括将一种或多种粉末与固体润滑剂混合，所述粉末的平均粒径均为等于或小于175μm，并且所述的一种或多种粉末选自由铁硅铝合金粉末、高通量粉末、铁镍钼粉末和硅钢粉末组成的组；以每单位面积10吨～18吨的压力对粉末混合物进行压制，从而使各单元块的长为3cm～10cm、宽为1cm～5cm、高为1cm～5cm；在600℃～800℃于惰性气体氛围中对经压制的混合物进行1小时～2小时的热处理，以形成单元块，各单元块的长为3cm～10cm、宽为1cm～5cm、高为1cm～5cm；利用耐热耐火性的环氧粘合剂或聚氨酯粘合剂使所述单元块相互粘合，以形成所述磁芯。
全文摘要
本发明公开了使用软磁性金属粉末的用于磁芯的单元块、使用所述单元块的具有优良的大电流直流偏压特性的磁芯以及制造所述磁芯的方法。所述单元块用于制造磁芯，该磁芯应用于PFC(功率因数校正)用有源滤波器、三相线路电抗器或汽车电子设备所用的电感器。制造所述磁芯的方法包括将铁硅铝合金粉末、高通量粉末、铁镍钼粉末和硅钢粉末与固体润滑剂混合，所述粉末的平均粒径均为等于或小于175μm；以每单位面积10吨～18吨的压力对该混合物进行压制；在600℃～800℃对经压制的混合物进行1小时～2小时的热处理，以形成单元块，各单元块的长为3cm～10cm、宽为1cm～5cm、高为1cm～5cm；利用耐热耐火性的粘合剂粘合所述单元块。
文档编号H01F3/08GK1871670SQ200480031065
公开日2006年11月29日 申请日期2004年10月22日 优先权日2003年10月24日
发明者朴在烈, 俞奉基, 李泰京 申请人:株式会社昌星