CN101292307A - 磁芯、磁性装置和用于制造磁芯的方法 - Google Patents

磁芯、磁性装置和用于制造磁芯的方法 Download PDF

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Abstract

在具有磁性材料的至少两个层(3，4)的磁芯中，其中每一层本身都具有层纵轴(L1，L2)以及磁性从优取向(各向异性方向)(k)至少近似地垂直于层纵轴，为了减小矫顽磁场强度和剩磁，且为了实现尽可能高的品质，根据本发明规定，不同的层以不依赖于层纵轴的对准的方式被对准，使得使直接相邻的层的各向异性方向(k)之间的角度尽可能最小化。

Description

磁芯、磁性装置和用于制造磁芯的方法
本发明处于开放式磁芯、特别是棒形磁芯的构造和制造方法的领域。
作为磁芯，除了特别是用于低频范围的铁氧体磁芯外，由薄层非结晶的或纳米结晶的金属磁性材料制成的叠片芯已表明是非常有效率的。
这种磁芯例如应用于防盗窃的RFID领域、识别和标识***以及用于无线的能量传递和信息传输。相应的工作频率可以在20至150kHz的范围内或者处于约13.5MHz。相应的磁芯是受到极端压价的批量产品。
如果只允许少量的涡流损耗和要求芯的高品质，则产生特殊的要求。在仅具有很薄的层(小于15μm)的叠片(laminiert)芯的情况下可达到相应的质量，其中这些层有益地根据现有技术仍通过电绝缘的中间层彼此分开。
为了实现所希望的磁芯特性，具有最小矫顽磁场强度或剩磁的尽可能线性的磁性B(H)关系(整个H区域上的恒定微分有效磁导率dB/dH)是必要的。由此使损耗最小化且使品质最大化。在此，B表示感应，H表示磁场。
对于所力求的磁滞回线、即具有尽可能小的磁滞和线性B(H)关系，如果各个层的结晶磁性区域(元磁件)以其磁化垂直于磁场方向，则是最佳的，所述磁场在以后例如通过线圈来施加且理想地处于层纵轴的取中间值的方向上。在这种情况下，在应用近似线性地取决于磁场强度的外部磁场时，产生元磁件偏转。在改变磁场方向时，元磁件转回。
相应地，本发明涉及一种具有磁性材料的至少两个层的磁芯，其中每一层本身都具有层纵轴，以及磁性从优取向(各向异性方向)至少近似地垂直于层纵轴。层纵轴通常是同样地或几乎与带(Band)的制造方向(例如浇铸方向)以及在以确定方式控制时与磁化方向平行。于是所述的各向异性方向是所谓的横向各向异性。
因此本发明所基于的任务尤其是，提供一种所述类型的磁芯，该磁芯将高品质与高磁导率相关联，并且在此使用通常的层厚，以及可成本低廉地予以制造。
根据本发明，所述任务通过如下方式得以解决，即不同的层以与层纵轴的对准无关的方式这样来对准，从而使直接相邻的层的各向异性方向之间的角度尽可能最小化。
也即已经表明，如果每一层都具有横向于纵轴的各向异性方向，并且如果相邻层的各向异性方向相互偏差尽可能小，特别是小于10°，更好地还小于4°，则对于在平行于层纵轴的方向上的磁化来说可以实现磁芯的所希望的材料特性。相邻层的层纵轴方向相互间的偏差或者相应层纵轴与各向异性方向的正交线(Orthogonalen)的偏差有比较小的影响。
与迄今的观点相反，相邻层通过静态磁效应如此厉害地相互影响，使得相邻层的备向异性方向对准的尽可能精确的一致性对磁芯的以上所定义的质量具有最大效应。因此在对准相邻层时，相互间如此对所述相邻层定位，使得各向异性方向在很大程度上相互平行。
其次才考虑各个层的其它几何参数。
如果例如采用快速固化技术以连续带的形式制造各个层，所述带被连续磁化且在以后被划分，那么负责：一方面带的各向异性方向在制造过程期间沿着其长度尽可能少地变化，并且通过划分所制造的带所产生的各个层在制造过程期间尽可能不被旋转，使得所述层以同向磁性取向的方式在以后被堆叠。于是如果在各个层时各向异性方向偏离于层纵轴的垂直线，那么通过这种堆叠至少实现：相邻层在各向异性方向上具有类似大小的偏差，并由此相邻层之间的角度差不是特别大。如果在将两个层上下堆叠之前，使所述两个层彼此相对地相对于在制造过程中所采取的位置旋转180°，则这恰好是相反的。于是各向异性方向相对于纵轴的垂直线的偏差被累加，如此产生的磁芯的品质将会迅速变差。
不言而喻，在以其它方式制造各个层时，也要注意相应小心谨慎地对准各向异性方向。就多层而言，如果存在对各向异性方向的已知分布，那么所述层还可以通过对堆叠顺序的选择如此来布置，从而使分别与相邻层的各向异性方向所夹成的角度之和最小化。
如果相邻层的彼此相向的表面具有大的粗糙性，则相邻层之间的交互作用的静磁性质引起特别大的干扰产生。该效应可以这样来解释，即由于相应的粗糙性和与此相关联的受干扰的表面磁性结构，多个磁力线从单个层的体射出并射入相邻层，由此相邻层的磁特性受到严重影响。因此，如果表面的粗糙性被设计总共小于0.5μm，更好地还小于0.3μm，则是有利的。如果相邻层上下靠得非常紧密，例如具有小于20μm、特别是小于10μm的间隔，则这尤其是重要的。
磁芯的层有利地由金属磁性材料构成，所述金属磁性材料具有在500和20000之间、特别是在1000和10000之间的相对磁导率。于是利用本发明可以在125kHz频率时达到高于20的品质(Güte)。为此所述层例如可由非结晶的或纳米结晶的磁性材料构成。各个层有利地还可以通过由非磁性的和/或电绝缘的材料构成的中间层相互分开。为此例如可以使用厚度小于20μm的薄膜。
此外本发明涉及一种具有根据本发明所述的磁芯的磁性装置，其中该磁性装置通过圆柱体式的、环绕磁芯的线圈得到完善，所述线圈的圆柱体轴以平行于磁芯纵轴的方式来对准，所处磁芯纵轴作为各个层纵轴的平均或者作为芯的对称轴而得到。
在磁性装置的这种扩展方案中，得到磁特征数的最佳参数，例如品质和磁滞曲线的线性。
此外本发明涉及一种用于制造根据本发明的磁芯的方法。
制造过程可以有利地如此被设计，使得带的各向异性方向在短距离上仅仅很少波动；各个层相对于在制造过程期间至少在施加磁性从优(magnetische Vorzugsorientierung)取向时所述层所采取的位置不旋转地上下堆叠。由此产生在相邻层的各向异性方向之间的最小角度差。
在如此对准各个层时还可以得出，相应层必须以层纵轴的不同角度位置来相互堆叠。于是可以相应地切割各个层，使得在总体上产生实心的或长方体形的磁芯。例如可以通过激光切割或通过利用高压水射流的切割来实现对层的切割。
已在制造由磁材料构成的连续带时，但或者也在已经相应地划分各个层之后，将磁性从优取向施加到各个层上。磁性从优取向优选地通过在磁场中的热处理来实现。还可以辅助地或者也可以仅仅在热处理期间在层的纵轴方向上施加纵向拉伸。与本发明相关地，重要的是，在构造磁芯或相应的磁性装置时，取平均的各向异性方向相对于圆柱体线圈的纵轴的对准只起次要作用，并且更确切地说，磁芯的相邻层的各向异性方向的角度偏差对于磁芯的品质来说起决定性作用。
因此，各向异性方向的精确对准也并非如同从层至层的对准的相同性一样重要。
下面根据附图中的实施例实施例示出并接着说明本发明。在此：
图1示出具有线圈的本发明磁芯；
图2示意地示出具有各向异性方向k的层，该各向异性方向偏离层纵轴的垂直线；
图3示出多个层，其纵轴偏离线圈纵轴；
图4示出两个层，其各向异性方向在线圈的场中相对旋转；
图5示出两个层，其纵轴相互平行，且以平行于线圈的纵轴的方向被对准，而其各向异性方向相差角度δ＝2α；
图6示出芯的不同状况的多条磁滞回线用于比较。
在图1中示出了叠片芯1的三维视图，该芯1由具有绝缘薄膜形式的所***的间隔体的多层平磁性材料、例如纳米结晶的或非结晶的磁性材料构成。芯1具有长方体形状，且被缠绕的线圈2包绕。芯1的纵轴L在所示的布置中平行于线圈纵轴，所述线圈纵轴在下面用场的方向H表示。
在图2中示出了单个层3，该单个层3的各向异性方向用k表示。层3的纵轴L1在所示布置中平行于线圈2的用H表示的圆柱体轴，该圆柱体轴也相应于线圈的场方向。
各向异性方向k与理想状态偏离了角度α＞0，在所述理想状态下，该各向异性方向精确地垂直于纵轴L1。这由于制造过程中的不规则性而引起；或者由如下情况引起，即芯作为堆叠受到相应的场热处理，且在该工艺中出现不均匀性；或者由如下情况引起，即例如以快速固化技术首先以连续带的形式来制造所述层，并且在此通过场应用连续地施加各向异性，其中同样会出现不均匀性。在已知的制造方法中，测得偏差α在5°和40°之间。
原则上，应该使所述不均匀性尽可能最小化，然而在本发明磁芯的所要求的微小的制造成本的情况下几乎不可能将各向异性的角度偏差减小至令人觉察不到的程度。
图3示出磁芯的两个层，所述两个层的纵轴L相互平行，但相对于线圈2的对称轴H旋转了角度β＞0。在该图示中，各向异性方向k分别垂直于所述层的纵轴L。
图4示出彼此相对旋转的两个层3、4，其中层纵轴用L1、L2表示并且彼此相对旋转了角度2β。在此β表示每个单个纵轴L1、L2相对于线圈的圆柱体轴H的旋转。各向异性方向k1、k2分别垂直于纵轴L1、L2并且因此同样夹成角度δ＝2β。
图5示出两个层的情况，所述两个层的纵轴相互平行且以平行于线圈的对称轴H的方式被对准，但其中每个各向异性方向k1、k2都相对于相应的纵轴旋转了角度α。两个层这样被堆叠，使得各向异性方向k1、k2分别相对于层的相应纵轴旋转了不同的角度方向，从而得出各向异性方向k1、k2之间的角度差为δ＝2α。
在检查所示芯状况的磁特性时，首先得出，如所期望的那样，在根据图3的理想地对准纵轴的各向异性方向k的情况下，磁芯相对于外磁场方向H的旋转导致整个状况的磁特性变差。
例如具有由两个层构成的芯的天线的品质已被测量，其中两个层具有精确调节的各向异性方向(δ＝0)。如果两个层精确地上下叠置且相对于线圈轴的方向H被旋转，那么天线装置的品质以期望方式下降。
但令人意外地得出，如果两个层相对于方向H相反地被旋转了角度β，所述两个层的纵轴L1、L2因此夹成角度δ＝2β，则所述品质比较剧烈地下降。
因此令人意外地得出，各个层纵轴相对于方向H的对准(Ausrichtung)、在一方面各向异性方向k1、k2和方向H之间的角度或者该角度与90°的偏差起次要作用。各向异性方向彼此相对的旋转起到明显大的作用(图4)。
为了在图4所示的所述状况下排除所述层不再完全重叠这一事实的影响，这些层为了下一步的试验而这样被预先准备，使得如在图5中所示，相应的各向异性方向相对于相应的层纵轴L1、L2分别旋转了角度α或-α。通过这种方式可以使两个层上下叠合，其中各向异性方向k1、k2彼此相对地旋转了角度α＝2δ，如同根据图4的状况一样。已经表明，与在图4中所示的状况那样，品质同样大大地降低。一种比较试验表明，在这种状况下品质受到少得多的影响，其中在所述比较试验中，所述层相对于在图5中所示的状况彼此相对地被旋转180°，使得两个各向异性方向k1、k2叠合，但如图2中所示相对于线圈纵轴H旋转了角度α。
可以得到如下结论：两个直接相邻的层3、4的各向异性方向k1、k2的相对位置是对于整个装置的品质来说起决定作用的因素。
所述测量可以在准静态条件下来进行，使得必定得出结论：所涉及的是静磁问题，而非动态问题。
一种可能的解释是，单独层的剩磁场彼此交互作用。这可能由于层的表面粗糙性而发生，其中磁场穿过所述层从横截面穿出且彼此交互作用。由于相邻层的界面高度重叠，出现相应强的交互作用，这种交互作用的有效距离可能约为几十μm。增加的在30至100μm范围内的层间隔还相应地导致对磁滞回线或所测的品质的优化，如测量得出的那样。
对效应的所述解释的另一证据是，***层之间的间隔体的传导性不影响磁特性。在所述区域内的塑料薄膜引起与非磁性金属薄膜相同的效应。因此动态的涡流效应不参与所观察的效应。
总之，由此可以确定，本发明芯的质量通过相邻层的磁化的交互作用来确定。各个层的剩磁场可能相互干扰，并且由此各个层的磁滞回线在场轴上彼此相对地移动。结果是总体上增加非磁化损耗，并且降低芯的品质。
这种交互作用在迄今的制造方法中未予以考虑，因此芯的磁化特性随机波动且通常并非是最佳的。
本发明的磁芯设计相应地通过相邻层的各向异性方向k1、k2的尽可能精确的平行对准来实现其优点，其中表面粗糙性的减小、相邻层的最佳间隔调节和取决于涡流的最小化层厚分别对总质量作出贡献。
因为各向异性方向k1、k2相对于各个层3、4的层纵轴的旋转不能完全被防止，所以至少应确保相邻层的各向异性方向相对于相应纵轴的旋转是同向的。这在制造方法的第一变型方案中通过如下方式来实现，即在堆叠式芯的情况下进行场热处理，其中虽然无法避免各向异性方向的分布的不均匀性，但是其中这种不均匀性根据稳定的功能在芯上分布，并且因此不在两个相邻层之间突然变换(springen)。
但本发明的目的在如下方法中更好地得以实现，即所述层首先例如以快速固化技术被制造成连续的带，并且连续地经受相应的场处理，使得各向异性方向首先在所制造的带的长度上尽可能少地变化。随后带被分成各个层，并且所述层以不旋转的方式(如在带中所制造的一样)上下堆叠，其中优选也将在划分带之前相邻的这种层直接上下堆叠。通过这种做法确保：一方面相邻层的各向异性方向相对于其纵轴的旋转不是反向的，而是同向的；和在相邻层中旋转的量不都太过分地变化。
例如可以在采用连续方法的场热处理时还在带的纵向上施加拉力，这有助于稳定横向于带纵向的各向异性方向。如此制得的且被划分的磁性均匀带片段于是自动地被上下堆叠为层和适当地被固定。
在如此所处理的带的情况下，可以定义带上侧和带下侧，其中在通过快速固化所制造的带的情况下，通过以下方式来区分所述带上侧和带下侧，即在制造期间超向冷却源()的下侧显得无光泽，而上侧显得发亮。在堆叠时，对各个层进行布置，使得所有层的上侧都朝向同一方向。
接下来，各个层彼此相对地通过粘接、利用胶带粘合、浇铸到相应的模具中、用塑料涂敷(Umspritzen)或其它适当的方法来固定。作为替代方案，这些层可以在堆叠前或堆叠时就已配备有粘接层，该粘接层导致在堆叠之后将芯固定。在制造完芯之后，用绕线形式的线圈环绕该芯，其中线圈轴平行于芯的纵轴L伸展。线圈轴的方向与芯纵轴的方向L的偏差应最大为几度。
也可以在堆叠各个层期间测量如此产生的芯的品质，并且通过旋转来优化各个层的彼此间相对位置。还可以通过在各个层之间中间放置间隔体来改善芯的磁特性，其中必须总体上注意限制芯的体积增大，使得厚的间隔体仅适合于由较少层构成的这种芯。
原则上，构成本发明磁芯的层也可以通过如下方式来制造，即连续制造的带通过相应场热处理而被配备有在其纵向上的各向异性，之后将带分成多个片段，并且如此将所述片段组合成芯，使得各个片段的磁性各向异性方向重新如上所述那样垂直于芯的纵轴伸展。但在这种扩展方案中，各个片段的纵轴与所产生的芯的纵轴呈90°角。
图6示出由多层非结晶的钴基合金构成的芯的各种不同的磁滞回线，其中曲线5、6基于按照通常的方法所制造的芯。在此，首先使带与卷材(Rolle)相对，并在磁场中对所述卷材或多个卷材的堆叠进行温度调节。在这种情况下，各向异性方向沿着带长度的波动是不可避免的。然后将带分成多个片段，并将所述片段堆叠。磁性测量表明相邻条的各向异性方向的旋转。曲线7基于如下的芯，该芯的各个层在堆叠之前已配备有一致的各向异性方向，该各向异性方向几乎垂直于纵轴(α＜4°)。利用两个圆柱体线圈在3kHz的频率下进行测量。
曲线5表示标准磁滞回线，其中芯的各个层直接上下堆叠。在这种情况下，通过带层的直接接触和各向异性方向的相应散射来提高剩磁和矫顽磁场强度。
如果将30μm厚的薄膜形式的中间层体引入各个层之间，那么在制造各个层的相同方式下得到曲线6。可见，层的相互影响通过薄膜中间层实际上得到消除，使得磁滞回线的面积通过少量剩磁和矫顽磁场强度的减小而最小化。然而相应曲线6的线性区域由于层的各个各向异性方向偏差而仍不是最佳大小。
曲线7实际上使不再识别磁滞回线中的面积，并且还示出最佳的线性区域，由此通过制造方法实现各个层的各向异性方向之间的较小偏差。在如下两种情况下曲线7实际上是相同的，即一方面将30μm厚的薄膜形式的中间层体引入到层之间或者另一方面省去所述中间层体。由此表明，在各向异性方向足够精确地一致的情况下，即使没有薄膜中间层，也使各个层之间的交互作用最小化。

Claims (23)

1.磁芯(1)，具有磁性材料的至少两个层(3，4)，其中每一层本身都具有层纵轴(L1，L2)以及磁性从优取向(各向异性方向)(k，k1，k2)至少近似地垂直于层纵轴，其特征在于，不同的层(3，4)不依赖于所述层纵轴的对准这样被对准，使得使直接相邻的层(3，4)的各向异性方向(k，k1，k2)之间的角度尽可能最小化。
2.如权利要求1所述的磁芯，其特征在于，相邻层(3，4)的各向异性方向(k，k1，k2)之间的角度小于10°。
3.如权利要求2所述的磁芯，其特征在于，所述角度小于4°。
4.如权利要求1、2或3所述的磁芯，其特征在于，各个层(3，4)关于其位置在产生磁性从优取向(k，k1，k2)的制造步骤期间以不旋转的方式彼此相对地上下叠置。
5.如权利要求1至4中任一项所述的磁芯，其特征在于，所述层通过快速固化技术来制造，并且如果将处于冷却源上的侧称为下侧，相对侧称为上侧，则每层的上侧都贴靠分别相邻的层的下侧。
6.如权利要求1至5中任一项所述的磁芯，其特征在于，在不同层相互贴靠处层的粗糙性小于0.5μm。
7.如权利要求5所述的磁芯，其特征在于，层的粗糙性小于0.3μm。
8.如权利要求1至7中任一项所述的磁芯，其特征在于，相邻层(3，4)相互间隔小于20μm。
9.如权利要求8所述的磁芯，其特征在于，所述层(3，4)相互间隔小于10μm。
10.如权利要求1至9中任一项所述的磁芯，其特征在于，所述层(3，4)由具有500和20000之间的相对磁导率的材料构成。
11.如权利要求10所述的磁芯，其特征在于，所述相对磁导率在1000和10000之间。
12.如权利要求1至11中任一项所述的磁芯，其特征在于，在125kHz的频率时品质大于20。
13.如权利要求1至12中任一项所述的磁芯，其特征在于，所述层由非结晶的或纳米结晶的磁性材料构成。
14.如权利要求1至13中任一项所述的磁芯，其特征在于，分别相邻的层(3，4)通过由非磁性的和/或电绝缘的材料构成的中间层分开。
15.磁性装置，具有如权利要求1至14中任一项所述的磁芯(1)并具有包绕所述磁芯的线圈(2)，其特征在于，所述线圈(2)以其线圈纵轴基本上以平行于所述磁芯的纵轴(L)的方式被对准，所述纵轴(L)作为各个层纵轴(L1，L2)的平均得到。
16.用于制造如权利要求1至14中任一项所述的磁芯的方法，其特征在于，在各个层(3，4)的制造过程期间，所述各个层彼此间的相对位置被检测，并且在堆叠时如此被考虑，使得所述各个层在制造过程时以相对于所述各个层彼此间的相对位置不旋转的方式被堆叠。
17.用于制造如权利要求1至14中任一项所述的磁芯的方法，其特征在于，在堆叠所述层(3，4)时使相邻层的磁性从优取向(k，k1，k2)尽可能相互平行地对准，并且依此如此切割所述层中的单个或多个层，使得产生实心的堆叠。
18.如权利要求16或17所述的用于制造磁芯的方法，其特征在于，所述各个层(3，4)被制造为连续制成的带的片段，所述带被配备磁性从优取向(k，k1，k2)并且依此被划分。
19.如权利要求16或17中任一项所述的方法，其特征在于，所述层(3，4)首先被制造，并以堆叠形式被配备磁性从优取向(k，k1，k2)。
20.如权利要求16至19中任一项所述的方法，其特征在于，所述磁性从优取向(k，k1，k2)通过在磁场中的热处理被调节。
21.如权利要求16至19中任一项所述的方法，其特征在于，与磁性从优取向(k)的产生相关地以垂直于该磁性从优取向(k)的方式施加机械拉力。
22.如权利要求18所述的方法，其中基本垂直于带伸展方向来调节各向异性。
23.如权利要求18所述的方法，其中基本平行于带伸展方向来调节各向异性。
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