CN1020216C - 切割非晶态电感磁芯制法 - Google Patents

Abstract

本发明属于软磁非晶态磁芯的制作方法。本发明使用了低应力环氧树脂灌注技术，采用磁芯表面包络的树脂固化方法，代替现有技术中的浸渍法。经过适当的切割工艺使非晶磁芯获得线性良好的宽磁场恒导磁特性，与此同时大大改善了饱和磁感、导磁率、矫顽力和铁芯损耗等软磁特性，简化了固化操作和工艺设备。

Description

本发明属于软磁非晶态磁芯的制作方法。

以前，作为高频滤波和贮能器件的宽恒导磁磁芯，通常使用带气隙的铁氧体、磁粉芯和坡莫恒导磁合金。由于铁氧体饱和磁感B_s低（＜0.5T），它与磁粉芯一样，其线性导磁率较小，例如FeSiAl粉芯的导磁率仅为75.6×10^-6H/M（60GS/Oe），在相同参数的条件下，这种粉芯和铁氧体磁芯的体积重量较大，而且高频损耗较高，具有工作温升大等缺点。

另一方面，国内目前在一些重要电子设备中通常采用宽恒导磁坡莫合金磁芯，牌号为1J34KH和1J50H，其最大恒导磁磁场分别为16和18A/cm，但在两者之间的恒导材料仍属空白，而现今电子装置中普遍要求合适的最大恒导磁磁场约在40A/cm。坡莫恒导磁合金的主要缺点是电阻率小，高频损耗较大，仅适用于小于20KHz的工作频率条件下使用。

1984年开始相继出现了使用非晶态合金制作具有恒导磁特性的电感磁芯。

在现有的非晶磁芯制作技术中，已有以下三种方法可以使非晶态合金获得恒导磁特性。其中方法之一是如英国专利GB2139008A[1]所述，将其有正磁致伸缩的非晶合金磁芯退火后进行环氧树脂真空浸渍固化，由于片间已渗入树脂使磁芯成为硬结的整体，正是由于硬化时产生的这种压应力，使得绕线磁芯在低的偏磁电流条件下其电感量不致于急剧下降，获得了准恒导磁特性。但是，这种磁芯的缺点是由于磁芯应力大，致使磁感值和导磁率大幅降低，使矫顽力和铁芯损耗增加，由于磁导率相对于磁场是非线性的，不适于要求线性导磁率的应用场合。另外一种方法如专利JP59-181504A[2]是采用部分晶化退火和树脂浸渍固化复合方法，这种方法也同样利用部分晶化和固化产生的应力，同样具有第一方法的缺点，而且部分晶化退火工艺难于控制，很难获得稳定的磁特性。

US4834814的第三种方法[3]类似于[2]所提到的方法，即首先将退火后的磁芯在流动性好的树脂中进行真空浸渍，使树脂渗进磁芯内部的带子表面，然后加温固化，使之成为一个硬化的整体，最后进行气隙切割，获得在宽的磁场范围内具有线性的恒导磁特性。但是这种方法也同样存在固化后硬化应力的问 题，它导致了退火磁芯的磁感值B₁₀和导磁率μm的大幅下降以及矫顽力H_c和铁芯损耗P的增加。通常B₁₀值下降15～20%，μm值下降约75～80%，H_c和P值增加约5～10倍。

本发明的目的在于克服上述三种现有技术中应力对磁芯软磁特性的不良影响，寻找一种稳定的磁芯固化工艺制作方法，使退火磁芯保持原有的优良软磁特性的同时，通过气隙切割获得在不同宽的磁场范围（0～80A/cm）内具有良好线性的恒导磁特征。

随着电子器件在高频化和小型轻量化方面的迅速进展，作为一些电感器件的磁芯，例如，开关电源中差模噪声滤波器，平滑滤波振流圈，谐振电感及贮能电感等，都要求磁芯具有宽恒导磁特性的同时还具有高饱和磁感、高导磁以及低矫顽力和低的高频损耗等软磁特性。

本发明使用铁基非晶态合金作为磁芯材料，采用特殊的磁芯粘结固化方法通过气隙切割制成了最大恒导磁场由16至80A/cm范围可变的恒导磁特性，而且具有优良软磁性能的各种非晶电感磁芯，磁芯的饱和磁感B₁₀₀为1.45T，对于Hm为40A/cm挡次的磁芯，其线性导磁率为275×10^-6H/M（220GS/Oe）。矫顽力H_c小于0.12A/cm，在0.05T磁感和20KHz频率的条件下的磁芯损耗为3.0W/kg，该研制的磁芯产品特别适用于5KHz～250KHz频率下工作的滤波和贮能电感以及其它要求有线性磁性的器件。

本发明所采用的合金成份范围为（at%）

Si：3.5～12

B：12～16

C：0～2.0

Me（Me＝Ni、Mo、Cr）0～4

Fe：余量

添加合金元素Me可以提高材料的导磁率和高频特性。Si和B元素用来作为非晶形成元素。

采用单辊法制成规定宽度的非晶带材，挠成环形或矩形磁芯，随后在氮气或氩气的保护下进行退火处理。

本发明采用的退火工艺为420～440℃，保温0.5～2小时，然后在大于40℃/分的速度下冷却至室温，此外也可以采用横磁退火方法，横磁外磁场 强度应大于300A/cm，其退火工艺与上述相同，由于退火后的非晶材料脆性较大，而且层间无粘结，不宜直接进行气隙切割。

本发明的内容是采用树脂包络磁芯，使之固化成型。首先按下述配比进行树脂的配制：

品种    配入比例（重量）

环氧树脂    100

固化剂    8～16

增刃剂    5～30

填充剂    30～50

将磁芯放入予先加热至40～60℃温度的模具中立即将调好的树脂注入模具与磁芯之间的空隙中，注入后放入烘干机中进行固化处理，其固化工艺为150℃保持三小时。

本发明的树脂包络法，不要求真空浸渍，只需将磁芯放入注塑模具中或者放入专用的塑料护盒中，在大气下即可进行树脂灌注。灌注的树脂流动性必须适中，以保证树脂不能渗入到磁芯内部的片层之间，仅在磁芯***表面进行包络硬化，以使磁芯固化结合成整体，这样固化产生的应力，仅达到固定形状作用，以便随后的气隙切割。这种应力对软磁特性的恶化作用较小，通常使退火磁芯的B_s降低1～4%，μ_m降低10～25%，，H_c仅增加5～20%。

为了减小包络固化应力对软磁特性的恶化影响，在调制灌注树脂配比时，特别加入了5～30%的增刃剂和30～50%的填充剂，以保证固化后产生较小的应力。

经固化后的磁芯需在切割机上进行气隙切割，对于环形或矩形磁芯，可以制成单气隙，也可以制成双气隙的。

切割气隙的宽度需根据恒导磁场宽度的数值及磁芯的磁路长度加以确定，其单气隙的气隙宽度尺寸范围为0.4mm～3.0mm。

按上述方法制出的电感磁芯具有优良的综合磁特性，即高的饱和磁感值，良好的交直流叠加特性和低的高频损耗值。图1示出了最大恒导磁场H_m为40A/cm挡次磁芯的典型静态滞回线，其饱和磁感B_m为1.46T直流线性导磁 率300×10^-6H/M（240GS/Oe）。

图2示出了典型的交直流叠加特性曲线图中纵轴为磁芯电感量的相对变化率，横轴为直流偏磁安匝数，磁芯的尺寸为内径16mm，外径26mm，高度mm，气隙宽0.6mm。根据使用要求不同，采用不同的切割气隙可使本发明磁芯的最大恒导磁场H_max控制在10～80A/cm的范围内变化。

本发明的磁芯具有以下特点：

1、比现有技术有明显优良的软磁特性，即高的饱和磁感，高的导磁率，低的矫顽力和低的高频损耗。

2、比现有技术具有明显优良的导磁率线性特性（图1）它可满足一些场合如谐振电感的线性应用的要求。

3、用树脂包络，树脂固化和切割的操作与设备比现有技术的方法简单，在批量生产时工艺和性能具有良好的一致和稳定性。

实施例1

用真空炉冶炼出母材，其化学成份为Fe₇₇Si₇B₁₃C₂（at%），用单辊法制出15mm宽非晶带材，卷挠成Φ40/64×15环形磁芯，经430℃1hr的氩气保护退火炉冷后，采用上述的方法进行环氧灌注和固化，然后切割成2.5mm宽的气隙，其最终磁性为B_s＝1.45T，直流导磁率250～300×10^-6H/M（200～240GS/Oe），P0.5/20K（B_m＝0.05T，f＝20KHz）＝3.2～4.8W/kg，最大恒导磁场为40A/cm。

实施例2

使用真空炉冶炼母材，其化学成份为Fe₇₇Mo₂Si₅B₁₆（at%），用单辊法制带卷挠成Φ25/32×5的磁芯，经430℃×1hr的横磁退火后（横磁磁场大于300A/cm），按上述方法进行固化，然后切割0.5mm宽气隙。

获得的最终磁性为B_s＝1.4T，直流导磁率μ为685×10^-6H/M（540GS/Oe）在16A/cm的直流偏磁场下1KHz的交流导磁率为610×10^-6H/M（490GS/Oe），在B_m＝0.05T、f＝20KHz的铁芯损耗为2.51W/kg。最大恒导磁场为20A/cm。

Claims (3)

1、软磁非晶态磁芯的制作方法，其磁芯的化学成份(at%)为Si3.5～12.0、B12.0～16.0、C0～2.0、Me(Me=Ni、Mo、Cr)0～4.0、Fe余量，使用真空冶炼的母材，用单辊法制成规定宽度的非晶带材，绕成环形或矩形磁芯，然后在保护气氛下进行退火处理，其特征在于采用磁芯表面包络的低应力树脂固化成型，然后进行气隙切割，气隙宽度范围为0.4～3.0mm。

2、按权利要求1所述的制法，其特征在于树脂的配比（重量）为：环氧树脂100，固化剂8～16，增刃剂5～30填充剂30～50。

3、按权利要求1所述的制法，其特征在于固化成型处理为150℃保持3小时。

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