CN103797550A - 用于使用软磁金属粉末制备芯的椭圆形单元块和用其制备的粉末状磁芯 - Google Patents

用于使用软磁金属粉末制备芯的椭圆形单元块和用其制备的粉末状磁芯 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于使用软磁金属粉末制备芯的椭圆形单元块和使用其制备的具有优异的高电流DC偏压特性的芯，更具体地，涉及用于使用软磁金属粉末制备芯的椭圆形单元块以及使用其制备的粉末状磁芯，所述粉末状磁芯用于功率因数校正(PFC)用的大电流降压电感器、大电流升压电感器或三相线电抗器或者用作使用燃料电池***的车辆的电动装置的电感器。

Description

用于使用软磁金属粉末制备芯的椭圆形单元块和用其制备的粉末状磁芯
技术领域
本发明涉及用椭圆形单元块制备的粉末状磁芯，所述粉末状磁芯可以用于大电流应用如光伏产业、风力发电、车辆等中。
本发明涉及用于使用软磁金属粉末制备芯的椭圆形单元块和使用其制备的具有优异的大电流直流电流(DC)偏压特性的芯，更特别地，涉及用于使用软磁金属粉末制备芯的椭圆形单元块以及使用其制备的粉末状磁芯，所述粉末状磁芯用于功率因数校正(PFC)用的大电流降压电感器、大电流升压电感器或三相线电抗器或者用作使用燃料电池***的车辆的电动装置的电感器。
背景技术
利用纯铁、硅钢板、无定形金属等制备相关领域的软磁芯，以作为环形芯、堆叠块芯、EE芯或EI芯，所述软磁芯用于功率因数校正(PFC)用的大电流降压电感器、大电流升压电感器或三相线电抗器或者用作使用PFC用燃料电池***的车辆的电子装置。
堆叠的硅钢板和无定形金属通过冲裁加工以EE和EI的形式制备并堆叠，从而将芯的横截面的形状限制为四边形形状，且其高芯损耗和磁致伸缩常数产生大量热和严重的噪音。为了解决该问题，需要***大的空气间隙并需要提高体积，从而造成成本增加。
为了上述目的而制备的软磁环形芯由于在高压压机的压制性能方面的限制而具有仅大至约100mm的外径，从而其不适合用于需要大尺寸的产品中。由此，已经开发了以单元块形式制备从而克服容量限制的芯产品，但由于芯的横截面具有矩形形状，所以卷绕部分的长度增大，从而造成相对大的铜损耗。
利用纯铁粉末制备的芯在成本方面有优势，但由于其具有相对大量的芯损耗，所以在运行时芯过热，且当向高DC电流施加偏压时，磁导率急剧下降。
钼坡莫合金粉末(MPP)芯在1kHz～100kHz的频率范围内具有良好的频率特性、在金属粉末芯中遭受最少的芯损耗、且即使当对高DC电流施加偏压时仍具有下降程度更小的磁导率，但其昂贵。高通量芯在1kHz～100kHz的频率范围内具有良好的频率特性，芯损耗低，且在向高DC电流施加偏压时在金属粉末芯中磁导率下降的程度最小。
铁硅铝合金芯相对于纯铁展示非常低的芯损耗，具有与MPP或高通量芯相当的良好频率特性，且成本约为MPP或高通量芯的一半。然而，相对于MPP或高通量芯，其在大电流下的DC偏压性能低。此外，具有包含如下的组成的硅钢粉末相对于MPP、高通量和铁硅铝合金芯遭受高的芯损耗，但其在大电流下的DC偏压特性优于MPP或铁硅铝合金并导致成本低：5重量%～8重量%的硅(Si)和占组成总重量的余量的铁(Fe)。
发明内容
技术问题
本发明的一方面可以提供一种用于使用软磁金属粉末制备芯的椭圆形单元块和使用其制备的粉末状磁芯，所述椭圆形单元块能够通过防止其形成的芯具有四边形之外的形状而解决相关领域的形状自由度低的堆叠的硅钢板或无定形金属的问题，所述椭圆形单元块能够降低铜损耗，同时通过根据用途与电感器的尺寸和成本选择性地使用MPP粉末、高通量粉末、铁硅铝合金粉末或Mega Flux(硅钢粉末)而有助于高密度形成，且其用于功率因数校正(PFC)用的大电流电抗器；或者用于光伏发电或风力发电等中的换流器的电感滤波器；用于光伏和电动车辆中的大DC-DC转换器的电感器；或使用燃料电池***的电动车辆的电感器中。
技术方案
根据本发明的一方面，可以通过如下形成用于使用软磁金属粉末制备芯的椭圆形单元块：对粒度小于或等于180μm的铁硅铝合金粉末、高通量粉末或MPP粉末和Mega Flux(硅钢粉末)中的一种或多种粉末进行选择性成型，以便形成具有矩形形状的成型生坯；对所述成型生坯进行热处理并随后将所述矩形生坯的拐角的侧面圆化。
可以以宽度x在30mm≤x≤150mm的范围内、长度y在10mm≤y≤100mm的范围内、高度z在5mm≤z≤50mm的范围内且在拐角的侧面上的圆角半径Rc(1)在3mm≤Rc(1)≤y/2的范围内的单元块，和宽度A在A≤y的范围内、长度B在B≤x/2的范围内、高度C在5mm≤C≤60mm的范围内且在拐角的侧面上的圆角半径Rc(2)在3mm≤Rc(2)≤B/2的范围内的第二单元块的形式提供所述椭圆形单元块。
在所述单元块中，所述铁硅铝合金粉末可以具有包含如下的组成：9重量%～10重量%的硅(Si)、4重量%～8重量%的铝(Al)和占组成总重量的余量的铁(Fe)，所述MPP粉末可以具有包含如下的组成：80重量%～81重量%的镍(Ni)、16重量%～18重量%的铁(Fe)和1.5重量%～2.5重量%的钼，且所述硅钢粉末可以具有包含如下的组成：5重量%～8重量%的硅(Si)和占组成总重量的余量的铁(Fe)，且还可以提供通过利用耐热性和耐火性环氧胶粘剂或聚氨酯胶粘剂对椭圆形单元块进行粘合而制备的粉末状磁芯。
有利效果
根据本发明的示例性实施方案，将根据本发明示例性实施方案的单元块的两个表面都圆化以相对于现有矩形块型芯明显降低卷绕长度并相对于现有块型芯具有高效率，同时保持与现有块型芯相同的平均磁路长度。
此外，可以通过经由圆化提高成型压力而得到高的DC偏压特性。此外，由于椭圆形单元块具有更小的圆周长度和更高的密度，所以其可以获得高DC偏压特性并由此提高效率，同时保持与现有矩形块型芯相同的有效截面积。
由于根据本发明示例性实施方案的椭圆形单元块芯由于在大电流上的高密度而展示优异的DC偏压特性、低芯损耗特性和低噪音特性，所以可以减少热和噪音，并且因为噪音降低，所以可以提高电感器特性。
根据本发明示例性实施方案的椭圆形单元块芯可以代替具有不具有自由度的常规形状的软磁芯或具有矩形截面积的芯，且可以以各种尺寸和形状广泛使用。
另外，根据本发明示例性实施方案的芯可以具有明显降低铜损耗(因焦耳热而由在卷绕部分中流过的电流造成的由12R得到的损耗)的改进形状和特性并相对于现有矩形块型芯展示高的DC偏压特性，并因为卷绕的总长度明显缩短，所以总的***效率会提高且功率密度会提高。
附图说明
图1是显示根据本发明示例性实施方案的使用软磁金属粉末的第一椭圆形单元块的实例的图；
图2是显示根据本发明示例性实施方案的使用软磁金属粉末的第二椭圆形单元块的另一个实例的图；
图3是使用根据本发明示例性实施方案的椭圆形单元块制备的磁芯的透视图；且
图4是显示根据本发明示例性实施方案的椭圆形单元块的铜损耗与现有矩形单元块的铜损耗之间的比较的表。
具体实施方式
本发明涉及用于使用软磁金属粉末制备芯的椭圆形单元块。可以通过如下形成所述椭圆形单元块：对粒度小于或等于180μm的铁硅铝合金粉末、高通量粉末或MPP粉末和Mega Flux(硅钢粉末)中的一种或多种粉末进行选择性成型，并随后对其进行热处理。所述椭圆形单元块具有如图1和2中所示的尺寸和形状。
此外，本发明涉及用于使用软磁金属粉末制备芯的椭圆形单元块，其中所述铁硅铝合金粉末具有包含如下的组成：9重量%～10重量%的硅(Si)、4重量%～8重量%的铝(Al)和占组成总重量的余量的铁(Fe)。所述高通量粉末具有包含如下的组成：45重量%～55重量%的镍(Ni)和占组成总重量的余量的铁(Fe)。所述MPP粉末具有包含如下的组成：80重量%～81重量%的镍(Ni)、16重量%～18重量%的铁(Fe)和1.5重量%～2.5重量%的钼。所述Mega Flux(硅钢粉末)具有包含如下的组成：3重量%～8重量%的硅(Si)和占组成总重量的余量的铁(Fe)。
通过使用耐热性和耐火性环氧胶粘剂或聚氨酯胶粘剂对用于制备芯的椭圆形单元块进行粘合可以将根据本发明示例性实施方案的芯制备成单相电抗器和3相电抗器，所述椭圆形单元块通过选择铁硅铝合金粉末、高通量粉末或MPP粉末和Mega Flux(硅钢粉末)中的一种或多种粉末而制备。由于所述芯利用用于使用软磁金属粉末制备芯的椭圆形单元块，所以其具有优异的高电流DC偏压特性。
此外，根据本发明示例性实施方案的制备方法包括：选择粒度小于或等于180μm的铁硅铝合金粉末、高通量粉末或MPP粉末、和MegaFlux(硅钢粉末)中的一种或多种粉末，向其添加固体润滑剂，并将所述粉末与所述固体润滑剂混合；在每单位面积10吨～20吨的压力下对混合物粉末进行成型，使得利用所述混合物粉末最终制备的椭圆形单元块具有3cm～10cm的宽度、1cm～5cm的长度和1cm～5cm的高度的尺寸；在惰性气氛下在600℃～800℃的温度下对成型生坯热处理1～2小时以制备具有3cm～15cm的宽度、1cm～10cm的长度和1cm～5cm的高度的椭圆形单元块，并通过使用耐热性和耐火性环氧胶粘剂或聚氨酯胶粘剂将制备的椭圆形单元块粘合成芯的形式，由此制备芯。
下文中，将参考附图对本发明示例性实施方案的构造进行详细说明。
图1和2是显示根据本发明示例性实施方案的使用软磁金属粉末的椭圆形单元块的图，且图3是使用根据本发明示例性实施方案的用于使用软磁金属粉末制备芯的椭圆形单元块制备的单相芯的透视图。
图1和2显示了具有在拐角圆化的侧面的椭圆形单元块。
图1中的第一单元块可以在椭圆形单元块中形成芯的上板和下板。图1中的第一块，椭圆形单元块可以以具有如下尺寸的方式形成：在30mm≤x≤150mm的范围内的宽度x；在10mm≤y≤100mm的范围内的长度y；在5mm≤z≤50mm的范围内的高度z；以及在3mm≤Rc(1)≤y/2的范围内的在拐角的侧面上的圆角半径Rc(1)。
此处，如果圆角半径Rc(1)小于3mm，则可能不能预期圆化效果，且圆角半径Rc(1)可能不能超过y/2。
此外，图2中的第二单元块可以在椭圆形单元块中形成芯的柱。图2的第二单元块是具有如下尺寸的椭圆形单元块：在A≤y的范围内的宽度A；在B≤x/2的范围内的长度B；在5mm≤C≤60mm的范围内的高度C；以及在3mm≤Rc(2)≤B/2的范围内的在拐角的侧面上的圆角半径Rc(2)。
此处，如果圆角半径Rc(2)小于3mm，则可能不能期望圆化效果，且圆角半径Rc(2)可能不能超过B/2。
限制宽度x、长度y和高度z的尺寸的原因是因为，关于下限，如果第一单元块的尺寸为30mm的宽度x、10mm的长度y和小于5mm的高度z，则在组装单元块时需要大量时间并造成大的开支，且关于上限，如果第一单元块的尺寸超过150mm的宽度x、100mm的长度y和50mm的高度z，则实际上不可能安装制备单元块所需要的压机。第二单元块取决于第一单元块，从而基于与上述相同的原因对其数值进行限制。
此外，将用于本发明示例性实施方案中的软磁金属粉末的最大粒度限制为小于或等于180μm，这是为了确保单元块的形成强度并防止压机的损伤。
此外，在本发明的示例性实施方案中，在10吨～20吨/cm2的压力下形成单元块。在小于10吨的压力下，难以保持单元块的形式，且在大于20吨的压力下，在设施方面存在限制。
同时，在惰性气氛下在600℃～800℃的温度下对在上述条件下制备的单元块生坯热处理1～2小时以形成椭圆形单元块，此处，在保持非氧化气氛的同时对温度和保持时间进行限制，以将成型时残留在椭圆形单元块中的残余应力除去。
此外，通过使用耐热性和耐火性胶粘剂将按上述制备的椭圆形单元块粘合成芯；在此情况中，将环氧胶粘剂或聚氨酯胶粘剂用作耐热性和耐火性胶粘剂。
使用耐热性和耐火性环氧胶粘剂或聚氨酯胶粘剂的原因在于，即使在实际使用芯的高于或等于100℃的高温下，其仍具有保持胶粘强度的性能。
下文中，将对制备用于本发明示例性实施方案中的软磁金属粉末的方法进行描述。
在示例性实施方案中，以与由本发明的相同申请者申请的韩国专利申请1998-62927号中相同的方式，制备用于本发明示例性实施方案中的铁硅铝合金粉末，并可以对其简述如下。
首先，利用颚式粉碎机、旋转粉碎机、锤式粉碎机等将铁硅铝合金锭或丸粉碎，球磨1～3小时，并在氢气和氮气的混合气体气氛下在800℃～900℃的温度下热处理8小时，其后利用低熔点陶瓷粘合剂湿绝缘涂布或干绝缘涂布1.0重量%～2.5重量%的绝缘陶瓷以得到铁硅铝粉末，所述铁硅铝合金锭或丸具有包含如下的组成：9.6重量%的硅(Si)、5.4重量%的铝(Al)和占组成总重量的余量的铁(Fe)。
此外，以与由本发明的申请者申请的专利申请2001-61455和1997-9412号中所公开的相同方式，制备包含镍(Ni)和铁(Fe)或镍(Ni)和铁(Fe)和钼(Mo)的高通量和MPP粉末，且其制备方法如下。
通过喷雾法制备高通量或MPP粉末并在氢气和氮气的混合气体气氛下在800℃～900℃的温度下对其进行热处理，并向其应用0.5重量%～3.0重量%的混合物陶瓷以实施绝缘涂布。所述混合物陶瓷通过对氢氧化镁、高岭土、滑石和硅酸钠进行混合而得到。
其后，至于具有优异的DC偏压特性的Mega Flux(硅钢粉末)，如同本发明的相同申请的韩国专利申请2000-4180号中所公开的，将铁(Fe)和硅(Si)熔化以得到包含6.5重量%的硅(Si)和占组成总重量的余量的(Fe)的组合物，向其喷射氮气(N2)、氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氙(Xe)和氡(Rn)中的一种气体或通过将两种以上的上述气体进行混合而得到的混合气体，从而得到粉末。在氢气或氮气气氛下或在氢气和氮气的混合气体气氛下在800℃～900℃的温度下对粉末热处理8小时。其后，选择性制备具有等于-80目(小于或等于180μm)的粒度的粉末并使用0.5重量%～2.0重量%的混合物陶瓷对其进行湿绝缘涂布或使用玻璃粉对其进行干绝缘涂布，从而得到用于块制备的Mega Flux(硅钢粉末)。
此外，根据使用目的，可以通过使用本发明相同申请的韩国专利申请2000-46247号中所公开的技术制备复合材料粉末。
随后，将适当量的固体润滑剂如锌(Zn)、硫化锌(ZnS)或硬脂酸酯添加到制备的粉末(MPP、高通量、铁硅铝合金复合材料粉末)中并混合以成型块型芯。
通过使用粉末压机在成型模具中实施成型，并使用润滑剂以降低成型模具与紧密填充的生坯之间的摩擦力和粉末粒子之间的摩擦。
此处，施加100吨～500吨(10吨～20吨/cm2)的成型压力以成型具有6.0cm宽度、3.5cm长度和2.5cm高度的尺寸的椭圆形单元块。
随后，为了除去残余应力和应变，在氮气气氛下在600℃～800℃的温度下将成型的椭圆形单元块热处理1小时以完成用于芯制备的椭圆形单元块。
根据芯的容量和应用对通过上述方法完成的椭圆形单元块的尺寸和形状进行设计，并将制得的椭圆形单元块通过使用具有优异的耐热性和耐火性的胶粘剂进行组装并安装在托架外部，由此完成有助于表面安装并容许振动和撞击的芯。
如表1中所示，实施例1是通过在等于16吨/cm2的压力下对MegaFlux(硅钢粉末)进行成型而制备的椭圆形单元块，且比较例1是通过使用与上述相同的粉末通过相同的制备方法制备的矩形单元块。
即，在卷绕中椭圆形单元块每匝的长度比现有矩形块短3.2%，同时得到比现有矩形单元块大6%的有效截面积。由此，可以将根据实施例的椭圆形单元块的线长度设计为更短，同时保持高DC偏压特性。
[表1]
如表2中所示，在卷绕中椭圆形单元块(实施例2)的每匝的长度比现有矩形块(比较例2)短2.9%，同时得到比现有矩形单元块大8.7%的有效截面积。由此，可以将根据实施例的椭圆形单元块的线长度设计为更短，同时保持高DC偏压特性。
[表2]
Figure BDA0000474181470000111
表3显示了使用根据实施例3的椭圆形单元块的粉末状磁芯(两个第一单元块和六个第二单元块的组合)的DC偏压特性与使用根据比较例3的现有矩形单元块的粉末磁芯的DC偏压特性之间的比较。
[表3]
Figure BDA0000474181470000112
此外，图4是显示表3的结果的图，其中能够看出，根据实施例3的椭圆形单元块具有比根据比较例3的现有矩形单元块更优异的DC特性。
表4显示了使用根据实施例3的椭圆形单元块的粉末状磁芯(两个第一单元块和六个第二单元块的组合)的直流电阻(DCR)与使用根据比较例3的现有矩形单元块的粉末磁芯的直流电阻之间的比较。
如表4中所示，能够看出，使用椭圆形单元块的粉末状磁芯的DCR比使用现有矩形单元块的粉末状磁芯的DCR低17%。
[表4]
块形式 DCR(mΩ) 备注
实施例3 16.86 30匝+50匝
比较例3 20.37 50匝+50匝
工业实用性
可以提供一种用于使用软金属粉末制备芯的椭圆形单元块和使用其制备的粉末状磁芯，所述椭圆形单元块解决相关领域的形状自由度低的堆叠的硅钢板或无定形金属的问题，其中利用所述堆叠的硅钢板或无定形金属芯的截面积可能不能摆脱矩形形状；所述椭圆形单元块通过根据用途与电感器的尺寸和成本选择性地使用MPP粉末、高通量粉末、铁硅铝合金粉末或Mega Flux(硅钢粉末)而使得可以高密度成型，并降低铜损耗；且所述椭圆形单元块可用于功率因数校正(PFC)用的大电流电抗器；用于光伏发电或风力发电中的换流器的电感滤波器；用于光伏和电动车辆中的大容量DC-DC转换器的电感器；或使用燃料电池***的电动车辆的电动装置的电感器中。

Claims (5)

1.一种用于使用软磁金属粉末制备芯的椭圆形单元块，其通过如下形成：对粒度小于或等于180μm的铁硅铝合金粉末、高通量粉末或MPP粉末和Mega Flux(硅钢粉末)中的一种或多种粉末进行选择性成型，以便形成具有矩形形状的成型生坯；并对所述成型生坯进行热处理，随后将矩形生坯的拐角的侧面圆化。
2.权利要求1的椭圆形单元块，其中所述椭圆形单元块为具有如下尺寸的单元块：宽度x在30mm≤x≤150mm的范围内；长度y在10mm≤y≤100mm的范围内；高度z在5mm≤z≤50mm的范围内；且在拐角的侧面上的圆角半径Rc(1)在3mm≤Rc(1)≤y/2的范围内。
3.权利要求1的椭圆形单元块，其中所述椭圆形单元块为具有如下尺寸的第二单元块：宽度A在A≤y的范围内；长度B在B≤x/2的范围内；高度C在5mm≤C≤60mm的范围内；且在拐角的侧面上的圆角半径Rc(2)在3mm≤Rc(2)≤B/2的范围内。
4.权利要求1的椭圆形单元块，其中所述铁硅铝合金粉末的组成包含：9重量%～10重量%的硅(Si)、4重量%～8重量%的铝(Al)和占组成总重量的余量的铁(Fe)，
所述MPP粉末的组成包含：80重量%～81重量%的镍(Ni)、16重量%～18重量%的铁(Fe)和1.5重量%～2.5重量%的钼，且
所述硅钢粉末的组成包含：5重量%～8重量%的硅(Si)和占组成总重量的余量的铁(Fe)。
5.一种粉末状磁芯，其通过如下制得：利用耐热性和耐火性环氧胶粘剂或聚氨酯胶粘剂对权利要求1～4中任一项的椭圆形单元块进行粘合。
CN201280043667.9A 2011-09-07 2012-09-05 用于使用软磁金属粉末制备芯的椭圆形单元块和用其制备的粉末状磁芯 Pending CN103797550A (zh)

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