專利名稱：復(fù)合軟磁粉材料及永磁偏置磁芯的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁粉材料以及使用該磁粉材料的磁芯，尤其涉及一種復(fù) 合軟磁粉材料以及使用該復(fù)合軟磁粉材料的永磁偏置磁芯。
背景技術(shù)：
在用于例如開關(guān)電源的扼流圈或變壓器等磁性元件中，直流信號通常與 交流信號相疊加，所以這些磁性元件所使用的磁芯要求對該直流疊加的不磁 飽和的導(dǎo)磁率特性必須良好，換言之，所使用的磁芯必須具有良好的直流疊 加特性。
此外，近年來，隨著電子設(shè)備小型化以及輕量化的設(shè)計要求，相對地使 得電子設(shè)備內(nèi)的電子元件的體積及重量也必需小型化及輕量化，當(dāng)然電子產(chǎn) 品中經(jīng)常使用的磁性元件，例如變壓器或電感器，也無法避免地朝體積小型 化及重量輕量化的趨勢發(fā)展。磁性元件為了實現(xiàn)體積小型化及重量輕量化的 目的，會減少磁芯的體積，然而磁芯體積的減少容易使得磁性元件的磁化強 度飽和，造成磁性元件可以承受的電流量降低。
為解決上述問題，磁性元件在減少磁芯體積的同時，會在磁芯的導(dǎo)磁路
徑增加間隙(gap)，且在該間隙中設(shè)置永久磁鐵，以通過永久磁鐵所提供 的偏磁來消除電路信號中因直流成分疊加所產(chǎn)生的直流磁場。為了減少永久 磁鐵加入后會造成磁芯損耗的增大以及偏磁量過小的問題，美國專利 US6,856,231公開了一種將強磁性粉末與大量樹脂混合的黏結(jié)磁鐵(bond magnet)，并通過此黏結(jié)磁鐵提供偏磁。雖然該磁鐵可以避免磁芯損耗的增 大以及偏磁量過小的問題，但是磁芯的導(dǎo)磁路徑必需具有磁隙，增大了磁芯 制造的復(fù)雜度，而且將磁鐵安裝在該磁芯的磁隙中時，磁鐵與磁芯無法完全 緊密接合而產(chǎn)生漏磁，使得磁隙位置產(chǎn)生更大的損耗。
美國專利US 6,545,582公開了 一種永久磁鐵外置以提供有效磁偏置的磁 芯，其使用的磁芯不具有完整且封閉的導(dǎo)磁路徑，所以可以輕易地將磁鐵安
4置在磁芯外側(cè)的導(dǎo)磁路徑上，因此制造與組裝較為容易。然而使用外置的永 久磁鐵提供偏磁，將不可避免地使磁芯總體積變大，因此不利于磁性元件的 體積小型化要求。
由此可知，傳統(tǒng)的利用永久磁鐵提供偏磁的方法會使得磁芯制造復(fù)雜度 增大，而且將磁鐵放置在該磁芯的磁隙中時，磁鐵與磁芯無法完全緊密接合 而產(chǎn)生漏磁，會使得磁隙位置產(chǎn)生更大的損耗。另外，將永久磁鐵外置以提 供磁偏置的方式也無法達到有效減少磁芯體積的要求。因此，如何發(fā)展一種 可改善上述已有技術(shù)的缺點的復(fù)合軟磁粉材料及使用該復(fù)合軟磁粉材料的 永磁偏置磁芯，實為本領(lǐng)域技術(shù)人員目前所迫切需要解決的問題。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種復(fù)合軟磁粉材料，以使利用 該軟磁性材料制備的磁芯具有良好的直流疊加特性以及抗飽和能力，具有較 低的損耗，可提供有效的磁偏置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種永磁偏置磁芯，可以有效地減少磁芯體積 且同時降低損耗，增加導(dǎo)磁率，不易被退磁，且使用安全性較高。
本發(fā)明的又一目的是提供一種永磁偏置磁芯，適用于中大電流的磁性元 件應(yīng)用，且制造過程簡單并適合批量生產(chǎn)。
為達到上述目的，本發(fā)明的一較廣義實施形式為提供一種復(fù)合軟磁粉材 料，其至少包括強永磁粉末以及鐵基軟磁粉末，該鐵基軟磁粉末與該強永
磁粉末的混合比例范圍實質(zhì)上介于5:5 9:1之間，且該復(fù)合軟磁粉材料具有 實質(zhì)上介于5 50之間的導(dǎo)磁率。
為達到上述目的，本發(fā)明的另一較廣義實施形式為提供一種永磁偏置磁 芯，其至少包括復(fù)合軟磁粉材料，該復(fù)合軟磁粉材料至少包括強永磁粉末以 及鐵基軟磁粉末，該鐵基軟磁粉末與該強永磁粉末的混合比例范圍實質(zhì)上介 于5:5 9:1之間。其中，該永磁偏置磁芯具有實質(zhì)上介于5~50之間的導(dǎo)磁率。
圖1是利用本發(fā)明優(yōu)選實施例的復(fù)合軟磁粉材料制作磁性元件使用的永 磁偏置磁芯的制程流程圖。
5圖2是本發(fā)明實施例的磁芯未充磁與充磁后的直流特性比較圖。 圖3顯示將本發(fā)明實施例的棒狀磁芯均勻纏繞線圈的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是圖3所示結(jié)構(gòu)測量電感隨直流偏置電流變化的曲線關(guān)系圖
其中，附圖標記說明如下
S11 S15:復(fù)合軟磁粉材料制作磁性元件使用的永磁偏置磁芯的工藝流
程步驟。
具體實施例方式
體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點的一些典型實施例將在后段的說明中詳細敘述。 應(yīng)理解的是本發(fā)明能夠在不同的形式上具有各種的變化，其都不脫離本發(fā)明 的范圍，且其中的說明及附圖在本質(zhì)上應(yīng)當(dāng)作為說明之用，而非用以限制本 發(fā)明。
本發(fā)明涉及一種復(fù)合軟磁粉材料，其主要由鐵基軟磁粉末以及強永磁粉
末所組成，其中鐵基軟磁粉末與強永磁粉末的比例范圍實質(zhì)上介于5:5 9:1 之間。由于強永磁粉末的比例過低會導(dǎo)致所提供的偏置磁場太低，不能有效 的提高磁芯的抗飽和能力，若強永磁粉末的比例過高則會使磁芯的導(dǎo)磁率過 低，不利于實際使用，因此鐵基軟磁粉末與強永磁粉末的比例范圍以實質(zhì)上 介于5:5 9:1之間較好。
在本實施例中，鐵基軟磁粉末指可用于制備軟磁粉芯的鐵基軟磁粉末， 包括但不限于羰基鐵粉、霧化鐵粉、電解鐵粉、鐵硅(FeSi)合金粉末、鐵 鎳(FeNi)合金粉末、鐵硅鋁(FeSiAl)合金粉末、鐵硅鉻(FeSiCr)合金 粉末以及鐵基非晶粉末等。此外，強永磁粉末指該永磁粉末具有實質(zhì)上大于 或等于5KOe的本征矯頑力(intrinsic coercive force)，實質(zhì)上大于或等于300 。C的居里溫度Tc (Curie point)，更加優(yōu)選的是具有實質(zhì)上大于或等于lOKOe 的本征矯頑力，實質(zhì)上大于或等于50(TC的居里溫度Tc。相對較大的本征矯 頑力可以使復(fù)合軟磁粉材料得到優(yōu)良的直流疊加特性，相對較高的居里溫度 則可以防止復(fù)合軟磁粉材料在高溫工作時，直流疊加特性由于熱退磁效應(yīng)而 惡化。在本實施例中，強永磁粉末可包括但不限于稀土類永磁粉末，例如釹 鐵硼(NdFeB)系列、釤鈷(SmCo)系列以及釤鐵氮(SmFeN)系列等永磁 粉末。請參閱圖1，其是利用本發(fā)明優(yōu)選實施例的復(fù)合軟磁粉材料制作磁性元 件使用的永磁偏置磁芯的工藝流程圖。如圖1所示，首先，如步驟Sll所示， 提供復(fù)合軟磁粉材料，其中該復(fù)合軟磁粉材料由鐵基軟磁粉末及強永磁粉末
按特定比例均勻混合而組成，該特定比例范圍實質(zhì)上介于5:5 9:1之間。接 著，如步驟S12所示，將復(fù)合軟磁粉材料中加入絕緣劑進行處理，使得復(fù)合 軟磁粉材料的粉末表面形成絕緣覆膜，以改善顆粒絕緣性質(zhì)，防止渦流損耗 過高，其中絕緣劑包括但不限于磷酸溶液、硅樹脂溶液、鈦酸酯溶液等。然 后，如步驟S13所示，將處理過的粉末中加入有機黏接劑并進行造粒，其中 有機黏接劑可以是但不限于有機樹脂，例如雙聚丙烯樹脂、6-尼龍樹脂、12-尼龍樹脂、聚乙烯樹脂、聚酰亞胺樹脂、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。另外，在 此步驟中，在加入有機黏接劑后可先將處理過的粉末與有機黏接劑混合均 勻，當(dāng)充分攪拌使其成為泥糊狀后，再使用例如刮板法或利用造粒機進行造 粒工作以產(chǎn)生較大顆粒，以使得成型時粉末能滿足流動性的需求。
接著，如步驟S14所示，對造粒后的粉末進行壓型程序。在此步驟中， 可將造粒后的粉末裝入金屬模具中并通過壓機進行壓型程序，其中成型的壓 力范圍可為實質(zhì)上介于4T/cm2 20T/cm2之間，壓力越大則磁芯的導(dǎo)磁率越 高，同時由于強永磁粉末之間距離拉近，則偏磁性能也更好，但壓力若太大 則有可能破壞強永磁粉末的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致強永磁粉末的本征矯頑力降低，故優(yōu) 選的成型壓力范圍為實質(zhì)上介于6T/cn^ 15T/cn^之間。另外，為了提高磁 芯的壓制密度，顆粒的形狀可進行匹配，換言之，鐵基軟磁粉末與強永磁粉 末的形狀可實質(zhì)上相同。對于鱗片狀的磁粉，如果磁路方向垂直于磁粉平面， 則所得磁感矯頑力較大，也就是抗磁性最好，但是導(dǎo)磁率相對較小，如果磁 路方向平行于磁粉平面，則導(dǎo)磁率可以得到增強，但是抗磁性又顯著降低， 且扁平磁粉由于其尺寸較大，會導(dǎo)致渦流損耗較大，故綜合考慮，球形或者 近似球形的磁粉為優(yōu)選。同時為了避免磁芯在高頻磁場下的高頻渦流損耗過 大，本發(fā)明中鐵基軟磁粉末和強永磁粉末的最大顆粒直徑可皆為100pm以 下，且平均顆粒直徑可實質(zhì)上介于5pm 50pim之間。
最后，如步驟S15所示，將所制備的磁芯進行熱處理后放入磁場中充磁， 其中充磁的磁場強度可大于例如3T，磁芯中強永磁粉末經(jīng)過充磁后可為鐵基 粉末提供偏磁，以提高整個磁芯的抗飽和能力，經(jīng)過充磁后的磁芯即可投入
7使用。
本發(fā)明最終完成的磁芯滿足如下的參數(shù)要求所制備的永磁偏置磁芯 具有實質(zhì)上介于5 50之間的導(dǎo)磁率，導(dǎo)磁率太低則無法作為軟磁粉芯使用， 導(dǎo)磁率太高則直流疊加能力較差。本發(fā)明所制備的永磁偏置磁芯具有大于或
者等于0.1Q.cm的電阻率，以抑制渦流。本發(fā)明所制備的永磁偏置磁芯具 有大于或等于5.5g/cm3的密度，密度過小的話強永磁粉末之間的間距過大， 退磁系數(shù)也會比較大，那么有效偏置磁場就會減小，不利于磁芯的直流疊加 能力的提高。
實施例一
本實施例中，先將Fe-3%Si鐵基軟磁粉末與NdFeB強永磁粉末按照7: 3的重量比例稱量后，放入混粉機中混合均勻，其中NdFeB強永磁粉末用噴 霧法制備，形貌為球形，平均粒徑約為30pm，粉末本征矯頑力為9.4KOe， 此外，鐵基軟磁粉末的平均粒徑約為12pm。然后，使用硅樹脂對均勻混合 后的復(fù)合軟磁粉材料進行絕緣處理，以在處理過的粉末中加入有機黏接劑， 其中有機黏接劑可使用環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂的重量比例為5%。接著，處理 后的粉末在混合均勻后進行造粒烘干并過60目篩，將造粒后的粉末裝在金 屬模具中壓制成型，其中成型壓力為8T/cm2。之后，將樣品從金屬模具中取 出后放入16(TC恒溫烘箱中烘烤30分鐘，使有機黏接劑固化，并將固化后的 樣品進行充磁，充磁磁場為4T。最后測量磁芯的電學(xué)性能，本實施例的磁芯 電阻率可穩(wěn)定在103Q cm以上。
此外，請參閱圖2，將本實施例的磁芯未充磁與充磁后的直流特性做比 較，從數(shù)據(jù)中可以看出本例的磁芯充磁后抗直流飽和能力明顯提高。
本實施例中鐵基軟磁粉末為羰基鐵粉，粉末平均粒徑為7pm，此外采用 機械合金化球磨法制備的球形NdFeB強永磁粉末，其平均粒徑約10pm，粉 末的本征矯頑力為llKOe。兩種粉末分別按照9: 1、 8: 2、 7: 3、 6: 4的 重量比例混合均勻后使用鈦酸酯溶液進行表面絕緣處理。將處理后的粉末與 有機黏接劑均勻混合并干燥造粒，其中有機黏接劑使用酚醛樹脂，質(zhì)量比例 為4.2%。然后，通過壓機成型，成型壓力為10T/cm2。接著，使所制備的樣 品在恒溫烘箱中烘烤，使有機黏接劑固化，然后進行飽和充磁，其中充磁磁場為4T。最后測試本實施例中磁芯的電學(xué)性能，測試結(jié)果如表l所示。由表
1可以看出，充磁后磁芯所能夠承受的偏置磁場均有很大提高。同時，可以 發(fā)現(xiàn)強永磁粉末加入比例越大，所得到的抗飽和性能的提高也越多，但同時 導(dǎo)磁率也會有較快的下降。
表l
比例密度 (g/cm3)導(dǎo)磁率 (^090%導(dǎo)磁率的偏置磁場(Oe)充磁前充磁后
9 : 16.564244656
8 : 26.453187892
7 36.33413214287
6 : 46.18410293402
實施例三:
本實施例中的磁芯采用Fe-1.5%Si鐵基軟磁粉末與Sm2Con強永磁粉末 共同制備，所選用的Fe-1.5。/。Si鐵基軟磁粉末平均粒徑為12pm，另外Sm2Co17 強永磁粉末的平均粒徑為5pm，粉末的本征矯頑力為12KOe，居里溫度為 85(TC。將兩種粉末按照8:2的比例均勻混合后，使用磷酸溶液做絕緣處理。 然后在絕緣處理過的粉末中加入有機黏接劑攪拌，其中有機黏接劑為聚酰亞 胺樹脂，其重量比例為4.2%。接著，將粉末混合均勻后烘干造粒并過60目 篩。然后，將造粒后的粉末裝入棒狀金屬模具中壓制成型，成型壓力為 12T/cm2。之后，將樣品從金屬模具中取出，并放入恒溫烘箱中烘烤使有機 黏接劑固化。接著，對固化后的磁芯進行充磁，充磁磁場為5T。
接著，如圖3所示，將棒狀磁芯均勻纏繞線圈，然后放入窗口形的鐵氧 體磁芯中并置于中柱位置，當(dāng)密合后測量電感隨直流偏置電流變化的曲線， 其結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，如果偏置電流產(chǎn)生的直流磁場與磁芯 的充磁方向一致，則兩者互相疊加，會導(dǎo)致電感加速飽和，感量快速下降。 如果偏置電流產(chǎn)生的直流磁場與磁芯的充磁方向相反，則兩者互相抵消，會 導(dǎo)致電感延緩飽和，感量在更大的電流下能夠保持穩(wěn)定。
綜上所述，本發(fā)明提供一種復(fù)合軟磁粉材料，該復(fù)合軟磁粉材料由鐵基 軟磁粉末以及強永磁粉末所組成，利用該軟磁性粉末材料制備的磁芯具有良 好的直流疊加特性以及抗飽和能力，以及較低的損耗，還可提供有效的磁偏
9置。此外，本發(fā)明的永磁偏置磁芯可以有效地減少磁芯體積且同時降低損 耗，增加導(dǎo)磁率，適用于中大電流的磁性元件應(yīng)用，且工藝簡單并適合批量 生產(chǎn)。另外，由于強永磁粉末導(dǎo)磁率接近1，而其四周的鐵基軟磁粉末一般
導(dǎo)磁率會在2000以上，因此大部分的磁通量會從鐵基軟磁粉末上穿過，而 小部分的磁通量才會通過強永磁粉末，同時強永磁粉末的矯頑力很高，因此 強永磁粉末極不容易被退磁，也就是說，本發(fā)明的永磁偏置磁芯使用安全性 比較高。
本發(fā)明可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員任施匠思而做各種改變，然都不脫離所附 的權(quán)利要求書所要保護的范圍。
10
權(quán)利要求
1. 一種復(fù)合軟磁粉材料，至少包括一強永磁粉末；以及一鐵基軟磁粉末，該鐵基軟磁粉末與該強永磁粉末的混合比例的范圍實質(zhì)上介于5:5～9:1之間，其中，該復(fù)合軟磁粉材料具有實質(zhì)上介于5～50之間的導(dǎo)磁率。
2. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合軟磁粉材料，其中該強永磁粉末具有實質(zhì)上 大于或等于5KOe的本征矯頑力，以及實質(zhì)上大于或等于30(TC的居里溫度。
3. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合軟磁粉材料，其中該強永磁粉末為稀土類永 磁粉末，該稀土類永磁粉末為選自釹鐵硼系列、釤鈷系列以及釤鐵氮系列永 磁粉末所組成的群族其中之一 。
4. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合軟磁粉材料，其中該鐵基軟磁粉末為選自羰 基鐵粉、霧化鐵粉、電解鐵粉、鐵硅合金粉末、鐵鎳合金粉末、鐵硅鋁合金 粉末、鐵硅鉻合金粉末以及鐵基非晶粉末所組成的群族其中之一。
5. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合軟磁粉材料，其中該復(fù)合軟磁粉材料具有大 于或者等于 cm的電阻率。
6. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合軟磁粉材料，其中該鐵基軟磁粉末與該強永 磁粉末的形狀實質(zhì)上相同，該鐵基軟磁粉末與該強永磁粉末形狀為球形或近 似球形，該鐵基軟磁粉末與該強永磁粉末的最大顆粒直徑為100pm以下且平 均顆粒直徑實質(zhì)上介于5fim 5(^m之間。
7. —種永磁偏置磁芯，至少包括一復(fù)合軟磁粉材料，該復(fù)合軟磁粉材料至少包括；強永磁粉末以及一鐵 基軟磁粉末，該鐵基軟磁粉末與該強永磁粉末的混合比例范圍實質(zhì)上介于 5:5 9:1之間，其中，該永磁偏置磁芯具有實質(zhì)上介于5 50之間的導(dǎo)磁率。
8. 如權(quán)利要求7所述的永磁偏置磁芯，其中該永磁偏置磁芯具有大于或 者等于0.1Q.cm的電阻率。
9. 如權(quán)利要求7所述的永磁偏置磁芯，其中該永磁偏置磁芯具有大于或 等于5.5g/cm3的密度。
10. 如權(quán)利要求7所述的永磁偏置磁芯，還包括絕緣劑。
11. 如權(quán)利要求IO所述的永磁偏置磁芯，還包括有機黏接劑，該有機黏接劑為選自雙聚丙烯樹脂、6-尼龍樹脂、12-尼龍樹脂、聚乙烯樹脂、聚酰亞 胺樹脂、酚醛樹脂以及環(huán)氧樹脂所組成的群族其中之一 。
12. 如權(quán)利要求7所述的永磁偏置磁芯，其中該永磁偏置磁芯經(jīng)過充磁程序。全文摘要
本發(fā)明為一種復(fù)合軟磁粉材料，其至少包括強永磁粉末以及鐵基軟磁粉末，該鐵基軟磁粉末與該強永磁粉末的混合比例范圍實質(zhì)上介于5∶5～9∶1之間，且該復(fù)合軟磁粉材料具有實質(zhì)上介于5～50之間的導(dǎo)磁率。本發(fā)明的永磁偏置磁芯可以有效地減少磁芯體積且同時降低損耗，增加導(dǎo)磁率，適用于中大電流的磁性元件應(yīng)用，且工藝簡單并適合批量生產(chǎn)。
文檔編號H01F3/00GK101499343SQ20081000492
公開日2009年8月5日 申請日期2008年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月29日
發(fā)明者為 陳, 陳義霖, 陳友欽, 智 黃 申請人:臺達電子工業(yè)股份有限公司