CN106486237A - 铁氧体磁芯、电子部件以及电源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铁氧体磁芯、电子部件以及电源装置。本发明提供在100℃附近的饱和磁致伸缩小、驱动时的音鸣声被抑制并且饱和磁通密度高的铁氧体磁芯。所述铁氧体磁芯其特征在于：是包含换算成Fe2O3为51.5～54.5mol％的氧化铁、换算成ZnO为6.5～12.5mol％的氧化锌、以及剩余部分为氧化锰的主成分的MnZn系铁氧体，相对于该主成分，包含换算成Li2CO3为50～4000ppm的Li，包含换算成TiO2为100～8000ppm的Ti，包含换算成CoO为500～4000ppm的Co。
Description
技术领域
本发明涉及一种100℃附近的饱和磁致伸缩小，驱动时的音鸣声被抑制而且饱和磁通密度高的铁氧体磁芯。
背景技术
作为电源用变压器等的磁芯材料，可以使用铁氧体烧结体。形成磁芯的铁氧体烧结体被称为铁氧体磁芯，广泛使用含有Mn以及Zn的MnZn系铁氧体。另外，近年来伴随着电源的小型化而要求高温条件下高的饱和磁通密度。
例如，关于专利文献1的铁氧体，其特征在于，相对于Fe2O3：52～56mol％、ZnO：6～14mol％、NiO：4mol％以下、CoO：0.01～0.6mol％、剩余部分实质上为MnO的组成的基本成分，以附加(enclosure)量含有SiO2：0.0050～0.0500wt％以及CaO：0.0200～0.2000wt％，进一步含有规定量的选自Ta2O5、ZrO2、Nb2O5、V2O5、K2O、TiO2、SnO2以及HfO2中的至少一种添加成分，并且具有高的饱和磁通密度。
另一方面，关于在电源驱动时产生的音鸣声也是重要的，例如关于专利文献2其特征在于提供一种通过在具有多个脚部的磁芯的脚与脚之间夹持阻尼材料从而降低或者防止了变压器音鸣声的变压器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3968188号公报
专利文献2：日本特开2013-118308号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
音鸣声通常众所周知的原因是磁致伸缩振动。在专利文献2中虽然降低了音鸣声，但并不是降低音鸣声的原因即磁致伸缩，从而谈不上是根本性的解决音鸣声的方法。另外，由于使用阻尼材料从而会有制造时花费成本或功夫的问题。
因此，本发明的目的在于提供一种能够解决现有技术中所存在的以上所述的问题的铁氧体磁芯。特别是在于提供一种通过减小在100℃下的磁致伸缩从而抑制驱动时的音鸣声并且能够显示出高的饱和磁通密度的铁氧体磁芯。
解决技术问题的手段
基于上述目的，本发明者们着眼于作为MnZn系铁氧体中所含的主成分的氧化铁、氧化锰、氧化锌以及作为副成分的碳酸锂、氧化钴和氧化钛的组成并就其特性进行了专门研究。其结果发现在100℃下饱和磁致伸缩小，可以抑制驱动时的音鸣声而且可以实现高饱和磁通密度，由此完成了本发明。
即，本发明所涉及的铁氧体磁芯其特征在于：是包含主成分的MnZn系铁氧体磁芯，该主成分包含换算成Fe2O3为51.5～54.5mol％的氧化铁、换算成ZnO为6.5～12.5mol％的氧化锌、以及作为剩余部分的氧化锰，相对于该主成分，包含换算成Li2CO3为50～4000ppm的Li，包含换算成TiO2为100～8000ppm的Ti，包含换算成CoO为500～4000ppm的Co。
另外，在本发明的铁氧体磁芯中，作为副成分优选相对于主成分包含换算成SiO2为50～300ppm的Si以及换算成CaCO3为200～3000ppm的Ca。
进一步，在本发明的铁氧体磁芯中，作为副成分优选相对于主成分包含换算成Nb2O5为50～750ppm的Nb、换算成Ta2O5为50～1500ppm的Ta、换算成V2O5为50～1000ppm的V、换算成SnO2为500～13000ppm的Sn中的1种或者2种以上。
发明的效果
通过减小100℃下的饱和磁致伸缩从而能够抑制驱动时的音鸣声并且能够实现高饱和磁通密度。
附图说明
图1(a)是表示本实施方式所涉及的E字型铁氧体磁芯(磁芯)的立体图。
图1(b)是表示本实施方式所涉及的在内部相对配置有2个E型磁芯的变压器的立体图。
图2是开关电源装置的方块图。
图3是表示具备开关电源装置的汽车的主要部分的方块图。
符号的说明：
10…铁氧体磁芯(磁芯)、11…(中柱部)、12…(线圈)、200…开关电源
具体实施方式
首先，说明本发明中的成分的限定理由。
本发明的铁氧体磁芯含有作为主成分的换算成Fe2O3为51.5～54.5mol％的Fe量。另外，在以下叙述过程中换算成Fe2O3来对Fe量的标明仅记为Fe2O3量等。如果Fe2O3量小于51.5mol％，则虽然降低了100℃下的饱和磁致伸缩，但是饱和磁通密度变小。另一方面，如果Fe2O3量超过54.5mol％，则100℃下的饱和磁致伸缩变大。因此，在本发明中将Fe2O3量控制在51.5～54.5mol％。优选的量为51.5～53.5mol％。
ZnO量也会对饱和磁通密度以及饱和磁致伸缩产生影响。如果ZnO量少于6.5mol％，则饱和磁致伸缩变大。如果ZnO量超过12.5mol％，则100℃下的饱和磁通密度变小。因此，在本发明中将ZnO量控制在6.5～12.5mol％。本发明的铁氧体磁芯除了作为主成分的上述物质以外不包括不可避免的杂质，剩余部分由MnO构成。
接着，就本发明中的副成分进行说明。
本发明的铁氧体磁芯含有作为副成分的换算成Li2CO3为50～4000ppm的Li量。Li2CO3对于抑制磁致伸缩来说是有效的，为了获得该效果而相对于主成分添加50ppm以上。但是，如果添加量过多，则饱和磁通密度变小。因此，在本发明中将Li2CO3量控制在4000ppm以下。优选的量为1000～2500ppm。
本发明的铁氧体磁芯含有作为副成分的换算成TiO2为100～8000ppm的Ti量。TiO2作为4价的Ti离子能够与尖晶石晶格中的Fe发生置换来降低磁致伸缩。为了获得该效果而相对于主成分添加100ppm以上。但是，如果添加量过多，则饱和磁通密度变小。因此，在本发明中将TiO2量控制在8000ppm以下。优选的量为500～5000ppm。
本发明的铁氧体磁芯含有作为副成分的换算成CoO为500～4000ppm的Co量。CoO对于抑制磁致伸缩来说是有效的，为了获得该效果而相对于主成分添加500ppm以上。但是，如果该添加量过多，则饱和磁通密度变小。因此，在本发明中将CoO量控制在4000ppm以下。优选的CoO量为500～3000ppm。
另外，通过同时添加Li、Ti、Co从而进一步提高所述效果。通过将Li或Co固溶于尖晶石结晶中的B位点，从而能够获得磁致伸缩抑制效果。但是，如果以单体添加这些金属，则不仅固溶于B位点还会固溶于A位点，并且相对于添加量不能获得充分的效果。但是，认为通过同时添加Ti从而Li或Co变得容易固溶于B位点，并且能够获得比以单体进行添加更大的磁致伸缩抑制效果。
本发明的铁氧体磁芯通过适当选择上述的组成，从而能够使100℃下的饱和磁通密度高达380mT以上，而且能够减小100℃下的饱和磁致伸缩并抑制驱动时的音鸣声。
在本发明中，通过如下所述限制副成分从而能够抑制磁芯损耗。
本发明的铁氧体磁芯能够作为副成分含有含量在50～300ppm范围内的SiO2以及含量在200～3000ppm范围内的CaCO3。Si以及Ca在结晶晶界发生偏析并形成高电阻层从而有助于低损耗，并且作为烧结助剂具有提高烧结密度的效果。如果Si换算成SiO2小于50ppm或者Ca换算成CaCO3小于200ppm，则不能够充分获得上述效果。另外，如果Si换算成SiO2超过300ppm或者Ca换算成CaCO3超过3000ppm，则由于异常晶粒生长而引起的磁芯损耗的劣化变大。优选SiO2为50～150ppm以及CaCO3为500～2000ppm，进一步优选SiO2为75～125ppm以及CaCO3为800～1600ppm。
本发明的铁氧体磁芯能够作为副成分含有含量在50～750ppm范围内的Nb2O5以及含量在50～1500ppm范围内的Ta2O5。Nb以及Ta是具有提高晶界电阻的作用的成分。如果Nb换算成Nb2O5小于50ppm或者Ta换算成Ta2O5小于50ppm，则没有改善效果。另外，如果Nb换算成Nb2O5超过750ppm或者Ta换算成Ta2O5超过1500ppm，则由于异常晶粒生长而造成磁芯损耗变大，所以将Nb2O5的含量限定在50～750ppm的范围并且将Ta2O5的含量限定在50～1500ppm的范围。因为如果含量变多则会发生异常晶粒生长，所以优选以100～300ppm的范围含有Nb2O5并且以100～600ppm的范围含有Ta2O5。
本发明的铁氧体磁芯能够作为副成分含有含量在50～1000ppm范围内的V2O5。V是具有提高晶界电阻的作用的成分。如果V换算成V2O5小于50ppm，则没有改善效果。另外，如果V换算成V2O5超过1000ppm，则由于异常晶粒生长而造成磁芯损耗变大，所以将V2O5的含量限定在50～1000ppm的范围。因为如果含量变多则会发生异常晶粒生长，所以优选以100～500ppm的范围含有V2O5。
本发明的铁氧体磁芯能够作为副成分含有含量在500～13000ppm范围内的SnO2。SnO2是存在于一部分晶界并在烧结后的冷却过程中助长晶界再氧化以至于使损耗降低的成分。SnO2还具有作为4价的离子与尖晶石晶格的原子进行置换并使底部温度降低的作用。然而，因为如果添加量过多的话则会引起异常晶粒生长从而损耗变高，所以要含有500～13000ppm范围内的SnO2。优选含有1000～8000ppm范围内的SnO2。另外，这些成分并不一定有必要以氧化物的形式进行添加，例如也可以以碳酸盐的形式进行混合。
本发明的铁氧体磁芯通过适当选择以上所述的组成从而能够抑制100℃下的损耗。
接着，对于本发明所涉及的铁氧体磁芯来说优选的制造方法进行说明。
作为主成分的原料使用氧化物或者由加热而成为氧化物的化合物的粉末。具体地说，能够使用Fe2O3粉末、Mn3O4粉末以及ZnO粉末等。各原料粉末的平均粒径可以在0.1～3μm的范围内作适当选择。在湿式混合主成分的原料粉末之后进行煅烧。煅烧的温度只要是在800～1100℃范围内的规定的温度即可。煅烧的稳定时间只要在0.5～5小时的范围内作适当选择即可。在煅烧之后，将煅烧材料粉碎至例如平均粒径为0.5～3μm的程度。另外，在本发明中并不限定于上述的主成分的原料，也可以将含有2种以上金属的复合氧化物的粉末作为主成分的原料。例如，通过将含有氯化铁、氯化锰的水溶液氧化焙烧从而可以获得含有Fe以及Mn的复合氧化物的粉末。也可以将该粉末和ZnO粉末混合来作为主成分原料。在这样的情况下，不需要煅烧。
在煅烧之后添加副成分。对于煅烧后的添加，可以将副成分的原料添加于煅烧材料再进行上述粉碎，还可以在煅烧材料粉碎之后添加并混合副成分的原料。但是，对于Li2CO3、TiO2、CoO，也可以与主成分的原料一起提供给煅烧。
作为副成分的原料，也能够使用氧化物或者通过加热而成为氧化物的化合物的粉末。具体来说，能够使用Li2CO3粉末、Co3O4粉末、TiO2粉末、SiO2粉末、CaCO3粉末、Nb2O5粉末、Ta2O5粉末、SnO2粉末等。
对于由主成分以及副成分构成的混合粉末，为了顺利地实行以后的成型工序而被造粒成颗粒。造粒能够使用例如喷雾干燥机来实行。将少量的适当的粘接材料例如聚乙烯醇(PVA)添加于混合粉末中，用喷雾干燥机来对其实施喷雾、干燥。所获得的颗粒的粒径优选为80～300μm的程度。
所获得的颗粒使用例如具有规定形状的模具的压制机从而被成型为所希望的形状，该成型体被提供给烧成工序。
在烧成工序中有必要控制烧成温度和烧成气氛。烧成温度能够从1250～1500℃的范围中作适当选择，但是为了充分发挥本发明的铁氧体磁芯的效果，优选在1300～1400℃的范围内实行烧成。烧成气氛只要在氮和氧的混合气氛中适当调整氧分压即可。
烧成后的本发明所涉及的铁氧体磁芯能够获得93％以上、更加优选为95％以上的相对密度。
由本发明获得的铁氧体磁芯能够用于变压器，由本发明获得的变压器能够用于开关电源装置。
图1(a)是表示本实施方式所涉及的E字型铁氧体磁芯(磁芯)的立体图。如图1(a)所示，E字型的铁氧体磁芯10被称作为E型磁芯等，并且能够被用于变压器等。作为采用了如铁氧体磁芯10那样的E型磁芯的变压器，已知有如图1(b)所示那样的在内部相对配置2个E型磁芯的变压器。
图2是表示开关电源装置的构成的方块图。
图2所示的开关电源装置200是用于将直流输入电压Vin转换成直流输出电压Vout的装置(DC/DC转换器)，并且具备：除去直流输入电压Vin中所含的噪声成分的输入滤波器201、将输入滤波器201的输出转换成交流的开关电路202、将开关电路202的输出变压的变压器203、将变压器203的输出转换成直流的整流电路204、和将整流电路的输出平滑化的平滑电路205。在具有这样的构成的开关电路装置200中，如果作为变压器203的磁芯使用本发明所涉及的磁芯，则因为能够抑制由变压器203产生的音鸣声，所以能够解决开关电源装置200的噪音问题。
图2所示的开关电源装置200特别适宜作为汽车用的开关电源装置来使用。
图3是概略地表示装备有开关电源装置200的汽车的主要部分的方块图。
如图3所示，在将开关电源装置200用于汽车的情况下，开关电源装置200被设置于高压电池210与电气设备220以及低压电池230之间，将由高压电池210提供的约144V或约288V的高电压降压至约14V并将其提供给电气设备220，并且起到对低压电池230实施充电的作用。作为电气设备220，可以列举汽车所具备的空调和音响设备等。
给高压电池210的充电是利用由发电装置240提供的电力来实行的。另外，高压电池210的输出也被提供给电动机250，电动机250基于由高压电池210提供的高电压(约144V或约288V)来驱动驱动系统260。另外，在燃料电池汽车中燃料电池主体成为发电装置240，在混合动力汽车中电动机250变成兼任发电装置240。
以上已就本发明的优选的实施方式作了说明，但是本发明并不限定于上述实施方式，可以在不脱离本发明的宗旨的范围内进行各种变更，那些变更不言而喻也包含于本发明的范围内。
实施例
以下根据具体的实施例来说明本发明。
作为主成分的原料使用Fe2O3粉末、Mn3O4粉末以及ZnO粉末，作为副成分的原料使用Li2CO3粉末、TiO2粉末、Co3O4粉末、SiO2粉末、CaCO3粉末、Nb2O5粉末、V2O5粉末、Ta2O5粉末以及SnO2粉末。将主成分的组成和副成分的组成示于表1～3中。另外，表1、2中，除了表中所示的材料之外还添加100ppm的SiO2、1000ppm的CaCO3以及200ppm的Nb2O5。在湿式混合这些粉末之后，在大气中以900℃的温度煅烧3小时。
将粘合剂加入到所获得的混合物中，在进行了颗粒化之后，进行成型从而获得环形的成型体、I字形的成型体以及E字形的成型体。通过在氧分压控制的条件下以1300℃温度(稳定部5小时，稳定部氧分压2％)将得到的成型体烧成，从而获得环形的铁氧体磁芯(外径20mm、内径10mm、厚度5mm)、I字形的铁氧体磁芯(长度70mm、宽度8mm、厚度8mm)以及E字形的铁氧体磁芯(长度40mm、高度15mm、宽度5mm)。
接着，就本发明的测定方法进行说明。
100℃下的磁致伸缩的测定是使用共和电业制造的应变仪(KFG：通用箔应变仪)来实行的。将应变仪贴到I型铁氧体磁芯的中心部侧面。对I型磁芯进行励磁，并将变形量不发生变化的时刻的变形量的变化率的绝对值设定为饱和磁致伸缩λs。另外，以下对I型磁芯进行励磁，并将变形量不发生变化的时刻的变形量的变化率的绝对值记为饱和磁致伸缩或者λs。
100℃下的音鸣声是将E型磁芯各组成设置于简易消音箱内来进行的。测定是将噪音计的麦克风前端部设置于离磁芯30mm的位置来实行的。声压级是使用小野测器制造的噪音计(LA-5570)来进行测定的。数据表示A特性转换后的总体值(OA值)。A特性是作为表示基于人类听觉的声压级的量加上频率权重的值。OA值是经过频率分析的各声压级的合计。OA值在通常使用情况下设定为合适的值即45dB以下。
100℃下的饱和磁通密度Bs的测定是在励磁磁场为1194A/m的条件下利用MetronGiken Co.,Ltd.制造的直流磁化特性试验装置(SK-110)来测定环形的磁芯。饱和磁通密度Bs为了用于电源用变压器而设定为必要的380mT以上。
100℃下的磁芯损耗Pcv是使用环形的铁氧体磁芯并且一次侧绕5圈、二次侧绕5圈，在最大磁通密度为200mT的条件下以100kHz的频率利用IWATSU制造的BH分析仪(SY-8217)来进行测定。
[表1]
注1)作为添加成分包含100ppm的SiO2、1000ppm的CaCO3、200ppm的Nb2O5
[表2]
注1)作为添加成分包含100ppm的SiO2、1000ppm的CaCO3、200ppm的Nb2O5
根据以上的测定结果做出以下判断。
表中的“—”表示没有添加该材料。
(表1)
如果Fe2O3量小于51.5mol％(参照比较例1、2)，则100℃下的饱和磁通密度Bs(以下省略“100℃下的”)变得小于380mT。另外，如果Fe2O3量超过54.5mol％(参照比较例7、8)，则饱和磁致伸缩变得大于1.5×10-6并且OA值变得大于45dB。
另外，在ZnO量小于6.5mol％(参考比较例3、5)时，饱和磁致伸缩变得大于1.5×10-6并且OA值变得大于45dB。另外，如果ZnO量超过12.5mol％(参照比较例4、6)，则饱和磁致伸缩变小，但是饱和磁通密度Bs变得小于380mT。
(表2)
如果作为副成分的Li2CO3的量少于50ppm(参照比较例9)，则饱和磁致伸缩变大并且OA值变得大于45dB。另外，如果Li2CO3量超过4000ppm(参照比较例10)，则饱和磁致伸缩变小，但是饱和磁通密度Bs变得小于380mT。
如果作为副成分的TiO2的量少于100ppm(参照比较例11)，则饱和磁致伸缩变得大于1.5×10-6并且OA值也变得大于45dB。另外，如果TiO2量超过8000ppm(参照比较例12)，则磁致伸缩变小，但是饱和磁通密度Bs变得小于380mT。
如果作为副成分的CoO的量少于500ppm(参照比较例13)，则饱和磁致伸缩变得大于1.5×10-6并且OA值变得大于45dB。另外，如果CoO量超过4000ppm(参照比较例14)，则饱和磁通密度Bs变得小于380mT。
相对于以上情况，在相对于Fe2O3量为51.5～54.5mol％、ZnO量为6.5～12.5mol％以及剩余部分为MnO的主成分，作为副成分含有50～4000ppm的Li2CO3量、100～8000ppm的TiO2量以及500～4000ppm的CoO量的情况下，能够获得100℃下的饱和磁致伸缩为1.5×10-6以下、OA值为45dB以下、饱和磁通密度Bs为380mT以上的特性。
(表3)
关于其它副成分如下所述。
SiO2以及CaCO3如上所述偏析于结晶晶界并形成高电阻层从而有助于低损耗并且作为烧结助剂具有提高烧结密度的效果，但是如表3所示会影响到磁芯损耗Pcv。也就是说，通过添加SiO2以及CaCO3从而能够减小磁芯损耗Pcv，但是如表3所示如果过度添加则磁芯损耗变差(参照实施例20～27)。因此，在添加SiO2以及CaCO3的情况下，将SiO2量控制在50～300ppm并将CaCO3量控制在200～3000ppm。
另外，通过添加Nb2O5以及Ta2O5从而能够减少磁芯损耗Pcv(参照实施例28～34)。但是，因为与SiO2以及CaCO3的情况相同如果过度添加的话则磁芯损耗变差，所以最适合的添加量的范围分别为将Nb2O5控制在50～750ppm、将Ta2O5控制在50～1500ppm。
另外，通过添加V2O5从而能够减少磁芯损耗Pcv(参照实施例35～37)。但是，因为与SiO2以及CaCO3的情况相同如果过度添加的话则磁芯损耗变差，所以最适合的添加量的范围为将V2O5控制在50～1000ppm。
另外，通过添加SnO2从而能够减少磁芯损耗Pcv(参照实施例38～40)。但是，因为与SiO2以及CaCO3的情况相同如果过度添加的话则磁芯损耗变差，所以最适合的添加量的范围为将SnO2控制在500～13000ppm。
产业上的利用可能性
如上所述，本发明所涉及的铁氧体磁芯通过减小在100℃附近的饱和磁致伸缩，从而能够充分地抑制驱动时的磁芯的音鸣声，并且能够提高饱和磁通密度。
Claims (5)
1.一种铁氧体磁芯，其特征在于，
是包含以下主成分的MnZn系铁氧体，所述主成分包含换算成Fe2O3为51.5～54.5mol％的氧化铁、换算成ZnO为6.5～12.5mol％的氧化锌、以及作为剩余部分的氧化锰，
相对于所述主成分，包含换算成Li2CO3为50～4000ppm的Li，包含换算成TiO2为100～8000ppm的Ti，包含换算成CoO为500～4000ppm的Co。
2.如权利要求1所述的铁氧体磁芯，其特征在于，
相对于所述主成分，包含换算成SiO2为50～300ppm的Si以及换算成CaCO3为200～3000ppm的Ca。
3.如权利要求1或2所述的铁氧体磁芯，其特征在于，
相对于所述主成分，进一步包含换算成Nb2O5为50～750ppm的Nb、换算成Ta2O5为50～1500ppm的Ta、换算成V2O5为50～1000ppm的V、以及换算成SnO2为500～13000ppm的Sn中的1种或者2种以上。
4.一种电子部件，其中，
使用权利要求1～3中任一项所述的铁氧体磁芯来构成。
5.一种电源装置，其中，
具备权利要求4所述的电子部件。
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