CN103000326A - 镍锌铁氧体磁屏蔽电感器产品及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种镍锌铁氧体磁屏蔽电感器产品及其制造方法，制作该磁屏蔽电感器的物质原料的主成分为氧化铁、氧化镍、氧化锌和氧化铜，辅助成分为三氧化二铋、三氧化钼或五氧化二钒。其制造方法是将上述各物料混合后烧结制成粉料，将粉料压制成棒状磁芯和方形帽状磁芯毛坯，将方形帽状磁芯毛坯放入空气窑炉内烧结，在棒状磁芯上安装螺线管线圈后装在烧结后的方形帽状磁芯内，制得磁屏蔽电感器。本发明通过采用特殊的电感器结构和组装方法，使电感器实现对外界电磁场屏蔽的作用，可提高电感器抗干扰的能力；采用高饱和磁通密度的镍锌铁氧体材料，可提高电感器耐直流叠加的能力，从而满足电感器小型化、薄型化、高频化和高性能等的要求。
Description
技术领域
本发明属于磁性材料产品技术领域，涉及一种采用镍锌铁氧体材料制得的磁屏蔽电感器产品以及该电感器的制造方法。
背景技术
随着CPU、FPGA以及不同种类的片式ASIC(专用集成电路)技术产品的发展，低电压大电流正成为DC-DC电源的发展趋势。目前，用3.3V代替5V已成为最普遍的直流供电电压，而供电电压采用2.5V、1.8V、1.5V、1.2V甚至低于1V，电流达到40A、60A、80A、100A、160A甚至更高的DC-DC电源也正逐渐成为市场产品的主流。作为获得这样大电流的电路技术，现在已普遍采用几个DC-DC变换器组成多相型电源电路，而不仅只用一个DC-DC变换器电源电路。多相型电源电路一般根据整机的不同而有一定差异(例如：笔记本电脑是将DC-DC变换器分成2～4个)，这也就需要一定数量的功率电感器，并使其应用数量进一步增加。与过去产品相比较，对应节省空间和高密度组装技术要求，本领域迄今迫切需要功率电感器进一步实现小型化、薄型化，以满足整机厂对电感元件新的需求，为此近年来各电感器元件厂商也正加大力度以研发出符合上述要求之电感——超薄式一体成型电感。
目前，作为在DC-DC变换器中的功率电感器大多为工字结构的电感器，其制作材料几乎全部采用软磁铁氧体材料。一般来说，软磁铁氧体材料主要有锰锌铁氧体材料和镍锌铁氧体材料，其中锰锌铁氧体相对于镍锌铁氧体要具有较高的饱和磁通密度Bs、较高的起始磁导率μi和较低的损耗。但是，因为锰锌材料晶粒结构致密，电阻率较低(一般在102Ωm数量级)，在电子设备日益小型化、高频化的趋势下，电感元件的磁芯很容易与接近其的铜芯线发生高压击穿，为此在磁芯与线圈端子、引出线之间就必须要保持相当大的绝缘距离或采取严密的绝缘措施，才能确保必要的绝缘耐压，但这样势必又导致电感器体积增大。反之，镍锌材料属于多孔细晶粒结构，其电阻率高(一般在107Ωm数量级)，应用频段也较锰锌材料的高，因而它成为制作电感器的较好的材料。
现有技术中，按照当今电感器小型化、高频化的使用要求，本领域曾经提出过多种改进技术的方案。例如，在申请号为01802430.0的中国专利申请文件曾公开了一种NiCuZn铁氧体材料，该材料的主成份包括氧化铁、氧化锰、氧化锌、氧化镍等，并且相对于主成份添加了辅助成分氧化铋、氧化硅、氧化镁和氧化钴，其中添加的氧化铋按Bi2O3换算在0.5～6.0wt％，氧化硅按SiO2换算在0.1～2.0wt％，氧化镁按MgO换算在0.05～1.0wt％，氧化钴CoO换算在0.02～1.0wt％，但是上述材料磁导率为μi≥200，材料中Bi2O3添加量过多，并且添加有贵重金属氧化物CoO，以致造成机械强度的降低，影响电感器的可靠性和制作材料成本的上升。另外，在专利申请文件中也未提出材料的饱和磁通密度和直流叠加特性的改进方法。
申请号为200410051436.X的中国专利申请文件曾公开了一种镍锌软磁铁氧体材料制造方法，该镍锌软磁铁氧体材料包括主成份、第一辅助成份和第二辅助成份，其中的主成份是Fe2O3、NiO、CuO和ZnO，第一辅助成份是Co2O3，第二辅助成份是Bi2O3和/或MnO2。但是该材料在实际应用中仍存在有温度特性不佳、饱和磁通密度不高等问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种具有高的饱和磁通密度和低的剩余磁通密度以及具有高的磁导率和良好的温度特性的镍锌铁氧体磁屏蔽电感器，用以克服现有技术存在的不足，满足电感器小型化、薄型化、高频化的要求，提高电感器的抗干扰性能和工作可靠性。
本发明的另一个目的是提供一种用于制备上述镍锌铁氧体磁屏蔽电感器的制造方法。
本发明产品的实施方案是这样的：所提供的磁屏蔽电感器的制作材料采用镍锌铁氧体材料，该镍锌铁氧体材料包括重量单位为100的主成分和同一重量单位不超过0.8的辅助成分，所述的主成分由下述摩尔百分比的物质原料组成：氧化铁(Fe2O3)46.0～50.0，氧化镍(NiO)19.0～22.0，氧化锌(ZnO)20.0～23.0，剩余为氧化铜(CuO)；所述的辅助成分的物质原料为三氧化二铋(Bi2O3)或三氧化钼(MoO3)或五氧化二钒(V2O5)。
相对与主成分，辅助成分所选用各物质原料的重量单位为：三氧化二铋(Bi2O3)0～0.5，三氧化钼(MoO3)0～0.6，五氧化二钒(V2O5)0～0.8；其优选方案为：三氧化二铋0～0.3，三氧化钼0～0.4，五氧化二钒0～0.5。
采用本发明所述镍锌铁氧体磁屏蔽电感器的优点是：通过采用特殊的电感器结构和组装方法，使电感器实现对外界电磁场屏蔽的作用，可提高电感器抗干扰的能力；采用高饱和磁通密度的镍锌铁氧体材料(饱和磁通密度≥410mT)，可提高电感器耐直流叠加的能力，减小电感器的尺寸，从而满足电感器小型化、薄型化、高频化和高性能等的要求。
用于制造上述镍锌铁氧体磁屏蔽电感器的方法包括下述的工艺步骤：
1)采用镍锌铁氧体材料；
2)将组成镍锌铁氧体材料的各物质原料混合后，采用烧结法将其制备成粉料；
3)将经步骤2)后的粉料压制成棒状磁芯和方形帽状磁芯毛坯，具体实施中可利用全自动旋转压机将粉料压制成棒状磁芯和方形帽状磁芯毛坯；
4)经步骤3)后得到的方形帽状磁芯毛坯放入空气窑炉中并加热到1120℃～1200℃，烧结2～3小时，优选的烧结温度为1150℃～1190℃；
5)用弹簧机绕制螺线管线圈；
6)将螺线管线圈安装在经步骤3)后得到的棒状磁芯上，并用粘合剂粘接；
7)将步骤6)后得到的附有线圈的棒状磁芯装在烧结后的方形帽状磁芯内，并用粘合剂粘接，制得磁屏蔽电感器产品。
附图说明
图1是本发明所述磁屏蔽电感器的结构示意图。图中标号1为螺线管线圈，2为方形帽状磁芯，3为棒状磁芯，4为粘合剂。
图2是该磁屏蔽电感器的电感量随直流叠加电流变化的曲线图。
图3是该磁屏蔽电感器的温升随直流叠加电流变化的曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。
如前所述，软磁铁氧体材料包括锰锌系材料和镍锌系材料，本发明电感器所用的铁氧体材料是镍锌系的铁氧体材料。构成该材料实质的主成分物质包括氧化铁、氧化镍、氧化锌和氧化铜，以摩尔百分数计，所含有的氧化铁按Fe2O3换算在46.0～50.0摩尔％，氧化镍按NiO换算在19.0～22摩尔％，氧化锌按ZnO换算在20.0～23.0摩尔％，剩余的摩尔百分数为氧化铜(CuO)。本发明的辅助成分物质选自三氧化二铋(Bi2O3)、三氧化钼(MoO3)、五氧化二钒(V2O5)中的任何一种。相对于本发明的主成份，辅助成份各物料的重量百分比含量为：Bi2O30～0.5wt％、MoO3 0～0.6wt％、V2O5 0～0.8wt％，优选方案为Bi2O30～0.3wt％、MoO3 0～0.4wt％、V2O5 0～0.5wt％。辅助成份的总量相对于主成份不能超过0.8wt％。
在本发明材料的组成范围中，如果Fe2O3的摩尔百分数不足46％，则就会产生起始磁导率偏低的不适宜情况，而若当Fe2O3超过50.0摩尔％时，则又会发生品质因素Q降低的不适宜情况；如果ZnO的摩尔百分数不足20.0％时，会发生起始磁导率偏低的不适宜情况，而如果ZnO超过22摩尔％时，则又会发生居里温度偏低的不适宜情况；另外，如在材料内不添加Bi2O3，将会出现烧结密度偏低、饱和磁通密度下降的不适宜情况，而如果Bi2O3超过主成分0.5wt％时，则又会出现晶粒过粗、强度下降的不适宜情况。
本发明制造方法的基本工艺步骤如下所述：首先，将主成分原料在本发明的规定范围内按规定称量，并在振动磨机中振动15分钟；之后在箱式炉中对混合好的材料进行预烧，预烧温度保持在750℃～900℃，预烧时间在2.5～3小时为宜；然后再将得到的预烧材料通过球磨机等粉碎，在粉碎过程时添加本发明的辅助成分原料；粉碎后烘干添加适量的聚乙烯醇制成粉料，再通过全自动旋转压机将粉料压制成型为规定形状的棒状磁芯和方形帽状磁芯毛坯，将成型好的毛坯在箱式炉中烧结，烧结温度为1120℃～1200℃，烧结时间为2～3小时；最后再依次通过绕制螺线管线圈、在棒状磁芯上安装螺线管线圈和将棒状磁芯装于方形帽状磁芯内的工序制得磁屏蔽电感器产品。
实施例一
将作为本发明主成分的Fe2O3、NiO、ZnO、CuO按照下表定出的比例配好，
| 材料名称 | Fe2O3 | NiO | ZnO | CuO |
| 摩尔％ | 48.5 | 21.5 | 22 | 8 |
| 重量％ | 65.76 | 13.64 | 15.20 | 5.41 |
将配好的主成分原料用振动球磨机振动混合15分钟，再将它们的混合物在空气中预烧3小时后，预烧温度为800℃～850℃，预烧时间为2.5～3小时；将经预烧后的物料用球磨机混合粉碎(12小时)，粉碎过程中，料与水的比例按重量计算为1∶2；粉碎完成后进行烘干，烘干时加入浓度为10％的聚乙烯醇溶液，加入比例按聚乙烯醇溶液计算为全部材料重量的11％；加入聚乙烯醇后制成粉料，并利用全自动旋转压机在2t/cm2的压力下将粉料压制成型为规定形状的棒状磁芯和方形帽状磁芯毛坯，将成型好的毛坯在空气中于1160℃的烧结温度下烧结3小时，再依次通过绕制螺线管线圈、在棒状磁芯上安装螺线管线圈和将棒状磁芯装于方形帽状磁芯内的工序，最后得到由镍锌铁氧体材料制造的磁屏蔽电感器产品。
实施例二
用本发明所得到的镍锌铁氧体材料在2t/cm2压力下分别成型帽状磁芯和棒状磁芯毛坯，这两种磁芯毛坯的形状见附图1，将得到的毛坯在空气中于1160℃下烧结3小时，得到棒状磁芯3和帽状磁芯2。
如附图1所示，用绕线机将Φ0.8mm的漆包线绕成内径为3mm的空心线圈1，绕制匝数为5匝，将线圈1用粘合剂4固定在棒状磁芯3上，保证线圈的位置居于棒状磁芯的中心；用粘合剂将附有线圈1的棒状磁芯3固定在帽状磁芯2内，得到磁屏蔽电感器。
对得到的磁屏蔽电感器测试电感量L0、直流电阻RDC、叠加电流、温升电流。测试结果见下表
| 项目 | L0(μH) | RDC(mΩ) | Isat(A) | IDC(A) |
| 样品1 | 6.46 | 21.45 | 6.2 | 5.5 |
| 样品2 | 6.51 | 21.51 | 6.3 | 5.3 |
| 样品3 | 6.40 | 21.30 | 5.8 | 5.2 |
| 样品4 | 6.31 | 21.25 | 5.9 | 5.3 |
| 样品5 | 6.35 | 21.16 | 6.0 | 5.4 |
表中的Isat是在电感器加载有直流电流的情况下电感值下降到80％L0时的直流电流，IDC是在电感器加载有直流电流的情况下温升为40℃的直流电流。
附图2和附图3分别为该磁屏蔽电感器的电感量随直流叠加电流变化的曲线图和该磁屏蔽电感器的温升随直流叠加电流变化的曲线图。如附图2所示，电感器加载有直流电流的情况下电感值下降到80％L0时，直流电流为5A；又如附图3所示，电感器加载有直流电流的情况下温升为40℃时，直流电流为5.3A。因此，该磁屏蔽电感器可以工作在直流叠加电流为5A的情况下。
Claims (6)
1.一种镍锌铁氧体磁屏蔽电感器，其特征在于电感器的制作材料采用镍锌铁氧体材料，该镍锌铁氧体材料包括重量单位为100的主成分和同一重量单位不超过0.8的辅助成分，所述的主成分由下述摩尔百分比的物质原料组成：氧化铁46.0～50.0，氧化镍19.0～22.0，氧化锌20.0～23.0，剩余为氧化铜；所述的辅助成分的物质原料为三氧化二铋或三氧化钼或五氧化二钒。
2.根据权利要求1所述的镍锌铁氧体磁屏蔽电感器，其特征在于相对于主成分，辅助成分所选用物质原料的重量单位为：三氧化二铋0～0.5，三氧化钼0～0.6，五氧化二钒0～0.8。
3.根据权利要求1所述的镍锌铁氧体磁屏蔽电感器，其特征在于相对于主成分，辅助成分所选用物质原料的重量单位为：三氧化二铋0～0.3，三氧化钼0～0.4，五氧化二钒0～0.5。
4.一种用于制造权利要求1所述镍锌铁氧体磁屏蔽电感器的方法，其特征在于包括下述的工艺步骤：
4.1采用镍锌铁氧体材料；
4.2将组成镍锌铁氧体材料的各物质原料混合后，采用烧结法将其制备成粉料；
4.3将经步骤4.2后的粉料压制成棒状磁芯和方形帽状磁芯毛坯；
4.4经步骤4.3后得到的方形帽状磁芯毛坯放入空气窑炉中加热到1120℃～1200℃烧结2～3小时；
4.5用弹簧机绕制螺线管线圈；
4.6将螺线管线圈安装在经步骤4.3后得到的棒状磁芯上，并用粘合剂粘接；
4.7将步骤4.6后得到的附有线圈的棒状磁芯装在烧结后的方形帽状磁芯内，并用粘合剂粘接，制得磁屏蔽电感器产品。
5.根据权利要求4所述的制备镍锌铁氧体磁屏蔽电感器的方法，其特征在于将经步骤4.2后的粉料用全自动旋转压机压制成棒状磁芯和方形帽状磁芯毛坯。
6.根据权利要求4所述的制备镍锌铁氧体磁屏蔽电感器的方法，其特征在于将放入空气窑炉中的方形帽状磁芯毛坯加热到1150℃～1190℃，烧结2～3小时。
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- 2011-09-09 CN CN2011102684399A patent/CN103000326A/zh active Pending
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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