專利名稱：具有分布氣隙的扼流圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及本發(fā)明涉及一種供扼流圈使用的帶分布氣隙的非晶金屬磁芯，更具體地說涉及一種用于對非晶磁芯退火以在其中形成分布氣隙的方法。2．現(xiàn)有技術(shù)描述扼流圈是一種儲能電感。對于環(huán)形電感儲存的能量W=1/2[(B2AcIm)/(2μoμr)]，其中B是磁通密度，Ac是磁芯的有效導(dǎo)磁面積，Im是平均磁路長度，μo是自由空間的導(dǎo)磁率，μr是材料的相對導(dǎo)磁率。
通過在環(huán)形磁芯中形成小的氣隙，使在氣隙中的磁通保持與在鐵磁材料芯中相同。然而，由于空氣的導(dǎo)磁率(μ～1)明顯低于通常鐵磁材料的導(dǎo)磁率(μ～幾千)，在氣隙中的磁場強度(H)遠高于在磁芯的其余部分中的磁場強度(H=B/μ)。在磁場中單位體積存儲的能量是W=1/2(BH)，表明其主要集中在氣隙。換句話說，由于形成氣隙使磁芯的存儲能量的能力提高了。氣隙可以是分散或分布的。通過利用非磁性粘接劑將鐵磁粉末粘接在一起或通過使非晶合金部分晶化可以形成分布的氣隙。在第二種情況下，鐵磁結(jié)晶相是分開的或由非磁基質(zhì)所環(huán)繞。這種部分晶化機理可以結(jié)合本發(fā)明的扼流圈采用。
基于鐵基非晶磁芯退火原理形成扼流圈在GB2117979A和US P4812181中已經(jīng)作過描述。在US專利4812181中介紹了一種通過使鐵基非晶磁芯長時間地(長于10小時)在410℃以上的溫度下退火以實現(xiàn)平直磁化回路的方法。所公開的方法包含使非晶帶材的表面晶化的步驟，因此，在該帶材的非晶總體上施加了應(yīng)力。
在GB2117979A中，在對鐵基非晶磁芯進行熱處理的基礎(chǔ)上制成一種扼流圈。最大導(dǎo)磁率降低到原有數(shù)值的1/50到1/30之間(由于這種處理使最大導(dǎo)磁率40000變?yōu)榧s800到1300)，并且非晶磁芯呈現(xiàn)一定程度的晶化，就體積而言不超過10％。
對于筆記本計算機或其它小型器件的電源應(yīng)用場合，需要一種具有很低導(dǎo)磁率(100-300)、很低磁芯損耗、高飽和磁化強度的很小尺寸的扼流圈，其可維持高DC偏置磁場。
發(fā)明概述本發(fā)明提供外徑約8到45毫米的扼流圈，導(dǎo)磁率范圍為100到400，并具有低的磁芯損耗(在100千赫和0.1特斯拉下小于70瓦/公斤)。最好，在DC偏置下能維持磁化特性(在3980安/米或50奧斯特的DC偏置磁場下至少維持起始導(dǎo)磁率的40％)。
此外，本發(fā)明提供一種以可控方式對Fe基非晶合金熱處理的方法，以使非晶態(tài)帶材總體部分晶化并在磁芯中產(chǎn)生微氣隙。由于形成分布氣隙，實現(xiàn)了上述特性。
更具體地說，根據(jù)本發(fā)明確定一種在結(jié)晶度和導(dǎo)磁率數(shù)值之間的獨特的相關(guān)關(guān)系。為了達到范圍為100到400的導(dǎo)磁率，需要使非晶磁芯的總體晶化，其程度最好為磁芯體積的10-25％的量級。
此外，本發(fā)明要求一定的退火溫度和時間參數(shù)，以及這些參數(shù)的控制范圍，以便得到所需的扼流圈特性。
附圖簡述參照如下詳細介紹和附圖，會更充分地理解本發(fā)明，其它的優(yōu)點也會變得很明顯，其中

圖1是表示磁芯導(dǎo)磁率和退火溫度之間的關(guān)系的曲線圖；不同的曲線代表具有不同晶化溫度的材料；圖2是表示不同退火時間下，磁芯導(dǎo)磁率和退火溫度之間的關(guān)系曲線圖；圖3是表示為達到幾度范圍內(nèi)的溫度均勻性的磁芯退火用裝載結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖4是表示作為DC偏置磁場和頻率函數(shù)的磁芯中按瓦/公斤計的磁芯損耗的曲線圖；圖5是表示在各種DC偏置磁場條件下磁芯的導(dǎo)磁率的曲線圖；圖6是表示在退火后典型的斷面式掃描電子顯微鏡(SEM)圖；以及圖7是表示作為晶體度體積百分率函數(shù)的民磁率曲線。
優(yōu)選實施方案的描述圖1表示作為退火溫度函數(shù)的經(jīng)退火的Fe基磁芯的導(dǎo)磁率。該導(dǎo)磁率是利用電感電橋在10千赫頻率8匝耦合器和100毫伏交流勵磁條件下測量的。退火時間保持不變?yōu)?小時。所有的磁芯在惰性氣氛下進行退火。不同的曲線表示化學成分稍有變化因而晶化溫度也有微小變化的鐵基合金。晶化溫度是利用差分掃描式量熱器(DSC)測量的。對于恒定的退火時間可觀察到隨退火溫度增加而使導(dǎo)磁率降低。對于指定的退火溫度，從按晶化溫度標度的各導(dǎo)磁率看，具有最高晶化溫度的合金的導(dǎo)磁率最高。
圖2表示作為退火溫度函數(shù)的具有相同化學成分的經(jīng)退火的鐵基磁芯的導(dǎo)磁率。不同的曲線代表不同的退火時間。該曲線表明，對于高于450℃的溫度，退火溫度的影響超過退火時間的影響。
在圖1和2所示信息的基礎(chǔ)上，可選定Fe-B-Si基非晶合金合適的熱處理溫度和時間的組合參數(shù)。倘若已知結(jié)晶溫度(Tx)和/或合金的化學成分，就可以進行這種選擇。例如，對于Tx=507℃的Fe80B11Si9，為了達到范圍為100到400的導(dǎo)磁率，退火溫度范圍在420到425℃，退火時間為6小時是合適的。
再來參閱圖1，當溫度變化維持小于1或2℃時，對于指定的導(dǎo)磁率數(shù)值可實現(xiàn)良好的重現(xiàn)性和均勻性。對退火工藝已開發(fā)研究了各種專用裝載結(jié)構(gòu)，使得能在加熱爐中產(chǎn)生良好的均勻性和重現(xiàn)性。對于一種箱式惰性氣體加熱爐，按照圖3所示疊放各Al線網(wǎng)板(2)，并將該裝置置于加熱爐的中心。該Al板是在退火過程中安放磁芯(1)的底板。
在圖4和5中表示了關(guān)于扼流圈的典型磁化特性數(shù)據(jù)例如磁芯損耗以及DC偏置參數(shù)。磁芯損耗數(shù)據(jù)是按照DC偏置磁場的函數(shù)繪制的，不同的曲線代表不同的測量頻率。所示數(shù)據(jù)是針對外徑為25毫米的磁芯。扼流圈性能的一個重要參數(shù)是當利用DC偏置磁場激勵磁芯時維持的起始導(dǎo)磁率的百分值。圖5表示對于外徑35毫米的磁芯的典型的DC偏置曲線。
利用斷面式掃描電子顯微鏡(SEM)和x射線衍射(XRD)對經(jīng)退火的磁芯的晶化分布和百分率進行測定。圖6表示典型的斷面式SEM，顯示出合金總體和表面的晶化。這易于與在美國專利4812181中所描述的僅表面結(jié)晶的方法相區(qū)別。
利用SEM和XRD兩者的數(shù)據(jù)曾測定結(jié)晶的體積百分率，并且在圖7中作為導(dǎo)磁率的函數(shù)將其繪出。對于范圍在100到400的導(dǎo)磁率，需要5-30％的體積結(jié)晶度。
上面已對本發(fā)明進行了相當全面詳細的描述，應(yīng)理解，這些細節(jié)并不需要嚴格遵守，本領(lǐng)域技術(shù)人員可作進一步變更和改進，只要與權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍相一致。
權(quán)利要求
1．一種扼流圈，包含具有分布氣隙的磁芯，所述磁芯基本上由部分晶化的鐵基非晶金屬合金構(gòu)成。
2．如權(quán)利要求1所述的扼流圈，該扼流圈在10千赫下的導(dǎo)磁率約為100-400，在3980安/米(50奧斯特)的DC偏置磁場下維持40％的起始導(dǎo)磁率，在100千赫和0.1特斯拉的偏置磁場下的磁芯損耗小于70瓦/公斤，以及高的飽和磁通密度。
3．一種用于制造具有由非晶金屬合金構(gòu)成的磁芯的扼流圈的方法，該方法包含在保護氣氛下，在一定溫度和時間參數(shù)下對扼流圈進行退火的步驟，該參數(shù)取決于非晶金屬合金的晶化溫度和化學成分，對特定的鐵基合金，其所述時間和溫度參數(shù)是按照圖1和2中的數(shù)據(jù)選定。
4．一種如權(quán)利要求3所述的制造扼流圈的方法，其中所述非晶金屬合金是Fe80B11Si9，所述退火溫度為425℃，所述退火時間約為6-8小時。
5．如權(quán)利要求3所述的制造扼流圈的方法，其中所述非晶金屬合金是Fe80B12Si8，所述退火溫度為455℃，所述退火時間約為4小時。
6．如權(quán)利要求3所述的制造扼流圈的方法，其中所述退火步驟是在無磁場的條件下進行的。
7．如權(quán)利要求3所述的制造扼流圈的方法，其中在所述退火步驟中的溫度變化控制在約2-5℃，由此退火后的該扼流圈具有基本恒定的導(dǎo)磁率。
8．如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述退火步驟是在箱型對流加熱爐中進行的，所述磁芯按圖3中所示方式布置在所述加熱爐內(nèi)，借此將所述溫度的變化控制在約2-5℃。
9．一種按照權(quán)利要求3所述的方法制造的扼流圈，所述扼流圈在退火時部分晶化，使基本上所有非晶金屬中約有10-25％結(jié)晶體。
10．一種按照權(quán)利要求3所述的方法制造的扼流圈，其中所述的部分結(jié)晶化使得在其中形成αFe和Fe2B結(jié)晶。
11．如權(quán)利要求6所述的扼流圈，其中所述磁芯涂敷有薄的高溫樹脂層，使所述磁芯電絕緣并維持磁芯的整體性。
全文摘要
一種具有帶分布氣隙的磁芯的扼流圈。該磁芯由鐵基的快速固化的金屬構(gòu)成。通過退火處理使非晶金屬部分晶化以形成該分布氣隙構(gòu)造。由于退火處理,磁芯具有導(dǎo)磁率為100—400,低的磁芯損耗(即在100千赫和0.1特斯拉下小于70瓦/公斤),以及優(yōu)異的DC偏置性能(即在3980安/米的DC偏置磁場或50奧斯特下維持起始導(dǎo)磁率的至少40%)。
文檔編號H01F1/153GK1208497SQ97191661
公開日1999年2月17日 申請日期1997年1月8日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月11日
發(fā)明者A·科林斯, J·斯爾蓋利斯, J·阿鮑－埃利爾斯, R·J·馬蒂斯, R·哈瑟加瓦 申請人:聯(lián)合訊號公司