專利名稱：脈沖變壓器磁芯的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有優(yōu)越的阻抗頻率特性和優(yōu)越的脈沖傳遞特性的脈沖變壓器磁芯。
近來，電子設(shè)備領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)是力求達(dá)到微型化、薄型化和高性能。具體地說，用于ISDN(集成服務(wù)數(shù)字網(wǎng)絡(luò))等的界面的脈沖變壓器必需滿足由一些嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)(例如ITU-T建議I.430等)所規(guī)定的電氣特性。根據(jù)這樣一種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣特性，脈沖變壓器的初級(jí)繞組所要求的阻抗，在10千赫(kHz)時(shí)至少應(yīng)為1,250歐(Ω)，而在100千赫(kHz)時(shí)至少應(yīng)為2,500歐(Ω)。這些阻抗分別相應(yīng)于電感為20毫亨(mH)和40毫亨(mH)。輸出脈沖電壓波形必需在上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的脈沖屏蔽(pulse mask)范圍內(nèi)。另外，希望初級(jí)繞組的電感特性最好盡可能平坦。
為了組裝PC卡等，非常需要脈沖變壓器的微型化。例如，當(dāng)將一個(gè)脈沖變壓器封裝在一個(gè)PCMCIA卡(一種筆記本個(gè)人電腦的界面標(biāo)準(zhǔn)卡)的內(nèi)部板上時(shí)，由于該卡本身的厚度大約為5毫米(mm)，因此，脈沖變壓器的高度必需不大于3毫米(mm)。在這種情況下，一般封裝的面積必需為14.0毫米(mm)×14.0毫米(mm)或更小。
目前，在這種情況下，主要使用高導(dǎo)磁率的鐵氧體作為ISDN的脈沖變壓器的磁芯材料。脈沖變壓器具有EI-或EE-形狀的磁芯，磁芯的對(duì)接表面經(jīng)過鏡面拋光。EI-形磁芯是將E-形的磁芯材料和I-形的磁芯材料通過對(duì)接成一整體而制成的，而導(dǎo)線則纏繞在E-形磁芯材料上，從而構(gòu)成一個(gè)變壓器。EE-形磁芯是將二個(gè)E-形的磁芯彼此對(duì)接成一整體而制成的。
雖然，用于ISDN的脈沖變壓器的磁芯的高導(dǎo)磁率鐵氧體的初始導(dǎo)磁率的公認(rèn)值為10,000至12,000，但是，鐵氧體的初始導(dǎo)磁率隨溫度變化而劇烈變化。在-20℃時(shí)，鐵氧體的初始導(dǎo)磁率的值比其公認(rèn)值大約低40％。因此，當(dāng)必需保證該脈沖變壓器在-40℃至100℃的溫度范圍內(nèi)工作時(shí)，在設(shè)計(jì)使用鐵氧體磁芯的變壓器時(shí)，必需考慮比公認(rèn)值大大降低的初始導(dǎo)磁率值。
為了使脈沖變壓器達(dá)到ISDN所要求的電感，磁芯的有效橫截面積或線圈的匝數(shù)必需增加。然而，在通常結(jié)構(gòu)的脈沖變壓器中，由于線圈匝數(shù)的增加，纏繞線圈中具有不同電壓的部分(例如繞組的起點(diǎn)和終點(diǎn))不可避免地相互接近，因此導(dǎo)致漏電感和寄生電容增加。這樣，變壓器的可傳遞頻率區(qū)域變窄，并且波形傳遞的保真度降低。另一方面，磁芯有效橫截面積的增加與脈沖變壓器本身的微型化是不相容的。因此，很難生產(chǎn)出帶有高度為3毫米(mm)或更小，并且具有優(yōu)越的傳遞特性的鐵氧體磁芯的脈沖變壓器，而該優(yōu)越的傳遞特性在上述的脈沖變壓器封裝面積的限制范圍內(nèi)，卻要符合ISDN的要求。
某些脈沖變壓器通過使用薄的鐵氧體磁芯和將線圈匝數(shù)增加至100或更多，可以在極小程度上滿足所要求的特性。然而，當(dāng)線圈匝數(shù)減小至小于100時(shí)，這種脈沖變壓器就不能滿足所要求的特性了。
本發(fā)明的一個(gè)目的是要提供一種高度為3毫米(mm)或更小，并且線圈匝數(shù)較少的脈沖變壓器，該變壓器在大的溫度變化范圍內(nèi)具有優(yōu)越的頻率-阻抗特性和優(yōu)越的傳遞特性。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是要提供一種磁芯橫截面積增加，而其應(yīng)力被樹脂涂層抑制的脈沖變壓器。
根據(jù)本發(fā)明的脈沖變壓器磁芯包括一個(gè)由厚度為25微米(μm)或更小的軟磁合金帶制成的磁芯主體。當(dāng)輸入0.1伏(v)電壓時(shí)，在10千赫(kHz)下，該磁芯主體的AL值為4.0微亨/牛頓2(μH/N2)或更大。
該磁芯主體可以包括多個(gè)疊層圓環(huán)。這些疊層圓環(huán)由軟磁合金帶制成，其外徑為10毫米(mm)或更小，其厚度為1.2毫米(mm)或更小。
該磁芯主體可以包括一個(gè)E-形磁芯和一個(gè)I-形磁芯，一個(gè)U-形磁芯和一個(gè)I-形磁芯及二個(gè)U-形磁芯的任何一種組合方式，其中，該E-形磁芯，該I-形磁芯和該U-形磁芯分別為由軟磁合金帶制成的E-形薄片，I-形薄片和U-形薄片堆積構(gòu)成，而該磁芯主體的厚度為1.2毫米(mm)或更小。
該磁芯主體可以包括一個(gè)螺旋管形圓環(huán)，它是通過將寬度為1.2毫米(mm)或更小的軟磁合金帶繞成盤形而構(gòu)成的，該環(huán)形磁芯主體的外徑為10毫米(mm)或更小。
該螺旋管形圓環(huán)最好封裝在由樹脂制成的蓋內(nèi)，其封裝率為50％或更多。
該軟磁合金帶的磁致伸縮的絕對(duì)值最好為1×10-6或更小。
在-40℃至100℃的溫度范圍內(nèi)，該脈沖變壓器磁芯的AL值對(duì)室溫下的AL值的偏離量可以在±20％以內(nèi)。
該磁芯主體最好用硅酮橡膠浸漬。該硅酮橡膠固化前的粘度為1帕·秒(Pa·S)或更小，通過固化作用，硅酮橡膠可以被膠凝起來。
該磁芯主體還最好用固化前粘度為1.5帕·秒(Pa·S)或更小，而JISA硬度為10或更小的硅酮橡膠浸漬。該硅酮橡膠起到將該磁芯主體固定在磁芯殼體上的粘接劑的作用。
將磁芯主體固定在磁芯殼體上的粘接劑最好為固化前粘度為2帕·秒(Pa·S)或更小，而固化后的JISA硬度為25或更小的硅酮橡膠。
該粘接劑最好涂在該磁芯殼體底面上的二個(gè)至四個(gè)部分上。
該軟磁合金的特點(diǎn)是，50％或更多的軟磁合金基本上由許多體心立方細(xì)晶粒構(gòu)成，晶粒的平均尺寸為30納米(nm)或更小。該軟磁合金包括鐵(Fe)作為主要成份，另外，至少有一個(gè)元素是從由Ti(鈦)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、釩(V)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鎢(W)和硼(B)組成的元素組中選出的。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面的脈沖變壓器的磁芯包括一個(gè)由繞成圓環(huán)形的軟磁合金帶構(gòu)成的磁芯主體和一個(gè)具有固定該磁芯主體的開口的磁芯殼體。
該磁芯殼體的內(nèi)壁和外壁的兩端最好具有0.05毫米(mm)至0.4毫米(mm)的曲率半徑。
該磁芯主體最好以50％或更大的封裝率(packing rate)封裝在該磁芯殼體中。
該磁芯殼體的外徑可為10毫米(mm)或更小，內(nèi)徑為3.5毫米(mm)或更大，高度為1.3毫米(mm)或更小。而當(dāng)在輸入0.1伏(V)電壓時(shí)，其在10千赫(kHz)下的AL值為6.0微亨/牛頓2(μH/N2)或更大。


圖1為一個(gè)變壓器的裝配圖，該變壓器具有根據(jù)本發(fā)明的、包括多個(gè)由軟磁合金帶沖壓而成的疊層圓環(huán)的磁芯；圖2為一個(gè)變壓器的裝配圖，該變壓器具有根據(jù)本發(fā)明的、由軟磁合金帶卷繞形成的磁芯；圖3為根據(jù)本發(fā)明的脈沖變壓器的磁芯的裝配圖；圖4為沿著圖3所示的磁芯容器的A-A線所取的橫截面圖；圖5為當(dāng)具有Fe86Nb3.25Zr3.25B6.5Cu1成份的軟磁合金圓環(huán)封裝在殼體中時(shí)，封裝率和阻抗之間的相關(guān)關(guān)系的圖形；圖6為表示當(dāng)具有Fe86Nb3.25Zr3.25B6.5Cu1成份的軟磁合金圓環(huán)封裝在殼體中時(shí)，導(dǎo)磁率和阻抗之間的相關(guān)關(guān)系的圖形；
圖7為表示在10千赫(kHz)和100千赫(kHz)下，AL值相對(duì)于軟磁合金圓環(huán)厚度的變化圖形；圖8為表示當(dāng)分別具有Fe86Nb3.25Zr3.25B6.5Cu1，F(xiàn)e84Nb3.5Zr3.5B8Cu1和Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1成份的每一個(gè)軟磁合金圓環(huán)封裝在殼體中時(shí)，封裝率和阻抗之間的相關(guān)關(guān)系圖形；圖9為表示圖8中所述的每一個(gè)樣品的導(dǎo)磁率與封裝率之間的相關(guān)關(guān)系圖形；圖10為表示圖8所述的每一個(gè)樣品的AL值與封裝率之間的相關(guān)關(guān)系圖形；圖11為表示圖8中所述的每一個(gè)樣品和鐵氧體材料的導(dǎo)磁率變化和溫度之間的相關(guān)關(guān)系圖形；圖12為表示根據(jù)本發(fā)明的樣品和比較樣品的AL值隨溫度變化的圖形；圖13為合金帶生產(chǎn)裝置的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖14包括根據(jù)本發(fā)明的樣品和比較樣品的DSC溫譜圖；圖15為表示導(dǎo)磁率與保持時(shí)間之間的相關(guān)關(guān)系圖形；圖16為表示矯磁力與保持時(shí)間之間和飽和磁致伸縮與保持時(shí)間之間的相關(guān)關(guān)系圖形；圖17為表示晶粒尺寸與保持時(shí)間之間的相關(guān)關(guān)系圖形；圖18為表示導(dǎo)磁率與保持溫度之間的相關(guān)關(guān)系圖形；圖19為表示導(dǎo)磁率與保持時(shí)間之間的相關(guān)關(guān)系圖形；現(xiàn)在參照實(shí)施例和附圖來說明本發(fā)明。
例如，根據(jù)本發(fā)明的脈沖變壓器的磁芯形狀為圓環(huán)形。脈沖變壓器的這種圓環(huán)形磁芯是通過對(duì)具有下面所述成份的軟磁合金帶進(jìn)行淬火處理，把該合金帶沖壓作成圓環(huán)，然后將預(yù)先決定數(shù)量的圓環(huán)堆積構(gòu)成，或是通過將該軟磁合金帶卷繞成圓環(huán)形狀而構(gòu)成的。形成的磁芯涂以一層，例如，環(huán)氧樹脂或封裝在一個(gè)樹脂制的殼體中，以便絕緣，然后再纏繞導(dǎo)線，得到脈沖變壓器的磁芯。
EI-形磁芯是如下這樣制造的通過沖壓，以上述的軟磁合金帶加工出許多E-形的薄片和I-形的薄片，然后分別將各個(gè)E-形薄片和I-形薄片堆疊起來構(gòu)成E-形磁芯和I-形磁芯，再將E-形磁芯和I-形磁芯對(duì)接。另一種方法是，在利用樹脂涂層或封裝在樹脂制殼體中，對(duì)給定的各個(gè)E-形磁芯和I-形磁芯部分進(jìn)行絕緣和完成繞制導(dǎo)線之后，將該E-形磁芯和I-形磁芯的側(cè)面對(duì)接。磁芯的組合不僅僅限于E-形磁芯和I-形磁芯。例如，諸如二個(gè)E-形磁芯，一個(gè)U-形磁芯和一個(gè)I-形磁芯及二個(gè)U-形磁芯一類的任何一種組合方式都可用作該脈沖變壓器的磁芯。
圖1和2表示圓環(huán)形變壓器的實(shí)施例。在圖1中，該圓環(huán)形變換器包括一個(gè)圓形的上殼體1，一個(gè)圓形的下殼體2和一個(gè)由許多軟磁合金帶制的圓環(huán)構(gòu)成的磁芯主體3。這些合金帶圓環(huán)堆疊在上殼體1和下殼體2中。在圖2中，該圓環(huán)形變壓器包括一個(gè)圓形的上殼體1，一個(gè)圓形的下殼體2和由軟磁合金帶5制成的磁芯主體3。該合金帶5在該上殼體1和下殼體2內(nèi)繞成圓盤形，并用樹脂涂覆。該上殼體和下殼體并不是總是要用的，這樣，該磁芯只是涂一層樹脂涂層。
圖3表示該脈沖變壓器的磁芯的另一個(gè)實(shí)施例，而圖4為沿圖3的磁芯殼體7的A-A線所取的橫截面圖。這個(gè)脈沖變壓器的形狀為圓環(huán)形，并包括一個(gè)帶有中心空洞的圓形殼體7和一個(gè)磁芯主體3。而磁芯主體3是通過將放置在該圓形殼體7中的軟磁合金帶5卷繞成圓環(huán)形而構(gòu)成的。該磁芯殼體7的頂部有一個(gè)開口7a，它不用蓋等蓋住。這種沒有蓋的磁芯殼體7的容積相對(duì)于整個(gè)脈沖變壓器磁芯的尺寸而言較大。因此，這種脈沖變壓器與圖1所示的，包括上殼體1和下殼體2的脈沖變壓器比較，由于增大了磁芯主體3的橫截面積，使電感得到改善，而整個(gè)脈沖變壓器的尺寸不需改變。另一種辦法是，當(dāng)使用橫截面積與圖1所示的磁芯主體的橫截面積相同的磁芯主體3時(shí)，該脈沖變壓器磁芯可以微型化。
該磁芯殼體7沒有內(nèi)壁和外壁。內(nèi)壁的頂端7b和底端7c與外壁的頂端7d和底端7e具有0.05毫米(mm)至0.4毫米(mm)的曲率半徑。當(dāng)曲率半徑小于0.05毫米(mm)時(shí)，則纏繞線圈9的涂層可能會(huì)被損壞，或者當(dāng)圍繞磁芯殼體7卷繞線圈9時(shí)，頂端和底端7b，7c，7d和7e可能會(huì)切割該線圈。另一方面，曲率半徑超過0.4毫米(mm)會(huì)使該磁芯殼體7的厚度增加。結(jié)果，該磁芯主體3的橫截面積和AL值減小。
該磁芯殼體7最好由合成樹脂，例如聚醛樹脂或聚乙烯對(duì)酞酸鹽樹脂制成。
為了將磁芯主體3固定在磁芯殼體7上，在該磁芯殼體7的底部7f的二個(gè)位置上涂上粘接劑4。為了牢固地固定磁芯主體3，必需至少在底部7f的二個(gè)位置處涂以粘接劑4，而過量的粘接劑又會(huì)使AL值降低。因此，最好在2至4個(gè)位置上涂以粘接劑4。優(yōu)選的粘接劑例子是固化前粘度為2帕·秒(Pa·S)或更小，而固化后JISA硬度為25或更小的硅酮橡膠。當(dāng)固化前粘接劑4的粘度高于這個(gè)極限值時(shí)，該磁芯主體3可能會(huì)從磁芯殼體7的底部括起，并從該磁芯殼體7突出出來。當(dāng)固化后粘接劑4的硬度高于這個(gè)極限值時(shí)，由于粘接劑收縮應(yīng)力的影響，AL值降低。因此，最好在能夠?qū)⒋判局黧w3固定在磁芯殼體7上的范圍內(nèi)、盡可能多地減小粘接劑4的量。
在這個(gè)實(shí)施例中，磁芯主體3是如下這樣制造的具有下述成份的軟磁合金帶5經(jīng)過淬火處理，卷繞成圓環(huán)形狀，然后最好用硅酮橡膠浸漬，接著進(jìn)行固化。
通過增加磁芯主體3的高度，可以改善該脈沖變壓器的電感。然而，當(dāng)該磁芯主體3的高度過高時(shí)，與該磁芯主體3的上端接觸的卷繞線圈9，由于該卷繞線圈9的摩擦作用而可能會(huì)損壞。因此，最好使該磁芯主體3的高度比該磁芯殼體7內(nèi)部的高度低0～0.05毫米(mm)。最好在能將磁芯主體3放在磁芯殼體7中的范圍內(nèi)，使該磁芯主體3的外徑盡可能大，而其內(nèi)徑盡可能小。
最好使浸漬在磁芯主體3中的硅酮橡膠固化前的粘度為1帕·秒(Pa·S)或更小，并且能通過固化而膠凝起來。當(dāng)固化前硅酮橡膠的粘度高于這個(gè)極限值時(shí)，硅酮橡膠幾乎不浸漬在磁芯主體3的各個(gè)卷繞層之間。當(dāng)固化使硅酮橡膠的硬度過高時(shí)，由于硅酮橡膠的變形，AL值會(huì)降低。
浸漬在磁芯主體3中的硅酮橡膠也可以作為將該磁芯主體3固定在該磁芯殼體7上的粘接劑使用。在這種情況下，最好使用固化前粘度為1.5帕·秒(Pa·S)或更小，而固化后JISA硬度為10或更小的硅酮橡膠。
磁芯主體3可以不包括硅酮橡膠。然而，適量的浸漬在磁芯主體3中的硅酮橡膠可以抑止在將磁芯主體3固定在磁芯殼體7上時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力影響和加熱影響造成的AL值降低。
在這個(gè)實(shí)施例中，圓環(huán)形的磁芯主體3是由卷繞軟磁合金帶形成的。也可以將軟磁合金帶沖壓成許多圓環(huán)，然后將給定數(shù)目的圓環(huán)堆疊起來，形成磁芯主體3。
該磁芯主體3的形狀可以為EI形。EI-形的磁芯主體是如下這樣制造的通過沖壓，從軟磁合金帶加工出許多E-形薄片和I-形薄片，然后分別將各個(gè)E-形薄片和I-形薄片堆疊起來形成一個(gè)E-形磁芯和一個(gè)I-形磁芯，再將該E-形磁芯和該I-形磁芯對(duì)接。將該磁芯主體放在帶有開放端面的磁芯殼體中，就構(gòu)成了脈沖變換器的磁芯。磁芯的組合不僅僅限于E-形磁芯和I-形磁芯。例如，對(duì)于磁芯主體可以采用諸如二個(gè)E-形磁芯，一個(gè)U-形磁芯和一個(gè)I-形磁芯以及二個(gè)U-形磁芯一類的任何一種組合方式。
最優(yōu)選的用于上述軟磁合金帶的軟磁合金以鐵(Fe)作為其主要成份，并且至少有一個(gè)元素是從由鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、釩(V)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鎢(W)和硼(B)組成的元素組中選出的，并且其微觀結(jié)構(gòu)有大量的細(xì)晶粒以非晶體相析出。該軟磁合金包括許多體心立方晶格的細(xì)晶粒，其晶粒尺寸為30納米(nm)或更小，其晶粒數(shù)量不小于整個(gè)軟磁合金微觀結(jié)構(gòu)的50％。
最好，軟磁合金具有下列成份中的任何一種成份FebBxMy，F(xiàn)ebBxMyXz，F(xiàn)ebBxMyTd，或FebBxMyTdXz，其中，M為至少是從由鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、釩(V)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鉬(Mo)和鎢(W)組成的元素組中選出的一個(gè)元素；T為至少是由銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、鈀(Pd)和鉑(Pt)組成的元素組中選出的一個(gè)元素；X為至少是從由硅(Si)、鋁(Al)、鍺(Ge)和鎵(Ga)組成的元素組中選出的一個(gè)元素；而下標(biāo)b，x，y，d和z表示化學(xué)計(jì)量，它們滿足75≤b≤93個(gè)原子百分?jǐn)?shù)，0.5≤X≤18個(gè)原子百分?jǐn)?shù)，4≤y≤9個(gè)原子百分?jǐn)?shù)，d不大于4.5個(gè)原子百分?jǐn)?shù)和z不大于4個(gè)原子百分?jǐn)?shù)。
b的數(shù)值表示在軟磁合金中鐵(Fe)的含量，它必需為93個(gè)原子百分?jǐn)?shù)或更小。當(dāng)b值超過93個(gè)原子百分?jǐn)?shù)時(shí)，液體淬火處理幾乎不可能獲得非晶體相，并且退火后的合金微觀結(jié)構(gòu)是不均勻的，造成導(dǎo)磁率降低。另外，為了達(dá)到10千高斯(KG)或更大的飽和磁通密度，b的值最好為75個(gè)原子百分?jǐn)?shù)或更大。因此，b值最好在75～93個(gè)原子百分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)變化。
硼(B)可促使軟磁合金中非晶體相的形成，防止晶體結(jié)構(gòu)變粗，并減少在退火過程中形成對(duì)磁性性質(zhì)有不利影響的化合物相。
雖然鋯(Zr)、鉿(Hf)、鈮(Nb)等實(shí)質(zhì)上不能溶解為α-Fe，但淬火過程中形成的非晶體合金可以通過過飽和作用而溶解這些元素。一部分被溶解的元素可以通過退火而結(jié)晶，并作為細(xì)晶粒析出。所形成的合金帶的磁致伸縮現(xiàn)象可以減少，并且軟磁性質(zhì)可以得到改善。為了析出細(xì)晶粒和抑止細(xì)晶粒的變粗，該非晶體相必需仍然留在晶粒邊界上。因?yàn)榫Я＿吔缟系姆蔷w相可以溶解M元素，例如鋯(Zr)、鉿(Hf)和鈮(Nb)，這些元素在退火過程中由于溫度升高而從α-Fe中被除去，這就抑止了會(huì)惡化軟磁性質(zhì)的Fe-M化合物的形成。因此，在Fe-Zr(Hf，Nb)合金中加入硼(B)是很重要的。
當(dāng)表示硼(B)的化學(xué)計(jì)量的X值小于0.5個(gè)原子百分?jǐn)?shù)時(shí)，晶粒邊界上的非晶體相不穩(wěn)定。另一方面，當(dāng)X值大于18個(gè)原子百分?jǐn)?shù)時(shí)，會(huì)形成B-M系和Fe-B系的硼化物。這樣，為了獲得細(xì)結(jié)晶結(jié)構(gòu)的退火條件受到限制，并且不能得到優(yōu)越的軟磁性質(zhì)。通過適當(dāng)調(diào)整硼(B)的含量，可以把細(xì)晶粒的平均尺寸調(diào)整至30納米(nm)或更小。
通過加入具有高的非晶體相形成能力的鋯(Zr)、鉿(Hf)和鈮(Nb)中的任何一個(gè)元素，可以更容易形成非晶體相。一部分鋯(Zr)、鉿(Hf)和鈮(Nb)可以用另一元素組4A至元素組6A中的鈦(Ti)、釩(V)、鉭(Ta)、鉬(Mo)和鎢(W)中的任一元素代替。
由于這些具有較低擴(kuò)散能力的M元素可延緩細(xì)晶核的生長(zhǎng)，因此這些元素在細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)方面是有效的。
當(dāng)表示M元素的化學(xué)計(jì)量的Y值小于4個(gè)原子百分?jǐn)?shù)時(shí)，細(xì)晶核生長(zhǎng)的延緩作用喪失，因此晶粒變粗，并且不能得到優(yōu)越的軟磁性質(zhì)。在Fe-Hf-B合金中，當(dāng)Hf＝5個(gè)原子百分?jǐn)?shù)時(shí)，平均晶粒尺寸為13納米(nm)，但當(dāng)Hf＝3個(gè)原子百分?jǐn)?shù)時(shí)，平均晶粒尺寸增大至39納米(nm)。另一方面，當(dāng)Y大于9個(gè)原子百分?jǐn)?shù)時(shí)，會(huì)形成M-B和Fe-M化合物。這些化合物的形成使磁性質(zhì)惡化，并在液體淬火以后造成合金帶脆裂。這樣，很難把該合金帶做成預(yù)先決定的磁芯形狀。因此，最好Y值在4～9個(gè)原子百分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)變化。在這些元素中，由于鈮(Nb)和鉬(Mo)形成氧化物的自由能的絕對(duì)值較小，因此它們是熱穩(wěn)定的，并且在生產(chǎn)過程中幾乎不會(huì)被氧化。加入這些元素可以用較低的生產(chǎn)成本形成現(xiàn)有的生產(chǎn)條件。
最好加入從由硅(Si)、鋁(Al)、鍺(Ge)和鎵(Ga)組成的元素組中選出的至少一個(gè)元素，其量為4個(gè)原子百分?jǐn)?shù)或更小。稱為準(zhǔn)金屬元素的這些元素可增強(qiáng)非晶體相的形成能力。它們可溶解成基本上由鐵(Fe)構(gòu)成的bcc(體心立方晶格)相，并改變?cè)摵辖鸬碾娮杪屎痛胖律炜s現(xiàn)象。當(dāng)這些元素的含量超過4個(gè)原子百分?jǐn)?shù)時(shí)，磁致伸縮增大，而飽和磁通密度或?qū)Т怕式档汀?br> 當(dāng)加入4.5個(gè)原子百分?jǐn)?shù)或更小的從由銅(Cu)、金(Au)、鈀(Pd)和鉑(Pt)組成的元素組中選出的至少一個(gè)元素時(shí)，軟磁特性改善。微量的這種不溶解于鐵(Fe)的元素(例如銅(Cu))，在淬火之后即引起非晶體合金成份的變動(dòng)。在初始結(jié)晶階段，銅(Cu)在合金中形成許多原子團(tuán)，這樣，由于在該合金中出現(xiàn)富含F(xiàn)e的區(qū)域，因此，α-Fe晶核形成的速率增加。微分掃描測(cè)熱法的結(jié)果顯示，該合金的結(jié)晶溫度隨著這種元素(例如銅(Cu)和/或銀(Ag))的加入而略微降低。由于這種元素會(huì)導(dǎo)致非晶體相的穩(wěn)定性降低，因此，非晶體相可能不會(huì)被均質(zhì)化。在不均勻的非晶體相的結(jié)晶過程中，許多部分結(jié)晶的區(qū)域形成不均勻的晶核，因而也就形成了細(xì)晶粒的微觀結(jié)構(gòu)。這樣，除了給定的元素之外，任何可以降低結(jié)晶溫度的元素也都有同樣的效果。
為了改善該合金的耐腐蝕性，可以加入鉑組元素中的至少一種元素，例如鉻(Cr)、釕(Ru)、銠(Rh)和銥(Ir)。但是，這些元素的量必需為5個(gè)原子百分?jǐn)?shù)或更小，因?yàn)榧尤氤^5個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的這些元素會(huì)顯著降低飽和磁通密度。
為了調(diào)整所生成的軟磁合金的磁致伸縮現(xiàn)象，假如需要的話，還可以加入其他元素，例如釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、銦(In)、錫(Sn)、鉛(Pb)、砷(As)、銻(Sb)、鉍(Bi)、硒(Se)、碲(Te)、鋰(Li)、鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)和鋇(Ba)。
根據(jù)本發(fā)明的軟磁合金可以包括一些偶然性的雜質(zhì)，(例如H，N，O和S)，但應(yīng)在不致惡化合金的軟磁特性的范圍內(nèi)。
當(dāng)根據(jù)需要向坩堝的噴嘴尖端輸送惰性氣體時(shí)，通過對(duì)熔融的合金在大氣中進(jìn)行淬火，可以生產(chǎn)出根據(jù)本發(fā)明的軟磁合金。最好在能調(diào)節(jié)其保護(hù)氣氛的真空腔中生產(chǎn)該軟磁合金。通過將在坩堝中熔融的合金噴射到淬火設(shè)備(例如回轉(zhuǎn)鼓輪)上，并在該淬火設(shè)備上對(duì)該合金淬火，可以很容易地生產(chǎn)出軟磁合金帶。
經(jīng)過淬火后的軟磁合金帶基本上由非晶體相構(gòu)成，然后再退火，以析出大量的細(xì)晶粒。所得到的合金帶具有高的飽和磁通密度和優(yōu)越的軟磁特性。
利用壓力機(jī)沖壓該軟磁合金帶，可制出許多圓環(huán)，再將這些圓環(huán)堆疊起來，放在一個(gè)諸如樹脂制的殼體的容器中。另一種辦法是，直接卷繞該軟磁合金帶成圓盤形，并將它放在一個(gè)容器(例如樹脂制的殼體)中或用樹脂固定起來。利用這種方法可以生產(chǎn)出具有高導(dǎo)磁率的磁芯。所使用的軟磁合金帶的厚度可以適當(dāng)?shù)卦?0～40微米(μm)范圍內(nèi)決定?，F(xiàn)今的任何淬火處理方法都幾乎不可能生產(chǎn)出厚度小于10微米(μm)的軟磁合金帶。另一方面，超過40微米(μm)的厚度幾乎不可能形成非晶體相的細(xì)晶粒的微觀結(jié)構(gòu)。
經(jīng)過這樣一個(gè)過程得到的軟磁芯，當(dāng)輸入0.1V電壓，甚至當(dāng)該軟磁芯的外徑尺寸為10毫米(mm)或更小，其高度為1.2毫米(mm)或更小時(shí)，其AL值在10千赫(kHz)下可達(dá)4.0微亨/牛頓2(μH/N2)或更大，而在100千赫(kHz)下，可達(dá)2.0微亨/牛頓2(μH/N2)或更大。這樣，該軟磁芯可滿足脈沖變換器的基本特性要求。
在使用根據(jù)本發(fā)明的合金的磁芯中，在-40℃至+100℃的溫度范圍內(nèi)，AL值對(duì)室溫時(shí)的值的偏離量可控制為±20％。由于軟磁合金帶的磁致伸縮的絕對(duì)值為1×10-6或更小，因此，當(dāng)用樹脂覆蓋或封裝在樹脂制的殼體中時(shí)，幾乎不會(huì)產(chǎn)生由于磁致伸縮造成的磁特性惡化。另外，封裝面積不大于14.0毫米(mm)乘14.0毫米(mm)，高度不大于3毫米(mm)的脈沖變換器可根據(jù)上述的設(shè)計(jì)制造。此外，很容易得到成份在上述范圍內(nèi)，10千赫(kHz)下的導(dǎo)磁率為40,000或更大的合金。這種合金適合高性能的脈沖變換器使用。
上述的AL值是指線圈每一匝上的電感，可用下式表示AL值＝μoμ’(S/1)，式中S表示圓環(huán)形磁芯的橫截面積，1表示磁路長(zhǎng)度，μo表示真空中的導(dǎo)磁率，μ’表示材料的特定的導(dǎo)磁率。
在100千赫(kHz)或其以下具有穩(wěn)定的高電感的磁芯可以傳遞無畸變的矩形脈沖波。在由卷繞軟磁合金帶而制成的圓環(huán)形磁芯中，由于能夠制造的合金帶寬度的限制，很難制造出厚度小于1.0毫米(mm)的磁芯。相反，在包括由沖壓軟磁合金帶而得出的多個(gè)層疊圓環(huán)的磁芯中，可以很容易制出小于1.0毫米(mm)的厚度，從而制造出微型化的磁芯。
軟磁合金帶最好按下述方法進(jìn)行退火。將軟磁合金帶在比第一晶體相析出的第一結(jié)晶溫度高，而比第二結(jié)晶相析出的第二結(jié)晶溫度低的溫度下退火0～20分鐘。為了簡(jiǎn)化生產(chǎn)過程，最好是沒有退火時(shí)間，即退火時(shí)間為0分鐘。
淬火后的合金帶基本上由非晶體相組成。加熱該合金帶可析出包括基本上由鐵(Fe)組成的bcc(體心立方)晶粒和晶粒平均尺寸為30納米(nm)或更小的細(xì)的結(jié)晶體相。在本發(fā)明中，具有bcc結(jié)構(gòu)的鐵(Fe)細(xì)結(jié)晶體相析出的溫度稱為第一結(jié)晶溫度。第一結(jié)晶溫度隨合金成份而變化，一般在480℃～550℃范圍內(nèi)。
當(dāng)溫度高于第一結(jié)晶溫度時(shí)，化合物相或第二晶體相，例如Fe3Zr(當(dāng)合金含有Zr時(shí))析出，軟磁特性惡化。在本發(fā)明中，這個(gè)溫度稱為第二結(jié)晶溫度。第二結(jié)晶溫度也隨合金成份變化，一般在740℃～810℃范圍內(nèi)。
因此，根據(jù)合金成份的不同，非晶體合金帶的退火溫度在500℃至800℃范圍內(nèi)決定，這樣，基本上由鐵(Fe)組成的bcc細(xì)結(jié)晶體相析出，而上述的化合物相不析出。
根據(jù)本發(fā)明的非晶體合金帶的退火時(shí)間可以在20分鐘或更小的范圍內(nèi)。根據(jù)合金成份的不同，退火時(shí)間為0分鐘，即在加熱后立即冷卻，也可以得到高的導(dǎo)磁率。不含有銅(Cu)和硅(Si)，特別是硅(Si)的成份可在10分鐘或更小的短退火時(shí)間內(nèi)得到高的導(dǎo)磁率。當(dāng)加入硅(Si)時(shí)，為了充分地使Si溶解在鐵(Fe)中，需要較長(zhǎng)的退火時(shí)間。再延長(zhǎng)退火時(shí)間會(huì)造成生產(chǎn)率降低，而磁特性并不會(huì)改善。
非晶體合金帶從室溫加熱至退火溫度的加熱速率在20℃/分～200℃/分范圍內(nèi)，最好在40℃/分～200℃/分范圍內(nèi)變化。雖然，為了縮短生產(chǎn)時(shí)間最好加熱速率較高，但是用通常的加熱裝置很難達(dá)到比200℃/分再高的加熱速率。退火之后，合金帶在空氣等介質(zhì)中冷卻。
退火的結(jié)果可以得到非晶體合金帶，即包括50％或更多的，基本上由鐵(Fe)組成的，并且平均晶粒尺寸為30納米(nm)或更小的細(xì)bcc晶粒相的合金，而會(huì)使磁特性惡化的化合物相(例如Fe3B)不會(huì)析出。結(jié)果得到的微觀結(jié)構(gòu)基本上由細(xì)晶粒的晶體相和在晶粒邊界上存在的邊界非晶體相構(gòu)成。這種微觀結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的軟磁特性。
該經(jīng)過退火的合金具有優(yōu)越的軟磁特性的理由如下由于細(xì)bcc晶粒之間的磁性相互作用，使得成為造成通常的結(jié)晶體材料軟磁特性惡化的一個(gè)因素的晶體材料各向異性被平坦化了，并且表觀的磁性各向異性明顯降低。假如晶粒平均尺寸大于30納米(nm)，則由于晶體的磁性各向異性不能充分的平坦化，軟磁特性會(huì)惡化。另一方面，細(xì)結(jié)晶體相少于50％使晶粒之間的磁性相互作用較低，因此，軟磁特性也會(huì)惡化。
實(shí)施例1沖壓厚度為15～25微米(μm)，具有Fe86Nb3.25Zr3.25B6.5Cu1成份的軟磁合金帶制成外徑為7.8毫米(mm)和內(nèi)徑為4.8毫米(mm)的圓環(huán)，將該圓環(huán)在510～540℃的溫度下退火。將預(yù)先決定數(shù)量的經(jīng)過退火的圓環(huán)放入外徑為9毫米(mm)，內(nèi)徑為4毫米(mm)，高度為1.5毫米(mm)的圓形PET(聚乙烯對(duì)酞酸鹽)樹脂殼體中，使磁芯高度(圓環(huán)厚度×圓環(huán)數(shù)目)為0.3～0.95毫米(nm)。需要決定阻抗和導(dǎo)磁率。所用殼體內(nèi)部深度為1.0毫米(mm)。
(試驗(yàn)結(jié)果1)圖5為表示阻抗(|Z|)隨封裝率(packing rate)(％)變化的圖形，該封裝率是從厚度為15微米(μm)，具有上述成份和殼體的內(nèi)部深度，使用20匝導(dǎo)線的磁芯高度計(jì)算出來的。圖6為表示導(dǎo)磁率(μ’)隨封裝率(％)變化的圖形。
在各個(gè)圓環(huán)層疊在殼體中的這種結(jié)構(gòu)形式中，圓環(huán)的垂直應(yīng)力和所用材料所固有的磁致伸縮現(xiàn)象一般會(huì)使導(dǎo)磁率降低。然而，因?yàn)榫哂蠪e86Nb3.25Zr3.25B6.5Cu1成份的軟磁合金帶的磁致伸縮常數(shù)很小，即在540℃下退火30分鐘后，大約為-0.3×10-6，因此，即使在封裝率大約為90％的情況下，應(yīng)力也不會(huì)使導(dǎo)磁率降低，而阻抗隨著封裝率增大而增大，如圖5和圖6所示。因此，為了得到高的阻抗，最好封裝率要盡可能高。
表1表示封裝率為92～93％時(shí)，軟磁合金帶的厚度和當(dāng)輸入0.1伏(V)電壓時(shí)，所觀察到的AL值(AL值表示線圈每一匝的電感)。
表1厚度(μm) 10千赫(kHz)時(shí)的 100千赫(kHz)時(shí)的AL值微亨/牛頓2(μH/N2) AL值微亨/牛頓2(μH/N2)15.25.73 3.3315.76.09 3.2716.35.73 3.0416.65.58 3.0019.55.93 2.77圖7為表示10千赫(kHz)和100千赫(kHz)時(shí)的AL值隨軟磁合金帶厚度變化的圖形。眾所周知，在使用軟磁合金帶的磁芯中，一般渦流損失隨著軟磁合金帶的厚度增加而增加，因此，高頻導(dǎo)磁率和電感降低。使用根據(jù)本發(fā)明的軟磁合金帶的磁芯，在100千赫(kHz)時(shí)的AL值也隨該軟磁合金帶的厚度增加而減小，如圖7所示。然而，10千赫(kHz)時(shí)的AL值在該軟磁合金帶厚度達(dá)到25微米(μm)之前，基本上不改變。
對(duì)于上述ISDN標(biāo)準(zhǔn)的脈沖變壓器，其在100千赫(kHz)時(shí)的AL值最好為2.0微亨/牛頓2(μH/N2)或更大。當(dāng)如上所述，由具有Fe86Nb3.25Zr3.25B6.5Cu1成份，厚度為25微米(μm)或更小的軟磁合金帶制成外徑為7.8毫米(mm)，內(nèi)徑為4.8毫米(mm)，高度為0.92～0.93毫米(mm)的圓環(huán)形磁芯時(shí)，可以得到這樣一個(gè)AL值。雖然，軟磁合金帶的厚度可以適當(dāng)?shù)卦?0～25微米(μm)范圍內(nèi)決定，但是考慮到簡(jiǎn)化該軟磁合金帶的生產(chǎn)條件和脈沖變壓器的堆疊厚度，軟磁合金帶的厚度最好在15～20微米(μm)范圍內(nèi)。
實(shí)施例2利用具有Fe84Nb3.5Zr3.5B8Cu1成份，厚度為16微米(μm)的軟磁合金帶。經(jīng)過沖壓和520℃下退火制造外徑為7.8毫米(mm)，內(nèi)徑為4.8毫米(mm)的圓環(huán)。合金帶的磁致伸縮常數(shù)大約為+0.6×10-6。將給定數(shù)目的圓環(huán)放入外徑為9毫米(mm)、內(nèi)徑為4毫米(mm)、高度為1.5毫米(mm)的樹脂殼體中，要求決定其阻抗(|Z|)和導(dǎo)磁率μ’，使磁芯的高度為0.5～0.9毫米(mm)。
(試驗(yàn)結(jié)果2)圖8為表示阻抗隨封裝率(％)變化的圖形，該封裝率是從使用20匝導(dǎo)線的磁芯高度和殼體的內(nèi)部深度計(jì)算得出的。圖9為表示導(dǎo)磁率隨封裝率(％)變化的圖形。圖8和圖9也表示了具有實(shí)施例1中所用的Fe86Nb3.25Zr3.25B6.5Cu1成份的軟磁合金帶的結(jié)果。這個(gè)例子中的磁芯的導(dǎo)磁率，在封裝率高于60％時(shí)逐漸降低，而當(dāng)封裝率高于75％時(shí)，由于材料所固有的磁致伸縮和封裝應(yīng)力的影響，磁芯的導(dǎo)磁率大大降低。與磁芯導(dǎo)磁率和橫截面積成正比的10千赫(kHz)和100千赫(kHz)時(shí)的阻抗，在封裝率大約為70％時(shí)達(dá)到最大值。
為了比較，圖8和圖9表示了具有Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1成份的細(xì)結(jié)晶體軟磁合金帶的結(jié)果。厚度為19.6微米(μm)的這種軟磁合金帶，在530℃下退火后的磁致伸縮常數(shù)為+1.3×10-6，而1千赫(kHz)時(shí)的導(dǎo)磁率μ’為80,000。該軟磁合金帶非常脆，在低頻時(shí)導(dǎo)磁率降低，而厚度為15微米(μm)的樣品，在1千赫(kHz)時(shí)的導(dǎo)磁率μ’大約為50,000。因此，具有這種厚度的樣品沒有用于作試驗(yàn)。
供比較用的這種合金的阻抗在較低的封裝率時(shí)即開始降低。這可能是由于，當(dāng)殼體中的封裝率增加時(shí)，磁致伸縮對(duì)導(dǎo)磁率的巨大影響造成的。相反，在用根據(jù)本發(fā)明的軟磁合金帶制造的磁芯中，阻抗在非常高的封裝率時(shí)才開始降低。
圖10為表示圖8和圖9中所示的同樣樣品的AL值和封裝率之間的相關(guān)關(guān)系圖形。圖10指出，為了清除10千赫(kHz)和100千赫(kHz)時(shí)的兩個(gè)較低的極限值，當(dāng)磁芯具有包括封裝在樹脂殼體中的多個(gè)軟磁合金圓環(huán)的結(jié)構(gòu)時(shí)，封裝率最好為50％或更大，而55～80％就更好。
實(shí)施例3(試驗(yàn)結(jié)果3)圖11為表示導(dǎo)磁率隨磁芯溫度變化的圖形，該磁芯可以為在實(shí)施例1和實(shí)施例2中所使用的、封裝率為80％的磁芯以及鐵氧體磁芯。圖11顯示，采用根據(jù)本發(fā)明的軟磁合金，并封裝在樹脂殼體中的變壓器(□實(shí)施例1，C實(shí)施例2)，在-20～+100℃的大溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)磁率變化極小，具體地說，在-20～+70℃范圍內(nèi)，大約變化±5％，而在-20～100℃范圍內(nèi)，變化+5～-10％。因此，與對(duì)比實(shí)施例的導(dǎo)磁率變化比較，根據(jù)本發(fā)明的變壓器的導(dǎo)磁率變化明顯地較小。
實(shí)施例4將寬度為0.9毫米(mm)，具有Fe84Nb3.5Zr3.5B3Cu1成份的軟磁合金帶卷成盤形制造一個(gè)圓環(huán)形的磁芯主體，然后使該磁芯主體在650～690℃的溫度下退火，使該磁芯主體的外徑為8.8毫米(mm)，內(nèi)徑為4.2毫米(mm)，高度為0.9毫米(mm)。經(jīng)過退火的磁芯主體用粘度為0.7帕·秒(Pa·s)的硅酮橡膠(東芝硅酮公司生產(chǎn)的TSE3051)浸漬，并在110～140℃的溫度下加熱，使硅酮橡膠固化。
帶有圖3所述開口的磁芯殼體由聚醛樹脂制成。將固化前粘度為1.5帕·秒(Pa·s)，固化后JISA硬度為19的硅酮橡膠(東芝硅酮公司生產(chǎn)的TSE3991)涂敷在底面的二個(gè)位置處，每處的面積為1毫米2(mm2)。磁芯殼體的外徑為9.5毫米(mm)，內(nèi)徑為3.5毫米(mm)，高度為1.15毫米(mm)，厚度為0.15毫米(mm)。磁芯殼體的內(nèi)壁二端和外壁二端分別具有0.1毫米(mm)的曲率半徑。
磁芯主體放在磁芯殼體中，磁芯殼體底面上的硅酮橡膠在室溫下固化，以固定磁芯主體。這樣就制成了脈沖變壓器。
實(shí)施例5除了磁芯不用硅酮橡膠浸漬之外，如實(shí)施例4一樣，制成脈沖變壓器。
(試驗(yàn)結(jié)果4)將繞制線圈圍繞實(shí)施例4和實(shí)施例5的磁芯主體卷成盤形而作出變壓器，該磁芯主體不放在磁芯殼體中。也可以將繞制線圈圍繞放置在實(shí)施例4和實(shí)施例5的磁芯殼體中的磁芯主體卷成盤形而作出變壓器。當(dāng)輸入0.1伏(V)電壓時(shí)，測(cè)量這些變壓器在10千赫(kHz)時(shí)的AL值，并決定在磁芯主體固定在磁芯殼體上之后與在放入該殼體之前的AL值的變化率。結(jié)果列在表2中，表中AL值的單位為微亨/牛頓2(μH/N2)。
表2樹脂浸漬 放入殼體之 固定之后 變化率前的AL值 的AL值實(shí)施例4已浸漬 6.986.87 -1.58實(shí)施例5 沒有浸漬 6.706.48 -3.28(試驗(yàn)結(jié)果5)將繞制線圈圍繞實(shí)施例4和實(shí)施例5中準(zhǔn)備的磁芯卷成盤形而作出脈沖變壓器。當(dāng)輸入0.1伏(V)電壓，同時(shí)在-50～100℃范圍內(nèi)改變大氣溫度時(shí)，測(cè)量10千赫(kHz)下的脈沖變壓器的AL值。決定每一個(gè)溫度下的AL值對(duì)20℃下的AL值的變化率。結(jié)果表示在圖12中，圖中實(shí)線表示實(shí)施例4中的脈沖變壓器的磁芯，虛線表示實(shí)施例5中的脈沖變壓器磁芯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果4表明，雖然實(shí)施例5中可以達(dá)到大的AL值和AL值的小的變化率，然而通過將磁芯主體浸漬在固化后會(huì)膠凝起來的硅酮橡膠中，可以緩和磁芯主體固定在磁芯殼體上所產(chǎn)生的應(yīng)力，結(jié)果可使AL的惡化進(jìn)一步得到改善。
如實(shí)驗(yàn)結(jié)果5所述那樣，與實(shí)施例5比較，將磁芯主體浸漬在通過固化可以膠凝的硅酮橡膠中，可以進(jìn)一步抑制高溫下AL的惡化。
實(shí)施例6除了磁芯主體和磁芯殼體的尺寸如下面表3所述那樣改變之外，作出如實(shí)施例4一樣的脈沖變壓器磁芯。
實(shí)施例7制造一個(gè)使用包括如圖2所示的上殼體和下殼體的磁芯殼體的脈沖變壓器磁芯。磁芯殼體和磁芯主體的尺寸如表3所示。
將寬度為0.7毫米(mm)，具有Fe84Nb3.5Zr3.5B8Cu1成份的軟磁合金帶卷成盤形，并在650～690℃的溫度下退火制造一個(gè)圓環(huán)形的磁芯。經(jīng)過退火的磁芯主體放在由聚醛樹脂制的磁芯殼體中。
(試驗(yàn)結(jié)果6)將繞制線圈圍繞實(shí)施例6和實(shí)施例7中準(zhǔn)備的脈沖變壓器磁芯卷成盤形而制出變壓器，并且當(dāng)輸入0.1伏(V)電壓時(shí)，測(cè)量10千赫(kHz)下的AL值。決定實(shí)施例7至實(shí)施例6的AL值變化率結(jié)果表示在表3中。在實(shí)施例6中，作為10個(gè)磁芯主體的平均值，當(dāng)輸入0.1伏(V)電壓時(shí)，在放入至磁芯殼體中之前，該磁芯主體在10千赫(kHz)下的AL值為8.6微亨/牛頓2(μH/N2)。
表3實(shí)施例6 實(shí)施例7殼體尺寸(mm)外徑 9.5 9.5內(nèi)徑 3.5 3.5高度 1.2 1.2厚度 0.15 0.15磁芯主體尺寸(mm)外徑 8.8 8.4內(nèi)徑 4.2 4.2高度 0.9 0.8AL值(μH/N2) 7.79 6.49變化率20.0 0.0
表3所列的結(jié)果表明，在實(shí)施例6中AL值較大。實(shí)施例6中的磁芯主體尺寸(外徑，內(nèi)徑和高度)比實(shí)施例7中的磁芯主體尺寸大，因?yàn)閷?shí)施例6中沒有采用上殼體，并且磁芯殼體厚度減小。結(jié)果，與實(shí)施例7比較，磁芯主體的橫截面積增大，并且AL值還改善了20％或更多。
實(shí)施例8將與實(shí)施例4中一樣的磁芯主體放入磁芯殼體(外徑為9.5毫米(mm)，內(nèi)徑為3.5毫米(mm)，高度為1.15毫米(mm)，厚度為0.15毫米(mm))中，并用固化前粘度為1.3帕·秒(Pa·s)，固化后JISA硬度為9的硅酮橡膠(東芝硅酮公司生產(chǎn)的TSE3250)浸漬，接著進(jìn)行固化。
將繞制線圈圍繞磁芯卷成盤形制成脈沖變壓器，并決定其AL值。由于實(shí)施例8中的變壓器的特性沒有由于硅酮橡膠的應(yīng)力影響而惡化，因此，與實(shí)施例4比較，AL值(10個(gè)變壓器的平均值)還改善了，達(dá)到8.6～10微亨/牛頓2(μH/N2)。
現(xiàn)在來說明生產(chǎn)用于脈沖變壓器的軟磁合金的優(yōu)選例子。
實(shí)施例9作為根據(jù)本發(fā)明的合金實(shí)施例的、具有Fe84Nb3.5Zr3.5B8Cu1成份的非晶體合金帶利用圖13所示的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。
在圖13所示的生產(chǎn)裝置中，設(shè)有冷卻滾35和坩堝12的腔10包括棱形的主體部分13和與該棱形主體部分13連接的保持部分14。主體部分13和保持部分14利用螺釘，通過法蘭部分13a和13b彼此密封連接。腔10的主體部分13設(shè)有與抽真空系統(tǒng)連接的排氣管15?；剞D(zhuǎn)軸11支承著冷卻滾35?；剞D(zhuǎn)軸11穿過腔10的二個(gè)側(cè)壁，并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)(電機(jī)圖中沒有示出)。在坩堝12的底部設(shè)有噴嘴37，在坩堝12的下部設(shè)有加熱線圈38。熔融的金屬34保存在坩堝12中。
坩堝12的上部與供氣源18連接，用于例如，通過送氣管道16輸送氬氣(Ar)。送氣管道16上裝有壓力控制閥19和電磁閥20。在壓力控制閥19和電磁閥20之間裝有壓力表21。送氣管道16設(shè)有一個(gè)旁通管道23，它與壓力控制量?jī)x24，流量控制閥25和流量計(jì)26平行。坩堝12中的熔融金屬34借助從供氣源18送往坩堝的氫氣(Ar)產(chǎn)生的壓力，通過噴嘴37噴射到冷卻滾35上。腔10的頂壁設(shè)有送氣管道32。送氣管道32裝有與供氣源31連接的壓力控制閥33。供氣源31用于例如，向腔10輸送氫氣(Ar)。
利用該生產(chǎn)裝置，可按以下方法生產(chǎn)合金帶在供氣源31將不氧化的氣體(例如氬氣(Ar))送入腔10的同時(shí)，使腔10抽真空。熔融的金屬34，借助供氣源31送入坩堝12的氬氣(Ar)的壓力，通過噴嘴37噴射至高速轉(zhuǎn)動(dòng)的冷卻滾35的頂部上。熔融的金屬34沿著冷卻滾35的表面滾動(dòng)，形成薄帶36。
連續(xù)地從坩堝12中將熔融的金屬34噴射至冷卻滾35上，就可連續(xù)地生產(chǎn)出長(zhǎng)的薄帶36。薄帶36從冷卻滾35拉出，并保持在腔10的保持部分14中。由于腔10充滿氫氣(Ar)，因此可以防止由于熱慣性仍然熾熱的薄帶36氧化。當(dāng)在生產(chǎn)出薄帶后，將薄帶36冷卻至接近室溫時(shí)，將保持部分14從腔10的主體部分13上拆下，取出薄帶36。
利用微分掃描測(cè)熱法(DSC)，在加熱速率為40℃/分下，決定寬度為15毫米(mm)，厚度為20微米(μm)的所得出的非晶體合金帶的結(jié)晶溫度。這樣，可得到圖14中用實(shí)線表示的DSC溫譜圖。結(jié)果表明，在40℃/分的加熱速率下，這種非晶體合金帶的第一結(jié)晶溫度Tx約為508℃。
比較例1再生產(chǎn)一種具有Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1成份的非晶合金帶作為實(shí)施例9中本發(fā)明范圍以外的一種合金例子。在40℃/分的加熱速率下，利用微分掃描測(cè)熱法(DSC)決定該所得出的非晶合金帶的結(jié)晶溫度。這樣，得到圖14中用虛線表示的一個(gè)DSC溫譜圖。結(jié)果表明，這種非晶合金帶的第一結(jié)晶溫度Tx大約為548℃。
為了制造軟磁合金，將實(shí)施例9和比較例1中得到的非晶合金帶在不同的保持時(shí)間t內(nèi)進(jìn)行退火處理。利用所得出的軟磁合金來評(píng)價(jià)磁特性，即1千赫(kHz)下的導(dǎo)磁率，矯磁力Hc(Oe)，飽和磁致伸縮λs和晶粒平均尺寸D納米(nm)。
加熱程序如下在40℃/分的加熱速率下，將每一個(gè)非晶合金帶加熱至給定的保持溫度Ta，在該保持溫度下保持一段給定的時(shí)間，然后冷卻。保持溫度Ta設(shè)定為比該合金的第一結(jié)晶溫度稍微亮一點(diǎn)的溫度，即在Fe84Nb3.5Zr3.5B8Cu1(實(shí)施例9)中為510℃，而在Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1(比較例1)中為550℃。結(jié)果表示在圖15至圖17中，圖中●代表實(shí)施例9，○代表比較例1。
圖15顯示，在實(shí)施例9中，在0～20分鐘的較短的保持時(shí)間內(nèi)即達(dá)到了較高的導(dǎo)磁率，而比較例1的樣品且是在保持時(shí)間約為30分鐘時(shí)才達(dá)到最大的導(dǎo)磁率，并且在較短的保持時(shí)間時(shí)，導(dǎo)磁率急劇降低。
圖16顯示，實(shí)施例9和比較例1中的矯磁力基本上不隨保持時(shí)間變化，并幾乎在一個(gè)水平線上。在比較例1中，飽和磁致伸縮λs隨著保持時(shí)間的減小而增大，而實(shí)施例9中的樣品，在0～20分鐘的較短的保持時(shí)間內(nèi)，其飽和磁致伸縮總是比比較例1中的飽和磁致伸縮小些。
圖17顯示，在實(shí)施例9和比較例1中，平均直徑D基本上不改變，而實(shí)施例9中的樣品，其平均直徑比比較例1中的平均直徑小。
這些結(jié)果表明，在0～20分鐘的較短的保持時(shí)間內(nèi)，實(shí)施例9和比較例1中的樣品具有幾乎一樣的矯磁力，而導(dǎo)磁率和飽和磁致伸縮比比較例1的優(yōu)越。另外，在實(shí)施例9中，晶粒平均尺寸較小使得軟磁特性有這樣的改善。
在不同的保持溫度Ta下，在0分鐘的保持時(shí)間內(nèi)，對(duì)實(shí)施例9中所制造的非晶合金進(jìn)行退火，測(cè)量在1千赫(kHz)下的所得出的軟磁合金的導(dǎo)磁率μ’的變化。在40℃/分的加熱速率下，將非晶合金帶加熱至給定的保持溫度Ta，然后立即冷卻，這樣未進(jìn)行退火。保持溫度Ta在480℃～800℃范圍內(nèi)變化。結(jié)果表示在圖18中。圖18表明，在500～700℃的溫度下，不要保持時(shí)間，這樣來進(jìn)行退火時(shí)，實(shí)施例9的非晶合金帶的導(dǎo)磁率較高。
實(shí)施例10如實(shí)施例9中那樣，制造一條具有Fe84Nb7B9成份的，根據(jù)本發(fā)明的非晶合金帶。
實(shí)施例11如實(shí)施例9中那樣，制造一條具有Fe90Zr7B3成份的，根據(jù)本發(fā)明的非晶合金帶。
在不同的保持時(shí)間t內(nèi)，對(duì)實(shí)施例10和實(shí)施例11中制造的非晶合金帶進(jìn)行退火，并評(píng)價(jià)在1千赫(kHz)下，退火后的第一種軟磁合金的導(dǎo)磁率μ’。
退火程序包括在180℃/分的加熱速率下，加熱至給定的保持溫度Ta，保持一段給定的時(shí)間，然后冷卻。每一個(gè)樣品的保持溫度Ta設(shè)置成比該樣品的第一結(jié)晶溫度高，而比第二結(jié)晶溫度低的溫度，即對(duì)Fe84Nb7B9(實(shí)施例10)為650℃，對(duì)Fe90Zr7B3(實(shí)施例11)為600℃。結(jié)果表示在圖19中，圖中●表示實(shí)施例10，○代表比較例11。圖19顯示，實(shí)施例10中的樣品，在1～120分鐘，最好是2～30分鐘的保持時(shí)間內(nèi)，具有較大的導(dǎo)磁率，而實(shí)施例11中的樣品，在0～120分鐘，最好是2～30分鐘內(nèi)具有較高的導(dǎo)磁率。
權(quán)利要求
1.一種脈沖變壓器磁芯，其特征為它包括一個(gè)由厚度為25微米(μm)或更小的軟磁合金帶制成的磁芯主體，當(dāng)輸入0.1伏(V)電壓時(shí)，在10千赫(kHz)下的所述磁芯主體的AL值為4.0微亨/牛頓2(μH/N2)或更大。
2.如權(quán)利要求1所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，所述磁芯主體包括由所述軟磁合金帶制造的多個(gè)層疊圓環(huán)，并且所述磁芯主體的外徑為10毫米(mm)或更小，厚度為1.2毫米(mm)或更小。
3.如權(quán)利要求1所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，所述磁芯主體包括一個(gè)E-形磁芯和一個(gè)I-形磁芯，一個(gè)U-形磁芯和一個(gè)I-形磁芯以及二個(gè)U-形磁芯中的任何一種組合方式，所述E-形磁芯，所述I-形磁芯和所述U-形磁芯是分別將由所述軟磁合金帶制成的E-形薄片，I-形薄片和U-形薄片堆疊構(gòu)成的，所述磁芯主體的厚度為1.2毫米(mm)，或更小。
4.如權(quán)利要求1所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，所述磁芯主體包括將寬度為1.2毫米(mm)或更小的軟磁合金帶卷成盤形而構(gòu)成的圓環(huán)，所述圓環(huán)形磁芯主體的外徑為10毫米(mm)或更小。
5.如權(quán)利要求2所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，所述圓環(huán)以50％或更大的封裝率封裝在由樹脂制成的蓋中。
6.如權(quán)利要求1所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，所述軟磁合金帶的磁致伸縮的絕對(duì)值為1×10-6或更小。
7.如權(quán)利要求1所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，在-40℃～+100℃的溫度范圍內(nèi)，所述脈沖變壓器磁芯的AL值對(duì)室溫下的AL值的偏離量在±20％以內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，所述磁芯主體用固化前粘度為1帕·秒(Pa·s)或更小，可通過固化而膠凝起來的硅酮橡膠浸漬。
9.如權(quán)利要求1所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，所述磁芯主體用固化前粘度為1.5帕·秒(Pa·s)或更小，JISA硬度為10或更小的硅酮橡膠浸漬，所述硅酮橡膠可起粘接劑作用，用于將所述磁芯主體固定在磁芯殼體上。
10.如權(quán)利要求9所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，所述用于將所述磁芯主體固定在所述磁芯殼體上粘接劑為固化前粘度為2帕·秒(Pa·s)或更小，固化后JISA硬度為25或更小的硅酮橡膠。
11.如權(quán)利要求10所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，所述粘接劑涂敷在所述磁芯殼體底面的2～4個(gè)部分上。
12.如權(quán)利要求1所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，50％或更多的所述軟磁合金基本上由體心立方細(xì)晶粒組成，晶粒的平均尺寸為30納米(nm)或更小，所述軟磁合金包括鐵(Fe)作為主要成份，至少有一個(gè)元素是從由Ti(鈦)，鋯(Zr)，鉿(Hf)，釩(V)，鈮(Nb)，鉭(Ta)，鉬(Mo)和鎢(W)與硼(B)組成的元素組中選出的。
13.一種脈沖變壓器磁芯，其特征為它包括一個(gè)由卷成圓環(huán)形的軟磁合金帶構(gòu)成的磁芯主體和具有用于固定所述磁芯主體的開口的磁芯殼體。
14.如權(quán)利要求13所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，所述磁芯殼體的內(nèi)壁和外壁的兩端具有0.05～0.4毫米(mm)的曲率半徑。
15.如權(quán)利要求13所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，所述磁芯主體以50％或更大的封裝率封裝在所述磁芯殼體中。
16.如權(quán)利要求13所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，所述磁合金帶的磁致伸縮絕對(duì)值為1×10-6或更小。
17.如權(quán)利要求13所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，所述磁芯主體用固化前粘度為1帕·秒(Pa·s)或更小，可通過固化膠凝起來的硅酮橡膠浸漬。
18.如權(quán)利要求13所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，所述磁芯主體用固化前粘度為1.5帕·秒(Pa·s)或更小，JISA硬度為10或更小的硅酮橡膠浸漬，所述硅酮橡膠起粘接劑作用，用于將所述磁芯主體固定在磁芯殼體上。
19.如權(quán)利要求13所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，所述用于將所述磁芯主體固定在所述磁芯殼體上的粘接劑為固化前粘度為2帕·秒(Pa·s)或更小，固化后JISA硬度為25或更小的硅酮橡膠。
20.如權(quán)利要求19所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，所述粘接劑涂敷在所述磁芯殼體底面的2～4個(gè)部分上。
21.如權(quán)利要求13所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，所述磁芯殼體的外徑為10毫米(mm)或更小，內(nèi)徑為3.5毫米(mm)或更大，高度為1.3毫米(mm)或更小，當(dāng)輸入0.1伏(V)電壓時(shí)，10千赫(kHz)下的AL值為6.0微亨/牛頓2(μH/N2)或更大。
22.如權(quán)利要求13所述的脈沖變壓器磁芯，其特征為，50％或更多的所述軟磁合金基本上由體心立方細(xì)晶粒構(gòu)成，晶粒平均尺寸為30納米(nm)或更小，所述軟磁合金包括鐵(Fe)作為主要成份，至少有一個(gè)元素是從由鈦(Ti)，鋯(Zr)，鉿(Hf)，釩(V)，鈮(Nb)，鉭(Ta)，鉬(Mo)和鎢(W)與硼(B)組成的元素組中選出的。
全文摘要
一種脈沖變壓器磁芯，它包括一個(gè)由厚度為25微米(μm)或更小的軟磁合金帶制成的磁芯主體，當(dāng)輸入0.1伏(V)電壓時(shí)，該磁芯主體在10千赫(kHz)下的AL值為4.0微亨/牛頓
文檔編號(hào)H01F1/12GK1162184SQ9710061
公開日1997年10月15日 申請(qǐng)日期1997年3月6日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月7日
發(fā)明者內(nèi)藤豐, 半谷勝章, 畑內(nèi)隆史, 牧野彰宏, 和田真治郎, 齊藤雄一, 井上明久, 增本健 申請(qǐng)人:阿爾卑斯電氣株式會(huì)社, 科學(xué)技術(shù)振興事業(yè)團(tuán), 井上明久, 增本健