專利名稱：鐵氧體和變壓器及其驅(qū)動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于變壓器磁心的Mn-Zn鐵氧體，其中，在高溫下磁心損耗低并且飽和磁通量密度高，本發(fā)明還涉及具有一種Mn-Zn鐵氧體磁心的變壓器，用于切換轉(zhuǎn)換器和顯示器的電源，本發(fā)明還涉及一種驅(qū)動所述的變壓器的方法。
本發(fā)明還涉及一種具有Mn-Zn鐵氧體磁心的變壓器，其中，當其驅(qū)動溫度范圍在50～70℃左右之間時，磁心損耗低，飽和磁通量密度高，本發(fā)明還涉及一種驅(qū)動所述變壓器的方法。
Mn-Zn鐵氧體廣泛用作各種通訊設(shè)備、家用或工業(yè)設(shè)備等的變壓器用材料。傳統(tǒng)的切換電源中的變壓器使用在60～100℃之間的溫度，電源的切換頻率在10～100kHz之間。變壓器中的最小磁心損耗在實用溫度范圍內(nèi)，到目前為止已經(jīng)進行了添加劑的加入、元素取代、燒成條件改變等各種研究，以便降低在實用溫度范圍內(nèi)的變壓器的磁心損耗(見日本專利申請公開(JP-A)Hei-8-169756等)。隨著最近的趨勢向著小型化輕量化的切換電源方向發(fā)展，高頻已經(jīng)用作切換頻率。已經(jīng)開發(fā)了頻率在500kHz～1MHz左右之間的低磁心損耗材料(見JP-AHei-8-148323等)。
然而，由于變壓器本身產(chǎn)生熱量并用在高溫條件下，所以，實際驅(qū)動變壓器磁心的溫度常常較高，在80～110℃范圍內(nèi)。
在JP-A Hei-3-141612和Hei-7-297020中已經(jīng)提出了用于該類型電源的鐵氧體。其中提出的Mn-Zn鐵氧體含有不小于10mol％的ZnO的基本組分，并且在前者(Hei-3-141612)中含有Nb2O5添加劑，或者在后者(Hei-7-297020)中含有與ZrO2結(jié)合使用的Nb2O5，另外，SnO2和TiO2的添加量不小于300ppm，從而在那些鐵氧體中降低了磁心損耗。
但是，仍然希望磁性氧化物材料不僅滿足低磁心損耗的要求，而且滿足高飽和磁通量密度的要求，以實現(xiàn)在上述的實用溫度范圍內(nèi)的小型高效的變壓器。
ZnO含量不小于10mol％的Mn-Zn鐵氧體可以實現(xiàn)降低其磁心損耗的要求，但是在上述的實用溫度范圍內(nèi)，尤其是在100～110℃之間的溫度下不能實現(xiàn)增大飽和磁通量密度的要求。
在這方面，通過向Mn-Zn鐵氧體中添加SnO2和TiO2進行元素取代可以實現(xiàn)在所述鐵氧體中的磁心損耗的降低。但是，沒有已知的磁性氧化物材料能夠?qū)崿F(xiàn)在上述的實用溫度范圍內(nèi)增大飽和磁通量密度。
另一方面，在磁性氧化物材料的實用溫度范圍寬時，例如，在20～120℃之間，不可缺少地要求該材料滿足其低磁心損耗的要求。然而，如果在材料中的飽和磁通量密度隨使用含有該材料的電源的溫度而變化，結(jié)果，如果改變材料的磁導率，即使材料周圍的磁場不變，材料的感應系數(shù)也將隨周圍溫度發(fā)生變化。因此，由于這些原因，在材料用于功率濾波時，輸出功率的脈動將會變化，從而產(chǎn)生含有所述材料的電源的功率輸出特性變化的問題。
ZnO含量不小于10mol％的Mn-Zn鐵氧體可以實現(xiàn)降低其磁心損耗，但是，在上述的實用溫度范圍內(nèi)，其中的飽和磁通量密度的溫度依賴特性變化范圍大。
由于上述原因，希望開發(fā)適用于在高溫下使用并且在包括高溫的寬溫度范圍內(nèi)使用的鐵氧體和變壓器。
另一方面，希望的是在其本身產(chǎn)生少量熱量的條件下，在其驅(qū)動溫度下的磁心損耗低的變壓器。對于在該情況下的這樣的變壓器，仍然希望降低其高頻磁心損耗來滿足小型輕量化切換電源的要求。變壓器的驅(qū)動溫度一般在50～70℃。但是，隨著在變壓器中產(chǎn)生熱量的知識的進展，可以設(shè)計用于變壓器的鐵氧體使得含有所述的鐵氧體的變壓器的磁心損耗可以在80～100℃的溫度范圍內(nèi)為最低(見JP-A Hei-3-141612、Hei-7-297020、Hei-8-169756等)。在這些專利公開中，JP-A Hei-8-169756公開了一種低磁心損耗的Mn-Zn鐵氧體磁心，基本由25～40mol％的MnO、6～25mol％的ZnO和余量為Fe2O3組成，并含有作為副組分的0.002～0.040wt％的SiO2和0.02～0.20wt％的CaO，其中，副組分元素偏析在晶界上使其濃度分布的半寬不大于10nm。在JP-A Hei-8-169756中提出副組分還可以包括Nb2O5、Ta2O5、ZrO2和V2O5。設(shè)計了在其實施例中實際演示的試樣的組成使得其中的磁心損耗可以在90℃最低。簡言之，那些試樣中的基本組分由53.5mol％的Fe2O3、34.5mol％的MnO和12.0mol％的ZnO組成。
在JP-A Hei-8-169756中，設(shè)計了鐵氧體使得其中的磁心損耗可以在高于其驅(qū)動溫度的溫度下為最低。但是，在變壓器本身可以產(chǎn)生少量熱量的條件下，在驅(qū)動變壓器的50～70℃的溫度范圍內(nèi)在變壓器內(nèi)的磁心損耗較低是必要的。
為了滿足要求，JP-A Hei-8-191011公開了一種Mn-Zn-Co鐵氧體，其中，在上述的驅(qū)動溫度范圍內(nèi)降低了磁心損耗?？梢源嬖谟谠撹F氧體中的添加劑氧化物包括SiO2、CaO、ZrO2和Ta2O5。
然而，在JP-A Hei-8-191011中的Mn-Zn-Co鐵氧體仍然是有問題的，其中，在50～70℃的驅(qū)動溫度范圍內(nèi)其中的磁心損耗不能降低到令人滿意的水平，所以要求對其進一步研究。
本發(fā)明的第一個目的是提供一種在高溫下磁心損耗低并且飽和磁通量密度高的鐵氧體。第二個目的是提供一種能夠小型化并且適合于在高溫下使用的變壓器。第三個目的是提供一種能夠小型化并且適合于在包括高溫的寬溫度范圍內(nèi)使用的變壓器。第四個目的是提供一種在高溫下有效驅(qū)動小型變壓器的方法。第五個目的是提供一種能夠小型化的高效變壓器，其中的磁心用一種鐵氧體制造，該鐵氧體使得在變壓器的驅(qū)動溫度范圍(50～70℃)內(nèi)，其中的磁心損耗低且飽和磁通量密度高。第六個目的是提供一種有效驅(qū)動變壓器的方法。
通過提供下列內(nèi)容的本發(fā)明達到了上述的目的(1)一種基本由按Fe2O3計算的含量為53～55mol％的氧化鐵、按ZnO計算的含量為6.5～9.5mol％的氧化鋅和氧化錳組成的鐵氧體，并且含有作為副組分的按SiO2計算的含量為80～150ppm的氧化硅、按CaCO3計算的含量為600～1000ppm的氧化鈣、按Nb2O5計算的含量為150～400ppm的氧化鈮、按ZrO2計算的含量為40～300ppm的氧化鋯。
(2)一種變壓器，其磁心用一種鐵氧體制造，該鐵氧體基本由按Fe2O3計算的含量為53～55mol％的氧化鐵、按ZnO計算的含量為4.0～9.5mol％的氧化鋅和氧化錳組成，并且含有作為副組分的按SiO2計算的含量為60～200ppm的氧化硅、按CaCO3計算的含量為300～1200ppm的氧化鈣、按Nb2O5計算的含量為50～500ppm的氧化鈮、按ZrO2計算的含量為10～450ppm的氧化鋯，其中，在100～120℃之間的溫度下，在所述鐵氧體中的飽和磁通量密度(直流)不小于410mT。
(3)在(2)中的變壓器，其中，在鐵氧體中的最小磁心損耗在100～110℃之間的溫度范圍內(nèi)，最小磁心損耗(在100kHz的頻率下)不大于300kW/m3。
(4)在(2)或(3)中的變壓器，其中，所述的鐵氧體基本由按Fe2O3計算的含量為53～55mol％的氧化鐵、按ZnO計算的含量為6.5～9.5mol％的氧化鋅和氧化錳組成，并且含有作為副組分的按SiO2計算的含量為80～150ppm的氧化硅、按CaCO3計算的含量為600～1000ppm的氧化鈣、按Nb2O5計算的含量為150～400ppm的氧化鈮、按ZrO2計算的含量為40～300ppm的氧化鋯。
(5)一種變壓器，其磁心用一種鐵氧體制造，該鐵氧體基本由按Fe2O3計算的含量為53～55mol％的氧化鐵、按ZnO計算的含量為2.0～8.0mol％的氧化鋅和氧化錳組成，并且含有作為副組分的按SiO2計算的含量為60～200ppm的氧化硅、按CaCO3計算的含量為300～1200ppm的氧化鈣、按Nb2O5計算的含量為50～500ppm的氧化鈮、按ZrO2計算的含量為10～450ppm的氧化鋯，其中，在20～120℃之間的溫度下，在鐵氧體中的飽和磁通量密度(直流)的溫度依賴性系數(shù)的絕對值不大于1.6mT/℃。
(6)一種用于驅(qū)動其磁心用一種鐵氧體制造的變壓器的方法，所述的鐵氧體基本由按Fe2O3計算的含量為53～55mol％的氧化鐵、按ZnO計算的含量為4.0～9.5mol％的氧化鋅和氧化錳組成，并且含有作為副組分的按SiO2計算的含量為60～200ppm的氧化硅、按CaCO3計算的含量為300～1200ppm的氧化鈣、按Nb2O5計算的含量為50～500ppm的氧化鈮、按ZrO2計算的含量為10～450ppm的氧化鋯，其中，在60～120℃之間的溫度下、在20～500kHz之間的頻率下、在200～500mT的激勵磁通量密度下驅(qū)動變壓器。
(7)根據(jù)(6)中的驅(qū)動一種變壓器的方法，其中，用于變壓器的磁心的鐵氧體基本由按Fe2O3計算的含量為53～55mol％的氧化鐵、按ZnO計算的含量為6.5～9.5mol％的氧化鋅和氧化錳組成，并且含有作為副組分的按SiO2計算的含量為80～150ppm的氧化硅、按CaCO3計算的含量為600～1000ppm的氧化鈣、按Nb2O5計算的含量為150～400ppm的氧化鈮、按ZrO2計算的含量為40～300ppm的氧化鋯。
(8)一種變壓器，其磁心用一種鐵氧體制造，該鐵氧體基本由按Fe2O3計算的含量為54～56mol％的氧化鐵、按ZnO計算的含量為6～11mol％的氧化鋅和氧化錳組成，并且含有作為副組分的按SiO2計算的含量為80～150ppm的氧化硅、按CaCO3計算的含量為600～1000ppm的氧化鈣、按Nb2O5計算的含量為150～400ppm的氧化鈮、按ZrO2計算的含量為40～300ppm的氧化鋯，其中，在60℃，在所述鐵氧體中的飽和磁通量密度(直流)不小于480mT，在所述鐵氧體中的最小磁心損耗在50～70℃的溫度范圍內(nèi)，最小磁心損耗(在100kHz的頻率下)不大于260kW/m3。
(9)在(8)中的變壓器，其中，所述鐵氧體中的氧化鋅含量按ZnO計算在6～9.5mol％之間。
(10)在(8)或(9)中的變壓器，其中，在60℃，在所述鐵氧體中的飽和磁通量密度(直流)不小于500mT。
(11)一種用于驅(qū)動在(8)～(10)中的任一個的變壓器的方法，其溫度在50～70℃之間，頻率在20～500kHz之間，激勵磁通量密度在125～500mT之間。
在JP-A Hei-8-169756中，提出的是一種ZnO含量為6～25mol％的Mn-Zn鐵氧體，其中，在90℃左右的溫度下，磁心損耗低。但是在該專利中，在實施例中具體說明的試樣的ZnO含量為12.0mol％，F(xiàn)e2O3的含量為53.5mol％。所以，JP-A Hei-8-169756的發(fā)明將明顯區(qū)別于本發(fā)明。
在JP-A Hei-8-148323中，表明的是在中等頻率到高頻帶的范圍內(nèi)具有一定磁心損耗降低程度的磁性材料。在該專利中，在實施例中參考的對比實施例的ZnO含量為8.0mol％。但是，在JP-A Hei-8-148323中沒有提到與向鐵氧體中加入Nb2O5相關(guān)的任何內(nèi)容。所以，JP-AHei-8-148323的技術(shù)思路基本不同于本發(fā)明的技術(shù)思路。
在JP-A Hei-8-191011中，表明的是用于變壓器的Mn-Zn-Co鐵氧體，其中，降低了在變壓器驅(qū)動溫度下的磁心損耗。但是，在JP-AHei-8-191011中沒有提到與向鐵氧體中加入Nb2O5相關(guān)的任何內(nèi)容。所以，JP-A Hei-8-191011的技術(shù)思路基本不同于本發(fā)明的技術(shù)思路。


圖1是表示在鐵氧體試樣中的磁心損耗的溫度依賴性變化的圖；圖2是表示在鐵氧體試樣中的飽和磁通量密度的溫度依賴性變化的圖。
下文將詳細描述本發(fā)明。
用于本發(fā)明的變壓器的一個實施方案的鐵氧體磁心材料包括一種具有下列組成的鐵氧體，其中，在100～120℃的溫度下的飽和磁通量密度Bs(直流)不小于410mT。
基本組分氧化鐵含量為53～55mol％(按Fe2O3計算)，氧化鋅含量為4.0～9.5mol％，優(yōu)選的是6.5～9.5mol％(按ZnO計算)，氧化錳為余量(按MnO計算)。
副組分氧化硅含量為60～200ppm，優(yōu)選的是80～150ppm(按SiO2計算)，
氧化鈣含量為300～1200ppm，優(yōu)選的是600～1000ppm(按CaCO3計算)，氧化鈮含量為50～500ppm，優(yōu)選的是150～400ppm(按Nb2O5計算)，氧化鋯含量為10～450ppm，優(yōu)選的是40～300ppm(按ZrO2計算)。
鐵氧體組成的特征在于在上述的高溫下具有高的Bs，并且在高溫范圍(100和110℃之間)內(nèi)磁心損耗降低。
所以，其磁心用上述類型的鐵氧體制造的變壓器即使在鐵氧體磁心的溫度由于變壓器本身產(chǎn)生的熱量或者在高溫條件下達到80～110℃時，仍然可以有效地驅(qū)動，所以，所述變壓器適合于在高溫下使用。更具體地，由于所述鐵氧體材料實現(xiàn)了在高溫下的高Bs，在變壓器內(nèi)的鐵氧體磁心可以小型化，所以，變壓器自身也可以小型化。此外，由于高溫下在變壓器中的磁心損耗小，所以，變壓器在高溫下消耗的功率及其產(chǎn)生的熱量可以減小。
在具有上述組成的鐵氧體中的Bs(直流)在100～120℃的溫度下不小于410mT。如圖2所示，Bs相對于周圍溫度的變化而線性地變化，其溫度依賴性系數(shù)為負值。因此，所述鐵氧體中的Bs在120℃下必須至少為410mT。優(yōu)選的是，在上述溫度范圍內(nèi)，在鐵氧體中的Bs至少為415mT，更優(yōu)選的是至少420mT。雖然沒有具體確定，但是Bs的上限可能為500mT左右。Bs的溫度依賴性系數(shù)用下面的公式表示，其中，Bs[100℃]表示在100℃的Bs值，Bs[120℃]表示在120℃的Bs值。所述的系數(shù)一般在從-1.6到0mT/℃左右。
溫度依賴性系數(shù)=(Bs[120℃]-Bs[100℃])/(120℃-100℃)在20～500kHz(優(yōu)選的是75～150kHz之間)之間的頻率下，在200～500mT(優(yōu)選的是在200～350mT之間)之間的激勵磁通量密度下測定鐵氧體中的磁心損耗時，其最小值在100～110℃之間的溫度范圍內(nèi)，所測得的磁心損耗(在100kHz和200mT下)最大為300kW/m3，優(yōu)選的是最大為270kW/m3。雖然沒有具體確定，但是磁心損耗的下限可能是200kW/m3左右。
與上述的鐵氧體組成相反，基本組分的組成在上述范圍之外的其它鐵氧體中的磁心損耗高；其Bs通常較低，這取決于基本組分的組成。為了降低其中的磁心損耗，許多用于變壓器的傳統(tǒng)Mn-Zn鐵氧體材料的ZnO含量不小于10mol％。與此相反，本發(fā)明的特征在于在鐵氧體中的ZnO含量降低，從而增大了鐵氧體中的Bs。所以，在本發(fā)明中，如果鐵氧體的ZnO含量大于9.5mol％，將降低在鐵氧體中的Bs。然而，另一方面，如果鐵氧體中的ZnO含量小于4.0mol％，在鐵氧體中的磁心損耗將增大。如果鐵氧體的Fe2O3含量小于53mol％，在鐵氧體中的磁心損耗最低的溫度將高于110℃，從而導致在預定的溫度范圍內(nèi)鐵氧體中的磁心損耗增大。在Fe2O3含量為54～55mol％的鐵氧體中，隨著Fe/Mn比的變化，在鐵氧體中的磁心損耗可以在50～110℃之間的任一溫度達到最低。所以，根據(jù)變壓器的預計的溫度范圍，有可能選擇鐵氧體的任何理想的組成，其中，磁心損耗在所述溫度范圍內(nèi)可以最低。但是，如果鐵氧體中的Fe2O3含量大于55mol％，在鐵氧體中的磁心損耗在100～110℃的溫度范圍內(nèi)不能達到最低，在鐵氧體中的最小磁心損耗將在低于該范圍的溫度下出現(xiàn)。所以，如果這樣，在鐵氧體中的磁心損耗在預計的溫度范圍內(nèi)將會增大。
在本發(fā)明的鐵氧體中的副組分的組成范圍基本是為了實現(xiàn)降低在鐵氧體中的磁心損耗的目的而確定的。如果構(gòu)成鐵氧體的副組分的含量在所確定的范圍之外，在鐵氧體中的磁心損耗將會增大。SiO2和CaO形成鐵氧體的晶間相，并貢獻于鐵氧體的電阻的增大。因此，如果它們的加入量太小，它們對電阻增大的貢獻就小；但是如果太大，它們將導致鐵氧體中異常晶粒長大，從而使鐵氧體中的磁心損耗增大。所以，由于這些原因，SiO2和CaCO3的加入量確定在上述范圍內(nèi)。與SiO2和CaCO3一起加入到鐵氧體中的Nb2O5和ZrO2的作用是防止鐵氧體中的異常晶粒長大，并且在鐵氧體的晶界內(nèi)形成薄而均勻的高電阻相。用該方法，Nb2O5和ZrO2進一步降低了鐵氧體中的磁心損耗。但是，如果它們的含量大于所確定的范圍，副組分將會引起鐵氧體中的異常晶粒長大，從而增大其中的磁心損耗。相反，如果它們的含量小于所確定的范圍，副組分將是無效的，不能對鐵氧體中的磁心損耗的降低有貢獻。
鐵氧體的平均晶粒尺寸一般可以在10～30μm左右之間。
為了實現(xiàn)在鐵氧體中的磁心損耗的降低，如果有必要，可以向鐵氧體中以不大于5000ppm的用量加入另外的副組分氧化錫(其含量按SnO2計算)和/或氧化鈦(其含量按TiO2計算)。但是，四價的非磁性陽離子Sn和Ti可以在構(gòu)成鐵氧體的晶粒中形成溶質(zhì)，從而使鐵氧體的Bs降低百分之幾。
特征在于在上述的預定的溫度范圍內(nèi)，鐵氧體的磁心損耗低，其Bs高的本發(fā)明的效果在構(gòu)成鐵氧體的組分的含量在上述的優(yōu)選的范圍內(nèi)時得到進一步增強。
本發(fā)明的變壓器具有一個用具有上述組成和特征的鐵氧體制造的磁心，所以在60～120℃(優(yōu)選的是在100～110℃之間)之間的溫度下、在20～500kHz(優(yōu)選的是在75～150kHz之間)的頻率下，以及在200～500mT(優(yōu)選的是在200～350mT之間)的激勵磁通量密度下，得到了良好的驅(qū)動。
另一方面，具有下述組成的鐵氧體的特征在于在20～120℃的溫度下，在鐵氧體中的Bs的溫度依賴性系數(shù)的絕對值不大于1.6mT/℃。所以，用所述鐵氧體制造磁心的變壓器可以在20～120℃的寬溫度范圍內(nèi)驅(qū)動。
基本組分氧化鐵含量為53～55mol％(按Fe2O3計算)，氧化鋅含量為2.0～8.0mol％，優(yōu)選的是6.5～8.0mol％(按ZnO計算)，氧化錳為余量(按MnO計算)。
副組分氧化硅含量為60～200ppm，優(yōu)選的是80～150ppm(按SiO2計算)，
氧化鈣含量為300～1200ppm，優(yōu)選的是600～1000ppm(按CaCO3計算)，氧化鈮含量為50～500ppm，優(yōu)選的是150～400ppm(按Nb2O5計算)，氧化鋯含量為10～450ppm，優(yōu)選的是40～300ppm(按ZrO2計算)。
鐵氧體組成的特征在于在20～120℃的溫度范圍內(nèi)其中的Bs高并且在該溫度范圍內(nèi)線性地變化(見圖2)，Bs的溫度依賴性系數(shù)在-1.6～0mT/℃之間，其中的最小磁心損耗在高溫范圍內(nèi)(90～120℃之間)，并且在高溫下其中的磁心損耗低。Bs的溫度依賴性系數(shù)用下面的公式表示，其中，Bs[20℃]表示在20℃的Bs值，Bs[120℃]表示在120℃的Bs值。
溫度依賴性系數(shù)，dBs/dT(T=20～120℃)=(Bs[120℃]-Bs[20℃])/(120℃-20℃)在20～120℃的溫度下的Bs至少為410mT，優(yōu)選的是至少415mT，更優(yōu)選的是至少420mT。雖然沒有具體確定，Bs的上限可能在500mT左右。
如果鐵氧體的ZnO含量大于8.0mol％，在鐵氧體中的Bs的溫度依賴性系數(shù)的絕對值將大于1.6。但是，另一方面，如果鐵氧體的ZnO含量小于2.0mol％，在鐵氧體中的磁心損耗將會太高。
本發(fā)明的變壓器的另一個實施方案的鐵氧體磁心材料包括一種具有下述組成的鐵氧體，其中，在60℃的飽和磁通量密度Bs(直流)不小于480mT，磁心損耗在50～70℃的溫度范圍內(nèi)最低，最小磁心損耗(在100kHz的頻率下)不大于260kW/m3。
基本組分氧化鐵含量為54～56mol％，優(yōu)選的是54.5～55％(按Fe2O3計算)，氧化鋅含量為6～11mol％，優(yōu)選的是6～9.5mol％，還要更優(yōu)選的是7.0～9.0mol％(按ZnO計算)，
氧化錳為余量(按MnO計算)。
副組分氧化硅含量為80～150ppm(按SiO2計算)，氧化鈣含量為600～1000ppm(按CaCO3計算)，氧化鈮含量為150～400ppm(按Nb2O5計算)，氧化鋯含量為40～300ppm(按ZrO2計算)。
如上文所述，鐵氧體組成的特征在于在50～70℃左右的變壓器驅(qū)動溫度范圍內(nèi)的溫度下的Bs高，在該溫度范圍內(nèi)的磁心損耗降低。
所以，在生產(chǎn)變壓器磁心中使用該類型的鐵氧體的磁心材料實現(xiàn)了高效率的變壓器。更具體地，在變壓器中的鐵氧體磁心可以小型化，所以，變器本身可以小型化。此外，由于在變壓器中的磁心損耗低，所以，變壓器本身消耗的功率及其自身產(chǎn)生的熱量可以減少。
在具有上述組成的鐵氧體中，在60℃的Bs(直流)不小于480mT，但是優(yōu)選的是不小于500mT，更優(yōu)選的是不小于505mT。雖然沒有具體確定，但是Bs的上限可能為600mT左右。
在20～500kHz(優(yōu)選的是75～150kHz之間)之間的頻率下，在125～500mT(優(yōu)選的是200～350mT)的激勵磁通量密度下測量了在鐵氧體中的磁心損耗最低的溫度范圍，以及在該溫度范圍內(nèi)的最小磁心損耗。在鐵氧體中的磁心損耗在50～70℃之間的溫度范圍內(nèi)最低，最小磁心損耗(在100kHz和200mT下)為最大260kW/m3，優(yōu)選的是最大250kW/m3。雖然沒有具體確定，磁心損耗的下限可能為100kW/m3左右。
與上述的鐵氧體組成相反，在基本組分的組成在上述范圍之外的其它鐵氧體中的Bs不可能高，并且其中的磁心損耗高。確定鐵氧體中的Fe2O3含量在上述范圍內(nèi)的原因如下。為了使在電源等中的變壓器在用于變壓器的驅(qū)動溫度范圍內(nèi)能夠最有效地驅(qū)動，如上所述，應降低在驅(qū)動溫度范圍內(nèi)的變壓器中的磁心損耗。為此，由于在變壓器中的磁心損耗隨其中的溫度變化而變化，必要的是磁心損耗在驅(qū)動變壓器的溫度范圍內(nèi)或者在該溫度范圍(即變壓器的驅(qū)動溫度范圍)的附近最低，并且在所述驅(qū)動溫度范圍內(nèi)磁心損耗低。為此，控制用于變壓器磁心的鐵氧體的Fe2O3含量是眾所周知的。如果Fe2O3含量大于56mol％，在低于預計的溫度范圍的50℃的溫度下，鐵氧體磁心中的磁心損耗最低，也就是說，在預計的溫度范圍內(nèi)，磁心損耗高。取決于在Fe2O3含量為54～55mol％的鐵氧體中的Fe/Mn比，鐵氧體中的磁心損耗可以在50～110℃之間的任何溫度達到最低。所以，根據(jù)預計的用于變壓器的溫度范圍，有可能選擇任何理想的鐵氧體組成，其中磁心損耗在所述溫度范圍內(nèi)時較低的。但是，如果鐵氧體的Fe2O3含量大于55mol％，在鐵氧體中的最小磁心損耗可以出現(xiàn)在較低的溫度下，但是在其不大于56mol％時，在預計的溫度范圍內(nèi)，鐵氧體中的磁心損耗將會降低。但是，另一方面，如果Fe2O3含量小于54mol％，在鐵氧體的最小磁心損耗將出現(xiàn)在較高的溫度，從而導致在預計的溫度范圍內(nèi)磁心損耗高。確定鐵氧體的ZnO含量在上述范圍內(nèi)的原因是因為如果它大于11mol％，在鐵氧體中的Bs較低，如果小于6mol％，其中磁心損耗將會增大。
為了實現(xiàn)在鐵氧體中的磁心損耗的降低，基本確定了在鐵氧體中的副組分的組成范圍。如果構(gòu)成鐵氧體的副組分的量在所確定的范圍之外，鐵氧體中的磁心損耗將會增大。SiO2和CaO在鐵氧體中形成一種晶間相，并對鐵氧體的電阻的增大有貢獻。因此，如果它們加入到鐵氧體的量太小，它們對電阻增大的貢獻小；但是如果太大，它們將會引起鐵氧體中的異常晶粒長大，從而使鐵氧體的磁心損耗將增大。所以，出于這些原因，確定鐵氧體中的SiO2的量在80～150ppm，確定CaCO3的量在600～1000ppm之間。與SiO2和CaCO3一起加入到鐵氧體中的Nb2O5和ZrO2的作用是防止鐵氧體中的異常晶粒長大，并對鐵氧體中的晶界中形成薄的均勻的高電阻相有貢獻。以該方式，Nb2O5和ZrO2的作用是進一步降低鐵氧體中的磁心損耗。但是，如果它們的用量大于所確定的范圍，副組分將引起鐵氧體中的異常晶粒長大，從而增大其中的磁心損耗。相反，如果它們的含量小于所確定的范圍，副組分將是無效的，并且不能對鐵氧體中的磁心損耗的降低有貢獻。
用Ta2O5代替Nb2O5將增大鐵氧體中的磁心損耗。
鐵氧體的平均晶粒尺寸一般可以在10～30μm左右之間。
為了實現(xiàn)鐵氧體中的磁心損耗的降低，如果有必要，可以以不大于5000ppm的量向鐵氧體中加入另外的副組分氧化錫(其量按SnO2計算)和/或氧化鈦(其量按TiO2計算)。但是，四價非磁性陽離子Sn和Ti可以在鐵氧體的晶粒中形成溶質(zhì)，從而使鐵氧體中的Bs降低百分之幾。
也可以向鐵氧體中加入氧化鈷。在實際應用中，鐵氧體的氧化鈷含量在0～3000ppm左右之間，按Co3O4計算。
在構(gòu)成鐵氧體的組分的量在上述優(yōu)選的范圍內(nèi)時，進一步增強了特征在于在上述預定溫度范圍內(nèi)鐵氧體中的磁心損耗低以及其中的Bs高的本發(fā)明的效果。
本發(fā)明的變壓器具有一個用具有上述組成和特征的鐵氧體制造的磁心，所以可以在50～70℃,20～500kHz(優(yōu)選的是在75～150kHz之間)之間的頻率下以及在125～500mT之間(優(yōu)選的是在200～350mT之間)的激勵磁通量密度下得以良好地驅(qū)動。
為了生產(chǎn)用于本發(fā)明的變壓器的鐵氧體磁心的一個實例，首先制備一種預定含量的氧化鐵組分、氧化錳組分和氧化鋅組分的混合物。對于用于本發(fā)明的變壓器的鐵氧體磁心的其它實例，在該階段也可以向所述混合物中加入氧化鈷。
向基本組分混合物中加入上述副組分的化合物?？刂扑鼈兊暮渴沟米罱K的混合物可以具有預定的組成比。在以該方式混合了基本組分和副組分之后，向其加入少量合適的粘合劑，如聚乙烯醇(PVA)，用噴霧干燥器等設(shè)備把混合物造粒成顆粒尺寸在80～200μm左右之間的顆粒。然后，模壓成形顆粒，在控制氧濃度的氣氛中，在1250～1400℃的預定溫度范圍內(nèi)燒成模坯。
通過在按上述方式模壓成形形成了預定形狀的鐵氧體磁心周圍纏繞預定的線圈可以生產(chǎn)本發(fā)明的變壓器。根據(jù)要生產(chǎn)的變壓器的目的和用途，可以改變磁心的形狀和尺寸。例如，磁心可以具有環(huán)形、E-形、RM形、ET形、UU形、FT形、PQ型等任何形狀。本發(fā)明的變壓器可以是小型化的。例如，對于適合于在高溫下使用的那些變壓器，磁心尺寸可以比傳統(tǒng)磁心的尺寸小5～40％。
根據(jù)要生產(chǎn)的變壓器的目的和用途，可以改變用于磁心的線圈匝數(shù)。
本發(fā)明的變壓器可使用在用于各種大大小型化的和節(jié)能的電子設(shè)備的切換電源中。此外，所述的變壓器還可以用于安裝在電動車和混合動力車的電源中。
下文將參考下列實施例更詳細地描述本發(fā)明，但是，這些實施例不限制本發(fā)明的范圍。
實施例實施例1以表1和2所示的預定含量稱量每種基本成分Fe2O3、MnO和ZnO，濕混合，然后在850℃在空氣中煅燒2小時。根據(jù)基本組分的量，向所得的混合物中加入預定量的副組分SiO2、CaCO3、Nb2O5和ZrO2，濕法球磨，以獲得一種鐵氧體粉末。向該粉末中加入按其固體含量計算的0.8wt％的PVA粘合劑，并造粒。所得的顆粒在1噸/平方厘米的壓力下成形成環(huán)形(外徑24mm，內(nèi)徑12mm，厚度5.5mm)。把成形體在控制氧分壓的N2-O2混合氣體的氣氛下，在1300℃的燒成溫度下燒成5小時。這樣獲得了具有外徑20mm、內(nèi)徑10mm、厚度5mm的環(huán)形磁心。通過熒光X射線光譜分析，證實了最終的鐵氧體組成與起始組分的組成一致。
在200mT的激勵磁通量密度和100kHz的頻率下用交流B-H分析儀(IWATSU-SY8232)測試本文獲得的每個試樣中的磁心損耗。此外，用直流B-H分析儀(YEW4192)在15 Oe的磁場下及120℃測試其中的飽和磁通量密度Bs。
表1和2表示在每個試樣中的Bs值和最小磁心損耗，以及磁心損耗最小的溫度。圖1表示在試樣No.103和104(本發(fā)明的試樣)以及試樣No.106(傳統(tǒng)試樣)中的磁心損耗的溫度依賴性變化。
表1
*加入2500ppm的SnO2
**加入3000ppm的SnO2
從表1和2以及圖1的數(shù)據(jù)可知，在高溫下，本發(fā)明的試樣中的飽和磁通量密度高，并且在100～110℃的溫度下，其中的磁心損耗非常低。
具體地，可知與試樣No.106的用于變壓器的傳統(tǒng)鐵氧體磁心相比，本發(fā)明的變壓器的鐵氧體磁心中的磁心損耗低，飽和磁通量密度高。由于實現(xiàn)了這樣的高飽和磁通量密度，所以，本發(fā)明的變壓器的鐵氧體磁心可以小型化，甚至本發(fā)明的變壓器本身也可以小型化。
用本發(fā)明的試樣No.103的鐵氧體磁心，生產(chǎn)的是一種變壓器。
簡言之，所述的鐵氧體磁心是PQ形的，其尺寸為59mm×42mm×27mm(中骨直徑(metatarsal):24mm)。對于磁心的線圈匝數(shù)，初級線圈是1圈，次級線圈是4圈。
發(fā)現(xiàn)變壓器可以在110℃的溫度下，在100kHz的頻率下以及在200mT的激勵磁通量密度下良好地驅(qū)動。
此外，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的鐵氧體磁心比試樣No.106的傳統(tǒng)鐵氧體磁心更小型化(按磁心的截面積計算約為10％)。而且，還發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的變壓器消耗的功率以及由所驅(qū)動的變壓器產(chǎn)生的熱量降低。
實施例2用與實施例1相同的方法，制備的是用于變壓器的鐵氧體磁心試樣(環(huán)形磁心)，每個磁心具有表3所示的組成。同樣，用與實施例1相同的方法，測定在這些試樣中的Bs。
所得的數(shù)據(jù)在表3中。
表3
在本發(fā)明的試樣中，Bs隨著周圍溫度從100℃到110℃到120℃的升高而線性地減小。從表3中的數(shù)據(jù)可知，在這些試樣中的Bs在100～120℃的范圍內(nèi)不低于410mT。在100～110℃的溫度下這些試樣中的磁心損耗低。
實施例3用與實施例1相同的方法，制備的是用于變壓器的鐵氧體磁心試樣(環(huán)形磁心)，每個試樣具有表4和5所示的組成。同樣，用與實施例1相同的方法，測定那些試樣中的Bs。但是，在本實施例中，在20～120℃之間的周圍溫度下測試試樣。表4和5展示了Bs的數(shù)據(jù)和Bs的溫度依賴性系數(shù)，dBs/dT(T=20～120℃)。圖2表示在試樣No.301(本發(fā)明的試樣，與實施例1中的試樣No.103相同)中和在傳統(tǒng)試樣(試樣No.309，與實施例1中的試樣No.106相同)中的Bs的溫度依賴性的變化的圖。
表4<
>*加入2500ppm的SnO2
表5
從表4和5以及圖2中的數(shù)據(jù)可知，本發(fā)明的試樣具有負的Bs溫度依賴性系數(shù)，溫度依賴性系數(shù)的絕對值不大于1.6mT/℃，在20～120℃的溫度下在所述試樣中的Bs高。在100～110℃的溫度下在那些試樣中的磁心損耗小。
實施例4按表6和7所示的預定含量稱量每種基本成分Fe2O3、MnO和ZnO，濕混合，然后在850℃在空氣中煅燒2小時。根據(jù)基本組分的量，向所得的混合物中加入預定量的副組分SiO2、CaCO3、Nb2O5和ZrO2，濕法混磨，以獲得一種鐵氧體粉末。向該粉末中加入按其固體含量計算的0.8wt％的PVA粘合劑，并造粒。所得的顆粒在1噸/平方厘米的壓力下模壓成形成環(huán)形坯體(外徑24mm，內(nèi)徑12mm，厚度5.5mm)。把坯體在控制氧分壓的N2-O2混合氣體的氣氛下，在1300℃的燒成溫度下燒成5小時。這樣獲得了具有外徑20mm、內(nèi)徑10mm、厚度5mm的環(huán)形磁心。用Ta2O5代替Nb2O5，用與本文相同的方法生產(chǎn)一種不同的磁心試樣。通過其熒光X射線光譜分析，證實了最終的鐵氧體組成與起始組分的組成一致。
在200mT的激勵磁通量密度和100kHz的頻率下用交流B-H分析儀(IWATSU-SY8232)測試本文獲得的每個試樣中的磁心損耗。此外，用直流B-H分析儀(YEW4192)在15 Oe的磁場下及60℃的溫度測試其中的飽和磁通量密度Bs。
表6和7表示在每個試樣中的Bs值和最小磁心損耗，以及磁心損耗最小的溫度。
表6
*表示60℃的磁心損耗和最小磁心損耗的溫度。后者在括號中。
表7<
不加入Nb2O5，但加入300ppm的Ta2O5。
從表6和7的數(shù)據(jù)可知，在可以驅(qū)動變壓器的溫度范圍(50～70℃)內(nèi)，本發(fā)明的試樣中的Bs高，并且在所述驅(qū)動溫度范圍內(nèi)其中的磁心損耗低。
與其相反，ZnO含量小于6mol％的試樣中的磁心損耗高(試樣No.409),ZnO含量大于11mol％的試樣的Bs低(試樣No.410)。在Fe2O3含量大于56mol％的試樣中，最小磁心損耗出現(xiàn)在低溫下，在驅(qū)動溫度范圍附近的溫度下的磁心損耗高(試樣No.411)。在所有副組分的量都超出本文所定義的范圍的試樣中，在驅(qū)動溫度范圍附近的溫度下的磁心損耗高(試樣Nos.413～419)。在含有代替Nb2O5的Ta2O5的試樣中，磁心損耗高(試樣No.420)。在Fe2O3含量小于54mol％的鐵氧體磁心中，與在實施例1中的試樣No.101(表1)一樣，最小磁心損耗出現(xiàn)在100～110℃溫度范圍內(nèi)；在驅(qū)動溫度范圍內(nèi)那些磁心中的磁心損耗高(例如，在60℃為431kW/m3)。所以，這樣小含量Fe2O3的鐵氧體磁心不適用于在50～70℃的溫度范圍內(nèi)驅(qū)動的變壓器。
實施例5向?qū)嵤├?(表6)中的試樣402的組成中，加入按Co3O4計算的加入量為2000ppm的氧化鈷，來制備試樣No.402A。在該實施例中，在煅燒之前，把氧化鈷與基本組分Fe2O3、MnO和ZnO混和。
用與實施例4相同的方法評價所述試樣的特性。所得的數(shù)據(jù)表示在表8中。
表8
表8中的數(shù)據(jù)證實了該試樣的實用能力。
實施例6
使用本發(fā)明的實施例4的試樣No.401的鐵氧體磁心，生產(chǎn)的是變壓器A。
簡言之，鐵氧體磁心是PQ形的，其尺寸為59mm×42mm×27mm(中骨直徑24mm)。對于用于磁心的線圈匝數(shù)，初級線圈是1圈，次級線圈為4圈。
發(fā)現(xiàn)變壓器可以在60℃的溫度下，在100kHz的頻率下以及在200mT的激勵磁通量密度下得以良好地驅(qū)動。
根據(jù)本發(fā)明，所得到的是在高溫下磁心損耗低、Bs高的鐵氧體。同樣得到的是能夠小型化的并適合于在高溫下使用的變壓器。變壓器甚至在高溫下也可以有效地驅(qū)動。此外，所述變壓器適合于在包括高溫的寬溫度范圍內(nèi)使用，并可以小型化。
同樣，根據(jù)本發(fā)明，所得到的是能夠小型化的高效率變壓器，其中，在驅(qū)動變壓器的溫度下，鐵氧體磁心的磁心損耗低，其中的飽和磁通量密度高。本發(fā)明的變壓器可以根據(jù)本發(fā)明用于的變壓器的驅(qū)動方法有效地驅(qū)動。
在詳細地描述本發(fā)明并參考其具體的實施方案時，對于本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員，明顯的是可以做出各種變化和改進而不離開本發(fā)明的實質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.一種鐵氧體，基本由按Fe2O3計算的含量為53～55mol％的氧化鐵、按ZnO計算的含量為6.5～9.5mol％的氧化鋅、和氧化錳組成，并且含有作為副組分的按SiO2計算的含量為80～150ppm的氧化硅、按CaCO3計算的含量為600～1000ppm的氧化鈣、按Nb2O5計算的含量為150～400ppm的氧化鈮和按ZrO2計算的含量為40～300ppm的氧化鋯。
2.一種變壓器，其磁心用一種鐵氧體制造，所述的鐵氧體基本由按Fe2O3計算的含量為53～55mol％的氧化鐵、按ZnO計算的含量為4.0～9.5mol％的氧化鋅、和氧化錳組成，并且含有作為副組分的按SiO2計算的含量為60～200ppm的氧化硅、按CaCO3計算的含量為300～1200ppm的氧化鈣、按Nb2O5計算的含量為50～500ppm的氧化鈮和按ZrO2計算的含量為10～450ppm的氧化鋯，其中，在100～120℃之間的溫度下所述的鐵氧體中的飽和磁通量密度(直流)不小于410mT。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的變壓器，其中，在所述的鐵氧體中的最小磁心損耗在100～110℃的溫度范圍內(nèi)，所述的最小磁心損耗(在100kHz的頻率下)不大于300kW/m3。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的變壓器，其中，所述的鐵氧體基本由按Fe2O3計算的含量為53～55mol％的氧化鐵、按ZnO計算的含量為6.5～9.5mol％的氧化鋅、和氧化錳組成，并且含有作為副組分的按SiO2計算的含量為80～150ppm的氧化硅、按CaCO3計算的含量為600～1000ppm的氧化鈣、按Nb2O5計算的含量為150～400ppm的氧化鈮和按ZrO2計算的含量為40～300ppm的氧化鋯。
5.一種變壓器，其磁心用一種鐵氧體制造，所述的鐵氧體基本由按Fe2O3計算的含量為53～55mol％的氧化鐵、按ZnO計算的含量為2.0～8.0mol％的氧化鋅、和氧化錳組成，并且含有作為副組分的按SiO2計算的含量為60～200ppm的氧化硅、按CaCO3計算的含量為300～1200ppm的氧化鈣、按Nb2O5計算的含量為50～500ppm的氧化鈮和按ZrO2計算的含量為10～450ppm的氧化鋯，其中，在20～120℃之間的溫度下在所述的鐵氧體中的飽和磁通量密度(直流)的溫度依賴性系數(shù)的絕對值不大于1.6mT/℃。
6.一種驅(qū)動一種變壓器的方法，所述的變壓器的磁心用一種鐵氧體制造，所述的鐵氧體基本由按Fe2O3計算的含量為53～55mol％的氧化鐵、按ZnO計算的含量為4.5～9.5mol％的氧化鋅、和氧化錳組成，并且含有作為副組分的按SiO2計算的含量為60～200ppm的氧化硅、按CaCO3計算的含量為300～1200ppm的氧化鈣、按Nb2O5計算的含量為50～500ppm的氧化鈮和按ZrO2計算的含量為10～450ppm的氧化鋯，其中，在60～120℃之間的溫度下、在20～500kHz的頻率下、在200～500mT的激勵磁通量密度下驅(qū)動所述的變壓器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的驅(qū)動一種變壓器的方法，其中，用于變壓器磁心的所述鐵氧體基本由按Fe2O3計算的含量為53～55mol％的氧化鐵、按ZnO計算的含量為6.5～9.5mol％的氧化鋅、和氧化錳組成，并且含有作為副組分的按SiO2計算的含量為80～150ppm的氧化硅、按CaCO3計算的含量為600～1000ppm的氧化鈣、按Nb2O5計算的含量為150～400ppm的氧化鈮和按ZrO2計算的含量為40～300ppm的氧化鋯。
8.一種變壓器，其磁心用一種鐵氧體制造，所述的鐵氧體基本由按Fe2O3計算的含量為54～56mol％的氧化鐵、按ZnO計算的含量為6～11mol％的氧化鋅、和氧化錳組成，并且含有作為副組分的按SiO2計算的含量為80～150ppm的氧化硅、按CaCO3計算的含量為600～1000ppm的氧化鈣、按Nb2O5計算的含量為150～400ppm的氧化鈮和按ZrO2計算的含量為40～300ppm的氧化鋯，其中，在60℃所述的鐵氧體的飽和磁通量密度(直流)不小于480mT，所述的鐵氧體中的最小磁心損耗在50～70℃之間的溫度范圍內(nèi)，并且所述的最小磁心損耗(在100kHz的頻率下)不大于260kW/m3。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的變壓器，其中，所述的鐵氧體的氧化鋅含量在6～9.5mol％范圍內(nèi)，按ZnO計算。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的變壓器，其中，在60℃所述的鐵氧體中的飽和磁通量密度(直流)不小于500mT。
11.一種用于在50～70℃之間的溫度下、在20～500kHz之間的頻率下以及在125～500mT之間的激勵磁通量密度下驅(qū)動根據(jù)權(quán)利要求8～10的任一項的變壓器的方法。
全文摘要
本發(fā)明提供:一種Mn－Zn鐵氧體,在高溫下,該鐵氧體中的磁心損耗低,Bs高;一種能夠小型化并適合于在高溫下使用的變壓器;一種有效驅(qū)動所述變壓器的方法。同時提供一種能夠小型化并適合于包括高溫的寬溫度范圍內(nèi)使用的變壓器。還提供一種能夠小型化的高效率變壓器,其中,在驅(qū)動變壓器的溫度下,鐵氧體磁心中的磁心損耗低,飽和磁通量密度高;和一種用于所述變壓器的高效率驅(qū)動方法。所述變壓器磁心使用其組成如說明書所述的Mn－Zn鐵氧體制成。
文檔編號H01F1/34GK1224224SQ9910134
公開日1999年7月28日 申請日期1999年1月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月23日
發(fā)明者齊田仁, 岡本重夫, 黑田朋史, 佐藤直義 申請人:Tdk株式會社