专利名称：铁氧体和变压器及其驱动方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于变压器磁心的Mn-Zn铁氧体，其中，在高温下磁心损耗低并且饱和磁通量密度高，本发明还涉及具有一种Mn-Zn铁氧体磁心的变压器，用于切换转换器和显示器的电源，本发明还涉及一种驱动所述的变压器的方法。
本发明还涉及一种具有Mn-Zn铁氧体磁心的变压器，其中，当其驱动温度范围在50～70℃左右之间时，磁心损耗低，饱和磁通量密度高，本发明还涉及一种驱动所述变压器的方法。
Mn-Zn铁氧体广泛用作各种通讯设备、家用或工业设备等的变压器用材料。传统的切换电源中的变压器使用在60～100℃之间的温度，电源的切换频率在10～100kHz之间。变压器中的最小磁心损耗在实用温度范围内，到目前为止已经进行了添加剂的加入、元素取代、烧成条件改变等各种研究，以便降低在实用温度范围内的变压器的磁心损耗(见日本专利申请公开(JP-A)Hei-8-169756等)。随着最近的趋势向着小型化轻量化的切换电源方向发展，高频已经用作切换频率。已经开发了频率在500kHz～1MHz左右之间的低磁心损耗材料(见JP-AHei-8-148323等)。
然而，由于变压器本身产生热量并用在高温条件下，所以，实际驱动变压器磁心的温度常常较高，在80～110℃范围内。
在JP-A Hei-3-141612和Hei-7-297020中已经提出了用于该类型电源的铁氧体。其中提出的Mn-Zn铁氧体含有不小于10mol％的ZnO的基本组分，并且在前者(Hei-3-141612)中含有Nb2O5添加剂，或者在后者(Hei-7-297020)中含有与ZrO2结合使用的Nb2O5，另外，SnO2和TiO2的添加量不小于300ppm，从而在那些铁氧体中降低了磁心损耗。
但是，仍然希望磁性氧化物材料不仅满足低磁心损耗的要求，而且满足高饱和磁通量密度的要求，以实现在上述的实用温度范围内的小型高效的变压器。
ZnO含量不小于10mol％的Mn-Zn铁氧体可以实现降低其磁心损耗的要求，但是在上述的实用温度范围内，尤其是在100～110℃之间的温度下不能实现增大饱和磁通量密度的要求。
在这方面，通过向Mn-Zn铁氧体中添加SnO2和TiO2进行元素取代可以实现在所述铁氧体中的磁心损耗的降低。但是，没有已知的磁性氧化物材料能够实现在上述的实用温度范围内增大饱和磁通量密度。
另一方面，在磁性氧化物材料的实用温度范围宽时，例如，在20～120℃之间，不可缺少地要求该材料满足其低磁心损耗的要求。然而，如果在材料中的饱和磁通量密度随使用含有该材料的电源的温度而变化，结果，如果改变材料的磁导率，即使材料周围的磁场不变，材料的感应系数也将随周围温度发生变化。因此，由于这些原因，在材料用于功率滤波时，输出功率的脉动将会变化，从而产生含有所述材料的电源的功率输出特性变化的问题。
ZnO含量不小于10mol％的Mn-Zn铁氧体可以实现降低其磁心损耗，但是，在上述的实用温度范围内，其中的饱和磁通量密度的温度依赖特性变化范围大。
由于上述原因，希望开发适用于在高温下使用并且在包括高温的宽温度范围内使用的铁氧体和变压器。
另一方面，希望的是在其本身产生少量热量的条件下，在其驱动温度下的磁心损耗低的变压器。对于在该情况下的这样的变压器，仍然希望降低其高频磁心损耗来满足小型轻量化切换电源的要求。变压器的驱动温度一般在50～70℃。但是，随着在变压器中产生热量的知识的进展，可以设计用于变压器的铁氧体使得含有所述的铁氧体的变压器的磁心损耗可以在80～100℃的温度范围内为最低(见JP-A Hei-3-141612、Hei-7-297020、Hei-8-169756等)。在这些专利公开中，JP-A Hei-8-169756公开了一种低磁心损耗的Mn-Zn铁氧体磁心，基本由25～40mol％的MnO、6～25mol％的ZnO和余量为Fe2O3组成，并含有作为副组分的0.002～0.040wt％的SiO2和0.02～0.20wt％的CaO，其中，副组分元素偏析在晶界上使其浓度分布的半宽不大于10nm。在JP-A Hei-8-169756中提出副组分还可以包括Nb2O5、Ta2O5、ZrO2和V2O5。设计了在其实施例中实际演示的试样的组成使得其中的磁心损耗可以在90℃最低。简言之，那些试样中的基本组分由53.5mol％的Fe2O3、34.5mol％的MnO和12.0mol％的ZnO组成。
在JP-A Hei-8-169756中，设计了铁氧体使得其中的磁心损耗可以在高于其驱动温度的温度下为最低。但是，在变压器本身可以产生少量热量的条件下，在驱动变压器的50～70℃的温度范围内在变压器内的磁心损耗较低是必要的。
为了满足要求，JP-A Hei-8-191011公开了一种Mn-Zn-Co铁氧体，其中，在上述的驱动温度范围内降低了磁心损耗。可以存在于该铁氧体中的添加剂氧化物包括SiO2、CaO、ZrO2和Ta2O5。
然而，在JP-A Hei-8-191011中的Mn-Zn-Co铁氧体仍然是有问题的，其中，在50～70℃的驱动温度范围内其中的磁心损耗不能降低到令人满意的水平，所以要求对其进一步研究。
本发明的第一个目的是提供一种在高温下磁心损耗低并且饱和磁通量密度高的铁氧体。第二个目的是提供一种能够小型化并且适合于在高温下使用的变压器。第三个目的是提供一种能够小型化并且适合于在包括高温的宽温度范围内使用的变压器。第四个目的是提供一种在高温下有效驱动小型变压器的方法。第五个目的是提供一种能够小型化的高效变压器，其中的磁心用一种铁氧体制造，该铁氧体使得在变压器的驱动温度范围(50～70℃)内，其中的磁心损耗低且饱和磁通量密度高。第六个目的是提供一种有效驱动变压器的方法。
通过提供下列内容的本发明达到了上述的目的(1)一种基本由按Fe2O3计算的含量为53～55mol％的氧化铁、按ZnO计算的含量为6.5～9.5mol％的氧化锌和氧化锰组成的铁氧体，并且含有作为副组分的按SiO2计算的含量为80～150ppm的氧化硅、按CaCO3计算的含量为600～1000ppm的氧化钙、按Nb2O5计算的含量为150～400ppm的氧化铌、按ZrO2计算的含量为40～300ppm的氧化锆。
(2)一种变压器，其磁心用一种铁氧体制造，该铁氧体基本由按Fe2O3计算的含量为53～55mol％的氧化铁、按ZnO计算的含量为4.0～9.5mol％的氧化锌和氧化锰组成，并且含有作为副组分的按SiO2计算的含量为60～200ppm的氧化硅、按CaCO3计算的含量为300～1200ppm的氧化钙、按Nb2O5计算的含量为50～500ppm的氧化铌、按ZrO2计算的含量为10～450ppm的氧化锆，其中，在100～120℃之间的温度下，在所述铁氧体中的饱和磁通量密度(直流)不小于410mT。
(3)在(2)中的变压器，其中，在铁氧体中的最小磁心损耗在100～110℃之间的温度范围内，最小磁心损耗(在100kHz的频率下)不大于300kW/m3。
(4)在(2)或(3)中的变压器，其中，所述的铁氧体基本由按Fe2O3计算的含量为53～55mol％的氧化铁、按ZnO计算的含量为6.5～9.5mol％的氧化锌和氧化锰组成，并且含有作为副组分的按SiO2计算的含量为80～150ppm的氧化硅、按CaCO3计算的含量为600～1000ppm的氧化钙、按Nb2O5计算的含量为150～400ppm的氧化铌、按ZrO2计算的含量为40～300ppm的氧化锆。
(5)一种变压器，其磁心用一种铁氧体制造，该铁氧体基本由按Fe2O3计算的含量为53～55mol％的氧化铁、按ZnO计算的含量为2.0～8.0mol％的氧化锌和氧化锰组成，并且含有作为副组分的按SiO2计算的含量为60～200ppm的氧化硅、按CaCO3计算的含量为300～1200ppm的氧化钙、按Nb2O5计算的含量为50～500ppm的氧化铌、按ZrO2计算的含量为10～450ppm的氧化锆，其中，在20～120℃之间的温度下，在铁氧体中的饱和磁通量密度(直流)的温度依赖性系数的绝对值不大于1.6mT/℃。
(6)一种用于驱动其磁心用一种铁氧体制造的变压器的方法，所述的铁氧体基本由按Fe2O3计算的含量为53～55mol％的氧化铁、按ZnO计算的含量为4.0～9.5mol％的氧化锌和氧化锰组成，并且含有作为副组分的按SiO2计算的含量为60～200ppm的氧化硅、按CaCO3计算的含量为300～1200ppm的氧化钙、按Nb2O5计算的含量为50～500ppm的氧化铌、按ZrO2计算的含量为10～450ppm的氧化锆，其中，在60～120℃之间的温度下、在20～500kHz之间的频率下、在200～500mT的激励磁通量密度下驱动变压器。
(7)根据(6)中的驱动一种变压器的方法，其中，用于变压器的磁心的铁氧体基本由按Fe2O3计算的含量为53～55mol％的氧化铁、按ZnO计算的含量为6.5～9.5mol％的氧化锌和氧化锰组成，并且含有作为副组分的按SiO2计算的含量为80～150ppm的氧化硅、按CaCO3计算的含量为600～1000ppm的氧化钙、按Nb2O5计算的含量为150～400ppm的氧化铌、按ZrO2计算的含量为40～300ppm的氧化锆。
(8)一种变压器，其磁心用一种铁氧体制造，该铁氧体基本由按Fe2O3计算的含量为54～56mol％的氧化铁、按ZnO计算的含量为6～11mol％的氧化锌和氧化锰组成，并且含有作为副组分的按SiO2计算的含量为80～150ppm的氧化硅、按CaCO3计算的含量为600～1000ppm的氧化钙、按Nb2O5计算的含量为150～400ppm的氧化铌、按ZrO2计算的含量为40～300ppm的氧化锆，其中，在60℃，在所述铁氧体中的饱和磁通量密度(直流)不小于480mT，在所述铁氧体中的最小磁心损耗在50～70℃的温度范围内，最小磁心损耗(在100kHz的频率下)不大于260kW/m3。
(9)在(8)中的变压器，其中，所述铁氧体中的氧化锌含量按ZnO计算在6～9.5mol％之间。
(10)在(8)或(9)中的变压器，其中，在60℃，在所述铁氧体中的饱和磁通量密度(直流)不小于500mT。
(11)一种用于驱动在(8)～(10)中的任一个的变压器的方法，其温度在50～70℃之间，频率在20～500kHz之间，激励磁通量密度在125～500mT之间。
在JP-A Hei-8-169756中，提出的是一种ZnO含量为6～25mol％的Mn-Zn铁氧体，其中，在90℃左右的温度下，磁心损耗低。但是在该专利中，在实施例中具体说明的试样的ZnO含量为12.0mol％，Fe2O3的含量为53.5mol％。所以，JP-A Hei-8-169756的发明将明显区别于本发明。
在JP-A Hei-8-148323中，表明的是在中等频率到高频带的范围内具有一定磁心损耗降低程度的磁性材料。在该专利中，在实施例中参考的对比实施例的ZnO含量为8.0mol％。但是，在JP-A Hei-8-148323中没有提到与向铁氧体中加入Nb2O5相关的任何内容。所以，JP-AHei-8-148323的技术思路基本不同于本发明的技术思路。
在JP-A Hei-8-191011中，表明的是用于变压器的Mn-Zn-Co铁氧体，其中，降低了在变压器驱动温度下的磁心损耗。但是，在JP-AHei-8-191011中没有提到与向铁氧体中加入Nb2O5相关的任何内容。所以，JP-A Hei-8-191011的技术思路基本不同于本发明的技术思路。
图1是表示在铁氧体试样中的磁心损耗的温度依赖性变化的图；图2是表示在铁氧体试样中的饱和磁通量密度的温度依赖性变化的图。
下文将详细描述本发明。
用于本发明的变压器的一个实施方案的铁氧体磁心材料包括一种具有下列组成的铁氧体，其中，在100～120℃的温度下的饱和磁通量密度Bs(直流)不小于410mT。
基本组分氧化铁含量为53～55mol％(按Fe2O3计算)，氧化锌含量为4.0～9.5mol％，优选的是6.5～9.5mol％(按ZnO计算)，氧化锰为余量(按MnO计算)。
副组分氧化硅含量为60～200ppm，优选的是80～150ppm(按SiO2计算)，
氧化钙含量为300～1200ppm，优选的是600～1000ppm(按CaCO3计算)，氧化铌含量为50～500ppm，优选的是150～400ppm(按Nb2O5计算)，氧化锆含量为10～450ppm，优选的是40～300ppm(按ZrO2计算)。
铁氧体组成的特征在于在上述的高温下具有高的Bs，并且在高温范围(100和110℃之间)内磁心损耗降低。
所以，其磁心用上述类型的铁氧体制造的变压器即使在铁氧体磁心的温度由于变压器本身产生的热量或者在高温条件下达到80～110℃时，仍然可以有效地驱动，所以，所述变压器适合于在高温下使用。更具体地，由于所述铁氧体材料实现了在高温下的高Bs，在变压器内的铁氧体磁心可以小型化，所以，变压器自身也可以小型化。此外，由于高温下在变压器中的磁心损耗小，所以，变压器在高温下消耗的功率及其产生的热量可以减小。
在具有上述组成的铁氧体中的Bs(直流)在100～120℃的温度下不小于410mT。如图2所示，Bs相对于周围温度的变化而线性地变化，其温度依赖性系数为负值。因此，所述铁氧体中的Bs在120℃下必须至少为410mT。优选的是，在上述温度范围内，在铁氧体中的Bs至少为415mT，更优选的是至少420mT。虽然没有具体确定，但是Bs的上限可能为500mT左右。Bs的温度依赖性系数用下面的公式表示，其中，Bs[100℃]表示在100℃的Bs值，Bs[120℃]表示在120℃的Bs值。所述的系数一般在从-1.6到0mT/℃左右。
温度依赖性系数=(Bs[120℃]-Bs[100℃])/(120℃-100℃)在20～500kHz(优选的是75～150kHz之间)之间的频率下，在200～500mT(优选的是在200～350mT之间)之间的激励磁通量密度下测定铁氧体中的磁心损耗时，其最小值在100～110℃之间的温度范围内，所测得的磁心损耗(在100kHz和200mT下)最大为300kW/m3，优选的是最大为270kW/m3。虽然没有具体确定，但是磁心损耗的下限可能是200kW/m3左右。
与上述的铁氧体组成相反，基本组分的组成在上述范围之外的其它铁氧体中的磁心损耗高；其Bs通常较低，这取决于基本组分的组成。为了降低其中的磁心损耗，许多用于变压器的传统Mn-Zn铁氧体材料的ZnO含量不小于10mol％。与此相反，本发明的特征在于在铁氧体中的ZnO含量降低，从而增大了铁氧体中的Bs。所以，在本发明中，如果铁氧体的ZnO含量大于9.5mol％，将降低在铁氧体中的Bs。然而，另一方面，如果铁氧体中的ZnO含量小于4.0mol％，在铁氧体中的磁心损耗将增大。如果铁氧体的Fe2O3含量小于53mol％，在铁氧体中的磁心损耗最低的温度将高于110℃，从而导致在预定的温度范围内铁氧体中的磁心损耗增大。在Fe2O3含量为54～55mol％的铁氧体中，随着Fe/Mn比的变化，在铁氧体中的磁心损耗可以在50～110℃之间的任一温度达到最低。所以，根据变压器的预计的温度范围，有可能选择铁氧体的任何理想的组成，其中，磁心损耗在所述温度范围内可以最低。但是，如果铁氧体中的Fe2O3含量大于55mol％，在铁氧体中的磁心损耗在100～110℃的温度范围内不能达到最低，在铁氧体中的最小磁心损耗将在低于该范围的温度下出现。所以，如果这样，在铁氧体中的磁心损耗在预计的温度范围内将会增大。
在本发明的铁氧体中的副组分的组成范围基本是为了实现降低在铁氧体中的磁心损耗的目的而确定的。如果构成铁氧体的副组分的含量在所确定的范围之外，在铁氧体中的磁心损耗将会增大。SiO2和CaO形成铁氧体的晶间相，并贡献于铁氧体的电阻的增大。因此，如果它们的加入量太小，它们对电阻增大的贡献就小；但是如果太大，它们将导致铁氧体中异常晶粒长大，从而使铁氧体中的磁心损耗增大。所以，由于这些原因，SiO2和CaCO3的加入量确定在上述范围内。与SiO2和CaCO3一起加入到铁氧体中的Nb2O5和ZrO2的作用是防止铁氧体中的异常晶粒长大，并且在铁氧体的晶界内形成薄而均匀的高电阻相。用该方法，Nb2O5和ZrO2进一步降低了铁氧体中的磁心损耗。但是，如果它们的含量大于所确定的范围，副组分将会引起铁氧体中的异常晶粒长大，从而增大其中的磁心损耗。相反，如果它们的含量小于所确定的范围，副组分将是无效的，不能对铁氧体中的磁心损耗的降低有贡献。
铁氧体的平均晶粒尺寸一般可以在10～30μm左右之间。
为了实现在铁氧体中的磁心损耗的降低，如果有必要，可以向铁氧体中以不大于5000ppm的用量加入另外的副组分氧化锡(其含量按SnO2计算)和/或氧化钛(其含量按TiO2计算)。但是，四价的非磁性阳离子Sn和Ti可以在构成铁氧体的晶粒中形成溶质，从而使铁氧体的Bs降低百分之几。
特征在于在上述的预定的温度范围内，铁氧体的磁心损耗低，其Bs高的本发明的效果在构成铁氧体的组分的含量在上述的优选的范围内时得到进一步增强。
本发明的变压器具有一个用具有上述组成和特征的铁氧体制造的磁心，所以在60～120℃(优选的是在100～110℃之间)之间的温度下、在20～500kHz(优选的是在75～150kHz之间)的频率下，以及在200～500mT(优选的是在200～350mT之间)的激励磁通量密度下，得到了良好的驱动。
另一方面，具有下述组成的铁氧体的特征在于在20～120℃的温度下，在铁氧体中的Bs的温度依赖性系数的绝对值不大于1.6mT/℃。所以，用所述铁氧体制造磁心的变压器可以在20～120℃的宽温度范围内驱动。
基本组分氧化铁含量为53～55mol％(按Fe2O3计算)，氧化锌含量为2.0～8.0mol％，优选的是6.5～8.0mol％(按ZnO计算)，氧化锰为余量(按MnO计算)。
副组分氧化硅含量为60～200ppm，优选的是80～150ppm(按SiO2计算)，
氧化钙含量为300～1200ppm，优选的是600～1000ppm(按CaCO3计算)，氧化铌含量为50～500ppm，优选的是150～400ppm(按Nb2O5计算)，氧化锆含量为10～450ppm，优选的是40～300ppm(按ZrO2计算)。
铁氧体组成的特征在于在20～120℃的温度范围内其中的Bs高并且在该温度范围内线性地变化(见图2)，Bs的温度依赖性系数在-1.6～0mT/℃之间，其中的最小磁心损耗在高温范围内(90～120℃之间)，并且在高温下其中的磁心损耗低。Bs的温度依赖性系数用下面的公式表示，其中，Bs[20℃]表示在20℃的Bs值，Bs[120℃]表示在120℃的Bs值。
温度依赖性系数，dBs/dT(T=20～120℃)=(Bs[120℃]-Bs[20℃])/(120℃-20℃)在20～120℃的温度下的Bs至少为410mT，优选的是至少415mT，更优选的是至少420mT。虽然没有具体确定，Bs的上限可能在500mT左右。
如果铁氧体的ZnO含量大于8.0mol％，在铁氧体中的Bs的温度依赖性系数的绝对值将大于1.6。但是，另一方面，如果铁氧体的ZnO含量小于2.0mol％，在铁氧体中的磁心损耗将会太高。
本发明的变压器的另一个实施方案的铁氧体磁心材料包括一种具有下述组成的铁氧体，其中，在60℃的饱和磁通量密度Bs(直流)不小于480mT，磁心损耗在50～70℃的温度范围内最低，最小磁心损耗(在100kHz的频率下)不大于260kW/m3。
基本组分氧化铁含量为54～56mol％，优选的是54.5～55％(按Fe2O3计算)，氧化锌含量为6～11mol％，优选的是6～9.5mol％，还要更优选的是7.0～9.0mol％(按ZnO计算)，
氧化锰为余量(按MnO计算)。
副组分氧化硅含量为80～150ppm(按SiO2计算)，氧化钙含量为600～1000ppm(按CaCO3计算)，氧化铌含量为150～400ppm(按Nb2O5计算)，氧化锆含量为40～300ppm(按ZrO2计算)。
如上文所述，铁氧体组成的特征在于在50～70℃左右的变压器驱动温度范围内的温度下的Bs高，在该温度范围内的磁心损耗降低。
所以，在生产变压器磁心中使用该类型的铁氧体的磁心材料实现了高效率的变压器。更具体地，在变压器中的铁氧体磁心可以小型化，所以，变器本身可以小型化。此外，由于在变压器中的磁心损耗低，所以，变压器本身消耗的功率及其自身产生的热量可以减少。
在具有上述组成的铁氧体中，在60℃的Bs(直流)不小于480mT，但是优选的是不小于500mT，更优选的是不小于505mT。虽然没有具体确定，但是Bs的上限可能为600mT左右。
在20～500kHz(优选的是75～150kHz之间)之间的频率下，在125～500mT(优选的是200～350mT)的激励磁通量密度下测量了在铁氧体中的磁心损耗最低的温度范围，以及在该温度范围内的最小磁心损耗。在铁氧体中的磁心损耗在50～70℃之间的温度范围内最低，最小磁心损耗(在100kHz和200mT下)为最大260kW/m3，优选的是最大250kW/m3。虽然没有具体确定，磁心损耗的下限可能为100kW/m3左右。
与上述的铁氧体组成相反，在基本组分的组成在上述范围之外的其它铁氧体中的Bs不可能高，并且其中的磁心损耗高。确定铁氧体中的Fe2O3含量在上述范围内的原因如下。为了使在电源等中的变压器在用于变压器的驱动温度范围内能够最有效地驱动，如上所述，应降低在驱动温度范围内的变压器中的磁心损耗。为此，由于在变压器中的磁心损耗随其中的温度变化而变化，必要的是磁心损耗在驱动变压器的温度范围内或者在该温度范围(即变压器的驱动温度范围)的附近最低，并且在所述驱动温度范围内磁心损耗低。为此，控制用于变压器磁心的铁氧体的Fe2O3含量是众所周知的。如果Fe2O3含量大于56mol％，在低于预计的温度范围的50℃的温度下，铁氧体磁心中的磁心损耗最低，也就是说，在预计的温度范围内，磁心损耗高。取决于在Fe2O3含量为54～55mol％的铁氧体中的Fe/Mn比，铁氧体中的磁心损耗可以在50～110℃之间的任何温度达到最低。所以，根据预计的用于变压器的温度范围，有可能选择任何理想的铁氧体组成，其中磁心损耗在所述温度范围内时较低的。但是，如果铁氧体的Fe2O3含量大于55mol％，在铁氧体中的最小磁心损耗可以出现在较低的温度下，但是在其不大于56mol％时，在预计的温度范围内，铁氧体中的磁心损耗将会降低。但是，另一方面，如果Fe2O3含量小于54mol％，在铁氧体的最小磁心损耗将出现在较高的温度，从而导致在预计的温度范围内磁心损耗高。确定铁氧体的ZnO含量在上述范围内的原因是因为如果它大于11mol％，在铁氧体中的Bs较低，如果小于6mol％，其中磁心损耗将会增大。
为了实现在铁氧体中的磁心损耗的降低，基本确定了在铁氧体中的副组分的组成范围。如果构成铁氧体的副组分的量在所确定的范围之外，铁氧体中的磁心损耗将会增大。SiO2和CaO在铁氧体中形成一种晶间相，并对铁氧体的电阻的增大有贡献。因此，如果它们加入到铁氧体的量太小，它们对电阻增大的贡献小；但是如果太大，它们将会引起铁氧体中的异常晶粒长大，从而使铁氧体的磁心损耗将增大。所以，出于这些原因，确定铁氧体中的SiO2的量在80～150ppm，确定CaCO3的量在600～1000ppm之间。与SiO2和CaCO3一起加入到铁氧体中的Nb2O5和ZrO2的作用是防止铁氧体中的异常晶粒长大，并对铁氧体中的晶界中形成薄的均匀的高电阻相有贡献。以该方式，Nb2O5和ZrO2的作用是进一步降低铁氧体中的磁心损耗。但是，如果它们的用量大于所确定的范围，副组分将引起铁氧体中的异常晶粒长大，从而增大其中的磁心损耗。相反，如果它们的含量小于所确定的范围，副组分将是无效的，并且不能对铁氧体中的磁心损耗的降低有贡献。
用Ta2O5代替Nb2O5将增大铁氧体中的磁心损耗。
铁氧体的平均晶粒尺寸一般可以在10～30μm左右之间。
为了实现铁氧体中的磁心损耗的降低，如果有必要，可以以不大于5000ppm的量向铁氧体中加入另外的副组分氧化锡(其量按SnO2计算)和/或氧化钛(其量按TiO2计算)。但是，四价非磁性阳离子Sn和Ti可以在铁氧体的晶粒中形成溶质，从而使铁氧体中的Bs降低百分之几。
也可以向铁氧体中加入氧化钴。在实际应用中，铁氧体的氧化钴含量在0～3000ppm左右之间，按Co3O4计算。
在构成铁氧体的组分的量在上述优选的范围内时，进一步增强了特征在于在上述预定温度范围内铁氧体中的磁心损耗低以及其中的Bs高的本发明的效果。
本发明的变压器具有一个用具有上述组成和特征的铁氧体制造的磁心，所以可以在50～70℃,20～500kHz(优选的是在75～150kHz之间)之间的频率下以及在125～500mT之间(优选的是在200～350mT之间)的激励磁通量密度下得以良好地驱动。
为了生产用于本发明的变压器的铁氧体磁心的一个实例，首先制备一种预定含量的氧化铁组分、氧化锰组分和氧化锌组分的混合物。对于用于本发明的变压器的铁氧体磁心的其它实例，在该阶段也可以向所述混合物中加入氧化钴。
向基本组分混合物中加入上述副组分的化合物。控制它们的含量使得最终的混合物可以具有预定的组成比。在以该方式混合了基本组分和副组分之后，向其加入少量合适的粘合剂，如聚乙烯醇(PVA)，用喷雾干燥器等设备把混合物造粒成颗粒尺寸在80～200μm左右之间的颗粒。然后，模压成形颗粒，在控制氧浓度的气氛中，在1250～1400℃的预定温度范围内烧成模坯。
通过在按上述方式模压成形形成了预定形状的铁氧体磁心周围缠绕预定的线圈可以生产本发明的变压器。根据要生产的变压器的目的和用途，可以改变磁心的形状和尺寸。例如，磁心可以具有环形、E-形、RM形、ET形、UU形、FT形、PQ型等任何形状。本发明的变压器可以是小型化的。例如，对于适合于在高温下使用的那些变压器，磁心尺寸可以比传统磁心的尺寸小5～40％。
根据要生产的变压器的目的和用途，可以改变用于磁心的线圈匝数。
本发明的变压器可使用在用于各种大大小型化的和节能的电子设备的切换电源中。此外，所述的变压器还可以用于安装在电动车和混合动力车的电源中。
下文将参考下列实施例更详细地描述本发明，但是，这些实施例不限制本发明的范围。
实施例实施例1以表1和2所示的预定含量称量每种基本成分Fe2O3、MnO和ZnO，湿混合，然后在850℃在空气中煅烧2小时。根据基本组分的量，向所得的混合物中加入预定量的副组分SiO2、CaCO3、Nb2O5和ZrO2，湿法球磨，以获得一种铁氧体粉末。向该粉末中加入按其固体含量计算的0.8wt％的PVA粘合剂，并造粒。所得的颗粒在1吨/平方厘米的压力下成形成环形(外径24mm，内径12mm，厚度5.5mm)。把成形体在控制氧分压的N2-O2混合气体的气氛下，在1300℃的烧成温度下烧成5小时。这样获得了具有外径20mm、内径10mm、厚度5mm的环形磁心。通过荧光X射线光谱分析，证实了最终的铁氧体组成与起始组分的组成一致。
在200mT的激励磁通量密度和100kHz的频率下用交流B-H分析仪(IWATSU-SY8232)测试本文获得的每个试样中的磁心损耗。此外，用直流B-H分析仪(YEW4192)在15 Oe的磁场下及120℃测试其中的饱和磁通量密度Bs。
表1和2表示在每个试样中的Bs值和最小磁心损耗，以及磁心损耗最小的温度。图1表示在试样No.103和104(本发明的试样)以及试样No.106(传统试样)中的磁心损耗的温度依赖性变化。
表1
*加入2500ppm的SnO2
**加入3000ppm的SnO2
从表1和2以及图1的数据可知，在高温下，本发明的试样中的饱和磁通量密度高，并且在100～110℃的温度下，其中的磁心损耗非常低。
具体地，可知与试样No.106的用于变压器的传统铁氧体磁心相比，本发明的变压器的铁氧体磁心中的磁心损耗低，饱和磁通量密度高。由于实现了这样的高饱和磁通量密度，所以，本发明的变压器的铁氧体磁心可以小型化，甚至本发明的变压器本身也可以小型化。
用本发明的试样No.103的铁氧体磁心，生产的是一种变压器。
简言之，所述的铁氧体磁心是PQ形的，其尺寸为59mm×42mm×27mm(中骨直径(metatarsal):24mm)。对于磁心的线圈匝数，初级线圈是1圈，次级线圈是4圈。
发现变压器可以在110℃的温度下，在100kHz的频率下以及在200mT的激励磁通量密度下良好地驱动。
此外，发现本发明的铁氧体磁心比试样No.106的传统铁氧体磁心更小型化(按磁心的截面积计算约为10％)。而且，还发现本发明的变压器消耗的功率以及由所驱动的变压器产生的热量降低。
实施例2用与实施例1相同的方法，制备的是用于变压器的铁氧体磁心试样(环形磁心)，每个磁心具有表3所示的组成。同样，用与实施例1相同的方法，测定在这些试样中的Bs。
所得的数据在表3中。
表3
在本发明的试样中，Bs随着周围温度从100℃到110℃到120℃的升高而线性地减小。从表3中的数据可知，在这些试样中的Bs在100～120℃的范围内不低于410mT。在100～110℃的温度下这些试样中的磁心损耗低。
实施例3用与实施例1相同的方法，制备的是用于变压器的铁氧体磁心试样(环形磁心)，每个试样具有表4和5所示的组成。同样，用与实施例1相同的方法，测定那些试样中的Bs。但是，在本实施例中，在20～120℃之间的周围温度下测试试样。表4和5展示了Bs的数据和Bs的温度依赖性系数，dBs/dT(T=20～120℃)。图2表示在试样No.301(本发明的试样，与实施例1中的试样No.103相同)中和在传统试样(试样No.309，与实施例1中的试样No.106相同)中的Bs的温度依赖性的变化的图。
表4<
>*加入2500ppm的SnO2
表5
从表4和5以及图2中的数据可知，本发明的试样具有负的Bs温度依赖性系数，温度依赖性系数的绝对值不大于1.6mT/℃，在20～120℃的温度下在所述试样中的Bs高。在100～110℃的温度下在那些试样中的磁心损耗小。
实施例4按表6和7所示的预定含量称量每种基本成分Fe2O3、MnO和ZnO，湿混合，然后在850℃在空气中煅烧2小时。根据基本组分的量，向所得的混合物中加入预定量的副组分SiO2、CaCO3、Nb2O5和ZrO2，湿法混磨，以获得一种铁氧体粉末。向该粉末中加入按其固体含量计算的0.8wt％的PVA粘合剂，并造粒。所得的颗粒在1吨/平方厘米的压力下模压成形成环形坯体(外径24mm，内径12mm，厚度5.5mm)。把坯体在控制氧分压的N2-O2混合气体的气氛下，在1300℃的烧成温度下烧成5小时。这样获得了具有外径20mm、内径10mm、厚度5mm的环形磁心。用Ta2O5代替Nb2O5，用与本文相同的方法生产一种不同的磁心试样。通过其荧光X射线光谱分析，证实了最终的铁氧体组成与起始组分的组成一致。
在200mT的激励磁通量密度和100kHz的频率下用交流B-H分析仪(IWATSU-SY8232)测试本文获得的每个试样中的磁心损耗。此外，用直流B-H分析仪(YEW4192)在15 Oe的磁场下及60℃的温度测试其中的饱和磁通量密度Bs。
表6和7表示在每个试样中的Bs值和最小磁心损耗，以及磁心损耗最小的温度。
表6
*表示60℃的磁心损耗和最小磁心损耗的温度。后者在括号中。
表7<
不加入Nb2O5，但加入300ppm的Ta2O5。
从表6和7的数据可知，在可以驱动变压器的温度范围(50～70℃)内，本发明的试样中的Bs高，并且在所述驱动温度范围内其中的磁心损耗低。
与其相反，ZnO含量小于6mol％的试样中的磁心损耗高(试样No.409),ZnO含量大于11mol％的试样的Bs低(试样No.410)。在Fe2O3含量大于56mol％的试样中，最小磁心损耗出现在低温下，在驱动温度范围附近的温度下的磁心损耗高(试样No.411)。在所有副组分的量都超出本文所定义的范围的试样中，在驱动温度范围附近的温度下的磁心损耗高(试样Nos.413～419)。在含有代替Nb2O5的Ta2O5的试样中，磁心损耗高(试样No.420)。在Fe2O3含量小于54mol％的铁氧体磁心中，与在实施例1中的试样No.101(表1)一样，最小磁心损耗出现在100～110℃温度范围内；在驱动温度范围内那些磁心中的磁心损耗高(例如，在60℃为431kW/m3)。所以，这样小含量Fe2O3的铁氧体磁心不适用于在50～70℃的温度范围内驱动的变压器。
实施例5向实施例4(表6)中的试样402的组成中，加入按Co3O4计算的加入量为2000ppm的氧化钴，来制备试样No.402A。在该实施例中，在煅烧之前，把氧化钴与基本组分Fe2O3、MnO和ZnO混和。
用与实施例4相同的方法评价所述试样的特性。所得的数据表示在表8中。
表8
表8中的数据证实了该试样的实用能力。
实施例6
使用本发明的实施例4的试样No.401的铁氧体磁心，生产的是变压器A。
简言之，铁氧体磁心是PQ形的，其尺寸为59mm×42mm×27mm(中骨直径24mm)。对于用于磁心的线圈匝数，初级线圈是1圈，次级线圈为4圈。
发现变压器可以在60℃的温度下，在100kHz的频率下以及在200mT的激励磁通量密度下得以良好地驱动。
根据本发明，所得到的是在高温下磁心损耗低、Bs高的铁氧体。同样得到的是能够小型化的并适合于在高温下使用的变压器。变压器甚至在高温下也可以有效地驱动。此外，所述变压器适合于在包括高温的宽温度范围内使用，并可以小型化。
同样，根据本发明，所得到的是能够小型化的高效率变压器，其中，在驱动变压器的温度下，铁氧体磁心的磁心损耗低，其中的饱和磁通量密度高。本发明的变压器可以根据本发明用于的变压器的驱动方法有效地驱动。
在详细地描述本发明并参考其具体的实施方案时，对于本领域的熟练技术人员，明显的是可以做出各种变化和改进而不离开本发明的实质和范围。
权利要求
1.一种铁氧体，基本由按Fe2O3计算的含量为53～55mol％的氧化铁、按ZnO计算的含量为6.5～9.5mol％的氧化锌、和氧化锰组成，并且含有作为副组分的按SiO2计算的含量为80～150ppm的氧化硅、按CaCO3计算的含量为600～1000ppm的氧化钙、按Nb2O5计算的含量为150～400ppm的氧化铌和按ZrO2计算的含量为40～300ppm的氧化锆。
2.一种变压器，其磁心用一种铁氧体制造，所述的铁氧体基本由按Fe2O3计算的含量为53～55mol％的氧化铁、按ZnO计算的含量为4.0～9.5mol％的氧化锌、和氧化锰组成，并且含有作为副组分的按SiO2计算的含量为60～200ppm的氧化硅、按CaCO3计算的含量为300～1200ppm的氧化钙、按Nb2O5计算的含量为50～500ppm的氧化铌和按ZrO2计算的含量为10～450ppm的氧化锆，其中，在100～120℃之间的温度下所述的铁氧体中的饱和磁通量密度(直流)不小于410mT。
3.根据权利要求2的变压器，其中，在所述的铁氧体中的最小磁心损耗在100～110℃的温度范围内，所述的最小磁心损耗(在100kHz的频率下)不大于300kW/m3。
4.根据权利要求2或3的变压器，其中，所述的铁氧体基本由按Fe2O3计算的含量为53～55mol％的氧化铁、按ZnO计算的含量为6.5～9.5mol％的氧化锌、和氧化锰组成，并且含有作为副组分的按SiO2计算的含量为80～150ppm的氧化硅、按CaCO3计算的含量为600～1000ppm的氧化钙、按Nb2O5计算的含量为150～400ppm的氧化铌和按ZrO2计算的含量为40～300ppm的氧化锆。
5.一种变压器，其磁心用一种铁氧体制造，所述的铁氧体基本由按Fe2O3计算的含量为53～55mol％的氧化铁、按ZnO计算的含量为2.0～8.0mol％的氧化锌、和氧化锰组成，并且含有作为副组分的按SiO2计算的含量为60～200ppm的氧化硅、按CaCO3计算的含量为300～1200ppm的氧化钙、按Nb2O5计算的含量为50～500ppm的氧化铌和按ZrO2计算的含量为10～450ppm的氧化锆，其中，在20～120℃之间的温度下在所述的铁氧体中的饱和磁通量密度(直流)的温度依赖性系数的绝对值不大于1.6mT/℃。
6.一种驱动一种变压器的方法，所述的变压器的磁心用一种铁氧体制造，所述的铁氧体基本由按Fe2O3计算的含量为53～55mol％的氧化铁、按ZnO计算的含量为4.5～9.5mol％的氧化锌、和氧化锰组成，并且含有作为副组分的按SiO2计算的含量为60～200ppm的氧化硅、按CaCO3计算的含量为300～1200ppm的氧化钙、按Nb2O5计算的含量为50～500ppm的氧化铌和按ZrO2计算的含量为10～450ppm的氧化锆，其中，在60～120℃之间的温度下、在20～500kHz的频率下、在200～500mT的激励磁通量密度下驱动所述的变压器。
7.根据权利要求6的驱动一种变压器的方法，其中，用于变压器磁心的所述铁氧体基本由按Fe2O3计算的含量为53～55mol％的氧化铁、按ZnO计算的含量为6.5～9.5mol％的氧化锌、和氧化锰组成，并且含有作为副组分的按SiO2计算的含量为80～150ppm的氧化硅、按CaCO3计算的含量为600～1000ppm的氧化钙、按Nb2O5计算的含量为150～400ppm的氧化铌和按ZrO2计算的含量为40～300ppm的氧化锆。
8.一种变压器，其磁心用一种铁氧体制造，所述的铁氧体基本由按Fe2O3计算的含量为54～56mol％的氧化铁、按ZnO计算的含量为6～11mol％的氧化锌、和氧化锰组成，并且含有作为副组分的按SiO2计算的含量为80～150ppm的氧化硅、按CaCO3计算的含量为600～1000ppm的氧化钙、按Nb2O5计算的含量为150～400ppm的氧化铌和按ZrO2计算的含量为40～300ppm的氧化锆，其中，在60℃所述的铁氧体的饱和磁通量密度(直流)不小于480mT，所述的铁氧体中的最小磁心损耗在50～70℃之间的温度范围内，并且所述的最小磁心损耗(在100kHz的频率下)不大于260kW/m3。
9.根据权利要求8的变压器，其中，所述的铁氧体的氧化锌含量在6～9.5mol％范围内，按ZnO计算。
10.根据权利要求8或9的变压器，其中，在60℃所述的铁氧体中的饱和磁通量密度(直流)不小于500mT。
11.一种用于在50～70℃之间的温度下、在20～500kHz之间的频率下以及在125～500mT之间的激励磁通量密度下驱动根据权利要求8～10的任一项的变压器的方法。
全文摘要
本发明提供:一种Mn－Zn铁氧体,在高温下,该铁氧体中的磁心损耗低,Bs高;一种能够小型化并适合于在高温下使用的变压器;一种有效驱动所述变压器的方法。同时提供一种能够小型化并适合于包括高温的宽温度范围内使用的变压器。还提供一种能够小型化的高效率变压器,其中,在驱动变压器的温度下,铁氧体磁心中的磁心损耗低,饱和磁通量密度高;和一种用于所述变压器的高效率驱动方法。所述变压器磁心使用其组成如说明书所述的Mn－Zn铁氧体制成。
文档编号H01F1/34GK1224224SQ9910134
公开日1999年7月28日 申请日期1999年1月22日 优先权日1998年1月23日
发明者齐田仁, 冈本重夫, 黑田朋史, 佐藤直义 申请人:Tdk株式会社