软磁铁氧体的损耗成因及解决措施

1、软磁铁氧体的损耗成因及解决措施摘要软磁铁氧体损耗产生，原因在于软磁材料在弱交变场，即受磁化而储能，又 由于各种原因造成B落后于H而产生损耗。软磁铁氧体的损耗分为：涡流损耗、 磁滞损耗和剩余损耗。对于不同的软磁铁氧体材料，影响其磁性能的损耗也有所 不同。在制造时，对于不同材料，我可以从配方及工艺出发，有针对性地提高磁 性能、降低磁损耗。关键词： 磁性能 磁损耗引言软磁铁氧体易磁化，也易退磁。目前，世界上软磁铁氧体的发展趋于平衡， 年均增长率为23%，中国一直以来以较快速度发展(约年增1 0%)，因为 国内民用电器量激增，以及信息产业的蓬勃发展，对软磁铁氧体的需求量不断增 长.软磁铁氧体也是一种用

2、途广产量大的电子工业及机电工业和工厂产业 的基础材料，它的应用影响着电子信息计算机与通讯的发展.工业生产的软磁氧体材料主要有MnZnFe2O4系、MgZnFe2O4等尖晶石型铁氧 体。中国从80年代中期到90年代初期软磁材料产量迅猛发展，产量跃居世界前 列！正因为如此，软磁铁氧体通常为MnZn铁氧体和NiZi铁氧体两种，使 其在高频电磁应用中成为最好的选择，铁氧体材料主要可以分为以下三类应用：、小信号铁氧体广泛用于射频电路，通信电路，网络通信中，起信号隔离，宽带传输，信号 匹配等功能。、功率传递铁氧体广泛用在ACDC，DCDC等开关电源的变压器和滤波电感中。、抑制电磁干扰铁氧体抑制和吸收各种传

3、导和辐射噪声，以满足日益严格的电磁的要求。世界各国对电子仪器及测量设备抗干扰性能也提出了更高的标准，因此以软磁 铁氧体为基础的EMI磁性元件发展迅速，产品种类繁多，如电波吸收材料、倍 频器、调制器等，现已成为现代军事电子设备、工业和民用电子设备的重要组成 部分。1、软磁铁氧体的涡流损耗成因及解决措施1、1涡流损耗 指的是软磁材料在交流磁化时，由于电阻率很低而产生的强大 涡电流，最后以焦耳热的形式散失的能量损耗。即通过与晶体的交换作用造成的 能量损耗，由于此涡流损耗在材料内部闭合；不能由导线向外输出故只能被材料 吸收而发热。另外，涡流所感应产生的磁场使励磁场减弱。在高频下，对外磁场 材料来说涡流

4、感生的磁场把材料屏蔽了起来，趋肤效应就是材料在受交变场的磁 化，只能渗透到一定深度，使得总的磁导率变小。在比较低的频率下，材料的涡流损耗与样品的厚度d2和 频率f成正比，即 涡流损耗为：e= n 2u0d2 / 3 P由上式可知，降低涡流损耗的关键是减小样品的厚度d和提高材料的电 阻率P，对铁氧体常用有效厚度d1代替d，直径为d的圆柱的d1=d/2，环形磁 芯的高度h为壁厚b的两倍时，d12 h2/6，而对于极扁的环形磁芯，如b/h10 时，则d1=h，表1列出的几种罐形和环形磁芯d21值。其中的罐形磁芯 18mm X 11mm的d1=9mm2，当采用高磁导率MnZn材料的电阻率 P =1 Q

5、 .m时， 则在100K Hz下：tg d1 / ui = 0.6X10-6在高频范围内，当涡流损耗为主时，存在一个涡流截止频率fr=4p/nui u0d12 ，此时磁导率降到起始值的2/3。表一几种罐形和环形磁芯的d1值mm常用软磁铁氧体的电阻率P (10-1010 Q .m)比金属软磁(PW10-6 Q .m)要高 得多，所以对于一些尺寸不大的磁芯的涡流损耗可以忽略。但是高ui的MnZn 铁氧体和低损耗 铁氧体的涡流损耗中相当大的一部分，例如含Fe2+较多的高ui、MnZn材料P50mol, 则Fe3O4就会固溶于复合铁氧体中，若烧结气氛稍有缺氧，也可出现Fe2+。当 Fe2+存在时。导电

6、机制Fe2+和Fe3+电子会互相扩散，在八面体位上就出现不同价 的电子导电，激活在单元铁氧体中，一般P均在10 Qm以上，唯有Fe3O4的P值 约为10-4Qm。当配方能最低时，具有强导电性，为了提高晶粒内部的电阻率， 必要时需防止Fe2+出现。对在高频应用下的NiZn软磁材料，常采用的方法是：(1)、利用缺铁配方，防止Fe2+ ;(2 )、加入适量的Mn2+或Co2+抑制Fe2+出现。、加入注溶剂CuO以提高电阻率；、在氧气氛高的条件下烧结并采用缓慢冷却方式，让铁氧体吸氧后Fe2+ 转变为Fe3+。、降低烧结温度，因为Fe2+随烧结温度升高而增加。2.3、提高晶界电阻率提高晶界电阻率也可有效

7、地降低涡流损耗，对高ui的MnZn铁氧体，由于要 求含有一们 n 粒内部的P必然不高。因此，只翻爵姗添输在晶界形|,晶粒1而提高晶界电阻率P,使tg a/ui下降（在100KHz时最小已达1X10-6以下），这类添加剂常用的有 CaO,ZrO2,SiO2,GeO及它们的组合形式，例如：加入CaO0.10.5mol%、 SiO20.010.05mol % 于MnZn配方中，反应生成CaSiO3,在晶界高形成高阻层， 使P和uQ积均提高，如表2所示。此外，ZrO2 与 SiO2，CaO 与 B2O3，CaO 与 TiO2，BaO 与 SiO2，V2O5 与SiO2等组合物均可提高电阻率，如图1、2

8、所示。但注意：如果MnZn基本成 份中含Si量偏高，就不能再加SiO2 了，否则在烧结中容易造成不连续晶粒生长， 降低电磁能。另外Nb2O5NaO, TaO2, pbO等可降低烧结温度，促使晶粒细化， 提高电阻率。加入SnO2也可提高P,原因是Sn4+使Fe2+限制在局部。在MnZn 铁氧体工艺中，降低烧结温度也可提高晶界电阻率。这是因为烧结温度与晶粒生 长密切相关，温度越高，晶粒越大，晶界越薄，P越低，涡流损耗就越大，如图 3所示。要提高P，还可适当控制烧结气氛的含氧量，或通过烧结后热处理，使 一定量的Fe2+转变成Fe3+，且这种变化仅在晶粒表面进行，对整个晶粒及材 料的磁性能影响很几乎没

9、有。24、减小叠片厚度对于叠片铁芯来说，叠片的厚度越小，涡流损耗就越小。目前已可扎制出 薄到几微米的软磁合金薄带材料；但叠片越薄，相应的成本就越高，因此在实际 应用时必须兼顾电磁性能和制造成本两方面的因素，对于频率为50 Hz的应用， 叠片厚度常取0.230.50mm，工作频率上升到400Hz时，叠片厚度可取 0.100.15mm，工作频率高于1MHz的变压器铁芯，则必须采用厚度小于 0.025mm 的薄带材料。应指出，在某些软磁合金。例如含硅量为3.15%的铁硅合金曾经发现，随 着厚度的下降，虽然涡流损耗也可以降低，磁滞损耗却会升高，其原因可能是当 材料很薄时，某些晶粒的易磁化方向不再平行于

10、薄片或薄带表面，从而导致较高 的静磁能所引起的。由于这一因素，最后可使这种软磁合金在50Hz下的总铁芯 损耗在某一厚度（非取向材料为0.25mm、单取向材料为0.13mm）是出现最小 值。3、软磁氧体的磁滞损耗与解决措施磁滞损耗是指软磁材料在交变场中存在不可逆磁化而形成的磁滞回线所引 起的被材料吸收掉的功率。单位体积材料每磁化一周的磁滞损耗值就等于磁滞回 线的面积所对应的能量。一般情况下，BH间呈复杂的非线性函数关系。但在 弱场下（0.1Bs），即瑞利区，磁滞抛物线，此时的比磁滞损耗为：2ptg a h /ui = 8bBm / 3 u0ui3 = aBm2所以磁滞损耗系数为：a=8b/3 u

11、0ui3其中，b=d/dH为瑞利常数，与不可壁移相关。不可壁移所占成分增加时， b上升。由2式可知，比磁滞损耗与材料在应用时的最大磁感应Bm成正比，如b值 不变，则在相同Bm条件下，磁滞损耗与起始磁导率ui的立方成反比，但当采 取措施使ui值提高时，往往引起b值相应上升。虽然如此，仍可使tgah下降。 把Bm、ui与磁滞回线的面积联系起来，在Bm相同条件下，狭窄的回线ui高， 面积小，肥胖的回线ui低，面积大。可见，降低磁滞损耗在于缩小磁滞回线的 面积。如ui不变，使b值降，即减小不可逆壁所占的成分，也可使tgah下降。 例如减小晶粒尺寸并使K1趋近于0,并以可逆转畴和可逆转壁移为主。或者采

12、用区明伐效应“冻结”畴壁，从而使不可逆转难以发生。对于低频软磁材料，在工作磁场较高时，磁滞损耗在总损耗中占有相当大的 比例。降低磁滞损耗在于减小磁滞回线的面积，即要求Hc和Br小。当外场较 小，磁化处在可逆转情况下，能量的损耗最小的；如外磁场加大，出现不可逆转 磁化，则磁滞损耗将大大增加。因此，在不同磁场和不同材料的情况下，降低磁 滞损耗所用的方法是不一样的。3.1、降低低场下的磁滞损耗在低场区，比磁滞损耗tg S h/ ui 8bBm/3ui3从表面上看，降低磁滞损 耗与提高ui 一致。由于低场下的磁化主要是可逆壁移与畴转，尽量减小畴壁能、 应力能，磁晶各向性能及形状各向异性能，从而使磁化的

13、阻滞减小，则磁滞损耗 便会随ui的增加而降低。但需注意，这样做的结果往往会造成不可逆壁转十分 容易，即上式b值增加，使效果不显著。因此必须采用一些与提高ui不同的方 法。例如在低场磁化时，如果样品的晶粒较小、均匀，形状完整、晶界较厚，气 孔少，各向异性 较小，则可逆壁移与畴转不会受到多大妨碍，但不可逆壁移 却容易避免，这是因为小颗粒的畴壁大幅度移动会受到晶界退磁能上升引起的很 大阻滞。当烧结温度与气氛适当时tga /ui，有最小值，如图4所示：在MnZn铁氧体中，用Ti4+取代部分Fes+，可降低烧结温度，而不会促进晶 粒生长，便于获得较小的均匀晶粒与底气孔率。Ti3+的取代能使壁厚增加到晶粒

14、 直径相当的程度，特别是在K0（K1T曲线再次过0）的补偿点下，一些晶粒内 部的畴壁消失，磁化过程仅由自旋起作用，因此可使磁滞损耗为最小，如图5a、 b所示：在低场应用中，另一种降低磁滞损耗的有效办法是在NiZn材料中加少量 CoO,并在配方与工艺上密切配合，使之形成单轴各向异性“冻结”畴壁。当畴 壁在能谷中可逆移动时，会造成等异型或很狭窄的蜂腰型磁滞回线，从而使磁滞 损耗（以及后约旦后效损耗）减至很小。此法也对多铁配方的MnZn材料有效。3.2降低强场下的磁滞损耗要降低强场下的磁滞损耗，采用限制不可逆壁移的方法已不可能，因此必须 采用加速畴壁不可逆位移在较低磁场下发生并结束的方法。要达到此目

15、的，就要 使畴壁能和退磁能均很小。这样，材料的磁滞回线很窄，Hc、Br均小。其配方 原则是使Ke 0，入s0工艺原则是做到高密度、大晶粒、均匀、完整、另相 少、内应力小、晶界薄而整齐、气孔少。对原材料的要求是纯度高、活性好，因 为异相参杂会引起较大的内应力。上述要求均与高u材料大体一致。较强磁场下减小磁滞损耗，主要靠提高ui，降低Hc和Br来实现。由于此 时避免不可逆壁移已不可能，只好让它提前在 较低时发生，从而减小磁滞回线 的面积。4、软磁铁氧体的剩余损耗成因及其解决措施剩余损耗软磁材料是除涡流损耗和磁滞损耗以外存在的另一损耗。在低频弱 场下，剩余损耗主要是磁后效造成的损耗；在较高频率下，由

16、于畴壁共振和自然 共振的尾巴可延伸至较低频率，故剩余损耗上升。磁后效导致的损耗主要表现在低于截止（约1/101/5f ）的总损耗中。总 的来说，磁后效完全是热力学业平衡状态的滞后调整，即通过热能传播或通过原 子、离子、电子和点阵空位，位错的扩散进行滞后调整的。用来表征后效的弛豫 时间是指传播过程的平均时间。磁后效主要分为约旦后效的热后效和李希特后效 的两种扩散后效。4.1、约旦后效这种热后效普遍在于所有的磁性材料中，它起因于磁畴内部自旋系统的热起 伏引起的局部磁场变动，这种磁场强度的起伏有时可以在无外磁的情况下超过临 界场值，而引起的磁化状态微波的不可逆跃变。此时，或是磁畴内的磁化方向随 着时

17、间推移而进入较低能量的方向，或是畴壁到达较低能量位置。热后效开始随 着外磁场的增加而增大，到达矫顽磁场附近时，达到极大，在饱和区附近热后效 消失。磁滞小的材料具有小的约旦后效，所以，采用区明伐效应“冻结”畴壁可 下降此损耗。热后效的时间常数在很大程度上取决于磁化强度受磁场起伏影响的区域的 大小。这些区域是由晶格畸变决定的，因此它们在普通材料中相差很大。其结果 是使约旦后效的最长弛豫时间t与最短弛豫时间t之比t/t分散宽度很大一2 1.21 -（t2/t104）。因此，损耗因数几乎与频率无关。人们用外推到频率为0的方法 来计算约旦后效损耗。4.2、李希特后效铁氧体中的李希特后效是由电子、空位和离

18、子扩散造成的。其损耗大小一方 面决定于参与扩散的粒子浓度，另一方面还与环境与频率有密切关系。根据扩散 公示：TF/9.6cfe-Q/KT式中，T一扩散弛豫时间，C一为扩散粒子浓度；f一晶格振动频率 （1013/s） ； Q 扩散激活能，是扩散难易程度的标志，T为绝对温度，K为玻磁曼常数。如果参与扩散的粒子激活能Q高，而环境温度T低，则扩散弛豫时间T远比 应用频率对应的t长，故损耗小；如果T上升，使t与应用频率对应的t相当。 则损耗大。需要注意的是有些扩散粒子的Q很低，损耗很大，但损耗蜂却出现于 低温，而不位于室温附近，室温附近的损耗并不大；有些粒子（如Fe2+与Fe3+ 通过空位扩散以及Ni2

19、+与Ni3+e、C02+与Co3+e之间的扩散）扩散的激活能Q高， 损耗蜂出现于室温附近，致使室温损耗上升，所以应加以避免。对某些铁氧体而言，在某一温度某一频率下具有一个损耗最大值。频率增高; 蜂值向高温移动。这是因为当频率升高时，电子或离子扩散跟不上频率的变化， 只有升高温度使其动能增加后，扩散才容易进行，所以损耗峰出现于高温。4.3降低剩余损耗李希特扩散后效是低频弱场下剩余损耗的主要部分。在低温时，铁氧体的后 效损耗主要有Fe2+与Fe3+之间的电子扩散引起，损耗也延续至高温。在室温时的 损耗主要Fe2+与Fe3+ 通过空位扩散引起的。室温或室温以上还可能出现其他 离子的扩散，例如Ni2+与Ni3+也会造成损耗甚至出现蜂值。所以损耗大小与材料的基本化学成分、工艺条件、使用温度以及频率等因素有关。在以 上因素中。Fe2+的含量是引人关注的主问题。降低此损耗一方面要防止电子、空 位、离子的扩散，另一方面是在应用条件下避开后效峰。从防止扩散考虑，必须控制Fe2+含量，破坏提供Fe2+扩散的重要条件一空位 参与作用