软磁铁氧体的损耗成因及解决措施

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２—3％，中国一直以来以较快速度发展（约年增１０％），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Mn—Zn铁氧体和Ni—Zi 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：（1）、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。

（2）、功率传递铁氧体
广泛用在AC—DC，DC—DC等开关电源的变压器和滤波电感中。

（3）、抑制电磁干扰铁氧体
抑制和吸收各种传导和辐射噪声，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=π2u0d2 / 3ρ
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ρ，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/h≈10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Φ18mm ×11mm 的d1=9mm2 ，当采用高磁导率MnZn材料的电阻率ρ=1Ω.m 时，则在100K Hz下：
tg d1 / ui = 0.6×10-6
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=4ρ/πu i
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ρ(10∽1010Ω.m)比金属软磁(ρ≤10-6Ω.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ρ≤10-3∽10Ω.m，当用频率较高时，将具有相当大的涡流损耗，必须设法降低此损耗。

最后以焦耳的形式散失如图一:
这种磁通在铁芯内部的变化必然在次级绕组中产生感生电动势，而且，该感生电动势的大小应正比于单位时间内磁通量的变化:
ε=-－dφ/ dt
由以上分析可知：在变压铁芯中出现涡流以后，会带来两个不利结果：一是降低了铁芯中的有效工作磁通，二是涡流在铁芯内流动，必然造成能量的额外损耗，这就是涡流损耗的起因。

2 、为了有效的降低涡流损耗，经过研究探讨有以下四种方法：
2.1、采用叠片铁芯并使叠片之间良好绝缘
采用叠片铁芯，使叠片与叠片之间互相绝缘可以保证涡流在每一叠片内流动，这在软磁合金中，对降低涡流损耗十分有利。

在一些高功率额定值的大型变压器中，除了要设法降低叠片材料本身的涡流损耗外，还必须提高叠片的有效表面绝缘电阻，由电磁学可知，变压器中每匝绕组的有效值电压可由下式给出：
E / N = 4.44 f B m A
上式中，E 是有效值电阻，N是绕组总匝数，f为频率，B m 是最大磁感应强度，A是由绕组所包围的铁芯横截面积（m2）。

材料的涡流损耗与（E/N）2成正比。

对功率额定值很高的变压器来说，在正常情况下涡流损耗本身已很高，因此很容易使叠片之间的绝缘层击穿。

为了提高叠片的有效表面绝缘电阻，常常需要采用一些特殊的措施，这样不仅可以有效地提高表面绝缘涂层，而且还可以在材料中形成有利的张应力，进一步降低涡流损耗。

2.2、提高晶粒内部的电阻率
对于对晶铁氧体材料而言，降低应该从晶粒内部入手，例：Fe2O3 ＞50mol,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ρ均在10Ωm以上，唯有Fe3O4的ρ值约为10--4Ωm 。

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。

（3）、加入注溶剂CuO以提高电阻率；
（4）、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+。

（5）、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地降低涡流损耗，对高ui的MnZn铁氧体，由于要
粒内部的ρ必然不高。

求含有一
定量的Fe3O4以控制K1和λs 降至0从而提高ui,且烧结温度较高，晶粒较小，气孔小，晶
因此，只能通过选用添加剂在晶界形成高阻层，因而提高晶界电阻率ρ，使tg а/ui 下降（在100KHz时最小已达1×10-6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CaO0.1—0.5mol% 、
SiO20.01—0.05mol % 于MnZn配方中，反应生成CaSiO3 ,在晶界高形成高阻层，使ρ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ρ, 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，ρ越低，涡流损耗就越大，如图3所示。

要提高ρ，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有。

2.4、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0.23—0.50mm ，工作频率上升到400Hz 时，叠片厚度可取
0.10—0.15mm ，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，B—H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：2ptgаh /ui = 8bBm / 3 u0ui3 = aBm 2
所以磁滞损耗系数为：
a=8b/3 u0ui3
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tgаh 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tgаh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tgδh/ 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
较小，则可逆壁移与畴转不会受到多大妨碍，但不可逆壁移孔少，各向异性K
1
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tgа /ui ，有最小值，如图4所示：
在MnZn铁氧体中，用Ti4+取代部分Fe3+ ，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
≈0(K1—T曲线再次过0)的补偿点下，一些晶粒内直径相当的程度，特别是在K
1
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5 a、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≈ 0，λs≈0工艺原则是做到高密度、大晶粒、均匀、完整、另相原则是使 K
1
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。

）的总损耗中。

总磁后效导致的损耗主要表现在低于截止（约1/10—1/5f
r
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
2与最短弛豫时间t
1
之比t
2
/t
1
分散宽度很大
(t
2/t
1＞
104 ) 。

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：
T≈1/9.6cfe-Q/KT
式中，T—扩散弛豫时间，C—为扩散粒子浓度； f—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+与Ni3+e、Co2+ 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—空位参与作用，即控制空位数。

控制Fe2+ 含量与降低涡流损耗有相同之处；控制空位数必须采用气氛烧结法，使氧分压p
o
2满足阳离子空位的保持最小值。

气孔是空隙源，所以，后效损耗还与气孔率有关。

MnZn铁氧体固相反应比NiZn铁氧体完全，密度高，所以低频应用的MnZn材料的损耗比NiZn的损耗要小。

图6的曲线是几种不同烧结温度下的NiZn铁氧体的后效损耗与温度的关系。

可以看出，当烧结温度升高时，损耗峰增高，并向低温移动。

这是因为烧结温度升高时，电子浓度增加， Fe2+与Fe3+之间的电子扩散变得更加容易。

由上可知：为了在应用频率和使用温度下使扩散后效损耗小，可以通过调整
配方成分与工艺，避开损耗落在应用范围内的办法来实现。

少量添加剂TiO
2
、
SnO
2、 Ta
2
O
3
等有降低损耗峰与调整峰值出现的温度、频率范围的作用，也可以
利用。

结论
1．对在高频应用下的 NiZn软磁材料，常利用缺铁配方，防止Fe2+来降低其涡流损耗。

对于软磁材料常选用添加剂来提高晶粒内部的电阻率和晶界电阻率来降低其涡流损耗。

2.在NiZn 软磁材料中加少量的CoO，并在配方和工艺上进行调整可以使软磁铁氧体的磁滞损耗降减至最小。

用 Ti4+取代部分Fe3+，也可以使软磁铁氧体的磁滞损耗降低到最小。

3．防止Fe2+电子扩散，利用气氛烧结法控制空位数来减小剩余损耗。

各种原因造成的各种损耗往往互相矛盾，一种损耗降低，有时则引起另一种损耗上升。

因此，必须根据应用条件提出最佳的折中性能，不能脱离应用应用条件去提出过高的不可能解决的苛刻要求。