直流叠加对铁硅铝磁粉芯品质因数的影响_魏鼎_冯则坤_龚荣洲_王鲜

第２１卷　第４期２　０　１　４年８月 金属功能材料Ｍｅｔａｌｌｉｃ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｖｏｌ．２１，　Ｎｏ．４Ａｕｇｕｓｔ，　２０１４直流叠加对铁硅铝磁粉芯品质因数的影响魏鼎，冯则坤，龚荣洲，王鲜（华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉４３００７４）摘　要：利用ＬＣＲ测试仪测试有效磁导率（μｅ）为１２５及６０的铁硅铝磁粉芯在不同交流磁感应强度下的品质因数，发现品质因数随频率出现峰值，有效磁导率为１２５的磁粉芯在大约３０ｋＨｚ时品质因数出现峰值，而有效磁导率为６０的磁粉芯则在８０ｋＨｚ左右时品质因数出现峰值，峰值的高低与交流磁感应强度的数值有关。

在上述结果的基础上，再分别对上述磁粉芯在直流叠加状态下的品质因数进行测试，结果发现其品质因数随直流叠加磁场出现峰值，在交流磁感应强度频率分别为５０、１００ｋＨｚ以及２００ｋＨｚ时，有效磁导率为１２５的磁粉芯品质因数在直流叠加磁场强度为１５７１、３９２７Ａ／ｍ和５８９０Ａ／ｍ时到达峰值，而有效磁导率为６０的磁粉芯在交流磁感应强度频率分别为１５０、２００ｋＨｚ以及２５０ｋＨｚ时，品质因数则在直流叠加磁场强度为４７１２、５４９８Ａ／ｍ和７０６９Ａ／ｍ时到达峰值，峰值的高低与交流磁感应强度的数值有关，并对其原因进行了分析。

关键词：铁硅铝；磁粉芯；有效磁导率；直流叠加；品质因数文献标识码：Ａ 文章编号：１００５－８１９２（２０１４）０４－００１８－０４Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ＤＣ－Ｂｉａｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＱｕａｌｉｔｙＦａｃｔｏｒｏｆ　Ｓｅｎｄｕｓｔ　Ｐｏｗｄｅｒ　ＣｏｒｅＷＥＩ　Ｄｉｎｇ，ＦＥＮＧ　Ｚｅ－ｋｕｎ，ＧＯＮＧ　Ｒｏｎｇ－ｚｈｏｕ，ＷＡＮＧ　Ｘｉａｎ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｈｕｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｓ　ａｎｄ　ＤＣ－ｂｉａｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ｏｆ　Ｓｅｎｄｕｓｔ　ｐｏｗｄｅｒ　ｃｏｒｅｓ　ｗｅｒｅ　ｔｅｓｔｅｄ　ｂｙ　ＬＣＲ．Ｉｔｗａｓ　ｆｏｕｎｄ　ｔｈａｔ，ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ｏｆ　Ｓｅｎｄｕｓｔ　ｐｏｗｄｅｒ　ｃｏｒｅｓ　ｆｉｒｓｔ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｉｔ　ｃｏｎ－ｔｉｎｕｏｕｓｌｙ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｕｐｏｎ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｐｏｗｄｅｒ　ｃｏｒｅｓ　ｗｉｔｈ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　１２５ａｔｔａｉｎｅｄ　ｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ａｔ　ａｂｏｕｔ　３０ｋＨｚ，ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　６０ａｔ　ａｂｏｕｔ　８０ｋＨｚ．Ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ｆｉｒｓｔ　ｉｎ－ｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＤＣ－ｂｉａｓ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｉｔ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｕｐｏｎ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ＤＣ－ｂｉａｓｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｆｏｒ　ｔｗｏ　ｓａｍｐｌｅｓ．Ｐｏｗｄｅｒ　ｃｏｒｅｓ　ａｔｔａｉｎｅｄ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｓｔ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ＤＣ－ｂｉａｓ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ａｔｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｐｏｗｄｅｒ　ｃｏｒｅｓ　ｗｉｔｈ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　１２５ａｔｔａｉｎｅｄ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｓｔ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｔ　１５７１，３９２７Ａ／ｍａｎｄ　５８９０Ａ／ｍ　ａｔ　５０，１００ｋＨｚ　ａｎｄ　２００ｋＨｚ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　６０ａｔｔａｉｎｅｄ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｓｔ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｔ　４７１２，５４９８Ａ／ｍ　ａｎｄ　７０６９Ａ／ｍ　ａｔ　１５０，２００ｋＨｚ　ａｎｄ　２５０ｋＨｚ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｅｎｄｕｓｔ　ａｌｌｏｙ；ｐｏｗｄｅｒ　ｃｏｒｅ；ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ；ＤＣ　ｂｉａｓ；ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ作者简介：魏鼎（１９８３－），男，博士生； Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｄ３２５＠１６３．ｃｏｍ； 收稿日期：２０１４－０５－０６通讯作者：王鲜（１９７９－），男，博士，副教授； Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｘ＠ｍａｉｌ．ｈｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 近年来，软磁铁硅铝磁粉芯制品在电子电力行业的应用受到了极大的关注［１－６］。

以铁硅铝磁粉芯为磁芯的电子器件已广泛应用于太阳能、风能转换的控制电源、以太阳能为电源的ＬＥＤ路灯电源、电动汽车的能源转换器以及家用电器的节能贮能器件、电力行业的储能电抗器等许多领域。

铁硅铝（Ｆｅ８５％－Ｓｉ９．５％－Ａｌ５．５％）（Ｓｅｎｄｕｓｔ）材料的饱和磁感应强度Ｍｓ和电阻率ρ均比铁镍钼（Ｆｅ１７％－Ｎｉ８１％－Ｍｏ２％）（ＭＰＰ）高，这样使得铁硅铝粉末制品具有良好的磁性能。

廉价的铁硅铝合金粉末的许多磁特性与昂贵的铁镍钼合金粉末相近，而且应用频段基本相同，因此是铁镍钼磁粉芯极好的替代品。

由于铁硅铝粉末的经济性，因此对铁硅铝粉磁粉芯的制备以及应用研究引起了人们浓厚的兴趣。

但现阶段对磁粉芯的研究主要着重于包覆方法、合金成分以及工艺因素的影响等方面［７－１０］，而直流叠加对品质因数的影响也多局限于对铁氧体的研究［１１－１２］，本文研究了直流叠加对铁硅铝磁粉芯品质因数的影响。

１　实验设备及参数利用使用Ａｇｉｌｅｎｔ　４２８４ＬＣＲ测试仪对铁硅铝磁粉芯测试了有效磁导率频率特性和直流特性，并对两种情况下的品质因数进行了测试。

样品参数：外径为２６．９０ｍｍ，内径为１４．７０ｍｍ，高度为１１．１８ｍｍ的环状样品，使用线径为０．５ｍｍ的漆包线绕制２６匝进行测试。

２　结果与讨论２．１　测试结果图１与图２分别为有效磁导率为１２５及６０的铁硅铝磁粉芯的有效磁导率及品质因数的频率特性曲线。

由图可看出，上述磁粉芯有效磁导率均具有较好的频率稳定性，而品质因数却随频率增加出现峰值，但两者品质因数出现峰值的位置并不相同。

有效磁导率为１２５的磁粉芯在大约３０ｋＨｚ时品质因数出现峰值，而有效磁导率为６０的磁粉芯则在大约８０ｋＨｚ时品质因数出现峰值，对比不同交流磁感应强度下的品质因数，发现品质因数峰值的高低与交流磁感应强度密切相关，均随交流磁感应强度的增加而增加。

图１　磁粉芯（μｅ＝１２５）的频率特性曲线Ｆｉｇ．１　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ　ｏｆμｅ＝１２５图３～５分别为有效磁导率为１２５的铁硅铝磁粉芯在不同交流磁感应强度下的直流特性曲线。

由图可看出，有效磁导率为１２５的磁粉芯叠加直流后图２　磁粉芯（μｅ＝６０）的频率特性曲线Ｆｉｇ．２　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ　ｏｆμｅ＝６０的有效磁导率与未叠加直流的有效磁导率之比随直流叠加磁场强度增加而降低，但品质因数却随直流叠加磁场强度增加而出现峰值。

图３　磁粉芯（μｅ＝１２５）在２．５ｍＴ下的直流特性曲线Ｆｉｇ．３　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆμｅ＝１２５ｕｎｄｅｒＤＣ－Ｂｉａｓ＠２．５ｍＴ图４　磁粉芯（μｅ＝１２５）在１０ｍＴ下的直流特性曲线Ｆｉｇ．４　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆμｅ＝１２５ｕｎｄｅｒＤＣ－Ｂｉａｓ＠１０ｍＴ由图６的对比可知，有效磁导率为１２５的磁粉芯品质因数出现峰值的位置与直流叠加磁场强度无关，而与交流磁感应强度频率有关，品质因数出现峰９１第４期 魏鼎等：直流叠加对铁硅铝磁粉芯品质因数的影响图５　磁粉芯（μｅ＝１２５）在２０ｍＴ下的直流特性曲线Ｆｉｇ．５　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆμｅ＝１２５ｕｎｄｅｒＤＣ－Ｂｉａｓ＠２０ｍＴ值的高低与交流磁感应强度有关。

在交流磁感应强度频率５０、１００ｋＨｚ以及２００ｋＨｚ时，有效磁导率为１２５的磁粉芯品质因数分别在直流叠加磁场强度为１５７１、３９２７Ａ／ｍ，５８９０Ａ／ｍ到达峰值。

图６　磁粉芯（μｅ＝１２５）品质因数直流特性曲线Ｆｉｇ．６　Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ｕｎｄｅｒ　ＤＣ－Ｂｉａｓ图７～９分别为有效磁导率为６０的铁硅铝磁粉芯在不同交流磁感应强度下的直流特性曲线。

由图可看出，有效磁导率为６０的磁粉芯叠加直流后的有效磁导率与未叠加直流的有效磁导率之比随直流叠加磁场强度增加而降低，但品质因数却随直流叠加磁场强度增加而出现峰值。

由图１０的对比可知，有效磁导率为６０的磁粉芯品质因数出现峰值的位置与直流叠加磁场强度无关，而与交流磁感应强度频率有关，品质因数出现峰值的高低与交流磁感应强度有关。

在交流磁感应强度频率１５０、２００ｋＨｚ以及２５０ｋＨｚ时，有效磁导率为６０的磁粉芯品质因数分别在直流叠加磁场强度为４７１２、５４９８、７０６９Ａ／ｍ到达峰值。

２．２　分析讨论根据品质因数Ｑ的定义，线圈的品质因数Ｑ的图７　磁粉芯（μｅ＝６０）在２．５ｍＴ下的直流特性曲线Ｆｉｇ．７　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆμｅ＝６０ｕｎｄｅｒＤＣ－Ｂｉａｓ＠２．５ｍＴ图８　磁粉芯（μｅ＝６０）在１０ｍＴ下的直流特性曲线Ｆｉｇ．８　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆμｅ＝６０ｕｎｄｅｒＤＣ－Ｂｉａｓ＠１０ｍＴ图９　磁粉芯（μｅ＝６０）在２０ｍＴ下的直流特性曲线Ｆｉｇ．９　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆμｅ＝６０ｕｎｄｅｒＤＣ－Ｂｉａｓ＠２０ｍＴ表达式可写为［１３］：Ｑ＝ωＬＲＣ＋ＲＬ可改写为：Ｑ＝ＱＣＱＬＱＣ＋ＱＬ０２金属功能材料 ２０１４年图１０　磁粉芯（μｅ＝６０）品质因数直流特性曲线Ｆｉｇ．１０　Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ｕｎｄｅｒ　ＤＣ－Ｂｉａｓ式中：ＱＣ＝ωＬＲＣ为磁芯的品质因数ＱＬ＝ωＬＲＬ为绕组的品质因数磁芯的品质因数ＱＣ是随频率单调减少的，而绕组的品质因数ＱＬ是随频率单调增加的。

当交流磁感应强度频率使得ＱＣ＝ＱＬ时，Ｑ取得最大值。

这就是磁粉芯频率特性曲线中，品质因数Ｑ随频率出现峰值的原因。

而在叠加直流磁场后，使得磁芯的品质因数ＱＣ以及绕组的品质因数ＱＬ均向低频移动，即磁芯的品质因数ＱＣ增加，而绕组的品质因数ＱＬ减小。

当直流叠加磁场强度使得交流磁感应强度的频率降到再次使得ＱＣ＝ＱＬ时，Ｑ取得最大值。

这是磁粉芯直流特性曲线中，品质因数Ｑ随直流叠加磁场强度出现峰值的原因。