金属软磁粉芯的损耗和交直流叠加

1 引言

人们在软磁材料的设计应用中，其损耗和交直流叠加是我们需要考虑的重要问题。这也就是说损耗的大小和直流偏场的稳定性如何，是表征一种$软磁材料性能优劣的重要特性。比如说金属软磁虽然具有高的磁感应强度Bs值等优良特性，但是由于其电阻率低损耗大，所以在很多使用场合逐渐被性能优异、特别是损耗很低的第二代软磁材料的软磁铁氧体所取代。但是由于软磁铁氧体有一个致命的缺陷就是其饱和磁感应强度低、易饱和且直流偏场的稳定性较差而影响其使用。第三代的非晶微晶软磁虽然其损耗较大而远不及铁氧体软磁，但由于其具有较高的饱和磁感应强度、直流偏流稳定性较好、且生产工艺较为简单。所以在使用频率不是很高的情况下，不仅可以取代金属软磁，且在不少地方也取代了铁氧体软磁。

第四代软磁材料的$金属软磁粉芯，它不仅保留了金属软磁具有较高的饱和磁感应强度Bs的优点，同时它也保留了铁氧体软磁具有低的损耗之优良特性。所以，我们说它是一种最具优良特性、综合性能良好的最新一代的软磁材料。低的损耗、高的饱和磁感应强度和良好的直流偏场稳定性及性能的可控性等都是它的最主要优良特性。但是我们对其损耗低和直流偏场稳定性好这两个问题的认识，还并不十分清楚。如：各种损耗的产生和减少措施、在交直流场共同存在的情况下其磁化影响、随着直流值的增加测出电感值为什么越来越小、影响直流叠加稳定性的因数是什么？金属软磁粉芯为什么具有损耗低和直流偏场稳定性好等优点？这些都是值得我们去深入认识和了解的。

2 金属软磁粉芯的损耗

软磁材料的发展所围绕的一个最核心的问题是什么呢？就是如何降低其损耗。从金属软磁发展的全过程来说是这样的；铁氧体软磁等一代代新的软磁材料的出现也是为了降低损耗这一核心问题而作出的努力；直至最新一代软磁材料金属软磁粉芯的出现，更是抓住了降低损耗这一核心问题的核心，即如何降低涡流损耗的问题。为什么说这是个核心的核心呢？我们讨论了下面的问题，就会自然明白了。

我们说软磁材料的损耗是指它在交变场的磁化过程中，它所吸收并以发热的形式耗散所消耗的能量，这种损耗包括磁性材料的磁损和介电损耗。这其中磁损是磁性材料在交变场作用下的主要损耗。所以我们在讨论金属软磁粉芯的损耗时，我们所要考虑的主要也是磁损。我们还知道磁损主要包括的有：磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗。下面我们将分别来进行叙述和讨论。

首先我们讨论磁滞损耗的问题，当然我们这里只能进行极为简单的讨论。什么是磁滞损耗呢？我们说磁滞损耗的产生主要来自于磁性材料中存在的各种杂质缺陷、以及各种磁各向异性等的非均匀性，这些都会使磁性材料在交变场的磁化过程中，使畴壁的移动和畴壁的旋转受到一定的阻滞而成为不可逆，也就是说要消耗能量而造成损耗，这也就是我们所说的磁滞损耗。这其中所含杂质造成的缺陷是较容易理解的，这也是我们在粉的处理时要通氢以还原除去杂质之目的。而磁各向异性是比较复杂多样的，我们这里所要考虑的主要是磁晶各向异性K和磁滞伸缩各向异性（也有称为磁弹性各向异性）λ。为了降低磁滞损耗，我们可通过氢保护处理，尽量使磁性材料的磁晶各向异性常数K→0，以及使其磁致伸缩系数λ→0。所以在金属软磁粉芯的生产过程中，粉的氢保护处理是非常重要的，其重要目的就是为了清除杂质、调整织构以保证其最大的短程有序状态。国外曾经有人提出：在保存最大限度的短程序情况下，保留少许长程序是必要的，这对提高磁性能是有利的。本人对此观点是持否定态度的：因为长程序存在的本身即意味着磁各向异性的存在，即不利于K→0 和λ→0，即不利于磁滞损耗的降低，从而有碍于磁性的提高。当然我这里仅仅是一种理论的分析，并没有进行实验的验证。并且长程序和短程序之间的互相转变是一个可逆的过程，在这种织构的转变过程中，总会有一微小比例的“共存区”，为了保持良好的综合性能在大部分由长程序向短程序转变的过程中，有点长程序的存在也是完全可能的，但这并不意味着非得保留一点长程序不可。这一观点在2004年第四届世界优秀论文评选时，本人在有关论文中作了表述并得以认同。

关于涡流损耗的降低，这是金属软磁粉芯生产的最主要工艺特点。所以下面我们再来谈什么是涡流损耗，其产生及如何降低涡流损耗的问题。当磁体在外场的作用下，由于磁感应而被磁化时，磁体本身的固有磁场在外场的作用下会发生微小的偏移，于是即产生了感应电流，这种感应电流由于只能在磁体内部流动，即称之为涡流。而由于磁体自身的阻抗，于是涡流在流动过程中就受到了阻滞，而所产生的涡流为克服这种阻滞而流动时，是要以发热的形式耗散能量的，这也即是产生了涡流损耗。磁体的阻抗愈低则涡流愈大，也即是涡流损耗更大。为此，增大磁体的电阻率，就会使涡流减少也即是降低了涡流损耗。在交变场情况下，随着频率的增加这种涡流损耗也迅速增加，从而使其在总损耗中的比例增加。我们曾测过CS270125 的样品，当频率达100kHz时，其总损耗大为增加，而此时涡流损耗已占总损耗的90%以上，这说明随着频率的增加，使总损耗也大为增加的原因主要是来自涡流损耗的增加。所以相对来说金属软磁粉芯为什么既具有良好的磁性能而又具有低的损耗呢？这就是由于它经过了绝缘包覆工艺，在压制之前使细小的磁体粉末经过绝缘包覆而使其互相之间隔绝起来，压制的磁体电阻率提高了，所以其涡流损耗大大降低。正是由于抓住了这一核心的核心，使金属软磁粉芯阻抗增加降低了涡流损耗，从而具有损耗低这一优良特性。

最后我们再来谈剩余损耗的问题。所谓剩余损耗是由于各种磁性材料本身所具的各种磁后效也或者说磁粘滞性，由此种种原因使其在磁化过程中产生了弛豫（即不稳定）现象所消耗之能量而产生的损耗，即是剩余损耗。这种损耗相对于磁滞损耗和涡流损耗来说，在一般情况下是一个可以忽略不计的极小值。因此，我们可以把测得的总损耗看作是磁滞损耗和涡流损耗二者之和。也或者在有条件的情况下，我们可以分别测出磁滞损耗和涡流损耗，也可把二者之和当作其总的损耗。而在需要考虑剩余损耗的情况下，我们也可先测出去其总损耗，并分别在测出其磁滞损耗和涡流损耗，然后将总损耗减去磁滞损耗和涡流损耗即为剩余损耗的实际值了。