MnZn鐵氧體功率損耗特性研究

1、工藝·技術(shù)·應(yīng)用MnZn鐵氧體功率損耗特性研究郝利軍1,王永安1,周軍師1,許啟明2(1. 陜西金山電器有限公司技術(shù)中心,陜西咸陽 712021;2. 西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安 710055摘要:采用固相反應(yīng)法制備了Zn0.23Mn0.70Fe2.07O4功率鐵氧體材料。研究了材料的靜態(tài)磁參數(shù)和功率損耗;并在100kHz、200mT下對MnZn鐵氧體材料的損耗進(jìn)行了分離。結(jié)果表明,試樣的II峰在80左右,與磁滯損耗P h極小值對應(yīng)溫度一致。材料的損耗特性隨溫度變化很大,在常溫下,磁滯損耗P h占了材料總損耗的大部分;而隨著溫度的升高,渦流損耗P e逐漸成

2、為材料損耗的主體。關(guān)鍵詞:MnZn鐵氧體;功率損耗;磁性能中圖分類號:TM277+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1001-3830(201104-0043-02 Characteristics of the power loss of MnZn ferriteHAO Li-jun1, WANG Yong-an1, ZHOU Jun-shi1, XU Qi-ming21. Technology Center of Shaanxi Jinshan Electronic Components Co, Ltd, Xianyang 712021, China2. College of Material

3、 Science & Engineering, Xian Universityof Architecture & Technology, Xian 710055, ChinaAbstract:Zn0.23Mn0.70Fe2.07O4 power ferrite material was prepared by solid-state reaction method. Magnetic properties and power losses of the material were investigated by MATS, and SY-8232 B-H. The hyster

4、esis loss, eddy current loss and residual loss were separated from the total power loss of MnZn ferrites at 100kHz, 200mT. The results showed that the II peak appeared at 80, corresponding to the temperature of minimal hysteresis loss. The loss characteristics of materials were affected significantl

5、y by temperature. At normal temperature, the hysteresis loss account most of the total loss of material, but the eddy current losses gradually become the main part of material loss with increasing temperature.Key words:MnZn ferrites; power losses; magnetic property1引言MnZn功率鐵氧體磁心主要應(yīng)用在電子設(shè)備中,如果磁心的損耗大,不

6、僅能耗增大, 而且還因過熱而損害磁心的工作特性,影響整機效率。因此研究其功耗特性就顯得尤為重要。國內(nèi)外學(xué)者14已對磁損耗的組成及其隨溫度、頻率和磁感應(yīng)強度的變化進(jìn)行了一定的研究,但所用功耗分離方法各異。本文研究了MnZn功率鐵氧體在不同溫度和不同頻率條件下的損耗特性,根據(jù)文獻(xiàn)5給出的損耗分離公式分析了磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗的收稿日期:2010-11-19 修回日期:2011-02-28通訊作者:郝利軍 E-mail: haolijun2001 機理,并討論了三種損耗與溫度、頻率的關(guān)系。2 實驗2.1 樣品制備按照傳統(tǒng)的氧化物工藝,以市售Fe2O3 (99.35%、Mn3O4 (99.25

7、%和ZnO (99.4 %為原料, 按照Zn0.23Mn0.70Fe2.07O4進(jìn)行配料,并按原料、水、鋼球的質(zhì)量比為11.22.5放入球磨機鋼罐中球磨6h,經(jīng)過一次球磨后取料烘干,隨后置于馬弗爐中在950預(yù)燒2h,然后在預(yù)燒粉料中加入添加劑0.10wt% CaCO3,0.05wt% TiO2,0.025wt% Nb2O5和0.04wt% V2O5,二次球磨12h,烘干并過0.30mm 的篩,加入8%的PV A (濃度8%黏合劑造粒后在12MPa 壓力下壓成31mm×19mm×8mm 的環(huán)型磁心,然后再按照一定的升溫速度升至1360保溫4h ,進(jìn)行平衡氣氛燒結(jié)。 2.2 樣

8、品表征用國產(chǎn)MATS-2010S 型軟磁材料自動測試系統(tǒng)(MATS在外加磁場為1194A/m 的條件下測試樣品的磁滯回線;用日本巖崎SY-8232 B-H 分析儀在100kHz 、200mT 條件下測試鐵氧體的功率損耗P cv ;用HP4980A LCR 測試儀在10kHz 、10mV 條件下測量樣品的電感值L s 和Q 值,并計算出起始磁導(dǎo)率i 。3 結(jié)果與討論圖1是MnZn 功率鐵氧體材料起始磁導(dǎo)率隨溫度的變化曲線。由圖1可見材料的起始磁導(dǎo)率隨溫度的升高呈上升趨勢,II 峰出現(xiàn)在80左右,隨后有所下降,但幅度不大。我們知道起始磁導(dǎo)率i 主要來源于疇壁位移與磁疇內(nèi)自旋磁矩轉(zhuǎn)動(疇轉(zhuǎn)等磁化過程

9、,但在軟磁材料中,疇轉(zhuǎn)對起始磁導(dǎo)率i 的貢獻(xiàn)可以忽略。根據(jù)疇壁位移磁化機制有6:1320si s 1 (132MK d =+ 式中:M s 為飽和磁化強度;K 1為磁晶各向異性常數(shù);s 為磁致伸縮系數(shù);為內(nèi)應(yīng)力;為雜質(zhì)或氣孔的體積濃度;為疇壁厚度;d 為雜質(zhì)半徑。實踐和理論證明,飽和磁化強度M s 、磁晶各向異性K 1與磁滯伸縮系數(shù)s 是影響起始磁導(dǎo)率i 的主要因素。而這些本征參數(shù)都與溫度有關(guān),因此起始磁導(dǎo)率i 是溫度的復(fù)雜函數(shù)。隨著溫度的升高M(jìn) s減小,而K 1與s 隨溫度的變化更大,在80左右K 1、s 0,從而i 取得極值(即II 峰。表1給出了試樣的基本磁性能。 表1 試樣的基本磁性能

10、i B s /mTB r /mTH c /A·m -1Q D/g·cm-32451517 93 11 135 4.88關(guān)于MnZn 鐵氧體功率損耗機理,已有大量的實驗研究及理論分析。Ionue 提出5,鐵氧體的磁芯損耗P cv 可以分為三部分:磁滯損耗P h 、渦流損耗P e 和剩余損耗P r 。即:1.622cv h e r m m r =P P P P B f eB f P +=+ (2式中,、e 分別為磁滯、渦流損耗常數(shù)。在低頻(f 500kHz 下,P r 可以忽略,上式可表述為:1.62cv m mP B eB f f=+ (3 將實驗結(jié)果繪成P cv /f -f

11、 圖,根據(jù) (3式可知,常數(shù)項 1.6mB 對應(yīng)于P cv /f 曲線中縱坐標(biāo)上的截距,截距大表示每周的磁滯損耗大;f 的系數(shù)2m eB 對應(yīng)于P cv /f 曲線的斜率,斜率大表示每周的渦流損耗大;而偏離線性部分的程度對應(yīng)于剩余損耗的大小。因此,可以在相同B m 的條件下對鐵氧體進(jìn)行損耗分離。下面我們在B m =200mT 時對樣品的P cv 進(jìn)行損耗分離研究。 分別在25、40、80 和120溫度下,測量材料在B m =200mT 、不同頻率f 下磁心的單位體積功率損耗P cv ,并繪制P cv / f -f 圖,如圖2所示。從圖2可見,隨著溫度的升高,P cv /f 曲線的斜率在增大,這

12、是由于溫度升高電阻率降低,引起渦流損耗常數(shù)e 增大所致。在120kHz 時剩余損耗沒有出現(xiàn),材料的損耗由磁滯損耗P h 和渦流損耗P e組成。圖3是試樣在200mT 、100kHz 時的損耗分離隨溫度變化的結(jié)果。由圖3可知,隨著溫度的升高,T /圖1 試樣起始磁導(dǎo)率i 的溫度特性 i04080120160 200 240 2468f /kHz 圖2 B m =200mT 、不同溫度條件下磁心每周功耗P cv /f 隨頻率的變化 (P c v /f /(k W /(m 3·k H z (下轉(zhuǎn)48頁畸變引起的。上述實驗也表明,對材料性能變化而言,三類試驗中,高溫濕熱(40,相對濕度92%

13、,96h 的影響最明顯,高溫(125×96h 次之,而溫度沖擊(-55125×5次最弱。同時,本次試驗也說明,今后有必要選取更大的試驗范圍和更嚴(yán)酷的環(huán)境條件,以便掌握石榴石鐵氧體的極限使用條件。 參考文獻(xiàn):1 余聲明. 環(huán)行器/隔離器在微波通信中的應(yīng)用J.磁性材料及器件,2003,34(1:25-29. 2 劉莉,張明.微波鐵氧體器件失效情況的統(tǒng)計與分析J.磁性材料及器件,2006,37(5:58-60. 3 靳正國,郭瑞松,師春生,等.材料科學(xué)基礎(chǔ)M.天津:天津大學(xué)出版社,2008.4 (馬昌貴譯.鐵氧體性能的穩(wěn)定性M.綿陽:西南應(yīng)用磁學(xué)研究所,1993. 5 李海華,馮

14、則坤,何華輝.石榴石旋磁材料的可靠性研究J.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗,2000(1:16-18.作者簡介:邵峰(1977-,男,高級工程師,質(zhì)量工程師,天通控股股份有限公司磁性材料研究所所長,從事磁性材料研發(fā)、生產(chǎn)及管理10多年。 材料的損耗P cv 先減小后增大,在80時獲得最小值;磁滯損耗P h 在低于80時線性減小,而高于80時變化平緩;渦流損耗P e 與磁滯損耗P h 變化趨勢相反,在低于80時變化平緩,而高于80時線性增大。分析其原因為:在25時,剩磁B r 、矯頑力H c 和電阻率最大,雖渦流損耗P e 小,但磁滯損耗P h 太大,所以材料的損耗P cv 較大。隨著溫度升高,剩磁B

15、 r 和矯頑力H c 減小,降低了磁滯損耗P h ;而電阻率減小,會增大渦流損耗P e 。溫度低于80時,由剩磁B r 和矯頑力H c 減小引起的磁滯損耗P h 的降低大于由電阻率減小引起的渦流損耗P e 增大,此時材料的損耗P cv 逐漸降低。當(dāng)溫度高于80時,由電阻率減小引起的渦流損耗P e 的增大大于由剩磁B r 和矯頑力H c 減小引起的磁滯損耗P h 的降低,材料的損耗P cv 逐漸增大。而80時,在剩磁B r 、矯頑力H c 和電阻率的共同作用下,磁滯損耗P h 與渦流損耗P e 獲得最佳的組合,材料的損耗P cv 取得最小值。圖3中出現(xiàn)渦流損耗P e 在40取得最小值的原因可能是

16、由于損耗分離中忽略剩余損耗所致7。4 結(jié)論采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)法制備了Zn 0.23Mn 0.70Fe 2.07O 4鐵氧體材料,根據(jù)磁滯損耗P h 、渦流損耗P e 和剩余損耗P r 與頻率的關(guān)系,在200mT 、100kHz 的條件下對材料進(jìn)行損耗分離,得到如下結(jié)論:(1磁滯損耗P h 極小值的溫度與磁導(dǎo)率i 的II 峰溫度一致。(2120kHz 以下剩余損耗P r 可以忽略不計。(3材料的損耗P cv 隨著溫度的升高先減小后增大,在80時獲得最小值。當(dāng)溫度低于80時磁滯損耗P h 決定材料損耗P cv 的大小,而高于80時渦流損耗P e 線性增大,成為材料損耗P cv 的主要部分。參考文獻(xiàn):

17、1 Nie J H, Li H H, Feng Z K, et al. The effect of nano-SiO 2 on the magnetic properties of the low power loss manganese-zinc ferrites J. J Magn Magn Mater, 2003, 265: 172-175. 2 Stoppels D. Developmentsin soft magnetic power ferritesJ. J Magn Magn Mater, 1996, 160: 323-328.3 Papazoglou P, Eleftherio

18、u E, Zaspalis V T. Low sinteringtemperature MnZn-ferrites for power applications in the frequency region of 400 kHz J. J Magn Magn Mater, 2006, 296: 25-31.4 Li L Z, Lan Z W, Yu Z, et al. Effects of Co-substitutionon wide temperature ranging characteristic of electro- magnetic properties in MnZn ferrites J. J Alloys Compds, 2009, 476: 755-759.5 Ionue O, Mat