压粉磁芯磁特性研究
Research Magnetic Properties of Powder Core

1 引言
随着电力消费的连年巨增，安全、稳定和高效率的输变电是电力部门的重要研究课题。由于电力电子技术的进步，使长距离的直流输电成为可能，在直流输电系统中，使用晶闸管作为变换器来把交流变成直流，然后又变换成交流。这种直流输电设备晶闸管和阳极电抗器串联连接的模块中，阳极电抗器在晶闸管的构成要素中，是一项重要的元件。从直流输电系统特性行分析，要求构成阳极电抗器的磁芯具备以下特性：
1）到几百KHz的频率范围，材料的有效磁导率基本不变，并要求磁芯在高频的涡流损耗很小；
2）具有超过1T的高饱和磁通密度及在必要的磁通密度范围，有100-200μH/m左右的有效磁导率；
3）高频铁损及在开关频率下的铁损都要少；
4）容易制造成重量达100公斤的磁芯；
5）有高的时间稳定性；
6）有小的电磁噪声。
除电力的输变电系统中应用之外，压粉磁芯在电机、大电流滤波器及其抗EMI系统中也有广泛的应用空间。本文从压粉磁芯高频磁特性分析、压粉磁芯铁损降低方法等方面对压粉磁芯进行讨论。
2 压粉磁芯的高频磁特性分析
2.1 磁特性的表示
压粉磁芯的磁特性由给定频率下的复数磁导率μ′、μ″或者μ、损耗系数tanδ表示，它们之间的关系为：

根据μ的频率特性，把f→0时的μ或者μ′的值定义为直流磁导率μDC，μ减少到μDC的80%时的f值称之为临界频率fcr，μDC和fcr是压粉粉磁芯的重要特性之一。
2.2 直流磁导率
表示铁磁性粉末集合体的直流磁导率的理论表示式有多种不同的提案，根据Ollendorf表示，其直流磁导率的表示式则可表示成与铁粉的填充率、铁粉粒子的有效去磁系数N、铁粉粒子的固有磁导率η、铁粉粒子的有效去磁系数N、铁粉粒子的固有磁导率μt的关系为


2.3 考虑粒子内部涡流时磁导率的表示式
压粉磁芯在高频的复数磁导率的频率特性，由磁芯内涡流的状况来决定。涡流分为各粒子内孤立流动的粒子内部涡流和由于粒子间绝缘不完全而存在于粒子间的涡流，在此，各种涡流单独作用时的复数磁导率基于古典理论来计算。
为了求出由于粒子内涡流引起的复数磁导率的频率特性，把施加交流磁场时的电磁场分布分粒子部分和非磁性部分来计算，算出磁芯内的平均磁通密度即可。设粒子的固有电导率为σt，粒子直径为d，则μ′、μ″可表示为



2.4 考虑粒间涡流时磁导率的表示式
粒间涡流的产生机构和均匀金属物质是相同的，用磁芯的视在电导率σ和视在直流磁导率μDC表示为

式中A为垂直磁路面的磁芯截面积，c是依赖于磁芯截面形状和视在电导率各向异性的修正系数，Ps是包含ber，bei，ber′，bei′的s的函数。

2.5 压粉磁芯高频特性分析
压磁磁芯的制备采用表1所示化学成分、粉体
特性的雾化纯铁粉，加入0.05wt%的环氧树脂，以
196-686Mpa（2-7t/cm2）的压力，压制成外径
38mm，内径25mm，高度为6.5mm的环状样品，在样品上缠绕直径为0.6mm的铜线，用矢量阻抗仪在10KHz-2MHz频率范围内测量出样品的复阻抗，由此计算出μ′、μ″。压粉磁芯的视在电导率则是将以同样方法制备的材料压制成宽10mm、厚6mm、长为35mm的矩形样品，用四端子法，对样品通过1A的电流，电压端间距为20mm条件下，求出长度方向的电导率。


图1为以不同压力成型的样品，铁粉填充率η和直流磁导率μDC关系，若外推直线到η=1，可得到μDC→96.6μ0，这个值可以看成是铁粉粒子固有的导磁率μt。因此可在（2）式中取μt=96.6μ。用图1的数据求粒子的有效去磁场系数N，则可得到图2的结果。随着磁芯密度的上升，去磁系数N减少这个事实反映出由于成型而引起的粒子变形而导致去磁系数N的减少以及由于相邻粒子的存在而导致有效磁场的增加这样的事实。
3 压粉磁芯铁损降低方法
铁损是压粉磁芯的一个重要参数，能否有效地降低铁损，决定了压粉磁芯的可用程度，以下通过一个研究实例，对实验结果进行分析来说明降低压粉磁芯铁损一些方法。
3.1 降低铁损的方法
3.1.1 材料成分
压粉磁芯的铁损与固有电阻、磁通密度及成型密度之间有很多的关系。在15KHz、0.05T条件下测得的铁损与固有电阻的关系如图3所示，各种不同固有电阻的样品制备是通过改变绝缘处理条件、树脂添加量等方法来实现的。从图中可见，当固有电阻在0.01Ωm以下值时，铁损随固有电阻的增加而激烈地减少，而固有电阻在0.01Ωm以上时，铁损大体上维持一固定值。



众所周知，铁损由下述（7）式所表述，它由磁滞损耗和涡流损耗二部分构成

式中Wh为磁滞损耗；We为涡流损耗；K1、K2是系数；f是频率；Bm为磁通密度；ρ是电阻率；t为材料厚度。在铁损表示式中，涡流损耗与频率的二次方成正比，显然频率越高，涡流损耗越大。若能提高压粉磁芯的固有电阻，涡流损耗就能被抑制。从图中可见，磁芯若能维持0.01Ωm以上的固有电阻，就能抑制涡流损耗的增加，从而降低铁损。为提高固有电阻，必须对每一铁粉进行绝缘处理，且通过热处理工艺时，该绝缘层不能被破坏，即绝缘层必须具有较强的耐热性。图4和图5是添加某树脂，在0～2mass%的范围时，树脂的添加量对固有电阻和成型密度的影响。当树脂添加量为0mass%时，样品的固有电阻是0.008Ωm。随着树脂添加量的增加，固有电阻缓慢上升，当树脂添加量达到1.0mass%以上时，固有电阻达到0.01Ωm以上。另外成型密度随着树脂添加量的增加而降低，当在2.0mass%以上时，下降很多。
从以上结果可以看出，树脂的添加量的最优值应该在1.0mass%～2.0mass%之间。
3.1.2 绝缘方法的改进
在由混合和干燥组成的绝缘处理工艺中，为使铁粉完全绝缘，需注意以下二点：
第一是选定最佳的界面活性剂，绝缘处理首先在铁粉中添加水溶性的绝缘处理液，用专用混合机混合。此时，在绝缘处理液中因所添加的界面活性剂的种类不同可以发现固有电阻的差异。选择具有最低接触角度的界面活性剂，能得到最高的固有电阻，这一点从实验中已得到充分验证。
第二是在溶液中添加防锈剂，不添加防锈剂的时候，密度、固有电阻值均显示最低值。当防锈剂添加量为某一数值时，固有电阻最大，密度也变大。以上的实验结果说明，选择最佳界面活性剂和添加防锈剂，对在压粉磁芯表面形成均匀绝缘膜层是有效的。
3.1.3 热处理条件
从图3可以看出，当材料固有电阻在0.01m以上时，样品的铁损大体上在17W/kg左右。在低频部分铁损的大部分为磁滞损耗。因此，在低频时，要降低铁损就必须降低磁滞损耗。一般来说，磁滞损耗与磁性材料的密度、成分、粒径、剩余应力等有关。研究时应以降低剩余应力为着眼点，这是由于在压粉磁芯的制造工艺中，粉末成型的高压力产生大的磁致伸缩。所以可以认为降低剩余应力是减少磁滞损耗最有效的方法。


图6a、6b分别是树脂添加量为1mass%、2mass%在激励磁通密度0.05T，频率15KHz条件下测得的铁损、磁滞损耗及涡流损耗与热处理温度的关系。样品制作条件和前述相同。磁滞损耗先随热处理温度的上升而减少，在827K出现最小值，超过该温度磁滞损耗急剧增加，由于铁损为磁滞损耗和涡流损耗之和，在753K以下，基于热处理温度的上升，磁滞损耗的降低铁损随之减少。但在823K以上，由于涡流扣除的增加而激烈上升。
4 压粉磁芯温度稳定性及其性质
4.1 温度稳定性
使用的金属粉末具有和电磁钢板相同的成分，具有良好的温度稳定性，且环氧树脂也是具有优良稳定性的材料。对制备的复合材料在155℃的空气中，进行过1000小时的试验，没发现材料特性的退化。
4.2 铁芯噪声
由于磁性复合材料在其结构上机械阻尼大，因而铁芯噪声小，使用环状铁氧体铁芯的电抗器和具有同一尺寸形状以及电感量的磁性复合材料电抗器进行噪声特性比较时，对500Hz～20KHz的正弦波电压，用磁性复合材料的电抗器的噪声大约降低10db。
5 结论
长期以来，电力电子器件中使用的磁性材料一直是电工钢材料，在商用频率范围，这种材料具有优良的磁特性，但随着频率的升高，其特性急剧地变差，而铁氧体材料与之相反，其高频特性优良，但由于饱和磁通密度低，无法作为大功率器件使用。压粉磁芯材料具有优良的高频特性和高的磁通密度，能广泛应用于电工钢、铁氧体无法应用的领域。这种材料由模具成型，能制成各种复杂的形状，并且有可加工性等特点。作为一种在电力电子，抗EMI领域中有广泛应用的新材料应该引起重视。■