软磁铁氧体材料分类参数测量方法及技巧

摘 要： SJ/T1766-1997 软磁铁氧体材料分类标准用起始磁导率μi温度因数αF，相对损耗因数tanδ/μi，振幅磁导率μα，功率损耗Pv，性能因数B×f，居里温度θc等参数，把磁铁氧体材料分为三大类。其性能测试方法未具体规定。因此，通过现行测试方法标准及国内外先进测试技术的实践研究，逐一地叙述软磁铁氧体材料分类参数的测试方法及技巧。
关键词： 软磁铁氧体材料 分类参数 测试方法及技巧
1 前言
SJ/T1766-1997《软磁铁氧体材料分类》标准取代了SJ/Z1766-1981《软磁铁氧体材料系列及测试方法》。它是等同采用IEC1332-1995《软磁铁氧体材料分类》标准。该标准把软磁铁氧体材料分为OP，CL，PW三大类。OP和CL类材料的基本参数为起始磁导率μi，温度因数αF，相对损耗因数tanδ/μi居里温度θc。PW类材料的基本参数为振幅磁导率μα，性能因数B×f，功率损耗Pv，起始磁导率μi.对于这些参数，标准中未规定测试方法。本文通过现行测量方法标准及国内外先进的测试技术的实践研究，逐一地叙述软磁铁氧体材料分类参数的测试方法及技巧。
2 起始磁导率μi
2.1定义及测试条件
在规定条件下，铁氧体材料磁化曲线起点处磁导率的极限值，称为起始磁导率μi。

（1）式中，H和B为交变磁场的峰值，μ0=4π×10-7H/m为真空绝对磁导率。在SI单位中，H为A/m（安/米），B为T(特斯拉）。软磁铁氧体材料磁化曲线见图1
测试条件：（1）材料样环尺寸为R10-R36
（2）测试频率f≤10kHz
（3）磁通密度，磁通密度波形为正弦波
（4）分类标准规定测试温度为25oC
2.2测试方法
测量μi的方法有电流电压法，Q表法，电桥法，电感测试法等。近年来，由于电感测试仪已经数字化，准确度在1％-0.01％之间。因此，μi的测量通常采用电感测试仪，测量环行样品的电感L来计算起始磁导率μi。

（2）式中，，Le和Ae为样环的有效磁路长度和有效截面积。N为测试线圈匝数。。电感L的单位为亨利（H）。
2.3电感测试仪
近年来，随着电子技术和计算机技术的发展，采用阻抗法原理制作成的电感测试仪已经数字化，品种多种多样。在选择电感测试仪时，一定要满足起始磁导率μi的测试条件：
（1）测量频率f≤10kHz， < 0.25mT
（2）测试电压能调到UB=4.44fNAe ，值得注意的是市场上价格低廉的测试仪，测试电压不可调，不能满足 <0.25mT的条件，不能用来测量软磁铁氧体材料的起始磁导率μi。信息产业部磁性产品质量监督检验中心（下文简称《磁检中心》）用于测量μi的电感测试仪为HP4274A LCR测试仪，HP4192A低频阻抗分析仪，Agilent 4294A精密阻抗分析仪等。
2.4测试技巧
虽然电感测试仪准确度很高，在测试过程中，如果不注意测试技巧，对于μi的测量也会引起很大的误差。
（1）首先，应准确测量样品的尺寸，计算，由于C1测量及计算不准确，可引起的μi的较大误差。
（2）测试中，测试室应温控，满足分类标准规定25oC。测试前被测样品按照GB9632标准第6条，进行磁正常状态化后，在25oC下，放置足够长的时间（不小于2小时），使被测样品内部达到25oC。
（3）一定要满足 <0.25mT，保证测试线圈上的电压 ，测试线圈N的匝数通常为20匝。
3 温度因数αF
3.1方法原理
温度因数αF是表征软磁铁氧体材料温度特性的参数之一，采用GB9632标准第9条规定的实验方法进行测量，计算公式为：

（3）式中，根据软磁铁氧体材料分类标准，和Lθ分别为在θref和θ下测得的电感。
通常情况下，选用第9条中的方法B，把绕有测试线圈的样环，放入控温箱中，使其经受稳定循环。在规定温度范围，控温箱中温度变化（1oC/分钟）从低（25oC)到高（55oC)，又从高（55oC)到低（25oC）为一次循环，至少进行两次循环。稳定循环后，在规定的测试温度（25oC)保温足够长的时间（30分钟）。然后，测试电感Lref。Lref测试完成后，控温箱温度以1oC/分钟速度升到55oC，保温足够长时间（30分钟）后，测量Lθ

图2为温度因数αF测量时，温控箱中温度变化曲线，温度升降速度为1oC分钟。从10分钟到120分钟进行两次循环，120分钟到150分钟保温，测试（25oC)电感Lref。150分钟到180分钟升到55oC，180分钟到210分钟在55oC保温，测试（55oC）电感Lθ。
3.2仪器设备
电感测试仪与起始磁导率测量相同，温度控制箱按照GB9632标准第9条选择，磁检中心采用GZ-ESPEC高温实验箱，该温度控制箱的温度波动±0.2oC，温度偏差为±1.5oC，在温度设置范围内，可以按要求自动地稳定循环。
3.3测试技巧
（1）把绕有测试线圈的样环放入控温箱，使其在25oC-55oC范围，经受两次稳定循环，控温箱温度升降为1oC/分钟。然后，在25oC保温30分钟后，测试电感Lref，再以1oC/分钟升到55oC，保温30分钟后，测试电感Lθ，把测得的Lref和Lθ代入（3）式，就可得到被测材料环的温度因数αF。值得注意的是在25oC-55oC范围，材料环的电感值必须单调地变化。
（2）放入控温箱中的样品线圈到电感测试仪的连接导线应尽量短，使其连接导线引起的电感可以忽略，否则应该补偿连接导线引起的电感，这样可以减小αF的测量误差。
4 相对损耗因数tanδ/μi
4.1方法原理
软磁铁氧体材料在低磁通密度下损耗的特征参数为相对损耗因数tanδ/μi，即为材料的损耗角正切与起始磁导率之比。因此，在规定频率下，测量tanδ和μi就可以计算出相对损耗tanδ/μi的数值。
测试条件：在OP和CL类材料的小类中规定测试频率f。在SJ/T9072.3标准中规定 <0.25mT，测试温度为25oC。
4.2测试仪器
近年来，数字化LCR测试仪和阻抗分析仪，不但可以测量电感L，而且也可以测量磁芯线圈的tanδ。这样，在规定的条件下，可以同时测量电感L和tanδ。磁检中心用于测量tanδ/μi的仪器有：HP4274A LCR测试仪，HP4275A LCR测试仪，HP4192A低频阻抗分析仪，Agilent 4294A精密阻抗分析仪，Agilent 4291B阻抗/材料分析仪等。
4.3测试技巧
（1）测量线圈匝数及线径：μi≥200，匝数20匝，线径为Φ0.31。
μi<200，匝数20匝，线径为Φ0.55。线圈为单层，并且均匀地绕在圆环上。
（2）线圈的固有电容最好小于谐振电容的2％，以避免过大的介电损耗及电感测量值的修正。
（3）测量线圈损耗修正方法
测量绕有线圈的材料环的串联电阻Rs和电感Ls，然后减去线圈的有效电阻Re。有效电阻就是被测量线圈的直流电阻R0加上测量频率下算出的线圈附加损耗所等效的电阻Rf。因此，Re=R0+Rf。一般情况下，采用多股线，少的匝数，或分段绕成线圈，使附加损耗和线圈绝缘层中的介电损耗尽可能低，因此，Re≈R0。

（4）对于OP1，OP2，OP3及CL1，CL2类材料的tanδ/μi测试频率为1MHz和10MHz，因此，用绕线法测量误差很大，要采用同轴耦合法测量。磁检中心，在1MHz，10MHz下，采用Agilent 4294A精密阻抗分析仪和Agilent4291B阻抗/材料分析仪，用同轴耦合法测量tanδ/μi。
5 振幅磁导率
5.1方法原理
GB9632标准在附录N中推荐的测量电路见图3。根据图3和GB9632标准第17条。

对图3的（a）电路，N1=N2
（5）式中R为取样电阻。Le和Ae为样环的有效磁路长度和有效截面积。Uav为线圈上平均值电压。N1、N2分别为测试线圈初、次级匝数。 为R上峰值电压。f为测试频率。。
测试条件：B和f在PW类铁氧体材料各小类中规定。测试温度100oC。
5.2测试仪器设备

按照图3装制测试系统，要求测量仪器和设备如下:
（1）在测量时间，交流信号发生器G的输出电压幅度变化不超过0.2％，频率变化不应超过0.2％，输出波形为正弦波。
（2）测量电阻R应为纯电阻，在测量频率下，相位移小于0.002弧度，阻值误差不超过0.5％。
（3）测量电阻R上的电压，用1级精度的高阻抗峰值电压表 （ ），也可用有效值和平均值电压表，但是在测量时，应使R上电压的谐波含量小于1％。
（4）测量线圈（在双线绕组情况下的电压绕组）两端的平均值电压应使用平均值响应的电压表（1级精度）测量。
磁检中心据GB9632标准第17条和附录N电路装制成RA—1型振幅磁导率测试仪，其测试频率为10kHz—1MHz。
5.3测试技巧
（1）测试线圈的匝数应适当，高频为了减少线圈分布电容影响，匝数应少。低频测量线圈匝数不能太少，否则由于漏磁通的影响，引起较大的测量误差。
（2）100oC下测量，控温箱精确度不超过1oC，连接测试仪与样品线圈的导线应尽量短。
6 功耗测量
6.1方法
GB9632标准中规定了乘积电压表法，电桥法，示波器法，有效值法。这些方法各有其优点和局限性，应根据实际情况选用。作者在《磁性测量基础与软磁铁氧体测量实用技术》文中已经详加叙述，本文不再赘述。
6.2测量系统及仪器
GB9632标准中规定的测试方法，在附录J中推荐了测试电路，磁检中心根据这些电路研制成了如下型号的功耗测试仪：
（1）GCQ—1型软磁功耗测试电桥（电桥法），其测试频率为16kHz，25kHz，100kHz，200kHz。
（2）RPE—1型功耗测试仪（有效值法），使用频率为10kHz—200kHz。
（3）RPE—2型功耗测试仪（有效值法），工作频率为10kHz—1MHz。
（4）JP 910B型数字功率表（乘积法），测试频率为10kHz—500kHz。
这些仪器能满足PW类材料的功耗测试要求，而且价格低廉。
6.3测试技巧
功耗测试的误差，受许多因素的影响。因此，在测试中一定要注意测试技巧。
（1）首先，功率信号源要保证磁芯线圈两端的电压为正弦波，其谐波总含量应小于1％。
（2）与测量线圈串联的电阻（有效值法，乘积法等）应是无感的，电阻上的电流与电压之间的相位角不应超过0.002弧度，其阻值误差不超过0.5％。
（3）由于软磁铁氧体材料功耗受温度变化影响较大，因此，样品在测试温度下要保持足够长的时间，以使样品内外部温度达到测试 温度。PW类材料各小类的功耗参数，要求在100oC下测量。在测量时，控温箱温度变化不超过1oC。
（4）测量时间应足够短，使其样品内部不至于因磁化电流而引起温升。
（5）测试线圈匝数及线径：低频测量，在线圈直流电阻R0引起的损耗可以忽略的情况下，应尽量多。高频测量，线圈太多，线圈中分布电容影响不可忽略。线径大小应充分考虑到磁化电流大小，使其磁化电流通过线圈时不致发热。
（6）测量样品高温功耗时，测量线圈到功耗测试仪的导线应尽量短，使其导线的直流电阻R0引起的损耗可以忽略。否则应对测得的样品功耗P进行修正。如果线圈中流过的磁化电流的有效值为I，线圈直流电阻R0的功率损耗为P0，由（6）式计算：

如果样品的功耗为PL，修正后的样品功耗为：

7 性能因数
性能因数是PW类软磁铁氧体材料重要的分类参数之一。用它可以方便地计算出电源变压器功率容量。
7.1性能因数B×f的概念
变压器的容许功率为：
（8）式中，Wd为变压器绕组设计参数，Cd为磁芯设计参数，f为工作频率，B为磁感应强度。因此，变压器的容许功率Pth与B×f成正比。
在变压器设计中，要规定最高的容许温度，变压器的温升不能超过这个极限。变压器工作中的温升取决于磁芯功耗Pv。

从（8）式可知，B×f越大，变压器的容许功率就越大，这是变压器设计者所希望的。但从（9）式可知，B×f越大，磁芯功耗就越大，变压器的温升就越高，这又是变压器设计者不希望的。因而，B×f受到软磁材料功耗的限制。
性能因数B×f是在规定的软磁材料功耗极限下测量。PW类材料中，各小类材料均规定了功耗极限。例如PW1a类材料功耗极限（在100oC下），PW1b类材料功耗极限（在100oC下），等。
7.2性能因数B×f的测量
（1）在固定频率下，求Bmax
采用本文第6条方法测量功耗Pv，在固定频率fn下，改变磁通密度B，测出对应的Pv。作出Pv~B曲线，如图4所示。

从图4求出在极限功耗Pvmax下的Bmax这样，性能因数B×f=fn×Bmax。
（2）在固定磁通Bn下，求fmax
功耗测试方法用本文第6条的方法。在Bn下，改变频率f，测出对应的Pv。作Pv~f曲线，如图5。

从图5求出极限功耗Pvmax下的fmax，则材料的性能因数B×f=Bn×fmax。
8 居里温度θc
8.1方法原理
磁性材料的磁特性随温度变化而改变，当温度上升到某一温度时，磁性材料就由铁磁状态或亚铁磁状态转变为顺磁状态，这个转变温度称为居里温度，用θc表示。
原则上，一切能测到样品的磁性消失的装置（系统），均能用来测量居里温度。测定起始磁导率μi与温度θ的关系曲线，测定饱和磁化强度Ms与温度θ的关系曲线，等等，都可以确定居里温度。本文只详细叙述μi—θ曲线法和Ms—曲线法。
8.2μi—θ曲线法
把带测试线圈样品放入控温箱中，用导线连接到电感测试仪，从室温开始，测出不同温度下的相对应的电感L，作出μi—θ曲线，如图6，在μi—θ曲线下降部分，作μi最大值80％点和μi最大值20％点的直线，与μi=1的直线相交，其交点对应的温度为居里温度。
SJ2876—88电视接收机用偏转磁芯分规范中，偏转磁芯材料居里温度的测量采用了这种方法。高于300oC的θc材料，由于线圈在高温下，绝缘层被破坏，准确测量μi—θ曲线比较困难。因此，这种方法不宜作高居里温度θc的测量。
8.3Ms—θ曲线法
软磁铁氧体材料的饱和磁化强度随温度变化的曲线如图7所示。从图7中，曲线斜率最大的点作直线与温度轴θ相交，其交点就是居里温度θc一切具备了控温系统的磁秤或振动样品磁强计都可以测到Ms—θ曲线，从而可以确定居里温度θc。限于篇幅，详细叙述从略。Ms—θ曲线法，可以测量材料的高居里温度。