高导磁纳米晶Fe67.9Cu0.5Nb0.6Cr3V1Si14B13合金的高频磁性能
2006-02-27 14:22:16
来源：《国际电子变压器》2006年3月刊
1引言
早期开发的含有昂贵Nb的Fe-Cu-Nb-Si-B类纳米晶软磁合金显示出优良的综合磁性能[1，2]，但是，Nb的成本占了合金原材料成本的绝大部分，而且钢水的流动性欠佳。为了降低成本和改善钢水的流动性，我们曾用Mo或V代替部分Nb成功地开发了一些纳米晶合金[3-7]，它们都显示出可与Fe-Cu-Nb-Si-B类合金相比的综合磁性能。我们联合采用更便宜的Cr和V代替部分Nb开发了纳米晶Fe67.9Cu0.5Nb0.6Cr3V1Si14B13合金。本文报道新合金的综合磁性能，特别是，仔细地描述了弱场磁导率的频散行为和宽的f和Bm范围内的铁损行为。
2实验
用单辊液态快淬法，制成1.0cm宽、大约32μm厚的非晶带。用它卷成内径为1.9cm外径为2.6cm的环形样品。用在氮气中无磁场纳米晶化退火后的样品测磁性能。用常用的冲击法测对应Hm=80Am-1的B80、Br和HC，对应Hm=8Am-1的B8以及相对起始磁导率μi。在保持动态磁化场幅值Hm＝0.08Am-1的条件下，用SY8232型B-H分析仪在0.1-103kHz范围内测量复数磁导率分量μ′和μ″。在宽的f和Bm值范围内，也采用SY8232型B-H分析仪测量铁损P和动态矫顽力HC。
3结果与讨论
3.1直流磁性
表1列出了Fe67.9Cu0.5Nb0.6Cr3V1Si14B13的直流磁性，并与其他类型纳米晶合金的做了比较。虽然新合金的μi未达到105，但其典型的直流磁性能仍可与其他类型纳米晶合金，特别是Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金相比，仍可认为是一种高导磁合金。
3.2弱场交流磁导率的频散特性
图1表示μ′和μ″与频率的关系。可见频散行为是由涡流损耗决定Polivanov型的。其特点是，μ″-f曲线上存在着较宽的漫散峰，越过这个峰后，随着f增大，μ″下降得比μ′慢，这和不考虑磁畴存在的经典理论的不同。按经典理论，μ″-f曲线上有一个尖峰，越过峰后，μ′和μ″都按与f0.5成比例减小。
由图1可以看出，大约在f≥70kHz范围内，lnμ′与lnf线关联。这样一来，利用乘方回归计算，可近似得到μ′≈2.4053×106f0.9692。利用同样的计算方法，大约在f≥100kHz范围内，近似地有μ″≈4.3126×106f0.5752；大约在f=1-50kHz范围内，近似地有μ″≈3.565×103f0.5616，这些数值关系的表达式中f采用的单位为kHz。上述三次回归计算的相关系数绝对值│r│＞0.99。
3.3动态矫顽力与f和Bm的关系
在20-103kHz和Bm=0.01-1.0T范围内测量了动态矫顽力HC。作为例子，图2表示出一些给定f值下的HC随Bm的变化行为。不难看出，在双对数坐标中，对于给定的f，lnHC与lnBm是线性关联的，表明。利用乘方回归，对每个给定的f值可得到确定的K和n值。在测量的频率范围内，所进行的10次乘方回归计算的相关系数r＞0.999。10次计算的n平均值近似为1.0153，表明HC近似地于Bm成正比例。系数K与f有关。分析表明，在f=20-100kHz和f=100-1000kHz两个区间内，1nK分别与1nf呈现具有不同斜率的线性关联，表明K与f的关系可表示为K=K0fm。乘方回归计算表明，在上述两个区间内，m和K0的近似值分别为m≈0.5657，K0≈1.40309和m≈0.9096，K0≈0.28217。两次回归的相关系数都大于0.99。这样一来，HC/Am-1与Bm/T和f/kHz的数值关系可近似表示为：
(1)
(2)
3.4高频铁损
表2给出了Fe67.9Cu0.5Nb0.6Cr3V1Si14B13合金一些典型高频铁损水平，并与其他类型纳米晶合金和优良功率Mn-Zn铁氧体H7C4的做了比较。可以看出，新合金的高频铁损水平可与其他类型纳米晶合金的相比，但是，明显比Mn-Zn铁氧体H7C4的低。
3.5高频铁损与频率和幅值磁通密度的关系
图3表示对Bm=0.05-0.9T范围内给定的Bm值条件下P和f的关系。不难看出，在双对数坐标中，lnp和lnf是线性关联的，因此，P随f的变化行为可表示为P=Afn。对每个给定的Bm值，乘方回归得到系数A和指数n之值，n对7次回归求得的平均值为1.6784，回归的相关系数r＞0.999。A随着Bm变化，A和Bm是线性关联的，故。乘方回归得到b≈2.0587，A0≈4.07154，r＞0.999。这样一来，高频铁损P/kW.m-3随f/kHz和Bm/T的变化可近似表示为：
(3)
式(3)表明，可以认为P与成比例。分析表明用代替引起的相对偏差绝对值由Bm=0.01T的19.13%降到对应Bm=0.9T的0.6204%。
3.6高频损耗的分离
作为例子，图4和5分别表示对应Bm=0.2和0.6T的P/f-f曲线，对其他的Bm值也得到类似的曲线，这是些幂函数曲线，可由方程(3)得到的表达式P/f=4.07154f0.6784表示，由这个表达式可得出P/f对f的微分变化率可表示为Rdif=2.762133f0.3216。以R0=2.762133为单位，图6表示Rdif/R0随f的变化情形。不难看出，大约在100 kHz，特别是在50kHz以下区间内，Rdif/R0随f增大而急剧减小；大约在100kHz，特别是大约在200kHz以上，Rdif/R0随f变化相当缓慢。这意味着，起码在200kHz以上宽频率范围内，P/f对f呈现相当好的准线性关联，这些由图4和图5也可清楚地看出，这说明对高频铁损可近似地进行线性分离P/f=Keclf+Peh，这意味着，高频铁损可近似地表示为有效涡流损耗Keclf2和有效磁滞损耗Penf之和。
比较仔细分析表明，对Bm=0.05-0.4T，近似分为两个频率区间：20≤f/kHz≤70和f≥70kHz。在这些区间内进行了线性回归计算，以得到相应的参数值。所有的线性回归计算的相关系数r＞0.999。对上述两个频率区间的计算参数之值列在表3中，同时列出对应不同Bm的经典涡流系数Kcl=(πdBm)2σ/6之值，其中d=3.2×10-5m，σ=6.94×105(Ωm)-1[9]。对Bm=0.8和0.9T未得到及的原因是，限于测量仪器的能力，对Bm=0.8和0.9T最高测试频率分为120kHz和70kHz。不难看出，明显小于相应的Kcl值；所有这些计算参数都与Bm有关。
分析表明，，都近似地与线性关联，与Bm间都存在着形如（或）=的关联。但是，更仔细的分析表明，应将Bm=0.05-0.9T这么宽的范围大致分为两个区间，在它们之间，系数B0和指数b具有不同值。相关系数r＞0.999的乘方回归计算得到下列结果：
(4)
(5)
(6)
(7)
分析也表明，都近似地与线性关联，相关系数r＞0.999的乘方回归计算得到如下结果：
(8)
(9)
(10)
(11)
3.7乘积Bmf恒定时铁损与频率的关系
鉴于乘积Bmf恒定时P与f的关系在应用纳米晶合金做开关电源主变压器磁心的设计中的重要性，在f=20-103kHz范围内，在Bmf/T·kHz=15、18、20、25和30条件下，考查了新合金的P与f的关系，结果示于图7中。可以看出，总的说来，在f=70-1000kHz范围内，P和f是线性关联的，这意味着P=Kfn。分析又表明，K近似与(Bmf)线性关联。两次相关系数r＞0.999的乘方回归计算表明，P/kw.m-3与Bmf/T·kHz
早期开发的含有昂贵Nb的Fe-Cu-Nb-Si-B类纳米晶软磁合金显示出优良的综合磁性能[1，2]，但是，Nb的成本占了合金原材料成本的绝大部分，而且钢水的流动性欠佳。为了降低成本和改善钢水的流动性，我们曾用Mo或V代替部分Nb成功地开发了一些纳米晶合金[3-7]，它们都显示出可与Fe-Cu-Nb-Si-B类合金相比的综合磁性能。我们联合采用更便宜的Cr和V代替部分Nb开发了纳米晶Fe67.9Cu0.5Nb0.6Cr3V1Si14B13合金。本文报道新合金的综合磁性能，特别是，仔细地描述了弱场磁导率的频散行为和宽的f和Bm范围内的铁损行为。
2实验
用单辊液态快淬法，制成1.0cm宽、大约32μm厚的非晶带。用它卷成内径为1.9cm外径为2.6cm的环形样品。用在氮气中无磁场纳米晶化退火后的样品测磁性能。用常用的冲击法测对应Hm=80Am-1的B80、Br和HC，对应Hm=8Am-1的B8以及相对起始磁导率μi。在保持动态磁化场幅值Hm＝0.08Am-1的条件下，用SY8232型B-H分析仪在0.1-103kHz范围内测量复数磁导率分量μ′和μ″。在宽的f和Bm值范围内，也采用SY8232型B-H分析仪测量铁损P和动态矫顽力HC。
3结果与讨论
3.1直流磁性
表1列出了Fe67.9Cu0.5Nb0.6Cr3V1Si14B13的直流磁性，并与其他类型纳米晶合金的做了比较。虽然新合金的μi未达到105，但其典型的直流磁性能仍可与其他类型纳米晶合金，特别是Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金相比，仍可认为是一种高导磁合金。
3.2弱场交流磁导率的频散特性
图1表示μ′和μ″与频率的关系。可见频散行为是由涡流损耗决定Polivanov型的。其特点是，μ″-f曲线上存在着较宽的漫散峰，越过这个峰后，随着f增大，μ″下降得比μ′慢，这和不考虑磁畴存在的经典理论的不同。按经典理论，μ″-f曲线上有一个尖峰，越过峰后，μ′和μ″都按与f0.5成比例减小。
由图1可以看出，大约在f≥70kHz范围内，lnμ′与lnf线关联。这样一来，利用乘方回归计算，可近似得到μ′≈2.4053×106f0.9692。利用同样的计算方法，大约在f≥100kHz范围内，近似地有μ″≈4.3126×106f0.5752；大约在f=1-50kHz范围内，近似地有μ″≈3.565×103f0.5616，这些数值关系的表达式中f采用的单位为kHz。上述三次回归计算的相关系数绝对值│r│＞0.99。
3.3动态矫顽力与f和Bm的关系
在20-103kHz和Bm=0.01-1.0T范围内测量了动态矫顽力HC。作为例子，图2表示出一些给定f值下的HC随Bm的变化行为。不难看出，在双对数坐标中，对于给定的f，lnHC与lnBm是线性关联的，表明。利用乘方回归，对每个给定的f值可得到确定的K和n值。在测量的频率范围内，所进行的10次乘方回归计算的相关系数r＞0.999。10次计算的n平均值近似为1.0153，表明HC近似地于Bm成正比例。系数K与f有关。分析表明，在f=20-100kHz和f=100-1000kHz两个区间内，1nK分别与1nf呈现具有不同斜率的线性关联，表明K与f的关系可表示为K=K0fm。乘方回归计算表明，在上述两个区间内，m和K0的近似值分别为m≈0.5657，K0≈1.40309和m≈0.9096，K0≈0.28217。两次回归的相关系数都大于0.99。这样一来，HC/Am-1与Bm/T和f/kHz的数值关系可近似表示为：
(1)
(2)
3.4高频铁损
表2给出了Fe67.9Cu0.5Nb0.6Cr3V1Si14B13合金一些典型高频铁损水平，并与其他类型纳米晶合金和优良功率Mn-Zn铁氧体H7C4的做了比较。可以看出，新合金的高频铁损水平可与其他类型纳米晶合金的相比，但是，明显比Mn-Zn铁氧体H7C4的低。
3.5高频铁损与频率和幅值磁通密度的关系
图3表示对Bm=0.05-0.9T范围内给定的Bm值条件下P和f的关系。不难看出，在双对数坐标中，lnp和lnf是线性关联的，因此，P随f的变化行为可表示为P=Afn。对每个给定的Bm值，乘方回归得到系数A和指数n之值，n对7次回归求得的平均值为1.6784，回归的相关系数r＞0.999。A随着Bm变化，A和Bm是线性关联的，故。乘方回归得到b≈2.0587，A0≈4.07154，r＞0.999。这样一来，高频铁损P/kW.m-3随f/kHz和Bm/T的变化可近似表示为：
(3)
式(3)表明，可以认为P与成比例。分析表明用代替引起的相对偏差绝对值由Bm=0.01T的19.13%降到对应Bm=0.9T的0.6204%。
3.6高频损耗的分离
作为例子，图4和5分别表示对应Bm=0.2和0.6T的P/f-f曲线，对其他的Bm值也得到类似的曲线，这是些幂函数曲线，可由方程(3)得到的表达式P/f=4.07154f0.6784表示，由这个表达式可得出P/f对f的微分变化率可表示为Rdif=2.762133f0.3216。以R0=2.762133为单位，图6表示Rdif/R0随f的变化情形。不难看出，大约在100 kHz，特别是在50kHz以下区间内，Rdif/R0随f增大而急剧减小；大约在100kHz，特别是大约在200kHz以上，Rdif/R0随f变化相当缓慢。这意味着，起码在200kHz以上宽频率范围内，P/f对f呈现相当好的准线性关联，这些由图4和图5也可清楚地看出，这说明对高频铁损可近似地进行线性分离P/f=Keclf+Peh，这意味着，高频铁损可近似地表示为有效涡流损耗Keclf2和有效磁滞损耗Penf之和。
比较仔细分析表明，对Bm=0.05-0.4T，近似分为两个频率区间：20≤f/kHz≤70和f≥70kHz。在这些区间内进行了线性回归计算，以得到相应的参数值。所有的线性回归计算的相关系数r＞0.999。对上述两个频率区间的计算参数之值列在表3中，同时列出对应不同Bm的经典涡流系数Kcl=(πdBm)2σ/6之值，其中d=3.2×10-5m，σ=6.94×105(Ωm)-1[9]。对Bm=0.8和0.9T未得到及的原因是，限于测量仪器的能力，对Bm=0.8和0.9T最高测试频率分为120kHz和70kHz。不难看出，明显小于相应的Kcl值；所有这些计算参数都与Bm有关。
分析表明，，都近似地与线性关联，与Bm间都存在着形如（或）=的关联。但是，更仔细的分析表明，应将Bm=0.05-0.9T这么宽的范围大致分为两个区间，在它们之间，系数B0和指数b具有不同值。相关系数r＞0.999的乘方回归计算得到下列结果：
(4)
(5)
(6)
(7)
分析也表明，都近似地与线性关联，相关系数r＞0.999的乘方回归计算得到如下结果：
(8)
(9)
(10)
(11)
3.7乘积Bmf恒定时铁损与频率的关系
鉴于乘积Bmf恒定时P与f的关系在应用纳米晶合金做开关电源主变压器磁心的设计中的重要性，在f=20-103kHz范围内，在Bmf/T·kHz=15、18、20、25和30条件下，考查了新合金的P与f的关系，结果示于图7中。可以看出，总的说来，在f=70-1000kHz范围内，P和f是线性关联的，这意味着P=Kfn。分析又表明，K近似与(Bmf)线性关联。两次相关系数r＞0.999的乘方回归计算表明，P/kw.m-3与Bmf/T·kHz
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