1引言
电子电气设备的小型化、节能化，其电源系统的小型、节能是关键因素，而提高电源变压器的驱动频率则是其小型化的有效途径。但是，用作变压器磁心的铁氧体材料的功率损耗是随着频率的提高而增大的。为了降低在高频工作时电源变压器磁心的功率损耗，多种用于MHz频率的功率Mn-Zn铁氧体材料正在不断地被开发出来。降低铁氧体材料功率损耗的主要方法是研究铁氧体材料主配方的组成成分和微量添加物、以及其它制成粉料的工艺技术条件。研究表明，降低原材料高频损耗的方法之一是细化材料的晶粒。因为在MHz频段下工作的变压器磁心损耗的主要成分是剩余损耗。而其根源是畴壁共振。所以，通过细化Mn-Zn铁氧体材料的晶粒，使畴壁减少而不再产生畴壁共振，因此，剩余损耗就下降了。与频率的二次方成正比的涡流损耗也是变压器磁心高频损耗的主要分量，降低涡流损耗的方法，一般是在铁氧体材料微结构的晶界之间形成高电阻率层。
为降低变压器铁氧体磁心的高频损耗的研究，已提出了多种实验方法和实验模型。本文主要针对在1100℃温度下烧结，用于1MHz频段的功率Mn-Zn铁氧体的主配方成分对其磁心损耗特性的影响，以及磁心损耗特性又如何影响变压器磁通密度的稳定性。
2实验方法
首先按铁氧体材料主配方成分称量Fe2O3、MnO、ZnO等工业用原料，以球磨机湿式混合工艺将其混合均匀；在空气中以850℃温度预烧3小时；在预烧料中添加实验量的SiO2、CaCo3、Ta2O5和TiO2等掺杂物质；用球磨机湿式法粉碎成粉料；在粉料中加入0.8wt%的聚乙烯醇（PVA）作其造粒粘合剂；以1T/cm2的压力，压制φ24×φ12×5.5(mm)的试验样环；将样环置于N2-O2混合气体中控制氧分压的气氛中用1100℃的温度烧结成型。
对完成烧结的试验样环用交流B-H回线分析仪（IWATSV SY 8232型）在Bm=50mT，f=100kHz~1MHz的频率范围内测试磁心的损耗，并分别以下列方法分析磁心损耗的有关分量：磁滞损耗是与频率成正比的损耗分量；涡流损耗是与频率的二次方成正比的损耗分量；损耗总值中减去涡流损耗和磁滞损耗两部分后即为剩余损耗。本实验所采用的样环，在500kHz频率以下的频段工作时，可以认定其剩余损耗可以忽略不计。为此，以100~500kHz的磁心损耗数据中的每周期损耗/频率曲线计算一次回归直线，用Y轴截距表示磁滞损耗；由斜率计算涡流损耗；然后从1MHz频率时的磁心损耗中减去以上计算出的磁滞损耗和涡流损耗所得的差值即为剩余损耗。
用直流B-H回线分析仪在Bm=50mT的条件下，求出矫顽力Hci和在H=0.2~20Oe下的Bm。用阻抗分析仪测量起始磁导率μi。在样品端面上涂覆Ga-IN合金，使铜箔电极与之紧密结合，用DMN仪测量样环的直流电阻值。最后用荧光X射线成分分析仪和用K2Cr2O7溶液做的电位差滴定，求得“Fe2+量值/Fe量值”和“Mn3+量值/Mn量值”，这里Fe2+量值的分析精度为±0.01wt%，Mn3+量值的分析精度为±0.02wt%。可见样品分析值有明显的误差。
3实验结果与讨论
实验用材料主配方的成分的范围为：Fe2O3=54～57mol%、MnO=43~39mol%、ZnO=0~7mol%，我们以此铁氧体配方成分研究其对电磁特性的影响。实验测量出了磁心损耗与温度的关系，图1所示为不同配方成分的样品在磁心损耗达到最小的温度下的磁心损耗（Pcvmin）。图1可见，磁心损耗随Fe2O3含量的增大而减小，尤其在ZnO=3mol%的含量时，磁心损耗降至最低。为此，针对ZnO=3mol%含量的试样，把磁心损耗达到最小温度下的磁心损耗Pcvmin分解成各相关损耗分量，用以研究磁心损耗降低的原因。
图2示出了Fe2O3含量对磁心磁滞损耗的影响：磁心的磁滞损耗随Fe2O3的含量增加而减小。众所周知，磁滞损耗的定义是直流磁滞回线的面积与频率的乘积。于是，在不同样品磁心的损耗达到最小的温度下，进行了50mT时的直流磁滞回线的测量。图3表示：Fe2O3含量对磁心矫顽力Hc的影响。
由图3可见，矫顽力Hc随材料中Fe2O3含量的增加而减少。因此，可以认为，图2所示的磁心磁滞损耗的减小是因为矫顽力是随Fe2O3含量增加而减小的原因。再则，磁心的损耗达到最小的温度下的起始磁导率μi也有随Fe2O3含量增加而减小的现象，但是，磁心磁滞损耗下降的原因不能用起始磁导率的减小来说明。
图4所示为铁氧体材料中Fe2O3含量对磁心涡流损耗的影响。由图可见，磁心的涡流损耗随Fe2O3含量的增加而减小。试验揭示，涡流损耗与铁氧体材料的电阻率成正比，Mn-Zn铁氧体的导电机制是Fe3+Fe2+之间的电子迁移，同时，已知Fe2O3含量增加则使Fe2+的生成量增大，因此在一定温度下的电阻率下降。图5示出了Fe2O3含量对样品的磁心损耗达到最小的温度下的直流电阻率的影响。图中可见，由于Fe2O3含量增加，磁心损耗达到最小时的温度降低，因此在这个温度下的直流电阻率增大。因此，揭示了涡流损耗下降的原因是随着Fe2O3含量的增加，磁心损耗达到最小的温度下的直流电阻率增大了。
图6示出了Fe2O3含量对磁心的剩余损耗的影响，可见，磁心的剩余损耗也随着Fe2O3含量的增加而减小。实验揭示，磁心产生剩余损耗的原因中，由起始磁导率产生的共振现象之影响最大。为此，实验研究了Fe2O3含量对起始磁导率的频率特性的影响，见图7所示。如果从图6探讨剩余损耗减小的原因，可以认为与起始磁率的绝对值随Fe2O3含量的增加而下降有关，因此，其共振频率向高频侧漂移。
这种磁心的变压器用于开关电源时，在电源的通、断瞬间，有比稳态时大许多的冲击电流流过。从使用安全性考虑，冲击电流一般应不大于稳态电流的3倍，为此，在1MHz频段使用这种Mn-Zn铁氧体磁心时，要外加150mT的磁通密度。
为了研究这样做能否适应实际工作状况，实验研究了ZnO=3mol%时，Fe2O3变化的Mn-Zn铁氧体材料，外加磁场对磁心损耗变化的影响。试验方法是以不加直流磁场时的磁心损耗为基准（100%），与施加不同外加磁场后测得的磁心损耗进行比较。图8示出了外加磁场后磁心损耗的变化率△Pcv与外加磁场强度值的关系（△Pcv=加磁场后的磁心损耗/加磁场前的磁心损耗）。在Fe2O3的含量为56mol%以上时，外加100mT以上的磁通密度、可使磁心的损耗增大。由图8中四种实验样品所示曲线可见，Fe2O3含量在56mol%以上的Mn-Zn铁氧体材料，如不进行改进是很难实际应用的。
为研究因外加磁场而使磁心损耗增大的原因，可用以下的非化学计算式进行分析：

用上式做Fe2+量和Mn3+量的滴定分析，算出“Fe2+量/Fe量”和“Mn3+量/Mn量”以及缺陷量δ。如果δ量为正，意味着存在阳离子缺陷；如果缺陷量δ为负，则意味着存在氧缺陷。对外加磁场后，磁心损耗明显增大的Fe2O3:MnO:ZnO=58:39:3(mol%)这种主配方进行研究，其结果请见表1所示。磁心外加磁场的前后缺陷量δ没有大的变化，说明了全部试验样品保持中性状态。另一方面，外加磁场后的“Fe2+量/Fe量”和“Mn3+量/Mn量”都比外加磁场前的小，由此推测，在B晶位上的Fe2+离子的电子转移到Mn3+离子上了。可见在外加磁场后，产生了电子转移，磁心的磁特性随之产生了变化。
我们再用Fe2O3:MnO:ZnO=57:40:3(mol%)的主配方Mn-Zn铁氧体，在1100℃烧结时以改变氧分压的方法制作阳离子缺陷量不同的样品。图9表示外加磁场后磁心损耗的变化率△Pcv与阳离子缺陷量的关系。图中可见，氧分压越低，阳离子缺陷量就越低，磁心损耗的变化率也越小。由此可以判断，作为影响磁心损耗变化率的因素之一，阳离子缺陷量起很大的作用。图10示出了“Fe2+量/Fe量”与氧分压的关系。图中可见，氧分压越低，Fe2+生成量就越多；反之，在尖晶石结构中，Fe2+离子存在于B晶位，因此揭示出由于B晶位的阳离子不足，施加外磁场后磁心的损耗将增大。
由以上实验可以看到，通过在B晶位上代换入化学性能稳定的微量元素，使阳离子的缺陷量减少，同时阻止电子的转移，就可以防止磁心损耗变化率与外加磁场引起电子转移的关系，磁心损耗变化率与阳离子缺陷量的关系等，还有很多课题需要研究。
4结论
a.Fe2O3:MnO:Zno=(57~58):(39~40):3(mol%)的Mn-Zn铁氧体主配方中，在50mT、1MHz条件时的磁心损耗下降，实验认为其原因为：①这种配方时，矫顽力减小，因此磁滞损耗减小；②在磁心损耗达到最小的温度下，磁心的直流电阻率增大，因此 涡流损耗下降；③在实验中观察到，起始磁导率μi的绝对值随Fe2O3含量的增加而降低，因此，共振频率移向高频侧，这与磁心剩余损耗的降低有关。
b.在Fe2O3含量超过56mol%的磁心样品中，因为外加了直流磁场，其损耗值将增加2倍以上。
c.磁心损耗增大的原因，实验认为是在外加直流磁场以后，Fe2+离子的电子转移到了Mn3+离子上。
d.实验确认了磁心损耗随阳离子缺陷量的增加而进一步增大，这是因为晶格缺陷也是磁心损耗增大的原因之一。
参考文献(略)