【摘 要】
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磁粉芯因其具有中高频低损耗、良好的抗磁饱和性能、频率稳定性佳及易加工成型等优异特性,广泛用于电力电子行业关键磁元器件制备。为进一步降低磁粉芯损耗,改善其电磁性能,以适应电力电子设备小型化、高频化及大功率化的发展需求,本文以铁基磁粉芯为研究对象,建立了磁粉芯的三维损耗分离拟合模型,在综合考虑绝缘包覆制备工艺条件下,系统研究了磁粉表层绝缘界面设计及掺杂工艺对铁基磁粉芯综合软磁性能的调控机制,提出了适用
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磁粉芯因其具有中高频低损耗、良好的抗磁饱和性能、频率稳定性佳及易加工成型等优异特性,广泛用于电力电子行业关键磁元器件制备。为进一步降低磁粉芯损耗,改善其电磁性能,以适应电力电子设备小型化、高频化及大功率化的发展需求,本文以铁基磁粉芯为研究对象,建立了磁粉芯的三维损耗分离拟合模型,在综合考虑绝缘包覆制备工艺条件下,系统研究了磁粉表层绝缘界面设计及掺杂工艺对铁基磁粉芯综合软磁性能的调控机制,提出了适用于工业化磁粉芯产品制备的绝缘包覆工艺,并指出基于磁粉掺杂工艺的粉体微结构设计是进一步改善磁粉芯综合软磁性能的重要途径。主要研究结果如下:（1）探讨了有机硅树脂、无机SiO2和TiO2、软磁（NiZn）Fe2O4及无机+（NiZn）Fe2O4复合包覆等不同绝缘材质对Fe Si磁粉芯综合软磁性能的影响机制。研究表明,与其他包覆材质相比,复合包覆磁粉芯具有良好综合软磁性能,但其包覆制备时间长（＞110min）,且其制备温度高达80℃,不利于工业化应用;无机包覆磁粉芯具有较高直流偏置特性（μ′@7960A/m=44.6）,相对低Pcv值（1040.6k W/m~3@100k Hz,0.1T）,且其包覆层可在常温条件下70min内制备完成,利于工业化应用;（2）对于（NiZn）Fe2O4包覆,随着包覆量增加,Fe Si磁粉芯μ′值呈先升高后降低的趋势,而其Pcv值呈完全相反趋势。其中,当包覆量为1.0wt.%时,磁粉芯可获得较大μ′值（84.3）和较低Pcv值（934.3k W/m~3@100k Hz,0.1T）;在给定测试范围内,（Ni Zn）Fe2O4包覆磁粉芯的Ph～Bm、Pexc～f及Pexc～Bm函数的拟合幂次方系数范围分别为:1.96～2.02、1.52～1.67和1.80～1.84;（3）对于无机SiO2包覆,随着前驱体TEOS加入量增加,FeSiBCCr非晶磁粉芯μ′及其μ′@7960 A/m呈缓慢降低趋势,而其Pcv值呈先降低后升高的趋势。其中,当TEOS加入量范围为0.09～0.14 m L/g时,磁粉芯表现出较好综合软磁性能:相对高μ′值（67.9）、较大μ′@7960 A/m值（46.2）、较小Pcv值（765k W/m~3@Bm=0.08T,f=200k Hz）;（4）由于上述（NiZn）Fe2O4及无机SiO2包覆后磁粉芯均具有较高体电阻率（1.22～2.8Ω·m）,其颗粒间涡流损耗Peinter值仅为Pcv值的1/600～1/250,对Pcv值的变化几乎无影响,且其μ′值在f＜2 MHz范围内表现出良好的频率稳定性;（5）针对由水雾化FeSiBCCr非晶粉制备的磁粉芯内非磁孔隙多及铁基纳米晶Finemet磁粉芯直流叠加特性不佳等缺点,基于微米级Fe Si磁粉掺杂工艺,探明了磁粉芯粉体微结构对其磁性能的影响规律及调控机理。适量Fe Si磁粉掺杂将会填充粒径较大磁粉间非磁性孔隙,利于复合磁粉芯成坯密度及其软磁性能提高,但当Fe Si磁粉掺杂量过大时,将在复合磁粉芯内出现聚集行为,形成大量非磁性接触面,不利于软磁性能改善;与其他掺杂量相比,Fe Si磁粉掺杂量为12wt.%的Fe Si BCCr/Fe Si复合磁粉芯及掺杂量为10～14wt.%的Finemet/Fe Si复合SMCs可获得较好的综合软磁性能;（6）在考虑粒径匹配情况下,系统分析了不同FeSi和FeSiAl磁粉掺杂量下FeSiAl/FeSi复合磁粉芯软磁性能变化规律。与常规Fe Si磁粉芯相比,Fe Si Al400↓掺杂量为30wt.%的Fe Si400↑基Fe Si Al/Fe Si复合磁粉芯以减少μ′@7960A/m值2.0%作为代价,可促使复合磁粉芯μ′值提高12.6%、Pcv值降低17.5%;与常规Fe Si Al磁粉芯相比,Fe Si600↓掺杂量为30 wt.%的Fe Si Al600↑基Fe Si Al/Fe Si复合磁粉芯以提高Pcv值3.2%为代价,可促使复合磁粉芯μ′和μ′@7960A/m值分别提高3.1%和12.8%。上述研究结果将拓展对磁粉芯综合软磁性能调控机制的认识,进一步推动铁基磁粉芯的市场化应用,符合电力电子行业发展需求。
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