软磁铁氧体材料性能与器件性能之间的关系及其测试技术进展

刘亚丕

（1.中国计量学院材料科学与工程学院，杭州 310018；2.浙江集祥实业有限公司，浙江 武义 321200）

1 引言

软磁铁氧体材料是一种用途十分广泛的基础功能材料，由于其综合具有优异软磁性能、高电阻率和低廉的价格等特点，除薄膜材料外，在交流领域，特别是高频领域基本上都使用软磁铁氧体材料，从而使其成为全世界使用量最大的软磁材料之一，也是近年来市场使用量增长最快的软磁材料之一。广泛使用的软磁铁氧体材料主要分为 MnZn、NiZn和MgZn等三大类，因其性能不同，分别适合在不同的频率范围内使用。

随着使用领域的不断扩大，特别是在通讯领域应用的不断拓展，在对软磁铁氧体材料的性能提出更高要求的同时，也伴随产生了许多新的问题。如在通讯领域，其使用条件十分复杂，如何准确表征这些材料在使用条件下的性能就成为整机厂家一个很现实也很重要的问题。对于元件厂家，如何能模拟器件在整机中的使用条件来测量出器件的真实性能也就成为一个十分重要的问题。软磁铁氧体材料及磁心性能参数不但是本身质量高低的标志，也是各种形状电源变压器、电感器等器件设计的依据。因此，准确地表征和测量软磁铁氧体材料及磁心性能参数就显得尤为重要。本文主要对在测试过程和生产过程中常遇到的一些问题及对影响这些测量的因素进行一些分析和讨论，以供元件生产单位和整机单位参考。

2 问题的提出

磁性测量与长度、电性测量或机械性能测量等其他物理性能测量有着很大不同的原因在于[1]：①磁化方式（如绕线等）引起的磁化均匀性问题；②样品的加入会改变所加外磁场的分布；③样品内部有退磁场；④由于磁滞，自动测试或交流磁化时如果测量速度快会在磁场和磁感应之间产生相角；⑤如果磁场变化太快，还会在样品中引起涡流，从而使磁场无法进入样品内部磁化样品；涡流还会引起附加场，从而削弱磁化场的作用，而在交流测试条件下涡流的存在是不可避免的等等。所有这些因素都会使得所施加的测量场和样品中真实感受到的场之间存在差异，影响测量结果的准确性。

这些因素在软磁铁氧体的测试中表现得尤为突出，这一方面是由于软磁铁氧体材料种类很多，使用频率范围很宽，使用条件复杂；另一方面器件的种类很多，大小、形状各异；同时为了满足近年来对防电磁泄漏及减小器件体积等的需要，器件形状也非常复杂，使用频率越来越高，这些都给性能的测试带来很大的问题。随着消费类电子设备和现代通讯技术的发展，不同材料和不同形状的铁氧体器件大量涌现，仅如何对复杂器件的磁路进行正确计算和分析等问题，就已经成为元件生产和整机使用单位一项急待解决的课题，更不用说其性能的表征、测试等方面的问题。加之，国际贸易对产品的认证更为重视，凡经过认证的产品信誉好、销量大、价格高，而未经认证的产品，即使产品质量好，有时也因得不到购买者的信任或许可而失去市场，就使得这项任务更加迫切和重要。在这方面虽然也有相应的国际和国家标准可供参考，但一方面标准的出现总是落后于应用，新出现的市场附加值高的器件一般在标准中都还没有出现，二是标准在使用中也有许多实际问题影响其可操作性，所以对这些在性能测试和生产中常见的问题有一些理解和认识，无论对元件生产还是整机生产单位都是十分必要的，特别是在与用户沟通时或产生质量认同方面的问题时，就显得尤为重要。

3 材料性能与器件性能及其关系

一般说来，磁性材料有两种性能指标体系，即材料性能和器件性能，在这两种性能指标体系之间有很明显的区别。这种问题虽然在永磁材料中也存在[1]，但在软磁材料中表现得尤为突出，特别是对软磁铁氧体材料，这突出反映在软磁铁氧体各个生产厂家如TDK、EPCOS、FERROXCUBE等的产品样本中。这些厂家一般都会在其产品样本的前部分列出材料的性能特性，而对各种材料制成的器件，又都详细列出了不同测试条件下器件的实际性能。同时为了更加全面地反映出材料及器件的特性，又都会以图、表的形式列出其材料性能特性（曲线）和器件性能特性（曲线）及数据供用户参考，就可以充分说明这一点。

造成这种现象的原因是永磁材料的测试条件比较简单，测试标准也比较单一，一般都是在直流条件下依据GB/T 3217（等效采用IC 60404-5）来进行测试[2]；而软磁材料的性能有的是在直流条件下测试，有的是在交流条件下测试，且标准体系繁杂，测试条件各异，非专业测试人员很不容易搞清楚。企业一般都会严格按照标准进行测试，但国内的一些科研机构，特别是大学并未对此引起足够的重视。由于不知道标准样品的尺寸及测试条件，他们的研究成果大多与生产实际严重脱节，无法转化为现实生产力，这对急需科技支撑的生产单位和需要进行科技成果转化的研究机构双方无疑都是一种损失。

（1）材料性能

一般说来，材料性能是指物质的磁性能，这种性能被认为与材料的形状无关系，而只与材料本身的本征特性有关系。为了保证不同测试仪器测量结果的准确性和一致性，也为了方便国内外厂家（包括生产单位和使用单位）进行性能比较，测量一般都是采用严格规定尺寸的标准样品在规定的标准测试条件下在认定的检测仪器上用标准规定的方法进行。国际和国内标准化组织及各个行业协会对材料性能的测试方法、测试条件、测试仪器及测试各种性能时各种材料的标准样品都有极其严格的规定，只有这样测量出的性能才被认为是材料的真实性能，不同材料的性能数据之间或者不同厂家生产的同一材料的性能数据之间才能进行真正地比较。如对软磁金属材料，一般用棒状样品和环形样品来测量其磁特性[3-4]；对非晶、纳米晶材料，用卷绕环形样品[5]。对软磁铁氧体材料，标准样品一般为环形，以避免退磁场、均匀磁化及形状等因素的影响。对于标准样环的尺寸，不同国家的标准对不同材料都有不同的规定，对功率铁氧体标准样环和高导的标准样环，有时尺寸也是不同的，不同测试频率下标准样环的尺寸也不一样；这时的测试一定要严格按照材料标准来进行。还要注意的是，同样对于标准样环，不同的标准规定的测试条件也不尽相同。如对于软磁铁氧体材料的Bs、Br、Hc等性能，TDK的测试条件一般为 1194A/m，而 EPCOS和FERROXCUBE则为 1200A/m，有时是 250A/m或3000A/m。除此而外，还须注意测试时的频率、温度等其他测试条件的差异。

（2）器件性能

器件性能是指物体的性能，这种性能当然就与由材料制成的物体的形状密切相关。由同一种材料做成的器件，形状不一样、大小不同，在制备工艺完全相同的情况下，其性能可能就会不一样。忽略如材料微结构之间的差异等其他因素，仅从测试的角度出发，即使对于圆环试样，相同材料制成的不同内、外径样品测出的性能也是不相同的，所以只有内外径符合一定要求的圆环才能作为标准样环。如果以产品为样品进行测试，如用EI或EE样品直接测试，测量出的就是器件的磁性能。材料性能一般是在闭路条件下测得的，而器件性能可能是在闭路或不严格的闭路条件下甚至开路条件下测得的。

（3）材料性能与器件性能之间的关系

造成测量出的材料性能和器件性能之间差异这种现象的因素是多方面的，软磁材料由于其 Bs比永磁材料高得多，在测试过程中退磁场的影响很大，所以一般都要求闭路测试，但有时器件的结构决定了样品不可能是严格的闭路。对软磁铁氧体材料，由于受材料性能的影响，为了实际需要，可能还要对器件开气隙，这会在材料性能和器件性能之间造成很大的差异，也使得把器件性能还原为材料性能的工作更加困难，给材料的评审带来诸多问题。均匀磁化问题也一直是软磁材料测试中，特别是高频性能测试中的一个主要问题。如果磁化不均匀，测量的重复性就得不到保证。但如果排除测试以外的其他因素，从根本上说这两种数据所反映的特性应该是一致的，都从某种程度上反映了材料的本征特性。但我们对材料的判断却只能以所测量出的性能数据为依据，这就有必要在二者之间建立一种关联，或者联系。

由于永磁器件的形状一般比较简单，所以其材料性能和器件性能之间的关系比较密切，也比较明显。如对于永磁材料，同样是条形或棒状样品，如果长径比（L/D）不同，测量出来的性能可能就会不同，所以在国家标准 GB/T 3217（等效采用 IC 60404-5）中就严格规定了样品的长度[2]，以尽量避免由形状带来的影响，从而能测出材料的真实性能。对永磁磁瓦，更是如此。用同一种料粉，同一种烧结工艺，器件形状也差不多，如果所用的模具、成型磁场等不同，其性能就会差别很大，这也是磁瓦难于开发的一个主要原因；这种问题在软磁材料也同样存在。对软磁材料，特别是软磁铁氧体，由于材料性能和器件性能之间的关联性比较差，有时单从器件性能可能根本无从知道用的是哪一种材料，这种联系有时可能更多地是从材料配方及微结构等方面而言的。

以前我们对材料的理解，主要是基于材料性能表格中的一些主要指标来进行的，但是随着认识的深入会发现，对于材料更为重要的可能是对一些性能特性曲线的理解和认识，如对于软磁铁氧体材料的功耗随频率变化曲线（PCV-f）、功耗随温度变化曲线（PCV-T）、磁导率随温度（μ～T）及频率（μ～f）变化的曲线等。因为在器件设计中，一种器件不可能工作在整个频段，而只是工作在众多曲线簇中一条曲线上的某一段上，正如永磁材料一样，一般都是工作在工作点附近，也就是最大磁能积点附近。但对于软磁材料情况可能会更复杂，因软磁材料性能曲线众多，不像永磁材料那样只有一个退磁曲线，所以有时很难找到一个最佳的点或段。这时如果设计人员对材料的性能曲线没有一个很好的认识，就很可能选择一个对特定材料不是很适合的频段或工作点，使得很好的材料性能不能充分得到发挥。有时材料虽然合格了，但器件送样时总是会出现各种问题，这时就需要与客户进行沟通，以理解他们真正的目的，帮助他们选择一个合适的材料，并在材料曲线上选择一个正确的工作点。在技术营销中这是必不可少的一个重要环节，也是是否能赢得客户的一个关键因素。

如果客户根据材料特性设计一种器件，这种性能就会转换为器件的性能。由于器件的特殊结构，就使得这种转换之间必然是不完全的，在这两种性能之间会存在一些差异，需要设计人员进行取舍和平衡。这时应该注意到，无论从生产还是测试的角度来看，这种差异的存在都是不可避免的。在生产实际中，我们也发现过这种现象，有的材料直流迭加性能很好，但如果做成器件，迭加可能就达不到技术要求；有的材料磁导率高、功耗低，但器件的电感量却达不到要求，器件的功耗也偏高。这些都是由材料性能和器件性能二者之间的差异造成的。下面就测试这两种性能时常出现的问题做一些具体分析。

4 测试中应注意的问题

测试时一般要依照两个标准：一个是材料标准，规定了材料的种类、主要性能、检验方法及需测试的项目等等；一个是测试标准，规定了各种物理量的定义、测试原理、测试的条件、样品的大小及取样方式、测试各种指标时应遵循的原则及对所用仪器的要求、误差来源及分析等等。在对软磁铁氧体材料的测试中，一个突出的问题是，这两类标准的国家及行业标准都非常少，高频测试方法基本上没有国家标准可依；即使有我国自己的材料标准或测试标准，也不与国际标准或其他国家的标准接轨，且这些国标的修订速度很慢，在很多企业都是外向型企业的前提下，其可操作性很差，所以大多数企业都参照国外的行业或企业标准执行。如在测试MnZn铁氧体时国内企业基本都以TDK、Siemens（原 Epcos）或 Philips（原 Ferroxcube）的材料及测试标准为依据。

（1）标准样品尺寸的确定

在测量软磁材料的性能时，在材料标准或测试方法标准中，一般都会规定相应的标准样品，对同一种材料，有时还会在测试不同的磁学量，或者在直流测试和交流测试，甚至高、低频测试时都会规定不同的标准样品，这一点尤其要引起注意。如在GB/T 13012-2008（等效采用 IEC 60404-4∶2000）[3]中，就规定了两种在闭合磁路中测量软磁材料直流磁性能的方法：环样法和磁导计法，并对标准样品的尺寸进行了规定。对环形试样，为了减小磁场强度径向变化对测量带来的影响，旧的标准都会推荐标准样环的尺寸，而现行新标准则多改为规定外径和内径的比。表中也列出了其他几个标准的规定。

国内现行的软磁材料交流测试方法标准 GB/T 3658-2008的适用频率范围很窄，并明确指明该标准不包括电工钢和软磁铁氧体。对电工钢国际国内都有专门的标准规定，但对软磁铁氧体材料，由于使用的频率范围很宽，测试时所需的励磁磁场的强、弱不同等，情况非常复杂。国内一般都依据GB/T 9631.1-2002来测量（等同采用 IEC 60367-1-1982）[7]，但该标准对测试频率及试样都未做出详细规定，并且自2000年开始IEC 60367-1标准已经被IEC 62044-3取代[8]。IEC 62044系列标准已经通过了3个[8]，其中有两个是关于测试方法的，但还没有相应的国家标准推出。在IEC62044-3中论述了磁心等效电路磁参数和材料性能是不一样的。表1中所列的标准都详细规定了适用的频率范围，日本电子材料工业协会标准EMAS对功率铁氧体材料的测试甚至指定了标准样品尺寸。在国外的产品样本上，有时也会说明测量所用的样品尺寸。可见，这种问题在国际上也是一个共性问题。在这种情况下，只有加强与用户的沟通来共同协商测试所应依据的标准样品规格及测试条件。

（2）磁性零件有效参数的确定

在测量软磁材料的磁性能时，一般都要求知道样品的有效磁路长度Le、有效截面积Ae和有效磁心体积 Ve等有效参数的值，以便据此计算出测量的值。磁性零件有效参数是计量磁性元件各项性能指标的基础，也是制订产品技术条件的依据。在这方面有相应的标准可供参考，如IEC 60205[9]，但正如前面提到的，也应注意标准的适用性[10]，因为研究发现，在计算复杂器件的参数时标准中也可能会存在一些疏漏。

标准样品由于其尺寸可以严格测量，在标准中一般也都会给出相应有效参数的计算公式，可以通过计算得到，在测量软件中一般也都可以自动计算。但对于磁心，情况就比较复杂。由于软磁铁氧体器件的形状非常复杂，为绕线方便，一般都设计有导角，有时表面还有涂敷，所以有时即使对简单的环形器件的几何尺寸都难以准确测量。对复杂器件，即使能准确测量其几何尺寸，对于专业人员来说磁路计算也很复杂。这时一般的做法是通过标准规定的方法进行计算（有专用程序）[9]，也可以借助产品样本。但要注意的是，产品样本中列出的Le、Ae、Ve是对标准尺寸而言，一般不考虑尺寸公差的影响。工厂有大量样品需要测试，不大可能对每一器件都严格测试其尺寸，特别是对形状复杂的器件，由于其几何尺寸很难准确测量，一般都选取标准尺寸的值来计算，而忽略样品间的尺寸差异，由此引起的测量误差是很难估计的，尤其在对尺寸误差与性能之间的关系国内外都缺乏系统研究的情况下。还要注意的是，对于功耗的值，有体积功耗kw/m3和质量功耗w/kg两种，二者之间的换算是通过材料的真实密度，而不是理论密度来进行的。

表1 标准对标准样品的尺寸、测试条件等的规定

（3）测试条件的确定

对于材料性能的测量，其测试条件都有据可依，但要测量材料的特性曲线，可能就需要一些技巧和经验，以选择一些点作为作图的依据；因为曲线的变化比较快，对直流迭加、磁谱和居里温度等的测量尤其如此。器件性能的测试条件变化也比较多，用户一般都会提供专用的测试线圈，并说明其测试条件。因为测试线圈的关系，这时的测量误差基本上是无法估计的。如果客户无法提供专用测试线圈，一般就很难保证能按照客户的条件进行测量。这里还要注意的就是，对于比较大的磁心和磁导率较低的磁心，测试仪器应具有足够的功率和灵敏度，否则可能会因无法保证B波形正弦而使误差变得很大，甚至无法测量出所要求的如功耗和直流迭加等量。从表1可以看出，不同标准有不同的频率适用范围，有的标准只适用于特定的材料。这里要说明的是，GB/T 3658-2008（修改采用 IEC 60404-6-2003）标准规定了材料在 20Hz～20kHz频率范围的交流磁性能测量方法，受国内测试设备的限制，在该标准中把IEC 60404-6-2003中的频率上限200kHz改为了20kHz。

（4）磁化的均匀性问题

测试时一般都把测试线圈绕在内层作为次级，而把磁化线圈绕在外层作为初级；有的测试方法规定只绕一组线圈来测试。对于环形样品，如果内、外径的差别比较大，则磁化的均匀性就得不到保证。对于复杂形状的磁心，如EI、EE、RM等，其磁化的均匀性根本得不到保证，特别是在用由用户提供的平面线圈进行测试的条件下。

高频测试时，如果绕线匝数太多，样品初级的自感会很大，特别是对磁导率高的样品，这时要求测试电源要有很高的功率及输入阻抗，否则测试功率就根本加不上去；但如果通过降低绕线匝数来降低器件的自感，从而加大磁化功率，磁化的均匀性就得不到保证，特别对大尺寸的器件。这时测试的重复性也就有问题，同时会使测试误差增大，这就对制造器件的均匀性和一致性提出了很高的要求。

绕线匝数的多少还会影响到交流测试中的相位角，从而引入误差。日本电子工业协会《EMAS－5003（1998）－功率铁氧体磁心的测试方法》中对不同测试条件下的绕线匝数作出了规定，如表2。

表2 EMAS对绕线匝数的规定

从表中可以看出，即使对于较大的环，磁化线圈也只绕 3～5匝。这时，一方面磁化的均匀性很难得到保证，另一方面测试的磁场强度也很难提高。尽管从表1可以看到，该标准对不同频段规定了两种标准样品，但在高频测试时这仍是一个很大的矛盾。

（5）样品形状的影响

材料测试用的标准样品一般都是闭路的，并且没有导角，但磁心大多是开路的，在组合成闭路时，除了要保证接触面的光洁度外，一般还要在接触面之间加上一定大小的压力。有时还需对接触面进行镜面抛光，性能才能达到要求，因为这些器件的性能与接触面的光洁度有关，特别是电感和直流迭加值等。

如对EI等样品，由于是由E片和I片搭接形成闭合磁路，两个接触面之间的光洁度不同，接触面之间的接合力不同，产生的磁阻会不同；接合力太小，会产生气隙，接触力太大，又会造成应力，这些都会影响测量的准确性。在实际测试中，用户一般都会模仿器件真实使用时的实际情况，对光洁度和接触力做出要求。有的磁心还要求开气隙，气隙质量的好坏也会直接影响到器件性能，这些在标准样环的测试中根本反映不出来，而更多地是一种潜质。这时测量出的性能与标准样品测量出的性能之间的可比性可能会非常差。

（6）其他因素

在 IEC62044-3中特别强调测试前样品应恢复到磁中性状态，并说明了采用单绕组和双绕组测试线圈的原则：在测试频率超过 200kHz时，推荐使用两个绕组测试线圈。该标准还规定了对测试仪器的性能要求。

磁中性状态是磁性测量的基础。一个样品经过测量之后，一般都不会处在磁中性状态，为此必须对样品进行彻底退磁，并在退磁后应静置一段时间，以使样品的磁状态达到稳定，这一点一直为国内众多的测试人员所忽视。

以上这些都只是由测试本身带来的影响，除此而外，还有其他一些因素，也要引起足够的重视。为了能够尽可能准确地测量出器件的性能，并使其能更好地反映出材料的特性，也为了更加快捷地测量出这些特性，经过多年的生产实践，人们已经总结出了许多方法。如对软磁铁氧体材料，除了给出不同形状磁心的Le、Ae、Ve值以方便不同厂家进行比较外，同时也给出了各个磁心的形状因子，并要求测量器件的有效磁导率μe而不是起始磁导率μi。为了能更加容易地计算出磁心电感的值，在产品样本中对每种磁心都会给出电感系数AL的值。AL是铁氧体磁心上的线圈匝数等于 1时的电感值，这个值也可以根据磁心的形状因子和有效磁导率来计算。

另外，磁心在使用条件下的减落和老化等问题，在通信领域已经显得十分突出。虽然也可以进行高低温试验或加速老化等试验，但很难模仿器件在真实复杂使用环境中的工作条件来进行老化，也很难测量出在这些条件下的真实性能。国外许多研究机构已经开始研究器件在模拟的真实使用环境下的性能特点，对老化机理研究也一直没有停止，如在高温、高湿、高压、辐射等条件下出现的性能稳定性等问题，这些也应引起国内同行的注意。

另外，对B-H回线的正确形状，长期以来一直为广大磁学界同行所忽视，这个问题甚至出现在一些著名的磁学教科书中。长期发来人们一直认为，当磁性材料磁化到饱和之后，其B-H磁滞回线的形状应如图1（a）所示，会趋于饱和，软磁材料更应是如此，所以软磁材料，如软磁铁氧体的性能指标中有饱和磁通密度值Bs。随着测量磁场的增强，现在人们逐渐认识到，B值是不可能达到饱和的。因为B=μ0H+J或B=μ0（H+M），其中既含有H的成份，也含有材料的成份。只要测量场H在增加，即使此时J值已经达到饱和值Js，B值还会一直增加，如图1（b）所示。能饱和的是M-H或J-H回线，所以在测量B值时都要指定一个H值，相应地Bs也应换成 Bm，这里 m是指测量时的最大磁场。现在行业内说的Bs，实际指的是Bm，测量的也是Bm值。软磁材料的HCB和HCJ值之间的差别还不是很明显，对永磁材料来说，此二值之间的差别会非常大，甚至有成倍的差别。

图1 软磁材料的磁滞回线

5 常见的一些现象及分析

由于在其性能表征中的特殊性，使得磁性材料成为一种非常特殊的功能材料，这突出表现在：在材料的研究开发中，经常会出现这样一些现象，从而有时使得新材料的开发与新型磁心器件的开发成为完全不同的两个方面：把新开发成功的材料用于制备特定磁心器件时，器件的性能却并不一定能满足设计要求，也就是说，材料的性能是合格的，但做成器件之后可能会出现问题，有些指标达不到要求，如，直流迭加性能、电感量等，从而需要对器件的制造工艺（如烧结工艺）进行相应地调整，有时甚至要更改材料配方；反之，按照性能推算，不合格的材料配方或工艺制备出的器件却可能是合格的，也说是器件达到了客户的要求，但按此材料配方工艺却不一定能制造出合乎标准的新材料，这种现象突出体现在国内企业对 PC30、PC40（包括PC40的A、B、C及D档）、PC44等及高导材料的开发中；这种现象在国内外各大磁性材料生产企业中都屡见不鲜。我们都知道，国内许多企业虽然并未开发出真正意义上的高频低功耗功率铁氧体材料PC44、PC50等软磁铁氧体材料，但却都在出售PC44及PC50等材料的器件；当年的PC40材料，现今的PC95、PC90等材料也是同样的情况。这种现象在高磁导率铁氧体材料的研发中也经常出现。当然，这种现象也同样存在于永磁材料的研究中。但有一点要承认，开发出新材料后，开发与此材料相关的新器件的难度会下降很多，因为二者的开发思路在本质上是相同的。

造成这种现象的原因是多方面的，除了上面提到的测试方面的差别之外，还有一些问题也值得我们思考。由于磁心都具有一定的结构，在不同部位厚度不同，从而导致器件不同区域所需的烧结时间不同。甚至，还要考虑到测量误差，包括不同仪器之间的测量误差的影响等。客户一般会指定测试所用的仪器，甚至提供专用测量线圈。

更何况标准样品的烧结工艺不一定适合用来制备磁性器件，因为对软磁铁氧体的各种磁心，如EI、PQ、RM、ELD、EFD等，及对永磁材料的磁瓦（还须考虑易磁化方向的问题等）及大块磁铁，由于形状的不同，使得材料的壁厚在不同的部位差异很大。首先，相对于标准样品，磁性器件在成型时的毛坯密度很难保证一致，再则，如果采用与标准样品相同的烧结制度，对薄的地方可能烧结时间太长，而厚的地方却可能还未烧透。另一方面，在测量绕线时，也很难保证整个器件磁化的均匀性。在相同条件下制得的不同内外径的圆环试样，其微结构可能是不同的。

因为客户一般只是严格控制一些在安装时要求高的尺寸，对其他尺寸会放宽要求，为了成型需要，有时我们可能会对客户提供的器件尺寸进行一些调整，在保证一些主要的尺寸公差的前提下，我们会对认为次要的尺寸公差放宽要求，客户一般也会认可。但在评估这批磁心的性能时，又往往采用标准的Le、Ae、Ve值而不计入尺寸差别(公差)。这样做的结果有时是非常理想的，正如前面提到的，计算磁路时的差异可能会使器件的性能完全达标，即使这种器件按材料指标根本达不到要求，这样就出现了前面提到的现象。如果我们对这些器件缺乏足够的理解，有时可能会出现一些严重的问题。因为一些在安装上要求不是很严格的尺寸，可能正像开气隙一样，是影响器件性能的主要尺寸，它们的变化可能会严重影响器件的性能，也就是说，会在材料性能和器件性能之间造成更大的差异，从而会影响到整个器件的性能，如叠加性能等。虽然在软磁材料和永磁材料中，都有形状因子，永磁材料的形状因子主要是受退磁场的影响，但软磁材料的形状因子要复杂得多，除退磁场、杂散场之外，还要考虑其导磁等功能，因为导磁性能与叠加性能是密切相关的等。

对有的要求开气隙的器件，在开气隙之前性能可能不达标，但调整好气隙之后，性能会达标。有时甚至可以采用正或负公差来调整磁心尺寸以使电感量等指标满足要求。可见，在器件性能和材料性能之间存在很大的误区，其原因在于材料指标都是通过测量标准样环得到的，而器件指标是通过测量器件本身得到的，但在二者之间又确实很难建立一种很好的联系，器件的性能还可在公差范围内通过尺寸进行调整。在对新材料和新磁心的评审中，这种现象尤为突出。随着新器件的不断出现，在选用材料时如果设计人员缺乏这方面的经验，就会造成很多麻烦。各个厂家都非常重视与客户交流样品，及由客户确认性能是否合格的方法，而不太重视不同企业之间测试的一致性问题及设备的校准等问题，也从一个侧面说明了这一点。即使同样的产品交给不同的客户，要求可能是不一样的，测量出的数据也会不同。

有时用户还可能提出与标准样品截然不同的测试条件，如对软磁功率铁氧体器件，一般都要求测量电感量，此时测量用的线圈可能是用户提供的专用线圈，并且用户还严格规定了测试时的电压要求而无需考虑尺寸公差。在测量功耗时，给出的测试条件可能与材料不符，如对 PC50，可能要求测量700 kHz甚至1MHz时的功耗。这些问题都是值得我们研究。我们在研究中发现，在测量功耗时，即使同一厂家生产的同一型号的测试仪器之间的测试结果之间差异仍然很大。如果客户未指定测量功耗的仪器，可能还真需要进行认真地沟通。

6 测试技术进展

长期以来，在软磁铁氧体测试领域逐渐形成了以日本（TDK为代表）、西门子（原 EPCOS）和PHILIPS（原Ferroxcube）等为代表的几种测试标准体系，相应地他们也各自研制了不同系列的测试仪器，这种局面还会长期存在。我国受测试设备研制水平的限制，软磁铁氧体的检测设备一直依赖进口，检测标准也一直以国外客户的要求为准，没有形成自己的检测体系。近些年，随着我国软磁铁氧体行业的进步，局面有所改观，也研制了一些简单的检测设备，但与国外先进标准的要求还差距较大。

当前在国际上，随着对电子设备微型化的要求，磁心使用频率在逐步提高，使用条件也越来越苛刻，如何表征器件在使用条件下的性能就成为国际上的研究热点问题。随着通讯技术的发展，越来越多的材料将使用在直流迭加环境下，人们对如何表征和测量材料在高直流迭加下的损耗也越来越感兴趣[11-12]。材料的使用也不只局限在正弦条件下[13]，在几种精确控制感应电压波形如正弦、矩形波、三角波和带台阶的矩形波等的条件下对软磁铁氧体的功耗的研究表明[14]，其功耗是不同的，而且正弦激励下的损耗高于矩形波。研究认为因为磁化速度的变化，以前被认为是常数并与磁化频率无关的磁滞损耗实际上与磁化波形的形状有关。新的研究还表明[15]，不同磁通密度下测量时铁氧体材料的电阻率会因隧道导电机制而发生变化，从而引起功耗的变化；这突出表现在，在不同频段，因软磁铁氧体的功耗机制会发生变化，从而使功耗呈非线性变化，这时也会引起大的测量误差。另外，在测量不同晶粒尺寸的软铁氧体样品的功耗时发现[16]，相角与磁场的大小有关。在同一磁场下，不同晶粒尺寸样品其相角偏离 90°的程度是不同的，从而使引入的测量误差也是不同的。这些都是以前没有注意到的现象，在以后的研究中要引起注意。

7 结论

随着软磁铁氧体使用范围的拓展、性能的不断提升及使用频率的逐步增加，如何准确表征软磁铁氧体材料在复杂使用条件下的高频性能已经成为一个很实际的问题。本文从理论及测试方法等方面对软磁铁氧体的材料性能、器件性能及二者之间的关系进行了初步探讨，并就测试这两种性能时所应注意的问题及生产实际中出现的与此有关的一些现象进行了一些初步分析，最后，就当前国际上在这些领域的研究热点进行了讨论，以供元件生产单位和整机使用单位参考。

[1]刘亚丕.高性能永磁材料磁性测量若干问题探讨及测量技术进展[J].电气技术, 2009,74(9)∶ 9-16.

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