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本文開展了某軟磁材料在熱帶海洋環(huán)境下的自然環(huán)境試驗，研究了其性能退化模型。結(jié)果表明，由于軟磁材料的性能退化速率較慢，電感和磁導(dǎo)率實部均可以用線性模型和指數(shù)模型進行較好的擬合。本文的研究成果可以為軟磁材料的環(huán)境適應(yīng)性評價和實驗室加速試驗的開展提供數(shù)據(jù)支持。

 

軟磁材料作為一類重要的功能材料，具有低矯頑力、低剩磁、高飽和磁化強度等優(yōu)點，因此在電力電子行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。軟磁材料由于磁滯回線較窄，使用期間易發(fā)生退磁，進而導(dǎo)致各項物理性能下降，造成不希望的后果。因此，軟磁材料的性能退化是值得關(guān)注的問題。目前的文獻中對于電子元器件的性能退化研究較多，而對于基礎(chǔ)材料的研究則較少。本文以某牌號軟磁鐵氧體為對象，對其在自然環(huán)境下的長期試驗數(shù)據(jù)進行建模，探究其退化規(guī)律，為其環(huán)境適應(yīng)性評價和設(shè)計改進提供數(shù)據(jù)支持。

 

試驗方法

 

01.試驗對象 

 

試驗對象為某牌號的軟磁鐵氧體材料，該材料主要用于大功率電路，如天線阻抗變換器，短波功率檢測器等。試驗樣品為該材料加工的磁環(huán)（外徑25mm，內(nèi)徑15mm，高10mm），如圖1所示。

 

圖1 試驗樣品

 

02.自然環(huán)境試驗

 

自然環(huán)境試驗將試驗對象暴露在真實的自然環(huán)境中，經(jīng)受多種氣象環(huán)境因素的綜合作用，可以獲得接近實際使用狀態(tài)的數(shù)據(jù)，這種綜合作用一般在實驗室難以復(fù)現(xiàn)。因此，自然環(huán)境試驗在考察材料和產(chǎn)品的性能退化方面具有獨特的價值和意義。本文在國內(nèi)熱帶海洋環(huán)境下進行為期36月的自然環(huán)境試驗，試驗方式為棚下暴露。

 

03.檢測參數(shù)

 

在試驗期間定期對磁環(huán)的電磁性能參數(shù)進行檢測，檢測周期為1、3、6、9、12、18、24、30、36月。測試參數(shù)包括品質(zhì)因數(shù)、電感、電容、電阻、磁導(dǎo)率等，測試頻率為10kHz。檢測設(shè)備為WK6500B型阻抗分析儀，配合專用于磁環(huán)測試的夾具，如圖2所示。

 

圖2  測試設(shè)備

 

 

 

常用擬合模型

 

1993年，學(xué)者提出性能退化的一般模型：

式中，

yij—第i個產(chǎn)品在時刻tij的某一特征退化量；

α—固定參數(shù)；

βi—隨機參數(shù)；

εij—為測量誤差。

 

基于式（1），性能退化模型又可進一步表現(xiàn)為不同的數(shù)學(xué)形式，常用的有線性模型、指數(shù)模型和冪律模型，如表1所示。不同材料或產(chǎn)品，不同的性能參數(shù)，不同的使用環(huán)境，不同的時間長度，一般會導(dǎo)致產(chǎn)品的性能退化模型不同，或者模型形式相同而參數(shù)取值不同。

 

表1 常用的性能退化模型

 

 

模型構(gòu)建

 

不同性能參數(shù)不僅退化軌跡不同，退化的速率也千差萬別，因此，在一定時間內(nèi)，不同性能參數(shù)退化的“可觀測性”也不同。因此，本文首先對全部檢測性能參數(shù)在36個月期間的變化情況進行初步篩查，選擇變化趨勢較明顯的參數(shù)，即電感（L）和相對磁導(dǎo)率實部（μ），用于后續(xù)的性能退化模型研究。為了使不同量綱的參數(shù)變化趨勢更加直觀，本文使用約化的性能參數(shù)，即

式中，

pi—第i次測試的性能參數(shù)；

p0—該參數(shù)的初始值。

 

01.電感

 

檢測設(shè)備為WK6500B型阻抗分析儀，配合專用于磁環(huán)測試的夾具，如圖2所示。對電感的實測數(shù)值進行曲線擬合，分別嘗試按照線性模型、指數(shù)模型和冪律模型進行擬合，結(jié)果見圖3。

 

 

模型表達式為：

 

 

可以看出，電感的性能退化模型可以用指數(shù)模型和線性模型進行較好地表達，確定系數(shù)R2分別是0.9825和0.9824；冪律模型的確定系數(shù)略低，為0.9165。

 

02.磁導(dǎo)率實部

 

對磁導(dǎo)率實部的退化情況同樣按照3個模型進行擬合，結(jié)果見圖4，模型表達式為：

 

 

可以看出，采用線性模型和指數(shù)模型可以較好地對磁導(dǎo)率實部的性能退化趨勢進行擬合，確定系數(shù)分別為0.9641和0.9674，冪律模型的確定系數(shù)為0.8965。

 

03.討論

 

檢測設(shè)備為WK6500B型阻抗分析儀，配合專用于磁環(huán)測試的夾具，如圖2所示。對電感和磁導(dǎo)率實部的測試數(shù)據(jù)進行退化建模，結(jié)果表明兩者均可以較好地符合線性模型和指數(shù)模型的數(shù)學(xué)形式，對于冪律模型的符合性則相對較差。結(jié)合表1可以看出，兩者的退化速率是緩慢的（β取值極小），此時線性模型與指數(shù)模型的表達結(jié)果是非常接近的。