第二节 铁磁材料及铁损

在电气工程中，材料按其磁导率不同可划分为两类：铁磁材料和非铁磁材料，铁磁材料具有高磁导率，如铁、钴、镍及其合金等；非铁磁材料是指磁导率近似等于真空的磁导率μ₀的材料，如铜、银、绝缘物等。材料不同，其导磁能力也不相同，在相同的电流下，通电铁心线圈产生的磁通比空心的线圈产生的磁通大得多。可见，在相同的磁场强度作用下，不同的磁路的材料其磁感应强度是不一样的，为了增加磁感应强度，在船用电机、变压器、接触器等绕组上都采用铜导体绕在高导磁铁心材料上。

一、铁磁材料的磁性能

铁磁材料的磁性能主要有高磁导、磁饱和、剩磁和磁滞等特性。

1.高导磁特性

磁材料的磁导率很高，这是由于在铁磁性物质内部能分成许多小区间，在这些小区间内由于铁磁材料的分子间有一种特殊的作用力而使区间内的分子磁铁都排列整齐，显示磁性，这些小区间称为磁畴。在没有外磁场的作用时，各个磁畴排列混乱，如图1-4a所示，磁效应互相抵消，对外不显示磁性。若在外磁场作用下，磁畴就顺外磁场作用转向呈现出磁性，随着外磁场的增强，磁畴就逐渐转到与外磁场相同的方向上，如图1-4b所示。于是产生了一个很强的与外磁场同方向的磁化磁场，而使铁磁性材料内的磁感应强度大大增加，这一过程称为被磁化。为了描述铁磁材料的磁化过程，以横坐标为外加磁场强度H，纵坐标为磁感应强度B，如图1-5所示，随着外加磁场强度H的增强，铁磁材料的磁感应强度B也随着增强，这条曲线称为磁化曲线，它是由实验测试所得。

铁磁材料具有被强烈磁化的性质，称之为高导磁性。电机、变压器、接触器等电器元件的线圈、铁心，正是利用这一特性，在铁心上绕有线圈并通入不大的励磁电流，便可获得足够大的磁通量和磁感应强度。这就解决了电器元件既要磁通量大，又要励磁电流小的矛盾。利用优质的铁磁材料可减轻电器元件的重量和减小它的体积。

相反，非磁性材料没有磁畴的结构，不存在磁性。

图1-5中B₀是空气的磁感应强度，B_J是铁磁材料的磁感应强度，B是合成磁感应强度。

铁磁材料的不同，其磁化曲线也不同。图1-6中示出了几种磁性材料的磁化曲线。

2.磁饱和特性

铁磁材料被磁化所产生的磁感应强度不会随着外磁场的增强而无限地增强。当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，全部磁畴磁场方向都转向与外磁场的方向一致。这时磁化磁场的磁感应强度B即达饱和值，如图1-5中的d点所示。由图1-5可见，铁磁材料的B-H磁化曲线分为四段：Oa段的B增加缓慢，是起始段；而过a点之后，B与H差不多成正比地增加，即ab段，称为线性段；过了b点后的B的增加又变为缓慢，即bc段，称为半饱和段；c以后一段的B增加得很少，达到了磁饱和，即cd段，称为饱和段。可见，铁磁材料的磁化过程，B与H不成正比，所以磁性物质的磁导率μ不是常数，随H而变，如图1-5中的μ曲线。当铁磁材料磁化进入饱和区时，磁导率μ基本不变并且很小，接近于μ，所以电器元件的铁心都工作在b点（拐点）处，既不增加线圈的励磁电流，又可获得较大的磁感应强度。

得出结论：铁磁材料具有高磁导率，随着磁场强度的增加，铁心的磁导率将下降，此时铁磁材料出现饱和，铁磁材料饱和后，磁导率大大减小，磁路的磁通密度几乎不随磁场强度的增加而增加。应当指出，铁磁材料随温度升高导磁性能也会发生变化。

3.剩磁和磁滞特性

铁磁材料的剩磁和磁滞特性可用磁滞回线进行说明，如图1-7所示，磁滞回线是在交流励磁电流作用下测得的。由图1-7可见，当励磁电流从0增加到+I（磁场强度为+H）时，磁路中的磁感应强度B从0变化到曲线的点1所对应的位置；当励磁电流从+I减小到0时，B减小但并不为0，而是在点2的位置；励磁电流从0到-I（-H），B则从2经过3到点4；励磁电流再从-I到0到+I，B则从4经过5、6再到点1。励磁电流反复变化，B就不断地从点1经过2、3到4再由4经过5、6到点1不断地重复变化。曲线1→2→3→4→5→6→1称为磁滞回线。从磁滞回线上看，磁感应强度B的变化永远滞后于磁场强度H的变化，这种现象称为铁磁材料的磁滞特性。

在图1-7中，点2和点5对应的磁感应强度+B_r和-B_r分别为铁磁材料的正向剩磁和反向剩磁，也就是说停止施加正或反向励磁电流后，虽然磁场强度H已经为0，但铁心中仍然存在磁感应强度+B_r或-B_r。永久磁铁的磁性就是由剩磁产生的。在自励发电机中，要求其磁极必须具有剩磁，才能够建立起电压。但是，剩磁有时是有害的，例如吊机的电磁吸盘有剩磁，仍将一部分废铁或工件吸住，为此要通入反向去磁电流，去掉剩磁，才能将废铁件卸下。可见，要使电磁铁心的剩磁消失，必须在线圈中通入与剩磁不同方向的励磁电流，产生相反的磁场强度。点3和点6所对应的磁场强度-H_c和+H_c分别是为了克服正反向剩磁所需要的与原来作用磁场相反方向的磁场强度。也就是说，若原来作用磁场的方向为+H，要消除铁心中的剩磁，就必须施加反向磁场强度-H_c，剩磁B_r越大，所需的-H_c也越大。但铁磁材料过高的温度和振动会使剩磁减弱甚至消失。克服剩磁所需的磁场强度-H_c称为矫顽力。不同的铁磁材料，其磁滞性能一般是不一样的。也就是说，矫顽力-H_c与具体的铁磁材料有关。同样剩磁的情况下，要消除不同铁心材料的剩磁，所需的矫顽力-H_c也不一样。

二、铁磁材料的分类与用途

根据铁磁材料的磁滞回线的宽窄不同可分为软磁材料、硬磁材料和矩磁材料等三种。

1.软磁材料

软磁材料主要用于制造电机、变压器等电器的铁心，其磁滞回线所包围的面积小，如图1-8a所示，其特点是易磁化，易去磁，磁导率高，磁损耗小，剩磁小和矫顽力小。一般H_C＜10³A/m的铁磁材料可以认为是软磁材料，但软磁材料容易饱和。软磁材料又分为金属软磁材料和铁氧体软磁材料两类。金属软磁材料主要包括电工纯铁、硅钢片和铁镍合金等。硅钢片是电力和通信工业的基础材料，用量很大，约占铁磁材料总用量的90%以上。

2.硬磁材料

硬磁材料可以用于制造永久磁铁，磁滞回线所包围的面积大，如图1-8b所示，其特点是磁导率相对较小，磁滞回线所包围的面积大，矫顽力大，剩磁大，不易磁化和不易去磁。因此，适用于制造用作储藏磁能和提供磁能的永久磁铁。这类材料包括钨钢、铬钢、铝镍铁、铝镍钴合金等。一般H_c＞10⁴A/m的铁磁材料可以认为是硬磁材料。

3.矩磁材料

矩磁材料的磁滞回线形状近似矩形，如图1-8c所示，其特点与硬磁材料基本一样，稳定性良好。在计算机系统中可用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体及1J51型铁镍合金等。

铁磁材料的型号、品种繁多，各种型号规格的铁磁材料可参阅有关产品说明书。

三、铁心损耗

在交变磁通作用下，铁心本身产生的损耗称为铁心损耗，其包含两个部分：涡流损耗和磁滞损耗。

1.涡流现象及涡流损耗

铁心一般采用铁、镍、钴及其合金等铁磁材料制造，根据电磁感应定律，穿过铁心的磁通发生变化时，铁心也将感应电动势。在感应电动势的作用下，将产生电流，如图1-9所示，变化的电流i通过线圈，在铁心中将产生变化的磁通量Φ，这个变化的磁通量在铁心材料中感应电动势。由于铁心的材料是金属材料，铁心中的电动势将引起感生电流。铁心中感生的电流是一圈圈的同心圆，像旋涡的形状，因此铁心的感生电流称为涡流。涡流的本质也是一种电磁感应现象，是电磁感应的一种形式。涡流的大小与铁心感应电动势成正比，感应电动势越大，涡流也越大。涡流大小也与铁心导电性能有关，铁心电阻越大，相同感应电动势小，涡流就越小。

铁心有电阻，感生的涡流在铁心的金属材料上将产生焦耳热损耗(I²R)。假设铁心的等效电阻为R，感应电动势为E，涡流为I，则涡流产生的损耗Δp_e为

由式（1-9）可知，当感应电动势E一定时，若能增大铁心电阻，则涡流将会减小，涡流损耗也将减小。因此，实际交流线圈的铁心通常采用硅钢片叠压而成，硅钢片与硅钢片之间则常采用绝缘漆涂敷，以增大硅钢片之间的电阻，减小涡流及其损耗，如图1-10所示。

2.磁滞损耗

前面在铁磁材料的性能中我们曾经讨论过，铁磁材料存在磁滞现象。磁滞现象表现为磁场强度为零时，磁感应强度（磁通密度）不为零。若要使磁感应强度为零，则必须施加反向磁场强度（见图1-7）。当铁心线圈通入的是交流电流时，交流励磁电流产生的是交变的磁场强度，铁心中的磁感应强度也是交变的。于是工作时铁心磁路将在两个方向上反复被磁化。由于铁磁材料存在磁滞现象，为了克服剩磁，必须反复向磁路提供反向矫顽力。也就是说，铁心在工作时，受到交变电源的反复磁化，每次磁场强度过零后，电源提供的能量首先都用来克服剩磁，然后才产生反向磁通量。为了克服铁心剩磁，必须消耗电源提供的能量，铁心所消耗的这部分能量（损耗）就称为磁滞损耗。磁滞损耗大小与铁心采用铁磁材料的类型有关，材料的磁滞回线包围的面积反映了材料的磁滞损耗大小。一般而言，软磁材料磁滞损耗小，硬磁材料磁滞损耗大。因此，为了以减少铁心工作时产生的磁滞损耗，电机和电器的铁心通常采用软磁材料制造。