1.2 常用鐵磁材料及其特性

1.2.1 鐵磁性物質的磁化

硅鋼片在變壓器和電機中常用來制作鐵芯作為磁路，這是因為硅鋼片的磁導率較高，在同樣的磁動勢下能激發出較強的磁場。

將鐵磁性物質放入磁場后，鐵磁物質呈現很強的磁性的現象稱為磁化。鐵磁性物質能被磁化是因為其內部由許多的磁疇構成。在未磁化的材料中，磁疇隨意排列，磁疇的磁效應相互抵消，對外不呈現磁性。而當其處于磁場內時，這些磁疇將沿磁場的方向重新做有規則的排列，與外磁場方向相同的磁疇不斷增多，其他方向上的磁疇不斷減少，磁疇的方向漸趨一致，形成一個附加磁場，與外磁場疊加，最終使磁場強度大為增加，如圖1-7所示。

常用的鐵磁性物質有鐵、鎳、鈷等。

1.2.2 磁化曲線

鐵磁材料的磁化過程可用磁化曲線來表示，磁化曲線是指磁場的磁通密度B與磁通強度H之間的關系。

在非磁性材料中，因為磁導率基本不變，所以B和H呈線性關系，如圖1-8中的曲線1所示。

鐵磁材料的磁化曲線是非線性的，圖1-8中的曲線2是未磁化過的鐵磁材料進行磁化后的磁化曲線。由圖1-8中的曲線2可知，開始磁化時，由于外磁場較弱，所以B增加較慢，對應oa段；隨著外磁場增加，鐵磁材料產生的附加磁場增加較快，B值增加很快，如圖1-8中的ab段；再增加磁場時，附加磁場的增加有限，B增加越來越慢，最終趨于飽和，見圖1-8中的bc段；最后所有磁疇與外磁場方向一致后，外磁場增加，B值也基本不變，出現深度飽和現象。為了使鐵芯得到充分利用而不進入飽和狀態，電機和變壓器的鐵芯額定工作點設定在磁化曲線的微飽和區。從初始磁化曲線來看，鐵磁物質的B和H的關系為非線性關系，表明鐵磁物質的磁導率μ不是常數，要隨外磁場H的變化而變化，變化趨勢如圖1-8中曲線3所示。

若鐵磁材料進行正負反復磁化，B和H的關系變為如圖1-9所示的abcdef閉合曲線，稱為磁滯回線。根據磁滯回線的寬度不同，鐵磁材料分為軟磁材料和硬磁材料。軟磁材料的磁滯回線寬度很窄，磁導率較高，在電機和變壓器中常用的軟磁材料有制作鐵芯的硅鋼片和制作基座的鑄鋼鑄鐵。硬磁材料可作為永磁材料使用，磁導率較小，電機中常用的永磁材料有鐵氧體、鋁鎳鈷、稀土鈷、釹鐵硼。

1.2.3 磁滯與磁滯損耗

鐵磁材料周期性的正反向磁化會產生損耗，稱為磁滯損耗。這是因為磁疇來回翻轉產生摩擦而引起的損耗。磁滯回線面積越大，磁滯損耗也越大。實踐證明，磁滯損耗Ph與磁通的交變頻率f成正比，與磁通密度幅值Bm的α次方成正比。即

1.2.4 渦流與渦流損耗

鐵芯是導電材料，當通過鐵芯的磁通隨時間變化時，根據電磁感應定律，鐵芯中將產生感應電動勢，并引起環流。因為這些環流在鐵芯內部圍繞磁通成渦流狀流動，所以稱之為渦流。如圖1-10所示，渦流在鐵芯中引起的損耗，稱為渦流損耗Pe，Pe可用如下公式表示。

式中：ke——渦流損耗系數，與鐵磁材料的電阻率成正比；

?——鐵芯的厚度；

f——磁場交變的頻率；

Bm——鐵芯中的磁通密度；

V——鐵芯的體積。

分析表明，頻率越高，磁通密度越大，感應電動勢越大，渦流損耗也越大。而鐵芯的電阻率越大，渦流流過的路徑越長，渦流損耗就越小。因此，為了減小渦流損耗，在鐵芯的鋼材中加入少量的硅以增加鐵芯材料的電阻率，稱為硅鋼片；也不采用整塊的鐵芯，而采用由許多薄硅鋼片疊起來的鐵芯，以加長渦流流經的路徑，從而大大減少渦流。所以變壓器和電機的鐵芯一般采用厚度為0.35mm或0.5mm的硅鋼片來制造。

1.2.5 鐵芯損耗

鐵芯中的磁滯損耗和渦流損耗總稱為鐵芯損耗，用PFe表示，它正比于磁通密度Bm的平方及磁通交變頻率f的1.2～1.3次方。

式中：kFe——鐵損耗系數；

G——鐵芯的重量。

鐵芯損耗將造成有功功率損失和鐵芯發熱。