磁滞回线与软磁材料和硬磁材料的关系_吮指原味张的博客-程序员宅基地

技术标签: 铁磁材料  # 电机本体及电磁仿真  

参考资料:
《电机学 第五版》_汤蕴璆_第1章 磁路_1.2常用的铁磁材料及其特性


0. 前置知识

0.1 铁磁材料的磁化

铁磁材料包括铁、镍、钴以及它们的合金。将铁磁材料放入磁场后,材料内的磁场会显著增强。铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性,此现象称为铁磁材料的磁化。铁磁材料能被磁化,是因为在它内部存在着许多很小的被称为磁畴的天然磁化区,每一个磁畴可以看作为一个微型磁铁。下图中,磁畴用一些具有一定指向的箭头来表示。
在这里插入图片描述
铁磁材料未放入磁场之前,这些磁畴随机、杂乱地排列着,其磁效应相互抵消,对外部不呈现磁性。一旦铁磁材料放入磁场内,在外磁场的作用下,磁畴的指向将逐步趋于一致,由此形成一个附加磁场叠加在外磁场上,使合成磁场大为增强。由于磁畴所产生的附加磁场要比非铁磁材料在同一磁场强度下所激励的磁场强得多,所以铁磁材料的磁导率μFe要比非铁磁材料大得多。

非铁磁材料的磁导率接近于真空磁导率μ0,电机中常用的铁磁材料的磁导率为μFe = (2000~8000)μ0

磁化是铁磁材料的特性之一。

1. 磁滞回线

1.1 初始磁化曲线

在非铁磁材料中,磁通密度B和磁场强度H之间呈直线关系,直线的斜率就等于μ0。铁磁材料的B与H之间则是曲线关系。将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化,当磁场强度H由零逐渐增大时,磁通密度B将随之增大,曲线B=f(H)就称为初始磁化曲线,如下图所示。
在这里插入图片描述

初始磁化曲线大体上可分为四段:

  • Oa段:开始磁化时,外磁场较弱,磁通密度增加得较慢。
  • ab段:随着外磁场的增强,材料内部大量磁畴开始转向,趋向于外磁场方向,此时B值增加得很快,ab段的磁化曲线接近于直线
  • bc段:若外磁场继续增加,大部分磁畴已趋向于外磁场方向,可转向的磁畴越来越少,B值增加得越来越慢,这种现象称为饱和。其中,磁化曲线开始拐弯的点,即b点,称为膝点
  • cd段:饱和以后,磁化曲线基本上将成为与非铁磁材料的B=μ0H特性相平行的直线。

由于铁磁材料的磁化曲线不是一条直线,所以磁导率μFe=B/H将随H值的变化而变化,变化曲线μFe=f(H)如下图所示。
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由图可见,Oa段的磁导率较低,直线段ab的磁导率较高,铁心饱和以后,磁导率又重新下降。

设计电机和变压器时,为使主磁路内得到较大的磁通量而又不过分增大励磁磁动势,通常把铁心内的工作磁通密度选择在膝点附近。

1.2 磁滞回线

若将铁磁材料进行周期性磁化,B和H之间的关系就会变成下图中abcdefa的情况,下图的abcdefa回线就被称为磁滞回线
在这里插入图片描述
由图可见,当H开始从零增加到Hm时,B相应地从零沿Oa逐步增加到Bm,以后如逐渐减小磁场强度H,B值将沿曲线ab下降。当H=0时,B值并不等于零,而等于Br;这种去掉外磁场之后,铁磁材料内仍然保留的磁通密度Br称为剩余磁通密度,简称剩磁。要使B值从Br减小到零,必须加上一定的反向外磁场,此反向磁场强度称为矫顽力,用Hc表示。

Br和Hc是铁磁材料的两个重要参数。铁磁材料所具有的这种磁通密度B的变化滞后于磁场强度H的变化的现象,称为磁滞。呈现磁滞现象的整个B-H闭合回线,称为磁滞回线。磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。

复习一下,目前接触到了铁磁材料的两个特性:磁化和磁滞。

1.3 基本磁化曲线

对同一铁磁材料,选择不同的磁场强度Hm进行反复磁化,可得到一系列大小不同的磁滞回线,再将各磁滞回线的定点连接起来,所得曲线就称为基本磁化曲线平均磁化曲线,如下图所示。下图表示电机中常用的硅钢片、铸铁和铸钢的基本磁化曲线。
在这里插入图片描述
基本磁化曲线不是初始磁化曲线,但差别不大。计算直流磁路时所用的磁化曲线都是基本磁化曲线。

2. 磁滞回线与软磁材料和硬磁材料的关系

按照磁滞回线形状的不同,铁磁材料可分为软磁材料和硬磁(永磁)材料两大类。

2.1 软磁材料

磁滞回线窄、剩磁Br和矫顽力Hc都很小的材料,称为软磁材料,软磁材料的磁滞回线如下图所示。常用的软磁材料有铸铁、铸钢和硅钢片等。
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软磁材料的磁导率较高。常用来制造电机和变压器的铁心

2.2 硬磁(永磁)材料

磁滞回线宽、剩磁Br和矫顽力Hc都大的铁磁材料称为硬磁材料,硬磁材料的磁滞回线如下图所示,其中,左图为硬磁材料铝镍钴的磁滞回线,右图为硬磁材料钕铁硼。
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由于剩磁Br大,可用以制成永久磁铁,因此硬磁材料也称为永磁材料。永磁材料的磁性能通常用剩磁Br、矫顽力Hc和最大磁能积|BH|max这三项指标表示。一般来说,三项指标越高,表示材料的磁性能越好。

实际应用时,还需考虑其工作温度、稳定性和价格等因素。

3. 常用软磁材料及硬磁材料

3.1 软磁材料

电机和变压器中常用的电工硅钢片,其含硅量为0.5% ~4.8%,含硅量愈高,铁心中的磁场交变时,铁耗就愈小。电工硅钢片分成热轧和冷轧两类。

热轧硅钢片(型号为DR)的磁导率为各向同性,按含硅量的高、低,它又分成低硅钢片(含硅量为1%~2%)和高硅钢片(含硅量为3.5%~4.8%)。低硅钢片达到饱和时的磁通密度较高、力学性能较好,厚度一般为0.5mm,主要用于中、小型电机;高硅钢片的单位重量铁耗较低、磁导率较高,厚度一般为0.35mm,主要用于大型交流电机和电力变压器。

冷轧硅钢片分成含硅量为0.5%~3%的无取向硅钢片(型号为DW),和含硅量为2.5%~3.5%的单取向硅钢片(型号为DQ)。前者为各向同性,可用于中、大型电机和电力变压器的铁心;后者虽然具有更加优越的磁性能,但因铁心中的磁场方向要求平行于规定的取向,所以仅用于大型电力变压器的铁心。

3.2 硬磁材料

(1)铝镍钴。这种材料的剩磁Br较高(最高可达1.35T),但矫顽力Hc相对较低,磁能积为中等,价格相对来说较低。其特点是,温度变化时磁性能变化很小,材料硬而脆。20世纪60年代以前,这种材料在永磁电机和仪表中用得极多,以后由于新材料的不断出现,除了对某些温度稳定性要求较高的仪表和永磁电机之外,已有逐步被取代的趋势。

(2)铁氧体。这是钡铁氧体和锶铁氧体一类的氧化物永磁材料。其优点是Hc较高(可达130 ~260 kA/m),抗去磁能力强,价格便宜;缺点是Br较低(仅为0.2 ~0.42T),最大磁能积|BH|max 较小,温度对磁性能的影响较大,不适用于温度变化大而要求温度稳定性高的场合。

(3)稀土钴。这种材料的剩磁Br矫顽力Hc和最大磁能积都很高,有很强的抗去磁能力,温度稳定性也较好,其允许工作温度可高达200 ~2509°C,是一种性能优良的永磁材料;缺点是除电加工外,不能进行其他的机械加工,另外,材料的价格较贵,使电机的造价较高,故仅用于要求体积小、重量轻和高性能的永磁电机。

(4)钕铁硼。这是20世纪80年代后期研制成的一种稀土永磁材料,其磁性能优于稀土钴,且价格较低,故应用很广;不足之处是最高工作温度通常约为150°C。此外,由于含有较多的铁和钕,容易锈蚀,这也是它的弱点。

稀土类永磁材料的磁滞回线呈平行四边形状,。回线转折处的磁场强度Hk称为临界磁场强度。当|H|<|Hk| 时,回线接近于两条平行、倾斜的直线,其磁导率接近于空气的磁导率μo;当|H| = |Hk|时,回线呈铅垂线下降。

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