1.2 常用铁磁材料及其特性

1.2.1 铁磁性物质的磁化

硅钢片在变压器和电机中常用来制作铁芯作为磁路，这是因为硅钢片的磁导率较高，在同样的磁动势下能激发出较强的磁场。

将铁磁性物质放入磁场后，铁磁物质呈现很强的磁性的现象称为磁化。铁磁性物质能被磁化是因为其内部由许多的磁畴构成。在未磁化的材料中，磁畴随意排列，磁畴的磁效应相互抵消，对外不呈现磁性。而当其处于磁场内时，这些磁畴将沿磁场的方向重新做有规则的排列，与外磁场方向相同的磁畴不断增多，其他方向上的磁畴不断减少，磁畴的方向渐趋一致，形成一个附加磁场，与外磁场叠加，最终使磁场强度大为增加，如图1-7所示。

常用的铁磁性物质有铁、镍、钴等。

1.2.2 磁化曲线

铁磁材料的磁化过程可用磁化曲线来表示，磁化曲线是指磁场的磁通密度B与磁通强度H之间的关系。

在非磁性材料中，因为磁导率基本不变，所以B和H呈线性关系，如图1-8中的曲线1所示。

铁磁材料的磁化曲线是非线性的，图1-8中的曲线2是未磁化过的铁磁材料进行磁化后的磁化曲线。由图1-8中的曲线2可知，开始磁化时，由于外磁场较弱，所以B增加较慢，对应oa段；随着外磁场增加，铁磁材料产生的附加磁场增加较快，B值增加很快，如图1-8中的ab段；再增加磁场时，附加磁场的增加有限，B增加越来越慢，最终趋于饱和，见图1-8中的bc段；最后所有磁畴与外磁场方向一致后，外磁场增加，B值也基本不变，出现深度饱和现象。为了使铁芯得到充分利用而不进入饱和状态，电机和变压器的铁芯额定工作点设定在磁化曲线的微饱和区。从初始磁化曲线来看，铁磁物质的B和H的关系为非线性关系，表明铁磁物质的磁导率μ不是常数，要随外磁场H的变化而变化，变化趋势如图1-8中曲线3所示。

若铁磁材料进行正负反复磁化，B和H的关系变为如图1-9所示的abcdef闭合曲线，称为磁滞回线。根据磁滞回线的宽度不同，铁磁材料分为软磁材料和硬磁材料。软磁材料的磁滞回线宽度很窄，磁导率较高，在电机和变压器中常用的软磁材料有制作铁芯的硅钢片和制作基座的铸钢铸铁。硬磁材料可作为永磁材料使用，磁导率较小，电机中常用的永磁材料有铁氧体、铝镍钴、稀土钴、钕铁硼。

1.2.3 磁滞与磁滞损耗

铁磁材料周期性的正反向磁化会产生损耗，称为磁滞损耗。这是因为磁畴来回翻转产生摩擦而引起的损耗。磁滞回线面积越大，磁滞损耗也越大。实践证明，磁滞损耗Ph与磁通的交变频率f成正比，与磁通密度幅值Bm的α次方成正比。即

1.2.4 涡流与涡流损耗

铁芯是导电材料，当通过铁芯的磁通随时间变化时，根据电磁感应定律，铁芯中将产生感应电动势，并引起环流。因为这些环流在铁芯内部围绕磁通成涡流状流动，所以称之为涡流。如图1-10所示，涡流在铁芯中引起的损耗，称为涡流损耗Pe，Pe可用如下公式表示。

式中：ke——涡流损耗系数，与铁磁材料的电阻率成正比；

∆——铁芯的厚度；

f——磁场交变的频率；

Bm——铁芯中的磁通密度；

V——铁芯的体积。

分析表明，频率越高，磁通密度越大，感应电动势越大，涡流损耗也越大。而铁芯的电阻率越大，涡流流过的路径越长，涡流损耗就越小。因此，为了减小涡流损耗，在铁芯的钢材中加入少量的硅以增加铁芯材料的电阻率，称为硅钢片；也不采用整块的铁芯，而采用由许多薄硅钢片叠起来的铁芯，以加长涡流流经的路径，从而大大减少涡流。所以变压器和电机的铁芯一般采用厚度为0.35mm或0.5mm的硅钢片来制造。

1.2.5 铁芯损耗

铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗总称为铁芯损耗，用PFe表示，它正比于磁通密度Bm的平方及磁通交变频率f的1.2～1.3次方。

式中：kFe——铁损耗系数；

G——铁芯的重量。

铁芯损耗将造成有功功率损失和铁芯发热。