铁心材料的种类与使用.docx

铁心材料又称为软磁材料，软磁材料可以大致分为两类：①金属软磁材料；②以氧化铁为主原料的铁氧体软磁材料。
这些软磁材料的饱和磁通密度BS和频率为1kHz时Bm=0.1T的铁损W1/1k的关系如所示。

主要软磁材料的饱和磁通密度BS和铁损W1/1k，可以看到，频率1kHz时，高BS方面，波明德合金有优势；低铁损方面，则纳米晶软磁合金和PC型坡莫合金(高磁导率材料)比较有优势。
（2）主要的电机铁心材料
 A.无取向电工钢
电机铁心材料用得最多的是无取向电工钢，其在铁元素中添加质量分数为1%~3%的硅元素，表面施加绝缘涂层。
特征：①超过2T的饱和磁通密度；②比较好的磁特性；③加工容易；④价格低。是最广泛使用的电机铁心材料。
无取向电工钢的全世界年产量超越一千万吨，作为电机用铁心材料具有压倒性的市场份额。
B.6.5%硅元素无取向电工钢
在铁中添加质量分数为6.5%硅元素的无取向电工钢(记为6.5% Si-Fe)，其表面为绝缘涂层。
它的磁致伸缩系数几乎为零，以铁损为代表的磁特性得到了大幅改善，加工中的磁特性劣化程度较小。
6.5% Si-Fe与通常的无取向电工钢不同，它不能进行压延加工。因此，无取向电工钢通常是使用化学气相沉积法(CVD)使硅元素扩散至6.5%来制造的。
供应商目前全球只有一家(JFE钢铁)，其年供应量以千吨计。此外，在质量相当的情况下，6.5% Si一Fe的价格通常是无取向电工钢的10倍左右，价格较高。
C.PB型坡莫合金
一般使用的PB型坡莫合金是质量分数为40%～50%的镍和铁的合金，板厚为0.05～2.0mm，最大宽度可达 400mm。与无取向电工钢相比，它的铁损更小，容易加工。
PB型坡莫合金由于使用了价格较高的镍，因此在质量相当的情况下其价格通常是无取向电工钢的几十倍，价格更高。
D.波明德合金
一般使用的波明德合金是质量分数为49%的钴、质量分数为2%的钒和铁的合金，板厚为0.05～2.0mm,最大宽度可达200mm。不仅加工困难，而且由于饱和磁致伸缩系数极大(达到70 × 10-6)，加工应力将导致其磁特性大大劣化。为了改善磁特性劣化的状况，加工后有必要在其表面涂上氧化铝或氧化镁粉末作为绝缘层，并在氢气环境中进行850℃热处理(退火)。波明德合金由于含有钴和钒这样的高价金属，其价格通常是无取向电工钢的数百倍，极为昂贵。
E.铁基非晶合金
作为非晶体，其磁滞损耗较小，体积薄又使得其电阻率较大，涡流损耗较小，从而铁损也较小。目前，具备这种特征的铁心材料已开始投入使用。
铁基非晶合金是用单轧辊液体急冷法连续铸造出来的。
以具有代表性的铁基非晶合金Metglas 2605SA1(以下称为SA1)为例，将铁、硅、硼的合金液体从内部已干冷后的金属轧辊上喷出，可实现速率为106℃/s以上的急速凝固，超过了结晶核的生长速度，最终可以得到铁基非晶合金薄带。
在这个铸造过程中，合金表面会自然形成一层厚度为10nm左右的绝缘膜，因此在一般的电机和变压器中不需要进行绝缘处理。
在急速凝固的影响下，合金中存在着极大的内部应力。另外，饱和磁致伸缩系数达到27×10-6，在铁心材料中已经比较大了，在内部应力的影响下磁特性会大大劣化。为改善劣化的磁特性，通常在氮气环境350℃下进行热处理。
但是，进行热处理的话，铁基非晶合金会变脆，难以在电机中保持必要的机械强度。
如果不进行热处理，铁基非晶合金的铁损与其他的铁心材料相比较小，这是它作为电机铁心材料的最大优势。然而它的饱和磁通密度Bs、只有无取向电工钢的3/4，这是它的缺点。板厚为0.025mm，维氏硬度为900，从而加工困难。它的全球年产量低，其中90%以上作为商用频率(50Hz和60Hz)变压器的铁心材料使用。
磁化和磁滞
A.铁心中的磁场从零开始增强—起始磁化曲线
将磁体(磁性材料)放入磁场中，磁导率较高的物质就会被磁化，并且汇聚磁通量，铁心材料即是利用了这个特性。
B.磁通密度饱和
H和B的关系，根据磁导率的定义表示为：B=μH。
对于B和H的关系，μ为系数，H较小的时候，B的变化也小，铁心材料的磁导率μ为较小的值(此时的μ为起始磁导率μi)。
可是，从某个值开始，随着H的增大，B急剧地增大，斜率μ急剧地增大，其最大值为最大磁导率μm。
H进一步增大，B的增量就减少了(μ在减小)。H到达某个值时，B到达一定值而不再增大(H值显著减小，最终与μ0相等)。这种现象称为磁饱和。
C.励磁电流和磁通密度
事实上，不管是何种磁性材料，都具有这样的曲线，饱和磁通密度是一定的。另外，使用由磁化曲线决定的H，通过公式

求得的电流称为励磁电流。
D.磁滞回线的形状有多种，同时包含BS和-BS这两个饱和点的曲线称为极限磁滞回线。
与之相对，不包含上述两个饱和点的曲线称为局部磁滞回线。
铁心材料的磁滞回线不仅因其材料种类的不同而有很大不同，曲线形状还会因加工方法和材料形状的影响而发生变化。
（2）损耗和变形
A.铁损≈磁滞损耗+涡流损耗
铁损为铁心内产生的能量损耗，主要以热的形式散失。
B.铁心材料叠层
铁心材料需要让磁通量容易通过，而涡流不容易通过。要通过的磁通量方向起决定性作用。因此，为了使得磁通量方向平滑地通过，一般使用薄的叠层铁心板。尤其是线圈侧的铁心材料，可以说必须使用薄的叠层铁心板。
一层一层地绝缘，使沿叠层方向的涡流无法流通，而磁通量方向的磁路容易形成。过度减薄的话，层数会增加，绝缘层的厚度也会增大，到一定程度会造成磁路减少。因此这是个折中选择。
随着绝缘层薄型技术的发展，如今薄板化也正成为趋势。
C.磁场中的材料变形—磁致伸缩
铁心材料在磁化时，磁性材料的尺寸在磁场强度的作用下产生的变形现象称为磁致伸缩。
电机的铁心是作为电机内线圈轴的铁材料。铁心要作为磁通量的通道，必须由质软的磁体来制作。铝质材料虽质地较软，但却不可以作为铁心材料。有刷直流电机的线圈位于转子上(旋转侧)，永磁体位于定子上(外侧)。无刷直流电机(磁体同步电机)也是一样。
电机可以看作由多个线圈和永磁体连接而成的磁路。外壳内侧贴有永磁体，而外壳本身则用铁制磁体构成一个整体，称为磁轭。如果用塑料和铝材制作磁轭，则无法控制磁通量，从而无法发挥电机的性能。因此铁心材料也可用于磁轭。另外，无刷直流电机的转子为永磁体(内转子)时，转子侧的永磁体通过铁心材料连接。
▼磁体的另一种分类
磁体这一词汇，常用来表示可以获得磁性的物体。不仅仅是铁钴镍，只要在真空中具有磁导率，都可以称为磁体。
事实上，说起磁性材料，可以分成三类顺磁材料、铁磁材料、反磁材料。
（1）顺磁材料
顺磁材料就是在没有磁场的地方不具有磁性，而在有磁场的地方具有磁性的物质。任何物质都是由基本粒子构成的，而各基本粒子都在进行旋转运动(量子自旋)，顺磁材料中，尽管自旋的轴方向是不确定的，但在磁场中，各基本粒子的自旋的轴方向会因磁场而同时趋于一致。
（2）铁磁材料
铁磁材料就是主动旋转时各基本粒子的方向都趋于一致的物质。铁钴镍即是这一类。这类物质一旦接近磁体，即会产生想要附着过去的引力。
（3）反磁材料
反磁材料在磁场中磁化的时候，会产生与上述的铁等物质相反的磁化过程。也就是说，不产生引力，而产生斥力。用相对磁导率表示，小于1(即磁化率为负值)。反磁材料有铋、碳、金、银、铜、铅、水等。反磁性所产生的作用力非常微弱，将它们靠近磁性强的磁体时很难感受到。
然而，在超导体(在某一温度下电阻值为零的物体)中反磁性会变得很强(相对磁导率为零)。此时，可以观察到强磁场中的磁悬浮现象。另外，铋(相对磁导率为0.99983)或者热解碳，在由钕磁体产生的强磁场中，在常温下即产生磁悬浮。