电机铁心材料选择基础——非晶材料还是电工钢?(上)





|中岛晋

编辑|叶知秋


一半以上的耗电量来自电机


       如今,可以说全球总耗电量的一半以上来自于电机。迫切需要高效率电机来控制二氧化碳排放量,从而抑制全球气候变暖。


开发高效率电机的关键是铁心材料


       现这种高效率电机的关键是铁心材料。电机的铁心材料,顾名思义,是用含铁材料制成的(详见专栏A)


       铁心材料由磁体制成,具有控制电机磁通(形成磁场)的重要作用,但同时也因铁损(磁滞损耗和涡流损耗)而成为发热源。


       那么,选择铁损小的铁心材料就必然可以实现电机的高效率吗?并非如此。


       铁心材料的特性有很多。而且,即使是同样的铁心材料,在用于电机和用于变压器时,所需的特性也不同。在最近开发的高效率电机中,用非晶合金代替作为铁心材料的无取向电工钢,并与铁氧体磁体相组合,已经达到了之前被认为不可能的超高效率。



不相互吸引的软磁材料


       前面已经叙述了磁体,通常把吸引或排斥磁体的材料称为磁性材料(特别是铁磁材料)。铁磁材料(详见专栏B)


       再进一步,磁性材料可以大致分为硬磁材料、软磁材料。


       硬磁材料是具有高矫顽力的磁性材料。简单来说,就是可以成为磁体的材料。


       对于软磁材料,尽管磁导率较大(几十到几十万),矫顽力却很小。也就是说,它们可以被磁体吸引,但它们之间不会相互吸引。


       软磁材料成为了电机、变压器或电抗器(电感线圈)等的铁心材料。




(1)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。


       图1为表示铁心材料所处磁场H和铁心材料磁通密度B之间关系曲线的一个例子。



图1:起始磁化曲线的一个例子


       它显示了对完全没有磁化的铁心材料(消磁后的铁心材料,如铁)缓缓地增强磁场会发生怎样的变化,铁心材料开始被磁化了。结果是铁心材料的磁通密度也逐渐增大。此图为起始磁化曲线。


       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。


       从此式可以注意到,对于B和H的关系,μ为系数,也就是图1中曲线的斜率。再细看图1,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


       如图2所示,同时包含BS和-BS这两个饱和点的曲线称为极限磁滞回线。



图2: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。



图3: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






      想知道电机用的铁心材料有哪些以及如何选择电机铁心材料,请关注非晶中国网站及非晶合金公众号下期专题。


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