铁心材料的种类与使用.docx

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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Metglas2605SA1(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。