鐵心材料的種類與使用.docx

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鐵心材料又稱為軟磁材料，軟磁材料可以大致分為兩類：①金屬軟磁材料；②以氧化鐵為主原料的鐵氧體軟磁材料。這些軟磁材料的飽和磁通密度BS和頻率為1kHz時(shí)Bm=0.1T的鐵損W1/1k的關(guān)系如所示。主要軟磁材料的飽和磁通密度BS和鐵損W1/1k，可以看到，頻率1kHz時(shí)，高BS方面，波明德合金有優(yōu)勢(shì)；低鐵損方面，則納米晶軟磁合金和PC型坡莫合金(高磁導(dǎo)率材料)比較有優(yōu)勢(shì)。（2）主要的電機(jī)鐵心材料?A.無(wú)取向電工鋼電機(jī)鐵心材料用得最多的是無(wú)取向電工鋼，其在鐵元素中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~3%的硅元素，表面施加絕緣涂層。 特征：①超過(guò)2T的飽和磁通密度；②比較好的磁特性；③加工容易；④價(jià)格低。是最廣泛使用的電機(jī)鐵心材料。無(wú)取向電工鋼的全世界年產(chǎn)量超越一千萬(wàn)噸，作為電機(jī)用鐵心材料具有壓倒性的市場(chǎng)份額。B.6.5%硅元素?zé)o取向電工鋼在鐵中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.5%硅元素的無(wú)取向電工鋼(記為6.5%Si-Fe)，其表面為絕緣涂層。它的磁致伸縮系數(shù)幾乎為零，以鐵損為代表的磁特性得到了大幅改善，加工中的磁特性劣化程度較小。6.5%Si-Fe與通常的無(wú)取向電工鋼不同，它不能進(jìn)行壓延加工。因此，無(wú)取向電工鋼通常是使用化學(xué)氣相沉積法(CVD)使硅元素?cái)U(kuò)散至6.5%來(lái)制造的。供應(yīng)商目前全球只有一家(JFE鋼鐵)，其年供應(yīng)量以千噸計(jì)。此外，在質(zhì)量相當(dāng)?shù)那闆r下，6.5%Si一Fe的價(jià)格通常是無(wú)取向電工鋼的10倍左右，價(jià)格較高。C.PB型坡莫合金一般使用的PB型坡莫合金是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～50%的鎳和鐵的合金，板厚為0.05～2.0mm，最大寬度可達(dá)400mm。與無(wú)取向電工鋼相比，它的鐵損更小，容易加工。PB型坡莫合金由于使用了價(jià)格較高的鎳，因此在質(zhì)量相當(dāng)?shù)那闆r下其價(jià)格通常是無(wú)取向電工鋼的幾十倍，價(jià)格更高。D.波明德合金 一般使用的波明德合金是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為49%的鈷、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的釩和鐵的合金，板厚為0.05～2.0mm,最大寬度可達(dá)200mm。不僅加工困難，而且由于飽和磁致伸縮系數(shù)極大(達(dá)到70×10-6)，加工應(yīng)力將導(dǎo)致其磁特性大大劣化。為了改善磁特性劣化的狀況，加工后有必要在其表面涂上氧化鋁或氧化鎂粉末作為絕緣層，并在氫氣環(huán)境中進(jìn)行850℃熱處理(退火)。波明德合金由于含有鈷和釩這樣的高價(jià)金屬，其價(jià)格通常是無(wú)取向電工鋼的數(shù)百倍，極為昂貴。E.鐵基非晶合金作為非晶體，其磁滯損耗較小，體積薄又使得其電阻率較大，渦流損耗較小，從而鐵損也較小。目前，具備這種特征的鐵心材料已開(kāi)始投入使用。鐵基非晶合金是用單軋輥液體急冷法連續(xù)鑄造出來(lái)的。以具有代表性的鐵基非晶合金Metglas2605SA1(以下稱為SA1)為例，將鐵、硅、硼的合金液體從內(nèi)部已干冷后的金屬軋輥上噴出，可實(shí)現(xiàn)速率為106℃/s以上的急速凝固，超過(guò)了結(jié)晶核的生長(zhǎng)速度，最終可以得到鐵基非晶合金薄帶。在這個(gè)鑄造過(guò)程中，合金表面會(huì)自然形成一層厚度為10nm左右的絕緣膜，因此在一般的電機(jī)和變壓器中不需要進(jìn)行絕緣處理。在急速凝固的影響下，合金中存在著極大的內(nèi)部應(yīng)力。另外，飽和磁致伸縮系數(shù)達(dá)到27×10-6，在鐵心材料中已經(jīng)比較大了，在內(nèi)部應(yīng)力的影響下磁特性會(huì)大大劣化。為改善劣化的磁特性，通常在氮?dú)猸h(huán)境350℃下進(jìn)行熱處理。 但是，進(jìn)行熱處理的話，鐵基非晶合金會(huì)變脆，難以在電機(jī)中保持必要的機(jī)械強(qiáng)度。如果不進(jìn)行熱處理，鐵基非晶合金的鐵損與其他的鐵心材料相比較小，這是它作為電機(jī)鐵心材料的最大優(yōu)勢(shì)。然而它的飽和磁通密度Bs、只有無(wú)取向電工鋼的3/4，這是它的缺點(diǎn)。板厚為0.025mm，維氏硬度為900，從而加工困難。它的全球年產(chǎn)量低，其中90%以上作為商用頻率(50Hz和60Hz)變壓器的鐵心材料使用。磁化和磁滯A.鐵心中的磁場(chǎng)從零開(kāi)始增強(qiáng)—起始磁化曲線將磁體(磁性材料)放入磁場(chǎng)中，磁導(dǎo)率較高的物質(zhì)就會(huì)被磁化，并且匯聚磁通量，鐵心材料即是利用了這個(gè)特性。B.磁通密度飽和H和B的關(guān)系，根據(jù)磁導(dǎo)率的定義表示為：B=μH。對(duì)于B和H的關(guān)系，μ為系數(shù)，H較小的時(shí)候，B的變化也小，鐵心材料的磁導(dǎo)率μ為較小的值(此時(shí)的μ為起始磁導(dǎo)率μi)。可是，從某個(gè)值開(kāi)始，隨著H的增大，B急劇地增大，斜率μ急劇地增大，其最大值為最大磁導(dǎo)率μm。H進(jìn)一步增大，B的增量就減少了(μ在減小)。H到達(dá)某個(gè)值時(shí)，B到達(dá)一定值而不再增大(H值顯著減小，最終與μ0相等)。這種現(xiàn)象稱為磁飽和。C.勵(lì)磁電流和磁通密度 事實(shí)上，不管是何種磁性材料，都具有這樣的曲線，飽和磁通密度是一定的。另外，使用由磁化曲線決定的H，通過(guò)公式求得的電流稱為勵(lì)磁電流。D.磁滯回線的形狀有多種，同時(shí)包含BS和-BS這兩個(gè)飽和點(diǎn)的曲線稱為極限磁滯回線。與之相對(duì)，不包含上述兩個(gè)飽和點(diǎn)的曲線稱為局部磁滯回線。鐵心材料的磁滯回線不僅因其材料種類的不同而有很大不同，曲線形狀還會(huì)因加工方法和材料形狀的影響而發(fā)生變化。（2）損耗和變形A.鐵損≈磁滯損耗+渦流損耗鐵損為鐵心內(nèi)產(chǎn)生的能量損耗，主要以熱的形式散失。B.鐵心材料疊層鐵心材料需要讓磁通量容易通過(guò)，而渦流不容易通過(guò)。要通過(guò)的磁通量方向起決定性作用。因此，為了使得磁通量方向平滑地通過(guò)，一般使用薄的疊層鐵心板。尤其是線圈側(cè)的鐵心材料，可以說(shuō)必須使用薄的疊層鐵心板。一層一層地絕緣，使沿疊層方向的渦流無(wú)法流通，而磁通量方向的磁路容易形成。過(guò)度減薄的話，層數(shù)會(huì)增加，絕緣層的厚度也會(huì)增大，到一定程度會(huì)造成磁路減少。因此這是個(gè)折中選擇。隨著絕緣層薄型技術(shù)的發(fā)展，如今薄板化也正成為趨勢(shì)。 C.磁場(chǎng)中的材料變形—磁致伸縮鐵心材料在磁化時(shí)，磁性材料的尺寸在磁場(chǎng)強(qiáng)度的作用下產(chǎn)生的變形現(xiàn)象稱為磁致伸縮。電機(jī)的鐵心是作為電機(jī)內(nèi)線圈軸的鐵材料。鐵心要作為磁通量的通道，必須由質(zhì)軟的磁體來(lái)制作。鋁質(zhì)材料雖質(zhì)地較軟，但卻不可以作為鐵心材料。有刷直流電機(jī)的線圈位于轉(zhuǎn)子上(旋轉(zhuǎn)側(cè))，永磁體位于定子上(外側(cè))。無(wú)刷直流電機(jī)(磁體同步電機(jī))也是一樣。電機(jī)可以看作由多個(gè)線圈和永磁體連接而成的磁路。外殼內(nèi)側(cè)貼有永磁體，而外殼本身則用鐵制磁體構(gòu)成一個(gè)整體，稱為磁軛。如果用塑料和鋁材制作磁軛，則無(wú)法控制磁通量，從而無(wú)法發(fā)揮電機(jī)的性能。因此鐵心材料也可用于磁軛。另外，無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體(內(nèi)轉(zhuǎn)子)時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)的永磁體通過(guò)鐵心材料連接。▼磁體的另一種分類磁體這一詞匯，常用來(lái)表示可以獲得磁性的物體。不僅僅是鐵鈷鎳，只要在真空中具有磁導(dǎo)率，都可以稱為磁體。事實(shí)上，說(shuō)起磁性材料，可以分成三類順磁材料、鐵磁材料、反磁材料。（1）順磁材料順磁材料就是在沒(méi)有磁場(chǎng)的地方不具有磁性，而在有磁場(chǎng)的地方具有磁性的物質(zhì)。任何物質(zhì)都是由基本粒子構(gòu)成的，而各基本粒子都在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(量子自旋)，順磁材料中，盡管自旋的軸方向是不確定的，但在磁場(chǎng)中，各基本粒子的自旋的軸方向會(huì)因磁場(chǎng)而同時(shí)趨于一致。 （2）鐵磁材料鐵磁材料就是主動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)各基本粒子的方向都趨于一致的物質(zhì)。鐵鈷鎳即是這一類。這類物質(zhì)一旦接近磁體，即會(huì)產(chǎn)生想要附著過(guò)去的引力。（3）反磁材料反磁材料在磁場(chǎng)中磁化的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生與上述的鐵等物質(zhì)相反的磁化過(guò)程。也就是說(shuō)，不產(chǎn)生引力，而產(chǎn)生斥力。用相對(duì)磁導(dǎo)率表示，小于1(即磁化率為負(fù)值)。反磁材料有鉍、碳、金、銀、銅、鉛、水等。反磁性所產(chǎn)生的作用力非常微弱，將它們靠近磁性強(qiáng)的磁體時(shí)很難感受到。然而，在超導(dǎo)體(在某一溫度下電阻值為零的物體)中反磁性會(huì)變得很強(qiáng)(相對(duì)磁導(dǎo)率為零)。此時(shí)，可以觀察到強(qiáng)磁場(chǎng)中的磁懸浮現(xiàn)象。另外，鉍(相對(duì)磁導(dǎo)率為0.99983)或者熱解碳，在由釹磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)中，在常溫下即產(chǎn)生磁懸浮。