四 軟磁材料及硅鋼片

4.1 軟磁材料的定義及特點(diǎn)

3.高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs

高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，則意味著相同磁通Φ需要材料的截面積A小（即同樣面積下可以通過更多的磁感線），節(jié)省材料并且可以實(shí)現(xiàn)元件的小型化。

4.小的磁損耗

軟磁材料在交流磁場(chǎng)下工作時(shí)，動(dòng)態(tài)磁化造成的損耗不可忽略，損耗主要包括渦流損耗、磁滯損耗和剩余損耗，軟磁材料要求損耗盡量小。

4.2 磁損耗

4.2.1.渦流損耗

在一根導(dǎo)體外面繞上線圈，并讓線圈通入交變電流，那么導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，即導(dǎo)體橫截面上的磁通量在不斷的變化，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，閉合回路所圍面積的磁通發(fā)生變化時(shí)，將在閉合回路上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因此在導(dǎo)體的圓周方向會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從而生成感應(yīng)電流，由于電流的方向是沿著導(dǎo)體的圓周方向，就像一圈圈的漩渦，所以這種在導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)生電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流的現(xiàn)象稱為渦流現(xiàn)象。

圖4.1 渦流的產(chǎn)生

渦流的特點(diǎn)：渦流在徑向非現(xiàn)象分布，與線圈及導(dǎo)體尺寸有關(guān)，外圈渦流密度大，導(dǎo)體中心一定范圍內(nèi)基本沒有渦流，在中心處渦流密度為0。渦流在軸向分布存在集膚效應(yīng)，渦流更趨向于分布于導(dǎo)體表面的薄層中，隨著深度的增加，渦流密度會(huì)逐漸衰減，定義渦流密度衰減到其表面密度的1/e時(shí)的深度為滲透深度，頻率越高，滲透深度越小。

由渦流引起的損耗稱為渦流損耗：

影響渦流大小的因素

（1）頻率：同樣大小的交變磁場(chǎng)，頻率越大，磁通變化越快，即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)dB/dt越大，渦流越強(qiáng)；

（2）徑向尺寸：徑向尺寸越大，越容易形成大的閉合回路，渦流越大，因此電機(jī)定/轉(zhuǎn)子中常用表面有絕緣涂層的硅鋼片疊壓代替整塊導(dǎo)磁材料，以此來(lái)阻斷渦流的路徑。

（3）電阻率：功率與電阻成反比，因此提高電阻率可以有效減小材料的渦流損耗；工程上在鐵中加入少量硅形成固溶體，可以顯著提高合金的電阻率，同時(shí)隨著鐵中含硅量的增加，磁滯損耗降低，磁滯伸縮系數(shù)降低，而在若磁場(chǎng)或中等磁場(chǎng)下，磁導(dǎo)率增加。

在適當(dāng)?shù)臈l件下（材料均勻，磁場(chǎng)均勻，無(wú)趨膚效應(yīng)等），渦流在金屬薄殼或金屬線上產(chǎn)生的單位質(zhì)量功耗與磁場(chǎng)強(qiáng)度/材料厚度/磁場(chǎng)頻率（電流頻率）的平方成正比，與電阻率、材料密度成反比：

該式僅在準(zhǔn)靜態(tài)近似下成立，即磁場(chǎng)頻率不足以導(dǎo)致趨膚效應(yīng)，電磁場(chǎng)存在于金屬中所有厚度，否則應(yīng)當(dāng)考慮趨膚效應(yīng)的影響。

4.2.2.磁滯損耗

當(dāng)磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)時(shí)，材料的磁屬性為沿磁滯回線反復(fù)被磁化→去磁→反向磁化→反向去磁→……，這一過程會(huì)消耗額外的能量并以熱能的形式釋放出來(lái)，這種損耗稱為磁滯損耗。

磁滯損耗的產(chǎn)生是鐵磁材料反復(fù)磁化去磁的必然結(jié)果，材料的磁化過程必然發(fā)生疇壁移動(dòng)或磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)外磁場(chǎng)去掉時(shí)，可逆疇移或籌轉(zhuǎn)發(fā)生的是‘彈性’變化，這一部分儲(chǔ)存的‘勢(shì)能’最終可以返回到磁化電路；不可逆疇移或籌轉(zhuǎn)相當(dāng)于克服摩擦發(fā)生的不可逆運(yùn)動(dòng)，這一部分會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，即磁滯損耗。

磁滯損耗與磁滯回線的面積成正比，因此要求具有小的磁滯回線面積，同時(shí)要求Hc小、磁導(dǎo)率高，這就決定了其磁滯回線應(yīng)盡量的'狹窄'。

圖4.2 軟磁材料的磁滯回線

根據(jù)施泰因梅茨的磁滯損耗經(jīng)驗(yàn)公式，按照此式，單位體積每個(gè)循環(huán)的磁滯損耗Ph可表示為：

圖4.3 磁滯回線與基本磁化曲線

4.2.3. 剩余損耗

剩余損耗是指磁性材料在交變磁場(chǎng)作用下，總的磁損耗減去磁帶損耗和渦流損耗后所剩余的部分稱為剩余損耗。低頻、弱場(chǎng)條件下，剩余損耗主要來(lái)自磁后效損耗；在高頻條件下，剩余損耗將以一些共振損耗的形式出現(xiàn)，如尺寸共振損耗、疇壁共振損耗以及自然共振損耗等。

4.3 硅鋼

4.3.1.硅鋼定義

硅鋼也稱矽鋼，是在工業(yè)純鐵的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的鐵硅合金，是重要的軟磁材料，占磁性材料總量的90%-95%，主要用于制作各種電機(jī)和變壓器的鐵芯，其含碳量（質(zhì)量百分比）在0.02%以下，硅含量（質(zhì)量百分比）在1.5%-4.5%的鐵硅合金。

常溫下硅在鐵中的固溶度約為15%，但隨著硅含量的增加材料脆性增加，材料的脆性增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度降低，工業(yè)上硅含量5%為一般硅鋼的上限。

4.3.2.硅鋼片

為了降低渦流損耗，工業(yè)上常用硅鋼片疊壓代替整塊硅鋼，理論上硅鋼片越薄越好，但受制于加工工藝（硅鋼較脆）、散熱、導(dǎo)磁性（絕緣層占比）、成本等因素影響，常用硅鋼片厚度為0.2-0.5mm；

圖4.4硅鋼片

4.3.3.硅鋼片分類

根據(jù)生產(chǎn)工藝，硅鋼片分為冷軋硅鋼片和熱軋硅鋼片：

1.熱軋硅鋼片：將鐵硅合金在電爐中熔融，反復(fù)熱軋成薄板，在800-850℃退火制成；優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好、沖剪應(yīng)力低于冷軋，比重小。

2.冷軋硅鋼片：將鐵硅合金在電爐中熔融，經(jīng)過熱軋、?；?、冷軋、退火和二次冷軋等工序制成；優(yōu)點(diǎn)是磁感應(yīng)強(qiáng)度高、鐵損低、疊壓系數(shù)高等。

根據(jù)硅鋼的磁化性質(zhì)，硅鋼片分為無(wú)取向硅鋼片和取向硅鋼片；硅鋼晶體結(jié)構(gòu)是立方體，每個(gè)晶體有易磁化軸及難磁化軸，在制作硅鋼片的過程中可采取相應(yīng)的工藝來(lái)控制晶格分布，從而獲得相應(yīng)的硅鋼片。

1.無(wú)取向硅鋼片：硅鋼片的晶體易磁化軸方向無(wú)規(guī)排列，各方向的磁性相差不大；

2.取向硅鋼片：硅鋼片晶格易磁化軸與壓軋方向平行，即沿壓軋方向易磁化，這種具有方向性的硅鋼片稱為取向硅鋼片；取向硅鋼片的生產(chǎn)工藝較無(wú)取向復(fù)雜，且需要添加MnSe或MnS來(lái)保證二次再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大。

由于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，鐵芯是帶齒槽的圓形沖片疊壓而成，要求硅鋼片為各向同性，一般要求磁感差值小于10%、縱橫鐵損差值小于8%，使用無(wú)取向硅鋼；冷軋硅鋼片的磁感應(yīng)強(qiáng)度、疊壓系數(shù)高等指標(biāo)均優(yōu)于熱軋，優(yōu)先使用冷軋，因此電機(jī)中一般使用冷軋無(wú)取向硅鋼片。

4.3.4. 硅鋼片的性質(zhì)

（1）電阻率：硅鋼的電阻率

具體測(cè)量可依據(jù)《電工鋼帶（片）的電阻率、密度和疊裝系數(shù)的測(cè)量方法》（GB/T 19289-2019）

圖4.5 硅鋼電阻率與含硅量的關(guān)系

（2）飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度：

可以依據(jù)《用單片測(cè)試儀測(cè)量電工鋼片（帶）磁性能的方法》（GB/T 13789-2008）進(jìn)行硅鋼片飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量；隨著含硅量的上升，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)略有下降。目前最好的硅鋼片飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在2—2.18T左右。

圖4.6 硅含量與飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系

（3） 密度：硅鋼25℃下的密度經(jīng)驗(yàn)公式：

（4）磁致伸縮系數(shù)

圖4.7 硅含量與飽和磁致伸縮系數(shù)的關(guān)系

（5） 疊片系數(shù)

絕緣涂層：為了降低渦流損耗，定轉(zhuǎn)子一般由硅鋼片疊壓而成，疊壓的目的是阻斷硅鋼片之間的渦流，這就要求疊片間進(jìn)行絕緣處理，一般使用絕緣涂層；無(wú)取向硅鋼片的絕緣涂層分為無(wú)機(jī)涂層、半有機(jī)涂層和有機(jī)涂層；涂層干膜厚度一般在0.2-7μm，不同公司生產(chǎn)的涂層厚度可能會(huì)有區(qū)別。

疊片系數(shù)是鐵芯凈截面與有效截面積的比值，疊片系數(shù)越高，鐵芯中空氣隙減少,這使勵(lì)磁電流減??；疊片系數(shù)每升高1%,鐵損降低2%、磁感應(yīng)強(qiáng)度增高1%。

影響疊片系數(shù)的因素有：絕緣層厚度、硅鋼片的厚度、平整度、毛刺、疊壓工藝等。一般情況下硅鋼片越薄疊片系數(shù)越低。電機(jī)中鐵芯的疊片系數(shù)可以達(dá)到97%-98%。

?（5）鐵損

鐵損包括硅鋼片的磁滯損耗、渦流損耗以及剩余損耗；單位為：W/kg；可以理解為單位質(zhì)量下的損耗；鐵損原理具體見前文。

硅鋼片的鐵損與其厚度直接相關(guān)，厚度越大，鐵損越高；鐵芯疊片系數(shù)越低，鐵損越高；硅鋼片工作頻率越高，鐵損越高。

電機(jī)中降低鐵損最直接的方法就是減小硅鋼片厚度。

圖4.8不同厚度硅鋼片的鐵損對(duì)比

4.3.5.硅鋼片牌號(hào)

硅鋼片牌號(hào)：如DW310-35

DW：冷軋無(wú)取向；除此還有DQ（冷軋取向）、DR(熱軋)及特殊用途的硅鋼片（DG/DH等）

310：鐵損值的100倍；即在50Hz的磁化場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值為1.5T且按正弦規(guī)律變化的狀態(tài)下反復(fù)磁化，鐵損值為3.1W/kg。

35：硅鋼片厚度的100倍；即硅鋼片厚度為0.35mm。

不同公司也有其相應(yīng)的牌號(hào)規(guī)則，如寶鋼：

圖4.9 寶鋼硅鋼片牌號(hào)