电工材料-第5章—磁性材料

第五章磁性材料磁性材料是重要的三大电工材料之一。其主要作用是利用其特性进行电、机械、声、光等能量的转换。广泛应用于电气设备、电工、电子仪器、仪表、通信及计算机等方面，已经成为现代电子、电力、能源、信息等工业的重要支柱。本章内容5.1磁性材料的基本特性5.2软磁材料5.3硬磁材料5.4特殊磁性材料简介一、几个磁学基本概念1、磁场强度(H)磁场强度和磁感应强度均为表征磁场性质（即磁场强弱和方向）的物理量。磁场强度在历史上最先由磁荷观点引出。类比于电荷的库仑定律，人们认为存在正负两种磁荷，并提出磁荷的库仑定律。单位正点磁荷在磁场中所受的力被称为磁场强度H。后来安培提出分子电流假说，认为并不存在磁荷，磁现象的本质是分子电流。即单独由电流或者运动电荷所引起的磁场（不包括介质磁化而产生的磁场）用磁场强度H表示。磁场强度的单位为安培/米（A/m）。5.1磁性材料的基本特性5.1磁性材料的基本特性一、几个磁学基本概念2、磁感应强度(B)磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度。在物理学中磁场的强弱使用磁感应强度来表示，磁感应强度越大表示磁感应越强。磁感应强度的单位为特斯拉（T）。3、磁导率(μ)表征物质导磁能力的物理量是磁导率，又称导磁系数，磁导率越大，表示物质的导磁性能越好。μ=B/H，单位为亨/米（H/m）。5.1磁性材料的基本特性一、几个磁学基本概念4、相对磁导率(μr)为了研究问题方便起见，通常用相对磁导率来表示物质的导磁性能。物质的磁导率μ与真空磁导率μ0之比叫做该物质的相对磁导率。μr=μ/μ0，为无量纲数。5.1磁性材料的基本特性二、物质的磁性及磁性材料的分类1、磁性磁性是物质的基本属性之一，通俗的说，即物质能够吸引铁、钴、镍等物质的性质。不同的物质磁性不同，由不同的磁性物质所组成的材料，其磁性能与用途也各不相同。2、磁性材料的分类自然界的物质按其导磁性能可分为三类：顺磁性物质、反磁性物质和强磁性物质。顺磁性物质，如空气、氧、铝、铂和锡等。它们的特点是其μr稍大于1。5.1磁性材料的基本特性二、物质的磁性及磁性材料的分类2、磁性材料的分类反磁性物质，又叫逆磁性物质，如氢、铜、银、金等。它们的特点是其μr稍小于1。上述两类物质的磁导率都与真空磁导率相近似，都属于弱磁性物质。强磁性物质，又称铁磁性物质，如铁、钴、镍及其合金等。它们的特点是μr远大于1，可以大到几百甚至到几万。自然界的物质绝大多数是弱磁性的。在元素中，除铁、钴、镍是铁磁性外，其余的都是顺磁性或反磁性的。5.1磁性材料的基本特性二、物质的磁性及磁性材料的分类2、磁性材料的分类由于顺磁物质和反磁物质的磁性均很微弱，不能作为磁性材料使用，只有强磁性物质在工程上才有实用价值。因此，工程上提到的磁性材料均指强磁性物质。磁性材料按其磁特性和应用，可以概括分为软磁材料、硬磁材料和特殊磁材料三类。按其组成又可分为金属(合金)磁性材料和非金属磁性材料(主要是铁氧体)两种系列。按原子排列状态还可分为多晶磁性材料、单晶磁性材料、非晶磁性材料和磁性液体四大类。5.1磁性材料的基本特性二、物质的磁性及磁性材料的分类3、磁性材料的磁化铁磁物质通常对外不显示磁性，若将其放入磁场内，磁场会显著加强，磁感应强度B明显增大，使铁磁物质呈现磁性，这种过程叫磁化。磁化的原因：磁畴在外磁场作用下的定向转动（在铁磁物质的内部存在着由分子电流建立的许多天然磁化小区域，称为磁畴）。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲线工程上常用磁化曲线和磁滞回线等特性曲线来反映磁性材料的基本性能。磁性材料的特性曲线就是磁性材料的磁感应强度B与外磁场的磁场强度H之间的关系曲线，简称B一H曲线。各种特性曲线都可以用实验方法得出。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲线1、起始磁化曲线如果对原先未被磁化的材料(即磁感应强度B=0和磁场强度H=0)，施加单调增加的外磁场，所测得的B随H的单调增大而非线性地增大的曲线称为起始磁化曲线。Oa段：称为起始磁导率范围。在这个范围内磁导率近似为常数。ab段：当外磁场H继续逐渐加大时，B值增加很快。bc段：称为磁化曲线的膝部，随着H的增加，B值的增加愈来愈慢。c点以后的一段称为磁化曲线的饱和部分，B值几乎不增加。磁性材料的这种特性称为磁饱和，Bs为饱和磁感应强度。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲线1、起始磁化曲线起始磁化曲线表明了磁性材料的B和H是非线性关系，也表明了磁性材料的磁导率μ(等于B/H)不是常数。由于磁化曲线上任一点的B与H之比就是相应的磁导率，因而根据B-H曲线就可绘出μ一H曲线。曲线上μi和μm值分别为材料的起始磁导率和最大磁导率。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲线2、磁滞回线磁性材料在交变的外磁场作用下反复磁化的过程中，当B随H沿起始磁化曲线达到饱和以后，逐渐减小H数值，发现这时B并不是沿起始磁化曲线减小，而是沿另一条在它上面的曲线ab下降。当H单调地减至零时，B值却不等于零，仍保持一个相当的值B，这个值叫做剩磁感应强度(Br)，简称剩磁。为了消除剩磁，必须外加反方向的磁场。随着反方向H单调地增大，磁性材料逐渐退磁。当反方向H增大到一定值时，B值由Br逐渐变小，直至为零，这一过程称为去磁过程(bc段曲线叫退磁曲线)。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲线2、磁滞回线当H反向增加到Hc时，才使B等于零，剩磁完全消失，这时的磁场强度值Hc叫做矫顽力。矫顽力是为了克服剩磁所加的磁场强度，矫顽力的大小反映了磁性材料保存剩磁的能力。当反方向H继续增大时，B值则又从零值起并改变方向，沿曲线cd变化。磁性材料的反向磁化同样能达到饱和点d，此时若使磁场减弱到零，B-H曲线将沿de变化，在e点H=0。然后再逐渐增大正向磁场，B-H曲线将沿efa变化而成一个循环。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲线2、磁滞回线从整个过程看，B的变化总是落后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。磁性材料经过一个循环的反复磁化(即磁场强度从正最大值Hm到负最大值一Hm再到Hm)而得到与原点对称的闭合曲线(如abcdefa)，称为磁滞回线。磁滞回线显示了磁性材料在交变磁场作用下的磁物特性—磁滞性。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲线2、磁滞回线磁性材料在交变磁化过程中，当磁畴翻转或转动时，因相互摩擦引起内部发热而消耗一定的能量，这种能量损耗叫做磁滞损耗。磁滞损耗与磁滞回线的面积成正比。此外，磁性材料在交变磁化过程中，还由于铁芯中产生涡流而引起焦耳热损耗，这种能量损耗叫做涡流损耗。所谓铁磁材料的铁损，主要是由磁滞损耗和涡流损耗这两部分组成。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲线3、基本磁化曲线在工程中，磁性材料经常处于强弱不同的交变磁化状态，而在不同的交变磁化情况下就有不同的磁滞回线。把这些磁滞回线的顶点联接起来形成的曲线称为基本磁化曲线。由于这些磁滞回线都是经过反复磁化得来的闭合回线，所以基本磁化曲线是稳定的。工程计算所用的磁化曲线就是这种曲线，所以基本磁化曲线是一种实用的磁化曲线，它是软磁材料确定工作点的依据。由于影响磁性能的因素很多，即使是同一种牌号的材料，实验测得的基本磁化曲线也是有差异的。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲线4、退磁曲线退磁曲线是指极限磁滞回线在第二象限的部分，如右图中的BrHc这段曲线，它是说明硬磁材料特性的曲线，是鉴定硬磁材料品质优劣的一项重要依据。在退磁曲线上，任何一点对应的B与H的面积就是硬磁材料在该点上单位体积所具有的能量，称为磁能积。其中一点对应的B与H的乘积具有最大值，称为最大磁能积(BH)max，这一点称为最大磁能积点。(BH)max是硬磁材料的重要参数之一，该值愈高，硬磁材料的特性愈好。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲线磁性材料除特性曲线反映的各种磁特性外，由于生产工艺的差别，往往同种磁性材料又有各向同性和各向异性之分。磁性材料在不同方向磁化下，有不同的磁化性能，这种磁性在不同方向的差异性，称为磁性的各向异性。各向异性磁性材料的磁性与磁化方向有关，故在使用这类各向异性材料时，要特别注意选其磁性最好的方向为磁化方向。如硅钢片若按原轧压方向磁化则可得到高的磁导率。另外，磁性材料在外磁场中磁化时，在磁化方向上会发生伸长或缩短的磁致伸缩现象。据此特性磁性材料可用于制作磁致伸缩换能器元件。5.1磁性材料的基本特性四、影响磁性能的因素1、外在影响因素1）温度温度对磁性材料的磁性能的影响显著。对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，金属类磁性材料的磁导率和饱和磁感应强度随温度的升高而降低。当温度超过某一数值(即居里温度)时，磁性材料将失去铁磁性，即内部磁畴将消失而成为顺磁性物质。所以，磁性材料应工作在居里温度以下。居里温度亦称居里点Tc，各种磁性材料具有不同的居里点，如铁的居里点为770℃，镍为358℃，钴为1137℃。居里温度的实际意义，显然是限制了磁性材料的工作温度。5.1磁性材料的基本特性四、影响磁性能的因素1、外在影响因素2）频率频率的变化对磁性能也有影响。当频率增高后，既会导致材料导磁性能下降，又会使铁芯损耗增加。3）塑性加工磁性材料在加工过程中，会使磁性材料内部的部分晶格发生扭曲滑移，从而造成其内部的磁畴在外磁场作用下不易转向，因此带来不易磁化的后果。另外，在金属类磁性材料进行各种机械加工时，会使其内部产生内应力，而内应力的出现会使材料的磁导率下降，矫顽力加大和损耗增加。故须采用退火处理消除应力，恢复原来的磁性。5.1磁性材料的基本特性四、影响磁性能的因素2、内在影响因素1）杂质当磁性材料中有杂质时，由于组成的成分和杂质的含量不同，对磁性材料的性能都会产生影响。如铁中加入硅，对磁滞损耗影响小，但能增大电阻率，减小涡流损耗；对硬磁材料，则可利用某些杂质(或适当进行热处理)，获得较大的矫顽力。2）晶粒的大小晶粒大小对金属材料的磁性能影响很大，如对最大导磁率、磁滞损耗、电阻率等都会产生影响。5.1磁性材料的基本特性四、影响磁性能的因素2、内在影响因素3）晶粒的方向磁性材料的晶粒方向（晶向）不同，将使其具有各向异性的特点。如果能够使晶粒的磁化方向与使用的磁化方向一致，磁性材料将发挥较好的磁性能。软磁材料的主要功能是用来减少回路的磁阻，增强磁回路的磁通量，主要用作导磁回路。软磁材料的磁滞回线的形状狭长且陡，磁滞回线所包围的面积小，表明它的磁滞损耗也小。5.2软磁材料软磁材料的主要磁特性有：1.高的磁导率μ；2.低的矫顽力Hc；3.高的饱和磁感应强度Bs和高的饱和磁化强度Ms；4.低的磁滞损耗和涡流损耗。5.一般把矫顽力Hc103A/m的磁性材料归类为软磁材料。5.2软磁材料一、软磁材料的性能指标和主要性能要求1、性能指标衡量软磁材料的重要指标有：最大磁导率μm、初始磁导率μi、饱和磁感应强度Bs和铁损P，用这些指标可以确切地说明材料的性能、质量和用途。2、主要性能要求软磁材料的种类较多，其性能各异。由于工作条件的不同，对软磁材料的主要性能要求也不一致，因此，应根据材料的工作条件选择合适的软磁材料。5.2软磁材料一、软磁材料的性能指标和主要性能要求2、主要性能要求①在强磁场条件下使用的软磁材料在强磁场条件下最常用的软磁材料是硅钢片。主要用作发电机、变压器、电动机等各种电气设备的铁芯。要求其具有低的铁损和高的磁感应强度。在一定的频率和磁感应强度下，铁损低可降低设备的总损耗，提高设备的效率，从而提高产品的经济指标。磁感应强度高，可以缩小铁芯体积，减轻设备重量；或者可节约导线，减少导体电阻引起的损耗。而且由于铁芯和导线的节省，可使产品成本随之降低。5.2软磁材料一、软磁材料的性能指标和主要性能要求2、主要性能要求②在弱磁场条件下使用的软磁材料在弱磁场条件下常选用的有铁镍合金、铁钴合金以及冷轧单取向硅钢薄带