一文了解磁性材料的磁化

鐵磁物質(zhì)在交流磁化過程中，因消耗能量發(fā)熱，磁材料損耗功率(P)由磁滯損耗(Ph)、渦流損耗(Pe)和剩余損耗(Pc)組成，即：

P = Ph + Pe + Pc

這里首先要了解磁性材料的磁化。

圖1

物質(zhì)的磁化需要外磁場。相對外磁場而言，被磁化的物質(zhì)稱為磁介質(zhì)。將鐵磁物質(zhì)放到磁場中，磁感應(yīng)強度顯著增大。磁場使得鐵磁物質(zhì)呈現(xiàn)磁性的現(xiàn)象稱為鐵磁物質(zhì)的磁化。

鐵磁物質(zhì)之所以能被磁化，是因為這類物質(zhì)不同于非磁物質(zhì)，在其內(nèi)部有許多自發(fā)磁化的小區(qū)域——磁疇。在沒有外磁場作用時，這些磁疇的排列方向是雜亂無章的(圖1a)，小磁疇間的磁場相互抵消，整個磁介質(zhì)對外不呈現(xiàn)磁性。

如給磁性材料加外磁場，例如將鐵磁材料放在一個載流線圈中，在電流產(chǎn)生的外磁場作用下，材料中的磁疇順著磁場方向轉(zhuǎn)動，加強了材料內(nèi)的磁場。隨著外磁場加強，轉(zhuǎn)到外磁場方向的磁疇就越來越多，與外磁場同向的磁感應(yīng)強度就越強(圖1b)。這就是說，材料被磁化了。

1、磁化能量和磁滯損耗Ph

磁材料在外磁場的作用下，其中一部分與外磁場方向相差不大的磁疇會發(fā)生“彈性”轉(zhuǎn)動，當(dāng)去掉外磁場時，這部分磁疇仍能恢復(fù)原來的方向；而另一部分與外磁場方向相差較大的磁疇則要克服與磁疇壁的摩擦發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動，去除外磁場后，這部分磁疇仍保持磁化方向，無法自行恢復(fù)。

因此磁化時，送到磁場的能量包含兩部分：一部分為勢能，即去掉外磁化電流時，磁場能量可以返回電路；而另一部分能量會克服摩擦使磁芯發(fā)熱而消耗掉，這就是磁滯損耗。

圖2

用一個低頻交流電源磁化一個環(huán)狀磁也線圈(圖2a)，磁芯材料磁化曲線如圖2(b) 所示。磁芯截面積為Ac，平均磁路長度為lc，線圈匝數(shù)為N。如果外加電壓為u(t)，磁化電流為i(t) 。根據(jù)安培環(huán)路定理可以得到：

根據(jù)電磁感應(yīng)定律可得：

在半周期內(nèi)，送入磁芯的能量為：

式中:V=Ac*lc—磁芯體積

A1—磁芯由-Br磁化到Bm，磁化曲線與縱軸包圍的面積-Br—S—Bm—Br，它是磁化電流由0變化到最大值，電源送入磁場的能量V*A1。

A2—磁化電流由最大值下降到0，磁芯由Bm退磁到Br去磁曲線與縱軸包圍的面積，是單位體積磁材料返回電路的磁場能量V*A2，這是可恢復(fù)能量。

圖3

因此，電源半周期內(nèi)磁化磁芯材料損耗的能量為V*(A1 - A2)，即磁化曲線-Br一S一Br與縱軸所包圍的面積。同理，如果電流從0變化到負的最大值，再由負的最大值變化到0，即另外半周期，磁化磁芯損耗的能量是第二和第三象限磁化曲線與縱軸包圍的面積。

也就是說，磁化磁芯一周期，單位體積磁芯損耗的能量正比于磁滯回線包圍的面積。這就是磁滯損耗，是不可恢復(fù)能量。每磁化一個周期，就要損耗與磁滯回線包圍面積成正比的能量，頻率越高，損耗功率越大。磁感應(yīng)擺幅越大，包圍面積越大，損耗也越大。

可恢復(fù)的能量在電路中的表現(xiàn)是電感的儲能和放能特性；不可恢復(fù)的能量表現(xiàn)為磁芯損耗發(fā)熱。

2、渦流損耗Pe

什么是渦流？在磁芯線圈中加上交流電壓時，線圈中流過激勵電流，激磁安匝(磁勢)產(chǎn)生的全部磁通φ在磁芯中通過(圖4a)，如果磁芯是導(dǎo)體，磁芯本身截面周圍也將鏈合全部磁通φ而構(gòu)成單匝的次級線圈。當(dāng)交流激勵電壓為u1時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律有

每一匝的感應(yīng)電勢，即磁芯截面最大周邊等效一匝感應(yīng)電勢為

因磁芯材料的電阻率不是無限大，繞著磁芯周邊有一定的電阻值，感應(yīng)電壓產(chǎn)生電流ie——渦流流過這個電阻，引起ie^2*R損耗，這就是渦流損耗。由上式可見，渦流損耗與磁芯磁通變化率成正比，應(yīng)當(dāng)注意，頻率提高是因為磁通變化率提高而影響渦流損耗。

圖4

例如一個變壓器，初級工作在電壓50V，脈寬10μs和100V、5μs，盡管兩者伏秒一樣，但后者每匝伏特比前者大一倍，渦流大一倍，電流平方關(guān)系峰值損耗大4倍，因后者脈寬小一倍，所以，平均損耗后者只比前者大一倍。因此，正確地說，渦流與每匝伏特和占空比有關(guān)，而與頻率無關(guān)。如果說與頻率有關(guān)，那是因為頻率提高以后，匝數(shù)少了的緣故。

渦流一方面產(chǎn)生磁芯損耗，另一方面，渦流所建立磁通阻止磁芯中主磁通變化，使得磁通趨向磁芯的表面，導(dǎo)致磁芯有效截面積減少，這種現(xiàn)象稱之為集膚效應(yīng)。通常定義為電流密度減少到導(dǎo)體截面表層電流密度的1/e處的深度叫作集膚深度△，通?？杀硎緸?/p>

式中: ρ一磁芯的電阻率(Ω·m)；

μ0一真空中的磁導(dǎo)率；

μr一磁芯材料的相對磁導(dǎo)率；

f一磁通變化頻率(Hz)。

3、剩余損耗Pc

剩余損耗是由于磁化弛豫效應(yīng)或磁性滯后效應(yīng)引起的損耗。所謂弛豫，是指在磁化或反磁化的過程中，磁化狀態(tài)并不是隨磁化強度的變化而立即變化到它的最終狀態(tài)，而是需要一個過程，這個“時間效應(yīng)”便是引起剩余損耗的原因。

在交變磁場中，磁芯單位體積的能量損耗既取決于磁介質(zhì)本身的電阻率、結(jié)構(gòu)形狀等因素，又取決于交變磁場的頻率和磁感應(yīng)強度擺幅△Bm。對于合金鐵磁物質(zhì)而言，在低頻(50Hz) 和較高的Bm范圍內(nèi)，損耗主要由Ph和Pe決定。一般可用下式表示

式中:η一損耗系數(shù)；

f一工作頻率；

Bm一磁芯幅值磁感應(yīng)強度；

V一磁芯體積；

由于合金磁材料為了減少渦流，磁芯通常用相互絕緣的疊片構(gòu)成，絕緣占有體積，所以合金采用單位重量磁芯比損耗表示：

在低頻時，磁芯損耗幾乎完全是磁滯損耗。對于現(xiàn)代高頻磁芯，在200~300kHz，渦流損耗和剩余損耗超過了磁滯損耗。磁心損耗可表示為

式中：α和β分別為大于1的頻率和磁感應(yīng)損耗指數(shù)。高頻鐵氧體磁性是實心整體的，單位體積比損耗表示為