1、鐵磁材料損耗的產生機理及其計算基礎摘要：研究影響電機鐵心損耗的主要因素并提出合理降耗措施，是超高效電機研制中的主要工作之一，因此對鐵磁材料損耗的計算和測試便成為其中的關鍵環節。本文針對這一問題，首先闡述了鐵磁材料的磁化過程及其損耗的產生機理，并簡要介紹了鐵磁材料損耗常用的計算模型，然后重點介紹了在不同磁化條件下硅鋼片損耗的測試方法。最后結合電機鐵耗研究中的相關問題，提出了在鐵磁材料損耗計算以及測試方面需要進一步開展的工作。關鍵詞：鐵磁材料損耗測試方法計算模型1引言在超高效電機研制過程中，降低鐵耗是達到超高效標準的一項主要措施，而如何找出鐵耗的主要影響因素并針對其提出相應的降耗措施，則是實現降耗

2、的一個關鍵環節。但是，由于電機鐵耗影響因素繁多(例如材料特性、磁密大小和頻率以及制造工藝口司等),因此在電機設計階段往往需要一種實用的鐵耗計算方法對不同設計方案進行計算，并通過對比分析選擇最優方案，使其達到超高效電機的設計要求，而目前國內外常用的電機快耗計算方法，均是以鐵假材料損耗計算模型為依據口.察刀，因此作為電機鐵耗的計算基礎，針對鐵磁材料損耗產生本質及其計算和測試方面的研窕是十分必要的。在鐵磁材料損耗方面的最早研窕要追溯到1892年,Steinmetz在其發表的論文4中首次針對磁滯損耗進行了全面研究，并提出其計算表達式：1924年，Jordan對鐵磁材料損耗的研究做出了較為突出的貢獻，其

3、將鐵橄材料損耗分為磁滯和渦流兩項，這一結論在當前的材料和電機行業仍得到普遍認可。此后，鐵磁材料損耗及計算模型便作為諸多學者研究的對象，并作為熱點研究問題一直延續至今。本文便是圍繞鐵磁材料損耗的產生機理、計算模型以及測試方法等基本問題展開論述，文中主要結構安排如卜.：首先闡述了鐵磁材料損耗的磁化過程及其損耗產生的物理本質，并在此基礎上介紹了在交變磁場卜鐵磁材料的損耗分類；其次簡要介紹了鐵磁材料損耗的常用計算模型；然后重點介紹了在不同磁化條件下，硅鋼片損耗的測試方法：最后在前述內容基礎上，結合電機鐵耗研究方面的相關問題，提出鐵磁材料損耗計算和測試方面需要進一步開展的工作。本文的工作為電機鐵耗的精確

4、計算以及進-步開展超高效電機降耗措施的研究奠定了基礎。2鐵磁材料損耗的物理本質21基于磁疇理論的磁化機理根據磁疇理論可知，一個孤立的原子存在某一確定磁矩，理論上可視其為一個原子磁矩。在低于居里溫度情況鼠鐵磁體內部的原子磁矩在某些宏觀區域內借助自發磁化達到平行取向。這種宏觀區域稱之為磁疇(Weissdomain),可將其視為一個小磁體，磁疇和磁曬之間的邊界稱為磁疇壁6”(Blochwall),其本質是一個過渡層。磁疇和磁疇壁模型如圖1所示,其中(a)主要說明磁畸和磁畸壁模型，(b)為磁疇壁結構。m1偃昭和磁貼壁的模型及結構Fig1Magneticdomainanddomainwallstruct

5、ure當沒有外加磁場時，磁疇和磁疇壁通過自發磁化達到一定的平行取向(如圖1(b)所示的原子磁矩取向)，使得整個鐵磁體的平均磁矩為零，此時磁防和蛙疇壁的位徨具仃定的穩定性。、,開始向鐵磁體施加磁場后，磁疇壁開始緩慢移動，與此同時，和施加磁場方向大體一致的磁畤通過“他躋壁”的移動犧牲其它磁疇而變大，當磁畸壁位移結束后，總擇優取向呈現接近磁場方向時，在進一步提高磁場強度的情況卜.，沿磁場方向的最后取向才通過磁疇轉動發生。當磁場強度進一步增加時，磁即邊界發生扭曲而離開其靜止位置，并且只仃在遇到較大的障礙時才能再度回復到靜止狀態；只有在進一步加大磁場的情況卜才能越過這種狀態。這種磁疇壁的躍變稱為“巴克泉

6、森躍變(Barkhausenjump)”。這是導致鐵磁性“滯后”和“巴克豪森噪聲(Barkhausennoise)"產生的根本原因。圖2即為施加磁場前后磁疇轉動以及磁疇壁位移情況。圖2施加磁場后的磁疇和磁畸壁Fig2Magneticdomainanddomainwallwithapplied6eld2 2交變磁場下鐵磁材料的損耗分類當鐵磁材料置于交變磁場中時，根據能量損失的機理可將其損耗分為以卜幾種：一是隨磁場強度減小，磁通密度并不沿其原來增加的曲線減小，而是滯后一個不同大小的量，該過程導致的能最損失,通常稱之為磁滯損耗叫:是由磁化旋轉、磁疇壁位移以及雜質等引起的非各向同性彈性應變場

7、的變化產生滯后時，產生的磁余效以及共振引起的損耗,通常稱之為殘留損耗m或異常損耗，如圖1(a)和2所示，在外加磁場情況下鐵磁體所消耗的能量；此外，由于鐵磁體還具有良好的導電性能，其處于交變磁場時，材料內部將會感應渦流，進而產生以焦耳熱形式消耗的能量，稱之為渦流損耗工程實際中，通常把鐵磁材料損耗分為磁滯和渦流兩項口目，這和上述分類并不矛盾，原因分析如下：無論是磁化旋轉、磁疇空位移甚至其它因素導致的殘留損耗，其本質上還是原子磁矩在運動過程中所消耗的能量，最終結果還是以磁滯和渦流損耗兩種基本形式出現。因此無論將損耗分為三項還是兩項，其本質都是原子磁矩運動產生的結果。故將損耗分為磁滯和渦流兩項的同時，

8、也將殘留損耗自發地融入這兩項損耗中。為了更清晰地說明上述兩種分類方法，以卜將主要介紹以這兩種損耗分類為依據的鐵磁材料損耗計算模型。3鐵磁材料損耗的基本計算模型基于前述分析，鐵磁材料損耗(以下簡稱鐵耗)計算模型可.分為兩類：是基于磁滯和渦流兩項損耗模型；另一個是基于磁滯、渦流以及異常損耗的三項模型。以卜將圍繞這兩種模型展開分析，需要說明的是，本節涉及到的鐵磁材料，如不做特殊說明，均針對電工硅鋼片進行分析；此外，考慮到所介紹模型是為了服務于電機鐵耗計算，因此以下模型僅適用于傳統電機正常工作磁密及頻率范圍內。3 1基于磁滯、渦流兩項損耗的計算模型該模型的特點是只包含磁滯和渦流兩項損耗。對于磁滯損耗，

9、文獻1-3中指出磁滯損耗與交變磁化的頻率f成正比，同時也與磁密B的幅值有關，可表示為：Ph=ofBa(1)式中G為取決于材料特性的常數，a為Steinmetz系數，這兩個系數均可通過試驗求得。對于a,通常取16-2,20對于渦流損耗，文獻1-3中指出在正弦交變題場F.單位重最薄片中的渦流損耗可由卜.式表示：Pe=氏(4)其中：£=七支，式中d為硅鋼片厚度；丁為電6P導率；p為質量密度。至此,由磁滯和渦流損耗表達式就可得到鐵磁材料單位重量損耗計算公式如卜口司：P；e=Ph+Pe=。於"+£(由f(W/kg)(7)3 2基于磁滯、渦流和殘留三項損耗的計算模型該模型的特

10、點是在前述磁昭理論分析得到的三項損耗基礎上建立的計算模型，由Beitotti在文獻8中提出的包括磁滯、渦流以及異常損耗組成的“三項fthreeterms)模型”可用下式表示：年e=4出+keLB-+%(w/kg)(8)式中第一項是由Weissdomain引起的靜態磁滯損耗(Hysteresisloss),第：項為經典渦流損耗項(Classicaleddycuirentloss),第三項是由于磁畸壁(Blochwall)的不連續運動產生的巴克豪森躍變(Barichausenjun產生的異常損耗，文獻網中稱之為附加損耗(Excessloss),為了避免和傳統電機設計理論中的附加損耗概念混滿，文中稱

11、之為異常損耗。需要指出的是，上述兩種模型中的損耗系數均根據鐵磁材料的損耗實測數據得到，故準確測試硅鋼片損耗就成為電機鐵耗計算中至關重要的一個環節，以卜.主要針對硅鋼片損耗的測試方法進行分析。4不同磁化條件下硅鋼片損耗測試方法眾所周知，鐵磁材料主要用于變壓器和電機等電氣設備，在不同的電氣設備中，硅鋼片所受的磁化方式略有不同，在此簡要總鰭如F：變壓器中主要受交變磁化作用：電機中不僅包含交變磁化，同時也包含旋轉磁化口一以呵甚至是軸向磁通引起的三維磁場的變化口工因此本節將結合鐵磁材料不同使用場介，介紹其在不同磁化條件卜.的損耗測試方法。41交變磁化條件下的鐵耗測試方法我國以及其它國家標準中對于鐵磁材料

12、的測試，通常是基于變壓器原理使其成為一個副邊開路的空我變壓器，通過測量原邊和副邊的電氣量，得出硅颯片損耗值。在硅鋼片測試方法的相關標準中，最常見是利用Epsteinframe(愛普斯坦方圈)和環形(Corering)鐵芯測試吐冏，兩種方法基本原理如圖3(a)所示；前者在測試時將硅鋼片切割成帶狀，同時施加一定作用力使其緊密接觸，力的大小通常是ION。4；后者在結構較簡單，無端部連接，但仍需要施加一定作用力使其接觸緊密，通常施加20N0乳圖3所示為愛普斯坦方圈網測試實例照片。測試時通過控制手段產生不同頻率和不同磁密，進而利用數據采集或功率分析儀測得損耗。但由于通過這種測試方式只能產生交變磁場，故測

13、得的損耗僅是由交變磁化產生的損耗，并未涉及旋轉磁化(a)基本原理(b)愛普斯坦方圈實例【叫圖3交變磁化條件下的鐵耗測試Fig3Ironlossestestingunderalternatingfluxcondition4.2計及旋轉磁化條件下的鐵耗測試方法對于電機而言，其鐵芯中損耗除了由交變磁場引起之外，還可以由旋轉磁化引起，因此在鐵磁材料的測試中需要計及旋轉磁化因素，為了解決這一問題，1973年，Moses和Thomas首次提出了十字交叉形狀的鐵芯實驗裝置阿，將硅鋼片樣品置于由安裝在十字柱上的勵磁繞組產生的磁場中，該方法模擬了2維矢量(2-Dvectormagnetic)磁場，達到了計及旋轉

14、磁場的目的，但其裝置中沒有對磁密的反饋控制，在測試中很難使磁密保持恒定值：此后，TadashiSasaki和MasaakiImamui'a(1985年)、RDFindlay和NStranges(1994年、2000年)以及KanjiTone,HwoyasuShimoji、MasatoEnokizono(2002和2006年)等研究人員分別在Moses和ThomasT.作的基礎上，進一步完善了該實驗裝置。文中以KanjiTone和HiroyasuShimoji在2005年發表論文阿中的裝置原理圖為例進行介紹，其基本結構如圖4所示。-輒部；斷勵磁繞組；-樣品；-磁極:©氣隙：-測

15、試線圈圖4旋轉磁化條件下的損耗測試Fig4Normaltestingmethodformagneticmatenallosses圖中所示樣品的尺寸是80mmX80mm,磁極的尺寸,是80mmX210111111X20mm：氣隙長度為01mm：在樣品的小孔中安裝了用以測試磁場強度和儲密的測試線圈，通過控制勵磁即可得到任意頻率和磁密，進而通過電氣量測試得到損耗值。4 33D磁場下的鐵耗測試方法在一些特殊電機中，例如爪極電機、盤式電機,其內部磁場沿軸向流通，這種情況卜,2-D磁場測試通常不能模擬實際工作時磁通路徑，這就要求對硅鋼片的測試在三維磁場下進行。為了解決這一問題,JJZhong,JGZhu等

16、人提出了3-D磁場卜的鐵耗測試方法口刀。其原理和結構如圖5(a)和所示。(a)測試原理圖(b)測試裝置結構圖53-D磁場卜的葉鋼片損耗測試2Fig.5Lossestestingunder3-Dmagneticfield5 .結束語本文主要介紹了與超高效電機研制過程中鐵耗計算相關的一系列問題。主要內容包括基于磁疇理論的鐵磁材料損耗產生機理、常見的損耗計算模型以及三種不同磁化方式卜.鐵磁材料損耗的測試方法。由文中內容可知，鐵磁材料損耗計算模型的建立和損耗實測是電機鐵耗計算的基礎，因此結合電機鐵耗研究的實際需求，指出在這兩方面需要進一步開展的研究工作如下：損耗計算模型方面：文中介紹的損耗計算模型均有

17、一定的使用范圍，對于超出這一范圍的情況均采取相應的處理方法2以這樣導致損耗計算處理過程復雜且精度隨之降低，因此如何依據實測損耗數據建立精確更高、實用性強且適用范圍廣的損耗計算新模型是進一步研窕中所必需的；損耗測試方面：文中介紹的不同磁化條件卜.損耗測試方法，實際上是通過模擬電機實際磁化方式實現，但受電機鐵心開槽等因素影響，兩者之間仍會存在一定差異。因此需要進一步研窕能夠更接近電機實際結構及其磁化方式的損耗測試方法；此外，隨著測試技術的發展，如何采取更高精度地測試手段對損耗進行測試，同時為建立損耗計算新模型服務，也是需要進一步開展的工作。參考文獻1波斯特尼柯夫，著電機設計M,北京，機械工業出版社

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