铁心磁性材料的磁性能分析

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：变压器的铁心常用磁导率较高的铁磁材料制成。铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，此现象称为铁磁物质的磁化。图3-6 磁性材料的磁化曲线和磁导率曲线此外，磁性材料的磁导率与温度等因素也有密切关系。图3-7 磁滞回线铁磁材料所具有的这种磁感应强度B的变化滞后于磁场强度H变化的现象，叫作磁滞。磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。对同一铁磁材料，如果选择不同的磁场强度Hm反复磁化时，可以得到不同的磁滞回线。

变压器的铁心常用磁导率较高的铁磁材料制成。

铁磁材料包括铁、镍、钴等合金材料。铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，此现象称为铁磁物质的磁化。铁磁物质能被磁化的原因是在它内部存在着许多很小的被称为磁畴的天然磁化区。在没有外磁场的作用时，各个磁畴排列混乱，磁效应互相抵消，对外不显示磁性。在外磁场的作用下，磁畴就顺外磁场方向排列整齐并显示出磁性，也就是说铁磁物质被磁化了，由此形成的磁化磁场，叠加在外磁场上，使合成磁场大为加强。

由于磁畴产生的磁化磁场比非铁磁物质在同一磁场强度下所激励的磁场强得多，所以铁磁材料的磁导率μ_Fe要比非铁磁材料大得多。非铁磁材料的磁导率接近于真空的磁导率μ₀，工频变压器中常用的铁磁材料磁导率μ_Fe=（6000～10000）μ₀。

1.磁化曲线

在磁性材料外绕线圈中通以电流I，根据电流I可以计算磁场强度H；再通过测量磁性材料横截面的磁通量可以计算磁感应强度B，便可以绘出磁性材料的B-H曲线，即磁化曲线。

磁化曲线反映的是磁性材料的磁化程度随外磁场变化的规律。在非铁磁材料中，磁通密度B和磁场强度H之间呈直线关系，直线的斜率就等于μ₀。铁磁材料的B与H之间为非线性关系，如图3-6所示。铁磁材料的磁化曲线基本上可分为四段（见图3-6）：初始阶段（曲线的oa段），随H增加B增加较快，是初始磁化部分；第二阶段（曲线的ab段），随H增加B增加很快，是急剧磁化阶段；第三阶段（曲线的bc段），随H增加B增加得越来越慢；c点以后，随H增加B增加得很少，这种现象称为饱和，c点为饱和点；达到饱和以后，磁化曲线基本上成为与非铁磁材料的B=μ₀H特性相平行的直线，见图中曲线的cd段。c点的磁感应强度值称为饱和磁感应强度B_s。

由于铁磁材料的磁化曲线不是一条直线，所以磁导率μ_Fe=B/H也不是常数，将随着H值的变化而变化。进入饱和区后，μ_Fe急剧下降，若H再增大，μ_Fe将继续减小，直至逐渐趋近于μ₀。图3-6中同时还示出了曲线μ_Fe=f（H）。

如图3-6中的μ_Fe=f（H）曲线所示，H=0时的磁导率称为初始磁导率，用μ_i表示：

而μ_m=（B/H）max，称为最大磁导率。

当所用磁性材料工作于高频范围时，比较关注它的初始磁导率；当所用磁性材料工作于低频范围时，比较关注它的最大磁导率。

图3-6 磁性材料的磁化曲线和磁导率曲线

此外，磁性材料的磁导率与温度等因素也有密切关系。在高温或受到强烈振动时，磁畴会瓦解，铁磁性能被削弱；当温度超过某临界值时，磁性材料就会失去磁性，变得和弱磁材料一样，这一临界温度点称为居里点。铁的居里点为768℃，镍为358℃，钴为1120℃。

通常变压器和电动机工作在磁化曲线的bc段。

2.磁滞回线

前面讨论的磁化曲线是磁性材料在初始时，B为零，H由零逐渐增加的情况。如果将铁磁材料进行周期性磁化，B和H之间的变化关系就会变成如图3-7中曲线的形状。由图3-7可见，当H开始从零增加到H_m时，B相应地从零增加到B_m，曲线由0变到a点；然后，逐渐减小磁场强度H，B值将沿曲线ab下降，当H=0时，B值并不等于零，而等于B_r。这种磁感应强度变化滞后于磁场强度变化的性质称为磁性物质的磁滞性，B_r称为剩余磁感应强度（剩磁）。为了消除剩磁，必须加上相应的反向外磁场，当H=H_c时，B=0，H_c称为矫顽力。B_r、H_c是铁磁材料的两个重要参数。

图3-7 磁滞回线

铁磁材料所具有的这种磁感应强度B的变化滞后于磁场强度H变化的现象，叫作磁滞。呈现磁滞现象的B-H闭合回线，称为磁滞回线。磁滞回线是一条具有方向性的闭合曲线，如图3-7中的曲线方向为a→b→c→d→e→f→a。磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。

对同一铁磁材料，如果选择不同的磁场强度H_m反复磁化时，可以得到不同的磁滞回线。如此把若干个不同大小的磁滞回线的顶点连成曲线，就是基本磁化曲线。工程和手册上给出的B-H曲线一般都是基本磁化曲线，实际磁路计算中一般都采用基本磁化曲线。

铁心磁性材料的磁性能分析

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