铁磁材料损耗的产生机理及其计算基础

1、铁磁材料损耗的产生机理及其计算基础摘要：研究影响电机铁心损耗的主要因素并提出合理降耗措施，是超高效电机研制中的主要工作之一，因此对铁磁材料损耗的计算和测试便成为其中的关键环节。本文针对这一问题，首先阐述了铁磁材料的磁化过程及其损耗的产生机理，并简要介绍了铁磁材料损耗常用的计算模型，然后重点介绍了在不同磁化条件下硅钢片损耗的测试方法。最后结合电机铁耗研究中的相关问题，提出了在铁磁材料损耗计算以及测试方面需要进一步开展的工作。关键词：铁磁材料损耗测试方法计算模型1引言在超高效电机研制过程中，降低铁耗是达到超高效标准的一项主要措施，而如何找出铁耗的主要影响因素并针对其提出相应的降耗措施，则是实现降耗

2、的一个关键环节。但是，由于电机铁耗影响因素繁多(例如材料特性、磁密大小和频率以及制造工艺口司等),因此在电机设计阶段往往需要一种实用的铁耗计算方法对不同设计方案进行计算，并通过对比分析选择最优方案，使其达到超高效电机的设计要求，而目前国内外常用的电机快耗计算方法，均是以铁假材料损耗计算模型为依据口.察刀，因此作为电机铁耗的计算基础，针对铁磁材料损耗产生本质及其计算和测试方面的研窕是十分必要的。在铁磁材料损耗方面的最早研窕要追溯到1892年,Steinmetz在其发表的论文4中首次针对磁滞损耗进行了全面研究，并提出其计算表达式：1924年，Jordan对铁磁材料损耗的研究做出了较为突出的贡献，其

3、将铁橄材料损耗分为磁滞和涡流两项，这一结论在当前的材料和电机行业仍得到普遍认可。此后，铁磁材料损耗及计算模型便作为诸多学者研究的对象，并作为热点研究问题一直延续至今。本文便是围绕铁磁材料损耗的产生机理、计算模型以及测试方法等基本问题展开论述，文中主要结构安排如卜.：首先阐述了铁磁材料损耗的磁化过程及其损耗产生的物理本质，并在此基础上介绍了在交变磁场卜铁磁材料的损耗分类；其次简要介绍了铁磁材料损耗的常用计算模型；然后重点介绍了在不同磁化条件下，硅钢片损耗的测试方法：最后在前述内容基础上，结合电机铁耗研究方面的相关问题，提出铁磁材料损耗计算和测试方面需要进一步开展的工作。本文的工作为电机铁耗的精确

4、计算以及进-步开展超高效电机降耗措施的研究奠定了基础。2铁磁材料损耗的物理本质21基于磁畴理论的磁化机理根据磁畴理论可知，一个孤立的原子存在某一确定磁矩，理论上可视其为一个原子磁矩。在低于居里温度情况鼠铁磁体内部的原子磁矩在某些宏观区域内借助自发磁化达到平行取向。这种宏观区域称之为磁畴(Weissdomain),可将其视为一个小磁体，磁畴和磁晒之间的边界称为磁畴壁6”(Blochwall),其本质是一个过渡层。磁畴和磁畴壁模型如图1所示,其中(a)主要说明磁畸和磁畸壁模型，(b)为磁畴壁结构。m1偃昭和磁贴壁的模型及结构Fig1Magneticdomainanddomainwallstruct

5、ure当没有外加磁场时，磁畴和磁畴壁通过自发磁化达到一定的平行取向(如图1(b)所示的原子磁矩取向)，使得整个铁磁体的平均磁矩为零，此时磁防和蛙畴壁的位徨具仃定的稳定性。、,开始向铁磁体施加磁场后，磁畴壁开始缓慢移动，与此同时，和施加磁场方向大体一致的磁畤通过“他跻壁”的移动牺牲其它磁畴而变大，当磁畸壁位移结束后，总择优取向呈现接近磁场方向时，在进一步提高磁场强度的情况卜.，沿磁场方向的最后取向才通过磁畴转动发生。当磁场强度进一步增加时，磁即边界发生扭曲而离开其静止位置，并且只仃在遇到较大的障碍时才能再度回复到静止状态；只有在进一步加大磁场的情况卜才能越过这种状态。这种磁畴壁的跃变称为“巴克泉

6、森跃变(Barkhausenjump)”。这是导致铁磁性“滞后”和“巴克豪森噪声(Barkhausennoise)"产生的根本原因。图2即为施加磁场前后磁畴转动以及磁畴壁位移情况。图2施加磁场后的磁畴和磁畸壁Fig2Magneticdomainanddomainwallwithapplied6eld2 2交变磁场下铁磁材料的损耗分类当铁磁材料置于交变磁场中时，根据能量损失的机理可将其损耗分为以卜几种：一是随磁场强度减小，磁通密度并不沿其原来增加的曲线减小，而是滞后一个不同大小的量，该过程导致的能最损失,通常称之为磁滞损耗叫:是由磁化旋转、磁畴壁位移以及杂质等引起的非各向同性弹性应变场

7、的变化产生滞后时，产生的磁余效以及共振引起的损耗,通常称之为残留损耗m或异常损耗，如图1(a)和2所示，在外加磁场情况下铁磁体所消耗的能量；此外，由于铁磁体还具有良好的导电性能，其处于交变磁场时，材料内部将会感应涡流，进而产生以焦耳热形式消耗的能量，称之为涡流损耗工程实际中，通常把铁磁材料损耗分为磁滞和涡流两项口目，这和上述分类并不矛盾，原因分析如下：无论是磁化旋转、磁畴空位移甚至其它因素导致的残留损耗，其本质上还是原子磁矩在运动过程中所消耗的能量，最终结果还是以磁滞和涡流损耗两种基本形式出现。因此无论将损耗分为三项还是两项，其本质都是原子磁矩运动产生的结果。故将损耗分为磁滞和涡流两项的同时，

8、也将残留损耗自发地融入这两项损耗中。为了更清晰地说明上述两种分类方法，以卜将主要介绍以这两种损耗分类为依据的铁磁材料损耗计算模型。3铁磁材料损耗的基本计算模型基于前述分析，铁磁材料损耗(以下简称铁耗)计算模型可.分为两类：是基于磁滞和涡流两项损耗模型；另一个是基于磁滞、涡流以及异常损耗的三项模型。以卜将围绕这两种模型展开分析，需要说明的是，本节涉及到的铁磁材料，如不做特殊说明，均针对电工硅钢片进行分析；此外，考虑到所介绍模型是为了服务于电机铁耗计算，因此以下模型仅适用于传统电机正常工作磁密及频率范围内。3 1基于磁滞、涡流两项损耗的计算模型该模型的特点是只包含磁滞和涡流两项损耗。对于磁滞损耗，

9、文献1-3中指出磁滞损耗与交变磁化的频率f成正比，同时也与磁密B的幅值有关，可表示为：Ph=ofBa(1)式中G为取决于材料特性的常数，a为Steinmetz系数，这两个系数均可通过试验求得。对于a,通常取16-2,20对于涡流损耗，文献1-3中指出在正弦交变题场F.单位重最薄片中的涡流损耗可由卜.式表示：Pe=氏(4)其中：£=七支，式中d为硅钢片厚度；丁为电6P导率；p为质量密度。至此,由磁滞和涡流损耗表达式就可得到铁磁材料单位重量损耗计算公式如卜口司：P；e=Ph+Pe=。於"+£(由f(W/kg)(7)3 2基于磁滞、涡流和残留三项损耗的计算模型该模型的特

10、点是在前述磁昭理论分析得到的三项损耗基础上建立的计算模型，由Beitotti在文献8中提出的包括磁滞、涡流以及异常损耗组成的“三项fthreeterms)模型”可用下式表示：年e=4出+keLB-+%(w/kg)(8)式中第一项是由Weissdomain引起的静态磁滞损耗(Hysteresisloss),第：项为经典涡流损耗项(Classicaleddycuirentloss),第三项是由于磁畸壁(Blochwall)的不连续运动产生的巴克豪森跃变(Barichausenjun产生的异常损耗，文献网中称之为附加损耗(Excessloss),为了避免和传统电机设计理论中的附加损耗概念混满，文中称

11、之为异常损耗。需要指出的是，上述两种模型中的损耗系数均根据铁磁材料的损耗实测数据得到，故准确测试硅钢片损耗就成为电机铁耗计算中至关重要的一个环节，以卜.主要针对硅钢片损耗的测试方法进行分析。4不同磁化条件下硅钢片损耗测试方法众所周知，铁磁材料主要用于变压器和电机等电气设备，在不同的电气设备中，硅钢片所受的磁化方式略有不同，在此简要总鳍如F：变压器中主要受交变磁化作用：电机中不仅包含交变磁化，同时也包含旋转磁化口一以呵甚至是轴向磁通引起的三维磁场的变化口工因此本节将结合铁磁材料不同使用场介，介绍其在不同磁化条件卜.的损耗测试方法。41交变磁化条件下的铁耗测试方法我国以及其它国家标准中对于铁磁材料

12、的测试，通常是基于变压器原理使其成为一个副边开路的空我变压器，通过测量原边和副边的电气量，得出硅飒片损耗值。在硅钢片测试方法的相关标准中，最常见是利用Epsteinframe(爱普斯坦方圈)和环形(Corering)铁芯测试吐冏，两种方法基本原理如图3(a)所示；前者在测试时将硅钢片切割成带状，同时施加一定作用力使其紧密接触，力的大小通常是ION。4；后者在结构较简单，无端部连接，但仍需要施加一定作用力使其接触紧密，通常施加20N0乳图3所示为爱普斯坦方圈网测试实例照片。测试时通过控制手段产生不同频率和不同磁密，进而利用数据采集或功率分析仪测得损耗。但由于通过这种测试方式只能产生交变磁场，故测

13、得的损耗仅是由交变磁化产生的损耗，并未涉及旋转磁化(a)基本原理(b)爱普斯坦方圈实例【叫图3交变磁化条件下的铁耗测试Fig3Ironlossestestingunderalternatingfluxcondition4.2计及旋转磁化条件下的铁耗测试方法对于电机而言，其铁芯中损耗除了由交变磁场引起之外，还可以由旋转磁化引起，因此在铁磁材料的测试中需要计及旋转磁化因素，为了解决这一问题，1973年，Moses和Thomas首次提出了十字交叉形状的铁芯实验装置阿，将硅钢片样品置于由安装在十字柱上的励磁绕组产生的磁场中，该方法模拟了2维矢量(2-Dvectormagnetic)磁场，达到了计及旋转

14、磁场的目的，但其装置中没有对磁密的反馈控制，在测试中很难使磁密保持恒定值：此后，TadashiSasaki和MasaakiImamui'a(1985年)、RDFindlay和NStranges(1994年、2000年)以及KanjiTone,HwoyasuShimoji、MasatoEnokizono(2002和2006年)等研究人员分别在Moses和ThomasT.作的基础上，进一步完善了该实验装置。文中以KanjiTone和HiroyasuShimoji在2005年发表论文阿中的装置原理图为例进行介绍，其基本结构如图4所示。-辄部；断励磁绕组；-样品；-磁极:©气隙：-测

15、试线圈图4旋转磁化条件下的损耗测试Fig4Normaltestingmethodformagneticmatenallosses图中所示样品的尺寸是80mmX80mm,磁极的尺寸,是80mmX210111111X20mm：气隙长度为01mm：在样品的小孔中安装了用以测试磁场强度和储密的测试线圈，通过控制励磁即可得到任意频率和磁密，进而通过电气量测试得到损耗值。4 33D磁场下的铁耗测试方法在一些特殊电机中，例如爪极电机、盘式电机,其内部磁场沿轴向流通，这种情况卜,2-D磁场测试通常不能模拟实际工作时磁通路径，这就要求对硅钢片的测试在三维磁场下进行。为了解决这一问题,JJZhong,JGZhu等

16、人提出了3-D磁场卜的铁耗测试方法口刀。其原理和结构如图5(a)和所示。(a)测试原理图(b)测试装置结构图53-D磁场卜的叶钢片损耗测试2Fig.5Lossestestingunder3-Dmagneticfield5 .结束语本文主要介绍了与超高效电机研制过程中铁耗计算相关的一系列问题。主要内容包括基于磁畴理论的铁磁材料损耗产生机理、常见的损耗计算模型以及三种不同磁化方式卜.铁磁材料损耗的测试方法。由文中内容可知，铁磁材料损耗计算模型的建立和损耗实测是电机铁耗计算的基础，因此结合电机铁耗研究的实际需求，指出在这两方面需要进一步开展的研究工作如下：损耗计算模型方面：文中介绍的损耗计算模型均有

17、一定的使用范围，对于超出这一范围的情况均采取相应的处理方法2以这样导致损耗计算处理过程复杂且精度随之降低，因此如何依据实测损耗数据建立精确更高、实用性强且适用范围广的损耗计算新模型是进一步研窕中所必需的；损耗测试方面：文中介绍的不同磁化条件卜.损耗测试方法，实际上是通过模拟电机实际磁化方式实现，但受电机铁心开槽等因素影响，两者之间仍会存在一定差异。因此需要进一步研窕能够更接近电机实际结构及其磁化方式的损耗测试方法；此外，随着测试技术的发展，如何采取更高精度地测试手段对损耗进行测试，同时为建立损耗计算新模型服务，也是需要进一步开展的工作。参考文献1波斯特尼柯夫，著电机设计M,北京，机械工业出版社

18、，1956.(上海电机厂译，1952年第一版).2西安交通大学电机与电器制造教研组编译，电机设计M,北京，中国工业出版社,196L(根据维诺格拉道夫等著电机设计编译).3陈世坤著电机设计M北京：机械工业出版社，2008.4CPSteinmetz,“Onthelawofhysteresis(originallypublishedin1892),"ProcAIEE,Vol.72,no2,pp.196-221.Feb19845HJordan.DieferromagnetischenkonstantenfurschwachewechselfelderM,ElektrNachTechn,192

19、46唐与诺,黄桂煌，译.软磁材料M.北京：中国冶金工业出版社,1985(SoftmagneticmatenalsMEditedbyRichardBoll,WesternGermany.1979)7出民波，著磁性材料M北京：清华大学出版社，2001.8GiorgioBertotti,"Generalpropertiesofpowerlossesinsoftferromagneticmatenal,"IEEETransMagn.,Vbl24.No1,pp621-630Jan19889 CRBoonandJETliompson,"Alternatingandrotati

20、onalpowerlossat50c/sin3%sihcon-ironsheets."ProcInstElectEng,vol112,no11,pp2147-2151.Nov196510 AnthonyJ.Moses,BleddynThomas,MMeasurementofRotatingFluxinSiliconIronLaminations”,IEEETransMagn.Vol9tNo4,pp651-654.Dec1973.11 StandardTestMetliodforAltemating-CurrentMagneticPropertiesofMatenalsatPowerFrequenciesUsingWattmeter-Animeter-VbltmeterMethodand25-cmEpsteinTestFrameS,ASTMA343/A343M-03.200312 IEC404-2MagneticMatenalsPart2:MethodsofMeasureme