鐵磁材料損耗的產(chǎn)生機(jī)理及其計(jì)算基礎(chǔ)

1、鐵磁材料損耗的產(chǎn)生機(jī)理及其計(jì)算基礎(chǔ)摘要：研究影響電機(jī)鐵心損耗的主要因素并提出合理降耗措施，是超高效電機(jī)研制中的主要工作之一，因此對(duì)鐵磁材料損耗的計(jì)算和測(cè)試便成為其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文針對(duì)這一問(wèn)題，首先闡述了鐵磁材料的磁化過(guò)程及其損耗的產(chǎn)生機(jī)理，并簡(jiǎn)要介紹了鐵磁材料損耗常用的計(jì)算模型，然后重點(diǎn)介紹了在不同磁化條件下硅鋼片損耗的測(cè)試方法。最后結(jié)合電機(jī)鐵耗研究中的相關(guān)問(wèn)題，提出了在鐵磁材料損耗計(jì)算以及測(cè)試方面需要進(jìn)一步開(kāi)展的工作。關(guān)鍵詞：鐵磁材料損耗測(cè)試方法計(jì)算模型1引言在超高效電機(jī)研制過(guò)程中，降低鐵耗是達(dá)到超高效標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)主要措施，而如何找出鐵耗的主要影響因素并針對(duì)其提出相應(yīng)的降耗措施，則是實(shí)現(xiàn)降耗

2、的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是，由于電機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)階段往往需要一種實(shí)用的鐵耗計(jì)算方法對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算，并通過(guò)對(duì)比分析選擇最優(yōu)方案，使其達(dá)到超高效電機(jī)的設(shè)計(jì)要求，而目前國(guó)內(nèi)外常用的電機(jī)快耗計(jì)算方法，均是以鐵假材料損耗計(jì)算模型為依據(jù)口.察刀，因此作為電機(jī)鐵耗的計(jì)算基礎(chǔ)，針對(duì)鐵磁材料損耗產(chǎn)生本質(zhì)及其計(jì)算和測(cè)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(fā)表的論文4中首次針對(duì)磁滯損耗進(jìn)行了全面研究，并提出其計(jì)算表達(dá)式：1924年，Jordan對(duì)鐵磁材料損耗的研究做出了較為突出的貢獻(xiàn)，其

3、將鐵橄材料損耗分為磁滯和渦流兩項(xiàng)，這一結(jié)論在當(dāng)前的材料和電機(jī)行業(yè)仍得到普遍認(rèn)可。此后，鐵磁材料損耗及計(jì)算模型便作為諸多學(xué)者研究的對(duì)象，并作為熱點(diǎn)研究問(wèn)題一直延續(xù)至今。本文便是圍繞鐵磁材料損耗的產(chǎn)生機(jī)理、計(jì)算模型以及測(cè)試方法等基本問(wèn)題展開(kāi)論述，文中主要結(jié)構(gòu)安排如卜.：首先闡述了鐵磁材料損耗的磁化過(guò)程及其損耗產(chǎn)生的物理本質(zhì)，并在此基礎(chǔ)上介紹了在交變磁場(chǎng)卜鐵磁材料的損耗分類(lèi)；其次簡(jiǎn)要介紹了鐵磁材料損耗的常用計(jì)算模型；然后重點(diǎn)介紹了在不同磁化條件下，硅鋼片損耗的測(cè)試方法：最后在前述內(nèi)容基礎(chǔ)上，結(jié)合電機(jī)鐵耗研究方面的相關(guān)問(wèn)題，提出鐵磁材料損耗計(jì)算和測(cè)試方面需要進(jìn)一步開(kāi)展的工作。本文的工作為電機(jī)鐵耗的精確

4、計(jì)算以及進(jìn)-步開(kāi)展超高效電機(jī)降耗措施的研究奠定了基礎(chǔ)。2鐵磁材料損耗的物理本質(zhì)21基于磁疇理論的磁化機(jī)理根據(jù)磁疇理論可知，一個(gè)孤立的原子存在某一確定磁矩，理論上可視其為一個(gè)原子磁矩。在低于居里溫度情況鼠鐵磁體內(nèi)部的原子磁矩在某些宏觀區(qū)域內(nèi)借助自發(fā)磁化達(dá)到平行取向。這種宏觀區(qū)域稱(chēng)之為磁疇(Weissdomain),可將其視為一個(gè)小磁體，磁疇和磁曬之間的邊界稱(chēng)為磁疇壁6”(Blochwall),其本質(zhì)是一個(gè)過(guò)渡層。磁疇和磁疇壁模型如圖1所示,其中(a)主要說(shuō)明磁畸和磁畸壁模型，(b)為磁疇壁結(jié)構(gòu)。m1偃昭和磁貼壁的模型及結(jié)構(gòu)Fig1Magneticdomainanddomainwallstruct

5、ure當(dāng)沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，磁疇和磁疇壁通過(guò)自發(fā)磁化達(dá)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(gè)鐵磁體的平均磁矩為零，此時(shí)磁防和蛙疇壁的位徨具仃定的穩(wěn)定性。、,開(kāi)始向鐵磁體施加磁場(chǎng)后，磁疇壁開(kāi)始緩慢移動(dòng)，與此同時(shí)，和施加磁場(chǎng)方向大體一致的磁畤通過(guò)“他躋壁”的移動(dòng)犧牲其它磁疇而變大，當(dāng)磁畸壁位移結(jié)束后，總擇優(yōu)取向呈現(xiàn)接近磁場(chǎng)方向時(shí)，在進(jìn)一步提高磁場(chǎng)強(qiáng)度的情況卜.，沿磁場(chǎng)方向的最后取向才通過(guò)磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增加時(shí)，磁即邊界發(fā)生扭曲而離開(kāi)其靜止位置，并且只仃在遇到較大的障礙時(shí)才能再度回復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)；只有在進(jìn)一步加大磁場(chǎng)的情況卜才能越過(guò)這種狀態(tài)。這種磁疇壁的躍變稱(chēng)為“巴克泉

6、森躍變(Barkhausenjump)”。這是導(dǎo)致鐵磁性“滯后”和“巴克豪森噪聲(Barkhausennoise)"產(chǎn)生的根本原因。圖2即為施加磁場(chǎng)前后磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)以及磁疇壁位移情況。圖2施加磁場(chǎng)后的磁疇和磁畸壁Fig2Magneticdomainanddomainwallwithapplied6eld2 2交變磁場(chǎng)下鐵磁材料的損耗分類(lèi)當(dāng)鐵磁材料置于交變磁場(chǎng)中時(shí)，根據(jù)能量損失的機(jī)理可將其損耗分為以卜幾種：一是隨磁場(chǎng)強(qiáng)度減小，磁通密度并不沿其原來(lái)增加的曲線減小，而是滯后一個(gè)不同大小的量，該過(guò)程導(dǎo)致的能最損失,通常稱(chēng)之為磁滯損耗叫:是由磁化旋轉(zhuǎn)、磁疇壁位移以及雜質(zhì)等引起的非各向同性彈性應(yīng)變場(chǎng)

7、的變化產(chǎn)生滯后時(shí)，產(chǎn)生的磁余效以及共振引起的損耗,通常稱(chēng)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(chǎng)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(dǎo)電性能，其處于交變磁場(chǎng)時(shí)，材料內(nèi)部將會(huì)感應(yīng)渦流，進(jìn)而產(chǎn)生以焦耳熱形式消耗的能量，稱(chēng)之為渦流損耗工程實(shí)際中，通常把鐵磁材料損耗分為磁滯和渦流兩項(xiàng)口目，這和上述分類(lèi)并不矛盾，原因分析如下：無(wú)論是磁化旋轉(zhuǎn)、磁疇空位移甚至其它因素導(dǎo)致的殘留損耗，其本質(zhì)上還是原子磁矩在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所消耗的能量，最終結(jié)果還是以磁滯和渦流損耗兩種基本形式出現(xiàn)。因此無(wú)論將損耗分為三項(xiàng)還是兩項(xiàng)，其本質(zhì)都是原子磁矩運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)果。故將損耗分為磁滯和渦流兩項(xiàng)的同時(shí)，

8、也將殘留損耗自發(fā)地融入這兩項(xiàng)損耗中。為了更清晰地說(shuō)明上述兩種分類(lèi)方法，以卜將主要介紹以這兩種損耗分類(lèi)為依據(jù)的鐵磁材料損耗計(jì)算模型。3鐵磁材料損耗的基本計(jì)算模型基于前述分析，鐵磁材料損耗(以下簡(jiǎn)稱(chēng)鐵耗)計(jì)算模型可.分為兩類(lèi)：是基于磁滯和渦流兩項(xiàng)損耗模型；另一個(gè)是基于磁滯、渦流以及異常損耗的三項(xiàng)模型。以卜將圍繞這兩種模型展開(kāi)分析，需要說(shuō)明的是，本節(jié)涉及到的鐵磁材料，如不做特殊說(shuō)明，均針對(duì)電工硅鋼片進(jìn)行分析；此外，考慮到所介紹模型是為了服務(wù)于電機(jī)鐵耗計(jì)算，因此以下模型僅適用于傳統(tǒng)電機(jī)正常工作磁密及頻率范圍內(nèi)。3 1基于磁滯、渦流兩項(xiàng)損耗的計(jì)算模型該模型的特點(diǎn)是只包含磁滯和渦流兩項(xiàng)損耗。對(duì)于磁滯損耗，

9、文獻(xiàn)1-3中指出磁滯損耗與交變磁化的頻率f成正比，同時(shí)也與磁密B的幅值有關(guān)，可表示為：Ph=ofBa(1)式中G為取決于材料特性的常數(shù)，a為Steinmetz系數(shù)，這兩個(gè)系數(shù)均可通過(guò)試驗(yàn)求得。對(duì)于a,通常取16-2,20對(duì)于渦流損耗，文獻(xiàn)1-3中指出在正弦交變題場(chǎng)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(dǎo)率；p為質(zhì)量密度。至此,由磁滯和渦流損耗表達(dá)式就可得到鐵磁材料單位重量損耗計(jì)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(xiàng)損耗的計(jì)算模型該模型的特

10、點(diǎn)是在前述磁昭理論分析得到的三項(xiàng)損耗基礎(chǔ)上建立的計(jì)算模型，由Beitotti在文獻(xiàn)8中提出的包括磁滯、渦流以及異常損耗組成的“三項(xiàng)fthreeterms)模型”可用下式表示：年e=4出+keLB-+%(w/kg)(8)式中第一項(xiàng)是由Weissdomain引起的靜態(tài)磁滯損耗(Hysteresisloss),第：項(xiàng)為經(jīng)典渦流損耗項(xiàng)(Classicaleddycuirentloss),第三項(xiàng)是由于磁畸壁(Blochwall)的不連續(xù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的巴克豪森躍變(Barichausenjun產(chǎn)生的異常損耗，文獻(xiàn)網(wǎng)中稱(chēng)之為附加損耗(Excessloss),為了避免和傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)理論中的附加損耗概念混滿(mǎn)，文中稱(chēng)

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(shù)均根據(jù)鐵磁材料的損耗實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到，故準(zhǔn)確測(cè)試硅鋼片損耗就成為電機(jī)鐵耗計(jì)算中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，以卜.主要針對(duì)硅鋼片損耗的測(cè)試方法進(jìn)行分析。4不同磁化條件下硅鋼片損耗測(cè)試方法眾所周知，鐵磁材料主要用于變壓器和電機(jī)等電氣設(shè)備，在不同的電氣設(shè)備中，硅鋼片所受的磁化方式略有不同，在此簡(jiǎn)要總鰭如F：變壓器中主要受交變磁化作用：電機(jī)中不僅包含交變磁化，同時(shí)也包含旋轉(zhuǎn)磁化口一以呵甚至是軸向磁通引起的三維磁場(chǎng)的變化口工因此本節(jié)將結(jié)合鐵磁材料不同使用場(chǎng)介，介紹其在不同磁化條件卜.的損耗測(cè)試方法。41交變磁化條件下的鐵耗測(cè)試方法我國(guó)以及其它國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于鐵磁材料

12、的測(cè)試，通常是基于變壓器原理使其成為一個(gè)副邊開(kāi)路的空我變壓器，通過(guò)測(cè)量原邊和副邊的電氣量，得出硅颯片損耗值。在硅鋼片測(cè)試方法的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，最常見(jiàn)是利用Epsteinframe(愛(ài)普斯坦方圈)和環(huán)形(Corering)鐵芯測(cè)試吐冏，兩種方法基本原理如圖3(a)所示；前者在測(cè)試時(shí)將硅鋼片切割成帶狀，同時(shí)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(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，無(wú)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(ài)普斯坦方圈網(wǎng)測(cè)試實(shí)例照片。測(cè)試時(shí)通過(guò)控制手段產(chǎn)生不同頻率和不同磁密，進(jìn)而利用數(shù)據(jù)采集或功率分析儀測(cè)得損耗。但由于通過(guò)這種測(cè)試方式只能產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，故測(cè)

13、得的損耗僅是由交變磁化產(chǎn)生的損耗，并未涉及旋轉(zhuǎn)磁化(a)基本原理(b)愛(ài)普斯坦方圈實(shí)例【叫圖3交變磁化條件下的鐵耗測(cè)試Fig3Ironlossestestingunderalternatingfluxcondition4.2計(jì)及旋轉(zhuǎn)磁化條件下的鐵耗測(cè)試方法對(duì)于電機(jī)而言，其鐵芯中損耗除了由交變磁場(chǎng)引起之外，還可以由旋轉(zhuǎn)磁化引起，因此在鐵磁材料的測(cè)試中需要計(jì)及旋轉(zhuǎn)磁化因素，為了解決這一問(wèn)題，1973年，Moses和Thomas首次提出了十字交叉形狀的鐵芯實(shí)驗(yàn)裝置阿，將硅鋼片樣品置于由安裝在十字柱上的勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，該方法模擬了2維矢量(2-Dvectormagnetic)磁場(chǎng)，達(dá)到了計(jì)及旋轉(zhuǎn)

14、磁場(chǎng)的目的，但其裝置中沒(méi)有對(duì)磁密的反饋控制，在測(cè)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(chǔ)上，進(jìn)一步完善了該實(shí)驗(yàn)裝置。文中以KanjiTone和HiroyasuShimoji在2005年發(fā)表論文阿中的裝置原理圖為例進(jìn)行介紹，其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。-輒部；斷勵(lì)磁繞組；-樣品；-磁極:©氣隙：-測(cè)

15、試線圈圖4旋轉(zhuǎn)磁化條件下的損耗測(cè)試Fig4Normaltestingmethodformagneticmatenallosses圖中所示樣品的尺寸是80mmX80mm,磁極的尺寸,是80mmX210111111X20mm：氣隙長(zhǎng)度為01mm：在樣品的小孔中安裝了用以測(cè)試磁場(chǎng)強(qiáng)度和儲(chǔ)密的測(cè)試線圈，通過(guò)控制勵(lì)磁即可得到任意頻率和磁密，進(jìn)而通過(guò)電氣量測(cè)試得到損耗值。4 33D磁場(chǎng)下的鐵耗測(cè)試方法在一些特殊電機(jī)中，例如爪極電機(jī)、盤(pán)式電機(jī),其內(nèi)部磁場(chǎng)沿軸向流通，這種情況卜,2-D磁場(chǎng)測(cè)試通常不能模擬實(shí)際工作時(shí)磁通路徑，這就要求對(duì)硅鋼片的測(cè)試在三維磁場(chǎng)下進(jìn)行。為了解決這一問(wèn)題,JJZhong,JGZhu等

16、人提出了3-D磁場(chǎng)卜的鐵耗測(cè)試方法口刀。其原理和結(jié)構(gòu)如圖5(a)和所示。(a)測(cè)試原理圖(b)測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)圖53-D磁場(chǎng)卜的葉鋼片損耗測(cè)試2Fig.5Lossestestingunder3-Dmagneticfield5 .結(jié)束語(yǔ)本文主要介紹了與超高效電機(jī)研制過(guò)程中鐵耗計(jì)算相關(guān)的一系列問(wèn)題。主要內(nèi)容包括基于磁疇理論的鐵磁材料損耗產(chǎn)生機(jī)理、常見(jiàn)的損耗計(jì)算模型以及三種不同磁化方式卜.鐵磁材料損耗的測(cè)試方法。由文中內(nèi)容可知，鐵磁材料損耗計(jì)算模型的建立和損耗實(shí)測(cè)是電機(jī)鐵耗計(jì)算的基礎(chǔ)，因此結(jié)合電機(jī)鐵耗研究的實(shí)際需求，指出在這兩方面需要進(jìn)一步開(kāi)展的研究工作如下：損耗計(jì)算模型方面：文中介紹的損耗計(jì)算模型均有

17、一定的使用范圍，對(duì)于超出這一范圍的情況均采取相應(yīng)的處理方法2以這樣導(dǎo)致?lián)p耗計(jì)算處理過(guò)程復(fù)雜且精度隨之降低，因此如何依據(jù)實(shí)測(cè)損耗數(shù)據(jù)建立精確更高、實(shí)用性強(qiáng)且適用范圍廣的損耗計(jì)算新模型是進(jìn)一步研窕中所必需的；損耗測(cè)試方面：文中介紹的不同磁化條件卜.損耗測(cè)試方法，實(shí)際上是通過(guò)模擬電機(jī)實(shí)際磁化方式實(shí)現(xiàn)，但受電機(jī)鐵心開(kāi)槽等因素影響，兩者之間仍會(huì)存在一定差異。因此需要進(jìn)一步研窕能夠更接近電機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)及其磁化方式的損耗測(cè)試方法；此外，隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，如何采取更高精度地測(cè)試手段對(duì)損耗進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)為建立損耗計(jì)算新模型服務(wù)，也是需要進(jìn)一步開(kāi)展的工作。參考文獻(xiàn)1波斯特尼柯夫，著電機(jī)設(shè)計(jì)M,北京，機(jī)械工業(yè)出版社

18、，1956.(上海電機(jī)廠譯，1952年第一版).2西安交通大學(xué)電機(jī)與電器制造教研組編譯，電機(jī)設(shè)計(jì)M,北京，中國(guó)工業(yè)出版社,196L(根據(jù)維諾格拉道夫等著電機(jī)設(shè)計(jì)編譯).3陳世坤著電機(jī)設(shè)計(jì)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.4CPSteinmetz,“Onthelawofhysteresis(originallypublishedin1892),"ProcAIEE,Vol.72,no2,pp.196-221.Feb19845HJordan.DieferromagnetischenkonstantenfurschwachewechselfelderM,ElektrNachTechn,192

19、46唐與諾,黃桂煌，譯.軟磁材料M.北京：中國(guó)冶金工業(yè)出版社,1985(SoftmagneticmatenalsMEditedbyRichardBoll,WesternGermany.1979)7出民波，著磁性材料M北京：清華大學(xué)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