线圈与铁心铁心应选择什么材料作为模锻材料

原标题:电机铁心材料选择基础——非晶材料还是电工钢(上)

图片来源:非晶中国大数据库图库

关注电机的人士往往会这样认为电机铁心材料是决定电机性能的关键。这是因为铁损(电机的损耗要素之一)的大小与铁心材料相关然而,我觉得最适合电机的铁心材料却不容易确定选择铁损小且效率高的鐵心材料,但也不能使用饱和磁通密度低而无法产生较大磁力的材料还要考虑加工难度、劣化程度、以及与永磁体之间的切合度等。

本攵从电机的用途出发考虑如何选定铁心材料。因为文章篇幅过长我们进行了删减编辑,并分成2期刊发你可以在非晶中国网站下载全攵,全面了解制作电机的材料选择

电机节能和铁心材料开发

一半以上的耗电量来自电机

如今,可以说全球总耗电量的一半以上来自于电機迫切需要高效率电机来控制二氧化碳排放量,从而抑制全球气候变暖

开发高效率电机的关键是铁心材料

实现这种高效率电机的关键昰铁心材料。电机的铁心材料顾名思义,是用含铁材料制成的(详见专栏A)

铁心材料由磁体制成,具有控制电机磁通(形成磁场)的重要作用但同时也因铁损(磁滞损耗和涡流损耗)而成为发热源。

那么选择铁损小的铁心材料就必然可以实现电机的高效率吗?并非如此。

铁心材料嘚特性有很多而且,即使是同样的铁心材料在用于电机和用于变压器时,所需的特性也不同在最近开发的高效率电机中,用非晶合金代替作为铁心材料的无取向电工钢并与铁氧体磁体相组合,已经达到了之前被认为不可能的超高效率

前面已经叙述了磁体,通常把吸引或排斥磁体的材料称为磁性材料(特别是铁磁材料)铁磁材料(详见专栏B)

再进一步磁性材料可以大致分为硬磁材料、软磁材料。

硬磁材料是具有高矫顽力的磁性材料简单来说,就是可以成为磁体的材料

对于软磁材料,尽管磁导率较大(几十到几十万)矫顽力却很尛。也就是说它们可以被磁体吸引,但它们之间不会相互吸引

软磁材料成为了电机、变压器或电抗器(电感线圈与铁心)等的铁心材料。

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主要的铁心材料及其特性

 铁心材料可以分为两类

铁心材料又称为软磁材料图17 展示了主要的软

软磁材料可以大致分为两类:

② 以氧化铁为主原料的铁氧体软磁材料。

这些軟磁材料的饱和磁通密度Bs 和频率为1kHz

那么接下来看一下铁心材料几个重要的参数

 饱和磁通密度和电机

铁心材料具有增加磁通密度的作用,烸种物质都有饱和磁通密度达到此量以上,磁通量就无法再通过铁心材料另外,饱和磁通密度高意味着可以产生强磁力磁力强度不僅取决于流经线圈与铁心的电流,也取决于所选定的材料那么,在电机中已经达到磁饱和(达到最大磁通密度)的情况下电流进一步增大会怎样呢?不会产生更大的磁力原因在于线圈与铁心的阻抗(电感)急剧降低,电流开始快速地流动换句话说,电机转矩并没有增加而电流徒劳地流动,最后转化为热此外,Bs 是材料本身固有的特性不依赖于频率。

 铁损、频率和饱和磁通密度

如前所述铁损主偠包括磁滞损耗和涡流损耗,且因材料而异因为这两种损耗都带有频率特性,频率发生变化则图18 中各材料的位置关系也会大有不同图18 顯示的高频率为1kHz 时的情况。

什么样的电机铁心材料比较好

如果没有铁损的发热影响,在铁心中使用Bs 大的软磁材料可以获得铁心最大的磁通密度Bm。此外铁心的体积与Bm 的平方成反比,从小型化的角度来看Bs 大的材料也具备优势。另一方面从提高效率的角度来看,首选铁損小的软磁材料铁心因此,需要位于图18 右下方区域的高Bs 且低铁损的优质软磁材料但是,正如图18 所示高Bs 和低铁损之间要折中,可以同時满足两者的理想软磁材料并不存在从图18 中还可以看到,频率1kHz 时高Bs 方面,波明德合金有优势;低铁损方面则纳米晶软磁合金和PC 型坡莫合金(高磁导率材料)比较有优势。

表1 列出了主要的电机铁心材料的尺寸和特性

电机铁心材料用得最多的是无取向电磁钢板,其在铁え素中添加质量分数为1% ~ 3% 的硅元素表面施加绝缘涂层。

超过2T 的饱和磁通密度

是最广泛使用的电机铁心材料厚度为0.15 ~ 0.5mm如前所述,铁心材料采用薄板叠层但对于通常使用的无取向电磁钢板,0.35mm 和0.50mm 是标准厚度最近,为了低铁损化板厚0.15mm 的产品(15HX1000)也已投入实际使用。为了改善加工应力导致的磁特性劣化现象目前推荐在氮气环境中进行720 ~ 750℃热处理(退火)。无取向电磁钢板的全世界年产量超越了一千万吨莋为电机用铁心材料具有压倒性的市场份额。

? 磁致伸缩为零劣化程度小

在铁中添加质量分数为6.5% 硅元素的无取向电磁钢板(记为6.5% Si-Fe),其表面为绝缘涂层它的磁致伸缩系数几乎为零,以铁损为代表的磁特性得到了大幅改善加工中的磁特性劣化程度较小。

6.5% Si-Fe 与通常的无取向電磁钢板不同它不能进行压延加工。因此无取向电磁钢板通常是使用化学气相沉积法(CVD)使硅元素扩散至6.5% 来制造的。供应商目前全球呮有一家(JFE 钢铁)其年供应量以千吨计。此外在质量相当的情况下,6.5% Si-Fe的价格通常是无取向电磁钢板的10 倍左右价格较高。

? 铁损小但磁致伸缩恶化导致易劣化

一般使用的PB 型坡莫合金是质量分数为40%~50%的镍和铁的合金板厚为0.05 ~ 2.0mm,最大宽度可达400mm与无取向电磁钢板相比,它嘚铁损更小容易加工。但是由于其饱和磁致伸缩系数为25×10-6,偏大加工时由于施加应力的关系其磁特性将大大劣化。为了改善磁特性劣化的状况加工后有必要在其表面涂上氧化铝或氧化镁粉末作为绝缘层,并在氢气环境中进行1100℃热处理(退火)PB 型坡莫合金由于使用叻价格较高的镍,因此在质量相当的情况下其价格通常是无取向电磁钢板的几十倍价格更高。

? 具有最大的饱和磁通密度

一般使用的波奣德合金是质量分数为49% 的钴、质量分数为2%的钒和铁的合金板厚为0.05 ~ 2.0mm,最大宽度可达200mm

不仅加工困难,而且由于饱和磁致伸缩系数极大(達到70×10-6)加工应力将导致其磁特性大大劣化。

为了改善磁特性劣化的状况加工后有必要在其表面涂上氧化铝或氧化镁粉末作为绝缘层,并在氢气环境中进行850℃热处理(退火)波明德合金由于含有钴和钒这样的高价金属,其价格通常是无取向电磁钢板的数百倍极为昂貴。

? 铁损极小且不需要绝缘处理

作为非晶体其磁滞损耗较小,体积薄又使得其电阻率较大涡流损耗较小,从而铁损也较小目前,具备这种特征的铁心材料已开始投入使用铁基非晶合金是用图19 所示的单轧辊液体急冷法连续铸造出来的。

以具有代表性的铁基非晶合Metglas2605SA1(鉯下称为SA1)为例将铁、硅、硼的合金液体从内部已经水冷后的金属轧辊上喷出,可实现速率为106℃ /s以上的急速凝固超过了结晶核的生长速度,最终可得到图20 所示的铁基非晶合金薄带其标准铸造尺寸为142.2mm、170.2mm、213.4mm。在这个铸造过中合金表面会自然形成一层厚度为10nm 左右的绝缘膜,因此在一般的电机和变压器中不需要进行绝缘处理

在急速凝固的影响下,合金中存在着极大的内部应力另外,饱和磁致伸缩系数达箌27×10-6在铁心材料中已经比较大了,在内部应力的影响下磁特性会大大劣化为改善劣化的磁特性,通常在氮气环境350℃下进行热处理但昰,进行热处理的话铁基非晶合金会变脆,难以在电机中保持必要的机械强度由此,表2 列出了没有进行热处理的铁基非晶合金特性

洳果不进行热处理,铁基非晶合金的铁损与其他的铁心材料相比较小这是它作为电机铁心材料的最大优势。然而它的饱和磁通密度Bs 只有無取向电磁钢板的3/4这是它的缺点。

板厚为0.025mm维氏硬度为900,从而加工困难这是其缺点。作为电机铁心材料时如何对其进行加工成了一個重要的课题。目前有一家日本公司(日立金属)一家美国公司(Metglas.Inc),以及几家中国公司在通过连续铸造生产宽度超过100mm 的这种铁基非晶匼金它的全球年产量为十几万吨,其中90% 以上作为商用频率(50Hz和60Hz)变压器的铁心材料使用它的单位质量价格通常是无取向电磁钢板的倍。

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题型:问答题难度:偏易来源:哃步题

硬磁性材料是磁化后不易去磁的物质而软磁性材料是磁化后外磁场撤去就去磁的物质,据此可作出下面的分析.    
C中电脑用的磁盘為硬磁性材料不删除一般不会自动丢失;    
D中电铃上的电磁铁的铁芯为软磁性材料.

据魔方格专家权威分析,试题“以下用途的物体应该鼡硬磁性材料还是软磁性材料A.录音机磁头线圈与铁心..”主要考查你对  磁性材料  等考点的理解。关于这些考点的“档案”如下:

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