一文了解磁性材料的磁化

铁磁物质在交流磁化过程中，因消耗能量发热，磁材料损耗功率(P)由磁滞损耗(Ph)、涡流损耗(Pe)和剩余损耗(Pc)组成，即：

P = Ph + Pe + Pc

这里首先要了解磁性材料的磁化。

图1

物质的磁化需要外磁场。相对外磁场而言，被磁化的物质称为磁介质。将铁磁物质放到磁场中，磁感应强度显著增大。磁场使得铁磁物质呈现磁性的现象称为铁磁物质的磁化。

铁磁物质之所以能被磁化，是因为这类物质不同于非磁物质，在其内部有许多自发磁化的小区域——磁畴。在没有外磁场作用时，这些磁畴的排列方向是杂乱无章的(图1a)，小磁畴间的磁场相互抵消，整个磁介质对外不呈现磁性。

如给磁性材料加外磁场，例如将铁磁材料放在一个载流线圈中，在电流产生的外磁场作用下，材料中的磁畴顺着磁场方向转动，加强了材料内的磁场。随着外磁场加强，转到外磁场方向的磁畴就越来越多，与外磁场同向的磁感应强度就越强(图1b)。这就是说，材料被磁化了。

1、磁化能量和磁滞损耗Ph

磁材料在外磁场的作用下，其中一部分与外磁场方向相差不大的磁畴会发生“弹性”转动，当去掉外磁场时，这部分磁畴仍能恢复原来的方向；而另一部分与外磁场方向相差较大的磁畴则要克服与磁畴壁的摩擦发生刚性转动，去除外磁场后，这部分磁畴仍保持磁化方向，无法自行恢复。

因此磁化时，送到磁场的能量包含两部分：一部分为势能，即去掉外磁化电流时，磁场能量可以返回电路；而另一部分能量会克服摩擦使磁芯发热而消耗掉，这就是磁滞损耗。

图2

用一个低频交流电源磁化一个环状磁也线圈(图2a)，磁芯材料磁化曲线如图2(b) 所示。磁芯截面积为Ac，平均磁路长度为lc，线圈匝数为N。如果外加电压为u(t)，磁化电流为i(t) 。根据安培环路定理可以得到：

根据电磁感应定律可得：

在半周期内，送入磁芯的能量为：

式中:V=Ac*lc—磁芯体积

A1—磁芯由-Br磁化到Bm，磁化曲线与纵轴包围的面积-Br—S—Bm—Br，它是磁化电流由0变化到最大值，电源送入磁场的能量V*A1。

A2—磁化电流由最大值下降到0，磁芯由Bm退磁到Br去磁曲线与纵轴包围的面积，是单位体积磁材料返回电路的磁场能量V*A2，这是可恢复能量。

图3

因此，电源半周期内磁化磁芯材料损耗的能量为V*(A1 - A2)，即磁化曲线-Br一S一Br与纵轴所包围的面积。同理，如果电流从0变化到负的最大值，再由负的最大值变化到0，即另外半周期，磁化磁芯损耗的能量是第二和第三象限磁化曲线与纵轴包围的面积。

也就是说，磁化磁芯一周期，单位体积磁芯损耗的能量正比于磁滞回线包围的面积。这就是磁滞损耗，是不可恢复能量。每磁化一个周期，就要损耗与磁滞回线包围面积成正比的能量，频率越高，损耗功率越大。磁感应摆幅越大，包围面积越大，损耗也越大。

可恢复的能量在电路中的表现是电感的储能和放能特性；不可恢复的能量表现为磁芯损耗发热。

2、涡流损耗Pe

什么是涡流？在磁芯线圈中加上交流电压时，线圈中流过激励电流，激磁安匝(磁势)产生的全部磁通φ在磁芯中通过(图4a)，如果磁芯是导体，磁芯本身截面周围也将链合全部磁通φ而构成单匝的次级线圈。当交流激励电压为u1时，根据电磁感应定律有

每一匝的感应电势，即磁芯截面最大周边等效一匝感应电势为

因磁芯材料的电阻率不是无限大，绕着磁芯周边有一定的电阻值，感应电压产生电流ie——涡流流过这个电阻，引起ie^2*R损耗，这就是涡流损耗。由上式可见，涡流损耗与磁芯磁通变化率成正比，应当注意，频率提高是因为磁通变化率提高而影响涡流损耗。

图4

例如一个变压器，初级工作在电压50V，脉宽10μs和100V、5μs，尽管两者伏秒一样，但后者每匝伏特比前者大一倍，涡流大一倍，电流平方关系峰值损耗大4倍，因后者脉宽小一倍，所以，平均损耗后者只比前者大一倍。因此，正确地说，涡流与每匝伏特和占空比有关，而与频率无关。如果说与频率有关，那是因为频率提高以后，匝数少了的缘故。

涡流一方面产生磁芯损耗，另一方面，涡流所建立磁通阻止磁芯中主磁通变化，使得磁通趋向磁芯的表面，导致磁芯有效截面积减少，这种现象称之为集肤效应。通常定义为电流密度减少到导体截面表层电流密度的1/e处的深度叫作集肤深度△，通常可表示为

式中: ρ一磁芯的电阻率(Ω·m)；

μ0一真空中的磁导率；

μr一磁芯材料的相对磁导率；

f一磁通变化频率(Hz)。

3、剩余损耗Pc

剩余损耗是由于磁化弛豫效应或磁性滞后效应引起的损耗。所谓弛豫，是指在磁化或反磁化的过程中，磁化状态并不是随磁化强度的变化而立即变化到它的最终状态，而是需要一个过程，这个“时间效应”便是引起剩余损耗的原因。

在交变磁场中，磁芯单位体积的能量损耗既取决于磁介质本身的电阻率、结构形状等因素，又取决于交变磁场的频率和磁感应强度摆幅△Bm。对于合金铁磁物质而言，在低频(50Hz) 和较高的Bm范围内，损耗主要由Ph和Pe决定。一般可用下式表示

式中:η一损耗系数；

f一工作频率；

Bm一磁芯幅值磁感应强度；

V一磁芯体积；

由于合金磁材料为了减少涡流，磁芯通常用相互绝缘的叠片构成，绝缘占有体积，所以合金采用单位重量磁芯比损耗表示：

在低频时，磁芯损耗几乎完全是磁滞损耗。对于现代高频磁芯，在200~300kHz，涡流损耗和剩余损耗超过了磁滞损耗。磁心损耗可表示为

式中：α和β分别为大于1的频率和磁感应损耗指数。高频铁氧体磁性是实心整体的，单位体积比损耗表示为