电工材料 第5章—磁性材料

5.1 磁性材料的基本特性
三、磁性材料的特性曲线
➢ 工程上常用磁化曲线和磁滞回线等特性曲线来反映磁性材 料的基本性能。
➢ 磁性材料的特性曲线就是磁性材料的磁感应强度B与外磁场 的磁场强度H之间的关系曲线，简称B一H曲线。
➢ 各种特性曲线都可以用实验方法得出。
5.1 磁性材料的基本特性
三、磁性材料的特性曲线
➢ 磁性材料除特性曲线反映的各种磁特性外，由于生产工艺 的差别，往往同种磁性材料又有各向同性和各向异性之分。
➢ 磁性材料在不同方向磁化下，有不同的磁化性能，这种磁 性在不同方向的差异性，称为磁性的各向异性。
➢ 各向异性磁性材料的磁性与磁化方向有关，故在使用这类 各向异性材料时，要特别注意选其磁性最好的方向为磁化 方向。如硅钢片若按原轧压方向磁化则可得到高的磁导率。
一般地，金属类磁性材料的磁导率和饱和磁感应强度随温度的 升高而降低。 ➢ 当温度超过某一数值(即居里温度)时，磁性材料将失去铁磁 性，即内部磁畴将消失而成为顺磁性物质。 ➢ 所以，磁性材料应工作在居里温度以下。居里温度亦称居里点 Tc，各种磁性材料具有不同的居里点，如铁的居里点为770℃， 镍为358℃，钴为1137℃。居里温度的实际意义，显然是限制 了磁性材料的工作温度。
5.1 磁性材料的基本特性
二、物质的磁性及磁性材料的分类
3、磁性材料的磁化 ➢ 铁磁物质通常对外不显示磁性，若将其放入磁场内，磁场
会显著加强，磁感应强度B明显增大，使铁磁物质呈现磁性， 这种过程叫磁化。 ➢ 磁化的原因：磁畴在外磁场作用下的定向转动（在铁磁物 质的内部存在着由分子电流建立的许多天然磁化小区域， 称为磁畴）。
➢ 当H单调地减至零时，B值却不等于零，仍保持一个相当的值B，这 个值叫做剩磁感应强度(Br)，简称剩磁。
➢ 为了消除剩磁，必须外加反方向的磁场。随着反方向H单调地增大， 磁性材料逐渐退磁。当反方向H增大到一定值时，B值由Br逐渐变 小，直至为零，这一过程称为去磁过程(bc段曲线叫退磁曲线)。
5.1 磁性材料的基本特性
5.1 磁性材料的基本特性
一、几个磁学基本概念
2、磁感应强度(B) ➢ 磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度。 ➢ 在物理学中磁场的强弱使用磁感应强度来表示，磁感应强
度越大表示磁感应越强。 ➢ 磁感应强度的单位为特斯拉（T）。
3、磁导率(μ) ➢ 表征物质导磁能力的物理量是磁导率，又称导磁系数，磁
5.1 磁性材料的基本特性
四、影响磁性能的因素
1、外在影响因素 2）频率 ➢ 频率的变化对磁性能也有影响。当频率增高后，既会导致材料
导磁性能下降，又会使铁芯损耗增加。
3）塑性加工 ➢ 磁性材料在加工过程中，会使磁性材料内部的部分晶格发生扭
曲滑移，从而造成其内部的磁畴在外磁场作用下不易转向，因 此带来不易磁化的后果。 ➢ 另外，在金属类磁性材料进行各种机械加工时，会使其内部产 生内应力，而内应力的出现会使材料的磁导率下降，矫顽力加 大和损耗增加。故须采用退火处理消除应力，恢复原来的磁性。
磁性物质和强磁性物质。 ➢ 顺磁性物质，如空气、氧、铝、铂和锡等。它们的特点是
其μr稍大于1。
5.1 磁性材料的基本特性
二、物质的磁性及磁性材料的分类
2、磁性材料的分类 ➢ 反磁性物质，又叫逆磁性物质，如氢、铜、银、金等。它
们的特点是其μr稍小于1。 ➢ 上述两类物质的磁导率都与真空磁导率相近似，都属于弱
材料使用，只有强磁性物质在工程上才有实用价值。因此， 工程上提到的磁性材料均指强磁性物质。 ➢ 磁性材料按其磁特性和应用，可以概括分为软磁材料、硬 磁材料和特殊磁材料三类。 ➢ 按其组成又可分为金属(合金)磁性材料和非金属磁性材料 (主要是铁氧体)两种系列。 ➢ 按原子排列状态还可分为多晶磁性材料、单晶磁性材料、 非晶磁性材料和磁性液体四大类。
➢ 另外，磁性材料在外磁场中磁化时，在磁化方向上会发生 伸长或缩短的磁致伸缩现象。据此特性磁性材料可用于制 作磁致伸缩换能器元件。
5.1 磁性材料的基本特性
四、影响磁性能的因素
1、外在影响因素 1）温度 ➢ 温度对磁性材料的磁性能的影响显著。 ➢ 对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。
5.1 磁性材料的基本特性
一、几个磁学基本概念
1、磁场强度(H) ➢ 磁场强度和磁感应强度均为表征磁场性质（即磁场强弱和
方向）的物理量。 ➢ 磁场强度在历史上最先由磁荷观点引出。类比于电荷的库
仑定律，人们认为存在正负两种磁荷，并提出磁荷的库仑 定律。单位正点磁荷在磁场中所受的力被称为磁场强度H。 ➢ 后来安培提出分子电流假说，认为并不存在磁荷，磁现象 的本质是分子电流。即单独由电流或者运动电荷所引起的 磁场（不包括介质磁化而产生的磁场）用磁场强度H表示。 ➢ 磁场强度的单位为安培/米（A/m）。
5.2 软磁材料
一、软磁材料的性能指标和主要性能要求
1、性能指标 ➢ 衡量软磁材料的重要指标有：最大磁导率μm、初始磁导率
μi、饱和磁感应强度Bs和铁损P，用这些指标可以确切地 说明材料的性能、质量和用途。
2、主要性能要求 ➢ 软磁材料的种类较多，其性能各异。 ➢ 由于工作条件的不同，对软磁材料的主要性能要求也不一
材料的这种特性称为磁饱和，Bs为饱和磁感应Leabharlann Baidu度。
5.1 磁性材料的基本特性
三、磁性材料的特性曲线
1、起始磁化曲线
➢ 起始磁化曲线表明了磁性材料的B 和H是非线性关系，也表明了磁性 材料的磁导率μ(等于B/H)不是常 数。
➢ 由于磁化曲线上任一点的B与H之比 就是相应的磁导率，因而根据B-H 曲线就可绘出μ一H曲线。
磁性物质。 ➢ 强磁性物质，又称铁磁性物质，如铁、钴、镍及其合金等。
它们的特点是μr远大于1，可以大到几百甚至到几万。 ➢ 自然界的物质绝大多数是弱磁性的。在元素中，除铁、钴、
镍是铁磁性外，其余的都是顺磁性或反磁性的。
5.1 磁性材料的基本特性
二、物质的磁性及磁性材料的分类
2、磁性材料的分类 ➢ 由于顺磁物质和反磁物质的磁性均很微弱，不能作为磁性
1、起始磁化曲线
➢ 如果对原先未被磁化的材料(即磁 感应强度B=0和磁场强度H=0)，施 加单调增加的外磁场，所测得的B 随H的单调增大而非线性地增大的 曲线称为起始磁化曲线。
➢ Oa段：称为起始磁导率范围。在这个范围内磁导率近似为常数。 ➢ ab段：当外磁场H继续逐渐加大时，B值增加很快。 ➢ bc段：称为磁化曲线的膝部，随着H的增加，B值的增加愈来愈慢。 ➢ c点以后的一段称为磁化曲线的饱和部分，B值几乎不增加。磁性
5.1 磁性材料的基本特性
二、物质的磁性及磁性材料的分类
1、磁性 ➢ 磁性是物质的基本属性之一，通俗的说，即物质能够吸引
铁、钴、镍等物质的性质。 ➢ 不同的物质磁性不同，由不同的磁性物质所组成的材料，
其磁性能与用途也各不相同。
2、磁性材料的分类 ➢ 自然界的物质按其导磁性能可分为三类：顺磁性物质、反
5.1 磁性材料的基本特性
四、影响磁性能的因素
2、内在影响因素 1）杂质 ➢ 当磁性材料中有杂质时，由于组成的成分和杂质的含量不同，
对磁性材料的性能都会产生影响。如铁中加入硅，对磁滞损耗 影响小，但能增大电阻率，减小涡流损耗；对硬磁材料，则可 利用某些杂质(或适当进行热处理)，获得较大的矫顽力。
2）晶粒的大小 ➢ 晶粒大小对金属材料的磁性能影响很大，如对最大导磁率、磁
➢ 在退磁曲线上，任何一点对应的B与H的面积就是硬磁材料在该点 上单位体积所具有的能量，称为磁能积。
➢ 其中一点对应的B与H的乘积具有最大值，称为最大磁能积(BH)max， 这一点称为最大磁能积点。(BH)max是硬磁材料的重要参数之一， 该值愈高，硬磁材料的特性愈好。
5.1 磁性材料的基本特性
三、磁性材料的特性曲线
5.1 磁性材料的基本特性
三、磁性材料的特性曲线
3、基本磁化曲线
➢ 在工程中，磁性材料经常处于强弱 不同的交变磁化状态，而在不同的 交变磁化情况下就有不同的磁滞回 线。把这些磁滞回线的顶点联接起 来形成的曲线称为基本磁化曲线。
➢ 由于这些磁滞回线都是经过反复磁化得来的闭合回线，所以基本 磁化曲线是稳定的。
滞损耗、电阻率等都会产生影响。
5.1 磁性材料的基本特性
四、影响磁性能的因素
2、内在影响因素 3）晶粒的方向 ➢ 磁性材料的晶粒方向（晶向）不同，将使其具有各向异性的特
点。 ➢ 如果能够使晶粒的磁化方向与使用的磁化方向一致，磁性材料
将发挥较好的磁性能。
5.2 软磁材料
➢ 软磁材料的主要功能是用来减少回路的磁阻，增强磁回路 的磁通量，主要用作导磁回路。
5.1 磁性材料的基本特性
三、磁性材料的特性曲线
2、磁滞回线
➢ 从整个过程看，B的变化总是落后于H 的变化，这种现象称为磁滞现象。磁 性材料经过一个循环的反复磁化(即 磁场强度从正最大值Hm到负最大值一 Hm 再 到 Hm) 而 得 到 与 原 点 对 称 的 闭 合 曲线(如abcdefa)，称为磁滞回线。
三、磁性材料的特性曲线
2、磁滞回线
➢ 当H反向增加到Hc时，才使B等于零， 剩磁完全消失，这时的磁场强度值 Hc叫做矫顽力。
➢ 矫顽力是为了克服剩磁所加的磁场 强度，矫顽力的大小反映了磁性材 料保存剩磁的能力。
➢ 当反方向H继续增大时，B值则又从零值起并改变方向，沿曲线cd 变化。磁性材料的反向磁化同样能达到饱和点d，此时若使磁场减 弱到零，B-H曲线将沿de变化，在e点H=0。然后再逐渐增大正向磁 场，B-H曲线将沿efa变化而成一个循环。
➢ 工程计算所用的磁化曲线就是这种曲线，所以基本磁化曲线是一 种实用的磁化曲线，它是软磁材料确定工作点的依据。
➢ 由于影响磁性能的因素很多，即使是同一种牌号的材料，实验测 得的基本磁化曲线也是有差异的。
5.1 磁性材料的基本特性
三、磁性材料的特性曲线
4、退磁曲线
➢ 退磁曲线是指极限磁滞回线在第二象限 的部分，如右图中的BrHc这段曲线，它 是说明硬磁材料特性的曲线，是鉴定硬 磁材料品质优劣的一项重要依据。
第五章 磁性材料
➢ 磁性材料是重要的三大电工材料之一。
➢ 其主要作用是利用其特性进行电、机械、声、光等 能量的转换。
➢ 广泛应用于电气设备、电工、电子仪器、仪表、通 信及计算机等方面，已经成为现代电子、电力、能 源、信息等工业的重要支柱。
本章内容
5.1 磁性材料的基本特性 5.2 软磁材料 5.3 硬磁材料 5.4 特殊磁性材料简介
➢ 曲线上μi和μm值分别为材料的起 始磁导率和最大磁导率。
5.1 磁性材料的基本特性
三、磁性材料的特性曲线
2、磁滞回线
➢ 磁性材料在交变的外磁场作用下反 复磁化的过程中，当B随H沿起始磁 化曲线达到饱和以后，逐渐减小H 数值，发现这时B并不是沿起始磁 化曲线减小，而是沿另一条在它上 面的曲线ab下降。
致，因此，应根据材料的工作条件选择合适的软磁材料。
5.2 软磁材料
一、软磁材料的性能指标和主要性能要求
导率越大，表示物质的导磁性能越好。 ➢ μ=B/H，单位为亨/米（H/m）。
5.1 磁性材料的基本特性
一、几个磁学基本概念
4、相对磁导率(μr) ➢ 为了研究问题方便起见，通常用相对磁导率来表示物质的
导磁性能。 ➢ 物质的磁导率μ与真空磁导率μ0之比叫做该物质的相对磁
导率。 ➢ μr=μ/μ0，为无量纲数。
➢ 软磁材料的磁滞回线的形状狭长且陡，磁滞回线所包围的 面积小，表明它的磁滞损耗也小。
➢ 软磁材料的主要磁特性有：
1. 高的磁导率μ； 2. 低的矫顽力Hc； 3. 高的饱和磁感应强度Bs和高的饱和
磁化强度Ms； 4. 低的磁滞损耗和涡流损耗。 5. 一般把矫顽力Hc<103A/m的磁性材料
归类为软磁材料。
➢ 磁滞回线显示了磁性材料在交变磁场作用下的磁物特性—磁滞性。
5.1 磁性材料的基本特性
三、磁性材料的特性曲线
2、磁滞回线 ➢ 磁性材料在交变磁化过程中，当磁畴翻转或转动时，因相互
摩擦引起内部发热而消耗一定的能量，这种能量损耗叫做磁 滞损耗。 ➢ 磁滞损耗与磁滞回线的面积成正比。 ➢ 此外，磁性材料在交变磁化过程中，还由于铁芯中产生涡流 而引起焦耳热损耗，这种能量损耗叫做涡流损耗。 ➢ 所谓铁磁材料的铁损，主要是由磁滞损耗和涡流损耗这两部 分组成。