铁磁材料：构成软磁材料的基本元素

1.软磁材料

磁导率高、磁滞回路窄、剩磁和矫顽力都小的材料称为软磁材料。常用的软磁材料有铸铁、钢和硅钢片等。铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成软磁材料的基本组元。硅钢片是一种合金，在纯铁中加入少量的硅（一般在4.5%以下）形成的铁硅系合金称为硅钢。硅钢片具有最高的饱和磁感应强度值。由于具有较好的磁电性能、易于批量生产、价格便宜、机械应力影响小等优点，硅钢片在电力行业中获得极为广泛的应用。从应用角度看，对硅钢的选择要考虑磁性和成本两方面的因素，对小型电机可选纯铁或低硅钢片；对于大型电机，可选高硅热轧硅钢片、单取向或无取向冷轧硅钢片。图2-10为硅钢片加工而成的电机铁心。

图2-10 软磁材料铁心

硅钢通常是薄片状的，这是为了在制造变压器或电机铁心时减小铁心的涡流损失。目前硅钢片主要分热轧和冷轧两大类。所谓热轧硅钢，是把硅钢板坯在850°以上加热后轧制，然后再进行退火。由于轧制温度高，所轧制出来的硅钢片都是各向同性的。这种各向同性的硅钢也叫作无取向硅钢，无取向硅钢大量应用在电机中的定子或者转子上。为了获得更好的磁性能，人们发明了冷轧硅钢片，即在较低温度下轧制，再退火。冷轧取向硅钢片是其中的代表。冷轧取向硅钢片首先对板坯进行冷轧，使得材料内部产生很多结构缺陷。在随后的退火过程中，材料发生结构上的变化，这种变化会使硅钢片在某个方向上磁性能非常好，称为取向硅钢。在最终使用时，让铁心中的磁力线沿磁性能最好的方向通过，这样便能最大限度地发挥硅钢片的磁性能潜力。在变压器中，铁心材料的磁力线是沿一个方向通过的，如果硅钢片适当裁剪，卷绕成铁心，使得铁心周长方向恰好是硅钢片磁性能最好的方向，那么铁心的磁导率就会很高，容易磁化，能量损耗小，最终能提高变压器效率。武钢无取向硅钢片在5000A/m交变磁场（峰值），频率为50Hz时，规定的最小磁感值B5000（峰值）符合表2-2的要求。

表2-2 武钢无取向硅钢片磁特性与工艺特性

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2.永磁材料

磁滞回路宽、剩磁和矫顽力都较大的铁磁材料称为硬磁材料，也称永磁材料。永磁材料的磁感应强度B可表示为(www.xing528.com)

B=μ₀（H+M）=μ₀H+μ₀M （2-8）

式中，M为物质的磁化强度；μ₀M称为铁磁材料的磁极化强度，工程上也称为内禀磁感应强度，用B_i表示。

永磁材料的主要性能参数为剩磁密度、表面剩磁、最大磁能积、温度系数、居里温度、最高工作温度、磁退化曲线拐点、临界场强、矫顽力和内禀矫顽力。永磁材料的使用过程还需要考虑材料的热稳定性和磁稳定性，通过人工时效、交流退磁、温度循环稳定处理等措施来提高成品永磁体的磁场稳定性。

永磁材料主要有铝镍钴永磁材料、铁氧体永磁材料、稀土钴永磁材料、钕铁硼永磁材料和粘结永磁材料。

铝镍钴（AlNiCo）永磁材料是20世纪30年代研制成功的。当时它的磁性能最好、温度系数较小，因此在微特电机中应用最多。60年代后由于替代品的出现，该类永磁材料逐渐退出历史舞台。

铁氧体永磁材料属于非金属永磁材料，常用的有钡铁氧体（BaO·6Fe₂O₃）和锶铁氧体（SrO·Fe₂O₃）两种。该类永磁材料经济性好，不含钴、镍等贵金属；制造工艺简单、矫顽力相对较大；抗去磁能力较强；密度小，只有4～5.2g/cm³；回复线与退磁曲线的直线部分重合，可以不进行稳磁处理。铁氧体永磁材料的主要缺点是剩磁密度不高，需要加大磁通的截面积；环境温度对磁性能的影响大，矫顽力随温度升高而增大；材料硬而脆，不能进行电加工。

稀土钴永磁材料的剩磁感应强度、矫顽力和最大磁能积都很高。1∶5型（RCO₅）永磁体的最大磁能积现已超过199kJ/m³（25MG·Oe），2∶17型（R₂CO₁₇）永磁体的最大磁能积现已超过256kJ/m³（32.5MG·Oe），剩磁感应强度一般高达0.85～1.15T，接近铝镍钴永磁材料水平；矫顽力可达480～800kA/m，大约是铁氧体永磁材料的3倍。由于稀土钴永磁材料硬而脆，抗拉强度和抗弯曲强度较低，仅能进行少量的加工。

钕铁硼（NdFeB）永磁材料是1983年问世的高性能永磁材料，是目前磁性最好且价格较低的永磁体，在永磁电机中应用最多。该类材料的居里温度较低、温度系数较大，在高温下使用时磁损失较大，另外含有大量的铁和钕，材料容易锈蚀，需要对其表面采取环氧树脂喷涂、电泳和电镀等方法进行涂层处理。

粘结永磁材料是用树脂、塑料和低熔点合金等材料与永磁材料通过均匀混合后才采取压铸或挤压成型工艺制造而成的永磁材料。该类材料磁性能稍差，但是形状自由度大，产品分散性小，合格率高，机械强度高，便于加工，电阻率高，易于充磁，粉碎后可再生使用，由此可简化电机制造工艺，也能获得较好的电机性能。