四 软磁材料及硅钢片

4.1 软磁材料的定义及特点

3.高的饱和磁感应强度Bs

高的饱和磁感应强度，则意味着相同磁通Φ需要材料的截面积A小（即同样面积下可以通过更多的磁感线），节省材料并且可以实现元件的小型化。

4.小的磁损耗

软磁材料在交流磁场下工作时，动态磁化造成的损耗不可忽略，损耗主要包括涡流损耗、磁滞损耗和剩余损耗，软磁材料要求损耗尽量小。

4.2 磁损耗

4.2.1.涡流损耗

在一根导体外面绕上线圈，并让线圈通入交变电流，那么导体内部会产生交变磁场，即导体横截面上的磁通量在不断的变化，根据电磁感应定律可知，闭合回路所围面积的磁通发生变化时，将在闭合回路上产生感应电动势，因此在导体的圆周方向会产生感应电动势从而生成感应电流，由于电流的方向是沿着导体的圆周方向，就像一圈圈的漩涡，所以这种在导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象。

图4.1 涡流的产生

涡流的特点：涡流在径向非现象分布，与线圈及导体尺寸有关，外圈涡流密度大，导体中心一定范围内基本没有涡流，在中心处涡流密度为0。涡流在轴向分布存在集肤效应，涡流更趋向于分布于导体表面的薄层中，随着深度的增加，涡流密度会逐渐衰减，定义涡流密度衰减到其表面密度的1/e时的深度为渗透深度，频率越高，渗透深度越小。

由涡流引起的损耗称为涡流损耗：

影响涡流大小的因素

（1）频率：同样大小的交变磁场，频率越大，磁通变化越快，即感应电动势dB/dt越大，涡流越强；

（2）径向尺寸：径向尺寸越大，越容易形成大的闭合回路，涡流越大，因此电机定/转子中常用表面有绝缘涂层的硅钢片叠压代替整块导磁材料，以此来阻断涡流的路径。

（3）电阻率：功率与电阻成反比，因此提高电阻率可以有效减小材料的涡流损耗；工程上在铁中加入少量硅形成固溶体，可以显著提高合金的电阻率，同时随着铁中含硅量的增加，磁滞损耗降低，磁滞伸缩系数降低，而在若磁场或中等磁场下，磁导率增加。

在适当的条件下（材料均匀，磁场均匀，无趋肤效应等），涡流在金属薄壳或金属线上产生的单位质量功耗与磁场强度/材料厚度/磁场频率（电流频率）的平方成正比，与电阻率、材料密度成反比：

该式仅在准静态近似下成立，即磁场频率不足以导致趋肤效应，电磁场存在于金属中所有厚度，否则应当考虑趋肤效应的影响。

4.2.2.磁滞损耗

当磁场为交变磁场时，材料的磁属性为沿磁滞回线反复被磁化→去磁→反向磁化→反向去磁→……，这一过程会消耗额外的能量并以热能的形式释放出来，这种损耗称为磁滞损耗。

磁滞损耗的产生是铁磁材料反复磁化去磁的必然结果，材料的磁化过程必然发生畴壁移动或磁畴转动，当外磁场去掉时，可逆畴移或筹转发生的是‘弹性’变化，这一部分储存的‘势能’最终可以返回到磁化电路；不可逆畴移或筹转相当于克服摩擦发生的不可逆运动，这一部分会转化为热能消耗掉，即磁滞损耗。

磁滞损耗与磁滞回线的面积成正比，因此要求具有小的磁滞回线面积，同时要求Hc小、磁导率高，这就决定了其磁滞回线应尽量的'狭窄'。

图4.2 软磁材料的磁滞回线

根据施泰因梅茨的磁滞损耗经验公式，按照此式，单位体积每个循环的磁滞损耗Ph可表示为：

图4.3 磁滞回线与基本磁化曲线

4.2.3. 剩余损耗

剩余损耗是指磁性材料在交变磁场作用下，总的磁损耗减去磁带损耗和涡流损耗后所剩余的部分称为剩余损耗。低频、弱场条件下，剩余损耗主要来自磁后效损耗；在高频条件下，剩余损耗将以一些共振损耗的形式出现，如尺寸共振损耗、畴壁共振损耗以及自然共振损耗等。

4.3 硅钢

4.3.1.硅钢定义

硅钢也称矽钢，是在工业纯铁的基础上发展起来的铁硅合金，是重要的软磁材料，占磁性材料总量的90%-95%，主要用于制作各种电机和变压器的铁芯，其含碳量（质量百分比）在0.02%以下，硅含量（质量百分比）在1.5%-4.5%的铁硅合金。

常温下硅在铁中的固溶度约为15%，但随着硅含量的增加材料脆性增加，材料的脆性增加，磁感应强度降低，工业上硅含量5%为一般硅钢的上限。

4.3.2.硅钢片

为了降低涡流损耗，工业上常用硅钢片叠压代替整块硅钢，理论上硅钢片越薄越好，但受制于加工工艺（硅钢较脆）、散热、导磁性（绝缘层占比）、成本等因素影响，常用硅钢片厚度为0.2-0.5mm；

图4.4硅钢片

4.3.3.硅钢片分类

根据生产工艺，硅钢片分为冷轧硅钢片和热轧硅钢片：

1.热轧硅钢片：将铁硅合金在电炉中熔融，反复热轧成薄板，在800-850℃退火制成；优点是稳定性好、冲剪应力低于冷轧，比重小。

2.冷轧硅钢片：将铁硅合金在电炉中熔融，经过热轧、常化、冷轧、退火和二次冷轧等工序制成；优点是磁感应强度高、铁损低、叠压系数高等。

根据硅钢的磁化性质，硅钢片分为无取向硅钢片和取向硅钢片；硅钢晶体结构是立方体，每个晶体有易磁化轴及难磁化轴，在制作硅钢片的过程中可采取相应的工艺来控制晶格分布，从而获得相应的硅钢片。

1.无取向硅钢片：硅钢片的晶体易磁化轴方向无规排列，各方向的磁性相差不大；

2.取向硅钢片：硅钢片晶格易磁化轴与压轧方向平行，即沿压轧方向易磁化，这种具有方向性的硅钢片称为取向硅钢片；取向硅钢片的生产工艺较无取向复杂，且需要添加MnSe或MnS来保证二次再结晶晶粒的长大。

由于电机运转时，铁芯是带齿槽的圆形冲片叠压而成，要求硅钢片为各向同性，一般要求磁感差值小于10%、纵横铁损差值小于8%，使用无取向硅钢；冷轧硅钢片的磁感应强度、叠压系数高等指标均优于热轧，优先使用冷轧，因此电机中一般使用冷轧无取向硅钢片。

4.3.4. 硅钢片的性质

（1）电阻率：硅钢的电阻率

具体测量可依据《电工钢带（片）的电阻率、密度和叠装系数的测量方法》（GB/T 19289-2019）

图4.5 硅钢电阻率与含硅量的关系

（2）饱和磁感应强度：

可以依据《用单片测试仪测量电工钢片（带）磁性能的方法》（GB/T 13789-2008）进行硅钢片饱和磁感应强度的测量；随着含硅量的上升，饱和磁感应强度会略有下降。目前最好的硅钢片饱和磁感应强度在2—2.18T左右。

图4.6 硅含量与饱和磁感应强度的关系

（3） 密度：硅钢25℃下的密度经验公式：

（4）磁致伸缩系数

图4.7 硅含量与饱和磁致伸缩系数的关系

（5） 叠片系数

绝缘涂层：为了降低涡流损耗，定转子一般由硅钢片叠压而成，叠压的目的是阻断硅钢片之间的涡流，这就要求叠片间进行绝缘处理，一般使用绝缘涂层；无取向硅钢片的绝缘涂层分为无机涂层、半有机涂层和有机涂层；涂层干膜厚度一般在0.2-7μm，不同公司生产的涂层厚度可能会有区别。

叠片系数是铁芯净截面与有效截面积的比值，叠片系数越高，铁芯中空气隙减少,这使励磁电流减小；叠片系数每升高1%,铁损降低2%、磁感应强度增高1%。

影响叠片系数的因素有：绝缘层厚度、硅钢片的厚度、平整度、毛刺、叠压工艺等。一般情况下硅钢片越薄叠片系数越低。电机中铁芯的叠片系数可以达到97%-98%。

 （5）铁损

铁损包括硅钢片的磁滞损耗、涡流损耗以及剩余损耗；单位为：W/kg；可以理解为单位质量下的损耗；铁损原理具体见前文。

硅钢片的铁损与其厚度直接相关，厚度越大，铁损越高；铁芯叠片系数越低，铁损越高；硅钢片工作频率越高，铁损越高。

电机中降低铁损最直接的方法就是减小硅钢片厚度。

图4.8不同厚度硅钢片的铁损对比

4.3.5.硅钢片牌号

硅钢片牌号：如DW310-35

DW：冷轧无取向；除此还有DQ（冷轧取向）、DR(热轧)及特殊用途的硅钢片（DG/DH等）

310：铁损值的100倍；即在50Hz的磁化场中，磁感应强度峰值为1.5T且按正弦规律变化的状态下反复磁化，铁损值为3.1W/kg。

35：硅钢片厚度的100倍；即硅钢片厚度为0.35mm。

不同公司也有其相应的牌号规则，如宝钢：

图4.9 宝钢硅钢片牌号