BH磁化下直流电动机迟滞损耗的解码曲线

发布的法国葡头牙欧洲杯亚盘- 2020年6月5日

正在为您的金属项目寻找合适的材料和工艺?你可以学到很多关于铁磁材料的性质通过研究其磁滞回线.您还可以学习如何最大限度地减少DC机器(甚至可能是ac !)的损耗。

磁滞回线显示了感应磁通密度(B)和磁化力(H)之间的关系。这就是臭名昭著的BH曲线的来源。我们将在一分钟内更详细地解释字母汤。

如果你对电磁材料非常熟悉,那就忘了这篇文章吧。但如果你对磁滞回线如何应用于粉末金属和你的项目感到好奇,请继续阅读。

直流电机的滞回损耗:磁畴理论

在讨论一个典型的BH曲线之前,有必要简要介绍一下磁畴理论.很快的——我保证!

磁域与所有金属的晶粒结构相似,只是更小。把它们想象成一种材料中的微型磁铁。

畴是随机定向在一个非磁化铁磁材料,有效地抵消任何净磁矩。

一个完全磁饱和的材料将有所有的域在一个方向对齐(让我们说到这一页的顶部)。完全消磁的材料将在页面的两个维度上具有随机定向的各种域,相互抵消。显然,磁力是一种3D现象,但同样的类比仍然适用。

这与黑洞磁化曲线有什么关系?

BH曲线(基本上是磁滞回线的另一种说法)表示实现一定磁感应水平(y轴)所需的必要应用场(x轴)。在畴理论方面,微观畴向应用场的方向重新定向,从而克服了它们的一些随机取向。

当应用足够多的电场时,所有的域都将朝着一个方向和金属将达到磁饱和.应用磁场的进一步增加不会改变畴的方向。

所以,磁性不是物质的大规模变化,而是微观磁域的音乐椅子。

直流电机滞回损耗图

下面的图表代表了大多数铁磁性材料(在测试前完全退磁或磁退火)。

这显示了在样品材料上产生磁通量的电流。随着电流的增大,感应磁通量也随之增大。在正常的外加磁场水平下,当磁场减小到零时,样品中会残留一些剩磁。它需要一定程度的反方向电流来有效地消磁材料。

这种不可逆性被称为滞后;它实际上意味着能量损失在磁化-消磁循环过程中。这就是为什么当施加的电流减少到零时,初始磁化曲线不会折返。迟滞是恒定的,直流电机的恒定损耗是低效率的公式。

直流电机的磁滞损耗- BH磁化曲线
那么滞回损失取决于哪些因素呢?让我们开始分解这张图表中的每个元素,展示磁性材料的BH曲线:

●µ马克斯——初始磁化曲线的斜率称为“µ”,即材料的磁导率。通常一种材料的特征是最大的渗透性,µ马克斯.这就是磁化曲线的瞬时最大斜率。

●Br——当外加磁场关闭时,给定条件下的剩余磁性。相对于我们前面讨论的域,这表示由于应用域而重新定向的域的数量。

●Hmax——磁力(以奥斯特为单位)。测量金属内部的最大磁场强度。

Bmax——磁通量密度(单位:千高斯)。这被定义为垂直于磁通量方向的区域内的磁通量量。

●感应水平——材料被外部磁场磁化的程度。用高斯、千高斯或特斯拉测量的。

●Hc——这是材料的矫顽力.如果你有一种物质想要从正变为零,这就是你需要投入的能量。数值越低,消耗的能量就越少。

●应用领域——你需要注入多少电流(又名能量)才能获得一定的电压?用奥斯特来衡量。

●Visa吧——一个完美的材料应该在这张图上无限向上和无限向下,没有展宽。这在物理上是不可能的,所以这条条是衡量材料质量的标准。

注意BH曲线在x轴的上方和下方有一个镜面的外观。这意味着电流的方向不会改变磁行为。

H(奥斯特)=(电流安培x 1.777 x二次匝数)/磁路长度

虽然上面的曲线是直流磁检测;它也可以用于评估交流应用,如感应电机材料中的滞后损失。在许多情况下,交流曲线将开始相对于直流BH曲线扭曲。这种扭曲是测试材料产生涡流的结果。

停留在磁滞回线

磁滞回线表明,含有大颗粒的材料更容易磁化。

更具体更重要的是,对于一种材料来说软磁性时,其滞回线应尽可能的高而细。对于你的材料,这意味着:

  • 低矫顽力
  • 高磁导率
  • 高饱和感应值

由于硬磁性材料很难退磁,它们的外部磁场将无限期地持续(至少直到外部源退磁为止)。因此,它们被用于必须永久磁化的应用:

  • 存储设备
  • 演讲者
  • 传感器
  • 磁记录

对于软磁体,它们易于磁化和退磁的能力使它们成为交流和直流应用的理想候选人。上面的BH曲线是a评价磁性能的方法直流和交流条件下的材料。它很有用,因为它可以快速显示材料的磁性,并且可以很容易地用来与其他材料进行比较。

软磁材料在变压器和电感器中广泛用作磁芯增强和/或引导产生的磁通量。磁芯在磁化和退磁循环过程中能量的耗散被称为核心的损失.这些损耗对硬磁铁来说不是大问题,但它们对软磁应用的效率至关重要- - -是否可以通过适当的材料选择来控制.想象一下对定子铁芯损失的急性控制!

直流电机的迟滞损耗-迟滞折线图

M47和M19所显示的数据是基于单一层压的。然而,大多数电机定子不是单片的。阅读更多以了解与层压组件相比的单片层压。

磁滞损耗

核心损失一般分为三种类型:

  • 磁滞损耗
  • 涡流损耗
  • 线的损失

磁滞损耗源于畴壁在磁化-消磁循环下的来回运动。金属块中杂质、缺陷和其他特征的存在会增加这些损失。它们与施加场的频率呈线性关系。

涡流损耗为铁磁材料交流应用过程中产生的损耗。把它们想象成材料对变化磁场的电阻。具体来说,涡流与交流电相反,与铁磁材料产生热量。当你提高操作频率时,这些损失会变得很明显。

线的损失是,顾名思义,低效率产生的加热铜线。在加热过程中会消耗能量。一种思考这种损失的方法是,家用延长线在长时间使用时是如何发热的。不过,与延长线不同的是,交流设备中的铜损耗被考虑到了设计中。

软磁电机材料效益

那么,如何最小化或减少磁滞损耗呢?粉末冶金引起了工程师和采购商的兴趣寻求开发新型和先进的电磁产品交流和直流应用。烧结软磁材料是直流应用的最佳材料。使用软磁复合材料是交流应用的最佳实现方式。

不管怎样,粉末冶金因其生产成本低、材料浪费少、易于回收而变得流行起来。人们对铁基复合材料在电机等电子设备上的兴趣不断扩大,部分原因是它具有各种令人印象深刻的性能。

smc拥有几个优势优于层压钢板,例如:

  • 简单的形状制作(交流和直流应用)
  • 降低涡流损耗的优秀解决方案(AC/SMC应用)
  • 高磁导率(直流/烧结磁应用)
  • 高电阻率(AC/SMC应用)


BH磁化曲线:粉末金属vs电工钢

看看它们的区别电工钢层合材料和软磁复合材料的BH曲线:

Bh磁化曲线-软磁复合材料vs层合钢

在上图中,层压钢实际上是烧结纯铁材料压实到密度为7.2 g/cm³。结论是磁性复合材料的磁导率较低,需要更大的电流才能达到相同的感应水平;这对中小企业来说无疑是不利的。

这就是为什么你会听到批评说smc相对于钢层板有更高的迟滞损耗。假定滞回损耗产生的热量为频率的一次方。

但滞回损耗只是总损耗的一个组成部分在交流设备中。第二种通常影响更大的损失是所谓的涡流损失。这是施加交流电在铁磁材料内部产生循环电流的结果。

假定涡流损失产生的热量与运行频率上升到二次幂成正比。这意味着涡流损失在较高频率时往往更占主导地位。

请注意:上面没有提到的一种磁性?饱和感应,或一种材料能储存的最大通量。这是密度的函数。加工不会改变这一特性。)

根据频率比较BH磁化曲线

最近的实验工作研究了SMC材料在不同频率下的滞回曲线。我们的目标吗?看BH曲线如何随频率变化而改变形状。下面的图表显示了黑洞曲线在不同频率下的比较:

BH磁化曲线-软磁复合材料按频率我们认为这张图显示的是,对于软磁粉末材料,黑洞在每个频率下的形状和相对位置几乎完全重合。这意味着smc在测试频率上的主要损失几乎完全是迟滞损失。

是的,完全消除所有涡流损失是不可能的,但这在smc中是一个很小的贡献,达到他们的预期设计
极限。这就是为什么SMC在高频应用中优于层压钢。

现在,让我们想想如何改善BH曲线所代表的各种磁性能——因此提高你的产品性能

组件渗透率

你可以通过以下方法来提高成分的渗透性

  • 增加密度
  • 用磷或硅使铁合金化
  • 在烧结过程中尽量减少碳或氮的吸收
  • 提高铁的纯度
  • 最小化零件的任何后续加工(上浆,机加工等)

其中一些特性既适用于软磁复合材料,也适用于烧结软磁材料。如果零件确实需要二次加工,可以对零件进行退火以避免相关的不利影响。

材料最大感应

您可以通过以下方法提高最大诱导率:

  • 增加零件密度
  • 提高铁料纯度
  • 尽量减少任何后续处理

残余磁性

利用提高磁导率的相同因素可以提高剩磁(hr)。它也被称为剩磁,可用来提供磁存储设备中的磁存储器。

强制力

可以通过以下方法降低矫顽力:

  • 用磷或硅合金化的
  • 在烧结过程中尽量减少碳或氮的吸收
  • 尽量减少任何后续处理

想要更深入地了解软磁材料?

软磁复合材料的质量及其是否符合您的设计需求在磁滞回线中得到了高度的反映。

如果你需要更多的帮助来理解磁性和材料的选择如何影响你的产品性能,请与我们联系

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(编者注:本文最初发布于2018年11月,最近进行了更新。)

主题:粉末冶金磁学属性汽车


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