永磁材料及磁路基础资料
磁性材料和磁路及磁路基本定律
1.饱和——引起电感量减小
2.居里温度——磁导率减小
磁性材料
3
磁化曲线
开关电源技术——
磁性材料
tqzheng@
4
磁滞回线
磁性材料
Fig 1 Typical B vs H Loop
B Magnetic Flux Density（磁通密度[磁感应强度]） Bs Saturation Flux Density（饱和磁密） Br Remanence（剩磁） H magnetic Field Strength（磁场强度） Hc Coercive Force（矫顽力） i Initial Permeability（初始磁导率） a(max) Maximum Amplitude Permeability
开关电源技术——
磁性材料
tqzheng@
8
磁滞损耗Ph
The area enclosed by the hysteresis loop is a measure of hysteresis loss per cycle.
磁性材料
9
涡流损耗Pe
磁性材料
10
剩余损耗Pc
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。
在退磁曲线中, B 与 H 之积, 在某一点处达到最 大值, 通常记作(BH)m, 叫最大磁能积.
磁性材料
5
磁性材料
6
基本定律
1、安培环路定律
Hdl I IN
2、电磁感应定律 （法拉第+楞次）
磁路和磁性材料
铁心线圈的电感不是常数，当磁 路饱和程度增加时，自感下降。
精品资料
互感(hùgǎn)
M
Ψ 21 i1
N2Φ21 i1
N2 (F1m ) i1
N2 (N1i1m ) i1
N1 N 2 m
N1 ----线圈1的匝数 N2 ----线圈2的匝数 Λm----互感(hùgǎn)磁通所经磁路的
和最大磁能积（BH）max三项指标表征
精品资料
精品资料
常见(chánɡ jiàn)永磁材
料
铸造型/粉末 型铝钴镍
铁氧体
Br(T)
1.35
0.405
Hc(kA/m)
59
294
(BH)max(kJ/m3) Br温度系数 允许温度
59.7 -0.02
30.5
-0.2 受温度影响
变化大
价格
便宜/较贵
便宜
F Ni, N为绕组匝数
磁通量(磁通)Φ(Wb)：穿过曲面S的磁通是磁感应密度 B的法线分量的面积分
B均匀时
sB da
BcSc
精品资料
磁场强度H与磁感应密度B对比 H和B均可表征磁场性质（即磁场强弱和方向） 均匀磁介质，若包括介质因磁化(cíhuà)而产生的磁场在内时，
用B表示，其单位为特斯拉T，是一个基本物理量 单独由电流或者运动电荷所引起的磁场（不包括介质磁化
稀土钴 1.06 748 206.9 -0.025
200~250℃
贵
钕铁硼
1.12 843 238.7 -0.1 100 ℃ 较稀土钴低 廉
精品资料
铸造(zhùzào)型铝钴镍铁芯
铁氧体铁芯
back
永磁材料基本知识
永磁材料基本知识1、什么是永磁材料的磁性能，它包括哪些指标？永磁材料的主要磁性能指标是：剩磁(Jr, Br)、矫顽力(bHc)、内禀矫顽力(jHc)、磁能积(BH)m。
我们通常所说的永磁材料的磁性能，指的就是这四项。
永磁材料的其它磁性能指标还有：居里温度(Tc)、可工作温度(Tw)、剩磁及内禀矫顽力的温度系数(Brθ, jHcθ)、回复导磁率(μrec.)、退磁曲线方形度( Hk/ jHc)、高温减磁性能以及磁性能的均一性等。
除磁性能外，永磁材料的物理性能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等；机械性能则包括维氏硬度、抗压（拉）强度、冲击韧性等。
此外，永磁材料的性能指标中还有重要的一项，就是表面状态及其耐腐蚀性能。
2、什么叫磁场强度(H)？1820年，丹麦科学家奥斯特(H. C. Oersted)发现通有电流的导线可以使其附近的磁针发生偏转，从而揭示了电与磁的基本关系，诞生了电磁学。
实践表明：通有电流的无限长导线在其周围所产生的磁场强弱与电流的大小成正比，与离开导线的距离成反比。
定义载有1安培电流的无限长导线在距离导线1/2π米远处的磁场强度为1A/m(安/米，国际单位制SI)；在CGS单位制(厘米-克-秒)中，为纪念奥斯特对电磁学的贡献，定义载有1安培电流的无限长导线在距离导线0.2厘米远处磁场强度为1Oe（奥斯特），1Oe=1/(4π×10³) A/m。
磁场强度通常用H表示。
3、什么叫磁极化强度(J)，什么叫磁化强度(M)，二者有何区别？现代磁学研究表明：一切磁现象都起源于电流。
磁性材料也不例外，其铁磁现象是起源于材料内部原子的核外电子运动形成的微电流，亦称分子电流。
这些微电流的集合效应使得材料对外呈现各种各样的宏观磁特性。
因为每一个微电流都产生磁效应，所以把一个单位微电流称为一个磁偶极子。
定义在真空中每单位外磁场对一个磁偶极子产生的最大力矩为磁偶极矩pm，每单位材料体积内磁偶极矩的矢量和为磁极化强度J，其单位为T（特斯拉，在CGS单位制中，J的单位为Gs，1T=10000Gs）。
永磁体基本性能参数
永磁体基本性能参数永磁材料：永磁材料被外加磁场磁化后磁性不消失，可对外部空间提供稳定磁场。
钕铁硼永磁体常用的衡量指标有以下四种：剩磁（Br）单位为特斯拉（T）和高斯（G）1G=0.0001T将一个磁体在闭路环境下被外磁场充磁到技术饱和后撤消外磁场，此时磁体表现的磁感应强度我们称之为剩磁。
它表示磁体所能提供的最大的磁通值。
从退磁曲线上可见，它对应于气隙为零时的情况，故在实际磁路中磁体的磁感应强度都小于剩磁。
钕铁硼是现今发现的Br最高的实用永磁材料。
磁感矫顽力（Hcb）单位是安/米（A/m）和奥斯特（Oe）或1Oe≈79.6A/m处于技术饱和磁化后的磁体在被反向充磁时，使磁感应强度降为零所需反向磁场强度的值称之为磁感矫顽力（Hcb）。
但此时磁体的磁化强度并不为零，只是所加的反向磁场与磁体的磁化强度作用相互抵消。
（对外磁感应强度表现为零）此时若撤消外磁场，磁体仍具有一定的磁性能。
钕铁硼的矫顽力一般是11000Oe以上。
内禀矫顽力（Hcj）单位是安/米（A/m）和奥斯特（Oe）1Oe≈79.6A/m使磁体的磁化强度降为零所需施加的反向磁场强度，我们称之为内禀矫顽力。
内禀矫顽力是衡量磁体抗退磁能力的一个物理量，如果外加的磁场等于磁体的内禀矫顽力，磁体的磁性将会基本消除。
钕铁硼的Hcj会随着温度的升高而降低所以需要工作在高温环境下时应该选择高Hcj的牌号。
磁能积(BH)单位为焦/米3（J/m3）或高奥（GOe）1MGOe≈7.96kJ/m3退磁曲线上任何一点的B和H的乘积既BH我们称为磁能积,而B某H的最大值称之为最大磁能积(BH)ma某。
磁能积是恒量磁体所储存能量大小的重要参数之一，(BH)ma某越大说明磁体蕴含的磁能量越大。
设计磁路时要尽可能使磁体的工作点处在最大磁能积所对应的B和H附近。
各向同性磁体：任何方向磁性能都相同的磁体。
各向异性磁体：不同方向上磁性能会有不同；且存在一个方向，在该方向取向时所得磁性能最高的磁体。
初中物理磁学知识点梳理
初中物理磁学知识点梳理物理学是一门研究物质和能量之间相互作用的科学，而磁学则是物理学中一个重要的分支。
在初中物理学习中，磁学知识点是必须重点掌握的内容。
下面将对初中物理磁学知识点进行梳理，分为磁性材料、磁场、电磁感应和电磁线圈四个部分进行介绍。
一、磁性材料磁性材料是指能够产生磁场或被磁场所吸引的物质。
常见的磁性材料有铁、镍和钴等。
磁性材料可以分为永磁材料和临时磁性材料两类。
1. 永磁材料永磁材料是指在外部磁场的作用下，其自身能够保持磁性的材料。
永磁材料可以产生持久磁场，并具有很强的磁性。
常见的永磁材料有铁氧体、钕铁硼和钴硅钴等。
2. 临时磁性材料临时磁性材料是指在外部磁场的作用下，其自身能够显示出磁性，但在去掉外部磁场后会失去磁性的材料。
常见的临时磁性材料有铁、镍和钴等。
二、磁场磁场是指物体周围存在的磁性力场。
在磁场中，对磁性物体具有吸引或排斥力。
磁场可以根据磁力线的性质分为均匀磁场和非均匀磁场两类。
1. 均匀磁场均匀磁场是指磁场中磁感应强度大小方向均相同的磁场。
在均匀磁场中，磁力线是平行且间距相等的。
在均匀磁场中，通过一个理想的磁针可以找到磁场的方向。
2. 非均匀磁场非均匀磁场是指磁场中磁感应强度大小或方向不均匀的磁场。
在非均匀磁场中，磁力线会有变化，磁力线的间距不等。
三、电磁感应电磁感应是指通过改变磁场中磁感应强度的大小或方向，产生感应电流的现象。
电磁感应有三种方式，即电磁感应定律、发电机和电磁铁。
1. 电磁感应定律电磁感应定律是描述电磁感应现象的定律。
根据法拉第电磁感应定律，当导体中的磁感应强度发生变化时，导体的两端会产生感应电动势。
感应电动势的大小与磁感应强度的变化率成正比。
2. 发电机发电机是一种利用电磁感应产生电能的装置。
它通过旋转一个导电线圈或磁体，在磁场中产生感应电动势，从而产生电流。
发电机是现代发电的重要设备之一。
3. 电磁铁电磁铁是一种利用电磁感应产生磁场的装置。
当通过导线通电时，导线周围会产生磁场，形成一个临时的磁铁。
电机设计-磁路和磁性材料
常用的永磁材料主要有三种
（1）铁氧体－此类材料Hc较大，而Br不大，温度对磁性能影响 较大，但价格低廉，在电机中应用较广。 （2）铝镍钴－此类材料Hc不大，而Br较大。 （3）稀土永磁材料－此类材料Hc、Br和最大磁能积(BH)max较 大，但允许的工作温度较低，且价格较高。 永磁材料的磁性能主要用 Br、Hc和(BH)max三项指标来 表征，一般这些指标越大表示 磁性能越好。
1.2.4 铁磁材料中的损耗
当导磁材料位于交变磁场中被反复磁化，此时导磁材料 中将引起能量损耗，称为铁心损耗。
1. 磁滞损耗 导磁体被反复磁化，其磁畴相互间不停地摩擦，分子运动 所消耗的能量。 磁滞回线所包含的面积表示单位体积导磁材料在磁化一周 的进程中所消耗的能量
Phc V HdB
工程上常用Ph表示每秒消耗的磁滞损耗能量
μr 0ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
μ0 4π 107 H m
1.2
磁性材料的特性和损耗
1.2.1 铁磁材料的高导磁性
1. 在一个空间（外）磁场中，放入铁磁材料，该磁场会被大大 加强。
B1
B2 i
B1<B2
i
2. 高导磁性原因
i
附加磁场
i
外磁场
1.2.2 铁磁材料的磁饱和性
B μ H
不是常数
B与H的关系称为磁化曲线，也称为B-H曲线 oa段时，材料的磁导率较小，称 B 为起始磁导率； ab段时，材料的磁导率迅速增大， B-H关系近似为直线； bc段时，材料的磁导率又变得很 小，H增大，但B增加缓慢。 b 线性区 a
H
基本磁化曲线是分析计算磁路的依据
根据矫顽磁力Hc大小和磁滞回线的形状，磁性材料分为 软磁材料和硬磁材料（永磁材料）
第一章 磁路基础知识
l1 l2 3l 15 10 2 m 两边磁路长度：
气隙磁位降： B 1.211 2H 2 2 2.5 10 3 A 4818 A 0 4π 10 7
1.211 (2 0.25) 2 B T 1.533T 中间铁心磁位降： 3 4 A 4 10
磁路基础知识
1.2.3涡流与涡流损耗 1、涡流 2、涡流损耗：涡流在铁心中引起的损耗 3、注意:为减小涡流损耗，电机和变压器的铁心都用 含硅量较高的薄硅钢片叠成。 4、铁心损耗：磁滞损耗+涡流损耗
2 pFe f 1.3 BmG
南通大学《电机学》
磁路基础知识
1.3直流磁路的计算
磁路计算正问题——给定磁通量，计算所需的励磁磁动势 磁路计算逆问题——给定励磁磁势，计算磁路内的磁通量 磁路计算正问题的步骤： 1）将磁路按材料性质和不同截面尺寸分段； 2）计算各段磁路的有效截面积Ak和平均长度lk； 3）计算各段磁路的平均磁通密度Ak ，Bk=Φk/Ak； 4）根据Bk求出对应的Hk；
Φ
RmFe
N
F
Rm
i
Φ
串联磁路 南通大学《电机学》 磁路基础知识
模拟电路图
解：铁心内磁通密度为 BFe 0.0009 T 1T
AFe 0.0009
从铸钢磁化曲线查得：与BFe对应的HFe=9×102A/m
H FelFe 9 10 2 0.3A 270 A 铁心段的磁位降：
查磁化曲线：H1 H 2 215 A/m
H1l1 H 2l2 215 15 10 2 A 32.25A
总磁动势和励磁电流为：
Ni 2H H l
3 3
H 1l1
电机用永磁体知识基本介绍 ppt课件
——负载漏磁系数
36
第三章 永磁电机电磁场分析
37
3.1 电磁场有限元法
一、电磁场基本原理
1、Maxwell 方程组——电磁场基本方程
38
2、位函数——磁矢位
定义： 稳定磁场的微分方程变为：
3、平面场域磁场问题转化为边值问题
39
4、边界条件的确定
取一个极范围为求解区域
第一类边界条件 周期性边界条件
NdFeB：加热到最高温保存2～4h，冷却至室温 铁氧体：降温到最低温保存2～4h，升至室温（Hc温度系数
正，温度越低，Hc越小）
25
第二章 永磁电机的磁路计算
26
2.1 永磁电机磁路计算基础
一、永磁体的等效
Fm－磁动势 r——虚拟内禀磁通 m——永磁体提供的总磁通 0——虚拟自退磁（内漏磁）磁通27
Re2Co17 1.08-1.12 480-544 496-560 232-248
NdFeB型 1.18-1.25 760-920 800-1040 264-288
18
Nd-Fe-B系合金是以Nd2Fe14B化合物为基的一种不含Co的 高性能永磁材料。自1983年问世以来发展极为迅速，目前 此类材料磁性已达如下的水平：最大磁能积407.6 kJ/m3， 矫顽力2244.7kA/m。是迄今为止磁性能最高的永磁材料， 被誉为“磁王”。 Nd-Fe-B系合金的另外一个最大的优点是原材料丰富，价格 便宜，其价格只相当于钐钴合金的50%左右。
电机用永磁体知识基本介绍
1
现代永磁电机理论
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
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（18）粘结铁基稀土NdFeB磁体永磁的特点
工艺简单，适合批量生产 成本较低 可机加工 良好的热和化学稳定性 成型尺寸精度高 直线退磁特性 较低的磁特性
（19）粘结NdFeB磁体的磁特性及物理特性
2、永磁磁路及永磁磁路的基本定律
（1）永磁磁路
磁路：磁通所经过的路径
各类电机的磁路基本一致
第三代稀土永磁：钕铁硼永磁（NdFeB)
1983年日本住友公司和美国通用汽车公司发现 最大磁能积达431.3kj/m3 （54.2MG • Oe）
（4） 稀土永磁材料的分类
按成型方法：烧结稀土永磁 粘结稀土永磁 按元素组成：钴基稀土永磁 铁基稀土永磁
（5）铁磁材料的磁化过程
物质的磁化是由于 其内部的分子电流 转向后合成磁矩不 等于零所致。 起始磁化曲线 磁化过程 磁滞回线
3、稀土永磁电机磁路的基本结构形式
串联磁路和并联磁路 径向励磁、切向励磁和轴向励磁 拼块式结构 混合励磁结构
径向励磁的串联磁路
径向励磁的串联磁路
模型
空载场磁力 线
切向励磁的并联磁路
轴向励磁磁路
单永磁转子盘、单定子盘
中间定子盘、两 端永磁转子盘
（3） 稀土永磁材料的发展
第一代稀土永磁：1:5型钐钴永磁（RCo5）
1967年美国K.J.Strnat教授发现 最大磁能积达199kj/m3 （ 25MG • Oe）
第二代稀土永磁： 2:17型钐钴永磁（R2Co17）
1973年出现 最大磁能积达258.6kj/m3 （ 32.5MG • Oe）
HdL I
L
H L I
i 1 n i i
n
F N I
i 1 i j 1 j
K
j
(3) 磁路和电路的相似性和不同性
磁路和电路的不同之处：
有绝缘材料，没有绝磁材料 磁通路经难以约束 漏磁—修正磁路第一、第二定律 磁路欧姆定律只适合线性铁磁材料 没有磁断路现象
（B•H）max=Br • Hc/4
（11）内禀矫顽力Hci
饱和时，当剩余磁化 强度Mr降到零时所需 要的反向磁场强度
决定磁体的温度稳定 性
代表抗外磁场干扰的 能力
内禀矫顽力Hci的物理意义
退磁曲线上任一点的磁能 积——向外磁路提供的磁场 能量
内禀退磁曲线上任一点的磁
能积——内部储藏的磁场能 量 外磁场为Hc时，B=0，磁体 不向外提供能量，但磁体本 身仍有能量 外磁场为Hci时，M=0，磁 体被退磁，磁体完全无能量 Hci真正代表磁体拥有磁场 能量和抗外磁场的能力
（12）温度系数
类别：
剩磁感应强度温度系数Br 矫顽力温度系数 Hc 内禀矫顽力温度系数 Hci 温度变化1°C时，性能可逆变化的百分比
定义：
Br (t1 ) Br (t0 ) 1 Br 100% Br (t0 ) (t1 t0 )
（13）不可逆损失
3.1
永磁材料及永磁磁路基础
电机—以磁场为媒介进行机械能和电能 相互转换的电磁装置 磁场的产生：1、电励磁 2、永磁
1、永磁材料综述与扩展
（1）铁磁材料包括以下三种材料：
软磁材料
矫顽力小于100A/m 作为导磁部件：定转子冲片等 矫顽力为100-1000A/m 磁滞材料：磁滞电机的转子 矫顽力大于1000A/m 作为磁源：永磁材料
饱和时，去掉外磁场时 的磁感应强度Br 愈大愈好
（9）矫顽力Hc
饱和时，当磁感应强 度降到零时所需要的 反向磁场强度
代表抗外磁场干扰的 能力
Hc愈大，磁体在磁化 方向的厚度可以愈小
（10）最大磁能积（B•H）max
表示磁体向外磁路提供 的磁场能量 决定于三个因素：
剩余磁感应强度Br 矫顽力Hc 形状系数
（14）烧结钴基（稀土钴）、烧结铁基（钕铁硼） 永磁体退磁曲线随温度变化
烧结钴基永磁体退磁曲线随温度变化 Br=0.03~0.05%/ °C Hci=0.2~0.4%/ °C 温度稳定性稍好
பைடு நூலகம்
烧结铁基永磁体退磁曲线随温度变化
Br=0.08~0.13%/ °C Hci=0.5~0.65%/ °C 温度稳定性较差
半硬磁材料
硬磁材料
（2）永磁材料的发展
20世纪30年代：铝镍钴永磁出现 最大磁能积达85kj/m3（10.7MG • Oe） 20世纪50年代：铁氧体永磁出现 最大磁能积达40kj/m3 （4.1MG • Oe） 20世纪60~80年代：稀土永磁出现 最大磁能积达431.3kj/m3（54.2MG • Oe）
永磁电机磁路的构成
永磁体：磁势源 软磁材料：导磁部件 气隙：能量转换的主要空间
（2）永磁磁路的基本定律
永磁磁路的基本定律同电励磁磁路的基本定律相同，包括：
磁路第一定理
通过任一闭合曲面S的磁通量等于零
i 1 s
n
i
0
BdS 0
磁路第二定理
任一闭合磁路中，各段磁压降的代数和 总等于各段磁动势的代数和。
类别：
剩磁感应强度不可逆损失 矫顽力不可逆损失 内禀矫顽力不可逆损失 从室温开始，经加热（或冷却）再回到室 温时磁性能变化的百分比
定义：
Br (t0 ) Br (t0 ) Br 100% Br (t0 )
影响温度系数和不可逆损失的因素
材料成分 成型方法 温度变化范围
（15）第一、第二代烧结钴基稀土永磁的特点
高的磁特性 直线退磁特性 耐高温 温度稳定性较好 较脆，不能车、铣等机加工 价格较贵
（16）烧结铁基稀土永磁的特点
最高的磁特性 直线退磁特性 耐高温性稍差 温度稳定性稍差 较脆，不能车、铣等机加工 易氧化 价格较低
（6）稀土永磁材料的退磁曲线
第二象限的一段直线 磁化强度M 表示物质的 磁化程度。
B 0 ( H M )
0 真空磁导率
（7）稀土永磁材料的特性
剩余磁感应强度Br 矫顽力Hc 内禀矫顽力Hci 最大磁能积（B•H）max 温度系数 不可逆损失
（8）剩余磁感应强度Br