1.2 常用铁磁材料及其特性（课件）-《电机与拖动》同步精品课堂（人邮版）

项目1 电机分析中常用的电磁定律及材料 1.2 常用铁磁材料及其特性 《电机与拖动》人邮版（第4版） 同步精品课堂 1 学习目标 知识目标 1.理解铁磁性物质能够被磁化的本质原因，包括原子磁矩和交换耦合作用概念。 2.深入理解磁滞现象，即磁化强度滞后于磁场强度变化的本质，掌握磁滞回线的形成过程。 能力目标 1.能够根据所学的铁磁材料特性知识，分析实际电气设备（如变压器铁芯材料选择、电机性能优化等）中的相关现象，解释不同铁磁材料特性对设备性能的影响机制。 2.掌握磁滞损耗、涡流损耗以及铁芯损耗相关的计算公式，能够运用这些公式进行简单的计算。 情感目标 1.通过对铁磁材料及其特性的学习，尤其是铁磁性物质微观磁化机制和各种损耗现象的探究，激发对物理世界微观奥秘的好奇心和探索欲望。 2.了解铁芯损耗在电气设备中的影响后，认识到降低损耗对于提高能源利用效率和减少能源浪费的重要性，增强环保和节能意识 项目1 电机分析中常用的电磁定律 导入情景 01 变压器 扬声器 电磁铁 新知学习 02 一、铁磁性物质的磁化 1.磁化 本来不具备磁性的物质，由于受磁场的作用而具有了磁性的现象称为该物质被磁化。只有铁磁性物质才能被磁化。 2.被磁化的原因 (1)内因:铁磁性物质是由许多被称为磁畴的磁性小区域组成的，每一个磁畴相当于一个小磁铁。 (2)外因:有外磁场的作用。 新知学习 02 一、铁磁性物质的磁化 如图5-7(a)所示。当无外磁场作用时，磁畴排列杂乱无章，磁性相互抵消，对外不显磁性; 如图 5-7(b)所示。当有外磁场作用时，磁畴将沿着磁场方向作取向排列，形成附加磁场，使磁场显著加强。 常用的铁磁性物质有铁、镍、钻等。 新知学习 02 二、磁化曲线 铁磁材料的磁化过程可用磁化曲线来表示，磁化曲线是指磁场的磁感应强度 B 与磁场强度H之间的关系。 在非磁性材料中，因为磁导率基本不变，所以B和H呈线性关系，如图1-8 中的曲线1所示。 新知学习 02 二、磁化曲线 铁磁材料的磁化曲线是非线性的，图 1-8 中的曲线 2是未磁化过的铁磁材料进行磁化后的磁化曲线。由图1-8 中的曲线 2 可知，开始磁化时，由于外磁场较弱，所以B 增加较慢，对应oa 段;随着外磁场增加，铁磁材料产生的附加磁场增加较快，B 值增加很快，如 ab 段，再增加磁场时，附加磁场的增加有限，B 增加越来越慢，最终趋于饱和，如 bc 段:最后所有磁畴与外磁场方向一致后，外磁场增加，B 值也基本不变，出现深度饱和现象。 新知学习 02 二、磁化曲线 新知学习 02 二、磁化曲线 为了使铁芯得到充分利用而不进入饱和状态，电机和变压器的铁芯额定工作点设定在磁化曲线的微饱和区。从初始磁化曲线来看，铁磁材料的 B和的关系为非线性关系，表明铁磁材料的磁导率不常数要随外磁场强度H的变化而变化，变化趋势如图 1-8 中曲线3所示。 新知学习 02 二、磁化曲线 若铁磁材料进行正负反复磁化，B和H的关系变为图 1-9 所示的 abcdefa 闭合曲线称为磁滞回线。根据磁滞回线的宽度不同，铁磁材料分为软磁材料和硬磁材料。 新知学习 02 二、磁化曲线 铁磁材料的分类 软磁物质:磁滞损失小(硅钢、铁、铸铁、铁合金） 软磁材料的磁滞现象不明显，剩磁及磁滞损失小，磁滞回线”瘦”细狭长，适宜制作交流电气设备中的铁心。 硬磁物质:磁滞损失大(铬钢、钻及钻合金） 硬磁材料的磁滞现象显著，剩磁及磁滞损失大，磁滞回线"肥胖”，适宜制作永久磁铁。 铁芯是导电材料，当通过铁芯的磁通随时间变化时，根据电磁感应定律，铁芯中将产生感应电动势，并引起环流。因为这些环流在铁芯内部围绕磁通呈涡流状流动，所以称之为涡流。如图1-10所示，涡流在铁芯中引起的损耗，称为涡流损耗，可用如下公式表示。 新知学习 02 三、涡流与涡流损耗 新知学习 02 三、涡流与涡流损耗 新知学习 02 三、涡流与涡流损耗 分析表明： 频率越高，磁感应强度越大，感应电动势越大，涡流损耗也越大。 而铁芯的电阻率越大，涡流流过的路径越长，涡流损耗就越小。 因此，为了减小涡流损耗，在铁芯的钢材中加入少量的硅以增加铁芯材料的电阻率，称为硅钢片，也不采用整块的铁芯，而采用由许多薄硅钢片叠起来的铁芯，使涡流在狭长形的回路中，通过较小的截面，以增大涡流通路上的电阻。所以变压器和电机的铁芯一般采用厚度为 0.35mm或0.5mm的硅钢片来制造。 新知学习 02 四、磁滞与磁滞损耗 铁磁材料周期性的正反向磁化会产生损耗，称为磁滞损耗。这是因为磁畴来回翻转产生摩擦而引起的损耗。磁滞回线所围的面积越大，磁滞损耗也越大。实践证明，磁滞损耗与磁通的交变频率f成正比，与磁感应强度幅值的次方成正比，即 新知学习 02 五、铁芯损耗 铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗总称为铁芯损耗，称为铁损耗或铁耗，用 表示，它正比于磁感应强度幅值的二次方及磁通交变频率f的1.2~13次方，表示为 G ——铁损耗系数 G——铁芯的重量。 铁损耗将造成有功功率损失和铁芯发热。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 1： 当铁磁性物质未被磁化时，其内部磁畴的状态是（ ） A. 所有磁畴沿同一方向排列 B. 磁畴随机排列，磁矩相互抵消 C. 只有一半磁畴有磁矩 D. 磁畴按磁场方向排列，但磁矩很小 答案：B 解析：未被磁化时，铁磁性物质内部磁畴随机排列，总体磁矩相互抵消，对外不显磁性；当施加外磁场时，磁畴会沿外磁场方向重新排列而显示出磁性。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 2： 铁磁性物质的磁化过程是（ ） A. 磁畴突然全部转向外磁场方向 B. 磁畴逐渐转向外磁场方向，磁畴壁移动 C. 磁畴大小不变，只是磁矩增加 D. 只有新的磁畴产生 答案：B 解析：在磁化过程中，首先是磁畴壁移动，使磁畴逐渐转向外磁场方向，这个过程是逐步进行的，不是磁畴突然全部转向，磁畴大小会改变且不是只有新磁畴产生这种单一的情况。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 3： 铁磁材料磁化到饱和后，若减小磁场强度，磁感应强度将（ ） A. 沿起始磁化曲线减小 B. 沿磁滞回线减小 C. 沿一条新的曲线减小，与磁滞回线无关 D. 突然变为零 答案：B 解析：当铁磁材料磁化到饱和后，减小磁场强度时，磁感应强度将沿着磁滞回线减小，而不是起始磁化曲线，因为起始磁化曲线是磁化过程曲线，磁滞现象使得其在退磁过程遵循磁滞回线。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 4： 磁滞回线的面积表示（ ） A. 铁磁材料的磁导率 B. 磁滞损耗 C. 涡流损耗 D. 铁损 答案：B 解析：磁滞回线的面积表示磁滞损耗，磁滞损耗与磁畴反复转向过程中的能量损耗有关；磁导率与磁化曲线的斜率有关；涡流损耗是由涡流产生的另一种损耗；铁损是磁滞损耗和涡流损耗之和。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 5： 下列关于磁滞损耗的说法，错误的是（ ） A. 与磁场交变频率有关 B. 与磁滞回线面积有关 C. 与铁磁材料的体积无关 D. 在交流铁心线圈中会产生热量 答案：C 解析：磁滞损耗与磁场交变频率成正比，与磁滞回线面积成正比，并且与铁磁材料的体积有关，因为磁滞损耗是单位体积的损耗乘以体积，在交流铁心线圈中，磁滞损耗会转化为热量。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 6： 为了减小涡流损耗，可采取的措施是（ ） A. 增大铁心的厚度 B. 提高铁心材料的电导率 C. 使用硅钢片叠成铁心 D. 增加磁场交变频率 答案：C 解析：使用硅钢片叠成铁心可以减小涡流损耗，因为硅钢片的电阻率较大，而且叠片间的绝缘可以限制涡流的流通路径；增大铁心厚度会增大涡流损耗；提高电导率会增大涡流损耗；增加磁场交变频率会增大涡流损耗。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 7： 铁芯损耗等于（ ） A. 磁滞损耗与涡流损耗之和 B. 磁滞损耗减去涡流损耗 C. 涡流损耗减去磁滞损耗 D. 磁导率与涡流损耗的乘积 答案：A 解析：铁芯损耗是由磁滞损耗和涡流损耗共同组成的，即铁芯损耗等于磁滞损耗与涡流损耗之和。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 8： 下列哪种情况会使铁芯损耗增大（ ） A. 降低磁场交变频率 B. 选用磁滞回线狭长的材料 C. 减小铁心的电导率 D. 增大磁场强度的幅值 答案：D 解析：增大磁场强度的幅值会使磁滞损耗增大（磁滞损耗与磁场强度等因素有关），从而使铁芯损耗增大；降低磁场交变频率会减小涡流损耗和磁滞损耗，从而减小铁芯损耗；选用磁滞回线狭长的材料会减小磁滞损耗，从而减小铁芯损耗；减小铁心的电导率会减小涡流损耗，从而减小铁芯损耗。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 9： 解释磁滞损耗产生的原因及其对电气设备的影响。 答案： 原因：磁滞损耗产生的原因是铁磁材料在交变磁场作用下，磁畴不断地来回翻转，由于磁畴转向需要克服内部的阻力，这个过程会消耗能量，从而产生磁滞损耗。 影响：在电气设备（如变压器、电机等）中，磁滞损耗会使铁芯发热，降低设备的效率。因为能量以热量的形式损耗掉了，为了散热，需要增加散热装置，同时长时间的发热会影响设备的使用寿命和性能稳定性，可能导致绝缘材料老化等问题。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 10： 阐述涡流损耗的产生原理以及减小涡流损耗的方法。 答案： 产生原理：当穿过铁磁材料的磁通发生变化时，根据电磁感应定律，铁磁材料内部会产生感应电动势，由于铁磁材料本身是导体，就会产生感应电流，这种感应电流在铁磁材料内部自成闭合回路，呈漩涡状，称为涡流。涡流在导体中流动时会产生焦耳热，这就是涡流损耗。 减小方法：减小涡流损耗的方法主要有两种。一是采用电阻率高的材料，如硅钢片，因为涡流损耗与材料的电阻率成反比。二是将铁芯做成薄片叠合而成，片间相互绝缘，这样可以减小涡流回路的横截面积，从而减小涡流，降低涡流损耗。 1.磁滞现象：铁磁材料的磁化强度（或磁感应强度）总是落后于磁场强度的变化，这一现象通过磁滞回线直观地表现出来。 2.磁滞损耗：磁滞损耗与磁滞回线面积成正比。磁畴在磁化过程中反复翻转，克服内部阻力消耗能量，这就是磁滞损耗产生的原因。在实际应用中，我们要尽量选择磁滞回线狭窄的材料来降低磁滞损耗。 3.涡流产生原理：基于电磁感应定律，当穿过铁磁材料的磁通发生变化时，铁磁材料内部会产生感应电动势，由于铁磁材料是导体，从而形成自成闭合回路的感应电流，即涡流。 4.铁芯损耗：铁芯损耗是磁滞损耗和涡流损耗之和。在电气设备中，铁芯损耗会导致铁芯发热，降低设备效率。 课堂小结 04 作业布置 05 简述铁磁性物质的磁化过程，要求从磁畴的角度进行详细解释。 画出铁磁材料的磁化曲线，并在图上标注出起始磁化曲线、饱和点、剩磁、矫顽力等关键元素，同时简要解释每个元素的含义。 感谢观看 $$