永磁電機(jī)鐵損的分類及鐵損分離原理

1.鐵損分類

鐵損（iron loss，也稱作core loss）是指像變壓器、電感器、交流馬達(dá)及交流發(fā)電機(jī)等有導(dǎo)磁體（以下簡(jiǎn)稱為鐵芯）的電機(jī)設(shè)備中，因?qū)Т朋w受到變動(dòng)磁場(chǎng)的影響，在鐵芯中損耗的部分能量，損耗的能量會(huì)以熱的方式散失，有時(shí)則是以噪音的方式散失。

鐵損可分為磁滯損（Hysteresis losses）、渦流損（Eddy-current losses）及異常損（Anomalous losses）3種。

磁滯損（Hysteresis losses）：當(dāng)通過(guò)鐵芯的磁場(chǎng)改變時(shí)，鐵芯材料的磁化強(qiáng)度會(huì)變化，因?yàn)榇女牨诘囊苿?dòng)，造成其中微小磁疇的膨脹及收縮。不過(guò)磁疇壁在移動(dòng)時(shí)，會(huì)受到晶體缺陷的影響而卡住，最后磁疇壁仍會(huì)移動(dòng)，但是會(huì)發(fā)熱，即為磁滯損。磁滯損可以從材料的B-H曲線中看出，B-H圖為一封閉的曲線，磁場(chǎng)變化一個(gè)周期時(shí)，單位體積材料的磁滯損即為磁滯圈內(nèi)的面積，若交流磁場(chǎng)大小不變，每一周期的能量損失為定值，此時(shí)磁滯損和頻率成正比。

磁滯損耗

渦流損（Eddy-current losses）：若鐵芯為導(dǎo)體，因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/tags/電磁感應(yīng)/" target="_blank">電磁感應(yīng)，磁場(chǎng)的變化會(huì)感應(yīng)在導(dǎo)體內(nèi)循環(huán)的電流，稱為渦電流。渦電流和磁場(chǎng)垂直。渦電流的能量會(huì)因?yàn)殍F芯材料的電阻而發(fā)熱耗散，渦流損和電流循環(huán)面積的大小成正比，和材料的電阻率。若鐵芯是由薄的疊層組成，中間又有絕緣的涂層，可以減少渦流損。調(diào)整鐵芯材料也可以減少渦流損，一種是使用導(dǎo)磁但不導(dǎo)電的材料，例如鐵氧體，若使用加硅的電工鋼（矽鋼），鋼的電阻率明顯上升，也可以減少渦流損。

渦流損耗

異常損（Anomalous losses）：包括磁滯損及渦流損以外的損失，也可以描述成磁滯圈因?yàn)轭l率而加大。異常損的物理機(jī)制包括移動(dòng)磁疇壁時(shí)局部的渦流損。

名詞解釋：磁疇是鐵磁質(zhì)的基本組成部分；材料內(nèi)部擁有均一磁化強(qiáng)度的區(qū)域；鐵磁質(zhì)的原子磁矩主要由原子中電子自旋決定；在各磁疇中，原子磁矩的排列各有相互平行的自發(fā)傾向，磁矩方向保持一致，因此具有磁性；但是各磁疇的排列方向是混亂的，所以鐵磁體在沒(méi)有被磁化前不顯磁性。磁矩結(jié)構(gòu)與鐵磁性物質(zhì)（例如鐵）的磁性行為有關(guān)。

顯微鏡下的磁疇

在其他的材料中，一般并不存在磁疇結(jié)構(gòu)。在居里溫度以下，磁疇是自發(fā)出現(xiàn)的，并不需要外部磁場(chǎng)的存在。不同磁疇內(nèi)磁矩的方向不同，在磁疇的邊界，磁矩從一個(gè)方向連續(xù)地過(guò)度到另一個(gè)方向。磁疇的典型尺寸在10的-15 m3 在外磁場(chǎng)的作用下，各磁疇的大小發(fā)生變化，自發(fā)磁化方向和外磁場(chǎng)方向相同或近似相同的磁疇擴(kuò)大，方向相反或近似相反的磁疇縮小，以致外磁場(chǎng)方向上的總磁矩跟著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而增加；當(dāng)外磁場(chǎng)增強(qiáng)到一定程度，所有磁疇的磁矩方向一致，這時(shí)達(dá)到磁性飽和。

2.鐵損分離原理

（1）頻率分離

因?yàn)榇艤p耗與頻率成正比，渦流損耗與頻率平方成正比，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行鐵損的分離。即當(dāng)磁通密度為B時(shí)，鐵損表達(dá)式可以寫為 W ironloss= a（B）×f+b（B，f）×f2

等式兩側(cè)除以頻率f即可得到 W/f=a+b×f，求出a，b值就可以計(jì)算出渦流損耗和磁滯損耗了，異常損耗忽略。

（2）計(jì)算案例：1.5KW永磁同步電機(jī)計(jì)算仿真分析

選擇鐵損合計(jì)的計(jì)算方法

w/f=（18.81+0.053f）*E-3 例如：400HZ情況下 磁滯損耗：7.52W，渦流損耗8.59W；

通過(guò)計(jì)算軟件渦流損耗：

不同頻率下渦流損耗值

400HZ下磁滯損耗值

本文使用Jmag仿真，注意材料中渦流損耗設(shè)置，疊壓方向電阻值取值需根據(jù)實(shí)際情況，一般＞2100Ω；文檔路徑?jīng)]有中文字符；選擇計(jì)算總鐵損需材料選擇有磁滯回線的材料。如果單獨(dú)計(jì)算磁滯損耗，B-P曲線可以由軟件計(jì)算得到磁滯回線。時(shí)間和迭代次數(shù)適當(dāng)增加，以結(jié)果收斂。