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硅钢⽚损耗计算任意频率正弦波条件下铁磁材料损耗的计算崔杨，胡虔⽣，黄允凯（东南⼤学电⽓⼯程学院，江苏省南京市四牌楼2号210096）Iron Loss Prediction in Ferromagnetic Materials withSinusoidal SupplyCUI Yang，HU Qian-sheng，HUANG Yun-kai（School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China）摘要：本⽂⾸先介绍了铁耗分⽴计算模型，随后采⽤标准规定的⽤爱泼斯坦⽅圈测硅钢⽚损耗的⽅法对铁磁材料进⾏损耗实验，对实验结果数据进⾏回归分析计算出了铁耗分⽴模型中的未知参数。
并分析了参数的特性，将其应⽤于铁耗计算中，所得出的结果⾮常接近于实际值。
在此基础上进⼀步分析了铁耗各分量随频率、磁密变化的规律。
结论对于铁耗分析有⾮常重要的参考意义。
关键字：铁耗；铁磁材料；回归分析；爱泼斯坦⽅圈Abstract: The paper presents loss separation model, then the method of iron loss measurement by means of an Epstein frame prescripted in standard is employed to the loss experiment, parameters in the model are calculated through a method called regression, using the experiment result. Parameters are used in predicting iron loss, there is hardly any discrepancy between the computed and the measured results. In the meantime the relationship bitween the loss contribution and frequency, flux density is discussed based on the computed result. Conclution is very valuable for the loss prediction. Keywords: Iron loss; Ferromagnetic material; Regression; Epstein frame1 引⾔随着电⼒电⼦技术的发展，各种新型电机在各⾏各业得到了⼴泛的应⽤，电机铁耗的准确计算也成为越来越重要的课题，引起不少学者的注意。
非晶合金材料2605SA1是一种具有优异磁性能的材料，在磁性材料领域有着广泛的应用。
在研究非晶合金材料2605SA1的磁性能时，磁化曲线和损耗曲线是两个非常重要的参数，可以直观地反映材料的磁性能和功耗特性。
本文将分别从磁化曲线和损耗曲线两个方面对非晶合金材料2605SA1的磁性能进行探讨。
1. 磁化曲线磁化曲线是描述材料磁化特性的重要参数，它反映了材料在外加磁场作用下的磁化过程。
对于非晶合金材料2605SA1来说，其磁化曲线的特点主要包括饱和磁感应强度、剩余磁感应强度、矫顽力和磁导率等。
1.1 饱和磁感应强度作为材料的基本磁性能参数之一，饱和磁感应强度反映了材料在磁化过程中能达到的最大磁感应强度。
对于非晶合金材料2605SA1而言，其饱和磁感应强度高，表明其磁化能力强，适用于要求高磁感应强度的领域。
1.2 剩余磁感应强度剩余磁感应强度是指在去除外加磁场后材料中仍残留的磁感应强度。
对于非晶合金材料2605SA1来说，其剩余磁感应强度较低，表明其具有良好的磁消磁特性，能够快速消除外界磁场的影响。
1.3 矫顽力矫顽力是描述材料抵抗外加磁场的能力，也可以理解为去磁化材料所需的磁场强度。
对于非晶合金材料2605SA1而言，其矫顽力较小，表明其易于磁化和去磁化，具有较好的磁性响应速度。
1.4 磁导率磁导率是描述材料对磁场响应的能力，是磁化曲线中的重要参数之一。
对于非晶合金材料2605SA1来说，其磁导率较高，表明其具有良好的磁性能，能够快速响应外加磁场的变化。
2. 损耗曲线损耗曲线是描述材料在磁化过程中的能量损耗特性的参数，它直接影响着材料在实际应用中的功耗和效率。
对于非晶合金材料2605SA1来说，其损耗曲线主要包括铁损和涡流损耗。
2.1 铁损铁损是非晶合金材料在外加交变磁场中产生的能量损耗，其大小取决于材料的磁导率、频率和磁感应强度等因素。
对于非晶合金材料2605SA1而言，其铁损较低，表明其在高频磁场下具有较低的能量损耗，能够提高材料的工作效率。
图14种软磁材料的相对磁导率软磁材料高频磁化特性和损耗特性分析李盈（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京102206）摘要：磁芯材料的工作磁通密度和损耗是决定高频变压器的体积和效率的关键。
现测量分析了4种典型的软磁材料———硅钢、铁氧体、非晶和纳米晶在宽频范围内的磁化特性和损耗特性，为变压器磁芯材料的选型提供了依据。
结果表明，纳米晶的饱和磁感应强度仅次于硅钢，高于非晶和铁氧体。
纳米晶的磁导率远大于其他材料，而且宽频特性更加平稳，高频下损耗远小于其他材料。
关键词：高频变压器；磁芯；软磁材料；磁化特性；损耗特性0引言高频变压器广泛应用于高频开关电源、高频逆变电源及大功率DC -DC 变换器等场合[1-4]。
提高高频变压器的工作频率可以提高能量密度、减小体积，有助于电源和变换器设备的集成化设计。
然而随着工作频率的升高，变压器的铁芯损耗和温升也随之增加[5-8]。
因此，需要根据高频变压器铁芯材料的磁化特性和损耗特性，选择合适的工作频点。
目前，用于高频变压器磁芯的典型材料有硅钢、铁氧体、非晶、纳米晶，这4种典型磁芯材料的磁化特性、饱和磁密、矫顽力、磁导率、电阻率、磁滞伸缩系数、居里温度和叠片厚度等性能在很大程度上决定了高频变压器的工作品质[9-10]。
本文依托华北电力大学国家重点实验室的软磁材料测试平台，通过实验测量获得了硅钢、铁氧体、非晶、纳米晶4种软磁材料在1～20kHz 频率范围内、不同磁感应强度下的磁化特性与损耗特性。
在此基础上，提出了供能系统高频变压器选材和工作频点的设计建议。
1软磁材料的磁化特性软磁材料的饱和磁感应强度表达了该材料中最大能够导通的磁通密度。
材料具有高饱和磁感可以减小软磁材料用量，有利于降低磁性器件的铁损，并节约其他材料，如线圈铜导线等，减小设备体积。
磁导率是反映磁性材料激磁能力的重要指标。
软磁材料的磁导率一般会随着频率发生变化，为了保证高频设备工作在最佳频点，对4种软磁材料的磁导率随着频率变化情况进行了测量。
损耗机制影响因素一、磁损耗（一）自然共振：自然共振主要指外部交变磁场与材料磁晶各向异性场交互作用所引起的共振现象，当两场产生一定角度时，交变磁场会绕着各向异性场发生进动，其进动方程可以表示为错误!未找到引用源。
：D dM M H T dt γ=-⨯+ （17） 式中，M 为单位体积磁矩，T D 为阻尼项，γ为旋磁比，是原子核的固有频率。
在仅考虑磁晶各向异场H k 的情况下，根据LLG 方程在此过程中，自然共振频率ωr 的表达式为错误!未找到引用源。
：r k H ωγ=（18） 再此过程中，起始磁化率χi 可以近似为错误!未找到引用源。
：23S i KM H χ= （19） 将上述两式相乘可以得到Snoek 极限公式，其将自然共振发生的频率f o 和初始磁导率μi 联系起来，其表达式为错误!未找到引用源。
：()13s i o M f γμπ-= （20）公式表明，同一物质的初始磁导率和共振频率只与饱和磁化强度有关，且共振频率与初始磁导率成反比。
因此要在高频区域获得较高磁导率必须综合各方面因素。
（二）涡流损耗吸波材料在交变磁场中，由于电磁感应而产生涡电流，这引起磁场强度和磁感应强度的振幅和相位不均匀分布，并使磁感应强度的相位落后于磁场强度的相位，进而产生能量损耗。
这被称为涡流损耗，是微波段重要的磁损耗机制，其剧烈程度C 0主要与电导率σ和材料厚度d 有关错误!未找到引用源。
：()21223o o C f d μμπμσ--'''== （21）（1）影响因素：1、导电能力提高，电阻率下降，因此，在高频处有较强的涡流损耗（Co 掺杂后，分布于层间和RGO 表面的Co 粉相互连通，形成了良好的导电通道，自由电子能在其内部快速移动。
）2、因为多元复合材料中的石墨烯和ZnO 均能产生较强微电流引起的涡流效应，导致复合材料在高频处产生明显的抗磁性，进而降低了高频处对电磁波能量的磁损耗能力。
铁氧体磁芯损耗模型在功率变换器中所需的全部功率元件中，磁性材料仍然是最紧关捷要的元件。
它可能是最昂贵的，开发起来最耗时间，所以预先了解其特性是非常关键的。
预知其热产生机理及温升仍是一个令人沮丧的任务，了解磁材的电性能相比之下要容易一些。
这里有两个磁损耗的模式：绕组损耗及磁芯损耗。
绕组损耗可以令人惊异地合成，而且是在大学里正在进行的博士研究课题。
研究论文在国际会议上发表。
我们开始写信给一些错综复杂的线圈损耗分析人员，并在未来送到开关电源杂志。
相比之下，磁芯损耗在多数应用中，则相对艰难地前进。
我们确实可以用测量所收集的数据来预测其性能。
这些数据通常象所有这些可变量一样足够用来做计算。
在此实践中，我们写信给进行这些表面上简单的任务的人士。
建模任务是看似经验的数据，用它为磁芯去做等效。
它可能是相当难以理解的，但结果可能非常有用，并可用于CAD设计程序。
很多制造商都没有得到，并且距这个目标还非常远。
然而我们仍需要使用曲线得到我们所需要的结果。
我们将用磁材置于我们的例子中。
这些公司被选定，系因为它们更加勤奋地致力于磁芯损耗的建模并提供结果。
可在未来可根据结构以建起更先进的模型。
磁芯损耗多数设计师是熟悉磁损耗的。
早期的课程展示的磁材的B-H曲线中描述了磁滞曲线。
那是一种在磁芯励磁时偏移的输出。
在分度EE过程后，经常包括这种如同实验室中所展示的一样。
图1展示出磁芯材料典型的曲线。
用它做电感或变压器，在一个DC/DC变换器中，电感通常要直流偏置，因此运行时会相对小距离的离开工作点。
而变压器磁芯驱动会更强烈，它会接近饱和点，而且在工作的每个周期还要返回零点。
在每个开关周期中要运行更大的磁通，就会有更大的磁芯损耗。
而BH曲线滞环的面积就决定了损耗，至少是每个周期的△B的平方的函数。
快速开关频率会有数倍的BH环向外摆出，当我们去重复这个曲线时，环路越宽，我们走的越远。
这个结果是比励磁频率的一次幂更大的结果。
磁芯损耗的物理意义是极其复杂的。
居里点测定注图：图（1）为无外磁场作用的磁畴图（2）为在外磁场作用下的磁畴铁磁物质被磁化后具有很强的磁性，但这种强磁性是与温度有关的。
随着铁磁物质温度的升缩等）全部消失，相应的铁磁物质的磁导率转化为顺磁物质的磁导率。
与铁磁性消失时所对应的温度即为居里点温度。
任何的平均磁矩称为自发磁化强度，用Ms表示。
2.测量装置及原理（1）测量装置由居里温度的定义知，任何可测定Ms或可判断磁性消失的带有温控的装置都可用来测量居里温度。
要测定铁磁材料的居里点温度，从测量原理上来讲，其测定装置必须具备四个功能：提供使样品磁化的磁场：改变铁磁物质温度的温控装置：判断铁磁物质磁性是否消失的判断装置；测量铁磁物质磁性消失时所对应温度的测温装置。
JLD－II居里点温度测试仪是通过图（3）所示的系统装置来实现以上4个功能的。
待测样品为一环形铁磁材料，其上绕有两个线圈L1和L2，其中L1为励磁线圈，给其中通一交变电流，提供使环形样品磁化的磁场。
将其绕有线圈的环形样品置于温度可控的加热炉中以改变样品的温度。
将集成温度传感器置于样品旁边以测定样品的温度。
本装置可通过两种途径来判断样品的的磁性消失：（1）通过观察样品的磁滞回线是否消失来判断。
铁磁物质最大的特点是当它被外磁场磁化时，其磁感应强度B和磁场强度H的关系不是非线性的，也不是单值的，而且磁化的情况还与它以前的磁化历史有关，即其B（H）来一闭合曲线，称之为磁滞回线，如图（4）所示。
当铁磁性消失时，相应的磁滞回线也就消失了。
因此测出对应于磁滞回线消失的温度，就测得了居里点温度。
1、如果开机没有反应,如何处理?。
检查保险丝是否烧断，如果烧断就要更换保险丝。
操作时要注意：电源打开前，必须将“升温—降温”开关置于“降温”的位置；电源打开后，才将“升温—降温”开关置于“升温”的位置。
否则，冲击电流可能烧坏保险。
2、如果温度显示装置无变化或升温很慢,怎么办?检查温控装置的接头是否接好。
操作：接好温控装置的接头。
磁谱分析—动态磁化过程中的磁损耗磁谱是指物质在弱交变电场中复数磁导率的和随频率变化的关系。
以铁氧体的磁谱为例，分析磁谱中所对应的损耗。
铁氧体的磁谱曲线如图1。
图1铁氧体的磁谱曲线低频区域（f<104Hz）低频区域磁谱的特点是μ'较高，μ''较低，而且μ'和μ''随频率f的变化较小，引起损耗μ''的机理主要是磁滞和磁后效引起的剩余损耗。
中频区域（f约为104~106Hz）中频磁谱与低频磁谱较为相似，μ'和μ''的变化仍很小，但有时会出现由尺寸共振或磁力共振引起的μ''的峰值，尺寸共振和磁力共振与样品几何尺寸以及力学振动特性有关。
高频区域（f为106~108Hz）高频磁谱的显著特点是μ'急剧下降，而μ''迅速增加，这主要是由于畴壁共振或弛豫引起的。
μ'可能超高频区域（f为108~1010）超高频磁谱的特点是μ'继续下降，1-出现负值，而且μ''出现共振峰值，这主要是由于自然共振引起的。
铁氧体典型磁谱曲线可以分为两部分，一是低中频区，指频率在1MHz以下的区域，影响低频区曲线的主要因素是磁滞、磁后效、尺寸共振、磁力共振。
在这个区域内，磁谱曲线的形状特点基本上是：μ'、μ''随变化趋势不大。
有时也会出现共振型或弛豫型曲线。
二是高频区，指频率f在106~1010Hz之间，影响高频磁谱曲线的主要因素则是畴壁共振和自然共振。
这个区域磁谱曲线的形状的主要特点是出现共振型和弛豫型的磁谱曲线。
畴壁共振和自然共振两个区域不一定是截然分开的，又是可以相互重叠。
铁磁体在交变磁场的作用下，由于交变磁场的快速变化，使其磁化状态的改变往往在时间上落后与交变磁场的变化，以致任何趋于稳定的磁化状态的建立都要经过一定的时间以后才能完成，所以铁磁体在交变磁场中的动态磁化过程要考虑磁化时间效应，而这主要就是动态磁化过程中的损耗问题。
不同激励条件对铁氧体磁心损耗的影响铁氧体是一种常见的磁性材料，广泛应用于电力、电子、通讯等领域。
磁心损耗是铁氧体在应用过程中的一个关键问题，因为它会导致能量损耗，降低设备效率，甚至缩短设备寿命。
因此，了解不同激励条件对铁氧体磁心损耗的影响具有重要的实际意义。
本文将从磁化强度、频率和温度三个方面探讨。
1. 磁化强度磁化强度是铁氧体磁性能的重要参数，它决定了铁氧体的磁化程度和磁场强度。
不同的磁化强度对铁氧体磁心损耗的影响是不同的。
实验表明，当磁化强度较小时，铁氧体磁心损耗较低。
但是，当磁化强度过大时，磁性材料中的磁畴会出现翻转，导致磁心损耗增加。
因此，在实际应用中，需要根据具体的工作条件和设备要求选择适当的磁场强度，以控制铁氧体的磁心损耗。
2. 频率频率是另一个影响铁氧体磁心损耗的因素。
实验发现，在高频率下，铁氧体磁心损耗会增加。
这是由于高频下磁化过程中磁场的快速改变导致了涡流损耗和分子摩擦损耗的增加。
因此，在选择铁氧体材料时，需要考虑工作频率，以避免磁心损耗过大。
3. 温度温度是影响铁氧体磁性能的主要因素之一。
随着温度的升高，铁氧体的磁矩会发生变化，从而对磁心损耗产生影响。
实验表明，当温度低于某一临界温度时，铁氧体的磁心损耗随着温度的升高而增加；当温度高于临界温度时，铁氧体磁心损耗反而会降低。
因此，在实际应用中，需要根据具体的工作环境和设备要求选择适当的工作温度，以控制铁氧体的磁心损耗。
综上所述，不同的激励条件对铁氧体磁心损耗的影响是复杂而多变的，需要综合考虑各种因素，为不同的应用场景选择合适的铁氧体材料和工作条件，以实现更高效、更稳定的设备运行和更长久的使用寿命。
磁损耗的种类及定义
磁损耗是指在磁性材料中，由于磁场的变化引起的能量损耗。
磁损耗主要分为以下几种类型：
1. 滞后损耗：磁性材料在磁场的作用下，磁化过程中由于磁畴壁的移动和磁畴的重排而产生的能量损耗。
2. 旋转损耗：当磁场的方向发生改变时，磁性材料中的磁畴会发生旋转，旋转过程中会产生涡流，从而产生能量损耗。
3. 剩余损耗：当磁性材料中的磁场消失时，磁畴的重排过程中会产生涡流，从而产生能量损耗。
4. 涡流损耗：当磁性材料处于交变磁场中时，磁场的变化会引起材料中的涡流发生，涡流产生能量损耗。
这些不同类型的磁损耗会导致磁性材料发热，降低效率，并且可能影响材料的寿命。
因此，在设计和应用磁性材料时，需要考虑和减小磁损耗。
磁滞损耗的名词解释一、前言在物理学中，磁滞损耗是一个重要而广泛讨论的概念。
它是指当磁性材料处于变化的磁场中时，由于磁矩的重新排列所导致的能量损耗现象。
磁滞损耗对于许多领域的应用都有着重要的影响，尤其是在能源转换和电磁设备方面。
本文将对磁滞损耗进行详细的名词解释，以帮助读者更好地理解这一概念的含义和应用。
二、磁性材料的基本特性磁性材料是指能够被磁场强行磁化并保持一段时间的物质。
它们具有一种称为磁矩的属性，磁矩可以理解为代表物质中微观电子运动形成的磁场。
磁性材料的磁滞损耗与其具有的磁滞回线特性密切相关。
三、磁滞回线与磁滞损耗的关系磁滞回线描述了磁场强度与磁化强度之间的关系。
当磁场强度逐渐增加时，磁性材料的磁化强度并不会立刻达到最大值。
相反，磁矩的重新排列需要一定的时间和能量。
在磁场强度达到一定程度后，磁化强度开始迅速增加，这被称为饱和磁化强度。
当磁场强度逐渐减小时，磁化强度并不会立即跟随减小，而是保持一定时间后才开始下降。
这导致磁滞回线上的闭合曲线，形成一个环状。
磁滞回线上的面积大小代表了磁滞损耗的大小。
磁滞损耗与两个方面有关：一是磁性材料的特性，例如材料的导磁率和饱和磁感应强度；二是外部施加的交变磁场的频率和幅值。
当交变磁场的频率和幅值增加时，磁滞损耗也会相应增加。
四、磁滞损耗的影响因素1.材料特性：磁滞损耗与材料的导磁率和饱和磁感应强度有关。
一般来说，导磁率越高，磁滞损耗越小。
而饱和磁感应强度越高，磁滞损耗越大。
2.温度：温度对磁性材料的导磁率和饱和磁感应强度有着明显影响。
随着温度的升高，磁滞损耗通常会减小。
3.频率：磁滞损耗与施加的交变磁场的频率有关。
当频率增加时，磁滞损耗也会相应增加。
四、磁滞损耗的应用磁滞损耗对于许多领域的应用至关重要。
在电力传输和变压器中，磁性材料常常用于制造磁芯，以减少能量损耗和提高效率。
在电动机和发电机中，磁滞损耗的减小可以提高能源转换效率。
此外，在磁存储器件和磁传感器中，理解和控制磁滞损耗对于提高存储密度和传感器的灵敏度至关重要。
