電機(jī)是一種電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的裝置，其實(shí)現(xiàn)路徑的核心在于電磁感應(yīng)，因此磁性材料是電機(jī)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵一環(huán)。

磁性的來(lái)源。

材料的磁性源自于內(nèi)部電子的自旋以及運(yùn)動(dòng)，材料內(nèi)部的原子會(huì)自發(fā)形成一個(gè)個(gè)磁性取向一致的原子團(tuán)，這些原子團(tuán)就像一個(gè)個(gè)小磁鐵，稱為“磁疇”。一般情況下，每個(gè)磁疇方向排列雜亂無(wú)章，磁性相互抵消，因此在宏觀上并不顯示磁性。而一旦置于外部磁場(chǎng)中，這些磁疇便會(huì)與外部磁場(chǎng)取向一致，從而在宏觀上顯示出磁性。

電機(jī)中使用的磁性材料一般包括永磁材料和軟磁材料。永磁材料在外部磁場(chǎng)中產(chǎn)生磁性（磁化）后，將外部磁場(chǎng)撤去，因?yàn)榇女牱较虻淖儎?dòng)阻力較大，材料仍舊保留很強(qiáng)的磁性，真正的變成了“永久”的磁鐵。而軟磁材料磁疇變動(dòng)阻力小，在外部磁場(chǎng)撤去之后即失去磁性。常用的永磁材料有釹鐵硼、鐵氧體等，常用的軟磁材料有硅鋼、鐵等。 如果將磁性材料置于周期變化的磁場(chǎng)中，材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化會(huì)存在一定的滯后，材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度和外部磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化形成一個(gè)閉合的曲線，稱為磁滯回曲線（圖1）。O-a的過(guò)程稱為初始磁化曲線；a-b過(guò)程，外部磁場(chǎng)強(qiáng)度降到0，材料內(nèi)部仍保留磁感應(yīng)強(qiáng)度Br，稱為剩磁；b-c'過(guò)程，需要施加一定反向磁場(chǎng)強(qiáng)度才能將材料內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度清零，這個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度就是矯頑力Hc；

圖1 磁滯回線

圖2 軟磁材料（左）和永磁材料（右）的磁滯回線

軟磁材料內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度隨外部磁場(chǎng)強(qiáng)度變化滯后非常小，相應(yīng)的剩磁和矯頑力也很?。▓D2左），而永磁材料則具有較大的剩磁和矯頑力（圖2右）。

對(duì)于電機(jī)而言，磁性材料的作用要么是提供磁場(chǎng)要么是導(dǎo)磁，前者用永磁材料承擔(dān)，后者用軟磁材料。

軟磁材料在電機(jī)中的應(yīng)用。

電機(jī)的轉(zhuǎn)子/定子鐵心需要高效導(dǎo)磁，根據(jù)安培環(huán)路定律，鐵芯中的磁場(chǎng)強(qiáng)度H=Ni/l，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=μH，因此得到鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=μN(yùn)i/l 。其中N是線圈匝數(shù)，i是電流，l是平均磁路強(qiáng)度，這些對(duì)于給定的電機(jī)和電流情況下是常數(shù)，所以磁感應(yīng)強(qiáng)度正比于鐵心材料的磁導(dǎo)率 。因此，鐵心材料需要磁導(dǎo)率盡可能高。下表給出了常見(jiàn)材料的相對(duì)磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)（相對(duì)磁導(dǎo)率μr=μ/μ0 ，磁導(dǎo)率和真空磁導(dǎo)率的比值）。

可以看出，硅鋼片和鐵都是高磁導(dǎo)率材料。但是電機(jī)的轉(zhuǎn)子/定子鐵心一般使用硅鋼片疊壓制造而成，這主要是考慮電機(jī)的磁滯損耗和渦流損耗。

在交變磁場(chǎng)中，材料被反復(fù)交變磁化，磁疇反復(fù)運(yùn)動(dòng)，相互摩擦消耗能量，從而會(huì)造成磁滯損耗。在同樣的磁感應(yīng)強(qiáng)度和鐵心體積下，磁滯損耗正比于磁場(chǎng)交變頻率以及磁性材料磁滯回線面積大小，這意味著電機(jī)鐵心應(yīng)當(dāng)盡可能選擇磁滯回線更“瘦”的材料，以降低磁滯損耗。經(jīng)驗(yàn)公式斯坦梅茲公式Ph=CfVB^n 指出磁滯回線面積正與最大磁感應(yīng)強(qiáng)度B的n次方成正比。在高磁感應(yīng)強(qiáng)度下，硅鋼的n值在2左右，鐵的n值在3左右，硅鋼的磁滯損耗小很多。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在交變磁場(chǎng)中，鐵心中會(huì)產(chǎn)生漩渦狀感應(yīng)電流，即渦流，這部分電流產(chǎn)生熱量即渦流損耗 。渦流損耗與材料的電阻率負(fù)相關(guān)，加入硅元素之后，材料的電阻率增加，從而大幅降低了渦流損耗。此外，電機(jī)鐵心使用硅鋼片疊壓制造而成，每層硅鋼片上的覆蓋層使得每一片之間相互絕緣，從而進(jìn)一步降低了電機(jī)的渦流損耗。

圖3 步進(jìn)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子鐵心（金的電機(jī)）

永磁材料在電機(jī)中的應(yīng)用。

在電機(jī)中，永磁材料可以替代電流勵(lì)磁產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，從而達(dá)到更高的電機(jī)效率。實(shí)際應(yīng)用中我們總是希望永磁材料磁性更強(qiáng)、更穩(wěn)定，結(jié)合前文關(guān)于磁滯回線的內(nèi)容，也就是需要永磁材料的剩磁高、矯頑力大。下表列出了常見(jiàn)的永磁材料性質(zhì)。

目前，釹鐵硼材料因其極高的剩磁和矯頑力特性，是高性能電機(jī)中應(yīng)用最多的永磁材料。

PM步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上覆蓋著一圈環(huán)形徑向充磁的永磁體，外表光滑，圓周上均勻分布著交替的N極和S極，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 PM步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)

混合式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖5 所示，一組轉(zhuǎn)子是由兩個(gè)相互錯(cuò)開(kāi)的帶齒轉(zhuǎn)子鐵心夾住一塊軸向充磁的永磁體構(gòu)成，兩個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心分別是N極和S極，從而形成了圓周上相互交替的N極和S極齒。

圖5 混合步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

綜上所述，磁性材料的種類繁多，性能各異，成本也相差懸殊，在電機(jī)中扮演的角色也各不相同，在設(shè)計(jì)電機(jī)的過(guò)程中，還是需要根據(jù)實(shí)際需求，選擇最合適的磁性材料，做到既能滿足性能要求，又能最大程度上降低制造成本。東莞金的電機(jī)有限公司是控制電機(jī)設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的專家，專業(yè)為客戶提供電機(jī)控制解決方案。