深入了解磁性材料的磁滞损耗：现象、原理与应用

1.磁滞损耗的定义

 

     磁滞损耗，英文名为 magnetic hysteresis loss，是指铁磁体等在反复磁化过程中，因磁滞现象而消耗的能量。当铁磁质处于交变磁场中时，其内部的磁感应强度变化总是滞后于磁场强度的变化，这种 “磁性滞后” 的现象导致每一次磁化循环都会消耗能量，这部分能量损耗即为磁滞损耗 。形象地说，就如同我们推动一个有惯性的物体，每次改变其运动方向都需要额外的力气。在铁磁材料中，当磁场强度改变方向时，磁畴的重新排列需要克服一定的阻力，这就导致了能量的消耗。

2.磁滞损耗的产生原理

 

A.磁畴结构与磁化过程

     磁性材料的微观结构由许多磁畴组成。在未磁化状态下，磁畴的磁矩方向杂乱无章，对外不显磁性。当外部磁场施加时，磁畴的磁矩会逐渐趋于一致，这个过程就是磁化。在磁化过程中，磁畴壁会发生位移，磁畴磁矩方向也会转动。然而，当磁场减至零时，磁畴结构并不会完全返回到未加磁场时的状态，磁感应强度一般不为零，这就体现了磁化过程的不可逆性，是磁滞损耗产生的根源之一 。例如，我们可以将磁畴想象成一个个小磁针，在没有外部磁场时，它们随意指向各个方向。当有外部磁场时，小磁针开始朝着磁场方向排列，但当磁场消失后，部分小磁针并不会完全回到原来的杂乱状态，而是保留了一定的指向，这就导致了能量的损耗。

B.磁滞回线的奥秘

     铁磁性物质的磁化状态变化可以通过磁滞回线来描述。从原点开始，随着磁场强度从零增加，磁感应强度随之上升，当磁场强度增至一定值时，磁感应强度达到饱和值。此后，当磁场强度减小，磁感应强度并不沿原路径返回，而是滞后变化。当磁场强度减小为零时，磁感应强度不为零，此时的值称为剩余磁化强度。要使磁感应强度减为零，需要施加反向的磁场强度，这个反向磁场强度的值称为矫顽力。磁滞回线所包围的面积，就代表了单位体积的铁磁体在交变磁场磁化一周所产生的磁滞损耗 。简单来说，磁滞回线就像是铁磁材料磁化过程的 “轨迹图”，其面积越大，表明在磁化和退磁过程中消耗的能量越多，即磁滞损耗越大。

3.磁滞损耗的计算方法

 

A.理论计算

     在准静态反复磁化过程中，单位体积的铁磁体被交变磁场磁化一周所产生的磁滞损耗正比于磁滞回线所包围的面积。设交变磁场的频率为 f，则单位时间、单位体积的磁滞损耗 P_h 为 P_h = f × 磁滞回线面积。然而，由于各种变压器铁芯磁滞回线的形状各不相同，并且磁滞回线的面积与磁通密度增量以及导磁率和工作频率等均相关，要精确计算磁滞回线的面积是比较困难的 。例如，对于一些复杂形状的磁滞回线，使用常规的数学方法很难准确计算其面积。

B.经验公式

     为了便于计算磁滞损耗，人们总结了一些经验公式。瑞利定律：在弱磁场（瑞利区）情形下，磁滞损耗与磁场强度的平方成比例；在稍高磁场情形下，磁滞损耗与磁场强度的立方成比例 。不过，该定律只适用于特定的磁场范围和材料特性。磁滞损耗功率为

4.磁滞损耗的影响因素

 

      不同类型的磁性材料具有截然不同的磁滞回线，这直接决定了磁滞损耗的大小。一般来说，软磁性材料磁导率高、矫顽力低，磁滞回线面积较小，磁滞损耗也较低。例如，在变压器铁芯中，通常选用硅钢片作为材料，就是因为其磁滞损耗低，可以有效提高变压器的效率。

B.温度

     温度对磁性材料的磁滞损耗影响显著。随着温度的升高，磁性材料的磁化过程变得相对容易，磁滞损耗会降低。然而，当温度超过材料的居里温度时，磁性材料会失去磁性，磁滞损耗会急剧增加 。比如，某些磁性材料在常温下磁滞损耗较小，但当温度升高到接近居里温度时，其磁滞损耗会大幅上升，导致设备性能急剧下降。

C.磁场频率

     磁场频率对磁滞损耗的影响也不容忽视。当磁场频率较低时，磁畴有足够的时间进行磁化和去磁化，磁滞损耗相对较小。而当磁场频率较高时，磁畴的磁化和去磁化过程受到限制，磁滞损耗会增加 。   

     在电子变压器中，磁滞损耗是铁芯损耗的重要组成部分。磁滞损耗会导致磁芯发热，不仅降低了变压器的效率，还可能影响变压器的使用寿命。

     磁滞损耗作为铁磁材料在交变磁场中应用时的一项重要性能指标，深刻影响着众多电气设备的性能和效率。通过深入了解磁滞损耗的定义、产生原理、计算方法、影响因素，以及在不同领域的应对策略，我们能够更好地设计和优化电气设备，提高能源利用效率，推动电力工程和电子技术的不断发展。