压应力对取向硅钢的磁滞损耗和磁致伸缩的影响
2006-03-22 09:09:32
来源：《国际电子变压器》2006年4月刊
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1引言
电动机、变压器等磁心的磁特性严重影响到电器、电子设备、仪表等的性能。磁心经常被应用于不同的压力状况下，其磁性能也通常因为受到压应力而变差。磁心的性能因压应力导致的改变，对电器、电子设备以及仪表等的性能影响是极为严重的。因此，压应力对材料性能的影响成了研究课题。压应力对取向硅钢磁滞损耗和磁致伸缩特性的定量关系还需要进行深入的研究，本文为此进行了较深入的探讨，得到了一些结论。
2试验方法与过程
用作试验的取向硅钢的牌号是35ZH115和35Z135，其分别代表高磁感应强度硅钢和一般取向硅钢。它们的试样材料尺寸为300mm×30mm，而且每一种钢带分别按轧制方向与其横向取样，在本文中，沿轧制方向所取的试样称“L”试样，横向的样品则称“T”试样。
试验时将试样放置于一个可以调整的槽体内以防止试样弯曲变形，压应力则沿试样纵向施加，并且，在磁化曲线的励磁和退磁过程中始终保持着压应力。
磁滞损耗是通过对磁化曲线的面积计算的，磁致伸缩是通过材料的应变测量值来计算的，最大的应变用λ表示。
3试验结果分析
图1所示为材料牌号是35ZH115的“L”试样的磁滞损耗（W）和磁致伸缩（λ）与压应力（σ）的关系。由图可见，压应力（σ）使磁滞损耗（W）增加。当压应力（σ）小于5MPa时，σ对磁滞损耗（W）的增加量的影响较小；另外，当压应力（σ）大于5MPa时，σ对磁滞损耗（W）的增加量影响较大。硅钢材料在工业化生产时，其表面涂有一层玻璃质薄膜。当去掉材料表面的玻璃薄膜后，压应力（σ）在1MPa时，磁滞损耗（W）将显著增加，这里可见涂层对磁滞损耗（W）的影响。
压应力σ能使沿压力轴方向的磁致弹性能量增大。以往的研究表明，对于“L”试样，压应力（σ）导致产生许多闭合的90°畴壁。励磁过程中，由于90°畴壁的移动导致产生大的磁致伸缩λ。因此，对于有涂层的“L”试样，当压应力大于5MPa时，λ的增加较大。
图2表示的是材料牌号为35ZH115的“T”试样的磁滞损耗（W）和磁致伸缩（λ）与压应力（σ）的关系。当压应力σ=0时，磁滞损耗（W）和磁致伸缩（λ）比“L”试样的大。因为“T”试样的纵向有很多沿磁化方向的晶粒，90°畴壁结构的出现在磁化中。它们的出现使σ=0时的磁滞损耗（W）和磁致伸缩（λ）增加。对于“T”试样，压应力（σ）存在时，磁致伸缩（λ）基本上没有变化，磁滞损耗（W）则稍有增加。这里说明了磁化方向与轧制方向垂直时，由于压应力σ的存在，磁化过程中材料的织构不发生变化。
在压应力σ的作用下产生的机械能λσ导致磁致伸缩（材料伸长）。
图3所示为材料牌号为35ZH115的磁滞损耗（ΔW）和λσ的关系。图3中的实线表明了（ΔW）与（λσ）成线性关系，这种关系可以用下列公式表示：
(1)
式中，α和β是定值。对于“L”试样，当λσ>10J/m3时，α=0.16。此外，在图4中可以看出去掉涂层的L试样在不同的最大磁感应强度Bm下的α值。当λσ大于临界值时，α值是不相同的，但α值小于2.0。
当试样材料上的涂层去掉后，甚至在没有压应力的情况下，也会出现闭合的90°畴壁。在磁化过程中，特别是在高的磁感应强度Bm下，畴壁的运动形式主要是移动。当存在压应力时，磁化比将由于畴壁的移动而增加。所以，可以认为在高的Bm时将会使磁滞损耗的增幅减小，即α小。晶核形成与消失的几率影响磁滞损耗。由图4可以看出，在高的磁感应强度Bm影响下，α值变小。
图5所示的是牌号为35ZH115的“T”试样的磁滞损耗变化值（ΔW）和λσ的关系。对于“T”试样而言，ΔW与λσ之间的相互关系也可以用公式(1)来描述，其中α值的大小取决于Bm。在相同的条件下，“T”试样的α值小于“L”试样的α值。因为“T”试样在磁化过程中，以90°畴壁移动为主；α取决于Bm，如同没有涂层的“L”试样。
表1所列的是数片成份相似但结晶结构不同材料的α值。表中50A290是无取向硅钢片，其晶粒尺寸比取向硅钢的晶粒尺寸小。Terfonol-D、Etrema和PMS-1分别是用free-standing区域测试方式（简称FSZM）和粉末冶金方式生产的大磁致伸缩材料。50A290和PMS-1的α值分别比取向硅钢和Etrema大。与取向硅钢相比，50A290和PMS-1中存在着大量的90°或180°畴壁，以及存在着磁化过程中大的晶核形成或消失的几率。因为晶核形成与消失都将导致磁弹性和磁滞损耗，由此可见，α值与磁化过程中90°畴壁晶核的形成与消失的增加数量密切相关。
参考文献（略）
电动机、变压器等磁心的磁特性严重影响到电器、电子设备、仪表等的性能。磁心经常被应用于不同的压力状况下，其磁性能也通常因为受到压应力而变差。磁心的性能因压应力导致的改变，对电器、电子设备以及仪表等的性能影响是极为严重的。因此，压应力对材料性能的影响成了研究课题。压应力对取向硅钢磁滞损耗和磁致伸缩特性的定量关系还需要进行深入的研究，本文为此进行了较深入的探讨，得到了一些结论。
2试验方法与过程
用作试验的取向硅钢的牌号是35ZH115和35Z135，其分别代表高磁感应强度硅钢和一般取向硅钢。它们的试样材料尺寸为300mm×30mm，而且每一种钢带分别按轧制方向与其横向取样，在本文中，沿轧制方向所取的试样称“L”试样，横向的样品则称“T”试样。
试验时将试样放置于一个可以调整的槽体内以防止试样弯曲变形，压应力则沿试样纵向施加，并且，在磁化曲线的励磁和退磁过程中始终保持着压应力。
磁滞损耗是通过对磁化曲线的面积计算的，磁致伸缩是通过材料的应变测量值来计算的，最大的应变用λ表示。
3试验结果分析
图1所示为材料牌号是35ZH115的“L”试样的磁滞损耗（W）和磁致伸缩（λ）与压应力（σ）的关系。由图可见，压应力（σ）使磁滞损耗（W）增加。当压应力（σ）小于5MPa时，σ对磁滞损耗（W）的增加量的影响较小；另外，当压应力（σ）大于5MPa时，σ对磁滞损耗（W）的增加量影响较大。硅钢材料在工业化生产时，其表面涂有一层玻璃质薄膜。当去掉材料表面的玻璃薄膜后，压应力（σ）在1MPa时，磁滞损耗（W）将显著增加，这里可见涂层对磁滞损耗（W）的影响。
压应力σ能使沿压力轴方向的磁致弹性能量增大。以往的研究表明，对于“L”试样，压应力（σ）导致产生许多闭合的90°畴壁。励磁过程中，由于90°畴壁的移动导致产生大的磁致伸缩λ。因此，对于有涂层的“L”试样，当压应力大于5MPa时，λ的增加较大。
图2表示的是材料牌号为35ZH115的“T”试样的磁滞损耗（W）和磁致伸缩（λ）与压应力（σ）的关系。当压应力σ=0时，磁滞损耗（W）和磁致伸缩（λ）比“L”试样的大。因为“T”试样的纵向有很多沿磁化方向的晶粒，90°畴壁结构的出现在磁化中。它们的出现使σ=0时的磁滞损耗（W）和磁致伸缩（λ）增加。对于“T”试样，压应力（σ）存在时，磁致伸缩（λ）基本上没有变化，磁滞损耗（W）则稍有增加。这里说明了磁化方向与轧制方向垂直时，由于压应力σ的存在，磁化过程中材料的织构不发生变化。
在压应力σ的作用下产生的机械能λσ导致磁致伸缩（材料伸长）。
图3所示为材料牌号为35ZH115的磁滞损耗（ΔW）和λσ的关系。图3中的实线表明了（ΔW）与（λσ）成线性关系，这种关系可以用下列公式表示：
(1)
式中，α和β是定值。对于“L”试样，当λσ>10J/m3时，α=0.16。此外，在图4中可以看出去掉涂层的L试样在不同的最大磁感应强度Bm下的α值。当λσ大于临界值时，α值是不相同的，但α值小于2.0。
当试样材料上的涂层去掉后，甚至在没有压应力的情况下，也会出现闭合的90°畴壁。在磁化过程中，特别是在高的磁感应强度Bm下，畴壁的运动形式主要是移动。当存在压应力时，磁化比将由于畴壁的移动而增加。所以，可以认为在高的Bm时将会使磁滞损耗的增幅减小，即α小。晶核形成与消失的几率影响磁滞损耗。由图4可以看出，在高的磁感应强度Bm影响下，α值变小。
图5所示的是牌号为35ZH115的“T”试样的磁滞损耗变化值（ΔW）和λσ的关系。对于“T”试样而言，ΔW与λσ之间的相互关系也可以用公式(1)来描述，其中α值的大小取决于Bm。在相同的条件下，“T”试样的α值小于“L”试样的α值。因为“T”试样在磁化过程中，以90°畴壁移动为主；α取决于Bm，如同没有涂层的“L”试样。
表1所列的是数片成份相似但结晶结构不同材料的α值。表中50A290是无取向硅钢片，其晶粒尺寸比取向硅钢的晶粒尺寸小。Terfonol-D、Etrema和PMS-1分别是用free-standing区域测试方式（简称FSZM）和粉末冶金方式生产的大磁致伸缩材料。50A290和PMS-1的α值分别比取向硅钢和Etrema大。与取向硅钢相比，50A290和PMS-1中存在着大量的90°或180°畴壁，以及存在着磁化过程中大的晶核形成或消失的几率。因为晶核形成与消失都将导致磁弹性和磁滞损耗，由此可见，α值与磁化过程中90°畴壁晶核的形成与消失的增加数量密切相关。
参考文献（略）
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