电机中的铁芯一般多采用什么材料（电机理论基础知识）

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开车路上，思绪乱飞，突然想到一个很有意思的问题，那就是电机的骨架为什么是“铁”芯?不是“木头”芯，不是“陶瓷”芯，或者是“铜”芯 。除了强度以外，有什么更深层次的原因呢？

在电机学中，有两个非常重要的概念：磁场强度H（A/m）和磁感应强度B（T）。

磁场强度H在历史上最先由磁荷观点引出。铁棒是有大量的分子组成的，磁荷观点来看，铁棒里面每个分子可以看作一个有NS极的小磁棒。通常小磁棒是杂乱无章的，磁性相互抵消，宏观看铁棒无磁性。将铁棒放在与铁棒平行的磁场中（原磁场），小磁棒受到磁场力沿磁场方向转向，小磁棒前后磁性抵消，只剩铁棒端部磁性无法抵消，宏观上看，铁棒好似一个两端有磁极的大磁铁。这个大磁铁产生的磁场的表征量就是磁场强度H。磁棒中某点的磁场强度就是原磁场强度与铁棒产生的附加磁场强度的叠加。

后来安培提出分子电流假说，认为并不存在磁荷，磁现象的本质是分子电流。分子环流观点来看，铁棒里面每个分子可以看作小线圈（磁偶极子）。通常小线圈是杂乱无章的，磁性相互抵消，宏观看铁棒无磁性。将铁棒放在与铁棒平行的磁场中（原磁场），小线圈受到磁场力作用，沿磁场方向转向，线圈平面与铁棒平面平行，在铁棒内部相邻的小线圈电流相反，相互性抵消，只有在铁棒截面边缘的小线圈电流未被抵消，宏观上看，铁棒好似一个两端有磁极的大环形电流，这个大环形电流产生的磁场的表征量就是磁感强度B。

安培分子电流假说推广后，磁场的强度多用磁感应强度B表示。这也就是为什么有言论说磁场强度H是历史造就的无效名词。

但是在磁介质的磁化问题中，磁场强度H作为一个导出的辅助量仍然发挥着重要作用。把磁场中某点磁感应强度B与介质磁导率μ的比值叫作该点的磁场强度。磁场强度由磁感应强度与磁导率定义而来，起辅助作用，重要的是理解后两者。

有了电磁基础后，我们接着往下走。永磁同步电机的本质是利用磁场（定子导电线圈产生磁场 转子永磁体产生磁场）产生电磁力（转矩）。磁场的电磁力的大小与磁感应强度、导体内的电流、导体的长度以及电流与磁场方向间的夹角都有关系，在均匀磁场中，他们之间的关系可用公式F=BILsinθ表示。这个大家在高中物理已经很熟悉了。

也就是说，在励磁电流和永磁体规格确定的情况下，磁感应强度越大，电磁力越大。那么那些因素影响磁感应强度呢？答案是磁导率。

磁感应强度与磁导率（表示在空间或在磁芯空间中的线圈流过电流后，产生磁通的阻力或是其在磁场中导通磁力线的能力。其公式μ=B/H）相关。关于磁场强度、磁感应强度、磁导率三者之间的关系，我们可用B-H曲线来理解。

B-H曲线也叫迟滞回线，这个曲线是铁磁性材料特有的曲线。如果一个从没有被磁化的磁铁，当增加H磁场强度时，它的磁感应强度B会沿着图中的虚线上升，当到达a点时，即使再增加H，B几乎没有很大的改变，这个时候铁磁材料达到了磁饱和。当H减小到0时，B将会从a点移动到b点，我们发现它并没有按原来的路线返回，而是滞后于H的变换，我们叫这种现象为磁滞。把在b点的剩余磁感应强度B叫做剩磁。当反向增加H到c点时，剩磁为0，我们把H在c点的值称为矫顽力，其实它并不是力，它是矫顽力场的简称。

回到之前谈的磁导率，磁场中的介质磁导率越大，那么磁感应强度就越大，电磁力也越大。这也就是为什么要采用磁导率更高的金属冲片。

从另外一个角度，我们也可以把铁芯理解是一个磁场的"放大器"：如果周围介质是真空, 一段电流(假设是直流)只能在它周围产生最少的磁场, 这个磁场的强度与电流的大小成正比, 但如果周围介质是磁性材料, 则电流感生的"原始"磁场会被放大。所以，从磁导率的角度出来，钢铁当然是首选材料了。

在平时工作过程中，关于电机铁芯，我们听到的最多的词汇是“硅钢片”。

为了提高钢铁冲片的磁导率，我们会加入少量“硅”。硅含量对硅钢的特性影响很大，随着硅含量的增加，硅钢的磁滞伸缩系数减小，铁损降低，磁导率增加。当硅含量达到 6.5% 时，硅钢的磁导率达到最大值，磁致伸缩趋近于零，具有优异的磁学性能。但硅含量超过3.5％时，会使钢变硬变脆，从而无法轧制成薄钢板，这也是为什么硅钢片难以做薄的原因之一。除了硅以外，还可以加入钴，即所谓的钴钢片。

前面我们谈到高含量硅的铁芯铁损较小。电机铁损包括由主磁场在铁芯中发生变化产生的基本铁耗、空载时铁芯中的附加(或杂散)损耗以及由于定子或转子的工作电流所产生的漏磁场和谐波磁场在铁芯里引起的损耗。后两项一般归入难以准确定量计算的杂散耗。

基本铁耗包括铁芯磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗是铁磁体等在反复磁化过程中因磁滞现象而消耗的能量。回到之前的B-H曲线，每经一次循环，每单位体积铁芯中的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积。这部分能量转化为热能，使设备升温，效率降低。

导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，导体内的感生的电流导致的能量损耗，叫做涡流损耗。

因涡流损耗的存在，为减少涡流损耗，常将铁心用许多薄片叠成，这些薄片表面涂有薄层绝缘漆或绝缘的氧化物。磁通穿过薄片的狭窄截面时，涡流被限制在沿各片中的一些狭小回路流过，减少了回路串联。即所谓的“化整为零”。

永磁同步电机磁极产生的磁通分为两部分：一部分通过气隙与电枢绕组交链，称为主磁通（有效磁通），另一部分不与电枢绕组交链，称为漏磁通（无效磁通）。总磁通与主磁通的比值称为漏磁系数。

在永磁电机中，为了不使永磁体的漏磁系数过大而导致永磁体的利用率过低，采取的隔磁措施：在两个永磁体之间用硅钢片将其隔离开，两个永磁体之间的硅钢片被称为隔磁桥。

隔磁桥这个词其实具有很大的误导性，对于电机入门者极不友好。实际上，真正起作用的是Flux Barrier，转子的磁槽里并不是100%填充磁钢，而是留了一部分气隙。气隙里面都是空气，磁导率低，磁阻大，就能引导磁密线穿过较窄的定转子气隙，去耦合定子绕组，形成有效磁通，而不是直接经过转子铁芯形成磁场闭合，形成漏磁的浪费。

通过设置障碍，让磁感线去它应该去的地方，这就是隔磁桥的目的，其实叫“引导桥”更通俗易懂。

隔磁桥的厚度越小，越容易形成磁饱和，能引导更多的磁密线去形成有效磁通，漏磁也就越小。在实际设计过程中，需考虑冲片机械强度。电机高速化的发展，对隔磁桥的考验是巨大的。这也就是为什么Tesla Model S 采用了碳纤维转子。

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