铁心材料又称为软磁材料。图17 展示了主要的软

磁材料。

软磁材料可以大致分为两类：

① 金属软磁材料；

② 以氧化铁为主原料的铁氧体软磁材料。

这些软磁材料的饱和磁通密度Bs 和频率为1kHz

时Bm = 0.1T 的铁损W1/1k 的关系如图18 所示。

那么接下来看一下铁心材料几个重要的参数。

铁心材料具有增加磁通密度的作用，每种物质都有饱和磁通密度，达到此量以上，磁通量就无法再通过铁心材料。另外，饱和磁通密度高意味着可以产生强磁力。磁力强度不仅取决于流经线圈的电流，也取决于所选定的材料。那么，在电机中已经达到磁饱和（达到最大磁通密度）的情况下，电流进一步增大会怎样呢？不会产生更大的磁力，原因在于线圈的阻抗（电感）急剧降低，电流开始快速地流动。换句话说，电机转矩并没有增加，而电流徒劳地流动，最后转化为热。此外，Bs 是材料本身固有的特性，不依赖于频率。

如前所述，铁损主要包括磁滞损耗和涡流损耗，且因材料而异。因为这两种损耗都带有频率特性，频率发生变化则图18 中各材料的位置关系也会大有不同。图18 显示的高频率为1kHz 时的情况。

如果没有铁损的发热影响，在铁心中使用Bs 大的软磁材料，可以获得铁心最大的磁通密度Bm。此外，铁心的体积与Bm 的平方成反比，从小型化的角度来看，Bs 大的材料也具备优势。另一方面，从提高效率的角度来看，首选铁损小的软磁材料铁心。因此，需要位于图18 右下方区域的高Bs 且低铁损的优质软磁材料。但是，正如图18 所示，高Bs 和低铁损之间要折中，可以同时满足两者的理想软磁材料并不存在。从图18 中还可以看到，频率1kHz 时，高Bs 方面，波明德合金有优势；低铁损方面，则纳米晶软磁合金和PC 型坡莫合金（高磁导率材料）比较有优势。

表1 列出了主要的电机铁心材料的尺寸和特性。

最常使用的铁心材料

电机铁心材料用得最多的是无取向电磁钢板，其在铁元素中添加质量分数为1% ～ 3% 的硅元素，表面施加绝缘涂层。

特征：

是最广泛使用的电机铁心材料。厚度为0.15 ～ 0.5mm如前所述，铁心材料采用薄板叠层，但对于通常使用的无取向电磁钢板，0.35mm 和0.50mm 是标准厚度。最近，为了低铁损化，板厚0.15mm 的产品（15HX1000）也已投入实际使用。为了改善加工应力导致的磁特性劣化现象，目前推荐在氮气环境中进行720 ～ 750℃热处理（退火）。无取向电磁钢板的全世界年产量超越了一千万吨，作为电机用铁心材料具有压倒性的市场份额。

 磁致伸缩为零，劣化程度小

在铁中添加质量分数为6.5% 硅元素的无取向电磁钢板（记为6.5% Si-Fe），其表面为绝缘涂层。它的磁致伸缩系数几乎为零，以铁损为代表的磁特性得到了大幅改善，加工中的磁特性劣化程度较小。

 不能压延加工

6.5% Si-Fe 与通常的无取向电磁钢板不同，它不能进行压延加工。因此，无取向电磁钢板通常是使用化学气相沉积法（CVD）使硅元素扩散至6.5% 来制造的。供应商目前全球只有一家（JFE 钢铁），其年供应量以千吨计。此外，在质量相当的情况下，6.5% Si-Fe的价格通常是无取向电磁钢板的10 倍左右，价格较高。

 铁损小但磁致伸缩恶化导致易劣化

一般使用的PB 型坡莫合金是质量分数为40%～50%的镍和铁的合金，板厚为0.05 ～ 2.0mm，最大宽度可达400mm。与无取向电磁钢板相比，它的铁损更小，容易加工。但是，由于其饱和磁致伸缩系数为25×10-6，偏大，加工时由于施加应力的关系其磁特性将大大劣化。为了改善磁特性劣化的状况，加工后有必要在其表面涂上氧化铝或氧化镁粉末作为绝缘层，并在氢气环境中进行1100℃热处理（退火）。PB 型坡莫合金由于使用了价格较高的镍，因此在质量相当的情况下其价格通常是无取向电磁钢板的几十倍，价格更高。

 具有最大的饱和磁通密度

一般使用的波明德合金是质量分数为49% 的钴、质量分数为2%的钒和铁的合金，板厚为0.05 ～ 2.0mm，最大宽度可达200mm。

 加工难，价格高

不仅加工困难，而且由于饱和磁致伸缩系数极大（达到70×10-6），加工应力将导致其磁特性大大劣化。

为了改善磁特性劣化的状况，加工后有必要在其表面涂上氧化铝或氧化镁粉末作为绝缘层，并在氢气环境中进行850℃热处理（退火）。波明德合金由于含有钴和钒这样的高价金属，其价格通常是无取向电磁钢板的数百倍，极为昂贵。

 铁损极小且不需要绝缘处理

作为非晶体，其磁滞损耗较小，体积薄又使得其电阻率较大，涡流损耗较小，从而铁损也较小。目前，具备这种特征的铁心材料已开始投入使用。铁基非晶合金是用图19 所示的单轧辊液体急冷法连续铸造出来的。

以具有代表性的铁基非晶合Metglas2605SA1（以下称为SA1）为例，将铁、硅、硼的合金液体从内部已经水冷后的金属轧辊上喷出，可实现速率为106℃ /s以上的急速凝固，超过了结晶核的生长速度，最终可得到图20 所示的铁基非晶合金薄带。其标准铸造尺寸为142.2mm、170.2mm、213.4mm。在这个铸造过中，合金表面会自然形成一层厚度为10nm 左右的绝缘膜，因此在一般的电机和变压器中不需要进行绝缘处理。

 热处理会变脆

在急速凝固的影响下，合金中存在着极大的内部应力。另外，饱和磁致伸缩系数达到27×10-6，在铁心材料中已经比较大了，在内部应力的影响下磁特性会大大劣化。为改善劣化的磁特性，通常在氮气环境350℃下进行热处理。但是，进行热处理的话，铁基非晶合金会变脆，难以在电机中保持必要的机械强度。由此，表2 列出了没有进行热处理的铁基非晶合金特性。

 饱和磁通密度低

如果不进行热处理，铁基非晶合金的铁损与其他的铁心材料相比较小，这是它作为电机铁心材料的最大优势。然而它的饱和磁通密度Bs 只有无取向电磁钢板的3/4，这是它的缺点。

 加工困难

板厚为0.025mm，维氏硬度为900，从而加工困难，这是其缺点。作为电机铁心材料时，如何对其进行加工成了一个重要的课题。目前有一家日本公司（日立金属），一家美国公司（XXXXXXXXXXc），以及几家中国公司在通过连续铸造生产宽度超过100mm 的这种铁基非晶合金。它的全球年产量为十几万吨，其中90% 以上作为商用频率（50Hz和60Hz）变压器的铁心材料使用。它的单位质量价格通常是无取向电磁钢板的倍。