永磁電機鐵損的處理分析

12-26

*1.鐵損分類

鐵損（iron loss，也稱作core loss）是指像變壓器、電感器、交流馬達及交流發電機等有導磁體（以下簡稱為鐵芯）的電機設備中，因導磁體受到變動磁場的影響，在鐵芯中損耗的部分能量，損耗的能量會以熱的方式散失，有時則是以噪音的方式散失。

鐵損可分為磁滯損（Hysteresis losses）、渦流損（Eddy-current losses）及異常損（Anomalous losses）3種。

磁滯損（Hysteresis losses）：當通過鐵芯的磁場改變時，鐵芯材料的磁化強度

會變化，因為磁疇壁的移動，造成其中微小磁疇的膨脹及收縮。不過磁疇壁在移動時，會受到晶體缺陷的影響而卡住，最後磁疇壁仍會移動，但是會發熱，即為磁滯損。磁滯損可以從材料的B-H曲線中看出，B-H圖為一封閉的曲線，磁場變化一個周期時，單位體積材料的磁滯損即為磁滯圈內的面積，若交流磁場大小不變，每一周期的能量損失為定值，此時磁滯損和頻率成正比。

磁滯損耗

渦流損（Eddy-current losses）：若鐵芯為導體，因為電磁感應，磁場的變化會感應在導體內循環的電流，稱為渦電流。渦電流和磁場垂直。渦電流的能量會因為鐵芯材料的電阻而發熱耗散，渦流損和電流循環面積的大小成正比，和材料的電阻率。若鐵芯是由薄的疊層組成，中間又有絕緣的塗層，可以減少渦流損。調整鐵芯材料也可以減少渦流損，一種是使用導磁但不導電的材料，例如鐵氧體，若使用加硅的電工鋼（矽鋼），鋼的電阻率明顯上升，也可以減少渦流損。

渦流損耗

異常損（Anomalous losses）：包括磁滯損及渦流損以外的損失，也可以描述成磁滯圈因為頻率而加大。異常損的物理機制包括移動磁疇壁時局部的渦流損。

名詞解釋：磁疇 是鐵磁質的基本組成部分；材料內部擁有均一磁化強度的區域；鐵磁質的原子磁矩主要由原子中電子自旋決定；在各磁疇中，原子磁矩的排列各有相互平行的自發傾向，磁矩方向保持一致，因此具有磁性；但是各磁疇的排列方向是混亂的，所以鐵磁體在沒有被磁化前不顯磁性。磁矩結構與鐵磁性物質（例如鐵）的磁性行為有關。

顯微鏡下的磁疇

在其他的材料中，一般並不存在磁疇結構。在居里溫度以下，磁疇是自發出現的，並不需要外部磁場的存在。不同磁疇內磁矩的方向不同，在磁疇的邊界，磁矩從一個方向連續地過度到另一個方向。磁疇的典型尺寸在10的-15 m3 在外磁場的作用下，各磁疇的大小發生變化，自發磁化方向和外磁場方向相同或近似相同的磁疇擴大，方向相反或近似相反的磁疇縮小，以致外磁場方向上的總磁矩跟著外磁場的增強而增加；當外磁場增強到一定程度，所有磁疇的磁矩方向一致，這時達到磁性飽和。

2.鐵損分離原理

（1）頻率分離

因為磁滯損耗與頻率成正比，渦流損耗與頻率平方成正比，根據這個特點進行鐵損的分離。即當磁通密度為B時，鐵損表達式可以寫為 W ironloss= a（B）×f+b（B，f）×f2

等式兩側除以頻率f即可得到 W/f=a+b×f，求出a，b值就可以計算出渦流損耗和磁滯損耗了，異常損耗忽略。

（2）計算案例：1.5KW永磁同步電機計算模擬分析

選擇鐵損合計的計算方法