電機是一種電能和機械能相互轉化的裝置，其實現路徑的核心在于電磁感應，因此磁性材料是電機結構的關鍵一環。

磁性的來源。

材料的磁性源自于內部電子的自旋以及運動，材料內部的原子會自發形成一個個磁性取向一致的原子團，這些原子團就像一個個小磁鐵，稱為“磁疇”。一般情況下，每個磁疇方向排列雜亂無章，磁性相互抵消，因此在宏觀上并不顯示磁性。而一旦置于外部磁場中，這些磁疇便會與外部磁場取向一致，從而在宏觀上顯示出磁性。

電機中使用的磁性材料一般包括永磁材料和軟磁材料。永磁材料在外部磁場中產生磁性（磁化）后，將外部磁場撤去，因為磁疇方向的變動阻力較大，材料仍舊保留很強的磁性，真正的變成了“永久”的磁鐵。而軟磁材料磁疇變動阻力小，在外部磁場撤去之后即失去磁性。常用的永磁材料有釹鐵硼、鐵氧體等，常用的軟磁材料有硅鋼、鐵等。 如果將磁性材料置于周期變化的磁場中，材料內部的磁感應強度的變化會存在一定的滯后，材料內部的磁感應強度和外部磁場強度的變化形成一個閉合的曲線，稱為磁滯回曲線（圖1）。O-a的過程稱為初始磁化曲線；a-b過程，外部磁場強度降到0，材料內部仍保留磁感應強度Br，稱為剩磁；b-c'過程，需要施加一定反向磁場強度才能將材料內部磁感應強度清零，這個磁場強度就是矯頑力Hc；

圖1 磁滯回線

圖2 軟磁材料（左）和永磁材料（右）的磁滯回線

軟磁材料內部磁感應強度隨外部磁場強度變化滯后非常小，相應的剩磁和矯頑力也很小（圖2左），而永磁材料則具有較大的剩磁和矯頑力（圖2右）。

對于電機而言，磁性材料的作用要么是提供磁場要么是導磁，前者用永磁材料承擔，后者用軟磁材料。

軟磁材料在電機中的應用。

電機的轉子/定子鐵心需要高效導磁，根據安培環路定律，鐵芯中的磁場強度H=Ni/l，磁感應強度B=μH，因此得到鐵心中的磁感應強度B=μNi/l 。其中N是線圈匝數，i是電流，l是平均磁路強度，這些對于給定的電機和電流情況下是常數，所以磁感應強度正比于鐵心材料的磁導率 。因此，鐵心材料需要磁導率盡可能高。下表給出了常見材料的相對磁導率數據（相對磁導率μr=μ/μ0 ，磁導率和真空磁導率的比值）。

可以看出，硅鋼片和鐵都是高磁導率材料。但是電機的轉子/定子鐵心一般使用硅鋼片疊壓制造而成，這主要是考慮電機的磁滯損耗和渦流損耗。

在交變磁場中，材料被反復交變磁化，磁疇反復運動，相互摩擦消耗能量，從而會造成磁滯損耗。在同樣的磁感應強度和鐵心體積下，磁滯損耗正比于磁場交變頻率以及磁性材料磁滯回線面積大小，這意味著電機鐵心應當盡可能選擇磁滯回線更“瘦”的材料，以降低磁滯損耗。經驗公式斯坦梅茲公式Ph=CfVB^n 指出磁滯回線面積正與最大磁感應強度B的n次方成正比。在高磁感應強度下，硅鋼的n值在2左右，鐵的n值在3左右，硅鋼的磁滯損耗小很多。

根據電磁感應定律，在交變磁場中，鐵心中會產生漩渦狀感應電流，即渦流，這部分電流產生熱量即渦流損耗 。渦流損耗與材料的電阻率負相關，加入硅元素之后，材料的電阻率增加，從而大幅降低了渦流損耗。此外，電機鐵心使用硅鋼片疊壓制造而成，每層硅鋼片上的覆蓋層使得每一片之間相互絕緣，從而進一步降低了電機的渦流損耗。

圖3 步進電機定子和轉子鐵心（金的電機）

永磁材料在電機中的應用。

在電機中，永磁材料可以替代電流勵磁產生恒定的磁場，從而達到更高的電機效率。實際應用中我們總是希望永磁材料磁性更強、更穩定，結合前文關于磁滯回線的內容，也就是需要永磁材料的剩磁高、矯頑力大。下表列出了常見的永磁材料性質。

目前，釹鐵硼材料因其極高的剩磁和矯頑力特性，是高性能電機中應用最多的永磁材料。

PM步進電機的轉子上覆蓋著一圈環形徑向充磁的永磁體，外表光滑，圓周上均勻分布著交替的N極和S極，結構如圖4所示。

圖4 PM步進電機結構

混合式步進電機轉子結構如圖5 所示，一組轉子是由兩個相互錯開的帶齒轉子鐵心夾住一塊軸向充磁的永磁體構成，兩個轉子鐵心分別是N極和S極，從而形成了圓周上相互交替的N極和S極齒。

圖5 混合步進電機的轉子結構

綜上所述，磁性材料的種類繁多，性能各異，成本也相差懸殊，在電機中扮演的角色也各不相同，在設計電機的過程中，還是需要根據實際需求，選擇最合適的磁性材料，做到既能滿足性能要求，又能最大程度上降低制造成本。東莞金的電機有限公司是控制電機設計和制造領域的專家，專業為客戶提供電機控制解決方案。