电机是一种电能和机械能相互转化的装置，其实现路径的核心在于电磁感应，因此磁性材料是电机结构的关键一环。

磁性的来源。

材料的磁性源自于内部电子的自旋以及运动，材料内部的原子会自发形成一个个磁性取向一致的原子团，这些原子团就像一个个小磁铁，称为“磁畴”。一般情况下，每个磁畴方向排列杂乱无章，磁性相互抵消，因此在宏观上并不显示磁性。而一旦置于外部磁场中，这些磁畴便会与外部磁场取向一致，从而在宏观上显示出磁性。

电机中使用的磁性材料一般包括永磁材料和软磁材料。永磁材料在外部磁场中产生磁性（磁化）后，将外部磁场撤去，因为磁畴方向的变动阻力较大，材料仍旧保留很强的磁性，真正的变成了“永久”的磁铁。而软磁材料磁畴变动阻力小，在外部磁场撤去之后即失去磁性。常用的永磁材料有钕铁硼、铁氧体等，常用的软磁材料有硅钢、铁等。 如果将磁性材料置于周期变化的磁场中，材料内部的磁感应强度的变化会存在一定的滞后，材料内部的磁感应强度和外部磁场强度的变化形成一个闭合的曲线，称为磁滞回曲线（图1）。O-a的过程称为初始磁化曲线；a-b过程，外部磁场强度降到0，材料内部仍保留磁感应强度Br，称为剩磁；b-c'过程，需要施加一定反向磁场强度才能将材料内部磁感应强度清零，这个磁场强度就是矫顽力Hc；

图1 磁滞回线

图2 软磁材料（左）和永磁材料（右）的磁滞回线

软磁材料内部磁感应强度随外部磁场强度变化滞后非常小，相应的剩磁和矫顽力也很小（图2左），而永磁材料则具有较大的剩磁和矫顽力（图2右）。

对于电机而言，磁性材料的作用要么是提供磁场要么是导磁，前者用永磁材料承担，后者用软磁材料。

软磁材料在电机中的应用。

电机的转子/定子铁心需要高效导磁，根据安培环路定律，铁芯中的磁场强度H=Ni/l，磁感应强度B=μH，因此得到铁心中的磁感应强度B=μNi/l 。其中N是线圈匝数，i是电流，l是平均磁路强度，这些对于给定的电机和电流情况下是常数，所以磁感应强度正比于铁心材料的磁导率 。因此，铁心材料需要磁导率尽可能高。下表给出了常见材料的相对磁导率数据（相对磁导率μr=μ/μ0 ，磁导率和真空磁导率的比值）。

可以看出，硅钢片和铁都是高磁导率材料。但是电机的转子/定子铁心一般使用硅钢片叠压制造而成，这主要是考虑电机的磁滞损耗和涡流损耗。

在交变磁场中，材料被反复交变磁化，磁畴反复运动，相互摩擦消耗能量，从而会造成磁滞损耗。在同样的磁感应强度和铁心体积下，磁滞损耗正比于磁场交变频率以及磁性材料磁滞回线面积大小，这意味着电机铁心应当尽可能选择磁滞回线更“瘦”的材料，以降低磁滞损耗。经验公式斯坦梅兹公式Ph=CfVB^n 指出磁滞回线面积正与最大磁感应强度B的n次方成正比。在高磁感应强度下，硅钢的n值在2左右，铁的n值在3左右，硅钢的磁滞损耗小很多。

根据电磁感应定律，在交变磁场中，铁心中会产生漩涡状感应电流，即涡流，这部分电流产生热量即涡流损耗 。涡流损耗与材料的电阻率负相关，加入硅元素之后，材料的电阻率增加，从而大幅降低了涡流损耗。此外，电机铁心使用硅钢片叠压制造而成，每层硅钢片上的覆盖层使得每一片之间相互绝缘，从而进一步降低了电机的涡流损耗。

图3 步进电机定子和转子铁心（金的电机）

永磁材料在电机中的应用。

在电机中，永磁材料可以替代电流励磁产生恒定的磁场，从而达到更高的电机效率。实际应用中我们总是希望永磁材料磁性更强、更稳定，结合前文关于磁滞回线的内容，也就是需要永磁材料的剩磁高、矫顽力大。下表列出了常见的永磁材料性质。

目前，钕铁硼材料因其极高的剩磁和矫顽力特性，是高性能电机中应用最多的永磁材料。

PM步进电机的转子上覆盖着一圈环形径向充磁的永磁体，外表光滑，圆周上均匀分布着交替的N极和S极，结构如图4所示。

图4 PM步进电机结构

混合式步进电机转子结构如图5 所示，一组转子是由两个相互错开的带齿转子铁心夹住一块轴向充磁的永磁体构成，两个转子铁心分别是N极和S极，从而形成了圆周上相互交替的N极和S极齿。

图5 混合步进电机的转子结构

综上所述，磁性材料的种类繁多，性能各异，成本也相差悬殊，在电机中扮演的角色也各不相同，在设计电机的过程中，还是需要根据实际需求，选择最合适的磁性材料，做到既能满足性能要求，又能最大程度上降低制造成本。东莞金的电机有限公司是控制电机设计和制造领域的专家，专业为客户提供电机控制解决方案。