非可逆磁化: $M_{an}= M_s \coth\!\left(\tfrac{H_e}{a}\right) - \tfrac{a}{H_e}$
磁感应强度: $B = \mu_0(H + M)$
损耗: $W = \mu_0 \oint H\,dM$
采用Jiles-Atherton模型动画描绘磁性材料的B-H回线。实时计算矫顽力、剩余磁感应强度、磁滞损耗。
变压器和电感器铁芯:为了降低电力损耗和发热,需要选用回线细、矫顽力Hc小、损耗W最小的软磁材料(如方向性硅钢板、非晶合金)。模拟器中的"变压器铁芯"选项就接近这些材料的特性。
永久磁石(电动机、扬声器):磁化后需要长期保持磁强度,所以需要Br和Hc都很大的硬磁材料(如钕磁铁、铁氧体磁石)。模拟器中的"硬磁体"就是这类材料。
磁记录媒体(硬盘、磁带):用微小磁域的方向来存储信息。写入时需要局部反向磁化,读出时磁态要保持稳定,因此需要合适矫顽力的材料。
无损检测和磁屏蔽:通过B-H回线的差异来检测材料内部缺陷,或选用适合的磁性材料保护精密设备免受外部磁场干扰。使用模拟器切换材料的过程,其实就是这种工程选材的体现。
开始使用这个模拟器时,容易在几个地方出错。首先是"矫顽力Hc越大=好磁石"这种简单化思维。诚然硬磁体Hc很大,但"好"的定义取决于用途。比如扬声器磁路需要Hc足够大、温度稳定性好的材料,这样才不容易退磁。而电动机铁芯则必须用Hc很小的软铁,否则回线宽厚会导致发热严重,电机根本转不起来。选材一定要反向思考"我要实现什么"。
其次是参数设置的陷阱。模拟器上你可以自由改飞饱和磁化或分子场系数α,但实际材料中这些参数不是独立的。比如,随意加大铁氧体的α值会导致不真实的回线形状(例如过度棱角化)。在实务中做Jiles-Atherton参数辨识时,应该用实测B-H回线数据来拟合,得到一组平衡的参数组合。例如某个铁氧体会是 $M_s=3.2\times10^5$ [A/m], $a=50$ [A/m], $α=0.001$ 这样互相匹配的参数组。
最后要注意"模拟回线面积=直接就是发热量"这个误会。虽然磁滞损耗W确实与回线面积成正比,但实际机器的发热还要加上"涡流损耗"。特别是交流磁场中,频率越高涡流损耗越大。你用这个工具选"变压器铁芯"并提高频率,回线形状不会改变(因为没考虑涡流),但现实中为什么要用薄的硅钢板层叠呢?就是为了抑制涡流。这一点要记住。
方向性硅钢板的B-H回线分析:输入Ms=1.72×10⁶A/m、Hc=48A/m、Br=1.92T、Hmax=8.0×10⁴A/m,计算结果得BHmax=502kJ/m³、磁滞损耗4.8kJ/m³/周期、最大相对透磁率μr=2850。在50Hz驱动下,电力损耗相当于240W/m³,用于变压器铁芯效率评估。