软磁材料静态磁参数的测量

软磁材料静态磁参数的测量1．实验目的⑴学习磁滞回线的测量方法。⑵了解磁性材料的基本特性。2．实验内容(1)测静态磁化曲线及磁滞回线。(2)根据磁滞回线确定材料的crmHBB,,,max等参数。3．实验原理⑴磁滞特性磁性材料大体上可以分为永磁材料和软磁材料。永磁材料包含稀土永磁(钕铁硼、钐钴等)，金属永磁（AlNiCo）和铁氧体永磁；软磁材料包含金属软磁（硅钢Fe-Si，坡莫合金Fe-Ni、金属铁粉芯FeNiAl等），铁氧体软磁（锰锌、镍锌、镁锌、锂锌）和其它软磁材料。本实验主要讨论软磁材料磁参数的测量。铁磁性材料除了具有高的磁导率以外，还有一个磁滞特性。当一个材料磁化时磁感应强度不仅与当时的磁场强度H有关，而且与该材料以前的磁化状态有关。如图1所示，曲线OA表示铁磁性材料从没有磁性开始磁化，磁感应强度B随磁场强度H增加而增加，称为磁化曲线。当H增加到HS时，磁感应强度B达到BS，基本上不再随H的增加而增加，即达到磁饱和。称BS为饱和磁感应强度，HS为饱和磁场强度。当磁性材料磁化以后，如果使H减小，B将不沿着原路返回，而是沿着另一条曲线AR下降。如果H从HS变到－HS，再从－HS变到HS，B将随着H的变化而形成一条如图1所示的磁滞回线ARC’A’R’CA。其中，当0H时，rBB，rB称为剩余磁感应强度。要使磁感应强度下降到零，就必须加一反向磁场CH，CH称为矫顽力。一般来说，矫顽力小的磁性材料称为软磁材料，矫顽力大的磁性材料称为硬磁材料。必须指出的是：在反复磁化（SSSHHH）的开始几个循环内，每一次循环的B-H曲线不一定沿着相同的路径进行，只有经过十几次反复磁化以后，每次循环的路径才趋于相同，形成一个稳定的磁化曲线，把这一过程称为“磁锻炼”。只有经过“磁锻炼”后所形成的磁滞回线才能代表该材料的磁滞性质。在主要磁化曲线的各点上求出B与μ０H之比，即可得到μ和H之间的关系曲线（图１上没有画出）。⑵磁滞回线的测量为了使大家深入了解软磁测量的物理过程，在介绍软磁自动测量软件之前，我们首先介绍手动测量磁滞回线的方法。由于软磁材料在较低的磁场下就能达到饱和磁化，所以在研究软磁材料的磁性时，往往将样品做成如图2所示的具有闭合磁路的环形，在样品磁环上均匀地绕以磁化线圈，把这种磁化线圈称为螺绕环。螺绕环产生的磁场不强，最多为几千安培/米，但是对软磁材料来说完全可以使其达到饱和。一个均匀绕制的螺绕环等效于一个首尾相接的螺线管，因此，沿着轴线方向的磁场是均匀的。如果样品的内半径为R1，外半径为R2，磁环的平均半径为R，螺绕环的匝数为N1，通过的电流为I，则螺绕环内的磁场为121IRNH上式中N1和R在实验过程中均为已知的结构参数，因此可以通过对磁化电流I的测量来得到磁场强度H。磁化曲线和磁滞回线的测量可以归结为各磁化电流下磁感应强度B的测量。图3（a）给出了冲击法测量磁参数的电路图。用冲击法测量磁感应强度B就是在被测磁环样品C上再绕上匝数为N2的探测线圈(也称为“次级线圈”)，探测线圈N2与冲击电流计G串联，当磁化线圈N1（亦称“初级线圈”）中的磁化电流突然改变I时，磁场强度改变为H，样品的磁感应强度也相应地改变B，在探测线圈中的磁通量变化为BSN2，S是样品的横截面积。通过测量冲击电流计最大偏转量maxn，就可以用下式求出B：2max2nSNCB式中CΦ是磁性测量中常用的冲击常数，它表示冲击电流计单位最大偏转量所对应的探测线圈中磁通量的改变量。图3（a）中M是标准互感，R1、R2、R3是可变电阻器，R4是电阻箱，E是直流电源，K，K1…K5是转换开关。①饱和磁感应强度的测量：由于磁滞回线的对称性，+BS与－BS大小是相等的，所以外磁场突然由+HS变到－HS（通过K使电流反向）时，磁感强度B由+BS变到－BS，由ΔB可以求出BS的绝对值：SSSBBBB2，32BBS软磁材料在饱和以后磁感强度B基本不再变化并趋于BS，利用这一事实可以判断材料是否已经饱和，从而确定饱和磁化电流IS及对应的磁场强度HS。②剩磁感应强度Br的测量：以BS为起点，K突然断开，磁场由HS突然降为零。令ΔBAr表示该过程中磁感应强度的变化，则ArSrBBB③磁滞回线上其它各点B的测量：根据磁滞回线的特点，测量过程必须沿着磁滞回线的路径，即图３（b）中A-d1-r-d2-A’-d3-r’-d4-A的顺序进行。整个操作过程就在于合理地利用开关K，K2和变阻器R1、R2、R3来达此目的。其中，K2的作用是关键。合上K2时，R2、R3不起作用。如果先合上K2，调节R1使磁场达到HS，然后突然打开K2，使R2、R3起作用，磁化电流减小，H由HS下降到H1，即从A点到d1点，这样就可以测出1AdB，由图可得：11AdSdBBB。记下这时的磁化电流数值，可求得对应的H1。将开关K反向，H由H1变到－H1，即从曲线上的d1点到d2点，与之对应的电流计的偏转可以不记。再以d2为起点，突然合上开关K2，使磁场从－H1下降到－HS（磁场强度实际上向负的方向增强），即从曲线上的d2点到A’点。由此可以测量得到'2AdB，所以SAddBBB'22。同理，以A’为起点，打开K2，可以测得3'dAB，将K反向，不计电流计的偏转，再以d4为起点，合上K2，可以得到AdB4。可以看出：对应于H的一个绝对值H1，就可以测出曲线上4321,,,ddddBBBB四个点，改变变阻器R2、R3又可以得到另外一个励磁电流I2，即得到另外一个磁场强度的绝对值H2，又可以用同样的方法测得曲线上另外四个点，如此继续下去，就可以测出整个磁滞回线了。注意：在磁滞回线的陡直部分（即HC附近），磁化电流取值的间隔要小，以增加测量点的数目；实验操作必须按照磁滞回线的路径进行，一旦操作顺序发生错误，必须重新进行“磁锻炼”才能继续进行测量（错误操作前的数据仍然有效）。在进行“磁锻炼”时一定要把K4断开，只有在准备测量B时才将K4合上。④冲击常数C的测量：将图3（a）中的K3合向标准互感器M一侧，利用反向开关K使互感M的初级线圈电流有一个瞬时的变化量002II，于是在互感器次级内就得到磁通的改变量002MIIM。互感器次级线圈与冲击电流计、电阻R4及N2组成一个回路，假如磁通量的变化在冲击电流计中引起的最大偏转量是0n，则0nC，因此，002nIMC。因为M是已知参量，所以，只要读出I0和n0就可以得出冲击常数C。由于C与冲击电流计回路的总电阻有关，因此要保证在测量B时和在测量C时电流计回路的总电阻保持不变。注意：I0的选取不要超过互感M初级线圈的额定电流。４．实验仪器与设备⑴MATS磁性材料自动测试系统简介在知道了手动测量软磁材料磁滞回线的具体方法以后，下面就来了解软磁材料的自动测量过程。MATS是磁性材料自动测试系统（AUTOTESTSYSTEMOFMAGNETICMATERIALS）的英文缩写，MATS-2010是MATS的一个系列。MATS-2010SD是软磁直流测量装置的简称，SMTest是与它配套的软磁测量软件。与前述手动测量磁滞回线不同，MATS-2010SD能自动测量软磁材料在静态（直流）条件下的基本磁化曲线和磁滞回线、起始磁导率、最大磁导率、饱和磁感应强度、剩磁、矫顽力和迟滞损耗。依照上述冲击法的测量原理，采用计算机控制技术和A/D、D/A相结合，以电子积分器取代传统的冲击检流计，实现微机控制下的模拟冲击法测量。MATS-2010SD软磁直流测量装置的方框图见图４。励磁电源、电子积分器和电流采样电路全部集中在一台仪器中，A/D、D/A转换和量程控制通过一块安装在电脑中的PCI卡来完成。⑵SMTest软件直流测试功能及操作①双击桌面上的SMTest图标即可进入软磁测量主界面（见图5）。②在主界面的样品参数区（见图6）选择测试样品类型（可选EE型、EI型、环形、双孔型和其它），输入样品参数。注意：Sx/De栏具有双重意义，当输入数字小于10时，代表材料的密度（单位：g/cm3）,否则代表叠片系数Sx（%）。当输入数字等于零时，表示叠片系数和材料密度都没有指定，这时取叠片系数为100来计算。W(g)栏为样品质量，单位为克，当输入数字等于零时，表示没有指定质量。磁场强度的计算公式：eLINH，式中，H为磁场强度，单位为安培/米，N为励磁线圈匝数，I为励磁电流，单位为安培，Le为被测样品的有效磁路长度，单位为米。磁感应强度计算公式：eANB，式中，B为磁感应强度，单位为Wb/m2，Φ为感应磁通（测量值），单位为Wb，N为感应线圈匝数，Ae为被测样品的有效截面积，单位为m2。③当EE型、EI型、环形或双孔型样品输入了样品参数后，单击“其它”，可在表格中得到该样品的有效磁路长度、有效截面积和有效体积。这一功能可作为磁性零件有效尺寸参数计算工具使用。④线圈匝数设定：每一次测试过程都有一个最大磁场Hmax和最小磁场Hmin的设定值，同时也有一个最大磁感Bmax和最小磁感Bmin的测试值。考虑到电流（及磁通）的余量和分辨率，励磁线圈N1匝数范围为2~10maxmaxminminILHILHee；感应线圈N2匝数范围为eeABAB2~10maxmaxminmin。测试未知样品时，N1和N2的匝数按上面的说明来估算。然而最大磁感Bmax和最小磁感Bmuin的测试值必须在经过测试后才能知道。这样就需要测试者预先估计磁感的值，通过测试后再来调整N2的匝数。在测试过程中，可以根据状态栏中的提示以及磁通信号（测试波形中的绿线）和磁场信号（测试波形中的红线）的强弱来调整下次测试时N1和N2的匝数。⑤与MATS-2010SD相关的测试功能区见图７。测试方法可选“模拟冲击法”和“磁场扫描法”。Tsw是设定模拟冲击法每测试一个点所需的时间，一般取２秒；Tsp是设定磁场扫描法每个测试点之间的时间间隔，一般取0.1秒。i为起始磁导率，它表示材料处于磁中性状态，磁场强度趋于无限小时，磁导率的极限值；μm为最大磁导率，即正常磁化曲线上各点磁导率的最大值。⑥选择被测参数：当采用模拟冲击法时，可选“测磁化曲线”和“测磁滞回线”，也可单独选择“测i”、测“m”、“测SB”、“测rB”和“测CH”；当采用磁场扫描法时，则只能选择“测磁滞回线”，并求得磁滞回线上的磁特性参数。⑦设定测试条件：当测试点设定为零时，表示由软件通过B速反馈自动确定每一个测试点的磁场。这时，可根据测试方法和被测参数的要求设定相应的测试条件，即Hi、Hj、HS和dB。Hi是磁场变化的小步长（可取HS/100）；Hj是磁化曲线拐点处的磁场强度，也是磁场变化的大步长；HS是饱和磁场的大小（一般是HC的５０～１００倍）；dB是测量磁化曲线或磁滞回线时，每点B变化的步长，一般取BS/100。⑧自动检测未知样品的测试条件：当测试点设定为零时，移动鼠标指针到“测试点”，“测试点”标记会改变为“设定”按钮，用鼠标点击该按钮，可以启动样品检测程序，只要按测试要求接好样品，通过检测后，系统会自动确定测试条件的设定值Hi、Hj、HS和dB。注意：本功能仅仅是给没有经验的测试者提供一种辅助手段，并不能代替标准测试条件。⑨直接指定磁场测试点：当设定测试点大于零时，可直接定义每一个磁场测试点的值。这时每一个测试点的磁场由软件锁定在指定的值。这样就可以更精确地测量整条曲线以及曲线上每一个特定点的磁性参数。⑩填写样品的记录参数：记录参数区如图8所示，它抱括编号、材料、温度、日期（可由系统自动输入）和测试员等。5．测试前的准备工作及注意事项⑴将被测样品按照磁路要求绕好线圈并接入仪器的测试接口。感应线圈N2可用直径0.3mm左右的漆包线或纱包线均匀地绕制在磁路的里层，注意不要损坏导线的绝缘层；励磁线圈N1可用直径为0.5mm以上的漆包线均匀地绕在N2线圈的外层。⑵调整磁通计的漂移：接好线圈后，不要马上测试，也不要急于调整。先让磁通计稳定约1