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软磁材料测量:磁性材料交直流特性测试能力说明

来源:
www.fe2100.com
2019/11/13 16:37
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1、软磁材料直流磁特性测量:参考标准:GB/T13012、IEC60404-4
  对于矫顽力小于1kA/m的软磁材料材料,主要包含:电工纯铁、电工硅钢、坡莫合金、非晶、软磁铁氧体等材料,测试通常采用闭路样品进行测量,测试方法为:在闭路样品(如圆环)上绕制初级N1和次级N2绕组,通过对初级绕组的电流进行测量,并按:H=N1*I/Le,来计算H。其中N1为初级励磁绕组匝数,I为励磁电流,Le为测试样品的磁路长度。次极通过对感应电压进行积分获得磁通ø,磁通除以有效截面积和感应匝数,获得磁感应强度,得到B值。根据测试获得的B、H值,汇制磁化曲线和磁滞回线等,并参考定义,确定对应曲线上的初始磁导率ui、最大磁导率um、剩磁Br、矫顽力Hc和饱和磁感应强度Bs,励磁磁场强度Hs等,软磁材料直流磁特性是软磁材料最重要的基本参数。测试设备目前以德国MAGNET PHYSIK C-300、750为代表,日本METRON SK1100早期也有少量产品被采用,这些产品相对国产设备价格比较昂贵贵,且采用扫描法测量磁化曲线和磁滞回线,对于Hc小于1A/m以下的软磁测量,测试偏离量较大。国产设备自上世纪90年代就解决了采用模拟冲击法测试材料的磁化曲线,因此在测试初始磁导率ui和最大磁导率um方面,无论是准确度还是重复性都要远远优于国外同类产品,2016年,湖南省永逸科技有限公司实现了采用模拟冲击法测试软磁材料的磁滞回线,并于2019年获得发明专利(专利号:ZL 2016 2 0286407.X),在与国外同行设备的测试必对过程中,重复性方面显现了一定的优势。
 
1)、闭路样品的测量:按标准适合Hs在10kA/m以下,目前对于粉芯样品用户要求达到至少40kA/m,在磁环较大满足励磁线圈的缠绕的情况下是可以解决的。MAGNET PHYSIK C-300和FE-2100SD1典型的测试比对如下:
                 
图1  德国玛格力MAGNET - PHYSIK C-750 所测试的磁滞回线
图 2 湖南永逸公司FE-2100SD1所测试的磁滞回线
图 3 FE-2100SD1测试粉芯KH106060所获得的磁滞回线
 
2)、棒状或条形样品的测量:根据标准适合Hs达到200kA/m。该方法应只适合对Hc大于100A/m软磁材料磁滞回线的测量。德国MAGNET PHYSIK C-750和FE-2100SD3典型的测试比对如下:
图4   德国玛格力MAGNET - PHYSIK C-750 所测试的磁滞回线
图 5  湖南永逸公司FE-2100SD3所测试的磁滞回线
3)、采用A类或B类磁导计测量开路样品的方法,长期以来一直是软磁材料开路样品测试的唯一方法,不同设备在测试出现争议时很难判断测试误差的来源,只有通过协商解决。湖南省永逸科技有限公司通过两年多的开发和大量的测试实验检验,发现采用磁导计法测试开路样品与极靴所使用的材料关联,建议使用1J50材料加工并退火处理,较电工纯铁极靴测试Hc更准确。同时采用磁通计螺线管对铁磁长圆棒测试的磁化强度对磁场的关系曲线进行修正,使得磁导计法和螺线管退磁修正法达到统一,推动量软磁材料开路样品磁性能测试方法的发展和进步。采用两种方法兼容应用,即:用磁导计法测试获得均匀性好的长圆棒,用螺线管退磁修正法获得准确特性参数,获得真正意义上的开路标准样品,用于对现有磁导计的检验和校正申请发明专利。以下为采用B类磁导计和螺线管退磁修正法测试原始曲线比较。
  
  图 6  湖南永逸公司FE-2100SD3螺线管退磁修正法与B类磁导计法比较
 
1软磁材料的交流磁特性测量,参考标准:GB/T3658-2008、GB9632-2002和IEC 60404-6
  软磁材料交流磁特性测量设备,行业的杰出代表设备为日本岩通计测 IWATSU公司SY-8218/19,主要用于材料的交流特性测量,测量频率10Hz~1MHz。通过对不同磁感应强度Bm条件下初级励磁电流I和次级感应电压V的测量,获得交流磁滞回线;对多点测量结果组簇获得损耗曲线、磁化曲线、磁导率曲线等。可测试参数:剩磁Br、矫顽力Hc、比总损耗Pc、振幅磁导率µa、损耗角δ、电阻磁导率µR、电感磁导率µL、弹性磁导率µ′、粘性磁导率µ〞、电感常数AL以及Q值等。交流测量对Br和Hc参数已经不视为重要参数,更多关心参数为:Pc、µa、δ、AL和Q值等。目前国内在软磁材料交流磁性能高频测量上还没有建立相关的品牌,更多的是通过与岩崎设备(有部分与美国的CH2335A功率分析仪)做比总损耗的测试比对,来满足用户对测试数据的考核认可。
 
*** 常用交流磁特性参数说明:
1)、比总损耗: Pc=ΣVi×Ii=V×I×cosθ,由此可获得电压和电流的夹角θ;
2)、损耗角:δ=90º-θ;
3)、磁感应强度:Bm=V2/(4.44×f×N2×Ae)(V2感应电压有效值,N2次级匝数,Ae有效截面积);
4)、励磁磁场强度:Hm = N1×I1/Le(I1取电流峰值,Le为有效磁路长度);
5)、振幅磁导率:µa = Bm/Hm;
6)、弹性磁导率:µ′ = cosδ×ua,代表磁感应分量中与磁场强度同相位的比例系数;
7)、粘性磁导率:µ〞= sinδ×ua,代表磁感应分量中与磁场强度落后π/2部分的比例系数;
8)、品质因数:Q值=µ′ /µ〞,材料的u”要求尽可能低;
9)、电感磁导率:uL=ua/cosδ,等效并联电感磁导率;
10)、电阻磁导率:uR=Q×uL,等效并联电阻磁导率;
11)、电感系数:AL=cosδ×ua×4π×10-4×Ae/Le;
12)、总电感:L=N×N×AL。
 
*** 岩崎SY-8218和永逸FE-2100SA测试比对实验:
铁氧体(磁路长度Le=60.18mm,有效面积Ae=48.93mm2,质量Me=14.6g)
1)、测试条件:20kHz,100mT

测试设备

Bm(mT)

Hm(A/m)

Pcm(W/kg)

ua

SY-8218

99.91

11.93

1.182

6.664K

FE-2100SA

100.1

12.01

1.168

6.635K

偏差

0.1%

0.6%

-1.18%

0.435%

图7  SY-8218测试界面和测试结果(20kHz100mT)
图8  FE-2100SA测试报告(20kHz100mT)
 
2)、测试条件:50kHz,100mT
 

测试设备

Bm(mT)

Hm(A/m)

Pcm(W/kg)

ua

SY-8218

99.99

12.04

4.453

6.609K

FE-2100SA

100

12.17

4.481

6.539K

偏差

0.01%

-1.0%

-0.63%

-1.06%

 
          图9  SY-8218测试界面和测试结果(50kHz100mT)
               图10  FE-2100SA测试报告(50kHz100mT)
 
3)、测试条件:100kHz,100mT
 

测试设备

Bm(mT)

Hm(A/m)

Pcm(W/kg)

ua

SY-8218

99.93

12.17

4.453

6.609K

FE-2100SA

100.1

12.07

4.481

6.539K

偏差

0.01%

-0.85%

-0.63%

-1.06%

 
 
             图11  SY-8218测试界面和测试结果(100kHz100mT)
图12  FE-2100SA测试报告(100kHz100mT)
 
4)、FE-2100SA测试曲线内容和岩崎SY-8218内容基本相当,比较典型功能有:
4-1)、可进行多点回线自动测试和组图
图13  FE-2100SA测试得到的磁滞回线簇
4-2)、可输出材料的Ps-B损耗曲线
图14  FE-2100SA测试得到的铁损曲线
 
4-3)、可输出材料的B-H磁化曲线和u-H磁导率曲线
图15  FE-2100SA测试得到的磁化曲线与磁导率曲线
4-4)、可进行不同频率下,材料的Ps-B损耗曲线的对比分析
图16  FE-2100SA测试得到的不同频率的铁损曲线比较
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