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静态不对称磁滞回线的测量和交流磁性能测试分析

2021/07/26 10:32
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【摘要】:
非晶材料静态不对称磁滞回线的现象比较普遍。在钴基、铁镍基非晶合金及铁基超微晶合金中均已发现了磁滞回线的平移现象,认为是第二相或偏聚区析出造成了磁滞回线变形现象;2017年,钢铁研究总院周磊等[4]不单单在Co基非晶薄带中多次观察到磁滞回线的不对称性,而且,在纳米晶化的FeCuNbSiB薄带中也发现了明显的回线偏移现象。

  非晶材料静态不对称磁滞回线的现象比较普遍,这方面文章大约在网上能找几篇。1983年,陈笃行[1]等研究了CoFeNiSiB非晶带材的回线偏置行为,并进行了一些消除回线偏移办法的探索;1994年,李志华[2]等进行了铁基超微晶合金磁滞回线偏移的研究;1997年,陈文智[3]等对非晶带材中磁滞回线的偏移现象进行了研究后认为:在钴基、铁镍基非晶合金及铁基超微晶合金中均已发现了磁滞回线的平移现象,认为是第二相或偏聚区析出造成了磁滞回线变形现象;2017年,钢铁研究总院周磊等[4]不单单在Co基非晶薄带中多次观察到磁滞回线的不对称性,而且,在纳米晶化的FeCuNbSiB薄带中也发现了明显的回线偏移现象。
  在阅读相关几篇论文的过程中,会发现,要测试获得材料的不对称磁滞回线,均采用典型冲击法或采用PPMS扫描磁矩曲线进行测量,但从没提到过采用电子回线仪。这主要的原因是,目前国内外软磁材料直流磁性能测量设备均参考GB/T13012-2008/IEC 60404-4:2000标准中指出:理想的情况是测量完整的磁滞回线,以消除磁通积分器的漂移误差,但是由于磁滞回线的S-T-U-P部分对称,也可以只测量磁滞回线的一半。在采用扫描法获得不对称的回线时(扫描测量即超低频的动态测量),硬性的对回线进行对称修正;采用现有的模拟冲击法分别冲击下降支和上升支又获得不能闭合的回线,于是有采用了进行对称点的冲击取+B和-B的平均值的办法来确定半只BH磁滞回线,另一半采用反对称获得,这些错误都来源于磁滞回线的S-T-U-P部分对称的误导和测试回线控制方法的不足。
  湖南省永逸科技有限公司作为磁测量设备供应商,主要致力于对测试设备的研究与开发,2020年,在陈笃行教授的指导下,发明的“闭环软磁材料直流磁性能测量办法”(专利号:202010742294.0)已经进入实审,该办法已经使用到我公司的FE-2100SD软磁材料直流磁性能测量装置上,是一款能即能消除金属软磁闭路样品涡流阻尼影响,又可获得准确回线[5],还可用于分析磁化过程的时谱,为研究材料机理提供帮助。可分别测试回线的下降支、上升支,以及完整回线,测试过程完全智能化。在测试不对称回线时,也较采用冲击检流计更加方便,无需进行切换初级励磁绕组的电流输入端。
  下面通过对一静态回线不对称的超微晶进行测量,也将使得该样品在进行样品的交流磁性能测量过程中,所表现出来的电流波形不对称和磁滞回线不对称的实例,使得大家对软磁材料交直流测量的相关性有更多的认识。

测试案例:样品为超微晶互感器铁芯,相关尺寸由测试需求方提供。
1、采用FE-2100SD软磁材料直流磁性能测量装置测试样品的静态磁性能;
2、采用FE-2100SA
软磁交流测量装置测试样品50Hz条件下的交流磁性能;
3、样品尺寸:外径85mm,内径60mm,厚度25mm,叠片系数75%,质量:310g。
4、软磁直流磁性能测试数据汇总:

测试方法

μi(k)

μm(k)

Pu(J/m3)

Js(T)

Jr(T)

Hc(A/m)

Hs(A/m)

全回线平均

195.9

452.9

3.479

1.233

0.6339

0.8134

80.14

回线上升支

195.5

451.2

2.662

1.233

0.6219

0.7708

79.85

回线下降支

194.6

446.3

2.942

1.231

0.6411

0.8653

80.06

注:如果参考GB/T13012-2008/IEC 60404-4:2000只测量半条磁滞回线,因输入端的连接方式,将获得不同的矫顽力,DHc-UH=0.0845A/m,两者的差异将达到10%,矫顽力不对称偏移ΔH=0.04225A/m。
5、采用新冲击法测试磁化曲线和下降支回线做反对称获得测试报告如下:

采用新冲击法测试磁化曲线和下降支回线测试报告

6、采用新冲击法测试磁化曲线和上升支回线做反对称获得测试报告如下:

采用新冲击法测试磁化曲线和上升支回线做反对称获得测试报告

7、采用新冲击法测试磁化曲线和完整的回线获得测试报告如下:

8、超微晶在50Hz,锁定Bm=0.3T条件下,对应的I/U/B采样波形如下:

超微晶在50Hz,锁定Bm=0.3T条件下,对应的I/U/B采样波形

根据软磁材料交流磁性能测量要求,保证次级磁通正弦,可以看到电流的不对称性!

9、交流磁性能测量磁滞回线同样也不对称:

交流磁性能测量磁滞回线

静态磁滞回线的偏移,是交流磁滞回线不对称的主要来源,这回线是不能进行相关对称调整的,是真实的数据,只是这时如何标样品的Br和Hc?
    静态回线对称样品情况又会怎样?可能需要做一个测试,展示给大家才能明确,同样让测试需求方提供一硅钢互感器铁芯,进行相关实验。

10、卷绕硅钢铁芯尺寸:外径75mm,内径42.5mm,厚度35mm,重量761g,测试样品的直流磁性能,完整回线测量报告如下:

11、频率50Hz,锁定Bm=0.3T条件下交流磁性能测量电流波形基本对称。

交流磁性能测量电流波形

12、交流磁性能测量磁滞回线基本对称

交流磁性能测量磁滞回线

13、交流条件下,即使测试到更高的磁场,不对称实际上依然存在,只是因坐标比例变化,使得并不注意,大家没太关心,以后可直接看I/U/B曲线。

I/U/B曲线

14、漂亮的磁滞回线簇,要细心点才能发现交流磁滞回线的不对称。

磁滞回线簇磁滞回线簇


[1]陈笃行,潘孝硕 近零磁伸非晶环样磁滞回线的偏移和消除方法,金属学报,1983,19(3):16-22
[2]李志华,陈文智 铁基超微晶磁滞回线偏移的研究,金属功能材料,1994(2):14-18
[3]陈文智 非晶合金磁滞回线的非对称现象,金属功能材料,1997(4):155-158
[4]周磊,何峻 软磁非晶薄带磁滞回线偏移行为研究,凝聚态物理进展,2017,06(03):64-73
[5] Du-Xing Chen,Yong-Hong Zhu, Direct Current Hysteresis Loops of a MuMETAL Ring Measured by Continuous Recording and Automatic Ballistic Methods,IEEE MAGNETICS LETTERS, Volume 12 (2021)