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如何采用扫描法测试坡莫合金材料 u0.08 的磁导率?

2022/09/09 15:37
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【摘要】:
在设备退磁控制非常好的情况下(相关的 IEC 和 GB 标准中应该加入退磁质量的要求),采用冲击法可以很方便的外推初始磁导率 ui,同时还可以较准确的计算材料的瑞利 常数。同样采用扫描法测试几组弱磁场下磁滞回线,取对应的最大磁导率,计算推出初始磁 导率 ui。这将填补软磁材料直流磁性能测量有关初始磁导率测试的空白。 最后将 Hs 分别为 8A/m、0.8A/m 和 0.08A/m 三条磁滞回线放在一起,瑞利区很小!

      首先说明一下扫描法和冲击法测试磁化曲线

      扫描法:如果从退磁态(0,0)开始,单向地缓慢增加磁场强度,把经历的磁状态点(M,H)连起来,就得到初始磁化曲线(或称始发磁化曲线)。

     冲击法:如果在从退磁态(0,0)开始,只要逐步施加一个给定的 Hs,进行磁锻炼能得到一条稳定的对称回线,把这些回线的顶点(Ms,Hs)连起来,就能得到一条基本的磁化曲线(或称正常磁化曲线)。 弱磁场下的磁滞回线:在退磁态附近的弱磁场下,对称回线一般呈树叶状,1887年瑞利首先研究了这一现象,故称瑞利区,这种回线为瑞利回线。在瑞利区中,材料的磁导率为: u(H1)=ui+ɳu0H1,其中 ui在初始磁导率,ɳ为瑞利常数,单位 m/A。在瑞利区中材料的磁化率 χ和正常磁导率都与 H 成直线关系,斜率为ɳ和ɳu0。在工程上为简便,对不同的材料采用小 场下的 u 来替代初始磁导率 ui ,一般当 ui 大于 20k 的高导磁材料 H 取 0.08A/m,大于 2k 的取 0.8A/m 等。 从冲击法测量报告上可以看出,Hs 达到 0.08A/m 实际已经超出了材料的瑞利区,折点位置在 0.04A/m 左右(见下报告)。

软磁材料测量冲击法

      瑞利区内的磁化特性可采用冲击法测试的原始数据做进一步的分析,根据测试设备精度可选择 H:0.01A/m~0.04A/m 几个点进行。测试结果对应 u0.01=52.374k,u0.04=57.035k,根据 相关公式计算可得初始磁导率 ui=50.358k,瑞利常数ɳ=155400(m/A)。 这也说明将 1J85 材料的 u0.08替代初始磁导率 ui 的偏差为 24.69%,即使采用 u0.04替代 u 偏差也为 13.25%。企业在宣传设备测试初始磁导率的不确定度时应注明测试对应的 Hui,真 正意义上的初始磁导率(指 H 趋近与 0 时)目前还没有看到溯源的测试方法。将 1J85 材料 的初始测试点数据见下表对照起来看,u0.003满足 H 外推到 0 时,偏差与计算才达到小于 1% 的范围内。

Hdat(A/m)

Jdat(T)

u(k)

0.00198098

0.000126133

50.66928409

0.00298774

0.000190807

50.8215153

0.00399001

0.000258383

51.5330613

0.00498592

0.00032361

51.65027029

0.00599004

0.000390415

51.86718863

0.00698773

0.000453691

51.66780554

0.00798803

0.000524615

52.2633073

0.00899549

0.000591387

52.31699757

0.00999975

0.000658124

52.37384287

0.0199948

0.00136874

54.4752748

0.0299816

0.00209677

55.65335554

0.0399858

0.00286586

57.03538251

0.0500043

0.00369565

58.81369012

0.0599761

0.0045315

60.12547883

0.0699712

0.00540217

61.43891761

0.0799869

0.00631155

62.79305899

     

     在一些铁氧体 ui 的测试条件中,测试条件为频率 10kHz, Bm 小于 0.25mT 的条件进行 (这条件几乎满足所有的软磁材料),是利用了材料的回线弱场下都是可逆过程没有 f 依赖 性,但前提条件是需要对样品先进行良好的退磁,电压电流测试分辨率足够精准。在退磁不 好的情况下,ui 重复性会不好,所提不确定度为±25%大致可接受。 检验频率特性可以通过对 1J85 样品采用倍频条件下扫描磁滞回线进行验证(见下图), 测试时控制扫描点间距分别为 0.02s、0.04 和 0.08s 进行,将三次扫描获得的磁滞回线叠加 在一个图中,可以获得 u0.08=62.54k(取三个速率下的平均值),这与冲击法测试的 u0.08=62.79K 数据基本上是等同的,即在弱场区频率依赖性可不用考虑。


 

      因此,在设备退磁控制非常好的情况下(相关的 IEC 和 GB 标准中应该加入退磁质量的要求),采用冲击法可以很方便的外推初始磁导率 ui,同时还可以较准确的计算材料的瑞利 常数。同样采用扫描法测试几组弱磁场下磁滞回线,取对应的最大磁导率,计算推出初始磁导率 ui。这将填补软磁材料直流磁性能测量有关初始磁导率测试的空白。 最后将 Hs 分别为 8A/m、0.8A/m 和 0.08A/m 三条磁滞回线放在一起,瑞利区很小!

湖南省永逸科技有限公司项目带头人:朱永红 工程师

 

  1990年毕业于吉林大学数学系应用力学专业,分配到湖南省娄底市电子研究所工作,历任研究所电测室技术员、组长、副所长、所长。2000年任娄底市三联磁电研究所所长、2003年~2010年湖南省联众科技有限公司总经理,2010年至今湖南省永逸科技有限公司总经理。多年从事电磁测量仪器仪表的生产组织和市场推广工作。主要成就如下:

一、专利(第一发明人)

     1、干压径向取向磁场装置,ZL 201620224572.2 (新型授权日:2016.7.27);

     2、磁流变液磁粉在线测量装置, 201720167263.0(新型授权日:2016.8.02);

     3、软磁材料基本磁滞回线测量装置,ZL 201620286407.X (新型授权日:2016.8.24);

     4、一种三维磁场发生装置,ZL 201510715986.5 (发明专利授权日:2017.4.12);

     5、利用测量装置测量软磁材料基本磁滞回线的方法,201610212992.3(发明专利授权日:2019.3.6);

     6、铁磁圆柱直流磁性能标准样品测定方法、磁导计校正方法,201810169642.2(发明专利公布);

二、重大成果 :

    1、完成某手机品牌7S外壳磁流变液自动化5面抛光机磁场控制设计和制造;

    2、完成激光陀螺仪实验超大空间均匀区亥母霍兹线圈设计和制造;

    3、完成心脏介入磁导航模型球域空间6自由度高梯度磁场设计和制造;

    4、软磁材料闭路样品的基本磁滞回线的测试方法研究;

    5、软磁材料开路样品直流磁性能螺线管退磁修正法和磁导计测试法的设计和制造。

三、学术论文

    1、永磁材料磁性能测量方法比较及建议(第2作者)《磁性材料与器件》,1001-3830(2015)05-0051-06;        2、Modeling of Temperature Effects on Magnetic Property of Nonoriented Silicon Steel Lamination(第5作者)《IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS》, VOL. 51, NO. 11, NOVEMBER 2015;

    3、软磁材料基本磁滞回线测量方法与测量装置的研究(第1作者),《金属功能材料》1005-8192[2016]045;

    4、圆柱形铁磁样品螺线管法所测磁化曲线和磁滞回线的退磁修正(第2作者),《第十七届全国磁学和磁性材料会议论文集》,2017.11;

    5、Demagnetizing correction in fluxmetric measurements of magnetization curves and hysteresis loops of ferromagnetic cylinders(第3作者),《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》 449 (2018) 447–454;

    6、Calibration of a permeameter for measuring soft magnetic materials using long cylindrical samples characterized by demagnetizingcorrected solenoid method(第2作者),《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》 458 (2018) 137–146;

    7、用磁通计螺线管法所测铁磁圆柱样品磁化强度对磁场的关系曲线的退磁修正(第2作者),《金属功能材料》1005-8192[2018]04-0027-08。

    8、Direct-current hysteresis loops of a MuMETAL ring measured by continuous recording and automatic ballistic methods ,IEEE MAGNETICS LETTERS, VOLUME 12 (2021) (第2作者)

    9、Effective magnetic path length in Epstein frame test of electrical steels,Cite as: Rev. Sci. Instrum. 93, 055105 (2022);(第2作者)