讲义：磁化曲线跟磁滞回线测量新

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1、实验 C 磁化曲线和磁滞回线测量磁性材料应用广泛，扬声器永久磁铁、变压器铁芯、计算机磁盘等都采用磁性材料。 铁磁材料分为硬磁和软磁两大类。硬磁材料的剩磁和矫顽力大（1022x104 A/m）,可做永 久磁铁。软磁材料的剩磁和矫顽力小（102 A/m以下），容易磁化和去磁，广泛用于电机和 仪表制造业。磁化曲线和磁滞回线是磁材料的重要特性，是变压器等设备设计的重要依据。磁滞回线测量可分静态法和动态法。 静态法是用直流来磁化材料，得到的 BH 曲线 称为静态磁滞回线。 动态法是用交变来磁化材料，得到的 BH 曲线称为动态磁滞回线。 静态磁滞回线只与磁化磁场的大小有关，磁样品中只有磁滞损耗；而动态磁滞

2、回线不仅与 磁化磁场的大小有关，还与磁化场的频率有关，磁样品中不仅有磁滞损耗，还有涡流损耗。 因此，同一磁材料在相同大小磁化场下，动态磁滞回线的面积比静态磁滞回线大，损耗大。本实验采用动态法测量软磁样品的动态磁滞回线和磁化曲线，测量曲线可连续或逐点 显示在LCD （液晶）屏上，直观、简便、物理过程清晰。【实验目的】1. 了解磁滞回线和磁化曲线概念，加深对磁材料矫顽力、剩磁等参数的理解。2. 掌握磁材料磁化曲线和磁滞回线的测量方法，确定B、B和H等参数。s r c3. 探讨励磁电流频率对动态磁滞回线的影响。【预备问题】1. 为什么测磁化曲线先要退磁？2. 为什么测量磁化曲线要进行磁锻炼？3. 为

3、什么动态磁滞回线的面积比静态磁滞回线大，损耗大？【实验仪器】FC10-II型智能磁滞回线实验仪。【实验原理】图1 初始磁化曲线1. 铁磁材料的磁化规律（1）初始磁化曲线在强度为H的磁场中放入铁磁物质,则铁磁物质被磁化， 其磁感应强度B与H的关系为：B =卩H，卩为磁导率。对于 铁磁物质，“不是常数，而是H的函数。如图1所示，当铁 磁材料从H=0开始磁化时，B随H逐步增大，当H增加到 H时，B趋于饱和值B，H称为饱和磁场强度。从未磁化到SSS饱和磁化的这段磁化曲线OS,称为初始磁化曲线。（2）磁滞回线如图2所示，当磁材料达到饱和磁化B后，如果将H减小，B也减小，但沿与OS不s同的路径 ab 返回

4、。当 H=0 时， B=B ，到达 b 点， Brr称为剩磁。欲使B=0，必须加反向磁场，当H= -H，CB=0(完全退磁)，到达c点，be段曲线称为退磁曲线,H称为矫顽力。如果反向磁场继续增大，磁性材料将C反向磁化。当 H=-H 时，磁化达到反向饱和， B=-B，Ss到达d点。此后若减小反向磁场使H=0，则B= -B，r到达e点；当H=H时，B=0，到达f点；再次当H=Hs时，B=B，回到正向饱和状态a点。经历这样一个循环$后形成的闭合曲线 ab defa 称为磁滞回线。图 2 磁滞回线HS、BS、B、H是磁滞回线的特征参数。剩磁E反映介质记忆能力的大小，矫顽力 S S rrH 反映铁磁材料

5、是硬磁还是软磁。磁性材料的磁化特性不仅与C材料自身的性质有关，还与材料形状、磁化场频率及波形有关 由于磁材料磁化过程的不可逆性及具有剩磁的特点，在实 验过程中磁化电流只允许单调地增加或减少，不能时增时减。 当从初始状态H =0、B =0开始周期性地改变H的大小和方向 时，可以得到面积由大到小的磁滞回线簇，如图3所示。图3 的原点0和各磁滞回线的顶点ai5a2，a3,，a所连成的曲线， 就是初始磁化曲线。在测定初始磁化曲线时，首先必须将磁材料充分退磁，以 保证每次都是从原始状态(H =0, B =0)开始。退磁方法为： 先用大磁化电流让铁磁材料饱和磁化，然后缓慢减小交变电 流，利用逐渐衰减的交变

6、电流对磁材料反复磁化，最后将电流 调为零，重复23次即可完全退磁。退磁回线是一串面积逐渐 缩小而最终趋于原点0的环状曲线，如图4所示。为了得到稳定闭合的磁滞回线，磁材料的每个磁化状态都要反复磁化，这种反复磁化的过程称为磁锻炼。由于动态法测量磁化曲线采用交变电流，每个状态都经过充分的磁锻 炼，所以可随时测得稳定闭合的磁滞回线。2. 实验原理如图5所示，待测样品为磁环，磁环的励磁线圈匝数为竹，测量磁环磁感应强度B的 测量线圈匝数为n2。r1为励磁电流的取样电阻，r2为积分电阻，C为积分电容。在线圈 N1中通入磁化电流I,根据安培环路定律，磁环中产生的磁场H为：NI/八H = i 1（1）L2）3）

7、式中L为磁环样品的平均磁路长度。取样电阻R的输出电压为:U = I RH 1 1由式（1）和式（2）得：NH =ULR H1在式（ 3）图 5 测量原理设磁场H在磁环样品中产生的磁感应强度为B由电磁感应原理可知，有效横截面积 为s2的测量线圈的磁通量=bn2s2，测量线圈产生的感生电势为:4）ddB-=-N S 丝 dt 2 2 dt为了测量B,用R2C电路对感生电势E2进行积分，选择R2和C的数值使R21/c, 为励磁电流的频率，则E产I2 R2，积分电容C的输出电压UB为：222BQ if ,if , N f NS/l、U = U = = J I dt = J E dt = 2 J dB

8、= -2-B（ 5）B c C C 2 CR 2 CRCR2 2 2由式（ 5）得：B = CR U（6）SN B2式（6）中，N2、C、S、R2为已知常数，只要测出UB,就得到磁场感应强度B。2 2 B【实验内容与步骤】图6是FC10-II型智能磁滞回线实验仪，包括样品测试箱（有红色和蓝色两个磁环样品） 和LCD智能测试仪两个部分，LCD显示屏可代替示波器直接显示测量曲线和剩磁、矫顽力等 数据，实验数据及输入参数可保存和随时调用。其详细使用方法见附录1。1.选择测试箱的磁样品(红色或蓝色磁环)。红色磁环为软磁材料，蓝色磁环为硬磁材料，它们的几何参数相同：截面S=124mm2，平均磁路长度L=

9、130mm, N =N =100匝。12按图6连线：将测试箱信号源的输出端连到磁样品的励磁线圈输入端，将磁样品测量 线圈的输出端连到RC积分电路的输入端，将测试ffiUH和UB的输出端分别接至ILCD智能测试HB图 6 FC10-II 型智能磁滞回线试验仪仪的UH (X) 和UB (Y)的输入 端，并将它们的接地端相连。2.选取测试箱元件参数。 取样电阻R=5.5 0,积分电阻 R2=30KQ，积分电容 C = 3pF, 保证R21/c。注意：R2不能 小于10 K0，C不能小于lyF, 否则磁滞回线会畸变。3. 观察磁滞回线簇和初始磁化曲线1)接通实验仪电源，选取励磁信号源的幅度和频率。励磁

10、信号源为正弦波，频率在20200Hz连续可调，并由4位数码管显示，幅度可用波段开关分档可调。 选取正弦信号的频率(如50Hz),幅度波段开关放合适位置(如I档)。(2 )用LCD智能测试仪观测磁滞回线簇和初始磁化曲线 打开LCD智能测试仪的电源后，LCD显示初始界面，屏幕右下角显示“F S ”字符，表 示目前可以响应“S/预置”键和“F/采样间隔“键，其他按键目前暂不能响应。说明：按 键上的“数字”或“字母”代表该键编号，按键上的“汉字或+1/-1”代表该键的功能。 按“S/预置”键：通过“ 0/+1”“1/-1”，“2/左移”，“3/右移”键来设置“取样电阻 叫、积分电阻R2、积分电容C”参

11、数，以便微电脑可以根据实验数据计算B或H值，描绘磁 滞回线或磁化曲线。磁样品的L、横截面积S、励磁线圈匝数叫、测量线圈匝数N2”已经 预置好，不要修改。参数设置好后，按D/确定”键，保存设置参数。此时LCD上显示B-H 直角坐标轴。 按“5/回线簇”键：自动测量并显示一条与励磁正弦信号幅度相对应的磁滞回线。 依次将励磁正弦信号的幅度波段开关调至II档、III档，则自动测量并显示面积逐次 增大的其他磁滞回线，得到磁滞回线簇(共测6条磁滞回线)，将原点0与各磁滞回线的顶 点a,a2，a3,，a相连，得到初始磁化曲线。观察并记录这些磁滞回线的形状与特征，以便 与后面逐点测量的磁滞回线比较。4. 逐点

12、测量初始磁化曲线(1) 将励磁正弦信号的频率调为50Hz，幅度波段开关调至0档，从退磁状态开始测量。(2) 按“D/确定”键，结束当前操作。(3) 按“4/起始磁化曲线”键：测量并显示与励磁正弦信号幅度相对应的起始磁化曲 线的一个点及B、H值，将B、H值记录到数据表1 (自拟)；然后将励磁正弦信号的幅度波段 开关调至I档，按“4/起始磁化曲线”键，贝9显示磁化曲线的第2个点和B、H值，记录B、H 值；依次方法逐步增大励磁正弦信号幅度直到磁化曲线饱和，从而得到起始磁化曲线。将 所有点的B、H值记录到数据表1。画出LCD屏上的初始磁化曲线，以作数据处理时参考。注意：如果漏记了前面某个测量点的B、H

13、值，可以按“7/逐点查询”键来查询。每 按1次该键，从磁滞回线右上角开始按选择的步长和逆时针方向，LCD屏上用“加亮”方 式显示该点，并显示该点的B和H值。（4）将励磁正弦信号的频率调为100Hz,重复上述操作，再测一条初始磁化曲线，与 50Hz初始磁化曲线进行比较。5. 逐点测量磁滞回线（1）按“D/确定”键，结束当前操作。（2）将励磁正弦信号的频率调为50Hz，幅度波段开关调至饱和磁化幅度（如IX档）。（3）按“6/逐点测量”键：LCD屏显示磁滞回线右上角的一点和B、H值，将B、H值记 录到数据表2（自拟）。再按一次“6/逐点测量”键，按默认的步长、逆时针方向测量并显 示磁滞回线第二个点和

14、B、H值，记录B、H值。不断按“6/逐点测量”键，直到得到一条完 整的磁滞回线，将所有点的B、H值记录到数据表2中。画出LCD屏上的磁滞回线，读出HS、S BS、B、H值，以作数据处理时参考。Src注意：（1）如果LCD显示的磁滞回线顶部出现编织状小环，则可减小励磁信号幅度 消除。（2）如果LCD显示的磁滞回线大小不合适，可以通过“8/B缩小”键、“9/B放大” 键、“A/H放大”键、“X/H缩小“键在“B坐标方向”或“H坐标方向”放大或缩小磁滞回 线。（3）如果漏记了前面某个测量点的B、H值，可以按“7/逐点查询”键来查询。每按1 次该键，从磁滞回线右上角开始按选择的步长和逆时针方向，LCD

15、屏上用“加亮”方式显 示该点，并显示该点的B和H值。（4）将励磁正弦信号的频率调为100Hz，重复上述操作，再测一条磁滞回线，与50Hz 磁滞回线进行比较。【数据处理】1根据逐点测量的初始磁化曲线数据表，同一坐标纸上画出50Hz与100Hz励磁信号 的初始磁化曲线，并讨论两条初始磁化曲线的异同与原因。2根据逐点测量的磁滞回线数据表，在与初始磁化线同一坐标纸上画出50Hz与100Hz 励磁信号的磁滞回线，并从曲线上确定饱和磁感应强度BS、剩余磁感应强度B和矫顽力Sr HC。讨论两条初始磁滞回线的异同与原因。【思考题】1. 在测量磁滞回线下降段曲线时，励磁电流先从0.55A变到了 0.25A测量，

16、如果想补测0.40A这点，能否将电流直接从0.25A调回0.40A测量，然后再从0.40A调到0.10A继续测量，为什么？2. 在电流步进法测图 7 所示的磁滞回线时，若在励磁电流 为正向饱和电流IS时突然断开测试仪电源，此时铁磁材料的剩 磁为多少？【附录1】FC10-II型智能磁滞回线实验仪的使用方法FC10-II 型智能磁滞回线实验仪包括样品测试箱和 LCD 智能测试仪两个部分。1.样品测试箱(面板如附图 1 所示)(1)励磁信号源：正弦波，频率连续可调20200Hz连续 可调， 4位数码管显示，幅度可用波段开关分10档可调。(2)图 7 实验测量曲线采样电阻R :二盘电阻箱：(O1O)x

17、(1+O.1)0,步长0.10。(3)积分电阻R :二盘电阻箱：(O1O)x(1O+1)k0， 12步长1kQo (4)积分电容C：二盘电容箱：(010)x(1+0.1)MF，步长0.1pF。(5)红色磁环为软磁材料，蓝色磁环为硬磁材料.截面S=124mm2，平均磁路长度L=130mm，N =N =100匝。12也化电瀛输出 UhX)波形输出 频率调节辐度调节xmxomRi2. LCD智能测试仪(面板如附图2所示)附图 1 样品测试箱面板(1)功能：微电脑控制，240x128点阵LCD显示，触式键盘开关；自动连续和逐点步进测量磁环样 品的用初始磁化曲线和动态磁滞回线，测量步长可设置；由示波器和

18、点阵 LCD 显示曲线和和剩磁、矫顽 力等参数；实验数据及输入参数可保存和随时调用；通过改变励磁信号的幅度，自动测量并在LCD显示 磁滞回线簇(110条磁滞回线)；LCD显示的曲线可通过按键放大或缩小；在测量过程中，能自动调节坐 标的显示范围，以确保任何测量点均显示在LCD内；可通过按键移动光标逐点查询磁滞回线的B或H值， 并在磁滞回线上用“加亮”方式显示该点。2)键盘功能键面标注“0-9”数字/ “中文”或“A-X”字母/ “中文”，其中“0-9”数字或”A-X”字母是该键的代 码，而“中文”表示该键的功能。“复位”键：LCD显示“欢迎使用智能磁滞回线实验仪，佛山科学技术学院研制”，LCD右

19、下方显 示可以响应的按键代码，如“S D”，表示当前可响应“S/预置”、“D/确定”键，其他键当前暂不响应。附图2 LCD智能测试仪面板“S/预置”键：通过“ 0/+1”“1/-1”，“2/左移”，“3/右移”键来设置磁样品“磁路长度、横截面积、 励磁线圈匝数、测量线圈匝数”和“取样电阻R、积分电阻R2、积分电容C”等参数，以便微电脑可以 根据实验数据计算B或H值，描绘磁滞回线或磁化曲线。参数设置后，按“D/确定”键存贮设置参数。“D/确定”键：确认“预置参数”，或结束当前操作。“0/+1”键：在设置参数时，按该键使屏幕闪烁的数字值“+1”。“1/-1”键：在设置参数时，按该键使屏幕闪烁的数字

20、值“-1”。“2/左移”键：在设置参数时光标左移1位。“ 3/右移”键：在设置参数时光标右移 1 位。“4/起始磁化曲线”键：第1次按该键，屏幕显示B-H坐标，测量并在LCD显示与励磁信号号幅度 相对应的起始磁化曲线的一个点和B、H坐标值。然后从小到大改变励磁信号幅度，再按该键，测量并显 示磁化曲线的第2个点和B、H坐标值，依此下去直到磁化曲线饱和，从而逐点测出起始磁化曲线。“5/回线簇”键：第1次按该键，屏幕显示B-H坐标，自动测量并在LCD显示与励磁信号幅度相对 应的磁化曲线。然后改变励磁信号幅度，自动测量并显示另一条磁滞回线，与前面的磁滞回线一起形成 磁滞回线族（1 10条磁滞回线）。“

21、6/逐点测量”键：第1次按该键，屏幕显示B-H坐标，测量并在LCD显示磁滞回线右上角第一点 及B、H坐标值。每按1次键，按选择的步长和逆时针方向测量并显示磁滞回线下1个点及B、H坐标。“7/逐点查询”键：每按1次键，从磁滞回线右上角开始按选择的步长和逆时针方向，在LCD上用 “加亮”方式显示该点和该点的B、H值。“8/B缩小”键：每按1次键，LCD显示的磁滞回线在B坐标方向缩小一定量。“9/B放大”键：每按1次键，LCD显示的磁滞回线在B坐标方向放大一定量。“A/H放大”键：每按1次键，LCD显示的磁滞回线在H坐标方向放大一定量。“X/H缩小“键：每按1次键，LCD显示的磁滞回线在H坐标方向缩小一定量。“F/采样间隔“键：选择绘制磁滞回线的采样间隔（1 9）,改变测量步长。