磁性材料B-H特性的测量.

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1、磁性材料B-H特性的测量摘要:关键词：B-H磁滞回线 剩磁Br最大磁能积BH） m退磁曲线矫顽力bHc一、引言磁性材料，一般只具有铁磁性或亚铁磁性并具有实际应用价值的磁有序材料。广义的磁性材料也包括具有实际应用价值或可能应用的反铁磁材料或其他弱磁性材料。磁性材料种类很多，磁特性参量不少。从技术应用角度出发，常关注材料的B-H特性。从B-H磁滞回线上可以方便地得到这样一些参量：（1 ）剩余磁感应强度 Br （简称剩磁），其意义在于磁性材料被饱和磁化后，材料内部磁化场下降到零时，材料内所保存的磁感应强度值，通常MrBr。（ 2）最大磁能积（BH）M，磁性材料 B-H磁滞回线第二和第四象限部分称 为

2、退磁曲线。退磁曲线上每一点的磁感应强度B和磁场强度H的乘积BH称为磁能积，其中最大者称为最大磁能积。这是磁性材料单位体积储存和可利用的最大磁能密度的量度。（3）矫顽力bHc，它是指磁性材料 B-H退磁曲线B=0处的磁场强度，其意义是对磁性材料反向磁 化过程中，使 B=0的反向磁场大小，通常 bHcmHc。根据磁性材料矫顽力的大小，可将磁性 材料分为三类，及软磁、半硬磁及硬磁。很多变压器铁芯，偏转线圈磁芯都是软磁材料制成 的。硬磁材料都是作为磁场源（各种永久磁铁）来应用的。磁性材料应用十分广泛，其特性测量方法有特殊性。学习B-H特性测量既有实用意义，又有方法学上的意义。二、实验原理磁学量多为导出

3、量，例如电流、电压、作用力等可以直接测量，但磁通、磁感应强度等 必须借助热学的、电学的、光学的物理量测量结果推算出来。常用的且方便的方法是利用电磁感应定律，从测量的电学量推算出磁学量。根据法拉第定律，一个开路线圈内的磁通发生变化时，其两端产生感应电压(1)如果线圈很截面积 S、匝数N均为定值，则(t)(2)对感应电压积分有则有(t)dtNSdB(t)dt(3)B(t)1NS(t)dt(4)对线圈两端感应电压进行积分，有许多办法和仪器，用得比较普遍的是 R C有源积分器。基本的R-C有源积分器如图1所示。1e(t)R(t)丄 ii(t)dtC(5)1eo(t)ii(t)dtC若适当选择R、C的数

4、值，满足RC1，f为输入信号频率，则2fii(t)ei(t)R（6）eo(t)1e(t)dt RC（7）若 e(t)(t)d (t) dtNSdB(t)， dt则NS 呦RCNS dB(t)BRC（8）BRC eoNS（9）三、实验仪器图2是根据法拉第感应定律用有源积分器进行B-H磁滞回线测量的仪器框图。图2 B-H回线测量仪器框图其中函数发生器和功率放大器给磁化装置提供随时间变化的磁化电流，磁通变化率检测 装置（检测线圈）将感应电压e（t）警送给积分器，积分器输出与磁通成正比的信号至X-Y记录仪的Y输入。外加磁场测量装置测出与磁场对应的信号送至X-Y记录仪的X输入。于是记录到 OH曲线。再通

5、过 与B的关系算出B-H曲线。反馈网络是为了控制函数 发生器的扫描速度在 变化剧烈区间，变化缓慢些，以便记录更精确。四、硬磁材料的 B-H磁滞回线测量硬磁材料矫顽力bHc高，饱和磁化场 Hs高。因此长江待测样品夹在电磁铁两磁极间，并尽可能使样品两端面平行光洁，与电磁铁两磁极紧密接触，以避免在样品内出现退磁场。在样品上紧密绕N匝线圈，线圈两端接入高输入阻抗的有源积分器。利用磁场的切向连续性， 将特斯拉计探头紧靠样品表面，测出样品的磁化场H。图3为测量装置示意图。电f积仆為|换向开关电雄铁L计莽机采集处理图3硬磁材料B-H磁滞回线测量装置B-H磁滞回线的第二 （第四）象限部分称退磁曲线， 如图4所

6、示。如将退磁曲线上各点的 H值和B值相乘后，可发现乘积中有一个最大值，称为最大磁能积，即为（HB） m，是硬磁材料最重要的参数之一，并可近似地从作图法求得，即分别从Br和He作H轴与B轴的平行线交于0则直线0-0与退磁曲线的交点 P所对应的H与B值，就是达到该种硬磁材料最 大磁能积的相应值。当利用硬磁材料产生恒定磁场时，就应根据实际可能，尽量将硬磁材料器件的形状设计成使该器件出于该种材料最大磁能积所对应的Bm处。M 一几-H. O图4退磁曲线五、软磁材料的 B-H磁滞回线测量软磁材料的He低，饱和磁化场 Hs低，一般情况将样品制成环状，作如图5的配置。在磁化线圈Ni中通过适当的交变电流使其磁化

7、。线圈N2为检测线圈，其两端电压（t）。dt磁化场H的测量可以根据安培环路定律，通过测量磁化线圈N中的电流得到，即HL iiNi(10)r I其中L为环的平均长度。又 V i1r1 上H，因此可将ri上的电压信号送至X-Y记录装置的N1X输入端，将积分器的输出送X-Y记录仪的Y输入端，记录到 G-H回线。在如图5所示的测量方法中，B ，其中S为样品环的截面积。从而由G-H回线，很容易得到 B-H磁滞N2S回线。测量软磁材料的直流特性，甚低频特性时，X-Y记录仪常用计算机采集系统等。测量软磁材料的交流特性，特别是高频特性，记录装置可用示波器。六、实验内容测出环状铁氧体永磁材料， 块状硬磁材料，环

8、状高频磁芯和软铁环的 -H曲线。根据 4H 曲线，画出B-H曲线，按图6所示的定义，算出剩磁 Br，矫顽力bHc,最大磁能积(HB) m。 待测量亦可在-H曲线上测出。七、实验数据与处理1实心磁铁测量数据与处理(1) 、磁铁直径测量如表 1 所示表1磁铁直径测量测量一 /cm测量二/cm测量三/cm平均值/cm2.652.682.692.67由此可以计算得到实心磁铁的面积S (d/2)2 5.6cm2。(2) 、实验室仪器给出的Q-H图像如图7 所示图7实验室仪器给出的 H图像NBS可以求得磁感应强度 B,从而作出B-H图像如(3)、用origin作出B-H图像 线圈匝数 N=10匝，由磁通量

9、公式 图8所示。p200150-100-50-/ /诊;I111111I111000 -800-600-400-20| /3 (50 j-100B150200-1 ./ 1 1 1 * 1 p 1 p 1iXx200 4Q0 6QQ 800 10WH(KA/m)图8用origin作出B-H图像根据图8可以得到剩磁Br 36.8T，矫顽力bHc 161KA/m，在H 86.7KA/m时，有最大磁能积(BH )M 1655.97KA T/ m。2、环形磁铁测量数据与处理(1 )、空心线圈与环形磁铁直径测量空心线圈内径测量如表 2所示，环形磁铁内外径测量如表3所示。表2空心线圈内径测量测量一 /cm

10、测量二/cm测量三/cm测量四/cm平均值d0/cm3.403.403.453.453.43表3环形磁铁内外径测量测量一 /cm测量二/cm测量三/cm测量四/cm平均值/cm内径1.821.821.851.80d1=1.82外径3.193.203.183.15d2=3.18由此可以计算空心线圈与环形磁铁的面积分别为s0 (d0 /2)29.2cm2，2 2 2S1(d2/2)(d1/2)5.3cm。(2)、空心线圈测量对于空心线圈有nBS n( oH)S n oHS aH，其中a为线圈常数。实验室仪器所测图像如图9所示。图9空心线圈-H图像Linear Fit of B通过数据用origin

11、所作图并作现行拟合后如图10所示。800 -600-矗LMIL 44谢:仲41W3Sb2.S5JT1E-3-6D0-图10用origin所作-H图像由图10可以得到 -H图像斜率即线圈常数 a 0.32267mWb m/KA，因此可以得到线圈匝数 n a/ oS）279（匝）。(3) 、样品测量对于样品，由于空心线圈面积大于环形磁铁，故环形磁铁周围存在空隙。下面推导此种情况下环形磁铁内磁感性强度 B与总磁通量 和磁场H的关系：01nB0(S0S)nBSn 0H (&S1)nBSaH n0HSnBS上式表示总磁通量 应该为空隙磁通量 0和磁铁磁通量 Q1之和，其中s0 S为空隙面积。由此可得aH

12、 n 0HStnSaHnS1oH由此根据0-H图像可以算出B，从而得到B-H的关系图。实验室仪器给出的 11所示，用origin作出的B-H的关系图如图12所示。O-H图像如图图11实验室仪器给出的 -H图像由图12可以得到剩磁 Br 271.5mT，矫顽力BHc 176.6KA/m，在H101.0KA/m时，有最大磁能积（BH）M 14504.3KA mT/ m。八、思考题1、如何利用B-H回线算出内禀矫顽力mHc?答：利用o求出M-H曲线，再用与求bHc类似的方法就可以找到 mHc。2、用作图法求得的最大磁能积（ BH） m与计算的（BH） m有何差别？答：作图法将退磁曲线近似为一段直线。 但是，实验实际测量得到的结果明显偏离直线，因 此用作图法得到的结果并不准确。通过计算得到的（BH） m，其精确度只和测量精度有关,因此，计算得到的（BH）m比作图法精确。