铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线

-1- 铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线在各类磁介质中应用最广泛的是铁磁物质。

在20世纪初期铁磁材料主要用在电机制造业和通讯器件中如发电机、变压器和电表磁头而自20世纪50年代以来随着电子计算机和信息科学的发展应用铁磁材料进行信息的存储和纪录例如现以成为家喻户晓的磁带、磁盘不仅可存储数字信息也可以存储随时间变化的信息不仅可用作计算机的存储器而且可用于录音和录像已发展成为引人注目的系列新技术预计新的应用还将不断得到发展。

因此对铁磁材料性能的研究无论在理论上或实用上都有很重要的意义。

磁滞回线和基本磁化曲线反映了铁磁材料磁特性的主要特征。

本实验仪用交流电对铁磁材料样品进行磁化测绘的
B-H曲线称为动态磁滞回线。

测量铁磁材料动态磁滞回线的方法很多用示波器测绘动态磁滞回线具有直观、方便、迅速及能在不同磁化状态下交变磁化及脉冲磁化等进行观察和测绘的独特优点。

一、实验目的1认识铁磁物质的磁化规律比较两种典型的铁磁物质的动态磁化特性。

2掌握铁磁材料磁滞回线的概念。

3掌握测绘动态磁滞回线的原理和方法。

4测定样品的基本磁化曲线作μH曲线。

5测定样品的HC、Br、Hm和Bm等参数。

6测绘样品的磁滞回线估算其磁滞损耗。

二、实验原理1
铁磁材料的磁滞特性铁磁物质是一种性能特异用途广泛的材料。

铁、钴、镍及其众多合金以及含铁的氧化物铁氧体均属铁磁物质。

其特性之一是在外磁场作用下能被强烈磁化故磁导率μB/H很高。

另一特征是磁滞铁磁材料的磁滞现象是反复磁化过程中磁场强度H与磁感应强度B之间关系的特性。

即磁场作用停止后铁磁物质仍保留磁化状态图1为铁磁物质的磁感应强度B与磁场强度H之间的关系曲线。

将一块未被磁化的铁磁材料放在磁场中进行磁化图中的原点O表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态即BHO当磁场强度H从零开始增加时磁感应强度B随之从零缓慢上升如曲线oa 所示继之B随H迅速增长如曲线ab所示其后B的增长又趋缓慢并当H增至HS时B达到饱和值BS这个过程的oabS曲线称为起始磁化曲线。

如果在达到饱和状态之后使磁场强度H减小这时磁感应强度B的值也要减小。

图1表明当磁场从HS逐渐减小至零磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“O”点而是沿另一条新的曲线SR下降对应的B
值比原先的值大说明铁磁材料的磁化过程是不可逆的过程。

比较线段OS和SR可知H 减小B相应也减小但B的变化滞后于H的变化这种现象称为磁滞。

磁滞的明显特征是当HO时磁感应强度B值并不等于0而是保留一定大小的剩磁Br。

-2- 图1 铁磁物质B 与H的关系曲线图2 铁磁材料的基本磁化曲线当磁场反向从O逐渐变至HD时磁感应强度B消失说明要消除剩磁可以施加反向磁场。

当反向磁场强度等于某一定值HD 时磁感应强度B值才等于0HC称为矫顽力它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力曲线RD称为退磁曲线。

如再增加反向磁场的磁场强H铁磁材料又可被反向磁化达到反方向的饱和状态逐渐减小反向磁场的磁场强度至0时B值减小为Br。

这时再施加正向磁场B值逐渐减小至0后又逐渐增大至饱和状态。

图1还表明当磁场按
HS→O→HC→-HS→O→HD??→HS次序变化相应的磁感应强度B则沿闭合曲线SSRDSDR变化可以看出磁感应强度B值的变化总是滞后于磁场强度H的变化这条闭合曲线称为磁滞回线。

当铁磁材料处于交变磁场中时如变压器中的铁心将沿磁滞回线反复被磁化→去磁→反向磁化→反向去磁。

磁滞是铁磁材料的重要特性之一研究铁磁材料的磁性就必须知道它的磁滞回线。

各种不同铁磁材料有不同的磁滞回线主要是磁滞回线的宽、窄不同和矫顽力大小不同。

当铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化时将会发热要消耗额外的能量因为反复磁化时磁体内分子的状态不断改变所以
分子振动加剧温度升高。

使分子振动加剧的能量是产生磁场的交流电源供给的并以热的形式从铁磁材料中释放这种在反复磁化过程中能量的损耗称为磁滞损耗理论和实践证明磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。

应该说明当初始状态为HBO的铁磁材料在交变磁场强度由弱到强依次进行磁化可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线如图2所示这些磁滞回线顶点的连线称为铁磁材料的基本磁化曲线。

基本磁化曲线上点与原点连线的斜率称为磁导率由此可近似确定铁磁材料的磁导率
它表征在给定磁场强度条件下单位H所激励出的磁感应强度B直接表示材料磁化性能强弱。

从磁化曲线上可以看出因B与H非线性铁磁材料的磁导率μ不是常数而是随H而变化如图3所示。

当铁磁材料处于磁饱和状态时磁导率减小较快。

曲线起始点对应的磁导率称为初始磁导率磁导率的最大值称为最大磁导率这两者反映??-H曲线的特点。

另外铁磁材料的相对磁导率??0B/B0可高达数千乃至数万这一特点是它用途广泛的主要原因之一。

HBμ-3- 图 3 铁磁材料??与H并系曲线图 4 不同铁磁材料的磁滞回线可以说磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料分类和选用的主要依据图4为常见的两种典型的磁滞回线其中软磁材料的磁滞回线狭长、矫顽力小lt102A/m、剩磁和磁滞损耗均较小磁滞特性不显著可以近似地用它的起始磁化曲线来表示其磁化特性这种材料容易磁化也容易退磁是制造变压器、继电器、电机、交流磁铁和各种高频电磁元件的主要材料。

而硬磁材料的磁滞回线较宽矫顽力大gt102A/m剩磁强磁滞回线所包围的面积肥大磁滞特性显著因此硬磁材料经磁化后仍能保留很强的剩磁并且这种剩磁不易消除可用来制造永磁体。

2测绘磁滞回线原理磁滞回线实验组合仪分为实验仪和测试仪两大部分。

2.1实验仪配合PC机即可观察铁磁性材料的基本磁化曲线和磁滞回线。

它由励磁电源、铁磁材料样品、电路板以及实验接线图等部分组成。

图5 磁滞回线实验仪的实验接线示意图励磁电源由220V50Hz的市电经变压器隔离、降压后供试样磁化。

电源输出电压共分11档即0、0.5、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8和3.0V各档电压通过安置在电路板上的波段开关实现切换。

铁磁材料样品1和样品2为尺寸平均磁路长度L和截面积S相同而磁性不同的两只EI型铁
芯两者的励磁绕组匝数N和磁感应强度B的测量绕组匝数n亦相同。

-4- N50 n150
L60mm S80mm2。

电路板上装有电源开关、样品1和样品2、励磁电源“U选择”和测量励磁电流即磁场强度H的取样电阻“R1选择”、以及为测量磁感应强度B所设定的积分电路元件R2、C2等。

以上各元器件除电源开关均已通过电路板与其对应的锁紧插孔连接只需采用专用导线便可实现电路连接。

此外设有电压UB正比于磁感应强度B的信号电压和UH正比于磁场强度H的信号电压的输出插孔用以连接示波器观察磁滞回线波形和连接测试仪作定量测试用。

2.2测试仪图6所示为智能磁滞回线测试仪原理框图测试仪与实验仪配合使用能定量、快速测定铁磁性材料在反复磁化过程中的H和B之值并能给出其剩磁、矫顽力、磁滞损耗等多种参数。

图6 智能磁滞回线测试仪原理框图智能磁滞回线测试仪面板如图3所示下面对测试仪使用说明作介绍 1 参数L 待测样品平均磁路长度L60mm。

S 待测样品横截面积S80mm2。

N 待测样品励磁绕组匝数N50。

n 待测样品磁感应强度B的测量绕组匝数n150。

R1 励磁电流iH取样电阻阻值0.55Ω。

R2 积分电阻阻值10K。

C2 积分电容容量20??F。

UHC 正比于H的有效值电压供调试用。

电压范围01V。

-5- UBC 正比于B 的有效值电压供调试用。

电压范围01V。

图3 智能磁滞回线测试仪面板图2瞬时值H与B的计算公式: 3测量准备先在示波器上将磁滞回线显示出来然后开启测试仪电
源再连接测试仪和实验仪之间的信号连线。

4测试仪按键功能1功能键用于选取不同的功能每按一次键将在数码显示器上显示出相应的功能。

2确认键当选定某一功能后按一下此键即可进入此功能的执行程序。

3数位键在选定某一位数码管为数据输入位后连续按动此键使小数点右移至所选定的数据输入位处此时小数点呈闪动状。

4数据键连续按动此键可在有小数点闪动的数码管输入相应的数字。

5复位键RESET开机后显示器将依次巡回显示P…8…P…8…的信号表明测试系统已准备就绪。

在测试过程中由于外来的干扰出现死机现象时应按此键使仪器进入或恢复正常工作。

5测试仪操作步骤1所测样品的N与L值按RESET键后当LED显示P…8…P…8…时按功能键显示器将显示H B 千匝百匝十匝个匝百毫米十毫米个毫米分毫米这里显示的N50匝、L60mm为仪器事先的设定值如要改写上述参数可参阅附录Ⅰ。

2所测样品的n与S值按功能键将显示H B 千匝百匝十匝个匝百毫米2 十毫米2 个毫米2 分毫米2
N.0050L.060.0n.0150S.080.01HLRNUHnSCRUB22B-6- 这里显示的n150匝、S80mm2为仪器事先的设定值如要改写上述参数可参阅附录Ⅰ。

3电阻R1值和H与B值的倍数代号按功能键将显示H B 1Ω 0.1Ω 0.01Ω H与B值的倍数代号这里显示的
R12.5Ω、H与B值的倍数代号3为仪器事先的设定值如要改写上述参数可参阅附录Ⅰ。

注H与B值的倍数是指其显示值需乘上的倍数倍数代号倍数及单位1 ×10安/米 2 ×102安/米H值倍数3 ×103安/米 4 ×104安/米 5 ×105安/米倍数代号倍数及单位 1 ×10-1 特斯拉 2 ×1 特斯拉B值倍数 3 ×10 特斯拉 4 ×102 特斯拉 5 ×103 特斯拉4电阻R2、电容C2值按功能键将显示H B 10K 1K 0.1K 10μF 1μF 0.1μF 这里显示的R210KΩ、C220μF为仪器事先的设定值如要改写上述参数可参阅附录Ⅰ。

注N、L、n、S、R1、R2、C2、H与B值的倍数代号等参数可根据不同要求进行改写并可通过SEEP操作存入串行EEROM中掉电后数据仍可保存。

5定标参数显示仅作调试用按功能键将显示H B 按确认键将显示UHC和UBC电压值。

注1无输入信号时禁止操作此功能键。

2显示值不能大于1.0000否则必须减小输入信号。

r1.2.50H.3B.3U.HCU.BCC2.20.0r2.10.0-7- 6显示每周期采样的总点数和测试信号的频率。

按功能键将显示H B 按确认键将显示出每周期采样的总点数n和测试信号的频率f。

7数据采样按功能键将显示H B 按确认键后仪器将按步序6所确定的点数对磁滞回线进行自动采样显示器显示为H B 若测试系统正常稍等片刻后显示器将显示“GOOD”表明采样成功即可进入下一步程序操作。

如果显示器显示“BAD”表明系统有误查明原因并修复后按“功能”键程序将返回到数据采样状态重新进行数据采样。

8显示磁滞回线采样点H与B的值连续按两次功能键将显示H B 每按二次确认键将显示曲线上一点的H与B的值第一次显示采样点的序号第二次显示出该点H和B之值采样总点数参照步序6H与B值的倍数参照步序3。

显示点的顺序是依磁滞回线的第4、1、2和3象限的顺序进行否则说明数据出错或采样信号出错。

若在进行第7步序中只按功能键而未按确认键表明未完成数据采样就进入第8步序此时将显示“NO DATA”表明系统或操作有误。

9显示磁滞回线的矫顽力HC和剩磁Br 按功能键将显示H B 按确认键将按步序3所确定的倍数显示出HC与Br之值。

10显示样品的磁滞损耗按功能键将显示H B 按确认键将按步序3所确定的单位显示样品磁滞回线面积。

磁滞损耗的计算公式
n.F.testH.B...........H.SHOW.B.SHOW.Hc.Br.A.H.B.-8- W∫s Hdb 单位为H×B×103焦耳/
米3单位参照步序3 11显示H与B的最大值Hm与Bm H B 按确认键将按步序3所确定的倍数显示出Hm与Bm之值。

12显示H与B的相位差按功能键将显示H B 按确认键如显示为H B 上例显示表示H与B的相位差是25.5°在相位上UH超前UB。

13与PC联机测试操作按功能键将显示H B 按确认键进入联机状态参阅附录Ⅱ14UHC 电压校准操作调试时用按功能键将显示H B 15UBC电压校准操作调试时用H B 16SEEP操作数据存入EEPROM93C46 按功能键将显示H B 方法在H显示器的最高两位上写入存入码“96” 按确认键片刻后回显“85”说明数据已存入EEPROM中。

17程序结束按功能键将显示H B 三、实验内容1电路连接选样品1按实验仪上所给的电路图连接线路并令R12.5Ω“U选择”置于O位。

UH和UB即U1和U2分别接“X输入”和“Y输入”插孔⊥为公共端
Hm.Bm.PHR.P.C.--H.CHEC.CHEC.B.SEEP.0C25.50H.--B.SHOW.-9- 图6 退磁示意
图图7 U2和B的相位差等因素引起的畸变2样品退磁开启实验仪电源对试样进行
退磁即顺时针方向转动“U选择”旋钮令U从0增至3V然后逆时针方向转动旋钮将U从最大值降为O其目的是消除剩磁确保样品处于磁中性状态即BH0如图6所示3测绘
μH曲线连接实验仪和测试仪之间的信号连线。

开启电源对样品1、2进行退磁后依次测定U0.51.0??3.0V时的十组Hm和Bm值作出基本磁化曲线及μ—H曲线。

4观察磁滞回线开启PC机电源进入联机操作状态用配带的串行通讯线将测试仪后面板上的
RS-232串行输出口与PC机的一个串行口相连接打开测试仪首先用测试仪上的按键
确认N、L、n、S四个参数然后按“功能”键将功能调至“PC SHOW”功能按“确认”键进入PC机联操作状态数码显示器上显示“PC.F――”。

若图形顶部出现编织状的小环如图7所示这时可降低励磁电压U予以消除。

在PC机中运行PCCOM.EXE程序计算机就可以读取测试仪采集的数据信号将实验数据保存在硬盘里并可以在计算机显示屏上显示磁滞回线和其他曲线5观察基本磁? 甙床街?对样品进行退磁从U0开始逐
档提高励磁电压比较样品1和样品2的磁化性能6令U3.0VR12.5Ω测定样品1的HC、Br、Hm、Bm和BH等参数。

7取步骤6中的H和其相应的B值用坐标纸绘制BH曲线如何取数取多少组数据自行考虑并估算曲线所围面积。

四、实验数据记录表一基本磁化曲线与??H曲线UV H×104A/m B×102T ??B/HH/m UV H×104A/m
B×102T ??B/HH/m 0.5 2.0 1.0 2.2 1.2 2.5 1.5 2.8 1.8 3.0 -10- 表二BH曲线HC Br Hm Bm BH NO. HA/M BT NO. HA/M BT NO. HA/M BT 1 34 67 2 35 68 3 36 69 4 37 70 5 38 71 6 39 72 7 40 73 8 41 74 9 42 75 10 43 76 11 44 77 12 45 78 13 46 79 14 47 80 15 48 81 16 49 82 17 50 83 18 51 84 19 52 85 20 53 86 21 54 87 22 55 88 23 56 89 24 57
90 25 58 91 26 59 92 27 60 93 28 61 94 29 62 95 30 63 96 31 64 97 32 65 98 33 66 99
五、注意事项1测试仪面板中的电路已连接好实验开始时可以按照电路图进行核对但是连线且勿-11- 乱动电路的同名端连接要正确不能交叉信号端在操作时一定要
接上否则容易死机接线时要关电否则会损伤电路。

2如按仪器事先设定值输入N、L、n、S、R1、R2、C2、H与B的倍数代号等参数则不必按确认键如要改写上述参数则改写后务必按确认键才能将数据输入。

3按常规操作至步序12显示H与B的相位差后磁滞回线采样数据将自动消失必须重新进行数据采样。

4测试过程中如显示器显示“COU”字符表示应继续按动功能键。

5、测试仪上的数位键数据键用来样品参数设定实验前已确定好请勿乱动。

六、思考题1为什么有时磁滞回线图形顶部出现编织状的小环如何消除2在测绘磁滞回线和基本磁化曲线时为什么要先退磁如何退磁3. 观察样品1和样品2的磁滞回线的不同说明哪个样品为软磁材料哪个样品为硬磁材料
如何判断铁磁材料属于软、硬磁性材料4. 铁磁材料的磁化过程是可逆过程还是不可逆过程用磁滞回线来解释。

附录1参数说明L 待测样品平均磁路长度L60mm。

S 待测样品横截面积S802mm N1 待测样品励磁绕组匝数N150 N2 待测样品磁感应强度B的测量绕组匝数N2150 R1 励磁电流I1取样电阻阻值0.55Ω R2 积分电阻
阻值10KΩ。

C2 积分电容容量20μF。

样品1和样品2为尺寸平均磁路长度L和截面积S相同而磁性不同的两只EI型铁芯两者的励磁绕组匝数N1和磁感应强度B的测量
绕组匝数N2亦相同。

2数位键和数据键操作若改写样品的某项参数如将N50匝
L60mm改写N100匝L80mm可按如下步骤进行。

按功能键显示器将显示H B 千匝百匝十匝个匝百毫米十毫米个毫米分毫米1将N由50匝改写为100匝按动数位键使位于B窗口数据框内“个毫米”处的小数点右移至“分毫米”处再按动数位键使小数点渐次移入H窗口“百匝”即数据输入位处。

N.0050L.060.0N00.50-12- H 按动数据键将小数点位处数码管数字“0”改写为“1” H 再按动数位键使小数点右移一位至“十匝”处数据输入位。

H 按动数据键将小数点位处数码管数字“5”改写为“0” H 再按动数位键使小数点右移一位至“个匝”处。

H 至此样品匝数已由50改写为100。

2将L由60mm改.。