软磁材料静态磁参数的测量

软磁材料静态磁参数的测量1．实验目的⑴ 学习磁滞回线的测量方法。

⑵ 了解磁性材料的基本特性。

2．实验内容(1) 测静态磁化曲线及磁滞回线。

(2) 根据磁滞回线确定材料的c r m H B B ,,,max μ等参数。

3． 实验原理⑴ 磁滞特性磁性材料大体上可以分为永磁材料和软磁材料。

永磁材料包含稀土永磁(钕铁硼、钐钴等)，金属永磁（AlNiCo ）和铁氧体永磁；软磁材料包含金属软磁（硅钢Fe-Si ，坡莫合金Fe-Ni 、金属铁粉芯FeNiAl 等），铁氧体软磁（锰锌、镍锌、镁锌、锂锌）和其它软磁材料。

本实验主要讨论软磁材料磁参数的测量。

铁磁性材料除了具有高的磁导率以外，还有一个磁滞特性。

当一个材料磁化时磁感应强度不仅与当时的磁场强度H 有关，而且与该材料以前的磁化状态有关。

如图1所示，曲线OA 表示铁磁性材料从没有磁性开始磁化，磁感应强度B 随磁场强度H 增加而增加，称为磁化曲线。

当H 增加到H S 时，磁感应强度B 达到B S ，基本上不再随H 的增加而增加，即达到磁饱和。

称B S 为饱和磁感应强度，H S 为饱和磁场强度。

当磁性材料磁化以后，如果使H 减小，B 将不沿着原路返回，而是沿着另一条曲线AR下降。

如果H 从H S 变到－H S ，再从－H S 变到H S ，B 将随着H 的变化而形成一条如图1所示的磁滞回线ARC ’A ’R ’CA 。

其中，当0=H 时，r B B =，r B 称为剩余磁感应强度。

要使磁感应强度下降到零，就必须加一反向磁场C H -，C H 称为矫顽力。

一般来说，矫顽力小的磁性材料称为软磁材料，矫顽力大的磁性材料称为硬磁材料。

必须指出的是：在反复磁化（S S S H H H →-→）的开始几个循环内，每一次循环的B-H 曲线不一定沿着相同的路径进行，只有经过十几次反复磁化以后，每次循环的路径才趋于相同，形成一个稳定的磁化曲线，把这一过程称为“磁锻炼” 。

只有经过“磁锻炼”后所形成的磁滞回线才能代表该材料的磁滞性质。

在主要磁化曲线的各点上求出B 与μ０H 之比，即可得到μ和H 之间的关系曲线（图１上没有画出）。

⑵ 磁滞回线的测量为了使大家深入了解软磁测量的物理过程，在介绍软磁自动测量软件之前，我们首先介绍手动测量磁滞回线的方法。

由于软磁材料在较低的磁场下就能达到饱和磁化，所以在研究软磁材料的磁性时，往往将样品做成如图2所示的具有闭合磁路的环形，在样品磁环上均匀地绕以磁化线圈，把这种磁化线圈称为螺绕环。

螺绕环产生的磁场不强，最多为几千安培/米，但是对软磁材料来说完全可以使其达到饱和。

一个均匀绕制的螺绕环等效于一个首尾相接的螺线管，因此，沿着轴线方向的磁场是均匀的。

如果样品的内半径为R 1，外半径为R 2，磁环的平均半径为R ，螺绕环的匝数为N 1，通过的电流为I ，则螺绕环内的磁场为()121I R N H π=上式中N 1和R 在实验过程中均为已知的结构参数，因此可以通过对磁化电流I 的测量来得到磁场强度H 。

磁化曲线和磁滞回线的测量可以归结为各磁化电流下磁感应强度B 的测量。

图3（a ）给出了冲击法测量磁参数的电路图。

用冲击法测量磁感应强度B 就是在被测磁环样品C 上再绕上匝数为N 2的探测线圈(也称为“次级线圈”)，探测线圈N 2与冲击电流计G 串联，当磁化线圈N 1（亦称“初级线圈”）中的磁化电流突然改变I ∆时，磁场强度改变为H ∆，样品的磁感应强度也相应地改变B ∆，在探测线圈中的磁通量变化为B S N ∆=∆Φ2，S 是样品的横截面积。

通过测量冲击电流计最大偏转量m ax n ，就可以用下式求出B ∆：()2max 2n S N C B Φ=∆式中C Φ是磁性测量中常用的冲击常数，它表示冲击电流计单位最大偏转量所对应的探测线圈中磁通量的改变量。

图3（a ）中M 是标准互感，R 1、R 2、R 3是可变电阻器，R 4是电阻箱，E 是直流电源，K ，K 1…K 5是转换开关。

① 饱和磁感应强度的测量：由于磁滞回线的对称性，+B S 与－B S 大小是相等的，所以外磁场突然由+H S 变到－H S （通过K 使电流反向）时，磁感强度B 由+B S 变到－B S ，由ΔB 可以求出B S 的绝对值：()S S S B B B B 2=--=∆，()32BB S ∆=软磁材料在饱和以后磁感强度B 基本不再变化并趋于B S ，利用这一事实可以判断材料是否已经饱和，从而确定饱和磁化电流I S 及对应的磁场强度H S 。

② 剩磁感应强度B r 的测量：以B S 为起点，K 突然断开，磁场由H S 突然降为零。

令ΔB Ar表示该过程中磁感应强度的变化，则Ar S r B B B ∆-=③ 磁滞回线上其它各点B 的测量：根据磁滞回线的特点，测量过程必须沿着磁滞回线的路径，即图３（b ）中A-d 1-r-d 2-A ’-d 3-r ’-d 4-A 的顺序进行。

整个操作过程就在于合理地利用开关K ，K 2和变阻器R 1、R 2、R 3来达此目的。

其中，K 2的作用是关键。

合上K 2时，R 2、R 3不起作用。

如果先合上K 2，调节R 1使磁场达到H S ，然后突然打开K 2，使R 2、R 3起作用，磁化电流减小，H 由H S 下降到H 1，即从A 点到d 1点，这样就可以测出1Ad B ∆，由图可得：11Ad S d B B B ∆-=。

记下这时的磁化电流数值，可求得对应的H 1。

将开关K 反向，H 由H 1变到－H 1，即从曲线上的d 1点到d 2点，与之对应的电流计的偏转可以不记。

再以d 2为起点，突然合上开关K 2，使磁场从－H 1下降到－H S （磁场强度实际上向负的方向增强），即从曲线上的d 2点到A ’点。

由此可以测量得到'2A d B ∆，所以S A d d B B B -∆='22。

同理，以A ’为起点，打开K 2，可以测得3'd A B ∆，将K 反向，不计电流计的偏转，再以d 4为起点，合上K 2，可以得到A d B 4∆。

可以看出：对应于H 的一个绝对值H 1，就可以测出曲线上4321,,,d d d d B B B B 四个点，改变变阻器R 2、R 3又可以得到另外一个励磁电流I 2，即得到另外一个磁场强度的绝对值H 2，又可以用同样的方法测得曲线上另外四个点，如此继续下去，就可以测出整个磁滞回线了。

注意：在磁滞回线的陡直部分（即H C 附近），磁化电流取值的间隔要小，以增加测量点的数目；实验操作必须按照磁滞回线的路径进行，一旦操作顺序发生错误，必须重新进行“磁锻炼”才能继续进行测量（错误操作前的数据仍然有效）。

在进行“磁锻炼”时一定要把K 4断开，只有在准备测量B ∆时才将K 4合上。

④ 冲击常数ΦC 的测量：将图3（a ）中的K 3合向标准互感器M 一侧，利用反向开关K 使互感M 的初级线圈电流有一个瞬时的变化量002I I =∆，于是在互感器次级内就得到磁通的改变量002MI I M =∆=∆Φ。

互感器次级线圈与冲击电流计、电阻R 4及N 2组成一个回路，假如磁通量的变化∆Φ在冲击电流计中引起的最大偏转量是0n ，则0n C Φ=∆Φ，因此，002n I M C =Φ。

因为M 是已知参量，所以，只要读出I 0和n 0就可以得出冲击常数ΦC 。

由于ΦC 与冲击电流计回路的总电阻有关，因此要保证在测量B 时和在测量ΦC 时电流计回路的总电阻保持不变。

注意：I 0的选取不要超过互感M 初级线圈的额定电流。

４． 实验仪器与设备⑴ MATS 磁性材料自动测试系统简介在知道了手动测量软磁材料磁滞回线的具体方法以后，下面就来了解软磁材料的自动测量过程。

MATS 是磁性材料自动测试系统（AUTO TEST SYSTEM OF MAGNETIC MATERIALS ）的英文缩写，MA TS-2010是MATS 的一个系列。

MA TS-2010SD 是软磁直流测量装置的简称，SMTest 是与它配套的软磁测量软件。

与前述手动测量磁滞回线不同，MATS-2010SD 能自动测量软磁材料在静态（直流）条件下的基本磁化曲线和磁滞回线、起始磁导率、最大磁导率、饱和磁感应强度、剩磁、矫顽力和迟滞损耗。

依照上述冲击法的测量原理，采用计算机控制技术和A/D 、D/A 相结合，以电子积分器取代传统的冲击检流计，实现微机控制下的模拟冲击法测量。

MATS-2010SD 软磁直流测量装置的方框图见图４。

励磁电源、电子积分器和电流采样电路全部集中在一台仪器中，A/D 、D/A 转换和量程控制通过一块安装在电脑中的PCI 卡来完成。

⑵ SMTest 软件直流测试功能及操作① 双击桌面上的SMTest 图标即可进入软磁测量主界面（见图5）。

② 在主界面的样品参数区（见图6）选择测试样品类型（可选EE 型、EI 型、环形、双孔型和其它），输入样品参数。

注意：Sx/De 栏具有双重意义，当输入数字小于10时，代表材料的密度（单位：g/cm 3）,否则代表叠片系数Sx （%）。

当输入数字等于零时，表示叠片系数和材料密度都没有指定，这时取叠片系数为100来计算。

W(g)栏为样品质量，单位为克，当输入数字等于零时，表示没有指定质量。

磁场强度的计算公式：e L I N H ⨯=，式中，H 为磁场强度，单位为安培/米，N 为励磁线圈匝数，I 为励磁电流，单位为安培，L e 为被测样品的有效磁路长度，单位为米。

磁感应强度计算公式：()e A N B ⨯Φ=，式中，B 为磁感应强度，单位为Wb/m 2，Φ为感应磁通（测量值），单位为 Wb ，N 为感应线圈匝数，A e 为被测样品的有效截面积，单位为m 2 。

③ 当EE 型、EI 型、环形或双孔型样品输入了样品参数后，单击“其它” ，可在表格中得到该样品的有效磁路长度、有效截面积和有效体积。

这一功能可作为磁性零件有效尺寸参数计算工具使用。

④ 线圈匝数设定：每一次测试过程都有一个最大磁场H max 和最小磁场H min 的设定值，同时也有一个最大磁感B max 和最小磁感B min 的测试值。

考虑到电流（及磁通）的余量和分辨率，励磁线圈N 1匝数范围为()()2~10max max min min I L H I L H e e ⨯⨯⨯；感应线圈N 2匝数范围为()()e e A B A B ⨯⨯Φ⨯⨯Φ2~10max max min min 。

测试未知样品时，N 1和N 2的匝数按上面的说明来估算。

然而最大磁感B max 和最小磁感B muin 的测试值必须在经过测试后才能知道。

这样就需要测试者预先估计磁感的值，通过测试后再来调整N 2的匝数。

在测试过程中，可以根据状态栏中的提示以及磁通信号（测试波形中的绿线）和磁场信号（测试波形中的红线）的强弱来调整下次测试时N 1和N 2的匝数。