磁性材料测量——磁测量基础知识

磁性材料主要包含永磁材料和软磁材料两大类，以矫顽力进行区分，通常将矫顽力低于10kA/m的材料称为软磁材料（也有将矫顽力在1kA/m---10kA/m的材料称为半硬半软材料），根据材料的矫顽力大小，在测量方面选择不同的测试方法进行。

一、软磁材料直流磁特性测量：参考标准：GB/T13012、IEC60404-4

对于矫顽力小于1kA/m的软磁材料材料，主要包含：电工纯铁、电工硅钢、坡莫合金、非晶、软磁铁氧体等材料，测试通常采用闭路样品进行测量，测试方法为：在闭路样品（如圆环）上绕制初级N1和次级N2绕组，通过对初级绕组的电流进行测量，并按：H=N1*I/Le，来计算H。其中N1为初级励磁绕组匝数，I为励磁电流，Le为测试样品的磁路长度。次极通过对感应电压进行积分获得磁通ø，磁通除以有效截面积和感应匝数，获得磁感应强度，得到B值。根据测试获得的B、H值，绘制磁化曲线和磁滞回线等，并参考定义,确定对应曲线上的初始磁导率ui、最大磁导率um、剩磁Br、矫顽力Hc和饱和磁感应强度Bs，励磁磁场强度Hs等，软磁材料直流磁特性是软磁材料最重要的基本参数。

   测试设备目前以德国玛格力C-300为代表，日本产的SK1100型号产品早期也做过一些，这些产品由于价格昂贵，且采用扫描法测量，不能很好的满足Hc小于10A/m以下的软磁测量，基本上被国内采用模拟冲击法的直流磁测量设备所替代，上海天端实业有限公司目前采用模拟冲击法测量软磁材料直流磁性能磁化曲线和磁滞回线的产品：GM2100SD,拥有中国发明专利，为国内软磁材料的生产和企业服务。

典型测试报告：

2、软磁材料的交流磁特性测量，参考标准：GB/T3658-2008、GB9632-2002和IEC 60404-6

软磁材料交流磁特性测量设备，行业的杰出代表设备为岩崎（通）的SY8218/19，主要用于材料的交流特性测量，测量不同频率、不同磁感应强度下对应的磁滞回线，并通过多点测量，获得损耗曲线、磁化曲线、磁导率曲线等。测试参数根据定义有：准确测量剩磁Br、矫顽力Hc、比总损耗Pc、振幅磁导率µa、损耗角δ、电阻磁导率µR、电感磁导率µL、弹性磁导率µ′、粘性磁导率µ〞、电感常数AL以及Q值等动态磁特性等参数。

交流测量对Br和Hc参数已经不视为重要参数，主要参数为：Pc、µa、δ等，磁化曲线、磁导率曲线和磁化曲线的获得，需要测试多点的磁滞回线进行组簇获得。

典型的报告有：

国产设备内容较岩崎更多：

2-1、多点回线组图

2-2、20KHz条件下，材料的Ps-B损耗曲线

2-3、20KHz条件下，材料B-H磁化曲线和u-H磁导率曲线

2-4、30kHz、40kHz和50kHz不同频率下，材料的Ps-B损耗曲线的对比分析

软磁材料的测量，由于Hc表较小，可直接对样品进行绕线测量，交流测量直接测试电流和感应电压，进行计算，计算公式如下：

H=N1*I/Le

B=V/4.44*f*N2*Bm*Ae

二、永磁材料的测量，参考标准GB/T3217-2008和IEC404-5

   永磁材料包含内禀矫顽力小于Hcj600kA/m一般永磁（如AlNiCo和永磁铁氧体）和Hcj大于600kA/m的稀土永磁（如NdFeB和SmCo等），由于材料的Hcj高，采用环形闭路样品是无法获得材料的饱和磁滞回线以及定义在饱和磁滞回线上的剩磁Br、矫顽力Hcb、内禀矫顽力Hcj和最大磁能积BHmax等相关参数的。需要借助外部磁路（如电磁铁）产生更大的励磁磁场来进行测量。电磁铁为一个标准的准闭路励磁模型，在间隙中获得30kOe（约2400kA/m）的磁场，基本上可以满足测量的要求。

    根据测量永磁材料的规范，一般永磁可以直接在电磁铁中进行测量，B和H可以通过高斯计和磁通计进行直接采集。

 国际上目前最为用户所认可的设备依然是德国玛格力公司生产的C-750，国内设备目前与该设备的差距已经很小。测试界面：

1、永磁材料铁氧体测试界面（直接测试一般永磁完整的磁滞回线）

2、NdFeB材料测试界面（需要先对稀土永磁采用螺线管脉冲磁场进行饱和预磁化，磁化场5T以上，测试退磁曲线）

使用的励磁电磁铁：（永磁材料的Hcj是软磁材料的1000-10000倍，不借助电磁铁是难以达到的，目前有使用超导螺线管和脉冲线圈产生高场测试开路样品）

1、极头调节手轮，2、极头锁紧手柄，3、霍尔探头和调节支架，4、测试J线圈，5、轭铁，6、测试样品，7、收缩极头。

磁学名词解释

一、磁感应强度

     磁感应强度是用来描述磁场性质的物理量，也是磁测量的基本物理量，用B表示，磁场中某点的B的方向是该点磁场的方向，B的大小表示该点磁场强度的强弱。

     在SI 单位制（国际单位制）中，磁感应强度的单位是【伏特·秒/米2，V·s/m2】，而【伏特·秒，V·s】称为韦伯，所以磁感应强的单位称为【韦伯/米2，Wb/m2】或【特斯拉，Tesla】，简称【特，T】。在CGSM单位制中，磁感应强度的单位是【高斯，G】：

                        1T=1 Wb/m2=104G………………………………………………（1-1）

二、磁力线、磁通

       我们用磁力线来形象地描绘磁场，电流产生的各种不同磁场的磁力线如图（1.1）所示。可以看到，磁力线是环绕电流的无头无尾的闭合线，电流方向与磁力线回转方向符合右手定则。

我们规定，磁力线任何一点的切线方向是该点磁场（也就是B）的方向，通过垂直于B矢量的单位面积的磁力线等于该点B矢量的大小，也就是磁场强的方向，磁力线较密；反之，磁场弱的地方，磁力线较疏。

通过某一曲面的总磁力线数，称为通过该曲面的磁通，用 Φ 表示。磁通的计算如图（1.2）所示。在曲面上取面积元，其法线方向与该点的B的方向之间成 θ 角，通过该面积元的磁通为

图1.2 通过曲面S的磁通

                                            dΦ = B*cosθ*ds…………………………………………………（1-2）

所以通过曲面S的总磁通为：

                                              Φ = ∫B* cosθ*ds………………………………………………（1-3）

当B均匀，S是平面并与B垂直时，通过S平面的磁通为：

                                                   Φ = B*S………………………………………………………（1-4）

这是磁测量中经常用到的关系。

当S面是一个闭合面，由于磁力线是闭合线，那么穿进闭合面S的磁力线必从闭合面的其他部分穿出，所以通过任一闭合面的总磁通量必等于零，这叫磁通连续定理是磁测量的重要特征之一。磁通的单位在SI单位制中是【韦伯，Wb】，在CGSM单位制中是【麦克斯韦，Maxwell】，简称【麦，Mx】。

                                             1Wb = 108 Mx……………………………………………………（1-5）

三、磁场强度

磁场强度是为了便于分析磁场和电流之间的关系而引入的一个物理量，它也是一个矢量，用H表示，它与磁感应强度的关系是：

                                                 H = B/μ………………………………………………（1-6）

其中，μ是磁介质的磁导率，由磁介质的性质决定。在SI单位制中，真空的磁导率为：

                                                μ0=4π*10-7 亨利/米 …………………………………（1-7）

H的单位是【安培/米，A/m】，在CGSM单位制中，真空的磁导率为1；H的单位是【奥斯特】，简称【奥，Oe】。

                                            1A/m=4π*10-3 Oe………………………………………（1-8）