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磁性材料的靜態磁參數

放大字體  縮小字體 發布日期:2013-12-03  瀏覽次數:5199
 
 
 
 
 
核心提示:磁性材料在穩恒磁場作用下所定義和測量得到的磁參數不計及磁化的時間效應,就是所謂的靜態磁參數,或稱直流磁參數。若作用在材料

磁性材料在穩恒磁場作用下所定義和測量得到的磁參數不計及磁化的時間效應,就是所謂的靜態磁參數,或稱直流磁參數。

若作用在材料樣品上的外加磁化場強度H由零單調地增加,則被磁化的樣品上的磁感應強度B也由零增加,兩者構成的關系曲線就是起始磁化曲線。

若每增加一個磁場強度,強經反復換向而使樣品的磁感應強度處在該狀態下的穩定的數值上,實際性能測量時的這種反復換向的操作稱為磁鍛煉,這樣得到的B和H之間的關系曲線就叫作基本磁化曲線,又稱換向磁化曲線。

在很低的磁化場下,磁化是可逆的,即H減為零,B也退為零,它們之間呈線性關系,沒有滯后現象。這一低磁場的區域的大小隨材料和材料的狀態而異。在此區域中,磁導率(即表示磁化難易程度的一個磁參數)為常數,通常定義該磁導率為初始磁導率μi:

 

 

(1)

 

在較高磁化場強度下,磁化場強度減為零,磁感應強度不再退為零,而保留有一定的剩余磁感應強度。在這個區域中測得的起始或基本磁化曲線上,過坐標原點O作直線與其相切,可得最大磁導率μm(圖1)。磁化場強度再增加,磁感應強度也有增加。當磁化場強度到達飽和磁化場強度Hs時,對應此時的磁感應強度稱技術飽和磁感應強度Bs,在工程技術上就簡稱為飽和磁感應強度。此后,磁場強度再增大,磁感應強度雖有增加,但已與H成線性關系,這一階段工程技術上用途不大。

若磁化場強度在+Hs和-Hs往返變化時,將形成通稱的磁滯回線。不同的磁化場強度對應有不同大小的磁滯回線。并且,磁化場強度從+Hs開始減少到零再反向增大所對應的部分磁滯回線稱回線的下降支;而從-Hs開始絕對值減少到零再正向增大所對應的部分磁滯回線稱回線的上升支。磁滯回線上對應于H=0的磁感應強度為剩磁Br,對應于B=0的反向磁化場強度為矯頑力Hc。

上面所說的對應飽和時的正常磁滯回線又稱極限磁滯回線。極限磁滯回線上的飽和磁感應強度Bs、剩余磁感應強度Br和矯頑力Hc,再加上基本磁化曲線上的初始磁導率μi和最大磁導率μm,對某一具體材料的樣品來說,都是唯一的。所以,常把這五個參數作為考核軟磁材料靜態磁性能好壞的主要參數。為測試方便,在我國,初始磁導率μi對高導磁材料規定在磁化場強度為0.0796A/m、對一般軟磁材料規定在0.796A/m的數值下進行測量。在國外,不少國家則規定在磁感應強度為2mT時的磁導率為初始磁導率。

極限磁滯回線上第二象限或第四象限中的那段曲線稱退磁曲線。退磁曲線有B-H和J-H曲線兩種(圖2),J為磁極化強度。B-H退磁曲線上每點所對應的磁感應強度B和磁化場強度H的乘積稱磁能積(BH),


 

 

圖1 靜態磁化曲線和磁滯回線示意圖

圖2 硬磁材料的B-H、J-H退磁曲線和(BH)
曲線示意圖

 

其中的最大者叫最大磁能積(BH)max于是,退磁曲線上的剩余磁感應強度Br、矯頑力Hcb和最大磁能積(BH)max三者構成考核硬磁材料性能的主要磁參數。

對應退磁曲線上最大磁能積那點的磁感應強度和磁化場強度的坐標值通常用Bd和Hd來表示。在永磁磁路的設計中,磁體的靜態工作點都選在(BH)max點,即圖7-2的D點上,以便使磁體處于最佳工作狀態。設因某種原因,磁體的工作點處于B'點,一外加干擾磁場DH使磁體的狀態由B'到達E點,磁感應強度改變了△B(圖2)。△H變化一周,構成一個小的磁滯回環,稱回復曲線,由△B/△H稱回復磁導率μrec,μrec也被稱為可逆磁導率。顯然,μrec越接近于1,硬磁材料的磁性能越佳。在永磁材料,特別是超高矯頑力的稀土永磁材料的研制中,B-H退磁曲線常不滿足需要,而要求測量J-H退磁曲線,這時可根據公式B=μoH+J,由測得的B-H曲線求得J-H曲線。

除上述兩類軟磁和硬磁材料的靜態磁參數外,尚有若干結合材料具體應用而提出的磁參數。其一是衡量材料磁滯回線方形程度的矩形比α

 

 

(2)

 

很明顯,α的最大值為1。在要求鐵心具有矩形回線的場合,例如磁放大器、磁調制器的設計中,α是很重要的一個參數。并要求α趨于1。相反地,在用作單極性脈沖變壓器的鐵心中,又要求α趨于0,即要求磁滯回線扁平,同時要求剩磁增量磁導率μ△有較大的值,定義μ△如下:

 

 

(3)

 

式中,Bn、Hn和Brn各為樣品基本磁化曲線上第n點所對應的磁感應強度、磁化場強度及剩余磁感應強度。

其次為微分磁導率μd,它定義為以磁化曲線或磁滯回線上任一點P為出發點(圖1),每增加或減少一個磁化場強度△H,可得相應的磁感應強度改變量△B,則μd可表示為:

 

 

(4)

 

第三是磁滯回線的面積A1,實際上它是磁化一周,外加磁化場強度為克服磁性物體中存在的各種阻滯作用而消耗掉的能量,稱磁滯損耗Wh,單位為J/m3:

 

 

(5)

 

是沿磁滯回線的一個面積分。設A1的單位為cm2,H坐標每厘米代表HoA/m,B坐標每厘米代表BoT,則式(5)的積分值為

 

 

(6)

 

在分析軟磁材料的損耗組成時,Wh是必要的參數之一。而對在磁滯電機中用的鐵心,則要求測量對應最大磁導率μm點的磁滯回線面積A1μmoA1μm與對應該點的磁感應強度Bμm和磁化場強度Hμm乘積的4倍之比稱凸度系數Kr:

 

 

(7)

 

由式可見,Kr越接近于1,材料在μm點處的磁滯回線就越方,用這樣的材料制成的磁滯電機的性能就越好。

 
 
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