永磁材料磁性能测量

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1、永磁材料磁性能测量实务永磁材料磁性能测量实务AIC Magnetics Co. Ltd.馮潼江&郑胡平磁场强度的测量磁场强度的测量:l磁场强度的测量通常可使用霍尔元件(Hall sensor) 配合高斯计(特斯拉计)或场线圈配合磁通计实现.l使用霍尔元件(Hall sensor)的测量原理:利用霍尔效应(Hall effect),美国物理学家霍尔(Hall,Edwin Herbert,1855-1938)于1879年在实验中发现，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。目前使用GaAs,

2、InSb, InAs等类半导体材料作为霍尔元件材料。磁场强度的测量磁场强度的测量:l霍尔效应图示：电压Vh与磁感应强度B成正比磁场强度的测量磁场强度的测量:l因霍尔元件通常较脆弱,通常需经过合适的封装制成相应的探头配合高斯计使用.l常见的霍尔探头分垂直型和轴向型,见下图:垂直轴向磁场强度的测量磁场强度的测量:l目前市售的高斯计配合霍尔探头可实现1uT3T的测量,精度可达0.5%.l因霍尔元件在高场强下(1T)有非线性的输出的特性,因此必须做相应的修正,方能保证必要的测量精度.磁场强度的测量磁场强度的测量:l高斯计原理: 高斯计实际上可看成是一台精密的电压表,和精密恒压/恒流电源的组合,原理框图

3、如下:霍尔探头电压表恒压/恒流电源数据处理显示单元高斯计典型的高斯計典型的高斯計使用高斯計直接測量磁場強度使用高斯計直接測量磁場強度l通常使用高斯計的探頭直接測量磁鐵表面或隔一定的氣隙測量磁場強度.(開路測量)l優缺點:l測量方便, 其它輔助工具使用少.l可現場測量.使用靈活.l數據的再現性/重現性差.l使用不同高斯計測量結果不同.使用高斯計直接測量磁場強度使用高斯計直接測量磁場強度l數據只可用于定性不可用于定量.l比較性能差別不大的磁鐵是有誤判的可能.l誤差來源:l開路狀態下,磁場強度分布是不均勻的,測量結果因Hall探頭的位置不同有較大的差異。l不同廠家的探頭因鎧裝層的厚度不同對測量結果有

4、較大影響。磁鐵在開路狀態下的磁場強度分布磁鐵在開路狀態下的磁場強度分布磁鐵在開路狀態下的磁場強度分布磁鐵在開路狀態下的磁場強度分布Hall探頭是如何校正的？探頭是如何校正的？lHall探頭通常是使用通電的Helmholtz 線圈或標準磁鐵產生的均勻磁場來校正的。l在均勻的磁場中Hall探頭的鎧裝層厚度對測量結果無影響。Helmholtz 線圈標準磁鐵使用使用”C”型夾具型夾具+高斯計測量磁場強高斯計測量磁場強度度l測量原理:利用特殊設計的含軟磁材料夾具,使磁鐵磁化軛鐵,同時將Hall探頭置于軛鐵的氣隙中測量,利用氣隙中磁場強度間接反映磁鐵性能.l優缺點:l測量數據的再現性/重現性良好,分辯率高

5、.l結果與測量設備及Hall探頭無關.(在均勻磁場下測量).l需制備專用夾具,通用性不強.產品批量小時成本高.”C”型夾具型夾具+高斯計測量高斯計測量軛鐵磁鐵Hall探頭”C”型夾具型夾具+高斯計測量高斯計測量场线圈配合磁通计測量磁場強度场线圈配合磁通计測量磁場強度l測量原理:利用特殊設計的場線圈配合磁通計,測量出測量區域的磁通量在除以線圈面積和匝數,從而得出該區域內的平均磁場強度.場線圈線圈移出法測磁通計算公式= N Bm AtBm：截面積內磁通密度B 的平均值At：徑向的截面積N：線圈的匝數场线圈配合磁通计測量磁場強度场线圈配合磁通计測量磁場強度l優缺點:l測量結果的重現性/再現性良好.l

6、高場強下測量線性好.l測量結果為平均值,且與線圈面積相關.l結果計算繁瑣.需要較好的磁通計使用技巧.l開路狀態測量結果與線圈位置有關.磁通的測量磁通的測量l磁通計原理:可以下述公式表示：lV = - d/ dtlV：量測之感應電壓 ：磁通量l由於磁通量的變化與所產生的感應電壓成正比，故可以用來作為磁場量測之用，上述公式以積分式表示，可以求得磁通量的變化量。l = (t2) (t1) = V(t)dtl由以上所述之磁通計量測原理而言，其僅能適用在有磁通變化的場合.通常配合線圈用移出法和反極性法測量磁通磁通計原理磁通計原理l磁通計設計有積分電路,可記錄感應電壓對時間的積分值.磁通計的零漂問題磁通計

7、的零漂問題l磁通計使用時通常必須調整零漂以保證讀數的穩定，零漂的調整原則是必須保證在測量周期內讀數的漂移最小，一般要求在一分鐘內漂移量不大于10個讀數.調整零漂要在設備預熱半小時以后進行.更換線圈或重新開機后均需調整零漂. 部分高檔的磁通計有自動零漂調整功能,穩定性和精度均有保證.使用磁通線圈測量磁通使用磁通線圈測量磁通l通常可使用專門設計的磁通線圈配合磁通計測量磁體磁通量,在測量電機的磁通時也可直接使用電樞做線圈骨架.Helmholtz 線圈測量磁矩線圈測量磁矩l在很多情況下可使用Helmholtz 線圈配合磁通計測量磁矩值來衡量磁體性能.l無需準備專用線圈;l測量快捷,結果重現性/再現性良

8、好;l結果可與磁滯回線對應.l結果與磁鐵的體積相關.l待测磁铁的尺寸应符合: 外径30%线圈内径(方形磁铁按对角线尺寸计算);高度40%线圈高度.Helmholtz 線圈線圈Helmholtz 線圈線圈磁矩測量計算磁矩測量計算l按以下公式进行磁通读数进行阻抗修正及磁矩值计算：磁矩= 磁通读数X量程档C（Rc+R0）/R0 Rc: Helmholtz线圈阻抗（见线圈铭牌）C: Helmholtz线圈常数（见线圈铭牌）R0: 磁通计输入阻抗（见磁通计说明书，HT701磁通计各挡输入阻抗见下表）0.2档 0.5档 1档 2档 4档 8档4K、 10 K、 20 K、 40 K、 80 K、 160 K（注：高档磁通计有线圈参数输入功能，无需进行阻抗修正，仅需将线圈阻抗输入仪器内即可）