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1、磁性材料铁氧体的磁滞回线测量随着科技的高速发展，磁性材料的应用越来越引起人们的重视，磁性材料在 科技的进步和快速发展起着至关重要的作用，对磁性材料的研究也取得一定程 度的进展。而交流磁滞回线也是磁性材料的非常重要的性能之一。本实验使用 交流磁滞回线测量仪进行测量，并通过LABVIEW和MATLAB自动绘图和数据 处理，分析了不同频率下的磁滞回线形貌，并讨论了频率与各特征参数之间的 关系。关键词：磁滞回线，磁感应强度，磁化，频率第一章 绪论1.1 软磁材料概述软磁材料是指矫顽力低(He v 1000A/m )、磁导率高、磁滞损耗小、磁感 应强度大及在外磁场下易磁化和退磁的一类磁性材料。主要有金属
2、软磁材料及 铁氧体软磁材料等类型。其中软磁铁氧体是以 Fe2O3 为主成分的亚铁磁性氧化 物，在磁场中可以反复磁化，当外电场去掉以后获得的磁性便会全部或大部分 消失。采用粉末冶金方法生产。软磁材料的应用十分广泛，在电领域、信息化领域、汽车领域和其他配套 领域都有应用，同时将软磁材料作为电子元器件生产的主要原材料的需求最为 突出。近年来，软磁材料的市场需求逐步增加，在磁性材料行业中的发展受到 人们的更加关注。1.2 磁化过程我们知道磁性产品性能的好坏主要由磁心部分决定，关键看该软磁材料在 实际应用条件下的磁性能。要知道磁性能的详细信息，当然需要我们对磁滞回 线的测量，通过磁滞回线图可以得到磁材料
3、性能的各项参数，如矫顽力、饱和 磁感应强度、剩磁等，只有这些参数才能进行最佳的设计。磁性体的内部具有磁畴，就像众多的小磁铁一样混乱排列，整体对外没有 磁性。在外加磁场的作用下，磁矩会向外加磁场方向转动，从而沿外场方向有序排列，对外显示磁性，这时便被磁化了。多数磁化曲线表明，整个磁化过程 是通过畴壁的位移和磁畴的转动来实现的。磁性体在变化的磁场作用下，随着 磁场的增大，磁性体的磁化强度随之增大的过程称为磁化过程。当铁磁性材料在交变磁场作用时，铁磁铁被周期性地反复磁化而得到的磁 滞回线称为动态磁滞回线。如果是在交变磁场的作用下，由于交变磁场不断快 速变化，使其磁化状态的改变在时间上落后于交变磁场的
4、变化，所以任何一个 趋于稳定的磁化状态建立都要经过一定的时间以后才能完成。因此，铁磁体在 交变磁场中的动态磁化过程需要考虑磁化的时间效应，此外在动态磁化过程中， 磁化强度会向能量极小的方向运动，一方面以磁场方向为轴作进动，另一方面 逐渐转向外磁场方向，这便是磁化的动力学问题。1.3 磁滞回线的测量 磁滞回线的测量方法有多种，实验室常用的方法有电子积分法和示波器法， 这两种方法都需要实验室的硬件设备支持，包括电子积分电路和示波器等。随 着计算机的广泛应用, 可以通过选用适当的软件的程序操作代替原有的硬件设备, 将可以降低测量成本, 并使实验操作简单。本文在实验过程中利用 Labview 图形化平
5、台和数据分析处理功能实现磁滞 回线测量的自动测绘，并不再使用示波器观测磁化曲线和磁滞回线。由数据采 集仪连接交流磁滞回线测量仪器和计算机，用Labview采集的数据通过Matlab 编程并作图得以观测磁性材料的各项磁性特征。可以让我们得到精准的数据采 集结果和解决庞大的数据运算过程。第二章 基本原理1.1磁滞回线如图，为典型的磁滞回线，0点为磁中性状态，即磁性体打处于H=M=O状态，当外磁场H从0逐渐增加时，磁化强；度M将沿着OAB曲线增加， 直至达到磁饱和状态B点，厂此后再增加外场H，磁化状态基本保持不变，如BC水平直线，此时饱和磁化 强度值Ms，对应磁场强度H用HS表示。OAB曲线称为起始
6、磁化曲线。当磁性材料磁化达到饱和后，将磁场H降低到0，在此过程中，磁化强度 并不是原路返回，而是沿着BDE曲线变化，而H=0时，MHO，而是保持一定 的磁性Mr，即为剩磁，并将该过程称为剩余磁化。这种现象就叫磁滞现象。它 是由于铁磁体的不可逆磁化造成的。继续将外场H反向增加，才能使M降低到 0，所需要的反向磁场-HCM，称为内禀矫顽力。此后使反向磁化场减小到零， 然后又沿正方向增加。磁化状态将沿曲线EGB回到正向饱和磁化状态B。如图， 当磁场按HSfOfHcMfHSfOf HCM-HS次序变化时，相应的磁化强度 M将沿着闭合曲线CBDEGC变化，把这条闭合曲线称之为磁滞回线。在如上 描述的循环
7、过程中，要消耗额外的能量，它们将以热的形式从磁性体中散发， 这种损耗称为磁滞损耗，已经证明，一次循环过程中的磁滞损耗和磁滞回线所 围面积成正比。图 同一铁磁材料的一簇磁滞回线另外，当磁场强度H的最大值由 弱到强依次进行磁化时，会得到如图 2 所示面积逐渐向外扩大的一簇磁滞回线， 把这些磁滞回线的顶点连接起来所得到 的曲线称为动态磁化曲线，通过它可以 近似确定磁导率pm=B/ ( uOH )。同时 磁化曲线和磁滞回线也是是铁磁材料分 类和选用的主要依据。图 铁磁材料与 H 的关系1.2 动态磁性参数 表征动态磁化特性的重要动态磁性参数：复数磁导率、品质因数 Q 值、材料的损耗因子tg 5和材料的
8、uQ积。1.2.1 复数磁导率数学表达式可以写成：u = u iu ,其中u=u cosS,u = u sinS。复数磁 mm导率u的表达式清晰的说明了动态磁化过程中，在磁性材料内，不仅有磁能的储 存，即含u的部分，还含有磁能的损耗，即含u的部分。因此复数磁导率的实部 又称之为弹性磁导率，它就相当于在静态磁化过程中的磁导率，它代表了单位 体积铁磁体在动态磁化时的磁能储存量，大小为1u uH2 ；复数磁导率的虚部u2 0又称之为粘滞性磁导率，它代表单位体积内的铁磁体在交变磁场中每被磁化一 周的磁能损耗，其大小为nu uH2 ；同时B落后于H是由于损耗引起的，所以0mB落后于H的相位角S又叫做损耗
9、角。1.2.2品质因数Q值为了表达软磁材料的磁导率和损耗性能而引入了品质因数Q值，对于环形 样品的等效电路来说，Q值所表示的物理意义是，软磁材料在交流磁化时，能量的储存和能量的损耗之比,Q = 2nWL = =u。即Q值就等于复数磁导率的 WRR u实部和虚部之比。1.2.3材料的损耗因子tg 5损耗因子tg6，可以由复数磁导率u和u来进行定义，tg6=Z些，显然tg umcosS与Q值之间有如下关系：tg6=1或者0=丄。可见，磁性材料的损耗因子tg6表QtgS示材料在交流磁化过程中，能量的储存和损耗的比值，反映了磁性材料的磁损 耗的性能，是表示交流磁特性的重要动态参数。它可以通过用交流电桥
10、、Q表 进行测量相位差6或者测量磁损耗求出。1.2.4材料的uQ积对于软磁材料人们总是希望材料的Q值越高越好，同时要求u值越大越好。 所以，我们用uQ乘积来表示软磁材料的技术指示，或者tg6/Q来表示。曲=丄， u uQ 并把 tg6/Q 叫作材料的比损耗系数，反映软磁材料的相对损耗大小。它随材料 的使用频率的不同而变化。1.3测量原理测量动态回线的方法有示波器法、铁磁仪法和采样法等，这些方法的测量 原理都大致相同，其中示波器法是利用阴极射线示波器直接显示交流回线。本 实验采用的是交流磁滞回线测量仪进行测量，将测量所得数据通过数据采集仪 传输到计算机，再用labview和matlab进行自动绘
11、图和数据处理，直接可以得 到磁性材料的各项动态磁性参数，实验非常便捷和准确。采用的磁性材料为圆环状，其上紧密的绕上励磁线圈（N）和测量线圈（n），向励磁线圈通一交变电流，便会产生交变磁场（H），使磁性圆环反复 磁化，如下图所示。團濫环电路通过计算可以得到：h=LRucr1上式中L、C、R、N、n和截面积S均为b= 2U nS已知常数。所以H由U决定，B由U确定。1 2这样只要将H与U1关系和B与U2的关系联系起来，再加入 labview 面板，便可以自动画出 B-H 曲线，即磁滞回线， 最后利用 Matlab 软件编辑相关公式，就可以求得到饱和磁感应强度 B 、剩磁 sM、矫顽力H、磁滞损耗以
12、及磁导率等各项磁性参数。下图为MATLAB rcBH绘图和各项磁性参数显示结果示例第三章 样品测量3.1 样品信息本实验采用的 3 种样品均为圆环状铁氧体材料，而且它们的形状信息都十 分接近，有利于比较，分别在其上绕上 12 圈初级线圈（励磁线圈）和 22 圈次 级线圈（检测线圈）。其中励磁线圈提供磁滞回线测量时所需的交变磁场，检 测线圈用于取出样品被磁化后产生的磁场信息。样品形状信息：样口口编号内径（mm ）夕卜径（mm ）高（mm ）截面积（mm 2 ）114.7824.9812.0343.476215.2125.0111.8844.521315.0524.8311.7643.6232.2
13、 实验内容将饶有线圈的环形样品连接到交流磁滞回线测量仪上的相应回路中，检查 测量仪与数据采集仪以及数据采集仪与电脑，整个线路连接是否畅通，打开测 量仪上各部分电源开关，选择交变档位，选择所测频率（如500Hz）,并调节 电流强度和电压强度使之与该频率对应，以及交流磁滞回线测量仪上其他各项 指标均调节好以后，打开 labview 软件，便可进行交流磁滞回线的自动绘图， 最后选择比较好、误差小的图像作为测量结果，进行分析，并将其所对应的数 据输入到 MATLAB 软件中进一步处理，确定交流磁特性的各项磁性参数，并进 行分析。2.3 磁滞回线的测量2.3.1 测试结果显示实验在交流磁场 H 下，并对
14、磁性材料的反复磁化，所得数据十分庞大、人 工计算几乎不能处理，本实验借助计算机强大的数据处理能力，减少了大量的 人工计算，而且结果准确、便于分析。Labview 面板显示图如下：实验数据用 Matlab 软件处理，可以得到该样品主要的交流磁性参数，其中 样品1在频率为500Hz时的磁滞回线图如下：OIIIIII=/. ：0 j： ir-LU -4J -JU -J J - U 1U 山 JU 4J u_ 曉埼1虽庁liA5.2巧 O.05OD_5i-n5.-1.20-為-一l_l-唇：-加弓-女1EO 0弓图. 饱和磁滞回线图52口5 2 5 -11 宀2 5 15 0 6 1.O 0 D D
15、J匕m捞塑週巡塔-CC4-3J-2C-口01020ZO4JG弦垛是虛H；丄m)图. 交流磁滞回线图其中对B和H对时间作图如下:图磁感应强度B与时间的关系990)m/A(H图磁场强度H与时间的关系磁滞回线图通过Matlab程序计算出了磁性材料的饱和磁感应强度B、剩磁 sB八矫顽力Hc、磁滞损耗W叶、磁导率m以及相位角&等参数，其以图表的BH 方式的显示，让人一目了然。由图可知，样品 1并未达到磁化饱和状态，这时图（1）给出的饱和磁场强度实际上并没有意义。图（2 ）是在磁场峰值为H = 41.0991下的交流磁滞回 m线图，通过实验可以发现， Hm 的大小由输入电流或电压确定，要使其达到饱和状态只需增加电流和电压。图中B =0.2610T , B和H的相位角为6=0.0259 mn,材料的损耗因子tg6=1 =0.0814在一个周期内，单位体积内产生的损耗为Qp = 3436.7074Wa。v2.3.2 磁滞回线与频率的关系保持其他条件不变，改变频率，测得磁滞
