一文讀懂磁滯回曲線

2021-01-08 找磁材

很多讀者留言給懂磁帝說磁滯回曲線複雜看不明白,退磁曲線、內稟曲線、磁能積曲線容易搞混。這些實操中容易產生問題,其實是因為沒有搞明白磁性能的一些基本概念,今天懂磁帝就結合磁滯回曲線帶大家溫習一下磁性材料的基礎知識~

硬磁性材料,如釹鐵硼強磁,有兩個顯著特徵,一是在外磁場作用下能被強烈磁化,另一個是磁滯,即撤走外磁場後硬磁材料仍保留磁化狀態,下圖為硬磁材料的磁感應強度B與磁化場強度H之間的關係曲線。

當磁場按Hm→Hc→O→-Hc→-Hm→-Hc→O→Hc→Hm次序變化,相應的磁感應強度B則沿閉合曲線變化,這閉合曲線稱為磁滯回線(上圖藍色曲線)

起始磁化曲線

圖中的原點0表示磁化之前硬磁物質處於磁中性狀態,即B=H=0,當磁場H從零開始增加時,磁感應強度B隨之緩慢上升,如線段Oa所示,繼之B隨H迅速增長,如ab所示,其後B的增長又趨緩慢,並當H增至Hm時,B到達飽和值Bm,這條紅色曲線稱為起始磁化曲線。

磁滯

當磁場從Hs逐漸減小至零,磁感應強度B並不沿起始磁化曲線恢復到「0」點,而是沿另一條新的曲線Sr下降,比較線段OS和Sr可知,H減小B相應也減小,但B的變化滯後於H的變化,這現象稱為磁滯,磁滯的明顯特徵是當H=0時,B不為零,而保留剩磁Br。

退磁曲線

當磁場反向從O逐漸變至-Hc時,磁感應強度B消失,說明要消除剩磁,必須施加反向磁場,Hc稱為矯頑力,它的大小反映磁性材料保持剩磁狀態的能力,紫色線段稱為退磁曲線。

基本磁化曲線

對同一鐵磁材料以不同的磁場強度H分別進行多次反覆磁化,可得到多個大小不等的磁滯回線,如下圖。將各磁滯回線的頂點連接起來,所得到的一條曲線稱為基本磁化曲線或平均磁化曲線。基本磁化曲線和起始磁化曲線不是一條線,但二者差別不大,直流磁路計算時所用的磁化曲線都是基本磁化曲線。

內稟曲線

永磁材料在外磁場作用下被磁化後產生的內在磁感應強度,稱為內稟磁感應強度Bi,又稱磁極化強度J。描述內稟磁感應強度Bi(J)與磁場強度H關係的曲線是F反映永磁材料內在磁性能的曲線,稱為內稟退磁曲線,簡稱內稟曲線。

內稟退磁曲線上磁感應強度B為0時,相應的磁場強度稱為內稟矯頑力Hcj。內稟矯頑力的值反應永磁材料抗退磁能力的大小。

我們常聽說的內稟退磁曲線矩形度或方形度,是指內稟曲線圖中Hk與Hcj的比值。比值越大,即圖上橙色線段越短,磁性能越穩定。Hk是內稟退磁曲線上當Bi=0.9Br時所對應退磁磁場強度值,是永磁材料必測參數之一。

一般說來,永磁材料生產廠家會提供各牌號產品在不同使用溫度下的退磁曲線,如下圖。看似複雜,但本質就是將多個退磁曲線和內稟曲線放在一張圖上呈現。

永磁材料的主要參數

永磁材料磁滯回曲線的形狀和特徵可用若干參數表示,在實際應用中可根據這些參數在數量上的差異對磁材進行分類,並決定他們的用途,這些參數也是磁路設計中的主要依據。

1. 飽和磁場強度Hm

在磁性材料磁化過程中,使其感應強度B達到飽和值Bm的磁場強度稱為飽和磁場強度Hm。磁材在充磁時應完全磁化,即充磁磁場強度H應達到Hm值,才能得到最大可能磁化的退磁曲線。這樣的退磁曲線最穩定,能夠展現出材料的最優磁性能。若充磁磁場強度H低於Hm值,則將有不同形狀的磁滯曲線,其退磁曲線會不穩定,磁鐵表現出的磁性能也較低。

由此可見,在磁材生產過程中應知道所用磁性材料的Hm值,在充磁過程中磁場務必達到甚至超過該值。

2. 剩餘磁感應強度Br

磁滯回曲線與縱坐標軸的交點,即退磁曲線的起始點的B值,叫做剩餘磁感應強度,簡稱剩磁,用Br表示。它是磁性材料在去除外磁場後,磁鐵中的磁感應強度值。

3. 磁感應矯頑力Hc

在負向磁場作用下,磁鐵中的磁感應強度B隨著退磁磁場的增大而減弱。使磁鐵中磁感應強度B達到零所需的去磁磁場強度,稱為磁感矯頑力,簡稱矯頑力,用Hc或Hcb表示。

4. 磁導率

起始磁化曲線與磁滯回曲線上的任意一點的斜率,即任意一點上B和H的增量之比,叫做磁導率,它隨運行點的不同而變化。軟磁材料的磁導率很大,而永磁材料/硬磁材料的磁導率較小。

一般說來,剩餘磁感應強度Br與矯頑力Hc之比越小,磁導率越小。對於永磁體,人們通常關心的是起始磁導率、最大磁導率和可逆磁導率這三個量,懂磁帝會在近期為大家詳細講解。

可以說磁化曲線和磁滯回線是磁性材料分類和選用的主要依據,下圖為常見的幾種典型的磁滯回線。

5. 磁能積和最大磁能積

永磁體的退磁曲線上任意一點的磁通密度/磁感應強度B與磁場強度H的乘積,稱為磁能積BH,它的大小與該磁體在給定工作狀態下所具有的磁能密度成正比。磁能積與磁感應強度B的關係曲線叫做磁能積曲線,它是以永磁體退磁曲線上各點B和H值乘積為橫坐標,磁通密度B為縱坐標求得的曲線。

退磁曲線中間某個位置磁能積達到最大值,成為最大磁能積(BH)max。對於退磁曲線為直線的永磁材料,在(Br/2,Hc/2)處磁能積最大。

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