軟磁材料測量:磁性材料交直流特性測試能力說明

2020-12-06 湖南省永逸科技

1、軟磁材料直流磁特性測量：參考標準：GB/T13012、IEC60404-4

對於矯頑力小於1kA/m的軟磁材料材料，主要包含：電工純鐵、電工矽鋼、坡莫合金、非晶、軟磁鐵氧體等材料，測試通常採用閉路樣品進行測量。

測試方法為：在閉路樣品（如圓環）上繞制初級N1和次級N2繞組，通過對初級繞組的電流進行測量，並按：H=N1*I/Le，來計算H。其中N1為初級勵磁繞組匝數，I為勵磁電流，Le為測試樣品的磁路長度。次極通過對感應電壓進行積分獲得磁通，磁通除以有效截面積和感應匝數，獲得磁感應強度，得到B值。根據測試獲得的B、H值，匯制磁化曲線和磁滯回線等，並參考定義,確定對應曲線上的初始磁導率ui、最大磁導率um、剩磁Br、矯頑力Hc和飽和磁感應強度Bs，勵磁磁場強度Hs等，軟磁材料直流磁特性是軟磁材料最重要的基本參數。測試設備目前以德國MAGNET PHYSIK C-300、750為代表，日本METRON SK1100早期也有少量產品被採用，這些產品相對國產設備價格比較昂貴貴，且採用掃描法測量磁化曲線和磁滯回線，對於Hc小於1A/m以下的軟磁測量，測試偏離量較大。

國產設備自上世紀90年代就解決了採用模擬衝擊法測試材料的磁化曲線，因此在測試初始磁導率ui和最大磁導率um方面，無論是準確度還是重複性都要遠遠優於國外同類產品，2016年，湖南省永逸科技有限公司實現了採用模擬衝擊法測試軟磁材料的磁滯回線，並於2019年獲得發明專利（專利號：ZL 2016 2 0286407.X），在與國外同行設備的測試必對過程中，重複性方面顯現了一定的優勢。

1）、閉路樣品的測量：按標準適合Hs在10kA/m以下，目前對於粉芯樣品用戶要求達到至少40kA/m，在磁環較大滿足勵磁線圈的纏繞的情況下是可以解決的。MAGNET PHYSIK C-300和FE-2100SD1典型的測試比對如下：

圖1 德國瑪格力MAGNET - PHYSIK C-750 所測試的磁滯回線

圖 2 湖南永逸公司FE-2100SD1所測試的磁滯回線

圖 3 FE-2100SD1測試粉芯KH106060所獲得的磁滯回線

2）、棒狀或條形樣品的測量：根據標準適合Hs達到200kA/m。該方法應只適合對Hc大於100A/m軟磁材料磁滯回線的測量。德國MAGNET PHYSIK C-750和FE-2100SD3典型的測試比對如下：

圖4 德國瑪格力MAGNET - PHYSIK C-750 所測試的磁滯回線

圖 5 湖南永逸公司FE-2100SD3所測試的磁滯回線

3）、採用A類或B類磁導計測量開路樣品的方法，長期以來一直是軟磁材料開路樣品測試的唯一方法，不同設備在測試出現爭議時很難判斷測試誤差的來源，只有通過協商解決。湖南省永逸科技有限公司通過兩年多的開發和大量的測試實驗檢驗，發現採用磁導計法測試開路樣品與極靴所使用的材料關聯，建議使用1J50材料加工並退火處理，較電工純鐵極靴測試Hc更準確。同時採用磁通計螺線管對鐵磁長圓棒測試的磁化強度對磁場的關係曲線進行修正，使得磁導計法和螺線管退磁修正法達到統一，推動量軟磁材料開路樣品磁性能測試方法的發展和進步。採用兩種方法兼容應用，即：用磁導計法測試獲得均勻性好的長圓棒，用螺線管退磁修正法獲得準確特性參數，獲得真正意義上的開路標準樣品，用於對現有磁導計的檢驗和校正申請發明專利。以下為採用B類磁導計和螺線管退磁修正法測試原始曲線比較。

圖 6 湖南永逸公司FE-2100SD3螺線管退磁修正法與B類磁導計法比較

1軟磁材料的交流磁特性測量，參考標準：GB/T3658-2008、GB9632-2002和IEC 60404-6

軟磁材料交流磁特性測量設備，行業的傑出代表設備為日本巖通計測 IWATSU公司SY-8218/19，主要用於材料的交流特性測量，測量頻率10Hz～1MHz。通過對不同磁感應強度Bm條件下初級勵磁電流I和次級感應電壓V的測量，獲得交流磁滯回線；對多點測量結果組簇獲得損耗曲線、磁化曲線、磁導率曲線等。可測試參數：剩磁Br、矯頑力Hc、比總損耗Pc、振幅磁導率a、損耗角δ、電阻磁導率R、電感磁導率L、彈性磁導率′、粘性磁導率〞、電感常數AL以及Q值等。交流測量對Br和Hc參數已經不視為重要參數，更多關心參數為：Pc、a、δ、AL和Q值等。目前國內在軟磁材料交流磁性能高頻測量上還沒有建立相關的品牌，更多的是通過與巖崎設備（有部分與美國的CH2335A功率分析儀）做比總損耗的測試比對，來滿足用戶對測試數據的考核認可。

常用交流磁特性參數說明:

1）、比總損耗： Pc=ΣVi×Ii=V×I×cosθ，由此可獲得電壓和電流的夾角θ；

2）、損耗角：δ=90-θ；

3）、磁感應強度：Bm=V2/（4.44×f×N2×Ae）(V2感應電壓有效值，N2次級匝數，Ae有效截面積）；

4）、勵磁磁場強度：Hm = N1×I1/Le（I1取電流峰值，Le為有效磁路長度）；

5）、振幅磁導率：a = Bm/Hm；

6）、彈性磁導率：′ = cosδ×ua，代表磁感應分量中與磁場強度同相位的比例係數；

7）、粘性磁導率：〞= sinδ×ua，代表磁感應分量中與磁場強度落後π/2部分的比例係數；

8）、品質因數：Q值=′ /〞，材料的u」要求儘可能低；

9）、電感磁導率：uL=ua/cosδ,等效並聯電感磁導率；

10)、電阻磁導率：uR=Q×uL,等效並聯電阻磁導率；

11)、電感係數：AL=cosδ×ua×4π×10-4×Ae/Le；

12)、總電感：L=N×N×AL。

巖崎SY-8218和永逸FE-2100SA測試比對實驗：

鐵氧體（磁路長度Le=60.18mm，有效面積Ae=48.93mm2，質量Me=14.6g）

1）、測試條件：20kHz，100mT

圖7 SY-8218測試界面和測試結果（20kHz100mT）

圖8 FE-2100SA測試報告（20kHz100mT）

2）、測試條件：50kHz，100mT

圖9 SY-8218測試界面和測試結果（50kHz100mT）

圖10 FE-2100SA測試報告（50kHz100mT）

3）、測試條件：100kHz，100mT

圖11 SY-8218測試界面和測試結果（100kHz100mT）

圖12 FE-2100SA測試報告（100kHz100mT）

4）、FE-2100SA測試曲線內容和巖崎SY-8218內容基本相當，比較典型功能有：

4-1）、可進行多點回線自動測試和組圖

圖13 FE-2100SA測試得到的磁滯回線簇

4-2）、可輸出材料的Ps-B損耗曲線

圖14 FE-2100SA測試得到的鐵損曲線

4-3）、可輸出材料的B-H磁化曲線和u-H磁導率曲線

圖15 FE-2100SA測試得到的磁化曲線與磁導率曲線

4-4）、可進行不同頻率下，材料的Ps-B損耗曲線的對比分析

圖16 FE-2100SA測試得到的不同頻率的鐵損曲線比較

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