CN101561480A - 一种永磁体磁特性参数的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种对采集的永磁体外部磁感应强度值采用数据压缩算法进行特征点提取、删除冗余数据、减少数据存贮量的永磁体磁特性参数的测量方法。通过磁场测量系统采集得到永磁体外部空间磁感应强度值，采用数据压缩算法提取特征点，建立永磁体三维有限元模型，初始设定剩磁和矫顽力，通过仿真计算得到特征点的磁感应强度仿真值，通过对比仿真值与测量值，不断的修正剩磁和矫顽力，直到仿真值和测量值小于一定的误差范围，从而得到永磁体的剩磁和矫顽力。整个流程通过软件系统实现。本发明提出了一种对时效后的磁特性参数进行测量的方法，具有自动化程度高，灵活性强的特点。

Description

一种永磁体磁特性参数的测量方法

(一)技术领域

本发明涉及电磁测量技术，具体说就是一种永磁体磁特性参数的测量方法。

(二)背景技术

目前，在电气工程领域，永磁体的应用越来越广，越来越多的电工产品内部都含有永磁体。而作为关键部件，永磁体材料的磁特性直接影响到该产品的性能。磁测量在工程技术中有很实际的意义。它使得对各种磁性材料及其成品的性能评价成为可能。剩磁和矫顽力是衡量永磁体材料的磁特性的两个重要参数。一般来说，作为磁场应用的永磁体，希望剩磁和矫顽力较大，这样才能使永磁体应用到各种环境下，且具有相对的磁性能稳定性。近年来，针对永磁体的剩磁和矫顽力的测量，通常来说可以分为磁滞回线法和磁矩法两种方法。磁滞回线法的基本思想是首先测量出永磁体的磁滞回线，然后根据磁滞回线与B和H轴的交点即可确定剩磁和矫顽力。对于磁滞回线的测量方法一般采用将B和H转化为电压信号，然后通过AD采集电压信号再绘制磁滞回线和求解剩磁和矫顽力。磁矩法的基本思想是将带磁样品放在线圈中，让线圈旋转而产生电动势，根据产生的电动势计算得到磁矩，再利用公式B_r＝μ₀M_r/V计算得到材料的剩磁，在试样磁感应强度B＝0时直接测量矫顽力。但是该方法利用电动势计算得到磁矩时都采用经验公式，这可能给最后求得的剩磁和矫顽力带来较大的误差。T.Deakin等人研究了ECC磁记录材料的剩磁和矫顽力的测量，并针对剩磁和矫顽力对该材料的层与层相互耦合之间的影响。D.C.Jiles等人利用数据拟合的方法求解磁特性参数，首先设定磁滞回线的参数方程，将采集数据带入到该方程中，通过拟合算法得到磁滞回线方程，进而可以求的剩磁和矫顽力。然而，这些研究是直接对永磁体充磁退磁过程中进行测量，在很多情况下，人们更关心在充磁一段时间之后的磁性参数的大小。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种对采集的永磁体外部磁感应强度值采用数据压缩算法进行特征点提取、删除冗余数据、减少数据存贮量的永磁体磁特性参数的测量方法。

本发明的目的是这样实现的：所述的永磁体磁特性参数的测量方法，其步骤如下：

步骤一：将已充磁的永磁体放在磁场测量系统中，测量得到永磁体外部空间磁感应强度矢量值；

步骤二：在上位机用Visual C++6.0软件编程实现Douglas-Peucker数据压缩算法，进行数据压缩算法，提取永磁体外部空间磁感应强度矢量值的特征点；

步骤三：利用Visual C++6.0软件调用Flux软件建立有限元模型，建立模型的具体步骤是：

(1)建立永磁体的几何模型，建立几何模型是由点到线，线到面，面到体；

(2)对几何模型进行分网，分网是由先对线进行分网，再对面进行分网，最后对体进行分网；

(3)设定模型的物理属性，选择由剩磁和矫顽力参数组成的非线性模型，设定剩磁和矫顽力的初始值。完成永磁体三维有限元模型的建立；

步骤四：利用Flux有限元软件对所建立的永磁体模型进行求解，得到对应的特征点的磁感应强度矢量仿真值；

步骤五：对磁感应强度矢量的仿真值和采集值进行比较，依据公式：

$e=\frac{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[B_s^2\left(i\right)-B^2\left(i\right)]}{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_s^2\left(i\right)}$ 公式(1)

式中：e-磁感应强度值测量值与仿真值相对误差

B_s(i)-磁感应强度值测量值

B(i)-磁感应强度值计算仿真值

i-各个采集点

n-采集点的个数

计算相对误差；

步骤六：如果相对误差小于或等于设定值，则此时设定的剩磁和矫顽力就是永磁体的真实剩磁和矫顽力，测量分析结束，否则，当相对误差大于设定值，通常设定为5％，则修正模型的剩磁和矫顽力值增加或减小一个步长，根据误差范围的不同，增加或减小的步长的大小也不同；

步骤七：重新对修改后的永磁体模型进行仿真计算，再次得到对应的特征点的磁感应强度矢量仿真值，跳转到步骤六，继续判断相对误差是否大于设定值，如此迭代循环，直到相对误差小于设定值；

步骤八：修正后的剩磁和矫顽力即为永磁体的真实剩磁和矫顽力。

本发明一种永磁体磁特性参数的测量方法，突破了现有的通过充退磁过程中测量磁特性参数的常规方法，可以用于对已充磁的永磁体的剩磁和矫顽力的测量分析，具有实用价值。对采集的永磁体外部磁感应强度值采用数据压缩算法进行特征点提取、删除冗余数据、减少数据存贮量。在迭代过程中，采用不同的误差范围对应不同的步长，明显提高了计算的效率和精度。

(四)附图说明

图1为本发明Douglas-Peucker数据压缩算法图；

图2为本发明求解永磁体剩磁和矫顽力的流程图；

图3为本发明测量系统的总体结构方框图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图2，本发明一种永磁体磁特性参数的测量方法，测量方法步骤如下：

步骤一：将已充磁的永磁体放在磁场测量系统中，测量得到永磁体外部空间磁感应强度矢量值；

步骤二：在上位机用Visual C++6.0软件编程实现Douglas-Peucker数据压缩算法，进行数据压缩算法，提取永磁体外部空间磁感应强度矢量值的特征点；

步骤三：利用Visual C++6.0软件调用Flux软件建立有限元模型，建立模型的具体步骤是：

(1)建立永磁体的几何模型，建立几何模型是由点到线，线到面，面到体；

(2)对几何模型进行分网，分网是由先对线进行分网，再对面进行分网，最后对体进行分网；

(3)设定模型的物理属性，选择由剩磁和矫顽力参数组成的非线性模型，设定剩磁和矫顽力的初始值。完成永磁体三维有限元模型的建立；

步骤四：利用Flux有限元软件对所建立的永磁体模型进行求解，得到对应的特征点的磁感应强度矢量仿真值；

步骤五：对磁感应强度矢量的仿真值和采集值进行比较，依据公式(1)计算相对误差；

步骤六：如果相对误差小于或等于设定值，则此时设定的剩磁和矫顽力就是永磁体的真实剩磁和矫顽力，测量分析结束，否则，当相对误差大于设定值，通常设定为5％，则修正模型的剩磁和矫顽力值增加或减小一个步长，根据误差范围的不同，增加或减小的步长的大小也不同；

步骤七：重新对修改后的永磁体模型进行仿真计算，再次得到对应的特征点的磁感应强度矢量仿真值，跳转到步骤六，继续判断相对误差是否大于设定值，如此迭代循环，直到相对误差小于设定值；

步骤八：修正后的剩磁和矫顽力即为永磁体的真实剩磁和矫顽力。

实施例2：结合图1、图2、图3，本发明一种永磁体磁特性参数的测量方法，具体测量实例如下：

选择永磁体的材料是FeCrCo，尺寸是60mm×16.2mm×3.4mm，样品的形状为长方体。

第一步，通过磁场测量系统，得到永磁体外部的磁感应强度值，本实例中，采用的磁场测量系统总体结构如图3所示，在该系统中通过ARM微处理器控制步进电机在永磁体所需测量的范围内移动，步进电机带动固定在测量臂上的三个霍尔探头也在所需测量的范围内移动，通过三个霍尔探头可分别测得空间某点磁感应强度在X，Y，Z三个方向上的分量，再通过高斯计将磁感应强度信号转化为电压信号，通过A/D芯片将该电压信号采集到ARM微处理器中进行存储，同时将数据通过计算机RS232串口传输到上位机，在上位机用Visual C++软件实现数据的的处理，得到测量范围内点的磁感应强度矢量值，通过该系统采集得到外部空间600个点的磁感应强度值。

第二步，在上位机用Visual C++6.0软件编程实现Douglas-Peucker数据压缩算法，提取永磁体外部空间磁感应强度矢量值的特征点，该算法的基本思想是：找出与矢量两端点连线垂直距离最大的顶点，判断其到两端点连线的距离是否大于给定阈值，若是，则保留该点，并以该点为界，将曲线分为两部分重复上述操作；否则，舍去两端点间所有的中间点。本实例中，将600个点的数据压缩为485个点，将这485个点作为外部空间磁场特征点，将这些磁场特征点的磁感应强度值存入到数据库中。

第三步，Visual C++6.0软件调用Flux软件建立有限元模型，主要是通过调用脚本文件的形式实现有限元模型的建立。在本实例中，建立尺寸为60mm×16.2mm×3.4mm的长方体永磁体，建立永磁材料，属性包括剩磁，矫顽力，相对磁导率，真空磁导率，其中真空磁导率为4π×10^-7H/m和相对磁导率为250，剩磁初始值为1T，矫顽力初始值为40000A/m。

第四步，利用Flux有限元软件对所建立的永磁体模型进行求解，得到永磁体空间磁感应强度仿真值，从中筛选出对应的特征点的磁感应强度仿真值，本例中，特征点就是第一步用数据压缩算法得到的永磁体外部空间磁场特征点，将每一个点的对应磁感应强度值也存入到数据库中。

第五步，对数据库中的485个磁感应强度矢量的仿真值和采集值进行比较，依据公式(2)计算相对误差。第一次计算得到相对误差为20％。第六步，在该实例中，设定相对误差的阈值为5％，因此第五步的相对误差大于5％，所以要修正剩磁和矫顽力，根据公式(3)相对误差和步长的关系，设定第二次剩磁为1.025T，矫顽力为41000A/m。

第七步，根据新设定的剩磁和矫顽力值，修改原永磁体模型，重新仿真计算，得到一组新的磁感应强度值的仿真值，重新计算相对误差，得到是13％，根据公式(3)相对误差和步长的关系，设定第三次的剩磁为1.05T，矫顽力为42000A/m，继续迭代，直到相对误差小于5％。

第八步，迭代到第五次，设定永磁体的剩磁为1.07T，矫顽力为42800A/m，发现相对误差小于5％，所以永磁体等效计算的剩磁为1.07T，矫顽力为42800A/m。

$e=\frac{\underset{i=0}{\overset{484}{\mathrm{\Σ}}}[B_s^2\left(i\right)-B^2\left(i\right)]}{\underset{i=0}{\overset{484}{\mathrm{\Σ}}}{B}_s^2\left(i\right)}$ 公式(2)

式中：e-磁感应强度值测量值与仿真值相对误差

B_s(i)-磁感应强度值测量值

B(i)-磁感应强度值计算仿真值

i-各个采集点

公式(3)

Claims (1)

1.一种永磁体磁特性参数的测量方法，其特征在于：测量方法步骤如下：

步骤一：将已充磁的永磁体放在磁场测量系统中，测量得到永磁体外部空间磁感应强度矢量值；

步骤二：在上位机用Visual C++6.0软件编程实现Douglas-Peucker数据压缩算法，进行数据压缩算法，提取永磁体外部空间磁感应强度矢量值的特征点；

步骤三：利用Visual C++6.0软件调用Flux软件建立有限元模型，建立模型的具体步骤是：

(1)建立永磁体的几何模型，建立几何模型是由点到线，线到面，面到体；

(2)对几何模型进行分网，分网是由先对线进行分网，再对面进行分网，最后对体进行分网；

(3)设定模型的物理属性，选择由剩磁和矫顽力参数组成的非线性模型，设定剩磁和矫顽力的初始值，完成永磁体三维有限元模型的建立；

步骤四：利用Flux有限元软件对所建立的永磁体模型进行求解，得到对应的特征点的磁感应强度矢量仿真值；

步骤五：对磁感应强度矢量的仿真值和采集值进行比较，依据公式： $e=\frac{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[B_s^2\left(i\right)-B^2\left(i\right)]}{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_s^2\left(i\right)}$

式中：e-磁感应强度值测量值与仿真值相对误差

B_s(i)-磁感应强度值测量值

B(i)-磁感应强度值计算仿真值

i-各个采集点

n-采集点的个数

计算相对误差；

步骤六：如果相对误差小于或等于设定值，则此时设定的剩磁和矫顽力就是永磁体的真实剩磁和矫顽力，测量分析结束，否则，当相对误差大于设定值，通常设定为5％，则修正模型的剩磁和矫顽力值增加或减小一个步长，根据误差范围的不同，增加或减小的步长的大小也不同；

步骤七：重新对修改后的永磁体模型进行仿真计算，再次得到对应的特征点的磁感应强度矢量仿真值，跳转到步骤六，继续判断相对误差是否大于设定值，如此迭代循环，直到相对误差小于设定值；

步骤八：修正后的剩磁和矫顽力即为永磁体的真实剩磁和矫顽力。

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