CN105158328B - 一种基于嵌入线圈双积分法的磁瓦无损测量系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于嵌入线圈双积分法的磁瓦无损测量系统与方法。下极靴中沿水平轴向方向嵌有第一、第二测量线圈；被测磁瓦位于第一测量线圈之上，上、下极头的两侧之间通过弹力活动结构连接实现上下弹力调节，上极靴和下极靴的弧面均与被测磁瓦的弧度吻合；第一、第二测量线圈与各自的磁通表连接，电磁铁与励磁电源连接，励磁电源和磁通表分别经D/A转换器、A/D转换器与计算机连接，开关控制器连接D/A转换器和A/D转换器进行转换开关控制。本发明通过弹力导向开合极靴结构，提高了换样效率，同时满足采用抛移样品法测试稀土永磁磁瓦；测量重复性和再现性良好，人为偏差小。

Description

一种基于嵌入线圈双积分法的磁瓦无损测量系统与方法
技术领域
本发明涉及磁性材料磁性能测试技术领域，尤其是涉及了一种基于嵌入线圈双积分法的磁瓦无损测量系统与方法，可用于永磁铁氧体、钕铁硼等磁瓦磁性能的无损测量以及相关标准物质的校准和检定。
背景技术
永磁材料磁性能主要是通过测量材料在第二象限的磁感应强度B及极化强度J，与磁场H之间的退磁关系曲线获得剩磁Br、矫顽力HcB、内禀矫顽力HcJ、最大磁能积(BH)max等特征参数来表征。其中J-H曲线是突出反映永磁材料内禀性能的重要曲线。
现有技术采用标准双极头测量或者通过磁瓦夹具进行测量，如图2和图3所示，采用B线圈测试磁通，采用高斯计配置霍尔探头9测试间隙磁场H，主要缺点有：磁通面积修正随机性，采用企业传递的磁瓦对数据，霍尔探头位置不一样，测试H数据不一样，影响Hcj的性能非常大；测试样品间隙固定，取放样品非常困难，无法满足国内稀土磁瓦的抛移测量，测试稀土永磁磁瓦仍然属于空白；测试样品如果内外弧度差异大，间隙磁场无法设计。
其固定绕制线圈8与极头为分体结构，H线圈或霍尔探头在极靴间隙中的位置不同，测试H差异性大，难以保证测试的重复性。
瓦型无损测量系统仅限于对内外圆弧接近的永磁铁氧体磁瓦采用扫描法测量，不能满足内外圆弧差异较大的磁瓦样品测量，由于无弹力活动结构测试磁瓦效率低，同时无法满足稀土永磁磁瓦退磁曲线测量时要求的磁瓦抛移。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种基于嵌入线圈双积分法的磁瓦无损测量系统与方法，采用将测试线圈(B线圈或J线圈)直接嵌入到极头里面的方法，即为嵌入式线圈的方法，以实现对永磁磁瓦磁性能的无损测量。同时测试磁场H线圈固定嵌入在极靴弧形极面上，保证测试的重复性。上下极靴采用导向弹力结构，提高了测试样品的效率，同时满足稀土永磁磁瓦的退磁曲线测量。
本发明的上述目的得以实现，主要通过以下技术方案：
一、一种基于嵌入线圈双积分法的磁瓦无损测量系统：
包括电磁铁、瓦型极靴组以及分别固定在上、下电磁铁上的上极头和下极头，瓦型极靴组包括分别安装在上极头和下极头上的上极靴和下极靴，包括励磁电源、磁通表、第一测量线圈、第二测量线圈和弹力活动结构，下极靴中沿水平轴向方向嵌有第一测量线圈和第二测量线圈；被测磁瓦位于第一测量线圈之上，上极头和下极头的两侧之间通过弹力活动结构连接实现上下弹力调节，上极靴和下极靴的弧面均与被测磁瓦的弧度吻合；第一测量线圈和第二测量线圈与各自的磁通表连接，电磁铁与励磁电源连接，励磁电源和磁通表分别经D/A转换器、A/D转换器与计算机连接，开关控制器连接D/A转换器和A/D转换器进行转换开关控制。
所述的弹力活动结构包括弹簧、中心极柱和底柱，中心极柱顶端连接上极头，中心极柱底端套在底柱中，弹簧套在中心极柱上，底柱固定连接在下极头上。
所述的第一测量线圈和第二测量线圈的有效匝数N和线圈面积A均相同，且两个线圈反向串联。
所述的第一测量线圈为测量J线圈或者测量B线圈，所述的第二测量线圈为测量H线圈。
所述的第一测量线圈和第二测量线圈嵌入在下极靴的弧形表面，第一测量线圈和第二测量线圈的圆心连线与被测磁瓦的内弧中心线相重合。
所述的第一测量线圈和第二测量线圈呈圆形。
二、一种基于嵌入线圈双积分法的磁瓦无损测量方法：
1)采用上述系统，被测磁瓦置于第一测量线圈正上方，通过弹力活动结构伸缩将被测磁瓦被压紧在上极靴和下极靴之间固定，第一测量线圈和第二测量线圈的圆心连线与被测磁瓦的内弧中心线相重合；
2)测量时，对第一测量线圈和第二测量线圈通电，电磁铁对被测磁瓦产生逐渐增大反向的两个磁场，用电子积分器对测量两个线圈磁通变化产生的电动势积分，获得被测样品极化强度J-磁场强度H曲线和磁感应强度B-磁场强度H曲线，由磁场曲线得到测量特征值。
所述的测量特征值包括剩磁Br、矫顽力Hcb、内禀矫顽力Hcj和最大磁能积(BH)max。
所述的内禀矫顽力Hcj根据磁场H在被测磁瓦和空气两种介质上在切线方向的连续性，采用双积分方式测试第二测量线圈对应的磁场而计算得到。
本发明具有的有益的效果在于：
本发明采用双磁通计，测试样品的磁极化强度J值和磁场强度H值，测试J值线圈面积固定，测试H值线圈面积固定。
本发明可测试磁瓦局部面积以及面积固定值，可根据磁瓦取样样品，采用标准法测试的Br值进行定标。
本发明测试重复性和在现性良好，人为偏差小。
本发明通过弹力活动结构使得测试样品取样方便，弹力活动结构使得稀土磁瓦的测量得以实现(满足量样品的抛移)。
本发明在磁性材料生产和应用行业中应用前景广阔，并可对磁性材料制造企业带来较大的经济和社会效益。本发明使用极头弹力结构，能方便磁瓦的取放，实现对稀土永磁磁瓦的测量。
附图说明
图1是测量原理的测量曲线示意图。
图2是现有采用B-H测量线圈的系统图。
图3是现有采用B-H测量线圈的系统图。
图4是本发明系统示意图。
图5是本发明上下极头部分的结构示意图。
图6是下极靴上的两个测量线圈安装示意图。
图7是实施例磁瓦采用本发明方法获得的退磁曲线图。
图8是实施例磁瓦采用传统方法获得的退磁曲线图。
图中：1、电磁铁，3、第一测量线圈，4、被测磁瓦，5、第二测量线圈，6、弹力活动机构，7、瓦型极靴组。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图4所示，本发明系统包括电磁铁1、瓦型极靴组7以及分别固定在上、下电磁铁1上的上极头和下极头，瓦型极靴组7包括分别安装在上极头和下极头上的上极靴和下极靴，还包括励磁电源、磁通表、第一测量线圈3、第二测量线圈5和弹力活动结构6，下极靴中沿水平轴向方向嵌有第一测量线圈3和第二测量线圈5；被测磁瓦4位于第一测量线圈3之上，上极头和下极头的两侧之间通过弹力活动结构6连接实现上下弹力调节，上极靴和下极靴的弧面均与被测磁瓦4的弧度吻合；第一测量线圈3和第二测量线圈5与各自的磁通表连接，电磁铁1与励磁电源连接，励磁电源和磁通表分别经D/A转换器、A/D转换器与计算机连接，开关控制器连接D/A转换器和A/D转换器进行转换开关控制。
如图5所示，弹力活动结构6包括弹簧、中心极柱和底柱，中心极柱顶端连接上极头，中心极柱底端套在底柱中，弹簧套在中心极柱上，底柱固定连接在下极头上。所述的弹力活动结构6满足磁瓦的取放和稀土磁瓦退磁曲线测试时磁瓦的抛移，弹力活动结构6可通过中心极柱和底柱的下移调节，使得上、下极靴闭合，弧面与被测试磁瓦样品吻合；测试完成后，可通过电磁铁主轴极柱的上行调节，上极靴和下极靴弹开分离，方便被测磁瓦4样品的取放，同时也使得稀土永磁磁瓦退磁曲线测试得以实现。
弹力活动结构采用不导磁材料加工导向杆和不导磁材料加工的弹簧。上下极靴两边，采用铜棒加工，进行垂直导向，采用不导磁弹簧助力，控制极靴的开合。
第一测量线圈3和第二测量线圈5的有效匝数N和线圈面积A均相同，且两个线圈反向串联。
第一测量线圈3为测量J线圈或者测量B线圈，第二测量线圈5为测量H线圈。第一测量线圈被定义为对磁瓦进行局部磁性能测量的磁感应强度B线圈或磁极化强度J线圈，第二测量线圈被定义为对磁瓦测量的励磁磁场强度H线圈。
如图6所示，第一测量线圈3和第二测量线圈5嵌入在下极靴的弧形表面，第一测量线圈3和第二测量线圈5的圆心连线与被测磁瓦4的内弧中心线相重合。
第一测量线圈3和第二测量线圈5呈圆形。
本发明测量方法，步骤如下：
1)采用上述系统，被测磁瓦4置于第一测量线圈3正上方，通过弹力活动结构6伸缩将被测磁瓦4被压紧在上极靴和下极靴之间固定，第一测量线圈3和第二测量线圈5的圆心连线与被测磁瓦4的内弧中心线相重合；
2)测量时，对第一测量线圈3和第二测量线圈5通电，电磁铁对被测磁瓦4产生逐渐增大反向的两个磁场，用电子积分器对测量两个线圈磁通变化产生的电动势积分，获得被测样品极化强度J-磁场强度H曲线和磁感应强度B-磁场强度H曲线，由磁场曲线得到测量特征值。
测量特征值包括剩磁Br、矫顽力Hcb、内禀矫顽力Hcj和最大磁能积(BH)max。
根据测量对象的不同，被测磁瓦的材料不同，如永磁铁氧体磁瓦和钕铁硼磁瓦等，以及被测磁瓦的形状大小不同，可设计不同的测试线圈参数，如极靴间隙磁场强度、配套励磁电源、测试线圈匝数、测量线圈面积、线圈采用的线径，并确定测量线圈的嵌入极头的位置和嵌入方式等。
本发明采用嵌入式线圈，直接将线圈嵌入到极头，可以实现只测量磁瓦特定部位特定面积的磁场，可以直接对磁瓦进行测量，无需对磁瓦进行取样切割做成标准样，避免了取样过程中费时、费力、费料等各种问题。永磁磁瓦无损测量系统具有很好的重复性和再现性，能够实现对不同瓦型结构的产品的无损测量。
本发明无需取样，通过移动被测磁瓦4可直接测量，实现无损测量。
本发明采用了嵌入式线圈，直接将线圈嵌入到极靴表面，可实现只测量磁瓦特定部位特定面积的磁场，可以直接在磁瓦上面进行测试，无需对磁瓦进行取样切割做成标准样，可以避免了取样过程中费时、费力、费料等各种问题。同样也是因为无需取样，对产品可直接测量，实现无损测量。
由于是嵌入式线圈，故线圈是固定不动的。只要将线圈的一些系数确定以后，对磁体的测量采用同一个线圈，这样就可以避免了测试人员在线圈绕制时、或线圈放置位置时造成的人为因素对测量结果的影响。采用嵌入式线圈，就不存在线圈厚度的问题，这样可以实现对超薄磁瓦产品的性能检测。并能测量同一磁体的不同位置，从而可以对同一磁体的均匀性进行研究分析。
本发明的实施例及其实施工作过程如下：
第一测量线圈3和第二测量线圈5分别采用J线圈和H线圈组合测量，测量时电磁铁对经过正向饱和磁化的永磁器件产生一个逐渐增大的反向磁场，测量系统会记录这一过程中磁场强度H和被测磁瓦极化强度J的数值，得到J-H曲线(如图1中的曲线20)，然后通过公式：B＝μ0H+J计算得到B-H曲线(如图1中的曲线10)，其中B为磁感应强度，J为极化强度，μ0为真空磁导率，是一个磁常数，其值等于4π×10-7亨每米。其中极化强度J和磁场强度H的测量通过测量磁通的变化来实现。用电子积分器对测量线圈磁通变化产生的电动势积分，由线圈和样品参数计算得到J和H。最后通过对两条曲线的计算得到测量特征值，包括剩磁Br、矫顽力Hcb、内禀矫顽力Hcj、最大磁能积(BH)max等等。
内禀矫顽力Hcj根据磁场H在被测磁瓦4和空气两种介质上在切线方向的连续性，采用双积分方式测试第二测量线圈5对应的磁场而计算得到。Br值是通过样品的局部退磁曲线测量得到，需要根据样品几何形状通过建模分析进行参数修正。
同样如果采用B线圈和H线圈组合测量，会先得到B-H曲线，然后也通过公式B＝μ0H+J计算得到J-H曲线，最后计算得到测量特征值。
具体实施中，符合标准IEC60404-4所推荐的非同轴线圈气隙补偿方式，采用不同轴的两个测试线圈，线圈满足以下条件：
根据磁通连续原理，将穿过纯铁铁芯的磁极化强度J1与放置在第一测量线圈3上方的永磁磁瓦对应位置的磁极化强度J2等效，第一线圈(B线圈)和第二线圈(H线圈)在磁瓦样品条件下进行补偿校准，条件满足时，即：
线圈匝数N＝NB＝NH
线圈面积A＝AB＝AH
其中，NB和NH分别表示B线圈和H线圈的有效匝数，AB和AH分别表示B线圈和H线圈的线圈面积。
用磁通表测量对应磁通量由关系式J为磁极化强度，就可以得到相应的测量曲线。如：向经过饱和磁化的磁瓦施加反向磁场，即可获得退磁曲线。
实施例以长51.9mm，宽25.6mm，厚11.1mm的铁氧体瓦型磁体为例，采用了现有的标准法进行测量，标准法取样样品尺寸为L19.92mm×W10.06mm×H5.23mm，其退磁曲线如图7所示；本发明方法中进行修正并多次测试，修正后的有效匝数为30匝，线圈面积为81mm2，有效面积为80.7mm2，峰值电压25V，拐点电压8V，测量时间为90s，测量温度为13度，其退磁曲线如图8所示。具体得到的测试结果数据如下：
表1两种方法测试数据比对
磁瓦样品 Br(T) HcB(kA/m) HcJ(kA/m) (BH)max(kJ/m3)
J线圈标准法 0.3936 265.1 277.4 29.41
极头无损测试 0.3935 271.5 277.5 29.35
偏差 - 2.30％ -0.04％ -0.2％
表2本发明方法测量重复性数据
次数 Br(T) HcB(kA/m) HcJ(kA/m) (BH)max(kJ/m3)
1 0.3935 271.0 277.1 29.36
2 0.3934 271.2 277.2 29.32
3 0.3937 270.9 277.2 29.40
4 0.3935 271.1 277.4 29.38
5 0.3934 271.2 277.5 29.34
6 0.3940 271.5 277.6 29.43
7 0.3938 271.3 277.2 29.43
8 0.3939 271.6 277.7 29.44
9 0.3931 271.1 277.4 29.30
10 0.3938 271.1 276.8 29.40
平均值 0.39361 271.2 277.31 29.38
测量重复性 0.1％ 0.1％ 0.1％ 0.2％
测量结果显示永磁材料在工作点(即J曲线从原点0到H90点)以上基本能保证测量值与常规标准测量方法保持一致，使得(BH)max也能够基本准确。从表2可以看出，该发明系统具备了优良的测量重复性，能实现磁瓦的准确无损测量，测试重复性和再现性良好，人为造成的测量偏差小，具有显著的技术效果，磁性材料生产和应用行业应用前景广阔。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于嵌入线圈双积分法的磁瓦无损测量系统，包括电磁铁(1)、瓦型极靴组(7)以及分别固定在上、下电磁铁(1)上的上极头和下极头，瓦型极靴组(7)包括分别安装在上极头和下极头上的上极靴和下极靴，其特征在于：包括励磁电源、磁通表、第一测量线圈(3)、第二测量线圈(5)和弹力活动结构(6)，下极靴中沿水平轴向方向嵌有第一测量线圈(3)和第二测量线圈(5)；被测磁瓦(4)位于第一测量线圈(3)之上，上极头和下极头的两侧之间通过弹力活动结构(6)连接实现上下弹力调节，上极靴和下极靴的弧面均与被测磁瓦(4)的弧度吻合；第一测量线圈(3)和第二测量线圈(5)与各自的磁通表连接，电磁铁(1)与励磁电源连接，励磁电源和磁通表分别经D/A转换器、A/D转换器与计算机连接，开关控制器连接D/A转换器和A/D转换器进行转换开关控制；
所述的弹力活动结构(6)包括弹簧、中心极柱和底柱，中心极柱顶端连接上极头，中心极柱底端套在底柱中，弹簧套在中心极柱上，底柱固定连接在下极头上；
所述的第一测量线圈(3)和第二测量线圈(5)嵌入在下极靴的弧形表面，第一测量线圈(3)和第二测量线圈(5)的圆心连线与被测磁瓦(4)的内弧中心线相重合。
2.根据权利要求1所述的一种基于嵌入线圈双积分法的磁瓦无损测量系统，其特征在于：所述的第一测量线圈(3)和第二测量线圈(5)的有效匝数N和线圈面积A均相同，且两个线圈反向串联。
3.根据权利要求1所述的一种基于嵌入线圈双积分法的磁瓦无损测量系统，其特征在于：所述的第一测量线圈(3)为测量J线圈或者测量B线圈，所述的第二测量线圈(5)为测量H线圈。
4.根据权利要求1所述的一种基于嵌入线圈双积分法的磁瓦无损测量系统，其特征在于：所述的第一测量线圈(3)和第二测量线圈(5)呈圆形。
5.一种基于嵌入线圈双积分法的磁瓦无损测量方法，其特征在于方法如下：
1)采用权利要求1～4任一所述系统，被测磁瓦(4)置于第一测量线圈(3)正上方，通过弹力活动结构(6)伸缩将被测磁瓦(4)被压紧在上极靴和下极靴之间固定，第一测量线圈(3)和第二测量线圈(5)的圆心连线与被测磁瓦(4)的内弧中心线相重合；
2)测量时，对第一测量线圈(3)和第二测量线圈(5)通电，电磁铁对被测磁瓦(4)产生逐渐增大反向的两个磁场，用电子积分器对测量两个线圈磁通变化产生的电动势积分，获得被测磁瓦(4)极化强度J-磁场强度H曲线和磁感应强度B-磁场强度H曲线，由磁场曲线得到测量特征值。
6.根据权利要求5所述的一种基于嵌入线圈双积分法的磁瓦无损测量方法，其特征在于：所述的测量特征值包括剩磁Br、矫顽力Hcb、内禀矫顽力Hcj和最大磁能积(BH)max。
7.根据权利要求6所述的一种基于嵌入线圈双积分法的磁瓦无损测量方法，其特征在于：所述的内禀矫顽力Hcj根据磁场H在被测磁瓦(4)和空气两种介质上在切线方向的连续性，采用双积分方式测试第二测量线圈(5)对应的磁场而计算得到。
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