CN105785291A - 永磁材料磁通温度稳定性测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

提供一种永磁材料磁通温度稳定性测量装置及方法。永磁材料磁通温度稳定性测量装置包括：加热箱体(1)，用于对测试样品(4)进行加热；磁屏蔽(2)，位于所述加热箱体的内部，用于将所述磁屏蔽内部的测试样品与所述磁屏蔽外部隔绝；以及磁通测量线圈(3)，位于所述磁屏蔽的内部。本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量装置及方法，能够有效提高磁通不可逆温度损失和磁通可逆温度系数的测量精度。

Description

永磁材料磁通温度稳定性测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种永磁材料磁通温度稳定性测量装置及方法。

背景技术

近年来，稀土R-Fe-B永磁材料的磁性能及耐蚀性有了很大的改善和提高。随着节能减排环保的需要，稀土永磁材料被广泛应用于变频空调、新能源汽车电机、风力发电等领域。这些领域对设备温度稳定性及可靠性的要求比较高。永磁材料的温度稳定性是影响设备稳定性的重要因素。衡量永磁材料磁性能温度稳定性的最常用的指标有磁通可逆温度系数、磁通不可逆温度损失、剩磁温度系数、矫顽力温度系数等。

在实际的磁应用中，绝大多数磁路都存在一定气隙和漏磁。在磁路的设计过程中，需要考虑永磁体可能的磁通温度损失。磁通温度损失分为不可逆温度损失和可逆温度损失。其中，磁通不可逆温度损失可以在使用前通过对磁体进行温度老化处理去除，因而不会成为长期不稳定因素。而可逆温度损失随着磁体使用过程中温度的波动而变化，只能根据磁体的磁通可逆温度系数来估算。因此，磁通可逆温度系数对磁路设计而言是必不可少的重要参数。

剩磁温度系数以及矫顽力温度系数是在闭合磁路状态下测量的磁体温度稳定性参数，其测量方法及装置可以是例如GB/T24270-2009。在上述方法中，试样通常需用毛坯加工成规则形状的小尺寸样品，例如等。当磁体在不同使用温度下均处于B-H退磁曲线拐点之上，并且该部分B-H曲线近似为直线时，可用剩磁可逆温度系数来估算其磁通可逆温度系数。该方法仅适用于高矫顽力且方形度非常好的部分永磁体及部分磁路设计。

目前在永磁体实际生产及应用过程中，当对永磁体磁性能温度稳定性进行检测时，常采用高温减磁试验，即开路测量磁体磁通随温度的变化。具体过程为，用线圈和磁通计组成测量系统，测量磁体在室温(T₀)下的磁通然后根据该磁体产品可能使用的最高温度，在高温试验箱中进行一定时间的高温(T)试验，然后将磁体取出，冷却至T₀后再次测量样品的磁通通过下述公式计算磁体从T₀至T温度范围的磁通不可逆损失百分比：

$\mathrm{\δ}=\frac{[{\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_0]}{{\mathrm{\φ}}_0}\×100\%$

但是，当磁体在高温环境下使用时，其总的磁通损失除了上述不可逆损失外，还包括从室温T₀至高温T温度范围的磁通可逆温度损失。而这部分可逆温度损失一直没有有效的直接检测方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种永磁材料磁通温度稳定性测量装置及方法，能够有效提高磁通不可逆温度损失和磁通可逆温度系数的测量精度。

为了实现上述目的，本发明提供一种永磁材料磁通温度稳定性测量装置，包括：加热箱体(1)，用于对测试样品(4)进行加热；磁屏蔽(2)，位于所述加热箱体的内部，用于将所述磁屏蔽内部的测试样品与所述磁屏蔽外部隔绝；以及磁通测量线圈(3)，位于所述磁屏蔽的内部。

本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，还包括气流循环部(12)，所述气流循环部位于所述加热箱体的外部，与所述加热箱体的内部流体连通。

本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，还包括温度传感器(5)，所述温度传感器位于所述磁通测量线圈的内部。

本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，还包括测温控温部(9)，所述测温控温部位于所述加热箱体的外部，与所述温度传感器一起对所述加热箱体内部的温度进行控制。

本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，所述磁屏蔽呈相对于测试样品对称的形状，测试样品位于所述磁屏蔽的中心位置。

本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，所述磁屏蔽由隔热材料安装在所述加热箱体内。

本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，所述磁屏蔽的周面上具有通风孔。

本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，所述磁通测量线圈是亥姆赫兹线圈，测试样品位于所述亥姆赫兹线圈的中心位置。

本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，还包括磁通积分器(10)，位于所述加热箱体的外部，用于测量测试样品的磁通或磁偶极矩。

本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，测量所述磁通测量线圈在不同温度下的电阻值，并且根据测量结果对不同温度下测量得到的磁通值进行修正。

为了实现上述目的，本发明还提供一种永磁材料磁通温度稳定性测量方法，使用本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量装置进行测量，包括：步骤1：测量测试样品在第一温度(T1)时的磁通或磁偶极矩j₁；步骤2：使测试样品升温到第二温度(T2)，测量测试样品在第二温度时的磁通或磁偶极矩j₂；步骤3：使测试样品升温到第三温度(T3)，测量测试样品在第三温度时的磁通或磁偶极矩j₃；步骤4：使测试样品降温到第二温度，再次测量测试样品在第二温度时的磁通或磁偶极矩j₂′；步骤5：使测试样品降温到第一温度，再次测量测试样品在第一温度时的磁通或磁偶极矩j₁′；由所述步骤1～所述步骤5的测量结果，计算永磁材料的磁通温度稳定性参数。

本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量方法，其特征在于，在所述步骤2和所述步骤3升温时，先快速升温，然后慢速升温，从而避免温度过冲。

本发明的永磁材料温度磁通稳定性测量方法，其特征在于，使用下式计算样品由第一温度(T1)升至第三温度(T3)的磁通不可逆温度损失百分比δ₁∶δ₁＝[(j₁-j₁′)/j₁]×100％。

本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量方法，其特征在于，使用下式计算样品在第一温度(T1)至第二温度(T2)之间的磁通平均可逆温度损失百分比δ₁∶δ₂＝[(j₁′-j₂′)/j₁′]×100％。

本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量方法，其特征在于，使用下式计算样品在第一温度(T1)至第二温度(T2)之间的磁通平均可逆温度系数λ∶λ＝{(j₂′-j₁′)/[j₁′×(T₂-T₁)]}×100％。

本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量装置及方法，能够有效提高磁通不可逆温度损失和磁通可逆温度系数的测量精度。

附图说明

图1是根据本发明一个实施方式的永磁材料磁通温度稳定性测量装置的结构示意图。

图2是图1所示永磁材料磁通温度稳定性测量装置的局部放大图。

图3是使用本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量装置测得的磁偶极矩随温度变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量装置和方法。

如图1、2所示，根据本发明一个实施方式的永磁材料磁通温度稳定性测量装置包括加热箱体1，磁屏蔽2，以及磁通测量线圈3。

加热箱体1呈封闭的箱装，在其内部容纳磁屏蔽2和磁通测量线圈3，用于对其内部的测试样品4进行加热。

在加热箱体1的外部，电连接有加热控制部11。加热控制部11用于对加热箱体1的加热进行控制，从而控制加热控制部11内的温度和升温速度。

在加热箱体1的外部，还流体连接有气流循环部12。气流循环部12用于使加热箱体1内的气体流动，从而使加热箱体1内的温度均匀，即，使加热箱体1内各处的温度差较小。

在加热箱体1的内部，设有温度传感器5。温度传感器5位于测试样品4附近，用于测量测试样品4附近的温度。温度传感器5连接到位于加热箱体1的外部的测温控温部9。加热控制部11根据温度传感器5测量得到的温度，对加热箱体1的加热进行控制。

加热箱体1、加热控制部11、气流循环部12、温度传感器5以及测温控温部9组成一个有机的整体，用于对测试样品4进行加热，精确地使测试样品4处于待测温度，并且通过调节升温速度(升温斜率)，能够确保测试样品4在待测温度处温度不过冲。

而且，由于在加热箱体1的内部具有足够大的温度均匀区，使得磁通测量线圈3内的测试样品4附近区域各处的温度偏差不超过0.3℃，温度波动度在±0.1℃以内，并且温度测量值最大偏差不超过0.5℃。

磁屏蔽2位于加热箱体1的内部，例如安装在加热箱体1的底部，在其内部容纳磁通测量线圈3。使用隔热材料将磁屏蔽2安装在加热箱体1的内部，从而避免加热箱体1的热量被直接传导到磁屏蔽2，进而避免磁屏蔽2对其内部的测试样品4产生热辐射。

磁屏蔽2呈大体立方体状，在其前后上下左右各壁上均匀分布有通风孔(图未示)。通风孔的形状不限，例如可以是圆形。

构成磁屏蔽2的各壁的面板采用多层结构。外层(靠近加热箱体1侧)采用高导磁材料(例如坡莫合金1j85)，内层(靠近测试样品4侧)采用导磁率略低的屏蔽材料(例如1j50)，中间层采用不导磁合金(例如铝、铜等)。上述各层中的每层也可由多层相同或不同材料组合构成。

磁屏蔽2能够有效屏蔽来自外部的电气设备(例如加热温控部11、气流循环部12和旋转机构控制部8(后述)等)产生的电磁信号对测试样品4的磁通测量的干扰。

测试样品4位于磁屏蔽2的中心位置，使得磁屏蔽2的各壁相对于测试样品4是对称的，从而使磁屏蔽2的各壁与测试样品4之间的相互作用在不同温度下始终是相同的。这意味着，磁屏蔽2的各壁与测试样品4之间的相互作用对磁通不可逆温度损失及磁通可逆温度系数等的测量结果的影响可以忽略。

磁通测量线圈3位于加热箱体1的内部，并且对称地位于磁屏蔽2的内部。磁通测量线圈3是耐高温的亥姆赫兹线圈。磁通测量线圈3不是封闭的，因而不影响测试样品4周围的气体流动。测试样品4位于磁通测量线圈3的中心轴线上。

磁通积分器10位于加热箱体1的外部，与磁通测量线圈3一起用来测量磁通。它们可以测量处于任意温度的测试样品4的磁通(或磁偶极矩)。磁通测量线圈3的电阻随温度的变化量可以事先由欧姆表测量，并将测量结果输入控制器13(后述)，由控制器13对不同温度下的磁通值(亥姆赫兹线圈常数)进行修正。

永磁材料磁通温度稳定性测量装置还包括旋转机构控制部8、旋转驱动机构7和连接杆6，用于使测试样品4旋转。旋转机构控制部8电连接到旋转驱动机构7，用于控制测试样品4的旋转速度、旋转持续时间、旋转起止时刻等。

连接杆6例如由上连杆和下连杆两部分组成，上连杆和下连杆之间采用耦合连接。上连杆和下连杆可以轻微不同轴。上连杆与旋转驱动机构7的轴相连。下连杆穿过磁屏蔽2和磁通测量线圈3，进入磁通测量线圈3的内部。连接杆6的轴线与磁通测量线圈3的中心轴线垂直。测试样品4例如通过样品夹固定在下连杆的下端，并且位于磁通测量线圈3的中心位置。下连杆的旋转带动测试样品4一起旋转。在测试样品4的旋转过程中，测试样品4的易磁化方向(充磁方向)始终与下连杆垂直。

上述旋转机构控制部8、测温控温部9、磁通积分器10、加热控制部11和气流循环部12均连接到控制器13，由控制器13进行编程控制。

以下说明使用本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量装置进行的控温和对磁通可逆温度系数、磁通不可逆温度损失的测量和计算。

步骤1：将处于热退磁状态的测试样品4用脉冲充磁机饱和磁化，然后如上所述将测试样品4安装在连接杆6的下端，使其处于适当的位置。

步骤2：在温度T₁(例如室温)恒温一定时间(例如1h)后，进行磁通(磁偶极矩)的测量。

测量磁通时，首先将磁通积分器10初始化，然后由旋转驱动机构7使测试样品4以一定速度旋转2圈以上。这一过程的持续时间不能过长，控制在例如2～60s范围内。取磁通积分器10在这期间的正负峰值的算术平均值作为温度T₁的磁通测量值

步骤3：上述步骤2可重复多次，例如3～5次，每次间隔一定时间，例如20s。

步骤4：快速升温至温度T₂附近(例如比T₂低5℃的温度)，然后以不超过例如0.25℃/min的升温速度缓慢升温至温度T₂，从而确保测试样品4的温度不过冲。

步骤5：测量温度T₂恒温阶段的磁通具体测量方法与步骤2相同。

步骤6：类似于步骤4和步骤5，升温至温度T₃，并且在温度T₃下测量磁通

步骤7：将测试样品4降温至温度T₁，然后重复上述步骤1～6，再次测量温度T₁、T₂、T₃的磁通

在上述各步骤中，在实际测量时，测量的是磁偶极矩j₁、j₂、j₃、j₁′、j₂′、j₃′，而非磁通这是因为，磁通是相对量，不仅与测试样品4的磁性能有关，还与磁通测量线圈3的种类和常数有关，而磁偶极矩则是绝对量，仅与测试样品4的磁性能有关。

具体来说，磁通因为在本发明中，磁通测量线圈3随测试样品4一起被加热，因此，当前后两次测量时，其线圈常数k可能发生变化，因此，使用磁偶极矩j的变化更能准确反映测试样品4的磁性能的实际变化。与之相对地，在以往的高温减磁试验中，因为线圈始终处于室温下，因而线圈常数k是不变的，这时磁通的变化与磁偶极矩的变化是相同的。

此外，因为磁通测量线圈3位于加热箱体1的内部，其线圈常数k可能因热膨胀而变化，还有可能出现因磁通测量线圈3的电阻随温度变化而引起磁通量的变化，因此，需要对上述情况进行修正。

其中，由于线圈常数k与线圈半径成线性正比关系，因此，线圈常数k的变化百分比可根据下式进行计算：

k₂/k₁＝1+l(T₂-T₁)

在上式中，1是线圈材料的热膨胀系数(Cu：17.5×10^-6/℃，Al：23.2×10^-6/℃)，k₁和k₂是线圈常数。在本发明的实施例中，温度差(T₂-T₁)最大为130℃，线圈常数k因热膨胀而导致的最大变化量小于0.5％。

因磁通测量线圈3的电阻随温度变化而引起磁通量的变化可以通过在磁通积分器10中输入线圈在对应温度下的电阻而进行修正，其变化量可以根据下式进行计算：

在上式中，是修正后的磁通值，是修正前的磁通值，R_coil和R_F分别是线圈在对应温度下的电阻和磁通积分器10的输入电阻。

图3示出使用本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量装置测得的磁偶极矩随温度变化曲线。

磁通不可逆温度损失百分比δ(T₁～T₃温度段)根据下式计算：δ₁＝[(j₁-j₁′)/j₁]×100％。需要注意的是，从温度T₁至温度T₃的过程不允许有温度过冲。

磁通可逆温度损失百分比(T₁～T₂温度段)根据下式计算：δ₂＝[(j₁′-j₂′)/j₁′]×100％。

磁通可逆温度系数(T₁T₂温度段)根据下式计算：λ＝{(j₂′-j₁′)/[j₁′×(T₂-T₁)]}×100％。

表1示出测量和计算得到的样品在不同温度下的磁偶极矩值。

表1

在本发明中，磁通测量线圈3是耐高温的亥姆赫兹线圈，因而最高使用温度高达220℃。而且，如上所述，可以使用控制器13对线圈电阻随温度的变化进行修正。

由于磁通测量线圈3及其外部的磁屏蔽2均置于加热箱体1内，并且加热箱体1具有气流循环部12，因此，能够确保加热箱体1内具有较大的温度均匀区，使得测试样品4附近区域各处在温度不超过180℃时的温度偏差不超过0.3℃，在温度不超过120℃时的温度偏差不超过0.2℃，温度波动度在±0.1℃以内，并且温度测量值最大偏差不超过0.5℃。

而且，由于测试样品4位于磁通测量线圈3的磁信号均匀区内，并且磁信号均匀区的空间较大，因此，对测试样品4的尺寸没有特殊限制。

由于磁屏蔽2具有通风孔，因而不阻碍测试样品4周围的气体流动，使得温度均匀。

由于磁屏蔽2使测试样品4与外部的加热温控部11、气流循环部12和旋转机构控制部8(后述)等电气设备完全隔绝，因而能够有效屏蔽各种电磁干扰源对磁通测量的影响。

使用本发明的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，磁通可逆温度系数测量重复性得到明显提高，温度在100℃以上时，其扩展测量不确定度小于0.01％/℃(k＝2)。

Claims (15)

1.一种永磁材料磁通温度稳定性测量装置，包括：

加热箱体(1)，用于对测试样品(4)进行加热；

磁屏蔽(2)，位于所述加热箱体的内部，用于将所述磁屏蔽内部的测试样品与所述磁屏蔽外部隔绝；以及

磁通测量线圈(3)，位于所述磁屏蔽的内部。

2.根据权利要求1所述的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，其特征在于，还包括气流循环部(12)，所述气流循环部位于所述加热箱体的外部，与所述加热箱体的内部流体连通。

3.根据权利要求1所述的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，其特征在于，还包括温度传感器(5)，所述温度传感器位于所述磁通测量线圈的内部。

4.根据权利要求3所述的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，其特征在于，还包括测温控温部(9)，所述测温控温部位于所述加热箱体的外部，与所述温度传感器一起对所述加热箱体内部的温度进行控制。

5.根据权利要求1所述的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，其特征在于，所述磁屏蔽呈相对于测试样品对称的形状，测试样品位于所述磁屏蔽的中心位置。

6.根据权利要求1所述的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，其特征在于，所述磁屏蔽由隔热材料安装在所述加热箱体内。

7.根据权利要求1所述的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，其特征在于，所述磁屏蔽的周面上具有通风孔。

8.根据权利要求1所述的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，其特征在于，所述磁通测量线圈是亥姆赫兹线圈，测试样品位于所述亥姆赫兹线圈的中心位置。

9.根据权利要求1所述的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，其特征在于，还包括磁通积分器(10)，位于所述加热箱体的外部，用于测量测试样品的磁通或磁偶极矩。

10.根据权利要求9所述的永磁材料磁通温度稳定性测量装置，其特征在于，测量所述磁通测量线圈在不同温度下的电阻值，并且根据测量结果对不同温度下测量得到的磁通值进行修正。

11.一种永磁材料磁通温度稳定性测量方法，使用根据权利要求1～10中任一项所述的永磁材料磁通温度稳定性测量装置进行测量，包括：

步骤1：测量测试样品在第一温度(T1)时的磁通或磁偶极矩j₁；

步骤2：使测试样品升温到第二温度(T2)，测量测试样品在第二温度时的磁通或磁偶极矩j₂；

步骤3：使测试样品升温到第三温度(T3)，测量测试样品在第三温度时的磁通或磁偶极矩j₃；

步骤4：使测试样品降温到第二温度，再次测量测试样品在第二温度时的磁通或磁偶极矩j₂′；

步骤5：使测试样品降温到第一温度，再次测量测试样品在第一温度时的磁通或磁偶极矩j₁′；

由所述步骤1～所述步骤5的测量结果，计算永磁材料的磁通温度稳定性参数。

12.根据权利要求11所述的永磁材料磁通温度稳定性测量方法，其特征在于，在所述步骤2和所述步骤3升温时，先快速升温，然后慢速升温，从而避免温度过冲。

13.根据权利要求11所述的永磁材料温度磁通稳定性测量方法，其特征在于，使用下式计算样品由第一温度(T1)升至第三温度(T3)的磁通不可逆温度损失百分比δ₁：

δ₁＝[(j₁-j₁′)/j₁]×100％。

14.根据权利要求11所述的永磁材料磁通温度稳定性测量方法，其特征在于，使用下式计算样品在第一温度(T1)至第二温度(T2)之间的磁通平均可逆温度损失百分比δ₁：

δ₂＝[(j₁′-j₂′)/j₁′]×100％。

15.根据权利要求11所述的永磁材料磁通温度稳定性测量方法，其特征在于，使用下式计算样品在第一温度(T1)至第二温度(T2)之间的磁通平均可逆温度系数λ：

λ＝{(j₂′-j₁′)/[j₁′×(T₂-T₁)]}×100％。