CN1115383A - 磁性材料的表征 - Google Patents

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Abstract

通过把高能永磁材料露放在磁场强度变化率各自不同的序列脉冲磁场中，检测总磁场强度，检测由各个脉冲，包括样品中感应出的涡流在样品中所产生的总磁场，并从所说的磁场中消除涡流成分，由此来获得与样品的磁特性相关的净磁场来表征高能永磁材料。脉冲磁场最好是通过一个筒形电磁线圈电容器产生的，通过保持波形恒定和改变脉冲宽度，例如，通过在与电感器和补偿电阻器在一起的筒形电磁线圈上提供抽头，以能够在所使用的抽头的范围内使电阻对电感之比保持基本恒定来产生磁场强度变化率。

Description

磁性材料的表征
本发明涉及通过测量磁性材料的磁特性来表征磁性材料的内容。本发明特别适合于高能永磁体的表征，当然并不仅限于此。
永磁体正在稳步地成为民用和工业用这两个领域更加平凡使用的材料，而且通过采用象稀土/铁材料这样的新材料，例如钕一铁一硼，使磁性能得到改善。这样的新材料具有极高的本征矫顽磁性，以致于传统技术不能对其进行表征。为了测量这种材料的完整的磁滞回线，以从中推导出磁特性，需要一个足以产生高达15泰斯拉或更高的磁通密度的外加磁场；这种需要随着新出现的磁性材料，例如钐一铁一氮化物的发展而必然增加。
现存的测量磁特性的仪器包括磁导仪和振荡样品磁强计。在磁导仪中，磁性样品放在一个电磁体两极间的闭合磁路中，当监测磁性样品的工作点时，向电磁体以缓慢地斜线上升和下降的方式施加电流。该仪器可以测出零自消磁系数和很小的反向涡流效应，但是由于电磁体的铁轭所带来的限制作用，该仪器的最大有效施加磁场的能量所产生的磁通密度也只有约2泰斯拉。即使使用钴铁极靴聚焦磁力线，对于高性能的三维变化(transition)的合金磁体也还是不够的，而且限制了该仪器在只对已在更强磁场中预磁化了的样品的第二象限的特性部分的测量中的使用。
振动样品磁强计可以采用超导电磁线圈产生施加的磁场，由此可以获得高达约20泰斯拉的磁通密度。但是，这种仪器的投资和运行费用使得它只限于在研究领域中使用而不能在其它任何领域使用，而且对于许多工业应用来说，它的操作时间实在是太慢了。
因此，需要有一种仪器，这既能提供磁特性的快速一响应评估，又能在考虑磁场条件的情况下，在投资和运行费用方面使得它能够应用于工业以及研究领域。已经提出的脉冲磁场磁力测定系统就满足了这种需要，其中向样品磁体施加脉冲磁场，由传感线圈测量样品磁体中的外加磁场强度和磁通密度，但是到现在这种系统还不能为实际使用的仪器提供测量磁特性的根据，这是因为在施加脉冲磁场期间，做为随时间变化的磁场所产生的结果而在样品磁体中所感应出来的很强的涡流会导致误差。虽然涡流的负数应可以通过施加一个具有缓慢上升时间的起磁(magnetising)脉冲来消除，但是这又会增加投资支出。
本发明的一个目的就是提供一种脉冲磁场磁力测定系统，其中由涡流所产生的误差基本上被消除，而且该系统的成本使得它能够产品化。本发明的又一个目的是提供一种系统，其中可以检测和/或测量所产生的涡流。
根据本发明的一个方面，用于测量样品磁性材料的磁特性的设备包括产生一个施加到样品上的脉冲磁场的装置，确定外加磁场强度的装置和根据样品的特性检测并包括样品中所感应出的涡流在内的在样品中所产生的总磁场的装置，该设备还包括向样品施加序列脉冲磁场的装置，这些脉冲分别具有不同的磁场强度变化率，用于消除来自样品中所产生的各磁场的涡流成份的装置，和输出所产生的信号的输出装置。
另一方面，本发明提供一种测量样品磁性材料磁特性的方法，该方法包括把样品磁性材料露放在磁场强度的变化率分别不同的序列脉冲磁场中，检测总磁场强度，根据样品的特性检测由各脉冲包括在样品中感应出的涡流在样品中所产生的总磁场，消除由所说的磁场所产生的涡流成份，由此获得与样品的磁特性相关的净磁场。
所观测的数据可以被认为包括所需的信息和与样品的磁特性相关，尽管其它在涡流成份消除之前或之后可以消除的磁信息也可以出现。
通过计算由各脉冲所产生的假设涡流的估算值或它们的比值，并且与最后检测到的磁场或它们的比值进行比较，从而消除在样品中各磁场所产生的涡流成份，如果需要，比较一直重复下去直到估算值基本等于检测值时为止。如果这些最后检测到的磁场彼此基本相等，那么涡流就基本不存在了；这样本发明还可以确定涡流的存在与否。
样品最好与一个筒形电磁线圈保持耦合关系，例如放在线圈筒腔内，由一个或多个排列的电容器通过筒形电磁线圈放电来产生脉冲磁场，这个磁场应使样品磁性材料完全饱和。脉冲最好具有正弦波的形式。可以通过改变脉冲的波形或宽度来改变在外加磁场中磁场强度的变化率；最好是保持波形基本不变而改变脉冲宽度。可以通过改变筒形电磁线圈的电感或电容器的电容来改变脉冲宽度。例如，为了有选择地改变筒形电磁线圈的电感，可以采用一个或多个抽头以便根据需要使用筒形电磁线圈的一部分或全部；还可以包括一个补偿电阻器和一个任选的电感器，以使电阻与电感之比在所使用的抽头之间的范围内能够基本保持为一个常数。改变脉冲宽度的其它方法包括改变在电容器和电感器之间的匹配用变压器，设置一个定值电感器和通过增加或减少电容器，或者是把并联电容器电路变换成串联电容器电路或相反，从而改变电容器输出。
在本说明中“筒形电磁线圈”是指任何载流线圈，而不管它的匝数或几何形状。
作为使用电容器的一种替换，可以采用主电源产生脉冲磁场，其中通过改变电源供给可以产生不同的变化率。
可以由与筒形电磁线圈同轴设置的传感线圈测量样品中所产生的磁场和外加磁场强度，传感线圈的输出通过例如积分磁通计进行电积分。在积分和放大之后，信号被数字化并贮存在存贮器中以便以后分析所用。
对于稀土磁性材料来说，典型的磁脉冲的宽度在0.25到5ms范围内。例如，如果各脉冲宽度为1.2ms和4.8ms，涡流在短脉冲情况的影响一次近似为在长脉冲情况下的4倍。但是对于一种具体样品，脉冲宽度要由许多因素决定，这包括样品的几何形状和大小，以及样品预期的传导率。虽然在实际应用中4∶1比值的磁场交化率的差通常是可以接受的，但是一般来说应该尽可能的大。
在本发明的一个实施例中，使磁性材料具有给定的磁滞回线特性，假设代表真实的磁特性，即涡流的净值。模拟的目的在于达到这么一个程度，即这种磁特性能够从适当放置的探测线圈的磁通匝连数中推导出来。例如，电阻率可以设定为1.42μOHMm，这是制造商关于一种烧结的钕一铁一硼(NdFeB)磁性材料所提供的典型数据，并且与铜的0.017μOHMm相比较。外加磁场可以具有在0.333—5ms范围内的脉冲宽度，并计算出关于各个脉冲宽度的预期的磁滞回线和在没有涡流情况下所预期的情形(即为一系列饱和磁场的解)。
虽然测量值表明真实的磁特性是不对称的，但是一开始假设的是磁滞回线关于原点对称。因此，评估磁特性的对称性是为了确定偏差的原始估计是否恰当。重复偏差的校正直到得到一个能够被认为代表了真实的磁特性的对称的磁滞回线。为了补偿例如由于在外加磁场中不同的正和负峰的高度所产生的只有部分磁化而带来的可能的不对称，在施加脉冲磁场之前，可以由外部一校准探测线圈来测量由初始条件所造成的偏差。由于时间常数和在磁性材料插入试验线圈期间所产生的感应电压的数值与在施加磁性脉冲期间是不同的，所以，对于在筒形电磁线圈的筒腔中的传感线圈要有不同的设计。
为了防止在一个测量周期中，在筒形电磁线圈和放在该线圈筒腔中的传感线圈之间发生可能的击穿的灾难性现象，最好使该测量装置与设备的其余部分电绝缘。例如，该测量装置可以包括一个电子积分器，用于模拟输出数字化的装置，一个记忆存贮器和既能电绝缘又可以传输数据的装置，象光隔离器。当在筒形电磁线圈和传感线圈之间发生击穿时，测量装置工作所需的电位将跟随筒形电磁线圈的电位，而不会损坏该设备的其余部分。
现在将结合附图，以举例的方式说明本发明的实施例，附图是用于样品磁性材料表征的装置的线路示意图。
参考附图，样品标注为11并与筒形电磁线圈12保持耦合关系。样品最好放在筒形电磁线圈和J线圈13里面，为清楚起见，附图为并列排放表示。J线圈13检测样品的磁化，线圈14检测外加磁场。线圈13和14最好再与筒形电磁线圈12同轴安装。
该设备还包括一个电源15，它使电容器16充电到一个预定电平。开关装置17通过筒形电磁线圈12上的两个抽头18，19中的一个有选择地使电容器16放电，同时开关装置20打开。通过筒形电磁线圈12流动所形成的电流产生磁力线，其中一部分与J和H线圈13、14相耦合。样品11与外加磁场和J线圈13相耦合。形成的信号在积分器21和22中积分并在模/数转换器23、24中数字化。所产生的数值下行输入到个人微机25中以进行数据处理。

Claims (10)

1.测量一种样品磁性材料的磁特性的设备，该设备包括产生一个施加到样品上的脉冲磁场的装置，用于确定外加磁场强度的装置和根据样品的磁特性检测并包括样品中所感应出的涡流在内的在样品中所产生的总磁场的装置，该设备还包括向样品施加序列脉冲磁场的装置，这些脉冲具有各自不同的磁场强度变化率，用于从在样品中所产生的各磁场中消除涡流成份的装置，用于输出所产生信号的输出装置。
2.根据权利要求1所述的设备，其中样品与一个筒形电磁线圈保持耦合关系。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中脉冲磁场产生装置包括一个或多个电容器。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的设备，其中筒形电磁线圈具有一个或多个抽头以便有选择地改变该线圈的电感。
5.根据权利要求4所述的设备，还包括一个补偿电阻器和任选的一个电感器，由此能够在所选择的电感范围使电阻对电感之比基本保持为一个常数。
6.根据上面任何权利要求所述的设备，其中用于确定外加磁场强度的装置和用于检测样品中总磁场的装置包括传感线圈。
7.根据作为权利要求2到4任何权利要求的从属权利要求的权利要求6所述的设备，其中传感线圈与筒形电磁线圈同轴放置。
8.根据前面任何权利要求所述的设备，还包括用于积分，放大和任选的数字化并存贮所形成的信号的测量装置，该装置与信号输出装置运行相连。
9.根据权利要求8所述的设备，其中测量装置与脉冲产生和检测装置是电绝缘的。
10.一种测量样品磁性材料的磁特性的方法，该方法包括把样品磁性材料露放在磁场强度变化率各自不同的序列脉冲磁场中，检测总磁场强度，检测由各脉冲，包括在样品中所感应出的涡流在样品中所产生的总磁场，从所说的磁场中消除涡流成份，由此获得与样品磁特性相关的净磁场。
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