CN113093072B - 一种高温测量永磁材料磁性的装置与方法 - Google Patents

一种高温测量永磁材料磁性的装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于磁性测量领域，公开了一种高温测量永磁材料磁性的装置与方法，包括激光器、功率控制器、光束控制器、温度控制器、磁性测量单元、温度传感器、以及电磁铁极头，电磁铁极头分上下两块，分别用来夹住样品的上下两面，样品前后表面分别固定有吸热片，利用温度传感器对吸热片的温度进行测量，利用激光对样品进行加热，并利用温度控制器，通过调节功率控制器和光速控制器照射到样品前后表面的吸热片上的光束比例，从而来调节吸热片的温度，用磁性检测单元对样品的磁性进行检测。本发明采用激光加热方式，加热速度快、能量高，能够有效的测量永磁材料在高温条件下的磁性，并且不会对测量结果产生影响。

Description

一种高温测量永磁材料磁性的装置与方法
技术领域
本发明属于磁性测量领域，具体是一种高温测量永磁材料磁性的装置与方法。
背景技术
随着科技的发展，对永磁体的工作性能要求越来越高，尤其是在太空领域和高性能动力的设备上，要求永磁体能在高温条件下工作，并且具有良好的磁性能，然而目前对永磁材料在高温条件下磁性能的测量仍然存在一定不足。
目前高温磁体的测量方法主要有开路测量和闭路测量两种方法，开路测量主要利用VSM和PPMS等测量设备，对实验设备要求较高；另一种是利用BH测试仪，通过在BH测试仪的电磁铁极头顶部加装加热片，通过加热片加热样品，并闭路测量永磁材料在高温下的磁性能，但该加热方法存在以下缺陷，一是受限于电阻丝或加热片加热限制，其加热温度通常不会超过200oC，二是加热片中使用加热电流会产生杂散磁场，影响测量结果，三是加热效率低，所需时间较长。
发明内容
本发明目的在于提供一种高温测量永磁材料磁性的装置与方法,以解决磁体加热速度慢，能量低、影响测量结果的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的一种高温测量永磁材料磁性的装置与方法的具体技术方案如下：
一种高温测量永磁材料磁性的装置，包括激光器、功率控制器、光束控制器、温度控制器、磁性测量单元、温度传感器、以及电磁铁极头，所述电磁铁极头分上下两块，分别夹住样品的上下两面，所述样品前后表面分别固定有吸热片；
所述温度传感器设置在吸热片上，用于测量吸热片的温度；
所述磁性测量单元分别连接磁场测量探头和磁感应强度测量线圈，用于记录并计算样品的磁性，磁场测量探头设置在样品侧面，磁感应强度测量线圈设置在样品底部；
所述激光器出射激光束，通过光束控制器分成两束激光照射在样品的前后表面，用于对样品进行加热；
所述温度控制器分别和光束控制器、功率控制器及吸热片连接，通过调节光束控制器和功率控制器照射到样品前后表面的吸热片上的光束比例，从而来调节吸热片的温度。
进一步地，所述吸热片为耐高温导热材料，厚度为1mm至5mm，优选的在吸热片表面镀一层与激光波长相一致的吸热薄膜，所述吸热片通过夹具固定在样品的前后表面。
进一步地，所述吸热片通过高温导热胶固定在样品表面。
进一步地，所述电磁铁极头和样品之间有隔热片。
进一步地，所述功率控制器为可调电动滤光片，其滤光效率为0.1%~100%，优选为电动滤光片转轮，所述光束控制器为可调光束控制器，由反射镜和滤光片组成，通过反射的光束在1%~100%可调，所述温度传感器的工作温度为0oC~900oC,温度传感器设置在吸热片的内部或表面。
进一步地，样品的长宽高分别为a，b和c，其中高度c的值为5mm≤c≤20mm，长和宽的值为5mm≤a≤10mm，5mm≤b ≤10mm。
本发明还公开了一种测量永磁材料磁性的方法，包括如下步骤：
步骤一：将方形块状永磁样品磁化到饱和状态；
步骤二：将吸热片分别固定在样品前后表面，并置于两电磁铁极头之间，调节电磁铁极头之间的距离，使得两电磁铁极头压紧样品；
步骤三：激光器发射激光光束,通过功率控制器和光束控制器，分成两束激光光束，分别照射在样品前后表面的吸热片之上，通过吸热片上的温度传感器，测量并获得样品前后表面的吸热片温度为T1和T2；
步骤四：根据步骤3所得的吸热片的温度，利用温度控制器，通过调节功率控制器和光束控制器，使得吸热片上的温度T1和T2逐渐接近T0，并最终使得T1= T2= T0，等待稳定一段时间后开始测量样品的磁性；
步骤五：在电磁铁内通入磁化电流，使得样品磁化到饱和状态，减小磁化电流，再改变磁化电流方向，增加磁化电流使得退磁曲线通过矫顽力或内禀矫顽力点，通过磁场测量探头测量整个过程的电磁铁的磁场强度，通过磁感应强度测量线圈测量整个过程中样品的磁感应强度；
步骤六：通过磁性测量单元记录并计算得到样品在T0温度下的退磁曲线，最大磁能积，剩磁，矫顽力和内禀矫顽力。
进一步地，步骤一中磁化样品的磁场为样品高度c的1~5倍。
进一步地，步骤三所述的激光器采用飞秒脉冲激光器或者连续激光器。
进一步地，步骤四所述的T1和 T2的温度控制应在T0±2oC，T0的温度范围为50oC≤T0≤700 oC，所述的等待时间为15min~60min。
本发明的一种高温测量永磁材料磁性的装置与方法具有以下优点：本发明采用激光加热方式，加热速度快、能量高，能够有效的测量永磁材料在高温条件下的磁性，并且不会对测量结果产生影响。
附图说明
图1是本发明的高温测量永磁材料磁性的装置示意图。
图2是样品的夹具示意图。
图3是钕铁硼永磁体在22 oC时的磁性能曲线图。
图4是钕铁硼永磁体在100 oC时的磁性能曲线图。
图5是钕铁硼永磁体在130 oC时的磁性能曲线图。
图6是钕铁硼永磁体在150 oC时的磁性能曲线图。
图7是钐钴永磁体在500oC时的磁性能曲线图。
图中标记说明：1、激光器；2、功率控制器；3、光束控制器；4、温度控制器；5、磁性测量单元；6、温度传感器；7、电磁铁极头；8、夹具；9、隔热片；10、吸热片；11、磁场测量探头；12、磁感应强度测量线圈；13、样品。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种高温测量永磁材料磁性的装置与方法做进一步详细的描述。
如图1所示，本发明的一种高温测量永磁材料磁性的装置，包括激光器1、功率控制器2、光束控制器3、温度控制器4、磁性测量单元5、温度传感器6以及电磁铁极头7。
电磁铁极头7分上下两块，用来夹住样品13的上下两面，在电磁铁内通入磁化电流可使样品13磁化。电磁铁极头7和样品13之间设置隔热片9，用于隔离电磁铁极头和样品13之间的温度。
样品13前后表面分别固定有吸热片10，吸热片10为耐高温导热材料，厚度为1mm至5mm，优选的在吸热片10表面镀一层与激光波长相一致的吸热薄膜，如图2所示，样品13前后表面的吸热片10利用夹具8固定，也可通过高温导热胶固定在样品13表面。
温度传感器6设置在吸热片10内部或表面；用于测量样品13前后表面上的吸热片10的温度。
磁性测量单元5用于记录并计算样品13的磁性。磁性测量单元5分别连接磁场测量探头11和磁感应强度测量线圈12，磁场测量探头11设置在样品13侧面，磁感应强度测量线圈12设置在样品13底部。
激光器1出射激光束，通过光束控制器3分成两束激光照射在样品的前后表面，用于对样品13进行加热。
功率控制器2为可调电动滤光片，其滤光效率为0.1%~100%，优选为电动滤光片转轮；光束控制器3为可调光束控制器，由反射镜和滤光片组成，通过反射的光束在1%~100%可调；温度控制器4分别和光束控制器3、功率控制器2及吸热片10连接，通过调节光束控制器3和功率控制器2照射到样品13前后表面的吸热片10上的光束比例，从而来调节吸热片10的温度。
本发明的高温测量永磁材料磁性的装置使用时，取长宽高分别为a，b和c，其中高度c的值为5mm≤c≤20mm，长和宽的值为5mm≤a≤10mm，5mm≤b ≤10mm的块状永磁体为样品13，利用冲磁机将样品13冲磁到饱和，磁化磁场为样品13高度c的1~5倍；
将两块吸热片10分别固定在样品13前后表面；
将样品13置于两个电磁铁极头7之间，样品13和两个电磁铁极头7之间放置隔热片9，调节电磁铁极头7之间的距离，利用电磁铁极头7压紧样品13；
激光器1的功率为1~100W，调节激光光束，使得两束激光照射在样品13的前后表面,利用吸热片10上的温度传感器6测得样品13前后两面的吸热片10的温度分别为T1和T2；温度传感器6的工作温度为0oC~900oC；
通过光束控制器3调节照射到样品13前后两束激光的比例，使得T1= T2，调节功率控制器2使得T1= T2= T0，T1和 T2的温度应控制在T0±2oC，等待稳定一段时间后开始测量样品13的磁性。等待时间为5min~60min, T0的温度范围为50oC≤T0≤700 oC。
电磁铁内磁化电流通过直流电流源控制。在电磁铁内通入磁化电流，使得样品13磁化到饱和状态，减小磁化电流，再改变磁化电流方向，增加磁化电流使得退磁曲线通过矫顽力（HcB）或内禀矫顽力（Hcj）点，通过磁场测量探头11测量整个过程的电磁铁的磁场强度，通过磁感应强度测量线圈12测量整个过程中样品13的磁感应强度；
通过磁性测量单元5记录并计算得到样品13在T0温度下的退磁曲线（demagnetizationcurve），最大磁能积(maximum BH product)，剩磁（Br）,矫顽力（HcB）和内禀矫顽力（Hcj）。
实施例1
以钕铁硼永磁体作为样品13，测量样品13在22oC（室温），100oC，130oC和150oC时，钕铁硼永磁体的磁性能：先将样品13切成5×5×5 mm大小的块状磁体；具体测量步骤如下：
1.利用冲磁机将样品13在9T下冲磁到饱和；
2.将两块吸热片10分别固定在样品13前后表面，利用夹具8固定，将样品13置于两个电磁铁极头7之间，调节电磁铁极头7之间的距离，利用电磁铁极头7压紧样品13；
3.优选的使用飞秒脉冲激光器，波长为800~850nm，频率为76MHz，调节激光光束，使得两束激光照射在样品13的前后表面，光斑直径为4mm，激光强度为50mW,利用吸热片10上的温度传感器6测得样品13前后两面的温度为24.5 oC和24.3oC；
4.调节光束控制器3使得样品13前后两面的温度相同，调节后样品13前后两面的温度为24.4 oC，粗调功率控制器2，使得样品13前后两面温度中逐渐接近90 oC，细调功率控制器2和光束控制器3使得样品13表面达到100 oC ，之后15min内，细调功率控制器2和光束控制器3，使得样品13上的吸热片10的温度维持在100 oC；
5．在电磁铁内通入磁化电流，使得样品13磁化到饱和状态，减小磁化电流，再改变磁化电流方向，增加磁化电流使得退磁曲线通过矫顽力（HcB）或内禀矫顽力（Hcj）点，通过磁场测量探头11测量整个过程的电磁铁的磁场强度，通过磁感应强度测量线圈12测量整个过程中样品13的磁感应强度；
6.通过磁性测量单元5记录并计算得到样品13在100 oC温度下的退磁曲线（demagnetization curve），最大磁能积(maximum BH product)，剩磁（Br）,矫顽力（HcB）和内禀矫顽力（Hcj），测得的磁性能曲线如图4所示；
7.重复步骤3~6，测量样品13在130oC和150oC条件下得磁性能，具体磁性能如图5和6所示；
8.将样品13冷却至室温，此时不加激光加热，直接测量样品13在22oC的磁性能，测量结果如图3所示。
实施例2
以钐钴永磁体为作为样品13：测量样品13在500oC时，钐钴永磁体的磁性能：先将样品13切成5×5×10mm大小的块状磁体，具体测量步骤如下：
1.利用冲磁机将样品13在7T下冲磁到饱和；
2.将两块吸热片10分别固定在样品13前后表面，利用夹具8固定，将样品13置于两个电磁铁极头7之间，调节电磁铁极头7之间的距离，利用电磁铁极头7压紧样品13；
3.优选的使用连续激光器，调节激光光束，使得两束激光照射在样品13的前后表面，光斑直径为4mm，激光强度为100mW,利用吸热片10上的温度传感器6测得样品13前后两面的温度为27 oC和32oC；
4.调节光束控制器3使得样品13前后两面的温度相同，光束控制器3由反射镜和滤光片组成，调节后样品13前后两面的温度为28.3 oC，粗调功率控制器2，使用电动滤光片转轮作为功率控制器2，使得样品13前后两面温度中逐渐接近380 oC，细调功率控制器2和光束控制器3使得样品表面达到500 oC ，之后30min内，细调功率控制器2和光束控制器3，使得样品13上的吸热片10的温度维持在500 oC；
5．在电磁铁内通入磁化电流，使得样品13磁化到饱和状态，减小磁化电流，再改变磁化电流方向，增加磁化电流使得退磁曲线通过矫顽力（HcB）或内禀矫顽力（Hcj）点，通过磁场测量探头11测量整个过程的电磁铁的磁场强度，通过磁感应强度测量线圈12测量整个过程中样品13的磁感应强度；
6.通过磁性测量单元5记录并计算得到样品13在500oC温度下的退磁曲线（demagnetization curve），最大磁能积(maximum BH product)，剩磁（Br）,矫顽力（HcB）和内禀矫顽力（Hcj），磁性能如图7所示。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种高温测量永磁材料磁性的装置，包括激光器（1）、功率控制器（2）、光束控制器（3）、温度控制器（4）、磁性测量单元（5）、温度传感器（6）、以及电磁铁极头（7），其特征在于，所述电磁铁极头（7）分上下两块，分别夹住样品（13）的上下两面，所述样品（13）前后表面分别固定有吸热片(10)；
所述温度传感器（6）设置在吸热片（10）上，用于测量吸热片（10）的温度；
所述磁性测量单元（5）分别连接磁场测量探头（11）和磁感应强度测量线圈（12），用于记录并计算样品（13）的磁性，磁场测量探头（11）设置在样品（13）侧面，磁感应强度测量线圈（12）设置在样品（13）底部；
所述激光器（1）出射激光束，通过光束控制器（3）分成两束激光照射在样品（13）的前后表面，用于对样品（13）进行加热；
所述温度控制器（4）分别和光束控制器（3）、功率控制器（2）及吸热片（10）连接，通过调节光束控制器（3）和功率控制器（2）照射到样品（13）前后表面的吸热片（10）上的光束比例，从而来调节吸热片（10）的温度；
所述吸热片（10）为耐高温导热材料，厚度为1mm至5mm，在吸热片（10）表面镀一层与激光波长相一致的吸热薄膜，所述吸热片（10）通过夹具（8）固定在样品（13）的前后表面；所述电磁铁极头（7）和样品（13）之间有隔热片（9）。
2.根据权利要求1所述的高温测量永磁材料磁性的装置，其特征在于，所述吸热片（10）通过高温导热胶固定在样品表面。
3.根据权利要求1所述的高温测量永磁材料磁性的装置，其特征在于，所述功率控制器（2）为可调电动滤光片，其滤光效率为0.1%~100%，采用电动滤光片转轮，所述光束控制器（3）为可调光束控制器，由反射镜和滤光片组成，通过反射的光束在1%~100%可调，所述温度传感器（6）的工作温度为0oC~900oC，温度传感器（6）设置在吸热片（10）的内部或表面。
4.根据权利要求1所述的高温测量永磁材料磁性的装置，其特征在于，样品（13）的长宽高分别为a，b和c，其中高度c的值为5mm≤c≤20mm，长和宽的值为5mm≤a≤10mm， 5mm≤b≤10mm。
5.一种利用如权利要求1-4任一项所述的高温测量永磁材料磁性的装置测量永磁材料磁性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将方形块状永磁样品（13）磁化到饱和状态；
步骤二：将两块吸热片（10）分别固定在样品（13）前后表面，并置于两电磁铁极头（7）之间，调节电磁铁极头（7）之间的距离，使得两电磁铁极头（7）压紧样品（13）；
步骤三：激光器（1）发射激光光束，通过功率控制器（2）和光束控制器（3），分成两束激光光束，分别照射在样品（13）前后表面的吸热片（10）之上，通过吸热片（10）上的温度传感器（6），测量并获得样品（13）前后表面的吸热片（10）温度为T1和T2；
步骤四：根据步骤3所得的吸热片（10）的温度，利用温度控制器（4），通过调节功率控制器（2）和光束控制器（3），使得吸热片（10）上的温度T1和T2逐渐接近T0，并最终使得T1= T2=T0，等待稳定一段时间后开始测量样品（13）的磁性；
步骤五：在电磁铁内通入磁化电流，使得样品（13）磁化到饱和状态，减小磁化电流，再改变磁化电流方向，增加磁化电流使得退磁曲线通过矫顽力或内禀矫顽力点，通过磁场测量探头（11）测量整个过程的电磁铁的磁场强度，通过磁感应强度测量线圈（12）测量整个过程中样品（13）的磁感应强度；
步骤六：通过磁性测量单元（5）记录并计算得到样品（13）在T0温度下的退磁曲线，最大磁能积，剩磁，矫顽力和内禀矫顽力。
6.根据权利要求5所述的测量永磁材料磁性的方法，其特征在于，步骤三所述的激光器（1）采用飞秒脉冲激光器或者连续激光器。
7.根据权利要求5所述的测量永磁材料磁性的方法，其特征在于，步骤四所述的T1和T2的温度控制应在T0±2oC，T0的温度范围为50oC≤T0≤700 oC，等待时间为15min~60min。
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