CN113466557A - 钕铁硼电阻率测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钕铁硼电阻率测量系统，包括：UPS电源、控制电脑、测试主机、探针装置，UPS电源用于给测试主机提供电源；控制电脑接收输入的测试参数，控制测试主机进行连续测量，接收输入的探针电压，根据探针电压得出钕铁硼试样的电阻率；测试主机通过导线连接UPS电源，通过信号线连接控制电脑，用于输出设定电流，测定在设定电流下的探针电压，并将探针电压通过信号线传递给控制电脑；探针装置包括四个探针，探针通过导线连接测试主机，用于接触钕铁硼试样表面。本发明还公开了一种钕铁硼电阻率测量方法。本发明能够正确评估磁体在电机中不同工况的使用状况，减少钕铁硼性能的不确定性。
Description
技术领域
本发明属于稀土永磁材料领域，具体涉及一种钕铁硼电阻率测量系统及其测量方法。
背景技术
近年来，新能源汽车等行业的兴起促进了稀土永磁电机的发展。永磁电机在工作时会在内部产生交变电场，进而引发钕铁硼金属材料本身内部的涡流效应，其产生大量的热会导致磁体升温，使磁体失磁风险增加。磁体中涡流效应的强弱与磁体电阻有直接的关系，降低钕铁硼内部的涡流效应，是有效遏制磁体升温的手段。为了能够在电机的模拟研究与实际应用中准确地分析磁体产生热量对电机性能的影响，对钕铁硼永磁体电阻的测量是很有必要的。
四探针测试技术，是用四根等间距配置的探针扎在待测材料表面上，由恒流源给外侧的两根探针提供一个适当小的电流I，然后测量出中间两根探针之间的电压V，就可以求出材料的电阻率。四探针法是广泛应用于低值电阻测量的方法，具有较高的测量精度。四探针法被广泛应用于半导体行业，且制样方便；而冶金方面所常用的电桥法，其标准样品并不适用于钕铁硼产品。
目前的四探针法测量电阻为常温测量，针对高温环境下的测试系统很少。而电机应用端对磁体的温度普遍要求在100℃～200℃之间，对于高温环境下钕铁硼磁材电阻率的测量，当前并没有很好符合该要求的测试手段。
发明内容
为解决已有测量方法制样困难，以及不能进行高温测量的缺点，本发明提出了一种钕铁硼电阻率测量系统及其常温与高温测量方法。
为达到上述目的，本发明使用的技术解决方案是：
钕铁硼电阻率测量系统，其特征在于，包括：UPS电源、控制电脑、测试主机、探针装置，其中
UPS电源，用于给测试主机提供电源；
控制电脑，接收输入的测试参数，控制测试主机进行连续测量；接收输入的探针电压，根据探针电压得出钕铁硼试样的电阻率；
测试主机，通过导线连接UPS电源，通过信号线连接控制电脑；用于输出设定电流，测定在设定电流下的探针电压，并将探针电压通过信号线传递给控制电脑；
探针装置，包括四个探针，探针通过导线连接测试主机，用于接触钕铁硼试样表面。
进一步，还包括：加热片、控温器、气氛箱、测温装置，加热片通过导线连接控温器，钕铁硼样品放置于加热片上，用于加热钕铁硼试样；控温器通过导线连接加热片，用于控制加热片的加热温度；测温装置包括测温表与热电偶，测温表通过信号线连接热电偶，热电偶的探头置于钕铁硼试样上，测温表用于显示钕铁硼试样的实时温度；气氛箱用于提供测温环境，探针装置、探针架、加热片、热电偶的探头安装在气氛箱内部，气氛箱设置有线路通孔、进气阀门以及操作口，操作口设置有用于操作探针装置的手套。
进一步，探针架用于将探针固定在气氛箱内部，探针架包括：底座、纵向杆、升降杆、横向调节板、固定端筒；纵向杆的底端固定在底座的顶部，升降杆一端设置有调节套筒，另一端设置有第一调节滑块、第二调节滑块，第一调节滑块在外侧端面纵向设置有燕尾形滑块，燕尾形滑块外端面纵向设置有定位滑块；第二调节滑块在正对燕尾形滑块的侧面纵向设置有燕尾形滑槽，燕尾形滑槽内壁面纵向设置有定位滑槽，燕尾形滑块安装在燕尾形滑槽内，定位滑块安装在定位滑槽内；第二调节滑块在侧面设置有第一螺纹孔、第二螺纹孔，第一螺纹孔连通定位滑槽并安装有第一定位螺钉，第二螺纹孔安装有第二定位螺钉；第二调节滑块在下部横向开有调节板通孔，第二螺纹孔连通调节板通孔，横向调节板套装在调节板通孔内，通过第二定位螺钉定位固定；调节套筒在外壁上设置有第三螺纹孔，第三螺纹孔设置有第三定位螺钉，调节套筒套装在纵向杆上，利用第三螺钉定位固定；固定端筒连接在横向调节板的端部，固定端筒位于第二调节滑块外侧；固定端筒顶部设置有导线固定端头，下部设置有探针固定端头；导线与探针穿过导线固定端头、固定端筒，探针伸出固定端筒下部。
进一步，UPS电源输出220V交变电压，且误差在±1％以内；测试主机提供0.1A～10A的恒定电流，测定电压范围10-5V～1V，设定电流与探针电压的误差均小于±0.5％。
进一步，探针的材料选用工具钢或者碳化钨，直径为0.5mm～0.8mm，探针的针尖压痕的线宽度小于100μm，探针之间的机械游移率＜0.3％，探针之间的绝缘电阻大于100MΩ。
进一步，加热片选用半导体加热器，温度误差不超过±1℃。
钕铁硼电阻率测量方法，包括：
在钕铁硼试样的端面加工测试区域；
选取钕铁硼试样平面中心为测量点，四根探针排列成一直线，垂直抵在钕铁硼试样的测试区域，测试主机的恒流电源给两个外侧探针通设定大小的恒流电流，测试主机的电压表测量两个内侧探针的电压，该电压作为探针电压发送给控制电脑；
控制电脑根据探针电压得出钕铁硼试样的电阻率。
优选的，根据公式
得出钕铁硼试样的电阻率，U代表内侧两个探针之间的电压，I代表测试主机给外侧两个探针输出的恒流电流。
优选的，高温测量时，把探针装置置于气氛箱中，充入氮气；把四个探针垂直压在钕铁硼试样的测试区域，打开控温器，通过加热片给钕铁硼试样加热，待钕铁硼试样达到规定温度后，调节电流到设定值，取电压平均值即为钕铁硼试样的电阻率。
优选的，将钕铁硼试样的待测面用大于500目的砂纸抛磨，制备出测试区域，测试区域的表面粗糙度小于5μm；钕铁硼试样的厚度，以及测试区域到任一个探针的距离，均大于探针之间间距的4倍。
本发明技术效果包括：
对磁体电阻率的测量，可以给电机等下游企业在选用钕铁硼材料的时候有更准确的指标，以便正确评估其在电机中不同工况的使用状况。这将为电机企业应用带来极大的便利，减少钕铁硼性能的不确定性，让厂家可以有根据地在合适的成本下选择适宜的磁体，进而推动行业上下游的健康发展。
本发明涉及的测试系统可以适用于试样厚度和从试样边缘与任一探针端点的最近距离二者均大于探针间距的4倍的任意形状的钕铁硼磁体的电阻率的测量，易于制样且测量便捷。此外本发明中高温测量可以测量钕铁硼磁体室温到200℃的电阻率，适宜于永磁电机对磁体的要求。
附图说明
图1是本发明中钕铁硼电阻率测量系统的结构原理图；
图2是本发明中探针架的结构示意图；
图3是本发明中第一调节滑块、第二调节滑块的横向剖面图。
图4是本发明中钕铁硼电阻率测量方法的示意图。
具体实施方式
以下描述充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践和再现。
由于钕铁硼是导体，属于低值电阻材料，因此十分适合使用四探针方法测量其电阻率。
如图1所示，是本发明中钕铁硼电阻率测量系统的结构原理图。
钕铁硼电阻率测量系统的结构包括：UPS电源、控制电脑、测试主机、探针装置、加热片、控温器、测温装置、气氛箱。
UPS电源，用于提供电源，对外输出220V交变电压，且误差在±1％以内。
控制电脑，通过导线连接UPS电源，用于运行安装的测试软件以及数据处理软件；测试软件接收控制电脑输入的测试参数，控制测试主机进行连续测量；数据处理软件接收输入的测量数据(探针电压)，根据探针电压得出钕铁硼试样的电阻率。
测试主机，通过导线连接UPS电源，通过信号线连接控制电脑；用于输出设定电流(提供0.1A～10A的设定电流)，测定在设定电流下的探针电压(电压范围10-5V～1V)，并将探针电压通过信号线传递给控制电脑，设定电流与探针电压的误差均需小于±0.5％。
探针装置包括：探针架、探针。
探针架，放置在气氛箱内，用于支撑探针，探针架能够提供5N～16N的支撑力，且能保证探针与钕铁硼试样接触的位量重复在探针间距的±0.5％以内。
如图2所示，是本发明中探针架的结构示意图；如图3所示，是本发明中第一调节滑块232、第二调节滑块233的横向剖面图。
探针架包括：底座21、纵向杆22、升降杆23、横向调节板24、固定端筒25。
纵向杆22的底端固定在底座21的顶部，升降杆23一端设置有调节套筒231，另一端设置有第一调节滑块232、第二调节滑块233，第一调节滑块232在外侧端面纵向设置有燕尾形滑块234，燕尾形滑块234外端面纵向设置有定位滑块235；第二调节滑块233在正对燕尾形滑块234的侧面纵向设置有燕尾形滑槽，燕尾形滑槽内壁面纵向设置有定位滑槽，燕尾形滑块234安装在燕尾形滑槽内，定位滑块235安装在定位滑槽内；第二调节滑块233在侧面设置有第一螺纹孔、第二螺纹孔，第一螺纹孔连通定位滑槽并安装有第一定位螺钉236，第二螺纹孔安装有第二定位螺钉237；第一调节滑块232、第二调节滑块233纵向相对滑动时，通过第一定位螺钉236定位固定。第二调节滑块233在下部横向开有调节板通孔，第二螺纹孔连通调节板通孔，横向调节板24套装在调节板通孔内，通过第二定位螺钉237定位固定。
调节套筒231在外壁上设置有第三螺纹孔，第三螺纹孔设置有第三定位螺钉238，调节套筒231套装在纵向杆22上，利用第三螺钉238定位固定。
四个固定端筒25连接在横向调节板24上，排列成直线，固定端筒25位于第二调节滑块233外侧；固定端筒25顶部设置有导线固定端头251，下部设置有探针固定端头252。将导线与探针连接后，打开导线固定端头251、探针固定端头252，将导线与探针穿过导线固定端头251、固定端筒25，探针伸出固定端筒25下部，将导线固定端头251连接固定在固定端筒25顶端，将探针穿过探针固定端头252，将探针固定端头252连接固定在固定端筒25底端，实现导线和探针的固定。
探针，四根探针成直线排列，通过导线连接测试主机，底端接触钕铁硼试样表面；探针用工具钢、碳化钨等材料制成，直径0.5mm～0.8mm左右，探针的针尖压痕的线宽度必须小于100μm，探针之间的机械游移率＜0.3％，探针间的绝缘电阻大于100MΩ。
加热片，通过导线连接控温器，钕铁硼样品放置于其上，用于加热钕铁硼试样；加热片选用半导体加热器。
控温器，通过导线连接加热片，用于控制加热片的加热温度，可以连续长时间保持加热片200℃以上的正常工作，且温度误差不超过±1℃，通过外接电源供电。
测温装置，包括：测温表与热电偶，测温表通过信号线连接热电偶，将热电偶的探头置于钕铁硼试样上，测温表用于显示钕铁硼试样的实时温度。
气氛箱，用于提供测温环境，探针、探针架、加热片、热电偶的探头完全置于其内部，且设置有线路通孔、进气阀门以及操作口，操作口设置有用于操作探针装置的手套。
如图4所示，是本发明中钕铁硼电阻率测量方法的示意图。
钕铁硼电阻率测量方法，能够测量钕铁硼试样在不同温度下磁体的电阻率，具体步骤如下：
步骤1：加工钕铁硼试样的端面作为测试区域；
将钕铁硼试样的待测面用大于500目的砂纸抛磨(或者等效的方式)制备出测试区域，保证测试区域无机械损伤，无玷污物，表面粗糙度达到5μm以下。
钕铁硼试样的厚度，以及测试区域到任一个探针的距离，均大于探针之间间距的4倍。
步骤2：选取钕铁硼试样平面中心为测量点，四根探针排列成一直线穿过测量点，垂直抵在钕铁硼试样的测试区域，测试主机的恒流电源给两个外侧探针通设定大小的恒流电流，测试主机的电压表测量两个内侧探针的电压，该电压作为探针电压发送给控制电脑；
步骤3：控制电脑根据收到的探针电压得出钕铁硼试样的电阻率。
四个探针附近的钕铁硼试样的电阻率ρ，可用公式(1)和(2)计算。
U代表内侧两个探针之间的电压，I代表测试主机给外侧两个探针通设定大小的恒流电流，l是探针系数。
式中：
l1——探针1、探针2之间的距离，单位为厘米(cm)；
l2——探针2、探针3间的距离，单位为厘米(cm)；
l3——探针3、探针4间的距离，单位为厘米(cm)。
(1)、常温测量时，把探针垂直压在钕铁硼试样的测试区域，调节电流到设定大小的恒流电流。
通过试样的电流大小根据探针间距的选取而不同，按照公式(1)与(2)计算选取电流值为2πl。测试仪器分别给探针1、探针4施加数值相同的正负方向的两个电流，测量探针2与探针3之间的电压，得到正负两个方向的电压值，将其绝对值相加除以2得到电压的平均值读作钕铁硼试样的电阻率值。
(2)高温测量时，把探针装置置于气氛箱中，给气氛箱充入氮气。把探针垂直压在钕铁硼试样的测试区域，打开控温器，通过加热片给钕铁硼试样加热，待钕铁硼试样达到规定温度±1℃后，保持五分钟以上。
通过探针架将探针垂直压在钕铁硼试样的测试区域的步骤如下：
调整调节套筒231的高度，利用第三定位螺钉238定位，将加热片放置在底座21上，将钕铁硼试样放置在加热片上，连接加热片、探针、热电偶的导线从线路通孔穿出；
松开第二定位螺钉237，调节横向调节板24的位置，将四个探头(探头1、探头2、探头3、探头4)正对钕铁硼试样的测试区域，旋紧第二定位螺钉237固定位置；
松开第一定位螺钉236，调节第一调节滑块232、第二调节滑块233纵向相对位置，使四个探头压在测试区域，旋紧第一定位螺钉236。
调节电流到设定大小的恒流电流，通过钕铁硼试样的电流大小根据探针间距的选取而不同，按照公式(1)与(2)计算选取电流值为2πl。测试仪器分别给探针1、探针4施加数值相同的正负方向的电流，测量探针2与探针3之间的电压，得到正负两个方向的电压值，将其绝对值相加除以2得到电压的平均值读作试样的电阻率值。
实施例1：
按照本发明所述方法测量SH牌号钕铁硼试样的室温电阻率。
选取SH牌号钕铁硼试样的面积尺寸为20mm*20mm，厚度分别为5，6，7，8，9和10mm。
钕铁硼试样待测面用180与500目的砂纸抛磨后，得到的平面无机械损伤，无玷污物，表面粗糙度达到5μm以下。
选取钕铁硼试样平面中心为测量点。
把探针垂直压在钕铁硼试样表面平坦区域上，调节电流到规定值。探针间距为1mm，按照公式(1)与(2)计算其系数为6.28，故调节电流至6.28A。取正、反方向的电压平均值即为试样电阻率值,见表1.
表1
| 厚度/mm | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 电阻率/μΩ.cm | 141.94 | 143.02 | 142.85 | 142.79 | 141.84 | 139.98 |
实施例2：
按照本发明所述方法测量UH牌号钕铁硼试样的室温电阻率。
选取UH牌号钕铁硼试样的面积尺寸为20mm*20mm，厚度分别为5，6，7，8，9和10mm。
钕铁硼试样待测面用180与500目的砂纸抛磨后，得到的平面无机械损伤，无玷污物，表面粗糙度达到5μm以下。
选取钕铁硼试样平面中心为测量点。
把探针垂直压在钕铁硼试样表面平坦区域上，调节电流到规定值。探针间距为1mm，按照公式(1)与(2)计算其系数为6.28，故调节电流至6.28A。取正、反方向的电压平均值即为试样电阻率值，见表2。
表2
| 厚度/mm | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 电阻率/μΩ.cm | 145.75 | 146.38 | 146.57 | 145.17 | 146.09 | 144.86 |
实例3：
按照本发明所述方法测量SH牌号钕铁硼试样室温到200℃的电阻率。
选取SH牌号钕铁硼试样的尺寸为20mm*20mm，厚度为6mm。
钕铁硼试样待测面用180与500目的砂纸抛磨后，得到的平面无机械损伤，无玷污物，表面粗糙度达到5μm以下。
选取钕铁硼试样平面中心为测量点。
把探针装置置于气氛箱中，充入氮气。把探针垂直压在钕铁硼试样表面平坦区域上。探针间距为1mm，按照公式(1)与(2)计算其系数为6.28，故调节电流至6.28A。取正、反方向的电压平均值即为试样室温电阻率值。打开高温控制器，待试样分别达到50℃、80℃、110℃、140℃、170℃与200℃时，保持五分钟以上。调节电流至6.28A，取正、反方向的电压平均值即为试样室温电阻率值，见表3。
表3
| 温度/℃ | 室温 | 50 | 80 | 110 | 140 | 170 | 200 |
| 电阻率/μΩ.cm | 146.89 | 148.44 | 150.37 | 152.12 | 158.19 | 160.11 | 159.85 |
本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种钕铁硼电阻率测量系统，其特征在于，包括：UPS电源、控制电脑、测试主机、探针装置，其中
UPS电源，用于给测试主机提供电源；
控制电脑，接收输入的测试参数，控制测试主机进行连续测量；接收输入的探针电压，根据探针电压得出钕铁硼试样的电阻率；
测试主机，通过导线连接UPS电源，通过信号线连接控制电脑；用于输出设定电流，测定在设定电流下的探针电压，并将探针电压通过信号线传递给控制电脑；
探针装置，包括四个探针，探针通过导线连接测试主机，用于接触钕铁硼试样表面。
2.如权利要求1所述的钕铁硼电阻率测量系统，其特征在于，还包括：加热片、控温器、气氛箱、测温装置，加热片通过导线连接控温器，钕铁硼样品放置于加热片上，用于加热钕铁硼试样；控温器通过导线连接加热片，用于控制加热片的加热温度；测温装置包括测温表与热电偶，测温表通过信号线连接热电偶，热电偶的探头置于钕铁硼试样上，测温表用于显示钕铁硼试样的实时温度；气氛箱用于提供测温环境，探针装置、探针架、加热片、热电偶的探头安装在气氛箱内部，气氛箱设置有线路通孔、进气阀门以及操作口，操作口设置有用于操作探针装置的手套。
3.如权利要求2所述的钕铁硼电阻率测量系统，其特征在于，探针架用于将探针固定在气氛箱内部，探针架包括：底座、纵向杆、升降杆、横向调节板、固定端筒；纵向杆的底端固定在底座的顶部，升降杆一端设置有调节套筒，另一端设置有第一调节滑块、第二调节滑块，第一调节滑块在外侧端面纵向设置有燕尾形滑块，燕尾形滑块外端面纵向设置有定位滑块；第二调节滑块在正对燕尾形滑块的侧面纵向设置有燕尾形滑槽，燕尾形滑槽内壁面纵向设置有定位滑槽，燕尾形滑块安装在燕尾形滑槽内，定位滑块安装在定位滑槽内；第二调节滑块在侧面设置有第一螺纹孔、第二螺纹孔，第一螺纹孔连通定位滑槽并安装有第一定位螺钉，第二螺纹孔安装有第二定位螺钉；第二调节滑块在下部横向开有调节板通孔，第二螺纹孔连通调节板通孔，横向调节板套装在调节板通孔内，通过第二定位螺钉定位固定；调节套筒在外壁上设置有第三螺纹孔，第三螺纹孔设置有第三定位螺钉，调节套筒套装在纵向杆上，利用第三螺钉定位固定；固定端筒连接在横向调节板的端部，固定端筒位于第二调节滑块外侧；固定端筒顶部设置有导线固定端头，下部设置有探针固定端头；导线与探针穿过导线固定端头、固定端筒，探针伸出固定端筒下部。
4.如权利要求1所述的钕铁硼电阻率测量系统，其特征在于，UPS电源输出220V交变电压，且误差在±1％以内；测试主机提供0.1A～10A的恒定电流，测定电压范围10-5V～1V，设定电流与探针电压的误差均小于±0.5％。
5.如权利要求1所述的钕铁硼电阻率测量系统，其特征在于，探针的材料选用工具钢或者碳化钨，直径为0.5mm～0.8mm，探针的针尖压痕的线宽度小于100μm，探针之间的机械游移率＜0.3％，探针之间的绝缘电阻大于100MΩ。
6.如权利要求2所述的钕铁硼电阻率测量系统，其特征在于，加热片选用半导体加热器，温度误差不超过±1℃。
7.使用权利要求1～6任一项所述钕铁硼电阻率测量系统的钕铁硼电阻率测量方法，包括：
在钕铁硼试样的端面加工测试区域；
选取钕铁硼试样平面中心为测量点，四根探针排列成一直线，垂直抵在钕铁硼试样的测试区域，测试主机的恒流电源给两个外侧探针通设定大小的恒流电流，测试主机的电压表测量两个内侧探针的电压，该电压作为探针电压发送给控制电脑；
控制电脑根据探针电压得出钕铁硼试样的电阻率。
8.如权利要求7所述的钕铁硼电阻率测量方法，其特征在于，根据公式
得出钕铁硼试样的电阻率，U代表内侧两个探针之间的电压，I代表测试主机给外侧两个探针输出的恒流电流。
9.如权利要求7所述的钕铁硼电阻率测量方法，其特征在于，高温测量时，把探针装置置于气氛箱中，充入氮气；把四个探针垂直压在钕铁硼试样的测试区域，打开控温器，通过加热片给钕铁硼试样加热，待钕铁硼试样达到规定温度后，调节电流到设定值，取电压平均值即为钕铁硼试样的电阻率。
10.如权利要求7所述的钕铁硼电阻率测量方法，其特征在于，将钕铁硼试样的待测面用大于500目的砂纸抛磨，制备出测试区域，测试区域的表面粗糙度小于5μm；钕铁硼试样的厚度，以及测试区域到任一个探针的距离，均大于探针之间间距的4倍。
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