磁通計法測量坡莫合金磁性能研究

汪迪坤,韓和兵,李曉馬,王楨楠

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

坡莫合金是一種在較弱的磁場下有較高的磁導率的鐵鎳合金，一般應(yīng)用在音頻變壓器、互感器、磁放大器、磁調(diào)制器、扼流器、音頻磁頭等方面。坡莫合金在弱磁場下有較高的磁導率，且其磁導率變化范圍大，正是由于坡莫合金的這些特點，采用磁通計法測試坡莫合金的軟磁性能，可能會受到環(huán)境、測試條件等影響，造成測試結(jié)果重復性差、測試數(shù)據(jù)波動大、測得的磁滯回線對稱性很差等[2]。因此，目前國內(nèi)各個坡莫合金生產(chǎn)廠家都是利用沖擊法[3]來測試坡莫合金的軟磁性能。沖擊法在測試過程中需要校準檢流計系數(shù)，每次測試只能得到一個數(shù)據(jù)點，要想得到完整的磁化曲線數(shù)據(jù)測試工作，所消耗的時間極長。

本文利用軟磁直流磁滯回線綜合測量儀，研究了磁通計法測試坡莫合金過程中產(chǎn)生的磁滯回線上下不對稱的主要原因。設(shè)備自帶的退磁功能在坡莫合金的標準測試條件下所輸出的磁化電流產(chǎn)生的磁場過大，退磁過程中造成坡莫合金磁化，坡莫合金被磁化后存在剩磁，進而造成了所測得的磁滯回線不對稱。因此，提出了在測試過程中改變對樣品退磁的方法，即采用減小退磁時線圈的匝數(shù)，進而降低最小退磁磁化場強的方式進行退磁。采用最小磁化場強退磁法(即減少退磁線圈匝數(shù)的方法)、常規(guī)退磁法(未減少線圈匝數(shù)的退磁方法)進行退磁，然后測試同一試樣的磁性能數(shù)據(jù)，與標準可靠的沖擊法測試的磁性能數(shù)據(jù)對比分析，探討適合于坡莫合金測試前的退磁處理。

1 磁通法測試原理

采用磁通計法測試軟磁材料直流性能時，測試線圈連接示意圖如圖1所示[4]。

圖1 磁性能測試試樣接線圖

在進行直流磁性能測試前，先通過設(shè)備控制電源從N1端輸入逐步降低的正反相互交替的退磁磁化電流，對測試的環(huán)形試樣進行退磁，退磁時電源端輸入試樣N1端的退磁電流[5]如圖2所示。

圖2 退磁時設(shè)備輸出磁化電流示意圖

由于磁通器可以對線圈N2中產(chǎn)生的電流進行連續(xù)積分，進而計算出通過線圈N2的磁通量并記錄，因此可以利用磁通計完整記錄磁性材料在整個逐步磁化過程中的磁通量變化過程，然后將整個過程的磁通量數(shù)值與磁化過程中磁化線圈N1所提供的磁化場強大小逐一對應(yīng)，進而可以通過一次測試便可以完整記錄下軟磁材料的磁化曲線。但是在磁通計測試磁通量的過程中，磁通具有方向性且磁性材料存在剩磁，因此經(jīng)常造成采用磁通計法測試軟磁材料的磁滯回線時，經(jīng)常會出現(xiàn)剩磁場與某個方向的感應(yīng)磁場疊加，最終造成磁滯回線兩個磁化方向的磁通密度大小不等且相差較大的現(xiàn)象，此現(xiàn)象顯然不是材料的磁性能各向異性造成的。為此，磁性能設(shè)備制造商在磁性能測試設(shè)備的軟件層面都加入了磁滯回線的對稱性評估與校正功能，使得設(shè)備最終測試得到的磁滯回線能夠關(guān)于原點對稱，使用此功能的前提條件是所測試的磁性材料在環(huán)形樣品的兩個磁化方向上磁性能無差異。但是在測量初始磁化曲線時，設(shè)備所帶的校正軟件由于無法記錄兩個方向的磁通量大小，進而無法對初始磁化曲線進行校正。此時剩磁就會與磁通計所測得的磁通量疊加，且剩磁的大小取決于上一次磁化的程度，最終造成磁通計所記錄下的磁通量是一個無法確定且無法修正的相對增量，而不是測試所需要的絕對量。這會造成最終所測得的初始磁化曲線無法準確反映坡莫合金的真實的軟磁性能，通過初始磁化曲線計算得到的初始磁導率、最大磁導率都有很大的偏差。因此，對于不同的軟磁材料，需要采取合適的方法進行退磁，只有完全退磁的試樣，采用磁通計法所測得的初始磁化曲線才能反映材料的真實軟磁特性。采用磁通計法測試軟磁材料的初始磁化曲線前，一定要確認其已完全退磁。由于坡莫合金或超坡莫合金的退磁場強非常小，普通磁滯回線測試設(shè)備無法滿足其退磁要求，故無法測得其真實磁化曲線。

2 實際測試時磁化場強理論計算與分析

磁性能測試設(shè)備自帶的退磁系統(tǒng)在退磁時所能提供最小的退磁電流，取決于初始設(shè)置值與設(shè)備的最小電流輸出，退磁電流的設(shè)置值只能高出設(shè)備的最小電流輸出，否則最小退磁電流即為設(shè)備的最小輸出電流。所有生產(chǎn)磁性能測試設(shè)備的廠家都會對磁化電流的最大值與最小值進行限制，所以實際使用的設(shè)備都會有最大輸出電流與最小輸出電流兩個參數(shù)指標，但大多數(shù)設(shè)備的各個性能參數(shù)中都不會列出最小輸出電流這個指標。本文以從瑪格力磁公司采購的永磁/軟磁直流磁滯回線綜合測量儀為測試設(shè)備，通過其測試數(shù)據(jù)計算出此設(shè)備的磁化電源的最小磁化輸出電流約為5 mA，設(shè)備的最大磁化輸出電流為7 A，坡莫合金試樣外徑30 mm、內(nèi)徑24 mm，計算坡莫合金在兩種不同匝數(shù)磁化線圈下的最小退磁場強。依據(jù)標準要求，坡莫合金的飽和磁感應(yīng)強度Bs一般為800 A/m。

磁化場強、磁化電流、磁路長度與磁化線圈匝數(shù)的關(guān)系式如下：

HL=NI

當磁路長度為84.82 mm，磁化場強為800 A/m，磁化電流為7 A時，計算得到初級磁化線圈N1不小于10匝。

當磁路長度為84.82 mm，磁化線圈N1為10匝，設(shè)備的最小輸出電流為5 mA時，計算得到設(shè)備在退磁過程中最小退磁時的磁化場強為0.59 A/m。

對于坡莫合金及超坡莫合金，最大磁導率下的磁化場強H一般都在0.5～1.5 A/m，在此場強范圍內(nèi)，坡莫合金磁導率約為40 000，在此磁化場強下樣品磁化后的磁通密度約為0.05 T，即使在最小退磁電流時，坡莫合金仍處于磁化狀態(tài)，顯然會造成坡莫合金在測試前存在剩磁。因此，采用最小磁化輸出電流約5 mA的設(shè)備對坡莫合金退磁后，因退磁不完全、存在剩磁而造成磁滯回線不對稱，最終測得的初始磁化曲線也不準確。

3 驗證實驗設(shè)計

為了驗證采用磁通計法測得坡莫合金的磁滯回線不對稱的主要原因，是磁性能設(shè)備在退磁時最小退磁場強過大，造成了坡莫合金部分磁化存在剩磁引起的。坡莫合金磁性能進行測量前，先減少初級磁化線圈至1匝，對樣品進行退磁處理，如此可以將退磁時的最小退磁磁化場強降低到最小值0.06 A/m，然后測試時接入20匝的線圈，測試坡莫合金軟磁性能時跳過退磁步驟。將測得的最大磁導率μm與沖擊法測得的主要參數(shù)對比，若各個磁性能參數(shù)與沖擊法測得的各個軟磁性能參數(shù)有較好的一致性，就可以證明坡莫合金的磁滯回線不對稱的主要原因是其測試前未完全退磁。

4 實驗過程

本文對三個不同批次(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組)的坡莫合金分別進行了如下的處理：采用20匝線圈進行正常磁性能測試退磁法，即普通退磁法；減少初級磁化線圈至1匝，對樣品進行退磁處理后測試坡莫合金的初始磁化曲線與磁滯回線，即最小磁化場強退磁法。采用普通退磁法、最小磁化場強退磁法測得三個不同批次的坡莫合金的磁滯回線，分別如圖3、圖4所示。

圖3 普通退磁后磁滯回線

圖4 最小磁化場強退磁后磁滯回線

由圖3、圖4的測試數(shù)據(jù)對比分析出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個批次坡莫合金的磁滯回線不對稱度，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 磁滯回線不對稱度對比表

磁滯回線的不對稱性可以通過設(shè)備自帶的校準功能進行校正，因此由磁滯回線不對稱引起的測量錯誤會被系統(tǒng)糾正，如飽和磁感應(yīng)強度Bs、剩磁Br、矯頑力Hc等，對這些參數(shù)的測試系統(tǒng)基本不會出現(xiàn)太大的偏差。而測試初始磁化曲線時設(shè)備無法進行校準，與此相關(guān)的初始磁導率μ0、最大磁導率μm在退磁不完全時所測得的數(shù)據(jù)便會千差萬別。在兩種退磁方式下，分別測試了三個批次坡莫合金的初始磁化曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 普通退磁后初始磁化曲線

圖6 最小磁化場強退磁后初始磁化曲線

由圖5可以看出，普通退磁后測試得到的初始磁化曲線高低不一，通過此曲線可以計算出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個不同批次材料的最大磁導率μm分別為192 mH/m、140 mH/m、171 mH/m。三個批次的初始磁化曲線中磁感應(yīng)強度的大小與磁滯回線上半部磁感應(yīng)強度的大小有較大差異，這主要是因為在每次測量前設(shè)備都需要對樣環(huán)進行退磁，最小退磁場強不一致，故而剩磁大小不同。從圖6可以看出，經(jīng)過最小磁化場強退磁后的初始磁化曲線相近，不同批次的材料稍有差異，但初始磁化曲線基本都能與其磁滯回線的上半部的高度相對應(yīng)。因此，經(jīng)過最小磁化場強退磁處理后再測試坡莫合金磁化曲線時數(shù)據(jù)可靠，且重復性高。從其初始磁化曲線的測試數(shù)據(jù)中經(jīng)過計算可以得到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個不同批次材料的最大磁導率μm分別為322 mH/m、381 mH/m、208 mH/m。為了判斷數(shù)據(jù)的準確性，我們利用沖擊法分別測出了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的最大磁導率μm為326 mH/m、383 mH/m、206 mH/m。以沖擊法測得的最大磁導率作為基準，分別對比采用普通退磁法與最小磁化場強退磁法測得的最大磁導率數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 普通退磁、最小磁化場強退磁與沖擊法測試的最大磁導率對比表

從表2可以看到，采用最小磁化場強退磁法得到的最大磁導率數(shù)據(jù)與沖擊法得到的最大磁導率數(shù)據(jù)只存在1%左右的差異；而直接利用多匝線圈普通退磁法得到最大磁導率與基準法測得的數(shù)據(jù)的差異無法接受，直接判斷為錯誤的測量結(jié)果。

由此驗證了造成磁通計法測試坡莫合金磁滯回線不對稱的主要原因是，常規(guī)測試時制作的測試線圈無法完成坡莫合金的完全退磁。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合坡莫合金軟磁性能的特點，通過磁性能測試過程中的理論計算，對利用磁通計測試得到的坡莫合金磁滯回線的不對稱性作出了原因分析，并結(jié)合現(xiàn)有的磁性能測試設(shè)備進行測試實驗，證實了造成坡莫合金磁滯回線不對稱的主要原因是在磁性能測試前坡莫合金沒有完全退磁。

在采用磁通計法測試坡莫合金磁性能前一定要保證軟磁合金完全退磁，否則測得的磁導率等數(shù)據(jù)不可信，在繞制多匝線圈時退磁最小場強過大的情況下，可以用減小磁化線圈匝數(shù)的方法，來降低最小退磁場。

采用磁通計法測試磁性能個性同向的坡莫合金磁性能時，可以利用其磁滯回線的不對稱度來判斷其是否退磁完全，只有磁滯回線對稱性較好時，才能采用磁通計法測出可信的坡莫合金磁導率、初始磁化曲線等數(shù)據(jù)。