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文檔簡介
1、實驗C 磁化曲線和磁滯回線測量 磁性材料應用廣泛,揚聲器永久磁鐵、變壓器鐵芯、計算機磁盤等都采用磁性材料。鐵磁材料分為硬磁和軟磁兩大類。硬磁材料的剩磁Br和矯頑力Hc大(102 2´104 A/m),可做永久磁鐵。軟磁材料的剩磁Br和矯頑力Hc小(102 A/m以下),容易磁化和去磁,廣泛用于電機和儀表制造業(yè)。磁化曲線和磁滯回線是磁材料的重要特性,是變壓器等設備設計的重要依據。磁滯回線測量可分靜態(tài)法和動態(tài)法。靜態(tài)法是用直流來磁化材料,得到的BH曲線稱為靜態(tài)磁滯回線。動態(tài)法是用交變來磁化材料,得到的BH曲線稱為動態(tài)磁滯回線。靜態(tài)磁滯回線只與磁化磁場的大小有關,磁樣品中只有磁滯損耗;而動
2、態(tài)磁滯回線不僅與磁化磁場的大小有關,還與磁化場的頻率有關,磁樣品中不僅有磁滯損耗,還有渦流損耗。因此,同一磁材料在相同大小磁化場下,動態(tài)磁滯回線的面積比靜態(tài)磁滯回線大,損耗大。本實驗采用動態(tài)法測量軟磁樣品的動態(tài)磁滯回線和磁化曲線,測量曲線可連續(xù)或逐點顯示在LCD(液晶)屏上,直觀、簡便、物理過程清晰?!緦嶒災康摹?.了解磁滯回線和磁化曲線概念,加深對磁材料矯頑力、剩磁等參數的理解。2.掌握磁材料磁化曲線和磁滯回線的測量方法,確定Bs、Br和Hc等參數。3.探討勵磁電流頻率對動態(tài)磁滯回線的影響?!绢A備問題】1.為什么測磁化曲線先要退磁?2.為什么測量磁化曲線要進行磁鍛煉?3.為什么動態(tài)磁滯回線的
3、面積比靜態(tài)磁滯回線大,損耗大?補充資料:P2頁由于鐵磁材料磁化過程的不可逆性及具有剩磁的特點,在測定磁化曲線和磁滯回線時,首先必須對鐵磁材料預先進行退磁,以保證外加磁場H0時,B0;其次,磁化電流在實驗過程中只允許單調增加或減小,不可時增時減。退磁方法,從理論上分析,要消除剩磁B,只要通一反向電流,使外加磁場正好等于鐵磁材料的矯頑磁力就行了,實際上,矯頑磁力的大小通常并不知道,因此無法確定退磁電流的大小。我們從磁滯回線得到啟示,如果使鐵磁材料磁化達到飽和,然后不斷改變磁化電流的方向,與此同時逐漸減小磁化電流,以至于零。那么該材料磁化過程是一連串逐漸縮小而最終趨向原點的環(huán)狀曲線,如圖1所示,當H
4、減小到零時,B亦同時降到零,達到完全退磁??梢?,在進行測量時,一般要先退磁,再進行“磁鍛煉”,然后進行正式測量。P2頁 為了穩(wěn)定閉合的磁滯回線,磁材料的每個磁化狀態(tài)都要反復磁化,這種反復磁化的過程稱為磁鍛煉。由于動態(tài)法測量磁化曲線采用交變電流,每個磁化狀態(tài)都經過充分反復磁化的過程的磁鍛煉,才可得到穩(wěn)定閉合的磁滯回線。P1頁 靜態(tài)的磁滯回線所包圍的面積大小與磁滯損耗成正比,而實驗中用交流磁化所得的回線包圍的面積,不僅包括磁滯損耗,而且還包括渦流損耗,因此,動態(tài)的回線一般比靜態(tài)的要大一些。圖1初始磁化曲線【實驗儀器】FC10-II型智能磁滯回線實驗儀?!緦嶒炘怼?.鐵磁材料的磁化規(guī)律 (1) 初
5、始磁化曲線 圖2 磁滯回線在強度為H的磁場中放入鐵磁物質,則鐵磁物質被磁化,其磁感應強度B與H的關系為:B = m H,m為磁導率。對于鐵磁物質,不是常數,而是H的函數。如圖1所示,當鐵磁材料從H=0開始磁化時,B隨H逐步增大,當H增加到Hs時,B趨于飽和值Bs,Hs稱為飽和磁場強度。從未磁化到飽和磁化的這段磁化曲線OS,稱為初始磁化曲線。(2) 磁滯回線 如圖2所示,當磁材料達到飽和磁化Bs后,如果將H減小,B也減小,但沿與OS不同的路徑ab返回。當H=0時,B=Br,到達b點,Br稱為剩磁。欲使B=0,必須加反向磁場,當H=-Hc,B=0(完全退磁),到達c點,bc段曲線稱為退磁曲線,Hc
6、稱為矯頑力。如果反向磁場繼續(xù)增大,磁性材料將反向磁化。當H=-HS時,磁化達到反向飽和,B=-Bs,到達d點。此后若減小反向磁場使H=0,則B= -Br,到達e點;當H=Hc時,B=0,到達f點;再次當H=Hs時,B=Bs,回到正向飽和狀態(tài)a點。經歷這樣一個循環(huán)后形成的閉合曲線abcdefa稱為磁滯回線。圖3 磁滯回線簇HS、BS、Br、Hc是磁滯回線的特征參數。剩磁r反映介質記憶能力的大小,矯頑力Hc反映鐵磁材料是硬磁還是軟磁。磁性材料的磁化特性不僅與材料自身的性質有關,還與材料形狀、磁化場頻率及波形有關。 圖4 退磁過程由于磁材料磁化過程的不可逆性及具有剩磁的特點,在實驗過程中磁化電流只允
7、許單調地增加或減少,不能時增時減。當從初始狀態(tài)H =0、B =0開始周期性地改變H的大小和方向時,可以得到面積由大到小的磁滯回線簇,如圖3所示。圖3的原點0和各磁滯回線的頂點a1,a2,a3,,a所連成的曲線,就是初始磁化曲線。在測定初始磁化曲線時,首先必須將磁材料充分退磁,以保證每次都是從原始狀態(tài)(H =0,B =0)開始。退磁方法為:先用大磁化電流讓鐵磁材料飽和磁化,然后緩慢減小交變電流,利用逐漸衰減的交變電流對磁材料反復磁化,最后將電流調為零,重復23次即可完全退磁。退磁回線是一串面積逐漸縮小而最終趨于原點0的環(huán)狀曲線,如圖4所示。為了得到穩(wěn)定閉合的磁滯回線,磁材料的每個磁化狀態(tài)都要反復
8、磁化,這種反復磁化的過程稱為磁鍛煉。由于動態(tài)法測量磁化曲線采用交變電流,每個狀態(tài)都經過充分的磁鍛煉,所以可隨時測得穩(wěn)定閉合的磁滯回線。2.實驗原理 圖5 測量原理 如圖5所示,待測樣品為磁環(huán),磁環(huán)的勵磁線圈匝數為N1,測量磁環(huán)磁感應強度B的測量線圈匝數為N2。R1為勵磁電流的取樣電阻,R2為積分電阻,C為積分電容。在線圈N1中通入磁化電流I1,根據安培環(huán)路定律,磁環(huán)中產生的磁場H為: (1)式中L為磁環(huán)樣品的平均磁路長度。取樣電阻R1的輸出電壓為: (2)由式(1)和式(2)得: (3)在式(3)中,N1、L、R1為已知常數,只要測出UH,就得到磁場強度H。設磁場H在磁環(huán)樣品中產生的磁感應強度
9、為B,由電磁感應原理可知,有效橫截面積為S2的測量線圈的磁通量=BN2S2,測量線圈產生的感生電勢為: (4)為了測量B,用R2C電路對感生電勢E2進行積分,選擇R2和C的數值使R2>>1/wC,w為勵磁電流的圓頻率( 即角頻率2f ),則E2 » I2 R2,積分電容C的輸出電壓UB為: (5)由式(5)得: (6) 式(6)中,N2、C、S、R2為已知常數,只要測出UB,就得到磁場感應強度B。【實驗內容與步驟】圖6是FC10-II型智能磁滯回線實驗儀,包括樣品測試箱(有紅色和藍色兩個磁環(huán)樣品)和LCD智能測試儀兩個部分,LCD顯示屏可代替示波器直接顯示測量曲線和剩磁、
10、矯頑力等數據,實驗數據及輸入參數可保存和隨時調用。其詳細使用方法見附錄1。1.選擇測試箱的磁樣品(紅色或藍色磁環(huán))。紅色磁環(huán)為軟磁材料,藍色磁環(huán)為硬磁材料,它們的幾何參數相同:截面S=124mm2,平均磁路長度L=130mm,N1 =N2 =100匝。5. 5R1R2CN1N2LS圖6 FC10-II 型智能磁滯回線試驗儀 按圖6連線:將測試箱信號源的輸出端連到磁樣品的勵磁線圈輸入端,將磁樣品測量線圈的輸出端連到RC積分電路的輸入端,將測試箱UH和UB的輸出端分別接到LCD智能測試儀的UH (X)和UB (Y)的輸入端,并將它們的接地端相連。2.選取測試箱元件參數。取樣電阻R1=5.5 W,積
11、分電阻R2=30KW,積分電容C = 3.0mF,保證R2>>1/wC。注意:R2不能小于10 KW,C不能小于1.0mF,否則磁滯回線會畸變。3.觀察磁滯回線簇和初始磁化曲線 (1)接通實驗儀電源,選取勵磁信號源的幅度和頻率。勵磁信號源為正弦波,頻率在20200Hz連續(xù)可調,并由4位數碼管顯示,幅度可用波段開關分檔可調。選取正弦信號的頻率(如50Hz),幅度波段開關放合適位置(如I檔)。(2)用LCD智能測試儀觀測磁滯回線簇和初始磁化曲線 打開LCD智能測試儀的電源后,LCD顯示初始界面,屏幕右下角顯示“F S ”字符,表示目前可以響應“S/預置”鍵和“F/采樣間隔”鍵,其他按鍵
12、目前暫不能響應。說明:按鍵上的“數字”或“字母”代表該鍵編號,按鍵上的“漢字或+1/-1”代表該鍵的功能。 按“S/預置”鍵:通過“ 0/+1”“1/-1”,“2/左移”,“3/右移”鍵來設置“取樣電阻R1、積分電阻R2、積分電容C”參數,以便微電腦可以根據實驗數據計算B或H值,描繪磁滯回線或磁化曲線。磁樣品的“L、橫截面積S、勵磁線圈匝數N1、測量線圈匝數N2”已經預置好,不要修改。參數設置好后,按“D/確定”鍵,保存設置參數。此時LCD上顯示B-H直角坐標軸。 按“5/回線簇”鍵:自動測量并顯示一條與勵磁正弦信號幅度相對應的磁滯回線。依次將勵磁正弦信號的幅度波段開關調至II檔、III檔,則
13、自動測量并顯示面積逐次增大的其他磁滯回線,得到磁滯回線簇(共測6條磁滯回線),將原點0與各磁滯回線的頂點a1,a2,a3,,a相連,得到初始磁化曲線。觀察并記錄這些磁滯回線的形狀與特征,以便與后面逐點測量的磁滯回線比較。4.逐點測量初始磁化曲線 (1)將勵磁正弦信號的頻率調為50Hz,幅度波段開關調至0檔,從退磁狀態(tài)開始測量。(2)按“D/確定”鍵,結束當前操作。(3)按“4/起始磁化曲線”鍵:測量并顯示與勵磁正弦信號幅度相對應的起始磁化曲線的一個點及B、H值,將B、H值記錄到數據表1(自擬);然后將勵磁正弦信號的幅度波段開關調至I檔,按“4/起始磁化曲線”鍵,則顯示磁化曲線的第2個點和B、H
14、值,記錄B、H值;依次方法逐步增大勵磁正弦信號幅度直到磁化曲線飽和,從而得到起始磁化曲線。將所有點的B、H值記錄到數據表1。畫出LCD屏上的初始磁化曲線,以作數據處理時參考。注意:如果漏記了前面某個測量點的B、H值,可以按“7/逐點查詢”鍵來查詢。每按1次該鍵,從磁滯回線右上角開始按選擇的步長和逆時針方向,LCD屏上用“加亮”方式顯示該點,并顯示該點的B和H值。(4)將勵磁正弦信號的頻率調為100Hz,重復上述操作,再測另一條初始磁化曲線,與50Hz初始磁化曲線進行比較。表1 (硬磁材料)初始磁化曲線的測量數據表50HzH(×3.75×103A/m)0B(×10-
15、5T)75HzH(×3.75×103A/m)0B(×10-5T)5.逐點測量磁滯回線 (1)按“D/確定”鍵,結束當前操作。(2)將勵磁正弦信號的頻率調為50Hz,幅度波段開關調至飽和磁化幅度(如IX檔)。(3)按“6/逐點測量”鍵:LCD屏顯示磁滯回線右上角的一點和B、H值,將B、H值記錄到數據表2(自擬)。再按一次“6/逐點測量”鍵,按默認的步長、逆時針方向測量并顯示磁滯回線第二個點和B、H值,記錄B、H值。不斷按“6/逐點測量”鍵,直到得到一條完整的磁滯回線,將所有點的B、H值記錄到數據表2中。畫出LCD屏上的磁滯回線,讀出HS、BS、Br、Hc值,以作數據
16、處理時參考。表2 (50Hz時)逐點測量磁滯回線的測量數據表H(×3.75×103A/m)B(×10-5T)H(×3.75×103A/m)B(×10-5T)H(×3.75×103A/m)B(×10-5T)H(×3.75×103A/m)B(×10-5T)注意:(1)如果LCD顯示的磁滯回線頂部出現編織狀小環(huán),則可減小勵磁信號幅度消除。(2)如果LCD顯示的磁滯回線大小不合適,可以通過“8/B縮小”鍵、“9/B放大”鍵、“A/H放大”鍵、“X/H縮小“鍵在“B坐標方向”或“H坐標
17、方向”放大或縮小磁滯回線。(3)如果漏記了前面某個測量點的B、H值,可以按“7/逐點查詢”鍵來查詢。每按1次該鍵,從磁滯回線右上角開始按選擇的步長和逆時針方向,LCD屏上用“加亮”方式顯示該點,并顯示該點的B和H值。(4)將勵磁正弦信號的頻率調為100Hz,重復上述操作,再測一條磁滯回線,與50Hz磁滯回線進行比較?!緮祿幚怼?.根據逐點測量的初始磁化曲線數據表,同一坐標紙上畫出50Hz與100Hz勵磁信號的初始磁化曲線,并討論兩條初始磁化曲線的異同與原因。2.根據逐點測量的磁滯回線數據表,在與初始磁化線同一坐標紙上畫出50Hz與100Hz勵磁信號的磁滯回線,并從曲線上確定飽和磁感應強度BS
18、、剩余磁感應強度Br和矯頑力HC。討論兩條初始磁滯回線的異同與原因。【思考題】1.在測量磁滯回線下降段曲線時,勵磁電流先從0.55A變到了0.25A測量,如果想補測0.40A這點,能否將電流直接從0.25A調回0.40A測量,然后再從0.40A調到0.10A繼續(xù)測量,為什么?由于磁材料磁化過程的不可逆性及磁材料具有剩磁的特點,以及磁化狀態(tài)與磁化歷史有關,磁滯回線又與其起始端點的磁化狀態(tài)有關。因此,在測同一條磁滯回線時,磁化電流只允許單調地增加或減少,不能時增時減,即勵磁電流必須沿同一個方向單調增大或減小,不允許突然改變增減方向。圖7 實驗測量曲線2.在電流步進法測圖7所示的磁滯回線時,若在勵磁
19、電流為正向飽和電流IS時突然斷開測試儀電源,此時鐵磁材料的剩磁為多少?( 1.0×10-5T)【附錄1】 FC10-II型智能磁滯回線實驗儀的使用方法 FC10-II型智能磁滯回線實驗儀包括樣品測試箱和LCD智能測試儀兩個部分。1.樣品測試箱(面板如附圖1所示) 附圖1 樣品測試箱面板(1)勵磁信號源:正弦波,頻率連續(xù)可調20200Hz連續(xù)可調,4位數碼管顯示,幅度可用波段開關分10檔可調。(2)采樣電阻R1:二盤電阻箱:(010)´(1+0.1)W,步長0.1W。(3)積分電阻R2:二盤電阻箱:(010)´(10+1)kW,步長1kW。(4)積分電容C:二盤電容
20、箱:(010)´(1+0.1)mF,步長0.1mF。(5)紅色磁環(huán)為軟磁材料,藍色磁環(huán)為硬磁材料.截面S=124mm2,平均磁路長度L=130mm,N1 =N2 =100匝。2. LCD智能測試儀(面板如附圖2所示) (1)功能:微電腦控制,240´128點陣LCD顯示,觸式鍵盤開關;自動連續(xù)和逐點步進測量磁環(huán)樣品的用初始磁化曲線和動態(tài)磁滯回線,測量步長可設置;由示波器和點陣LCD顯示曲線和和剩磁、矯頑力等參數;實驗數據及輸入參數可保存和隨時調用;通過改變勵磁信號的幅度,自動測量并在LCD顯示磁滯回線簇(110條磁滯回線);LCD顯示的曲線可通過按鍵放大或縮小;在測量過程中
21、,能自動調節(jié)坐標的顯示范圍,以確保任何測量點均顯示在LCD內;可通過按鍵移動光標逐點查詢磁滯回線的B或H值,并在磁滯回線上用“加亮”方式顯示該點。(2)鍵盤功能 鍵面標注“0-9”數字/“中文”或“A-X”字母/“中文”,其中“0-9”數字或”A-X”字母是該鍵的代碼,而“中文”表示該鍵的功能。附圖2 LCD智能測試儀面板“復位”鍵:LCD顯示“歡迎使用智能磁滯回線實驗儀,佛山科學技術學院研制”,LCD右下方顯示可以響應的按鍵代碼,如“S D”,表示當前可響應“S/預置”、“D/確定”鍵,其他鍵當前暫不響應?!癝/預置”鍵:通過“ 0/+1”“1/-1”,“2/左移”,“3/右移”鍵來設置磁樣品“磁路長度、橫截面積、勵磁線圈匝數、測量線圈匝數”和“取樣電阻R1、積分電阻R2、積分電容C”等參數,以便微電腦可以根據實驗數據計算B或H值,描繪磁滯回線或磁化曲線。參數設置后,按“D/確定”鍵存貯設置參數。“D/確
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