铁磁材料动态磁滞回线测绘方法的优化设计

马玉利 戴心锐

（1重庆工业职业技术学院，重庆 401120；2重庆大学，重庆 400030）

1 研制背景及意义

在研究铁磁材料磁化特性中涉及铁磁材料基本磁化曲线与磁滞回线的测绘，通过对铁磁材料基本磁化曲线与磁滞回线的测绘，从而了解和研究铁磁材料磁化特性.对铁磁材料磁化特性的研究主要涉及硬、软磁材料，硬、软磁材料有不同的磁化特性，因此，对铁磁材料磁化特性全面了解，对合理利用铁磁材料具有重要的意义.

铁磁材料磁化特性的检测过程较复杂，将磁学量转换为易于检测的电学量是检测铁磁材料磁化特性的一种基本检测方法.一般有静态磁滞回线测绘法和动态磁滞回线测绘法，用直流电对被测铁磁样品进行磁化时所测绘的B－H 曲线称为静态磁滞回线；用交流电对被测铁磁样品进行磁化时所测绘的B－H 曲线称为动态磁滞回线.经了解现有技术的动态磁滞回线测绘法，只能正确测绘软磁样品的磁滞回线，而对硬磁样品的磁滞回线却不能正确的测绘，所测绘的磁滞回线是畸变的，与理论推测的磁滞回线有较大误差.虽然用静态磁滞回线测绘法可测绘硬磁样品的磁滞回线，但此种方法操作繁琐，不直观，所测绘的磁滞回线同样与理论推测的磁滞回线有明显误差.

本设计的目的就是要解决动态磁滞回线测绘法存在的上述问题.

2 技术方案

1）测绘铁磁材料动态磁滞回线的装置，主要由数字电压表UB、数字电压表UH，转换开关SB，电阻Rx、Ry，电容Cy及硬、软磁样品等与示波器及信号发生器通过导线连接组成（图1）.

图1 测绘硬、软磁样品动态磁化特性曲线的控制电路

经研究发现，现有技术测绘硬磁样品动态磁滞回线产生畸变的原因是所测绘的硬磁样品的磁芯导磁率低，而导磁率与电感量成正比.由于电感量的大小主要取决于铁磁样品的线圈的匝数、绕制方向及磁芯材料，所以，本设计将硬磁样品的磁芯Cr12、软磁样品的磁芯锰锌铁氧体做成圆环形，另外，为了直观观察与了解硬、软磁样品的磁化特性，将硬、软磁样品磁芯的平均磁路长度L 均设计为0.261m，硬、软磁样品磁芯的截面积S 均设计为5.19×10－4m2，各用一根导线按顺时针方向分别绕在硬磁磁芯上构成初级绕组N1与次级绕组N2，各用一根导线按顺时针方向分别绕在软磁磁芯上构成初级绕组n1与次级绕组n2，硬、软磁样品的初级绕组的导线直径均设计为0.44×10－3m，硬、软磁样品的初级绕组的匝数均设计为2280匝，硬、软磁样品的次级绕组的导线直径均设计为0.29×10－3m，硬、软磁样品的次级绕组的匝数均设计为4880匝.

2）从图1中可以看出，通过转换开关SB 的极点与其动断、动合位点的转换，使信号发生器输出的交流信号从Lx、Hx端输入至硬磁样品的初级绕组N1或软磁样品的初级绕组n1中，产生磁场强度H1或磁场强度H2，同时在硬磁样品的次级绕组N2或软磁样品的次级绕组n2中产生感应电动势ε1或ε2.由于示波器的x 通道与Rx并接，使示波器的X 偏转板可获得正比于磁场强度H1的电压Ur1或正比于磁场强度H2的电压Ur2，又因为数字电压表UH 也与Rx两端并接，因而可检测到Rx两端的电压值Ux1或Ux2；由于示波器的y 通道与电容Cy并接，使示波器的y 偏转板可获得正比于磁感应强度B1的电压Uc1或正比于磁感应强度B2的电压Uc2，又因为数字电压表UB也与Cy并接，因而可检测到Cy两端电压值Uy1或Uy2.

3 定标

x 轴定标：将示波器的y通道与地短路.转换开关SB旋钮上的指示线对准面板上检测“硬磁样品”的指示线，硬磁样品为Cr12，示波器的x通道灵敏度的示数Sx1设置为0.5V/cm ，信号发生器的输出阻抗设置为600Ω，输出的交流信号电压设置为0～60V，频率为50Hz.调信号发生器输出交流电压为适当值，使示波器显示屏的x 轴方向呈现长为X1亮线，X1亮线正比于示波器从电阻Rx两端检测的电压Ur1，同时，数字电压表UH 从Rx两端检测到电压Ux1，再使转换开关SB 旋钮上的指示线对准面板上测定“软磁样品”的指示线，软磁样品为锰锌铁氧体，示波器的x通道灵敏度的示数Sx2设置为0.1V/cm，信号发生器的输出阻抗设置为5000Ω，输出的交流电压设置为0～60V，频率为50Hz.调信号发生器输出交流电压为适当值，使示波器显示屏上的x 轴方向呈现长为X2亮线，X2亮线正比于示波器从电阻Rx两端检测的电压Ur2，同时，数字电压表UH从Rx两端检测到电压Ux2，

分别测出若干组对应Ux1、Ux2的变化，其亮线X1、X2长度值相应变化的数据记录于表1、表2中.

表1

表2

再将表1、表2 的数据分别代入式（1）和式（2），计算出硬、软磁样品的基本磁化曲线与磁滞回线在x 轴方向各对应点磁场强度.

H1为硬磁样品的磁场强度；H2为软磁样品的磁场强度；Rx为电阻；L 均为硬磁磁芯与软磁磁芯平均磁路长度；N1为硬磁样品的初级绕组匝数；n1为软磁样品的初级绕组匝数；Ur1为测硬磁样品时，示波器从电阻Rx两端测到的峰峰值电压；Ur2为测软磁样品时，示波器从电阻Rx两端测到的峰峰值电压；Ux1为测硬磁样品时，数字电压表UH 从电阻Rx两端测到的有效值电压；Ux2为测软磁样品时，数字电压表UH 从电阻Rx两端测到的有效值电压；Sx1为测硬磁样品时所选择的示波器x通道灵敏度的示数；Sx2为测软磁样品时所选择的示波器x 通道灵敏度的示数；X1为测硬磁样品时所测得的示波器显示屏上的x 轴坐标值；X2为测软磁样品时所测得的示波器显示屏上的x 轴坐标值.

y 轴定标：将示波器的x 通道与地短路.转换开关SB旋钮上的指示线对准面板上测定“硬磁样品”的指示线，硬磁样品仍然为Cr12，示波器的y通道灵敏度的示数Sy1设置为0.2V/cm，信号发生器的输出阻抗设置为600Ω，输出的交流信号电压设置为0～60V，频率为50Hz.调信号发生器输出交流电压为适当值，使示波器荧光屏的y 轴方向呈现长为Y1亮线，Y1亮线正比于示波器从电容Cy两端检测的电压Uc1，同时，数字电压表UB从Cy两端检测到电压Uy1，再使转换开关SB旋钮上的指示线对准面板上测定“软磁样品”的指示线，软磁样品仍然为锰锌铁氧体，示波器的y 通道灵敏度的示数Sy2设置为0.5V/cm，信号发生器的输出阻抗设置为5000Ω，输出的交流电压设置为0～60V，频率为50Hz.调信号发生器输出交流电压为适当值，使示波器显示屏的y 轴方向呈现长为Y2亮线，Y2亮线长度正比于示波器从电容Cy两端测到的电压Uc2，同时，数字电压表UB 从Cy两端检测到电压Uy2，

分别测出若干组对应Uy1、Uy2的变化，其亮线Y1、Y2长度值相应变化的数据记录于表3、表4中.

表3

再将表3、表4数据分别代入式（3）及式（4），计算出硬、软磁样品的基本磁化曲线与磁滞回线在y 轴方向各对应点磁感应强度.

B1为硬磁样品的磁感应强度；B2为软磁样品的磁 感应强 度；Ry 为 电 阻；Cy 为 电 容；S 均 为 硬磁磁芯与软磁磁芯的截面积；N2为硬磁样品的次级绕组匝数；n2为软磁样品的次级绕组匝数；Uc1为测硬磁样品时，示波器从电容Cy 两端测到的峰峰值电压；Uc2为测软磁样品时，示波器从电容Cy 两端测到的峰峰值电压；Uy1为测硬磁样品时，数字电压表UB从电容Cy 两端测到的有效值电压；Uy2为测软磁样品时，数字电压表UB 从电容Cy 两端测到的有效值电压；Sy1为测硬磁样品时所选择的示波器y 通道灵敏度的示数；Sy2为测软磁样品时所选择的示波器y 通道灵敏度的示数；Y1为测硬磁样品时所测得的示波器显示屏上的y 轴坐标值；Y2为测软磁样品时所测得的示波器显示屏上的y 轴坐标值.

4 观察与测绘硬、软磁样品的基本磁化曲线与磁滞回线

转换开关SB旋钮上的指示线对准面板上检测“硬磁样品”的指示线，按照检测硬磁样品定标时示波器与信号发生器所设置的参数，观察与测绘硬磁样品的基本磁化曲线与磁滞回线；然后使转换开关SB旋钮上的指示线对准面板上测定“软磁样品”的指示线，按照检测软磁样品定标时示波器与信号发生器所设置的参数，观察与测绘软磁样品的基本磁化曲线与磁滞回线.

5 技术效果

1）本设计在研究铁磁材料磁化特性或电学实验教学时，能观察和测绘硬、软磁样品的动态磁滞回线，观察、测绘速度快，检测方法简便.方便了对硬、软磁样品磁化特性的直观了解和测绘，特别是能对硬磁样品进行动态磁滞回线的测绘，从而有助于对铁磁材料磁化特性的全面了解与研究.

2）本装置中采用数字电压表UB、数字电压表UH 对示波器x 轴与y 轴定标，提高了测绘硬、软磁样品磁场强度与磁感应强度的精度.

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