基于等效磁矩的永磁体磁性测量方法研究

中国船舶重工集团公司第七一○研究所 姜 浩 周 鹰 杨 云



基于等效磁矩的永磁体磁性测量方法研究

中国船舶重工集团公司第七一○研究所 姜 浩 周 鹰 杨 云

【摘要】永磁体作为主要的磁性构件，磁矩是其最重要的性能指标之一。本文首先对磁矩测量原理进行了介绍和分析，接着搭建了测试平台，最后进行了实验验证和不确定度分析。

【关键词】磁矩测量；永磁体；磁矩计算模型；不确定度分析

0　引言

磁性是指自然界中铁磁体物质所特有的一种向外辐射磁场的属性，一个物体磁性强弱，通常用磁矩描术。磁矩是一个矢量物理量，常用来衡量磁源的磁特性。永磁体作为主要的磁性构件，广泛应用于电磁屏蔽，舰船消磁，磁环境优化设计等各个领域，应用过程经常需要计算永磁体的充磁效果及在空间产生的磁场分布。永磁体的磁性能检测是材料开发和应用中的一个重要课题。

目前在实际工程上测量永磁体磁矩时，常在永磁体周围布置磁传感器阵列，通过测量空间磁场，结合永磁体磁模型可以反推出永磁体的磁矩，进而计算出永磁体的空间磁场分布。本文结合磁矩测量原理，在简化测量模型的基础上，推导了永磁体磁矩计算公式。通过试验得出最佳测试参数，并进行批量样品实验验证，具有实际工程意义。

1　磁矩测量原理

一切磁场源在与它相距很远的地方都可以用等效偶极子来代替。当测试距离远大于辐射源尺寸时，辐射源可以看作为一个磁偶极子。偶极子标势用下式表示：

实际测量过程为使模型简化，可只测量磁矩量具在其中单个轴线上的磁场，假定x=r，y=z=0。则式（2）可简化为：

则：

2　测量方案

当测量距离较近时，永磁体如简单地等效为磁偶极子，会导致计算结果方差较大；当测量距离较远时，永磁体体积可忽略，计算结果方差较小，可简化等效为磁偶极子，因此测量重点在于确定一个合适的测量距离。

为得出最佳测量距离，按如图1所示的测量系统进行测试。其中，距离r为永磁体中心距离传感器的探头中心距离。为使更高效并具备推广作用取r为被测试样长度的整数倍，进行多次测试比对。

图1　测量系统示意图

本文测试永磁体的外形尺寸为110（L）×20 mm（W）×5 mm （H），测试过程取r=（6～13）L。为减小永磁体充磁后不均匀及传感器探头测试位置不精确等造成的误差，进行N/S两极分别测试，将两次测试结果进行求平均得出磁矩值，并记录两极磁矩差值。同时每个距离的测试分别进行三次，取三次平均值为最终磁矩值。测试结果取磁矩和磁矩差值两项指标。结果如图2所示。

4) 港口群内非核心枢纽港泊位资源的改善，尤其是支线泊位资源的改善对港口群整体转运效率的提升贡献明显。

图2　磁矩大小及磁矩差值大小随测试距离改变关系

从图2可知，当测试距离r≥10 L时，磁矩值已趋于稳定，但r＞12 L时，由于实验室均匀区限制及距离过大带来的永磁体与磁强计不同轴引入的误差变大，使同一永磁体进行两极测量时，差值变大。因此结合两方面因素考虑，测试距离r在10-11倍被测试样长度范围内，效果最佳。

3　实验验证

为验证以上结论正确性，特对1200根磁矩测试结果在8.0～9.0Am2范围内的永磁体进行二次测量，测试传感器使用Mag-03并配2NPLC，0.01mV分辨力的万用表34410A，各实验装置如图3所示，最终搭建实验台如图4所示。

图3　实验装置

图4　实验台

批量化测试结果如表1所示。

表1　测试结果

根据测试结果可知，测量值88.9%集中在8.400～8.800 Am2的区间，测量不合格率仅为0.2%，本次实验验证测试方法的正确性及测试结果的可信性。

4　不确定度分析

由式（4）可知永磁体测量过程中测量不确定度来源主要由磁感应强度B和距离r测量两部分组成：

4.1数字多用表等引入的不确定分量

数字多用表测量被测传感器探头的输出电压，输出电压为10V，其相对不确定度1.0×10-3，k=2，则由数字多用表测量引入的相对标准不确定分量为：

4.2由环境干扰磁场引入的不确定度分量

在频率为50 Hz的工业干扰上，实验室的最大环境干扰磁场不超过0.5 nT，假设其分布服从均匀分布，按复现的最小磁场1 μT计算，则由环境干扰磁场引入的不确定度分量为：

永磁体与探头之间的距离由直尺测量得到，千分尺测量误差为±1mm，按两者距离为1250 mm计算，概率分布按服从均匀分布计算，则引入的标准不确定度分量为：

4.4测试探头质心位置引入的不确定度分量

测量探头质心时，所用量具可能与其不对齐，假设其值在最大允许误差范围内的概率分布服从均匀分布，由探头质心位置引入的相对标准不确定度为：

4.5由被测永磁体放置的非正交度引入的不确定度分量

被测永磁体放置时，要求与测试探头测量轴正交，但考虑实际可操作性，估计最大倾斜2°，假设其值在最大允许误差范围内的概率分布服从均匀分布，由被测永磁体放置的非正交度引入的相对标准不确定度为：

4.6检测重复性引起的不确定度

采用以3次测量，取算术平均值作为测量结果，由此引起的不确定度为：

不确定度分量一览表见表2。

表2　B不确定度分量一览表

以上各不确定度分量相互独立，合成不确定度为：

扩展不确定度为：

5　结束语

本文通过分析磁矩原理，采用等效偶极子代替法，来计算永磁体充磁效果。为得出最佳测试距离，通过试验的方法，以磁距平稳和两极磁矩差值小为指标，确定最佳测量距离。通过批量化试样测量，证明测试方案简单可性，性能稳定可靠，能够满足检测要求。最后对所搭建测试平台的不确定度进行分析。

参考文献

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［4］亓亮，李斌.交变磁偶极子辐射磁矩测量方法研究［J］.信息技术，2013（4）.

［5］虞志书，朱永红，熊又星，陈俊全.永磁材料磁性能测量方法比较及建议［J］.磁性材料及器件，2015（5）.

作者简介：

姜浩（1986—），男，湖北黄冈人，硕士，工程师，现供职于中船重工第七一〇研究所，研究方向：磁学计量及机械设计。