汪迪坤,韓和兵,李曉馬,王楨楠

(中國(guó)電子科技集團(tuán)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(chǎng)下有較高的磁導(dǎo)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(chǎng)下有較高的磁導(dǎo)率，且其磁導(dǎo)率變化范圍大，正是由于坡莫合金的這些特點(diǎn)，采用磁通計(jì)法測(cè)試坡莫合金的軟磁性能，可能會(huì)受到環(huán)境、測(cè)試條件等影響，造成測(cè)試結(jié)果重復(fù)性差、測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)大、測(cè)得的磁滯回線對(duì)稱性很差等[2]。因此，目前國(guó)內(nèi)各個(gè)坡莫合金生產(chǎn)廠家都是利用沖擊法[3]來(lái)測(cè)試坡莫合金的軟磁性能。沖擊法在測(cè)試過(guò)程中需要校準(zhǔn)檢流計(jì)系數(shù)，每次測(cè)試只能得到一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，要想得到完整的磁化曲線數(shù)據(jù)測(cè)試工作，所消耗的時(shí)間極長(zhǎng)。

本文利用軟磁直流磁滯回線綜合測(cè)量?jī)x，研究了磁通計(jì)法測(cè)試坡莫合金過(guò)程中產(chǎn)生的磁滯回線上下不對(duì)稱的主要原因。設(shè)備自帶的退磁功能在坡莫合金的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下所輸出的磁化電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)過(guò)大，退磁過(guò)程中造成坡莫合金磁化，坡莫合金被磁化后存在剩磁，進(jìn)而造成了所測(cè)得的磁滯回線不對(duì)稱。因此，提出了在測(cè)試過(guò)程中改變對(duì)樣品退磁的方法，即采用減小退磁時(shí)線圈的匝數(shù)，進(jìn)而降低最小退磁磁化場(chǎng)強(qiáng)的方式進(jìn)行退磁。采用最小磁化場(chǎng)強(qiáng)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(jìn)行退磁，然后測(cè)試同一試樣的磁性能數(shù)據(jù)，與標(biāo)準(zhǔn)可靠的沖擊法測(cè)試的磁性能數(shù)據(jù)對(duì)比分析，探討適合于坡莫合金測(cè)試前的退磁處理。

1 磁通法測(cè)試原理

采用磁通計(jì)法測(cè)試軟磁材料直流性能時(shí)，測(cè)試線圈連接示意圖如圖1所示[4]。

圖1 磁性能測(cè)試試樣接線圖

在進(jìn)行直流磁性能測(cè)試前，先通過(guò)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(duì)測(cè)試的環(huán)形試樣進(jìn)行退磁，退磁時(shí)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(shí)設(shè)備輸出磁化電流示意圖

由于磁通器可以對(duì)線圈N2中產(chǎn)生的電流進(jìn)行連續(xù)積分，進(jìn)而計(jì)算出通過(guò)線圈N2的磁通量并記錄，因此可以利用磁通計(jì)完整記錄磁性材料在整個(gè)逐步磁化過(guò)程中的磁通量變化過(guò)程，然后將整個(gè)過(guò)程的磁通量數(shù)值與磁化過(guò)程中磁化線圈N1所提供的磁化場(chǎng)強(qiáng)大小逐一對(duì)應(yīng)，進(jìn)而可以通過(guò)一次測(cè)試便可以完整記錄下軟磁材料的磁化曲線。但是在磁通計(jì)測(cè)試磁通量的過(guò)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(jì)法測(cè)試軟磁材料的磁滯回線時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)剩磁場(chǎng)與某個(gè)方向的感應(yīng)磁場(chǎng)疊加，最終造成磁滯回線兩個(gè)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(cè)試設(shè)備的軟件層面都加入了磁滯回線的對(duì)稱性評(píng)估與校正功能，使得設(shè)備最終測(cè)試得到的磁滯回線能夠關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱，使用此功能的前提條件是所測(cè)試的磁性材料在環(huán)形樣品的兩個(gè)磁化方向上磁性能無(wú)差異。但是在測(cè)量初始磁化曲線時(shí)，設(shè)備所帶的校正軟件由于無(wú)法記錄兩個(gè)方向的磁通量大小，進(jìn)而無(wú)法對(duì)初始磁化曲線進(jìn)行校正。此時(shí)剩磁就會(huì)與磁通計(jì)所測(cè)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(jì)所記錄下的磁通量是一個(gè)無(wú)法確定且無(wú)法修正的相對(duì)增量，而不是測(cè)試所需要的絕對(duì)量。這會(huì)造成最終所測(cè)得的初始磁化曲線無(wú)法準(zhǔn)確反映坡莫合金的真實(shí)的軟磁性能，通過(guò)初始磁化曲線計(jì)算得到的初始磁導(dǎo)率、最大磁導(dǎo)率都有很大的偏差。因此，對(duì)于不同的軟磁材料，需要采取合適的方法進(jìn)行退磁，只有完全退磁的試樣，采用磁通計(jì)法所測(cè)得的初始磁化曲線才能反映材料的真實(shí)軟磁特性。采用磁通計(jì)法測(cè)試軟磁材料的初始磁化曲線前，一定要確認(rèn)其已完全退磁。由于坡莫合金或超坡莫合金的退磁場(chǎng)強(qiáng)非常小，普通磁滯回線測(cè)試設(shè)備無(wú)法滿足其退磁要求，故無(wú)法測(cè)得其真實(shí)磁化曲線。

2 實(shí)際測(cè)試時(shí)磁化場(chǎng)強(qiáng)理論計(jì)算與分析

磁性能測(cè)試設(shè)備自帶的退磁系統(tǒng)在退磁時(shí)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(cè)試設(shè)備的廠家都會(huì)對(duì)磁化電流的最大值與最小值進(jìn)行限制，所以實(shí)際使用的設(shè)備都會(huì)有最大輸出電流與最小輸出電流兩個(gè)參數(shù)指標(biāo)，但大多數(shù)設(shè)備的各個(gè)性能參數(shù)中都不會(huì)列出最小輸出電流這個(gè)指標(biāo)。本文以從瑪格力磁公司采購(gòu)的永磁/軟磁直流磁滯回線綜合測(cè)量?jī)x為測(cè)試設(shè)備，通過(guò)其測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)算坡莫合金在兩種不同匝數(shù)磁化線圈下的最小退磁場(chǎng)強(qiáng)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，坡莫合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs一般為800 A/m。

磁化場(chǎng)強(qiáng)、磁化電流、磁路長(zhǎng)度與磁化線圈匝數(shù)的關(guān)系式如下：

HL=NI

當(dāng)磁路長(zhǎng)度為84.82 mm，磁化場(chǎng)強(qiáng)為800 A/m，磁化電流為7 A時(shí)，計(jì)算得到初級(jí)磁化線圈N1不小于10匝。

當(dāng)磁路長(zhǎng)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(shí)，計(jì)算得到設(shè)備在退磁過(guò)程中最小退磁時(shí)的磁化場(chǎng)強(qiáng)為0.59 A/m。

對(duì)于坡莫合金及超坡莫合金，最大磁導(dǎo)率下的磁化場(chǎng)強(qiáng)H一般都在0.5～1.5 A/m，在此場(chǎng)強(qiáng)范圍內(nèi)，坡莫合金磁導(dǎo)率約為40 000，在此磁化場(chǎng)強(qiáng)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(shí)，坡莫合金仍處于磁化狀態(tài)，顯然會(huì)造成坡莫合金在測(cè)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(duì)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(duì)稱，最終測(cè)得的初始磁化曲線也不準(zhǔn)確。

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證采用磁通計(jì)法測(cè)得坡莫合金的磁滯回線不對(duì)稱的主要原因，是磁性能設(shè)備在退磁時(shí)最小退磁場(chǎng)強(qiáng)過(guò)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(jìn)行測(cè)量前，先減少初級(jí)磁化線圈至1匝，對(duì)樣品進(jìn)行退磁處理，如此可以將退磁時(shí)的最小退磁磁化場(chǎng)強(qiáng)降低到最小值0.06 A/m，然后測(cè)試時(shí)接入20匝的線圈，測(cè)試坡莫合金軟磁性能時(shí)跳過(guò)退磁步驟。將測(cè)得的最大磁導(dǎo)率μm與沖擊法測(cè)得的主要參數(shù)對(duì)比，若各個(gè)磁性能參數(shù)與沖擊法測(cè)得的各個(gè)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(duì)稱的主要原因是其測(cè)試前未完全退磁。

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本文對(duì)三個(gè)不同批次(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組)的坡莫合金分別進(jìn)行了如下的處理：采用20匝線圈進(jìn)行正常磁性能測(cè)試退磁法，即普通退磁法；減少初級(jí)磁化線圈至1匝，對(duì)樣品進(jìn)行退磁處理后測(cè)試坡莫合金的初始磁化曲線與磁滯回線，即最小磁化場(chǎng)強(qiáng)退磁法。采用普通退磁法、最小磁化場(chǎng)強(qiáng)退磁法測(cè)得三個(gè)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(chǎng)強(qiáng)退磁后磁滯回線

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

表1 磁滯回線不對(duì)稱度對(duì)比表

磁滯回線的不對(duì)稱性可以通過(guò)設(shè)備自帶的校準(zhǔn)功能進(jìn)行校正，因此由磁滯回線不對(duì)稱引起的測(cè)量錯(cuò)誤會(huì)被系統(tǒng)糾正，如飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs、剩磁Br、矯頑力Hc等，對(duì)這些參數(shù)的測(cè)試系統(tǒng)基本不會(huì)出現(xiàn)太大的偏差。而測(cè)試初始磁化曲線時(shí)設(shè)備無(wú)法進(jìn)行校準(zhǔn)，與此相關(guān)的初始磁導(dǎo)率μ0、最大磁導(dǎo)率μm在退磁不完全時(shí)所測(cè)得的數(shù)據(jù)便會(huì)千差萬(wàn)別。在兩種退磁方式下，分別測(cè)試了三個(gè)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(chǎng)強(qiáng)退磁后初始磁化曲線

由圖5可以看出，普通退磁后測(cè)試得到的初始磁化曲線高低不一，通過(guò)此曲線可以計(jì)算出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)不同批次材料的最大磁導(dǎo)率μm分別為192 mH/m、140 mH/m、171 mH/m。三個(gè)批次的初始磁化曲線中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與磁滯回線上半部磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小有較大差異，這主要是因?yàn)樵诿看螠y(cè)量前設(shè)備都需要對(duì)樣環(huán)進(jìn)行退磁，最小退磁場(chǎng)強(qiáng)不一致，故而剩磁大小不同。從圖6可以看出，經(jīng)過(guò)最小磁化場(chǎng)強(qiáng)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(duì)應(yīng)。因此，經(jīng)過(guò)最小磁化場(chǎng)強(qiáng)退磁處理后再測(cè)試坡莫合金磁化曲線時(shí)數(shù)據(jù)可靠，且重復(fù)性高。從其初始磁化曲線的測(cè)試數(shù)據(jù)中經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)不同批次材料的最大磁導(dǎo)率μm分別為322 mH/m、381 mH/m、208 mH/m。為了判斷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們利用沖擊法分別測(cè)出了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的最大磁導(dǎo)率μm為326 mH/m、383 mH/m、206 mH/m。以沖擊法測(cè)得的最大磁導(dǎo)率作為基準(zhǔn)，分別對(duì)比采用普通退磁法與最小磁化場(chǎng)強(qiáng)退磁法測(cè)得的最大磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 普通退磁、最小磁化場(chǎng)強(qiáng)退磁與沖擊法測(cè)試的最大磁導(dǎo)率對(duì)比表

從表2可以看到，采用最小磁化場(chǎng)強(qiáng)退磁法得到的最大磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)與沖擊法得到的最大磁導(dǎo)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(dǎo)率與基準(zhǔn)法測(cè)得的數(shù)據(jù)的差異無(wú)法接受，直接判斷為錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。

由此驗(yàn)證了造成磁通計(jì)法測(cè)試坡莫合金磁滯回線不對(duì)稱的主要原因是，常規(guī)測(cè)試時(shí)制作的測(cè)試線圈無(wú)法完成坡莫合金的完全退磁。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合坡莫合金軟磁性能的特點(diǎn)，通過(guò)磁性能測(cè)試過(guò)程中的理論計(jì)算，對(duì)利用磁通計(jì)測(cè)試得到的坡莫合金磁滯回線的不對(duì)稱性作出了原因分析，并結(jié)合現(xiàn)有的磁性能測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了造成坡莫合金磁滯回線不對(duì)稱的主要原因是在磁性能測(cè)試前坡莫合金沒(méi)有完全退磁。

在采用磁通計(jì)法測(cè)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(cè)得的磁導(dǎo)率等數(shù)據(jù)不可信，在繞制多匝線圈時(shí)退磁最小場(chǎng)強(qiáng)過(guò)大的情況下，可以用減小磁化線圈匝數(shù)的方法，來(lái)降低最小退磁場(chǎng)。

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