实验C 磁化曲线和磁滞回线测量--大字--讲稿_图文

1、实验 C 磁化曲线和磁滞回线测量磁性材料应用广泛,扬声器永久磁铁、变压器铁芯、计算机磁盘等都采 用磁性材料。铁磁材料分为硬磁和软磁两大类。 硬磁材料 的剩磁 B r 和矫顽力 H c 大(102 2104 A/m ,可做 永久磁铁 。 软磁材料 的剩磁 B r 和矫顽力 H c 小 (102 A/m以下 , 容易磁化和去磁,广泛用于电机和仪表制造业。 磁化曲线和 磁滞回线是磁材料的重要特性,是变压器等设备设计的重要依据。磁滞回线测量可分静态法和动态法。 静态法 是用 直流 来磁化材料,得到 的 B H 曲线称为 静态磁滞回线 。 动态法 是用 交变 来磁化材料,得到的 B H 曲线称为 动态磁

2、滞回线 。静态磁滞回线只与磁化磁场的大小有关,磁样品中 只有磁滞损耗 ;而 动态磁滞回线 不仅与磁化磁场的大小有关,还与磁化场的 频率有关,磁样品中 不仅有磁滞损耗,还有涡流损耗 。因此,同一磁材料在 相同大小磁化场下,动态磁滞回线的面积比静态磁滞回线大,损耗大。 本实验采用 动态法测量软磁样品的动态磁滞回线和磁化曲线 ,测量曲线 可连续或逐点显示在 LCD (液晶屏上,直观、简便、物理过程清晰。【实验目的】1. 了解磁滞回线和磁化曲线概念, 加深对磁材料矫顽力、 剩磁等参数的理 解。2. 掌握磁材料磁化曲线和磁滞回线的测量方法, 确定 B s 、 B r 和 H c 等参数。3. 探讨励磁电

3、流频率对动态磁滞回线的影响。【预备问题】1. 为什么测磁化曲线先要退磁?2. 为什么测量磁化曲线要进行 磁锻炼 ?3. 为什么动态磁滞回线的面积比静态磁滞回线大,损耗大?补充资料:P2页 由于铁磁材料磁化过程的 不可逆性 及具有 剩磁 的特点, 在测定磁化曲线和磁滞回线时,首先必须对铁磁材料预先进行 退磁 ,以 保证 外加磁场 H =0时, B =0;其次,磁化电流在实验过程中只允许单调增加或减 小,不可时增时减。12 退磁方法 ,从理论上分析,要消除剩磁 B r,只要 通一 反向电流,使 外 加 磁场 正好 等于 铁磁材料的 矫顽磁力 就行了,实际上,矫顽磁力的大小通常 并 不知道 ,因此无

4、法确定退磁电流的大小。我们从磁滞回线得到启示,如果 使铁磁材料磁化达到饱和,然后不断改变磁化电流的方向,与此同时逐渐减 小磁化电流,以至于零。那么该材料磁化过程是一连串 逐渐缩小 而 最终趋向 原点的环状曲线 ,如图 1所示,当 H 减小到零时, B 亦同时降到零,达到 完 全退磁 。可见,在进行测量时,一般要 先退磁 ,再进行 “ 磁锻炼 ” ,然后进行 正式测量。P2页 为了稳定闭合的磁滞回线, 磁材料的每个磁化状态都要反复磁 化, 这种 反复磁化的过程 称为 磁锻炼 。由于动态法测量磁化曲线采用 交变电 流 , 每个 磁化 状态都经过充分 反复磁化的过程 的 磁锻炼 ,才可 得到 稳定闭

5、合 的磁滞回线 。P1页 静态的磁滞回线 所包围的面积大小与 磁滞损耗 成正比, 而实验中 用 交流磁化 所得的回线包围的面积, 不仅包括 磁滞损耗 ,而且还包括 涡流损耗 ,因此,动态的回线一般 比 静态的要大 一些。【实验仪器】FC10-II 型智能磁滞回线实验仪。【实验原理】1. 铁磁材料的磁化规律(1 初始磁化曲线在强度为 H 的磁场 中放入铁磁物质,则铁磁物质 被磁化 ,其 磁感应强度 B 与 H 的关系为:B = H, 为磁导率 。对于铁磁物质, 不是常数 ,而是 H 的函数。 如图 1所示, 当铁磁材料 从 H =0开始磁化时, B 随 H 逐步增大,当 H 增加到 H s 时,

6、 B 趋于饱和值B s , H s 称为 饱和磁场强度 。从未磁化到饱和磁化的这段磁化曲线 OS ,称为 初始磁化曲线 。(2 磁滞回线图 1初始磁化曲线图 2 磁滞回线3如图 2所示,当磁材料达到 饱和磁化 B s 后 ,如果将 H 减小, B 也减小, 但沿与 OS 不同的路径 ab 返回。 当 H =0时, B=Br ,到达 b 点, B r 称为 剩磁 。 欲使 B =0,必须加反向磁场,当 H =-H c , B =0(完全退磁 ,到达 c 点, bc 段 曲线称为退磁曲线, H c 称为 矫顽力 。如果反向磁场继续增大,磁性材料将反 向磁化。当 H=-H S 时,磁化达到 反向饱和

7、 , B =-B s ,到达 d 点。此后若减小 反向磁场使 H =0,则 B = -B r ,到达 e 点;当 H=Hc 时, B =0,到达 f 点;再次 当 H=Hs 时, B =B s ,回到正向饱和状态 a 点。 经历这样一个循环后形成的 闭 合曲线 abcdefa 称为 磁滞回线 。H S 、 B S 、 B r 、 H c 是磁滞回线的特征参数。 剩磁 B r反映介质记忆能力的大小, 矫顽力 H c 反映铁磁材料是硬磁还是软磁。 磁性材料的 磁化特性 不仅与 材料 自身的性质有关,还与材料 形状、磁化场频率及波形 有关。由于磁材料 磁化过程 的 不可逆性及具有剩磁 的特点,在实验

8、过程中 磁化电流只允许单调地增加或减少 ,不能时增时减。 当从 初始状态 H =0、 B =0开始周期性地 改变 H 的大小和方向 时,可以得到 面积由大到小 的 磁滞回线簇 ,如图 3所示。图 3的 原点 0和各 磁滞回线的顶点 a 1,a 2,a 3, , a 所连成的曲线 , 就是 初始磁化曲线 。在 测定初始磁化曲线 时,首先 必须 将磁材料充分 退磁 ,以保证 每次 都是从原始状态(H =0, B =0开始。退磁 方法为 :先 用大磁化电流让铁磁材料 饱和磁化 ,然 后 缓慢 减小 交变电流,利用逐渐衰减的交变电流对磁材料 反复磁化 ,最后将 图 3 磁滞回线簇 图 4 退磁过程4电

9、流调为零, 重复 23次 即可 完全退磁 。 退磁回线是一串 面积逐渐缩小 而 最 终 趋于原点 0的环状曲线 ,如图 4所示。为了 得到稳定闭合的磁滞回线 ,磁材料的 每个磁化状态都要反复磁化 , 这种 反复磁化的过程 称为 磁锻炼 。由于动态法测量磁化曲线采用 交变电流 , 每个状态都经过充分的 磁锻炼 ,所以可随时测得 稳定闭合的磁滞回线 。2. 实验原理如图 5所示,待测样品为 磁环 ,磁环的 励磁线圈匝数 为 N 1,测量磁环磁 感应强度 B 的 测量线圈匝数 为 N 2。 R 1为励磁电流的取样电阻, R 2为积分电阻, C 为积分电容。在线圈 N 1中通入磁化电流 I 1,根据安

10、培环路定律,磁环中产 生的磁场 H 为: L I N H 11= (1式中 L 为磁环样品的平均 磁路长度 。取样电阻 R 1的输出电压为: 11R I U H = (2由式(1和式(2得: (3 在式(3中, N 1、 L 、 R 1为已知常数,只要测出 U H ,就得到磁场强度 H 。 设磁场 H 在磁环样品中产生的磁感应强度为 B ,由电磁感应原理可知, 有效横截面积为 S 2的测量线圈的 磁通量 =BN2S 2, 测量线圈 产生的 感生电势 为: (4为了测量 B ,用 R 2C 电路对感生电势 E 2进行积分,选择 R 2和 C 的数值 电 源 图 5 测量原理5 使 R 2>

11、>1/C , 为励磁电流的圆频率( 即角频率 =2f ,则 E 2 I 2 R 2, 积分电容 C 的输出电压 U B 为:B CR S N dB CR S N dt E CR dt I CC Q U U c B =222222211 (5由式(5得: B U SN CR B 22= (6 式(6中, N 2、 C 、 S 、 R 2为已知常数,只要测出 U B ,就得到 磁场感应 强度 B 。【实验内容与步骤】图 6是 FC10-II 型智能磁滞回线实验仪,包括样品测试箱(有红色和蓝色 两个磁环样品和 LCD 智能测试仪两个部分, LCD 显示屏可代替示波器 直接显 示 测量曲线和剩磁

12、、 矫顽力 等数据, 实验数据及输入参数可保存和随时调用。 其详细使用方法见附录 1。1. 选择 测试箱的 磁样品 (红色或蓝色磁环 。 红色磁环 为 软磁材料 , 蓝色 磁环为 硬磁材料 ,它们的几何 参数 相同:截面 S =124mm2,平均磁路长度 L =130mm, N 1 =N 2 =100匝。按图 6连线:将测试箱 信号源 的输出端连到磁样品的 励磁线圈输入端 ,将 磁 样品测量线圈的输出端 连到 RC 积 分电路的输入端 , 将测试箱 U H 和 U B的输出端 分别接到 LCD 智能测试仪的 U H (X和 U B (Y的输入端 , 并将它们的接地端相连。 2. 选取 测试箱

13、元件参数 。 取样电阻 R 1=5.5 , 积分电阻 R 2=30K,积分电容 C = 3.0F , 保证 R 2>>1/C 。 注意:R 2不能小于 10 K, C 不能小于1.0F ,否则磁滞回线会 畸变 。3. 观察磁滞回线簇和初始磁化曲线图 6 FC10-II 型智能磁滞回线试验5. 5 R 1 R 2 C N 1 N 2 L S(1接通实验仪电源,选取励磁信号源的幅度和频率。励磁信号源为正 弦波,频率在 20 200Hz 连续可调,并由 4位数码管显示,幅度可用波段开关分 档可调。选取正弦信号的 频率 (如 50Hz , 幅度波段开关 放合适位置(如 I 档 。 (2用

14、LCD 智能测试仪 观测磁滞回线簇和初始磁化曲线 打开 LCD 智能测试仪的电源后, LCD 显示初始界面,屏幕右下角显示 “F S ” 字符,表示目前可以响应 “ S/预置” 键和 “ F/采样间隔 ” 键 ,其他按键目 前暂不能响应。 说明:按键上的“数字”或“字母”代表该键编号,按键上 的“汉字或 +1/-1”代表该键的功能。 按 “ S/预置” 键:通过“ 0/+1”“ 1/-1” , “ 2/左移”, “ 3/右移 ” 键来 设置 “取样电阻 R 1、积分电阻 R 2、积分电容 C ” 参数 ,以便微电脑可以根据实 验数据计算 B 或 H 值,描绘磁滞回线或磁化曲线。磁样品的“ L

15、、横截面积 S 、 励磁线圈匝数 N 1、测量线圈匝数 N 2”已经预置好,不要修改。参数设置好后, 按 “ D/确定” 键,保存设置参数。此时 LCD 上显示 B -H 直角坐标轴。 按 “ 5/回线簇 ” 键:自动测量并显示一条与励磁正弦信号幅度相对应 的 磁滞回线 。依次将励磁正弦信号的 幅度波段开 关调至 II 档、 III 档,则 自动测量并显示面积逐次增大的其他磁滞回线, 得到磁滞回线簇 (共测 6条磁 滞回线 , 将 原点 0与各磁滞回线的顶点 a 1,a 2,a 3, , a 相连 , 得到 初始磁化曲线 。 观察并记录这些磁滞回线的形状与特征,以便与后面逐点测量的磁滞回线比

16、较。4. 逐点测量初始磁化曲线(1将励磁正弦信号的频率调为 50Hz ,幅度波段开关调至 0档,从退磁 状态开始测量。(2按“ D/确定”键,结束当前操作。(3按“ 4/起始磁化曲线”键:测量并显示与励磁正弦信号幅度相对应 的起始磁化曲线的一个点及 B 、 H 值,将 B 、 H 值记录到 数据表 1(自拟 ;然 后将励磁正弦信号的幅度波段开关调至 I 档 ,按“ 4/起始磁化曲线”键,则显 示磁化曲线的 第 2个点 和 B 、 H 值, 记录 B 、 H 值 ;依次方法逐步增大励磁正弦 信号幅度直到磁化曲线饱和,从而得到起始磁化曲线。将所有点的 B 、 H 值记 录到数据表 1。 画出 LC

17、D 屏上的 初始磁化曲线 ,以作数据处理时参考。6注意:如果漏记了前面某个测量点的 B 、 H 值,可以按 “ 7/逐点查询” 键来查询。每按 1次该键,从磁滞回线右上角开始按选择的步长和逆时针方 向, LCD 屏上用“加亮”方式显示该点,并 显示该点的 B 和 H 值 。(4将励磁正弦信号的 频率调为 100Hz ,重复上述操作,再测 另 一条初 始磁化曲线,与 50Hz 初始磁化曲线进行 比较 。表 1 (硬磁材料 初始磁化曲线的测量数据表 (1按 “ D/确定”键,结束 当前操作。(2将励磁正弦信号的频率调为 50Hz ,幅度波段开关调至 饱和磁化 幅度 (如 IX 档 。(3按 “ 6

18、/逐点测量” 键:LCD 屏显示磁滞回线右上角的一点和 B 、 H 值, 将 B 、 H 值记录到数据表 2(自拟 。再按一次“ 6/逐点测量”键,按默认的步 长、逆时针方向测量并显示磁滞回线第二个点和 B 、 H 值,记录 B 、 H 值。不 断按“ 6/逐点测量”键 ,直到得到 一条完整的磁滞回线 ,将所有点的 B 、 H 值 记录到数据表 2中。画出 LCD 屏上的磁滞回线,读出 H S 、 B S 、 B r 、 H c 值,以作 数据处理时参考。表 2 (50Hz 时 逐点测量磁滞回线的测量数据表 7注意:(1如果 LCD 显示的磁滞回线顶部出现编织状小环,则可减小 励磁信号幅度消除

19、。(2如果 LCD 显示的磁滞回线大小不合适, 可以通过 “ 8/B缩小” 键、 “ 9/B放大”键、 “ A/H放大”键、 “ X/H缩小“键在“ B 坐标方向”或“ H 坐标方向” 放大或缩小磁滞回线。(3如果漏记了前面某个测量点的 B 、 H 值,可以按“ 7/逐点查询” 键来查询。每按 1次该键,从磁滞回线右上角开始按选择的步长和逆时针方 向, LCD 屏上用“加亮”方式显示该点,并显示该点的 B 和 H 值。(4将励磁正弦信号的频率调为 100Hz ,重复上述操作,再测一条磁滞 回线,与 50Hz 磁滞回线进行比较。【数据处理】1. 根据逐点测量的初始磁化曲线数据表, 同一坐标纸上画

20、出 50Hz 与100Hz 励磁信号的 初始磁化曲线 ,并 讨论 两条初始磁化曲线的异同与原因。2. 根据 逐点测量 的 磁滞回线 数据表,在 与初始磁化线 同一坐标纸 上画出 50Hz 与 100Hz 励磁信号的磁滞回线,并从曲线上 确定 饱和磁感应强度 B S 、 剩余磁感应强度 B r 和矫顽力 H C 。 讨论 两条初始磁滞回线的异同与原因。 【思考题】1. 在测量磁滞回线下降段曲线时,励磁电流先从 0.55A 变到了 0.25A 测 量,如果想补测 0.40A 这点,能否将电流直接从 0.25A 调回 0.40A 测量,然 后再从 0.40A 调到 0.10A 继续测量,为什么?由于

21、磁材料 磁化过程 的 不可逆性及 磁材料 具有剩磁 的特点, 以及磁化状 态与磁化历史有关, 磁滞回线又与其起始端点的磁化状态有关。因此,在测89同一条磁滞回线时, 磁化电流只允许单调地增加或减 少 ,不能时增时减,即 励磁电流必须沿同一个方向单 调增大或减小,不允许突然改变增减方向。2. 在电流步进法测图 7所示的磁滞回线时, 若在励磁电流为正向饱和电流 I S 时突然断开测试仪电源,此时铁磁材料的 剩磁 为 多少? ( 1.0×10-5T 【附录 1】 FC10-II 型智能磁滞回线实验仪的使用方法FC10-II 型智能磁滞回线实验仪包括样品测试箱和 LCD 智能测试仪两个 部分

22、。1. 样品测试箱 (面板如附图 1所示 (1励磁信号源:正弦波,频率连续可调 20200Hz 连续可调, 4位数码 管显示, 幅度可用波段开关分 10档可调。 (2采样电阻 R 1:二盘电阻箱:(010 (1+0.1,步长 0.1。 (3积分电阻 R 2:二盘电阻箱:(010 (10+1k,步长 1k 。 (4积分电容 C :二盘电容箱:(010 (1+0.1F ,步长 0.1F 。附图 1 样品测试箱面板图 7 实验测量曲线 10(5红色磁环为软磁材料,蓝色磁环为硬磁材料 . 截面 S =124mm2,平均磁路长 度 L =130mm, N 1 =N 2 =100匝。2. LCD智能测试仪

23、 (面板如附图 2所示 (1功能:微电脑控制, 240128点阵 LCD 显示,触式键盘开关;自动 连续和逐点步进测量磁环样品的用初始磁化曲线和动态磁滞回线,测量步长 可设置;由示波器和点阵 LCD 显示曲线和和剩磁、矫顽力等参数;实验数据 及输入参数可保存和随时调用; 通过改变励磁信号的幅度, 自动测量并在 LCD 显示磁滞回线簇 (110条磁滞回线 ; LCD 显示的曲线可通过按键放大或缩小; 在测量过程中, 能自动调节坐标的显示范围, 以确保任何测量点均显示在 LCD 内;可通过按键移动光标逐点查询磁滞回线的 B 或 H 值,并在磁滞回线上用 “加亮”方式显示该点。(2键盘功能键面标注“

24、 0-9”数字 /“中文”或“ A-X ” 字母 /“中文” ,其中“ 0-9”数 字或 ” A-X ” 字母是该键的代码,而“中文”表示该键的功能。“复位”键:LCD 显示“欢迎使用智能磁滞回线实验仪,佛山科学技术学院研制” , LCD 右下方显示可以响应的按键代码,如“ S D”,表示当前可 响应“ S/预置” 、 “ D/确定”键,其他键当前暂不响应。 附图 2 LCD 智能测试仪面板“S/预置”键：通过“ 0/+1”“1/-1”“2/左移”， ， “3/右移”键来设置磁 样品“磁路长度、横截面积、励磁线圈匝数、测量线圈匝数”和“取样电阻 R1、积分电阻 R2、积分电容 C”等参数，以便微电脑可以根据实验数据计算 B 或 H 值，描绘磁滞回线或磁化曲线。参数设置后，按“D/确定”键存贮设置 参数。 “D/确定”键：确认“预置参数