磁滞回线的研究.docx

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磁滞回线的研究

一、实验目的

1.认识铁磁物质的磁化规律，比较两种典型的铁磁物质的动态磁化特性。

2.测定样品的基本磁化曲线，作μ－H曲线。

3.测定样品的HC、Br、Bm和（Hm·Bm）等参数。

4.测绘样品的磁滞回线，估算其磁滞损耗。

二、实验原理

铁磁物质是一种性能特异，用途广泛的材料。

铁、钴、镍及其众多合金以及含铁的氧化物（铁氧体）均属铁磁物质。

其特征是在外磁场作用下能被强烈磁化，故磁导率μ很高。

另一特征是磁滞，即磁化场作用停止后，铁磁质仍保留磁化状态，图1为铁磁物质的磁感应强度B与磁化场强度H之间的关系曲线。

图中的原点O表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B＝H＝O，当磁场H从零开始增加时，磁感应强度B随之缓慢上升，如线段oa所示，继之B随H迅速增长，如ab所示，其后B的增长又趋缓慢，并当H增至HS时，B到达饱和值BS，oabs称为起始磁化曲线。

图1表明，当磁场从HS逐渐减小至零，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“O”点，而是沿另一条新的曲线SR下降，比较线段OS和SR可知，H减小B相应也减小，但B的变化滞后于H的变化，这现象称为磁滞，磁滞的明显特征是当H＝O时，B不为零，而保留剩磁Br。

当磁场反向从O逐渐变至－HD时，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，必须施加反向磁场，HD称为矫顽力，它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力，线段RD称为退磁曲线。

图1还表明，当磁场按HS→O→HD→-HS→O→HD´→HS次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线

变化，这闭合曲线称为磁滞回线。

所以，当铁磁材料处于交变磁场中时（如变压器中的铁心），将沿磁滞回线反复被磁化→去磁→反向磁化→反向去磁。

在此过程中要消耗额外的能量，并以热的形式从铁磁材料中释放，这种损耗称为磁滞损耗，可以证明，磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。

应该说明，当初始态为H＝B＝O的铁磁材料，在交变磁场强度由弱到强依次进行磁化，可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线，如图2所示，这些磁滞回线顶点的连线称为铁磁材料的基本磁化曲线，由此可近似确定其磁导率

，因B与H非线性，故铁磁材料的μ不是常数而是随H而变化（如图3所示）。

铁磁材料的相对磁导率可高达数千乃至数万，这一特点是它用途广泛的主要原因之一。

可以说磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料分类和选用的主要依据，图4为常见的两种典型的磁滞回线，其中软磁材料的磁滞回线狭长、矫顽力、剩磁和磁滞损耗均较小，是制造变压器、电机、和交流磁铁的主要材料。

而硬磁材料的磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁强，可用来制造永磁体。

观察和测量磁滞回线和基本磁化曲线的线路如图五所示。

待测样品为EI型矽钢片，N为励磁绕组，n为用来测量磁感应强度B而设置的绕组。

R1为励磁电流取样电阻，设通过N的交流励磁电流为i，根据安培环路定律，样品的磁化场强

L为样品的平均磁路

∵

（1）

（1）式中的N、L、

均为已知常数，所以由

可确定H。

（2）

在交变磁场下，样品的磁感应强度瞬时值B是测量绕组n和

电路给定的，根据法拉第电磁感应定律，由于样品中的磁通φ的变化，在测量线圈中产生的感生电动势的大小为

（2）

S为样品的截面积。

如果忽略自感电动势和电路损耗，则回路方程为

式中

为感生电流，U2为积分电容C2两端电压设在Δt时间内，i2向电

容

的充电电量为Q，则

如果选取足够大的R2和C2，使

，则

∵

（3）

由

（2）、（3）两式可得

（4）

上式中C2、R2、n和S均为已知常数。

所以由U2可确定B0

综上所述，将图5中的U1和U2分别加到示波器的“X输入”和“Y输入”便可观察样品的B－H曲线；如将U1和U2加到测试仪的信号输入端可测定样品的饱和磁感应强度BS、剩磁Br、矫顽力HD、磁滞损耗〔BH〕以及磁导率µ等参数。

三、实验内容

1.电路连接：

选样品1按实验仪上所给的电路图连接线路，并令R1＝2.5Ω，“U选择”置于O位。

UH和U2（即U1和U2）分别接示波器的“X输入”和“Y输入”，插孔⊥为公共端。

2.样品退磁：

开启实验仪电源，对试样进行退磁，即顺时针方向转动“U选择”旋钮，令U从0增至3V，然后逆时针方向转动旋钮，将U从最大值降为O，其目的是消除剩磁，确保样品处于磁中性状态，即B＝H＝0，如图6所示。

3.观察磁滞回线：

开启示波器电源，令光点位于坐标网格中心，令U＝2.2V，并分别调节示波器x和y轴的灵敏度，使显示屏上出现图形大小合适的磁滞回线（若图形顶部出现编织状的小环，如图7所示，这时可降低励磁电压U予以消除）。

4.观察基本磁化曲线，按步骤2对样品进行退磁，从U＝0开始，逐档提高励磁电压，将在显示屏上得到面积由小到大一个套一个的一簇磁滞回线。

这些磁滞回线顶点的连线就是样品的基本磁化曲线，借助长余辉示波器，便可观察到该曲线的轨迹。

5.观察、比较样品1和样品2的磁化性能。

6.测绘μ－H曲线：

仔细阅读测试仪的使用说明，接通实验仪和测试仪之间的连线。

开启电源，对样品进行退磁后，依次测定U＝0.5，1.0…3.0V时的十组Hm和Bm值，作μ～H曲线。

7.令U＝3.0V，R1＝2.5Ω测定样品1的

和［BH］等参数。

8.取步骤7中的H和其相应的B值，用坐标纸绘制B－H曲线（如何取数？

取多少组数据？

自行考虑），并估算曲线所围面积。

以上磁滞回线基本实验内容均可以由TH－MHC型智能磁滞回线测试仪完成，KH－MHC型智能磁滞回线测试仪除可以完成磁滞回线基本实验内容外，还具有与PC机数据通讯的功能。

用配带的串行通讯线将测试仪后面板上的RS-232串行输出口与PC机的一个串行口相连接，在PC机中运行PCCOM.EXE程序，计算机就可以读取测试仪采集的数据信号，将实验数据保存在硬盘里，并可以在计算机显示屏上显示磁滞回线和其他曲线，详细使用说明参见附录Ⅱ。

四、实验记录

表一基本磁化曲线与µ－H曲线

U（V）

H×103安/米

B×10特斯拉

µ＝B/H享利/米

0.5

1.0

1.2

1.5

1.8

2.0

2.2

2.5

2.8

3.0

表二.B-H曲线Hc=Br=Bm=[BH]=U=

H×103A/m

B×10T

H×103A/m

B×10T

H×103A/m

B×10T

附录Ⅰ

TH－MHC型智能磁滞回线测试仪

使用说明书

磁滞回线实验组合仪分为实验仪和测试仪两大部分

一、实验仪

配合示波器，即可观察铁磁性材料的基本磁化曲线和磁滞回线。

它由励磁电源、试样、电路板以及实验接线图等部分组成。

1．励磁电源

由220V，50Hz的市电经变压器隔离、降压后供试样磁化。

电源输出电压共分11档，即0、0.5、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8和3.0V，各档电压通过安置在电路板上的波段开关实现切换。

2．试样

样品1和样品2为尺寸（平均磁路长度L和截面积S）相同而磁性不同的两只EI型铁芯，两者的励磁绕组匝数N和磁感应强度B的测量绕组匝数n亦相同。

N＝50，n＝150，L＝60mm，S＝80mm2。

3．电路板

该印刷电路板上装有电源开关、样品1和样品2、励磁电源“U选择”和测量励磁电流（即磁场强度H）的取样电阻“R1选择”、以及为测量磁感应强度B所设定的积分电路元件R2、C2等。

以上各元器件（除电源开关）均已通过电路板与其对应的锁紧插孔连接，只需采用专用导线，便可实现电路连接。

此外，设有电压UB（正比于磁感应强度B的信号电压）和UH（正比于磁场强度H的信号电压）的输出插孔，用以连接示波器，观察磁滞回线波形和连接测试仪作定量测试用。

4．实验接线示意图如图1所示

二、测试仪

图2所示为测试仪原理框图，测试仪与实验仪配合使用，能定量、快速测定铁磁性材料在反复磁化过程中的H和B之值，并能给出其剩磁、矫顽力、磁滞损耗等多种参数。

测试仪面板如图3所示，下面对测试仪使用说明作介绍

1）

参数

L待测样品平均磁路长度L＝60mm。

S待测样品横截面积S＝80mm2。

N待测样品励磁绕组匝数N＝50。

n待测样品磁感应强度B的测量绕组匝数n＝150。

R1励磁电流iH取样电阻，阻值0.5～5Ω。

R2积分电阻阻值10K。

C2积分电容容量20µf。

UHC正比于H的有效值电压，供调试用。

电压范围（0～1V）。

UBC正比于B的有效值电压，供调试用。

电压范围（0～1V）。

2）瞬时值H与B的计算公式:

3）测量准备

先在示波器上将磁滞回线显示出来，然后开启测试仪电源，再接通与实验仪之间信号连线。

4）测试仪按键功能

（1）功能键：

用于选取不同的功能，每按一次键，将在数码显示器上

显示出相应的功能。

（2）确认键：

当选定某一功能后，按一下此键，即可进入此功能的执行程序。

（3）数位键：

在选定某一位数码管为数据输入位后，连续按动此键，使小数点右移至所选定的数据输入位处，此时小数点呈闪动状。

（4）数据键：

连续按动此键，可在有小数点闪动的数码管输入相应的数字。

（5）复位键（RESET）：

开机后，显示器将依次巡回显示P…8…P…8…的信号，表明测试系统已准备就绪。

在测试过程中由于外来的干扰出现死机现象时，应按此键，使仪器进入或恢复正常工作。

5）测试仪操作步骤

（1）所测样品的N与L值

按RESET键后，当LED显示P…8…P…8…时，按功能键，显示器将显示：

千匝百匝十匝个匝百毫米十毫米个毫米分毫米

这里显示的N＝50匝、L＝60mm为仪器事先的设定值（如要改写上述参数，可参阅附录Ⅰ）。

（2）所测样品的n与S值

按功能键，将显示：

千匝百匝十匝个匝百毫米2十毫米2个毫米2分毫米2

这里显示的n＝150匝、S＝80mm2为仪器事先的设定值（如要改写上述参数，可参阅附录Ⅰ）。

（3）电阻R1值和H与B值的倍数代号

按功能键，将显示：

1Ω0.1Ω0.01ΩH与B值的倍数代号

这里显示的R1＝2.5Ω、H与B值的倍数代号3为仪器事先的设定值（如要改写上述参数，可参阅附录Ⅰ）。

注：

H与B值的倍数是指其显示值需乘上的倍数

倍数代号倍数及单位

1×10安/米

2×102安/米

H值倍数3×103安/米

4×104安/米

5×105安/米

倍数代号倍数及单位

1×10-1特斯拉

2×1特斯拉

B值倍数3×10特斯拉

4×102特斯拉

5×103特斯拉

（4）电阻R2、电容C2值

按功能键，将显示：

10K1K0.1K10μf1μf0.1μf

这里显示的R2＝10KΩ、C2＝20μf为仪器事先的设定值（如要改写上述参数，可参阅附录Ⅰ）。

注：

N、L、n、S、R1、R2、C2、H与B值的倍数代号等参数可根据不同要求进行改写，并可通过SEEP操作存入串行EEROM中，掉电后数据仍可保存。

（5）定标参数显示（仅作调试用）

按功能键，将显示：

按确认键，将显示UHC和UBC电压值。

注：

1、无输入信号时，禁止操作此功能键。

2、显示值不能大于1.0000，否则必须减小输入信号。

（6）显示每周期采样的总点数和测试信号的频率。

按功能键，将显示：

按确认键，将显示出每周期采样的总点数n和测试信号的频率f。

（7）数据采样按功能键将显示：

按确认键后，仪器将按步序（6）所确定的点数对磁滞回线进行自动采样，显示器显示为：

若测试系统正常，稍等片刻后，显示器将显示“GOOD”，表明采样成功，即可进入下一步程序操作。

如果显示器显示“BAD”表明系统有误，查明原因并修复后，按“功能”键，程序将返回到数据采样状态，重新进行数据采样。

（8）显示磁滞回线采样点H与B的值

连续按两次功能键，将显示：

每按二次确认键，将显示曲线上一点的H与B的值（第一次显示采样点的序号，第二次显示出该点H和B之值），采样总点数参照步序（6），H与B值的倍数参照步序（3）。

显示点的顺序，是依磁滞回线的第4、1、2和3象限的顺序进行，否则，说明数据出错或采样信号出错。

若在进行第（7）步序中只按功能键而未按确认键（表明未完成数据采样就进入第（8）步序，此时将显示：

“NODATA”，表明系统或操作有误）。

（9）显示磁滞回线的矫顽力HC和剩磁Br

按功能键，将显示：

按确认键，将按步序（3）所确定的倍数显示出HC与Br之值。

（10）显示样品的磁滞损耗

按功能键，将显示：

按确认键，将按步序（3）所确定的单位显示样品磁滞回线面积。

磁滞损耗的计算公式：

W＝∫sHdb单位为H×B×103焦耳/米3（单位参照步序（3））

（11）显示H与B的最大值Hm与Bm

按确认键，将按步序（3）所确定的倍数显示出Hm与Bm之值。

（12）显示H与B的相位差

按功能键，将显示：

按确认键,如显示为:

上例显示表示，H与B的相位差是25.5°，在相位上UH超前UB。

（13）与PC联机测试操作

按功能键，将显示：

按确认键，进入联机状态（参阅附录Ⅱ）

（14）UHC电压校准操作（调试时用）

按功能键，将显示：

（15）UBC电压校准操作（调试时用）

（16）SEEP操作（数据存入EEPROM－93C46）

按功能键，将显示：

方法：

在H显示器的最高两位上写入存入码“96”；

按确认键，片刻后，回显“85”，说明数据已存入EEPROM中。

（17）程序结束

按功能键，将显示：

注意事项：

1、如按仪器事先设定值输入N、L、n、S、R1、R2、C2、H与B的倍数代号等参数，则不必按确认键；如要改写上述参数，则改写后，务必按确认键，才能将数据输入。

2、按常规操作至步序（12）（显示H与B的相位差）后，磁滞回线采样数据将自动消失，必须重新进行数据采样。

3、测试过程中如显示器显示“COU”字符，表示应继续按动功能键。

附录Ⅰ数位键和数据键操作

若改写样品的某项参数，如将N＝50匝，L＝60mm改写N＝100匝，L＝80mm，可按如下步骤进行。

按功能键，显示器将显示

千匝百匝十匝个匝百毫米十毫米个毫米分毫米

1、将N由50匝改写为100匝

按动数位键，使位于B窗口数据框内“个毫米”处的小数点右移至“分毫米”处；再按动数位键，使小数点渐次移入H窗口“百匝”（即数据输入位）处。

按动数据键，将小数点位处数码管数字“0”改写为“1”

再按动数位键，使小数点右移一位至“十匝”处（数据输入位）。

按动数据键，将小数点位处数码管数字“5”改写为“0”

再按动数位键，使小数点右移一位至“个匝”处。

至此，样品匝数已由50改写为100。

2、将L由60mm改写为80mm

操作方法同上

连续按动数位键，使小数点由H窗口的“个匝”处右移至B窗口“十毫米处”（数据输入位）。

按动数据键，将小数点位处的数码管数字“6”改写为“8”

再按动数位键，使小数点右移一位至“个毫米”处

至此，样品平均磁路长度L已由60改写为80。

3、按确认键，当显示器显示“1”，表明修改后的N、L值已输入。

4、若要将改写后的数据存入EEPROM中，请参阅操作步序（16）。

实验数据及绘图

表一基本磁化曲线与µ－H曲线

U（V）

H×103安/米

B×10特斯拉

µ＝B/H×10－2享利/米

0.5

0.054

0.061

1.12963

1.0

0.095

0.107

1.126316

1.2

0.123

0.127

1.03252

1.5

0.182

0.161

0.884615

1.8

0.239

0.186

0.778243

2.0

0.283

0.201

0.710247

2.2

0.328

0.215

0.655488

2.5

0.402

0.233

0.579602

2.8

0.471

0.247

0.524416

3.0

0.530

0.256

0.483019

表二.B-H曲线Hc=0.048×103安/米Br=0.083×10T

Bm=0.159×10T[BH]=267JU=1.5V

H×103A/m

B×10T

H×103A/m

B×10T

H×103A/m

B×10T

0.002

-0.084

0.175

0.159

-0.086

-0.094

0.023

-0.059

0.140

0.150

-0.114

-0.123

0.039

-0.029

0.095

0.136

-0.145

0.049

0.004

0.054

0.118

-0.169

-0.158

0.060

0.040

0.015

0.096

-0.179

-0.163

0.075

0.074

-0.013

0.070

-0.160

-0.159

0.098

0.106

-0.032

0.042

-0.118

-0.147

0.135

0.137

-0.045

0.009

-0.075

-0.131

0.158

0.150

-0.055

-0.025

-0.031

-0.108

0.175

0.158

-0.067

-0.060

-0.087

B-H曲线

基本磁化曲线

µ－H曲线

李林执笔

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