GB/T 29628-2013 相关标准英文版PDF
| 标准号码 | 价格美元 | 第2步(购买) | 交付天数 | 标准名称 |
| GB/T 29628-2013 | 390 | GB/T 29628-2013 | 3秒自动 | 永磁(硬磁)脉冲测量方法指南 |
| 基本信息 | |
|---|---|
| 标准编号 | GB/T 29628-2013 (GB/T29628-2013) |
| 中文名称 | 永磁(硬磁)脉冲测量方法指南 |
| 英文名称 | Guides for methods of measurement of the magnetic properties of permanent (magnetically hard) materials by pulsed field magnetometry |
| 行业 | 国家标准 (推荐) |
| 中标分类 | K14 |
| 国际标准分类 | 29.100.01 |
| 字数估计 | 17,171 |
| 引用标准 | GB/T 2900.60; GB/T 3217; GB/T 9637; IEC 60050-151 |
| 采用标准 | IEC TR 62331-2005, NEQ |
| 标准依据 | 国家标准公告2013年第10号 |
| 发布机构 | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会 |
| 范围 | 本标准规定了用永磁脉冲测量仪测量永磁(硬磁)材料磁性能的方法。本标准适用于稀土钴、稀土铁硼等内禀矫顽力较高的永磁材料的磁性能测量。本标准规定的方法是一种开磁路测量方法, 永磁材料磁性能在闭合磁路下的测量方法在GB/T 3217中规定。本标准和GB/T 3217两种方法对同一测试对象的测量曲线比对参见附录A。 |
GB/T 29628-2013: 永磁(硬磁)脉冲测量方法指南
ICS 29.100.01
K14
中华人民共和国国家标准
永磁(硬磁)脉冲测量方法指南
2013-07-19发布
2013-12-02实施
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会发布
目次
前言 Ⅲ
引言 Ⅳ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语和定义 1
4 测量原理 1
5 试样尺寸 2
6 基本构成 2
7 温度的影响 8
8 校准 8
9 复现性 10
10 试验报告 10
附录A(资料性附录) 测量比对 11
参考文献 12
前言
本标准按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。
本标准使用重新起草法参考IEC TR62331:2005《脉冲磁场磁性测量方法》编制,本标准与
IEC TR62331:2005的一致性程度为非等效。
本标准由中国电器工业协会提出。
本标准由全国电工合金标准化技术委员会(SAC/TC228)归口。
本标准主要起草单位:中国计量科学研究院、桂林电器科学研究院、中国计量学院、天津三环乐喜新
材料有限公司、宁波金鸡钕铁硼强磁材料有限公司、宁波科田磁业有限公司、宁波盛事达磁业有限公司。
本标准主要起草人:贺建、舒康颖、谢永忠、林安利、刘伍利、胡元虎、王育平、范雯、郑志受、王占国、
王学林。
引 言
GB/T 3217《永磁(硬磁)材料磁性试验方法》推荐使用电磁铁作为闭磁路磁化装置,建议电磁铁的
极头采用饱和磁极化强度高、磁导率高的软磁材料制造,并且要求测量过程中极头中的磁通密度应比其
饱和磁通密度低得多。然而即使使用目前比较好的铁钴合金制造极头,其饱和磁极化强度也只能达到
2.45T,即最大磁场只能达到1950kA/m,而很多稀土永磁体的内禀矫顽力(HcJ)大于2000kA/m,因
而在测量过程中电磁铁的极头会达到过饱和状态,使得测量结果存在较大的误差甚至测量根本无法进
行,对于这类材料应采用能够产生更高磁场强度的测量方法。
具备超导磁化装置的振动样品磁强计可以产生(6400~8000)kA/m的准静态磁场,但由于技术复
杂、购置和维护成本很高,同时要求使用液氦降温的低温环境,限制了这种方法的应用范围。
采用常规导电材料制成的脉冲磁场发生装置,通过限制脉冲宽度可使线圈产生的热效应降低到可
以接受的水平,从而获得高强磁场。使用脉冲磁场获得(16000~24000)kA/m高磁场的成本,远远低
于超导磁化装置获得4000kA/m磁场所需的费用,因此可以以较低成本满足现有所有类型永磁材料
的测量。
由于脉冲磁场会引起动态效应,在应用永磁脉冲测量方法时必须充分考虑样品内部涡流带来的
影响。
永磁脉冲测量仪的设计和制造相对较为复杂,但其技术与其他测量方法相比有许多优点,尤其是解
决了GB/T 3217方法对于内禀矫顽力高于2000kA/m的稀土永磁体无法准确测量的问题。通过出版
本标准,将会有更多技术工作者采用该方法,这也许是其成为国际标准的第一步。
永磁(硬磁)脉冲测量方法指南
1 范围
本标准规定了用永磁脉冲测量仪测量永磁(硬磁)材料磁性能的方法。
本标准适用于稀土钴、稀土铁硼等内禀矫顽力较高的永磁材料的磁性能测量。
本标准规定的方法是一种开磁路测量方法,永磁材料磁性能在闭合磁路下的测量方法在GB/T 3217
中规定。本标准和GB/T 3217两种方法对同一测试对象的测量曲线比对参见附录A。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文
件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 2900.60 电工术语 电磁学[IEC 60050(121)]
GB/T 3217 永磁(硬磁)材料磁性试验方法(IEC 60404-5)
GB/T 9637 电工术语 磁性材料与元件[IEC 60050(221)]
3 术语和定义
GB/T 2900.60、GB/T 3217、GB/T 9637和IEC 60050(151)界定的术语和定义适用于本文件。
4 测量原理
永磁脉冲测量方法的基本原理是利用磁场发生器产生的强脉冲磁场磁化待测试样,记录并处理磁
场强度和试样磁化状态,从而获得磁滞回线。测量原理参见图1。
注:实际仪器中试样处于测试线圈内,测试线圈位于磁化螺线管内。
图1 永磁脉冲测量方法的基本原理
图1中,磁场由电容器组、半导体控制电路、磁化螺线管等组成的脉冲磁场发生电路产生。测量过
程中,试样处于测试线圈内,测试线圈位于磁化螺线管内,被测试样在脉冲磁场的作用下被磁化。测试
线圈分为磁极化强度测试线圈(J线圈)和磁场强度测试线圈(H线圈),分别感应试样的磁极化强度和
试样所处磁场强度。线圈的输出电压是磁通量Φ对时间的微分。两测试线圈的输出电压经积分、模数
转化过程后分别得到磁极化强度和磁场强度信号,将这两个过程称为“J”通道和“H”通道。两通道信号
组合,即获得J(H)磁滞回线。
由于测量过程是在开磁路下进行,应对测得的磁滞回线作自退磁效应修正;同时,对于导电性试样,
在脉冲磁场的作用下,磁体内部会产生涡流,涡流效应影响永磁体的测量,因此还应对测量结果作涡流
效应修正处理,才可得到等同于静态、闭磁路下的内禀J(H)磁滞回线。
5 试样尺寸
本标准中所有结果是基于尺寸范围在最大直径30mm、最大长度25mm到最小直径5mm、最小
长度5mm的圆柱形试样得出的。但试样在开磁路中测量,所以对试样的尺寸并没有直接限制,若涡流
效应能得到补偿、测试仪器的设计满足磁场均匀区等要求,则大小试样均可测量。
6 基本构成
6.1 测试的软、硬件条件
永磁脉冲测量方法应具备以下软、硬件条件:
---磁场发生器;包括:
● 电容放电电源;
● 磁化螺线管。
---磁极化强度和磁场强度测试线圈;
---数据采集和数字化设备;包括:
● 积分器;
● 数字化设备。
---具备以下功能的数据处理软件:
● “零信号”处理;
● J(H)磁滞回线的定位;
● 自退磁修正;
● 低通滤波;
● 涡流修正。
6.2 磁场发生器
6.2.1 概述
施加给试样的磁场由磁场发生器提供。该发生器由电源和磁化螺线管组成。电源为螺线管提供磁
化电流,从而产生磁场。
6.2.2 电容放电电源
6.2.2.1 电容放电
电源通常为一个能提供电压400V~10000V(典型范围:1000V~3000V)、电流1000A~
40000A(典型范围:5000A~20000A)的电容放电电源,具有正负极性。
电容放电是利用一段相对较长的时间对电容器充电使电能积累,而在极短的时间内从低阻抗源放
出高电流的过程。
电容储存能量为:
E=12CU
0 (1)
式中:
E---能量,单位为焦耳(J);
C---电容,单位为法拉(F);
U0---电容器电压,单位为伏特(V)。
为降低仪器制造成本,应以最小的电容能量达到所要求的磁场性能。电容放电系统的电容和能量
应与磁化螺线管相匹配,以获得所期望的磁场峰值、磁场空间、磁场均匀性、脉冲宽度等。仪器能达到的
最大磁场强度与电流密度成正比,比例因子取决于磁化螺线管的几何形状。
电容放电推荐以正弦波(衰减)方式进行,电路示意图见图2。
图2 正弦波(衰减)电路示意图
螺线管电流I(t)决定磁场强度:
I(t)=U0ωL
·e-βtsinωt (2)
其中角频率:
ω= 1LC-
R2
4L2
(3)
阻尼系数:
β=
2L
(4)
式中:
R---放电回路电阻,单位为欧姆(Ω);
L---放电回路电感,单位为亨利(H)。
由于电流在磁化螺线管中存在阻抗损失,阻尼系数β决定了电流反向时磁化螺线管能够产生的场
强减少量。为了获得足够的反向磁场,应将正向磁场提升到足够高的水平。正弦波方式具有正负磁场
转换连续、避免间断的优点,这一点对于需要涡流修正的导电磁体的测量而言非常重要。
6.2.2.2 电容充电电压的重复性
在能量足以使试样磁化饱和的条件下,电容充电电压的重复性相对并不重要。唯一对电压重复性
敏感的是“零信号”的修正(见6.5.2)。±1%的电压重复性较容易实现,达到该水平就不会对“零信号”
的修正带来影响。一般情况下,电压重复性能够达到±0.1%。
6.2.3 磁化螺线管
6.2.3.1 磁场强度峰值
磁化螺线管的阻抗能够影响磁场强度的大小。磁化螺线管产生的磁场强度峰值应使试样在正反两
个方向达到磁化饱和,并应有+10%余量。所需的磁场强度取决于试样的材料、取向和自退磁因子。
6.2.3.2 尺寸
磁化螺线管应有一定的容积,以便能载入试样和测试线圈系统。
6.2.3.3 磁场均匀性
在整个试样所在区域内磁场均匀度应在±1%之内。
6.2.3.4 磁场频率
磁场对时间变化率dH/dt应尽可能低,以避免导电性样品产生较大涡流,同时便于涡流效应的
修正。
6.3 磁极化强度和磁场强度测试线圈
6.3.1 概述
永磁脉冲测量方法使用测试线圈感应试样的磁极化强度和试样所处磁场强度的值。测试线圈
包括:
---磁极化强度测试线圈(J线圈);
---磁场强度测试线圈(H线圈)。
6.3.2 J线圈
J线圈由测试线圈和补偿线圈串联反接构成。测试线圈和补偿线圈有相等的安匝数,而与试样的
耦合程度不同,因而测得的是试样的磁极化强度而不包含磁场信号。图3所示J线圈模型称为“同轴J
线圈”,补偿线圈在外层,截面积较大,其匝数相应地较少,测试线圈置于补偿线圈之内,补偿线圈与测试
线圈串联反接。试样置于测试线圈之内并与之强烈耦合,其感应电压与试样磁极化强度对时间的微分
成正比。实际测量中,J线圈感应到的磁通信号除主要来自于试样的磁极化强度,同时还包括“零信号”
和涡流等因素产生的信号。
注:两个线圈的安匝数不会绝对相等,须对其进行适当修正。修正的方法可采用机械调整或电路补偿,但无论如
何,不能损害测量过程中测试线圈输出信号的完整性。
基于上述原理,对J线圈在几何外形上作改进或者采用其他形状的J线圈是可行的。
理想状况下,J线圈信号在样品允许放置的空间内应一致性良好,即当被测试样材质均匀时,J线圈
输出信号应严格与试样体积成正比。上述要求的目的是使所测得的磁极化强度信号不受试样的形状和
位置影响。一般情况下,J线圈的均匀性应优于±1%。
6.3.3 H线圈
H线圈可由一个或多个线圈构成,线圈与试样所处的磁场强度耦合,但不能受到试样磁通的影响。
H线圈应置于J线圈所处同一结构上。
图3 J线圈模型
6.4 数据采集和数字化设备
6.4.1 概述
测试线圈的输出信号与感应磁通对时间的微分成正比。
H线圈的输出电压:
UH ∝dHdt
(5)
J线圈的输出电压:
UJ∝dJdt
(6)
为了得到J和H 信号,应将上述电压作积分处理。
6.4.2 模拟积分和模数转化
从测试线圈输出的信号首先输入模拟积分器积分。模拟积分器有非常宽的动态输入范围,非常适
合在很宽的磁场强度范围处理试样磁极化强度对时间的微分信号。积分器的输出信号再送至模数转换
器(ADC)进行模数转化。
6.4.3 模数转换速率
模数转换应有足够高的速率以便在最小的数据密度区域即试样的内禀矫顽力附近获得足够的数据
点。该区域,即当dΦ/dt最大时,所要求的转换速率取决于外加磁场的dH/dt值以及试样的自身磁特
性。磁化场为正弦波(周期50ms)时,推荐的磁场强度采样速率为2×105 次/s,分辨率应至少为12位。
6.5 数据处理
6.5.1 概述
H线圈和J线圈的输出信号分别经积分和模数转化后,成为测量结果的原始数据。这些数据还需
经过去除“零信号”、磁滞回线的居中定位、自退磁效应的修正、降噪滤波等数据处理过程,成为测量
结果。
经过上述处理的J信号标绘同步的H 信号,可获得J(H)磁滞回线,B(H)磁滞回线可通过J(H)
磁滞回线转换获得。
对于导电性永磁试样测量结果,需对涡流产生的影响加以修正。
6.5.2 “零信号”
在不载入试样的情况下进行一次永磁脉冲测量,此时系统获得的表观磁极化强度信号,一般称为
“零信号”。对于一个精确设计和制作的测试系统,该信号与试样产生的信号相比应较小并具有很好的
重复性。
“零信号”是由磁化螺线管导电材料内的涡流和磁化场区域内的其他因素造成的。在不同的磁场强
度下,该信号的幅值和波形都会不同。
在样品测量前,应预先测量相同磁场条件下无样品时的“零信号”,样品测量结果扣除此“零信号”后
方可进入下一步数据处理。
如果“零信号”占整个测量信号的1%,两次测量“零信号”的变化为10%,则“零信号”造成的磁极化
强度J测量误差约为0.1%。
6.5.3 J(H)磁滞回线的定位
虽然外加磁场是从零开始增加,最后回到零,但试样的初始磁极化强度是未知的(初始磁极化强度
信号与试样的磁化状态有关),因此需对回线作定位处理。确保试样在正反向均达到磁化饱和,则正、负
剩余磁极化强度值之间的中点可认为J=0。
6.5.4 自退磁修正
永磁脉冲测量方法采用开磁路测量。为了获得试样的内禀磁特性,应采用自退磁因子对测试结果
修正。这也是所有开磁路测量方法共同面对的问题。自退磁因子取决于试样的几何尺寸及其材料的磁
导率。通过采用适当的自退磁因子对原始数据进行修正,可获得等效于闭路测量的J(H)回线。
为了减少自退磁修正带来的误差和得到良好的测量复现性,可限制试样为圆柱、方块、圆球等具有
明确自退磁因子依据的形状。圆柱、方块试样的自退磁因子值表可从参考文献 [1]、[2]获得。
任何采用永磁脉冲测量技术测量的试验结果应声明是否进行了自退磁修正,并告知自退磁修正所
采用的自退磁因子。
6.5.5 滤波
为降低系统噪声的影响,一般应对信号进行滤波处理,特别是测量小尺寸试样时。
滤波器可以是模拟的、实时(电子)滤波器或数字(软件)低通滤波器。滤波器不应产生相移,并有适
当的截止频率。截止频率不能太低,以免使测量显著失真。
所有带低通滤波器的测量系统应可在无滤波器下操作,滤波器的截止频率应可调。
6.5.6 涡流
6.5.6.1 概述
导电性永磁材料在脉冲磁场的作用下会产生涡流。这些涡流反过来会产生磁场,进而影响测量过
程和结果。对于给定的导电性试样,在磁场波形和幅值确定的情况下,涡流随着磁场频率的增加而增
加。涡流效应对测量过程的影响可分为表1所列的4个等级。
表1 涡流的影响分级
EC0 涡流较小,测量中涡流产生的磁场与试样的磁极化强度相比可忽略
EC1
涡流产生的磁场与试样的磁极化强度相比不可忽略,但不足以影响在测量中试样内磁场的分
布,也不足以对试样磁极化强度产生较大影响
EC2
涡流产生的磁场与试样的磁极化强度相比不可忽略,足以影响在测量中试样内磁场的分布,
但不足以阻止磁化场完全穿透试样
EC3
涡流产生的磁场与试样的磁极化强度相比不可忽略,足以影响在测量中试样内磁场的分布,
也足以阻止磁化场在试样某些部分的完全穿透
本标准描述的永磁脉冲测量方法仅限于涡流效应影响范围在EC0和EC1级别。
对于EC0级的涡流效应可采用降低脉冲磁场频率尽量降低涡流效应,而不作数据处理;对于EC1
级的涡流效应则需要通过实测消除涡流效应的影响。
6.5.6.2 低频磁场降低涡流影响(EC0)
导电体内部产生的涡流为:
×jeddy=-σdBdt
(7)
式中:jeddy为涡流密度(矢量);σ为试样电导率。
对于给定的磁性材料类别,限制试样直径和磁场频率可使涡流的影响降低到可忽略的水平。这种
方法的缺点是当试样尺寸较大时,所需磁化场的能量急剧增加,大幅提升了仪器制造成本。
如果已知试样在磁化过程中没有涡流,则不必考虑采用涡流修正。但应注意的是,对于导电磁体,
即使磁场频率很低,仍难以避免微弱的涡流产生,仍会对矫顽力的测量产生百分之几的影响。
6.5.6.3 实测法修正涡流影响(EC1)
涡流与磁场强度变化率、试样的电导率和表面积成正比,并与磁场强度方向垂直。如果用两个频率
不同的脉冲磁场磁化同一试样,则两者产生的涡流效应与其各自的脉冲频率成正比。将较低频率的脉
冲称为HL,较高频率的脉冲称为HH。两次脉冲磁场作用下均产生一个试样磁极化强度与涡流效应
(该效应与脉冲场频率成正比)相叠加的信号,将这两个信号相减,由试样磁极化强度产生的信号将抵
消,仅高频脉冲HH 和低频脉冲HL 产生的涡流效应差保留下来。
ΔError=HH-HL (8)
因为两脉冲场的频率已知,两者带来的涡流误差就能量化,据此扣除涡流带来的影响即可得到静态
曲线(不含涡流效应)。由于是同一试样经历两次脉冲测量,不存在试样因缺陷和材质不均带来的问题,
图4中外层两个磁滞回线为钕铁硼磁体在两种频率脉冲场下测得,最内的回线是通过上述方法拟合且
涡流影响已被扣除的回线,是磁体的真实磁特性。
图4 烧结NdFeB永磁体J(H)回线
7 温度的影响
7.1 试样的温升
由于永磁材料磁性能受温度影响明显,在脉冲测量过程中应考虑试样的温度变化。
试样的温度会因测量过程带来的热效应而上升。一方面,由于试样内部的涡流会产生热量,可使试
样温度升高;另一方面,磁化螺线管的发热也会使其内部的试样温度升高。磁化螺线管的设计应在考虑
最大磁化场的同时考虑螺线管发热导致向试样热传递的因素。磁化螺线管循环冷却系统可以有效减少
试样由于磁化螺线管热传导而带来的温升。
7.2 温度测量
试样温度可由多种方法测定。可采用热电偶与试样直接接触测温的方法;也可采用激光测量温度
的方法,激光通过磁化螺线管底部开孔射向磁体,可以实现温度的非接触测量。
8 校准
永磁脉冲测量仪的校准主要是针对H通道和J通道的校准。
8.1 H通道校准
将H线圈置于一个均匀、静态、经核磁共振磁强计校准的磁场中,快速移出此线圈即可确定测试线
圈和积分器整体的准确性。
8.2 J通道校准
纯镍标样具有确定的理论饱和磁极化强度,其内部产生的涡流与纯铜标样基本相同,且纯镍标样磁
饱和区域内总的涡流与其相对磁导率无关,因此,纯镍标样的饱和磁化状态可用于J通道的校准。
在完全相同的磁场下,分别用永磁脉冲测量仪测量两个形状和尺寸完全相同的纯镍标样和纯铜标
样。使用迭代方法,通过调整纯铜标样涡流比例因子,从纯镍标样测量结果中扣除纯铜标样中的涡流,
直到纯镍标样磁滞回线中饱和区域的涡流影响全部去除。经过如上处理,纯镍标样的理论饱和磁极化
强度可用于J通道的校准。
图5为用永磁脉冲测量仪测得的纯镍标样磁滞回线,饱和区域的曲线形状显示其包含涡流带来的
误差。
图5 用永磁脉冲测量仪测得的纯镍标样(含涡流)的J(H)回线
图6为在相同磁场强度和频率下用脉冲测量方法测量与前述纯镍标样相同形状和尺寸的纯铜标样
的结果。注意图中显示的“表观磁极化强度”是由涡流效应而不是由铁磁效应引起的。
图6 纯铜标样涡流测量结果
图7是纯镍标样在扣除涡流效应影响后的磁滞回线。
图7 经涡流“修正”的纯镍标样的J(H)回线
8.3 使用标准样品校准
工业应用中,可以采用经国家计量部门检定的几何形状简单(圆柱、方块、球体)、磁性能已知的永磁
标准样品,利用其内禀矫顽力和剩磁两项参数分别对仪器的H和J通道进行校准。
9 复现性
使用本标准所描述的方法,并且被测永磁试样内部具有均匀的磁极化强度,则剩磁Br、内禀矫顽力
HcJ、磁感应强度矫顽力 HcB和最大磁能积(BH)max的复现性通常可分别优于1.0%、2.0%、1.5%
和1.5%。
10 试......
英文网页English: GB/T 29628-2013
相关标准: GB/T 29631|GB/T 21220|GB/T 26871|GB/T 13888|GB/T 29628-2013|GB/T 29628|