壓應(yīng)力下鐵鎵合金動態(tài)磁滯曲線的測試與分析*

張 冰,王 琳,浮 翔,徐衛(wèi)星,杜金宇

(1.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院,鄭州 450011; 2.河北工業(yè)大學(xué)省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實驗室,天津 300130)

鐵鎵合金是一種新型的磁致伸縮材料,具有低磁場下應(yīng)變高、應(yīng)力靈敏度高、抗拉強(qiáng)度高和易于加工等優(yōu)點(diǎn),是新型傳感器件和振動發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)材料[1-4]。磁滯特性是衡量鐵鎵材料上述性能的一項重要指標(biāo),它表征鐵鎵材料器件的穩(wěn)定性和可控制性[5]。而電磁損耗是磁致伸縮材料應(yīng)用的一個重要參數(shù),對于提高器件的工作效率具有重要意義[6]。

目前鐵磁材料磁滯曲線的測量方法主要有:示波器法、鐵磁儀法和采樣法等。文獻(xiàn)[7]基于法拉第電磁感應(yīng)定律采用示波器法對鐵磁材料進(jìn)行了測試研究,但沒有對測試出的磁滯曲線進(jìn)行深入的分析。文獻(xiàn)[8]運(yùn)用了基片集成波導(dǎo)諧振腔采樣法測量了微波材料磁滯曲線和磁導(dǎo)率,但此法適用于高損耗材料電磁參數(shù)的測量,不具有普遍的應(yīng)用性。文獻(xiàn)[9]提出一種采用極性變化的直流電壓源來測量鐵磁元件鐵心剩磁通和剩磁系數(shù)的方法,繪制整個過程中的磁通與電流關(guān)系曲線,即可得到鐵心的部分飽和磁滯回線,根據(jù)獲得的飽和磁滯回線來計算鐵心剩磁通和剩磁系數(shù)。文獻(xiàn)[10]利用AMH-1M-S型動態(tài)磁滯特性測試系統(tǒng)測試了鐵鎵合金的動態(tài)磁滯特性,但沒有考慮壓應(yīng)力對鐵鎵合金磁滯特性的影響。文獻(xiàn)[11]基于鐵磁儀法,測試了硅鋼片磁化曲線數(shù)據(jù),計算了基準(zhǔn)模型硅鋼疊片內(nèi)的損耗及磁通,此法的不足在于沒有對硅鋼片的動態(tài)磁滯特性進(jìn)一步的研究。

本文基于安培定律和法拉第電磁感應(yīng)定律,設(shè)計了一套簡易的測試裝置,測試了鐵鎵合金棒在壓應(yīng)力下的動態(tài)磁滯回線,繪制了鐵鎵合金棒在不同壓應(yīng)力和不同磁場頻率下的磁滯曲線,并分析了上述情況下磁滯曲線的變化規(guī)律,同時研究了壓應(yīng)力和磁場頻率對鐵鎵合金棒的矯頑力和電磁損耗的影響。

1 原理和方法

當(dāng)鐵鎵合金棒施加正弦交變磁場H時,產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B也為正弦變化,但由于磁滯的存在,使得磁場強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度存在一定的相位差:

H=Hmcos(ωt)

(1)

B=Bmcos(ωt-δ)

(2)

式中:Hm為磁場強(qiáng)度的峰值;Bm為磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值;ω為角頻率;δ為相位差。

對于磁場強(qiáng)度的測試通過在激磁線圈中通入一定幅值的正弦交流電,由安培定律可得:

(3)

式中:N為激磁線圈的匝數(shù);i為通入激磁線圈的正弦交變電流;L為磁路的總長度。

對于磁感應(yīng)強(qiáng)度的測試運(yùn)用法拉第電磁感應(yīng)定律,即在鐵鎵合金棒上繞制一定匝數(shù)的線圈。當(dāng)鐵鎵合金棒上的外加磁場變化時,線圈中的磁通量就會改變,由法拉第電磁感應(yīng)定律得:

(4)

對式(4)兩邊積分得:

(5)

式中:φ為鐵鎵棒上感應(yīng)線圈的磁通量;N′為鐵鎵棒上感應(yīng)線圈的匝數(shù);S為磁芯的有效截面積;B為棒狀鐵鎵合金上的磁感應(yīng)強(qiáng)度;e為鐵鎵棒上感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓。

鐵鎵合金單位體積電磁損耗[12]:

(6)

式中:f為磁場的頻率;Hm為磁場強(qiáng)度幅值;Bm為磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值;δ為兩者相位差;ω為角頻率。

2 實驗平臺搭建

圖1為鐵鎵合金壓應(yīng)力作用下的磁滯曲線測試裝置。該測試裝置主要由鐵鎵合金棒、激磁線圈、感應(yīng)線圈、壓力傳感器、軛鐵和螺栓構(gòu)成。該裝置的壓力傳感器為湖南長沙紅旗儀器廠生產(chǎn)的,型號為GZB-2型電阻應(yīng)變式壓力傳感器。它采用彈性梁和電阻應(yīng)變片作為敏感轉(zhuǎn)換元件,組成全橋電路進(jìn)行測量,外加SY-2C有源放大器將信號放大到伏數(shù)量級,并由數(shù)字萬用表顯示。其量程為0～150 kg,精度為0.3%,非線性、滯后誤差小于額定載荷的0.2%,重復(fù)性誤差小于0.1%,輸出靈敏度為1 mV/V,分辨能力為額定載荷的0.01%。激磁線圈采用線徑為0.5 mm的漆包線繞制而成,匝數(shù)為250匝。感應(yīng)線圈采用線徑為0.1 mm的漆包線繞制而成,匝數(shù)為40匝。

圖1 壓應(yīng)力下鐵鎵合金磁滯曲線測試裝置

工作原理如下:鐵鎵合金棒處于該裝置的中心,激磁線圈通過外界正弦交流電源,產(chǎn)生一個交變電流,交變電流流過激磁線圈產(chǎn)生交變的磁場。交變的磁場通過鐵鎵合金棒,壓力傳感器(鋼制導(dǎo)磁)和軛鐵形成閉合磁路。鐵鎵合金棒上的感應(yīng)線圈在交變的磁場作用下,會感應(yīng)出電壓,感應(yīng)電壓通過磁通計測試磁通大小,從而可以間接地得到鐵鎵合金棒上的磁感應(yīng)強(qiáng)度。由于激磁線圈緊貼于鐵鎵合金棒上,所以鐵鎵合金棒上的磁場強(qiáng)度大小,近似為激磁線圈產(chǎn)生磁場強(qiáng)度大小。通過調(diào)節(jié)螺栓的松緊程度,來調(diào)整鐵鎵合金棒所受壓應(yīng)力的大小,用壓力傳感器來測試所加壓應(yīng)力具體數(shù)值。通過示波器采集不同壓應(yīng)力下鐵鎵合金棒上磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值,即可繪制出相應(yīng)的磁滯曲線。

3 實驗結(jié)果及分析

圖2為棒狀鐵鎵合金施加16 MPa壓應(yīng)力,磁場頻率分別為20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz和60 Hz得到的一組磁滯曲線。由圖可知,在壓應(yīng)力作用下,棒狀鐵鎵合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約為50 mT,且隨著磁場頻率的增加,棒狀鐵鎵合金的磁滯曲線的面積越寬,對應(yīng)飽和磁場強(qiáng)度也越大。磁場頻率在20 Hz～50 Hz時,頻率對棒狀鐵鎵合金的磁滯曲線影響較小,當(dāng)磁場頻率在50 Hz～60 Hz時,磁場頻率對磁滯曲線影響較大,且磁滯效應(yīng)明顯增強(qiáng)。

圖2 16 MPa壓應(yīng)力不同磁場頻率下的磁滯曲線

圖3為棒狀鐵鎵合金施加25 MPa壓應(yīng)力,磁場頻率分別為20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz和60 Hz得到的一組磁滯曲線。由圖3可知,增大棒狀鐵鎵合金的壓應(yīng)力,在相同磁場頻率下,磁滯曲線的面積減小,對應(yīng)的磁滯效應(yīng)減弱。說明在壓應(yīng)力作用下,達(dá)到相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度,需要外界提供更大的磁場,來抵消外加壓應(yīng)力產(chǎn)生的效果。壓應(yīng)力對磁滯曲線的磁感應(yīng)強(qiáng)度基本無影響,主要是磁場強(qiáng)度相應(yīng)的增大,使得鐵鎵合金的磁導(dǎo)率有所下降。從微觀磁疇學(xué)角度分析可知:外界的壓應(yīng)力,使得棒狀鐵鎵中的磁疇間距減小,磁疇間的摩擦力也相應(yīng)增強(qiáng),故需較大的磁場強(qiáng)度,才能達(dá)到較大的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖3 25 MPa壓應(yīng)力不同磁場頻率下的磁滯曲線

圖4為棒狀鐵鎵合金施加35 MPa壓應(yīng)力,磁場頻率分別為20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz和60 Hz得到的一組磁滯曲線。由圖4可知,當(dāng)棒狀鐵鎵合金的壓應(yīng)力達(dá)到35 MPa時,磁場頻率對于磁滯曲線的影響減弱,不同磁滯曲線幾乎重合到一起。隨著壓應(yīng)力的增大,棒狀鐵鎵合金的磁滯曲線面積不斷減小,磁滯效應(yīng)也在不斷下降。在壓應(yīng)力達(dá)到35 MPa時,棒狀鐵鎵合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約為60 mT,且隨著磁場頻率的增加,棒狀鐵鎵合金的磁滯曲線的面積略有增加。說明在35 MPa壓應(yīng)力作用下,磁疇之間的空隙已經(jīng)減小到了極致,外界磁場頻率對磁疇的運(yùn)動基本無影響。

圖4 35 MPa壓應(yīng)力不同磁場頻率下的磁滯曲線

圖5為棒狀鐵鎵合金在磁場頻率為30 Hz,壓應(yīng)力分別為5.23 MPa,16.57 MPa,29.65 MPa和34.89 MPa得到的一組磁滯曲線。由圖5可知:隨著壓應(yīng)力的增加,磁滯曲線的形狀不斷被壓縮,磁滯曲線的面積越來越小,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的值也越來越小,而對應(yīng)的飽和磁場強(qiáng)度越來越大。從棒狀鐵鎵合金的導(dǎo)磁性角度分析,可知:在相同磁場強(qiáng)度作用下,壓應(yīng)力越大,對應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度也越大,由磁導(dǎo)率的定義可知,壓應(yīng)力越大,棒狀鐵鎵合金磁導(dǎo)率越小,導(dǎo)磁性在下降。但施加較大壓應(yīng)力可以減小棒狀鐵鎵合金的磁滯效應(yīng),有利于減小磁場的滯后性,提高鐵鎵合金的實時性。

圖5 30 Hz不同應(yīng)力下的磁滯曲線

圖6為不同壓應(yīng)力作用下,矯頑力隨磁場頻率的變化關(guān)系曲線。隨著磁場頻率的增加,棒狀鐵鎵合金的矯頑力在不斷地增大,且在相同磁場頻率下,壓應(yīng)力越大,棒狀鐵鎵合金的矯頑力也越大。說明施加壓應(yīng)力,需要外界較大的磁場強(qiáng)度才能使其磁感應(yīng)強(qiáng)度退回到零。施加壓應(yīng)力的棒狀鐵鎵合金,軟磁特性變差。

圖7為不同壓應(yīng)力作用下,電磁損耗隨磁場頻率的變化關(guān)系曲線。由圖7可知:隨著磁場頻率的增加,棒狀鐵鎵合金的電磁損耗不斷增加,且隨著磁場頻率的增大,電磁損耗增加的幅度也越來越大,電磁損耗隨磁場頻率近似指數(shù)形式增加。棒狀鐵鎵合金的壓應(yīng)力越大,在相同磁場頻率下對應(yīng)的電磁損耗也越大。說明棒狀鐵鎵合金在壓應(yīng)力下,磁疇間的空隙減小,在外界磁場作用下,磁疇轉(zhuǎn)動的摩擦和碰撞的阻力增大,相應(yīng)的棒狀鐵鎵合金的電磁損耗增加。在特定壓應(yīng)力下,隨著磁場頻率的增加,棒狀鐵鎵合金的磁疇運(yùn)動的速度加快,導(dǎo)致磁場頻率較高時,對應(yīng)的電磁損耗增大。

圖6 不同壓應(yīng)力不同磁場頻率下的矯頑力曲線

圖7 不同壓應(yīng)力不同磁場頻率下的電磁損耗曲線

4 結(jié)論

①鐵鎵合金棒在恒定壓應(yīng)力作用下,隨著磁場頻率的增加,磁滯曲線的面積在不斷增大,且壓應(yīng)力越大,磁滯曲線隨磁場頻率的變化越小;鐵鎵合金棒在恒定的磁場頻率下,隨著壓應(yīng)力增大,鐵鎵合金棒的磁滯曲線不斷減小,導(dǎo)磁性有所下降。

②鐵鎵合金棒在恒定的壓應(yīng)力下,隨著磁場頻率的增大,矯頑力和電磁損耗也不斷增大;鐵鎵合金棒在恒定的磁場頻率下,隨著壓應(yīng)力的增大,矯頑力和電磁損耗不斷增大的。對鐵鎵合金在受壓環(huán)境下的磁性能研究,為鐵鎵合金傳感器的設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。