。784 北京科技大学学报 第31卷 并提出了几种不同的解决方法.最近“f一2”双频率 C为电容容量，L、R分别为回路中的电感和电阻. 脉冲法逐渐发展成熟，被认为是目前最有效的涡流 半导体控制电路 效应修正方法可， 我国是永磁材料的生产大国，特别是具有优异 测试线圈数据处理 充磁线 磁性能的钕铁硼永磁体，产量已占世界的70%以 上.随着稀土永磁体在高端永磁电机领域应用的不 电容器组 样品 断扩展以及内禀矫顽力的不断提高，准确测量出高 矫顽力永磁体常温磁性能的要求愈加迫切.为此， 图3脉冲磁场测量装置的结构框图 本文建立了一套脉冲磁场测量装置，用于准确测量 Fig 3 Schematic diagram of a pulsed field magnetometer system 高矫顽力永磁体磁性能，并对装置进行了量值溯 由于充磁线圈必然会产生阻抗损失，所以反向 源.通过大量数据对比和方法审核，验证了该套 磁场的峰值会有明显的减少，衰减因数β决定了峰 装置的准确性和符合性.图2给出了利用脉冲磁场 值的改变量.采用全正弦波函数脉冲放电使磁滞回 测量装置测量高矫顽力NdFB永磁体获得的完整 线的测量过程一次完成，避免了曲线不连续的问题， 的磁滞回线，永磁体的内禀矫顽力高达3443kA· m1.与图1中的曲线相比，图2得到的是整个磁滞 这对于涡流修正过程非常重要.下文将会提到，对 于涡流效应而言，脉冲持续时间越长涡流越小，然而 回线，并且当外磁场约大于1592kA·m1时，在第 无限度的增大脉冲时间会提高电容器储能要求，增 1、3象限，磁极化强度曲线没有出现下降的现象：在 加成本.本文介绍的装置中仅配备了2000严F,3000 第2、4象限，磁极化强度曲线也没有出现急剧“塌 V的脉冲电容器，只用一只晶体闸流管完成对其放 陷”的现象. 电的开关控制. 15 给定电容器储能，充磁线圈的电感决定了脉冲 1.0 0.5 宽度.为了获得完整的磁滞回线，脉冲电流的衰减 要足够低，因此将线圈电阻设计为足够小.充磁线 -1.0 圈的设计还考虑到涡流效应的修正，即将线圈分为 -80004000-2000200040006000 两部分，这两部分独立地产生两个磁场用以磁化磁 H/(kA-m) 体，即长脉冲f和短脉冲2f. 图2使用脉冲磁场测量装置测量具有超高内禀矫顽力的 磁场、磁感测量系统的核心部分是测试线圈，包 NFB材料的实验结果 括磁极化强度J和磁场强度H线圈.H线圈经核 Fig.2 Measurement result of a NdFeB magnet with very high coer 磁共振磁强计校准，放在J线圈内，位置靠近测试 civity by using a PFM 样品，同时必须避免受到样品磁通的影响.J线圈 采用文献8所描述，该线圈的设计考虑到了空气磁 2脉冲磁场测量装置的原理 通的补偿以及对样品位置的不敏感性等问题.为了 2.1脉冲磁场测量装置的构成 使零点信号降至最低，还将测试线圈与补偿线圈之 图3所示为脉冲磁场测量装置的结构框图，它 间的匝面积之差，通过电路补偿：将温度对零点的影 由磁场发生电路以及磁场、磁感测量系统两部分组 响，通过温度校准过的电位计来测试并补偿.J线 成.前者主要包括脉冲电容器、闸流晶体管和充磁 圈、H线圈感应得到的电信号，通过磁通积分器转 线圈等：后者主要为感应测量线圈、积分器和数据处 化为磁通信号，进入数据处理程序， 理程序，在实际装置中样品处于测试线圈中心，测 2.2涡流效应修正 试线圈位于充磁线圈之内. NdFeB.SmCo等稀土永磁材料均为导体，将它 脉冲磁场发生电路设计为全正弦波衰减电路， 们置入脉冲磁场中，将会在磁体内部产生涡流效应. 电路中电流1(t)决定了磁场强度的大小，可表示为： 这些涡流反过来会产生感应磁场，影响永磁体的测 量.如何消除涡流效应，一直是脉冲磁场测量仪研 I(t)= () 究者可望解决的问题. 其中，w= NC4,B=R/2L,U0为充磁电压， 1R2 最初的脉冲磁场测量仪采用脉宽很大的脉冲及 尺寸很小的样品3，这样就能使涡流效应的影响减并提出了几种不同的解决方法, 最近“f -2f” 双频率 脉冲法逐渐发展成熟, 被认为是目前最有效的涡流 效应修正方法[ 6] . 我国是永磁材料的生产大国, 特别是具有优异 磁性能的钕铁硼永磁体, 产量已占世界的 70 %以 上.随着稀土永磁体在高端永磁电机领域应用的不 断扩展以及内禀矫顽力的不断提高, 准确测量出高 矫顽力永磁体常温磁性能的要求愈加迫切.为此, 本文建立了一套脉冲磁场测量装置, 用于准确测量 高矫顽力永磁体磁性能, 并对装置进行了量值溯 源[ 7] .通过大量数据对比和方法审核, 验证了该套 装置的准确性和符合性.图 2 给出了利用脉冲磁场 测量装置测量高矫顽力 NdFeB 永磁体获得的完整 的磁滞回线, 永磁体的内禀矫顽力高达 3 443 kA· m -1 .与图 1 中的曲线相比, 图2 得到的是整个磁滞 回线, 并且当外磁场约大于 1 592 kA·m -1时, 在第 1 、3 象限, 磁极化强度曲线没有出现下降的现象;在 第2 、4 象限, 磁极化强度曲线也没有出现急剧“ 塌 陷”的现象 . 图2 使用脉冲磁场测 量装置测量具有超高内禀矫顽力的 NdFeB 材料的实验结果 Fig.2 Measu rement result of a NdFeB magnet with very high coer￾civit y by using a PFM 2 脉冲磁场测量装置的原理 2.1 脉冲磁场测量装置的构成 图 3 所示为脉冲磁场测量装置的结构框图, 它 由磁场发生电路以及磁场、磁感测量系统两部分组 成.前者主要包括脉冲电容器、闸流晶体管和充磁 线圈等;后者主要为感应测量线圈 、积分器和数据处 理程序 .在实际装置中样品处于测试线圈中心, 测 试线圈位于充磁线圈之内 . 脉冲磁场发生电路设计为全正弦波衰减电路, 电路中电流 I( t)决定了磁场强度的大小, 可表示为: I( t) = U0 ωL e -βt sin ωt ( 1) 其中, ω= 1 LC - R 2 4 L 2 , β =R/2 L, U0 为充磁电压, C 为电容容量, L 、R 分别为回路中的电感和电阻 . 图 3 脉冲磁场测量装置的结构框图 Fig.3 Schematic diagram of a pulsed field magnet ometer system 由于充磁线圈必然会产生阻抗损失, 所以反向 磁场的峰值会有明显的减少, 衰减因数 β 决定了峰 值的改变量 .采用全正弦波函数脉冲放电使磁滞回 线的测量过程一次完成, 避免了曲线不连续的问题, 这对于涡流修正过程非常重要 .下文将会提到, 对 于涡流效应而言, 脉冲持续时间越长涡流越小, 然而 无限度的增大脉冲时间会提高电容器储能要求, 增 加成本 .本文介绍的装置中仅配备了 2000μF 、3 000 V 的脉冲电容器, 只用一只晶体闸流管完成对其放 电的开关控制. 给定电容器储能, 充磁线圈的电感决定了脉冲 宽度 .为了获得完整的磁滞回线, 脉冲电流的衰减 要足够低, 因此将线圈电阻设计为足够小 .充磁线 圈的设计还考虑到涡流效应的修正, 即将线圈分为 两部分, 这两部分独立地产生两个磁场用以磁化磁 体, 即长脉冲 f 和短脉冲 2f . 磁场、磁感测量系统的核心部分是测试线圈, 包 括磁极化强度 J 和磁场强度 H 线圈.H 线圈经核 磁共振磁强计校准, 放在 J 线圈内, 位置靠近测试 样品, 同时必须避免受到样品磁通的影响.J 线圈 采用文献[ 8] 所描述, 该线圈的设计考虑到了空气磁 通的补偿以及对样品位置的不敏感性等问题.为了 使零点信号降至最低, 还将测试线圈与补偿线圈之 间的匝面积之差, 通过电路补偿 ;将温度对零点的影 响, 通过温度校准过的电位计来测试并补偿.J 线 圈 、H 线圈感应得到的电信号, 通过磁通积分器转 化为磁通信号, 进入数据处理程序. 2.2 涡流效应修正 NdFeB 、SmCo 等稀土永磁材料均为导体, 将它 们置入脉冲磁场中, 将会在磁体内部产生涡流效应. 这些涡流反过来会产生感应磁场, 影响永磁体的测 量 .如何消除涡流效应, 一直是脉冲磁场测量仪研 究者可望解决的问题. 最初的脉冲磁场测量仪采用脉宽很大的脉冲及 尺寸很小的样品[ 3] , 这样就能使涡流效应的影响减 · 784 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷