第6期 林安利等：脉冲磁场技术在高矫顽力稀土永磁测量领域的应用 ·783· 证极头的极面近似于磁等位面.然而即使使用目前 之一.使用该装置，对两个中10mm×7mm(磁化方 比较好的铁钴材料作极头，其饱和磁极化强度也只 向为7mm)、内禀矫顽力不同的钕铁硼(NdFeB)样 能达到2.45T,即最大磁化场只能达到1950kA· 品进行测量，所得到的退磁曲线如图1所示.从两 m,而很多稀土永磁体的内禀矫顽力(H)大于 图中第1象限磁化曲线可看出，当外磁场约大于 2000kA°m,因而在测量过程中电磁铁的极头会 1592kAm'时，磁极化强度(J)曲线不升高反而下 达到过饱和状态，使得测量结果存在较大的误差或 降.经分析，出现这一现象的原因是由于电磁铁极 测量根本无法进行.为了解决该问题，本文建立了 头饱和引起测量条件改变所致：而从两图中第2象 一套基于脉冲磁场技术的高矫顽力永磁测量系统， 限退磁曲线可看出，当退磁场约大于1592kAm1 该系统能产生高达8800kAm一的磁场，可以实现 时，磁极化强度曲线出现了急剧“塌陷”（图中圆圈标 内禀矫顽力小于3980kAmˉ1的永磁体的全象限磁 出的部分)，从而导致内禀矫顽力等测量结果比实际 滞回线的准确测量。 值偏低，这种急剧“塌陷”现象出现在所有用电磁铁 做闭路磁化机构的高矫顽力永磁测量曲线中，只是 1超高矫顽力永磁测量现状 曲线“塌陷”程度不同.造成这一“塌陷”现象的原因 用静态磁滞回线仪(BH tracer)测量高矫顽力永 之一是由于测量过程中电磁铁极头饱和的影响，另 磁材料的磁特性时，由于电磁铁产生的磁场强度同 外还可能是由于永磁体制作过程中造成的，但是这 磁轭直径与极头直径比的对数成正比.当极头趋于 两方面的原因各占多少比例是很难区分的，并且影 饱和时，磁场强度与励磁电流成正比，因此除了使用 响因素很多，因此对永磁体的科研和生产带来很大 高饱和磁极化强度的软磁材料构成磁路外，还可以 影响：当样品的内禀矫顽力超过电磁铁所能提供的 通过加大磁轭直径与极头直径的比以及增加最大安 最大外磁场时，则无法获得内禀矫顽力测量值如 匝数，来获得更高的磁化场. 图1(b)所示.目前我国己经能够批量生产内禀矫顽 保存在中国计量科学研究院磁性测量室的国家 力大于2786kAm1甚至达到3423kA°m1的永磁 永磁标准测量装置，电磁铁磁轭直径与极头直径之 体，对于这些永磁体使用静态磁滞回线仪无法测量 比最大为3.75，最大磁化安匝数高达2X10,产生 其常温磁性能 的磁化场已达到国内外静态磁滞回线仪的最高水平 基于上述原因，长期以来高内禀矫顽力永磁体 1.4 1.4m 1.2 (a) 12 (b) 1.0 1.0- 0.8 0.6 58d 0.4 0.4 0.2 0.2 00 -2000 -10000 100020003000 -900-2000-1000010002003000 HkA·m) H/(kA.m-) 图1使用静态磁滞回线仪测量高内禀矫顽力NdFB材料的实验结果.(a)非正常的退磁曲线：(b)不能测出完整的退磁曲线 Fig I Measurement results of NdFeB magnets w ith high coercivity by using a stat ic BH tracer (a)abnormal demagnetizing curve (b)demagne tizing curve which coul not be measured com pletel 的测量，只能采用装备了超导线圈的振动样品磁强 量中.研究发现，用脉冲磁场技术获得7960~ 计，其最大磁化场可以达到6000~7960kAm1. 15920kA°m磁场的成本，远远低于用超导磁化装 然而，这种仪器有以下两方面的不足：一是超导线圈 置获得3980kAm磁场所需的费用，进而利用 一般需要用液氦冷却，对设备的维护和使用要求是 脉冲磁场测量装置(P℉M)可望有效地解决现代高 很苛刻的，并且昂贵的设备购置费以及同样昂贵的 矫顽力永磁材料的饱和磁化、常温测量和测量准确 日常维护费都桎梏了它的应用范围，在我国仅限于 性问题.然而，该方法是瞬间动态测量，对高矫顽力 高端的科研院所使用：二是振动样品磁强计要求被 永磁体如钕铁硼、钐钴材料均为金属材料，测量过程 测样品尺寸较小，因而制约了振动样品磁强计成为 中样品内部有涡流存在，因而与静态测量结果相差 国际公认的永磁标准方法，也限制了它的应用领域. 很大，从而导致脉冲测量技术在高矫顽力永磁测量 自从20世纪80年代开始，一些国家的研究者 中的应用进展缓慢.围绕着如何修正测量过程中涡 开始尝试将脉冲磁场技术引入高矫顽力永磁材料测 流对测量结果的影响，研究者们进行了不懈的努力，证极头的极面近似于磁等位面 .然而即使使用目前 比较好的铁钴材料作极头, 其饱和磁极化强度也只 能达到 2.45 T, 即最大磁化场只能达到 1 950 kA· m -1 ,而很多稀土永磁体的内禀矫顽力( HcJ) 大于 2 000 kA·m -1 , 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或 测量根本无法进行.为了解决该问题, 本文建立了 一套基于脉冲磁场技术的高矫顽力永磁测量系统, 该系统能产生高达 8 800 kA·m -1的磁场, 可以实现 内禀矫顽力小于3 980 kA·m -1的永磁体的全象限磁 滞回线的准确测量. 1 超高矫顽力永磁测量现状 用静态磁滞回线仪( BH tracer) 测量高矫顽力永 磁材料的磁特性时, 由于电磁铁产生的磁场强度同 磁轭直径与极头直径比的对数成正比, 当极头趋于 饱和时, 磁场强度与励磁电流成正比, 因此除了使用 高饱和磁极化强度的软磁材料构成磁路外, 还可以 通过加大磁轭直径与极头直径的比以及增加最大安 匝数, 来获得更高的磁化场. 保存在中国计量科学研究院磁性测量室的国家 永磁标准测量装置, 电磁铁磁轭直径与极头直径之 比最大为 3.75, 最大磁化安匝数高达 2 ×10 5 , 产生 的磁化场已达到国内外静态磁滞回线仪的最高水平 之一.使用该装置, 对两个 10 mm ×7 mm( 磁化方 向为 7 mm) 、内禀矫顽力不同的钕铁硼( NdFeB) 样 品进行测量, 所得到的退磁曲线如图 1 所示 .从两 图中第 1 象限磁化曲线可看出, 当外磁场约大于 1 592 kA·m -1时, 磁极化强度( J ) 曲线不升高反而下 降 .经分析, 出现这一现象的原因是由于电磁铁极 头饱和引起测量条件改变所致;而从两图中第 2 象 限退磁曲线可看出, 当退磁场约大于1 592 kA·m -1 时, 磁极化强度曲线出现了急剧“塌陷”( 图中圆圈标 出的部分) , 从而导致内禀矫顽力等测量结果比实际 值偏低, 这种急剧“塌陷” 现象出现在所有用电磁铁 做闭路磁化机构的高矫顽力永磁测量曲线中, 只是 曲线“塌陷”程度不同.造成这一“塌陷”现象的原因 之一是由于测量过程中电磁铁极头饱和的影响, 另 外还可能是由于永磁体制作过程中造成的, 但是这 两方面的原因各占多少比例是很难区分的, 并且影 响因素很多, 因此对永磁体的科研和生产带来很大 影响 ;当样品的内禀矫顽力超过电磁铁所能提供的 最大外磁场时, 则无法获得内禀矫顽力测量值如 图 1( b) 所示.目前我国已经能够批量生产内禀矫顽 力大于 2 786 kA·m -1甚至达到 3423kA·m -1的永磁 体, 对于这些永磁体使用静态磁滞回线仪无法测量 其常温磁性能. 基于上述原因, 长期以来高内禀矫顽力永磁体 图 1 使用静态磁滞回线仪测量高内禀矫顽力 NdFeB 材料的实验结果.( a) 非正常的退磁曲线;( b) 不能测出完整的退磁曲线 Fig.1 Measurement results of NdFeB magnets w ith high coercivity by using a static BH tracer:( a) abnormal demagnetizing curve;( b) demagne￾tizing curve w hich could not be m easured com pletely 的测量, 只能采用装备了超导线圈的振动样品磁强 计, 其最大磁化场可以达到 6 000 ～ 7 960 kA·m -1 . 然而, 这种仪器有以下两方面的不足:一是超导线圈 一般需要用液氦冷却, 对设备的维护和使用要求是 很苛刻的, 并且昂贵的设备购置费以及同样昂贵的 日常维护费都桎梏了它的应用范围, 在我国仅限于 高端的科研院所使用;二是振动样品磁强计要求被 测样品尺寸较小, 因而制约了振动样品磁强计成为 国际公认的永磁标准方法, 也限制了它的应用领域 . 自从 20 世纪 80 年代开始, 一些国家的研究者 开始尝试将脉冲磁场技术引入高矫顽力永磁材料测 量中 [ 2-4] .研究发现, 用脉冲磁场技术获得 7 960 ～ 15 920 kA·m -1磁场的成本, 远远低于用超导磁化装 置获得 3 980 kA·m -1磁场所需的费用 [ 5] , 进而利用 脉冲磁场测量装置( PFM ) 可望有效地解决现代高 矫顽力永磁材料的饱和磁化 、常温测量和测量准确 性问题.然而, 该方法是瞬间动态测量, 对高矫顽力 永磁体如钕铁硼、钐钴材料均为金属材料, 测量过程 中样品内部有涡流存在, 因而与静态测量结果相差 很大, 从而导致脉冲测量技术在高矫顽力永磁测量 中的应用进展缓慢 .围绕着如何修正测量过程中涡 流对测量结果的影响, 研究者们进行了不懈的努力, 第 6 期 林安利等:脉冲磁场技术在高矫顽力稀土永磁测量领域的应用 · 783 ·