压应力下铁镓合金动态磁滞曲线的测试与分析*

2019-04-10徐卫星杜金宇

传感技术学报 2019年3期

张冰,王琳,浮翔,徐卫星,杜金宇

(1.河南牧业经济学院能源与动力工程学院,郑州 450011; 2.河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室,天津 300130)

铁镓合金是一种新型的磁致伸缩材料,具有低磁场下应变高、应力灵敏度高、抗拉强度高和易于加工等优点,是新型传感器件和振动发电机的基础材料[1-4]。磁滞特性是衡量铁镓材料上述性能的一项重要指标,它表征铁镓材料器件的稳定性和可控制性[5]。而电磁损耗是磁致伸缩材料应用的一个重要参数,对于提高器件的工作效率具有重要意义[6]。

目前铁磁材料磁滞曲线的测量方法主要有:示波器法、铁磁仪法和采样法等。文献[7]基于法拉第电磁感应定律采用示波器法对铁磁材料进行了测试研究,但没有对测试出的磁滞曲线进行深入的分析。文献[8]运用了基片集成波导谐振腔采样法测量了微波材料磁滞曲线和磁导率,但此法适用于高损耗材料电磁参数的测量,不具有普遍的应用性。文献[9]提出一种采用极性变化的直流电压源来测量铁磁元件铁心剩磁通和剩磁系数的方法,绘制整个过程中的磁通与电流关系曲线,即可得到铁心的部分饱和磁滞回线,根据获得的饱和磁滞回线来计算铁心剩磁通和剩磁系数。文献[10]利用AMH-1M-S型动态磁滞特性测试系统测试了铁镓合金的动态磁滞特性,但没有考虑压应力对铁镓合金磁滞特性的影响。文献[11]基于铁磁仪法,测试了硅钢片磁化曲线数据,计算了基准模型硅钢叠片内的损耗及磁通,此法的不足在于没有对硅钢片的动态磁滞特性进一步的研究。

本文基于安培定律和法拉第电磁感应定律,设计了一套简易的测试装置,测试了铁镓合金棒在压应力下的动态磁滞回线,绘制了铁镓合金棒在不同压应力和不同磁场频率下的磁滞曲线,并分析了上述情况下磁滞曲线的变化规律,同时研究了压应力和磁场频率对铁镓合金棒的矫顽力和电磁损耗的影响。

1 原理和方法

当铁镓合金棒施加正弦交变磁场H时,产生的磁感应强度B也为正弦变化,但由于磁滞的存在,使得磁场强度与磁感应强度存在一定的相位差:

H=Hmcos(ωt)

(1)

B=Bmcos(ωt-δ)

(2)

式中:Hm为磁场强度的峰值;Bm为磁感应强度的峰值;ω为角频率;δ为相位差。

对于磁场强度的测试通过在激磁线圈中通入一定幅值的正弦交流电,由安培定律可得:

(3)

式中:N为激磁线圈的匝数;i为通入激磁线圈的正弦交变电流;L为磁路的总长度。

对于磁感应强度的测试运用法拉第电磁感应定律,即在铁镓合金棒上绕制一定匝数的线圈。当铁镓合金棒上的外加磁场变化时,线圈中的磁通量就会改变,由法拉第电磁感应定律得:

(4)

对式(4)两边积分得:

(5)

式中:φ为铁镓棒上感应线圈的磁通量;N′为铁镓棒上感应线圈的匝数;S为磁芯的有效截面积;B为棒状铁镓合金上的磁感应强度;e为铁镓棒上感应线圈的感应电压。

铁镓合金单位体积电磁损耗[12]:

(6)

式中:f为磁场的频率;Hm为磁场强度幅值;Bm为磁感应强度幅值;δ为两者相位差;ω为角频率。

2 实验平台搭建

图1为铁镓合金压应力作用下的磁滞曲线测试装置。该测试装置主要由铁镓合金棒、激磁线圈、感应线圈、压力传感器、轭铁和螺栓构成。该装置的压力传感器为湖南长沙红旗仪器厂生产的,型号为GZB-2型电阻应变式压力传感器。它采用弹性梁和电阻应变片作为敏感转换元件,组成全桥电路进行测量,外加SY-2C有源放大器将信号放大到伏数量级,并由数字万用表显示。其量程为0～150 kg,精度为0.3%,非线性、滞后误差小于额定载荷的0.2%,重复性误差小于0.1%,输出灵敏度为1 mV/V,分辨能力为额定载荷的0.01%。激磁线圈采用线径为0.5 mm的漆包线绕制而成,匝数为250匝。感应线圈采用线径为0.1 mm的漆包线绕制而成,匝数为40匝。

图1 压应力下铁镓合金磁滞曲线测试装置

工作原理如下:铁镓合金棒处于该装置的中心,激磁线圈通过外界正弦交流电源,产生一个交变电流,交变电流流过激磁线圈产生交变的磁场。交变的磁场通过铁镓合金棒,压力传感器(钢制导磁)和轭铁形成闭合磁路。铁镓合金棒上的感应线圈在交变的磁场作用下,会感应出电压,感应电压通过磁通计测试磁通大小,从而可以间接地得到铁镓合金棒上的磁感应强度。由于激磁线圈紧贴于铁镓合金棒上,所以铁镓合金棒上的磁场强度大小,近似为激磁线圈产生磁场强度大小。通过调节螺栓的松紧程度,来调整铁镓合金棒所受压应力的大小,用压力传感器来测试所加压应力具体数值。通过示波器采集不同压应力下铁镓合金棒上磁场强度和磁感应强度数值,即可绘制出相应的磁滞曲线。

3 实验结果及分析

图2为棒状铁镓合金施加16 MPa压应力,磁场频率分别为20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz和60 Hz得到的一组磁滞曲线。由图可知,在压应力作用下,棒状铁镓合金的饱和磁感应强度约为50 mT,且随着磁场频率的增加,棒状铁镓合金的磁滞曲线的面积越宽,对应饱和磁场强度也越大。磁场频率在20 Hz～50 Hz时,频率对棒状铁镓合金的磁滞曲线影响较小,当磁场频率在50 Hz～60 Hz时,磁场频率对磁滞曲线影响较大,且磁滞效应明显增强。

图2 16 MPa压应力不同磁场频率下的磁滞曲线

图3为棒状铁镓合金施加25 MPa压应力,磁场频率分别为20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz和60 Hz得到的一组磁滞曲线。由图3可知,增大棒状铁镓合金的压应力,在相同磁场频率下,磁滞曲线的面积减小,对应的磁滞效应减弱。说明在压应力作用下,达到相同的磁感应强度,需要外界提供更大的磁场,来抵消外加压应力产生的效果。压应力对磁滞曲线的磁感应强度基本无影响,主要是磁场强度相应的增大,使得铁镓合金的磁导率有所下降。从微观磁畴学角度分析可知:外界的压应力,使得棒状铁镓中的磁畴间距减小,磁畴间的摩擦力也相应增强,故需较大的磁场强度,才能达到较大的磁感应强度。

图3 25 MPa压应力不同磁场频率下的磁滞曲线

图4为棒状铁镓合金施加35 MPa压应力,磁场频率分别为20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz和60 Hz得到的一组磁滞曲线。由图4可知,当棒状铁镓合金的压应力达到35 MPa时,磁场频率对于磁滞曲线的影响减弱,不同磁滞曲线几乎重合到一起。随着压应力的增大,棒状铁镓合金的磁滞曲线面积不断减小,磁滞效应也在不断下降。在压应力达到35 MPa时,棒状铁镓合金的饱和磁感应强度约为60 mT,且随着磁场频率的增加,棒状铁镓合金的磁滞曲线的面积略有增加。说明在35 MPa压应力作用下,磁畴之间的空隙已经减小到了极致,外界磁场频率对磁畴的运动基本无影响。

图4 35 MPa压应力不同磁场频率下的磁滞曲线

图5为棒状铁镓合金在磁场频率为30 Hz,压应力分别为5.23 MPa,16.57 MPa,29.65 MPa和34.89 MPa得到的一组磁滞曲线。由图5可知:随着压应力的增加,磁滞曲线的形状不断被压缩,磁滞曲线的面积越来越小,饱和磁感应强度的值也越来越小,而对应的饱和磁场强度越来越大。从棒状铁镓合金的导磁性角度分析,可知:在相同磁场强度作用下,压应力越大,对应的磁感应强度也越大,由磁导率的定义可知,压应力越大,棒状铁镓合金磁导率越小,导磁性在下降。但施加较大压应力可以减小棒状铁镓合金的磁滞效应,有利于减小磁场的滞后性,提高铁镓合金的实时性。

图5 30 Hz不同应力下的磁滞曲线

图6为不同压应力作用下,矫顽力随磁场频率的变化关系曲线。随着磁场频率的增加,棒状铁镓合金的矫顽力在不断地增大,且在相同磁场频率下,压应力越大,棒状铁镓合金的矫顽力也越大。说明施加压应力,需要外界较大的磁场强度才能使其磁感应强度退回到零。施加压应力的棒状铁镓合金,软磁特性变差。

图7为不同压应力作用下,电磁损耗随磁场频率的变化关系曲线。由图7可知:随着磁场频率的增加,棒状铁镓合金的电磁损耗不断增加,且随着磁场频率的增大,电磁损耗增加的幅度也越来越大,电磁损耗随磁场频率近似指数形式增加。棒状铁镓合金的压应力越大,在相同磁场频率下对应的电磁损耗也越大。说明棒状铁镓合金在压应力下,磁畴间的空隙减小,在外界磁场作用下,磁畴转动的摩擦和碰撞的阻力增大,相应的棒状铁镓合金的电磁损耗增加。在特定压应力下,随着磁场频率的增加,棒状铁镓合金的磁畴运动的速度加快,导致磁场频率较高时,对应的电磁损耗增大。