壓應力下鐵鎵合金動態磁滯曲線的測試與分析*

張 冰,王 琳,浮 翔,徐衛星,杜金宇

(1.河南牧業經濟學院能源與動力工程學院,鄭州 450011; 2.河北工業大學省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室,天津 300130)

鐵鎵合金是一種新型的磁致伸縮材料,具有低磁場下應變高、應力靈敏度高、抗拉強度高和易于加工等優點,是新型傳感器件和振動發電機的基礎材料[1-4]。磁滯特性是衡量鐵鎵材料上述性能的一項重要指標,它表征鐵鎵材料器件的穩定性和可控制性[5]。而電磁損耗是磁致伸縮材料應用的一個重要參數,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[7]基于法拉第電磁感應定律采用示波器法對鐵磁材料進行了測試研究,但沒有對測試出的磁滯曲線進行深入的分析。文獻[8]運用了基片集成波導諧振腔采樣法測量了微波材料磁滯曲線和磁導率,但此法適用于高損耗材料電磁參數的測量,不具有普遍的應用性。文獻[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的方法,繪制整個過程中的磁通與電流關系曲線,即可得到鐵心的部分飽和磁滯回線,根據獲得的飽和磁滯回線來計算鐵心剩磁通和剩磁系數。文獻[10]利用AMH-1M-S型動態磁滯特性測試系統測試了鐵鎵合金的動態磁滯特性,但沒有考慮壓應力對鐵鎵合金磁滯特性的影響。文獻[11]基于鐵磁儀法,測試了硅鋼片磁化曲線數據,計算了基準模型硅鋼疊片內的損耗及磁通,此法的不足在于沒有對硅鋼片的動態磁滯特性進一步的研究。

本文基于安培定律和法拉第電磁感應定律,設計了一套簡易的測試裝置,測試了鐵鎵合金棒在壓應力下的動態磁滯回線,繪制了鐵鎵合金棒在不同壓應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律,同時研究了壓應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

當鐵鎵合金棒施加正弦交變磁場H時,產生的磁感應強度B也為正弦變化,但由于磁滯的存在,使得磁場強度與磁感應強度存在一定的相位差:

H=Hmcos(ωt)

(1)

B=Bmcos(ωt-δ)

(2)

式中:Hm為磁場強度的峰值;Bm為磁感應強度的峰值;ω為角頻率;δ為相位差。

對于磁場強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;i為通入激磁線圈的正弦交變電流;L為磁路的總長度。

對于磁感應強度的測試運用法拉第電磁感應定律,即在鐵鎵合金棒上繞制一定匝數的線圈。當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,由法拉第電磁感應定律得:

(4)

對式(4)兩邊積分得:

(5)

式中:φ為鐵鎵棒上感應線圈的磁通量;N′為鐵鎵棒上感應線圈的匝數;S為磁芯的有效截面積;B為棒狀鐵鎵合金上的磁感應強度;e為鐵鎵棒上感應線圈的感應電壓。

鐵鎵合金單位體積電磁損耗[12]:

(6)

式中:f為磁場的頻率;Hm為磁場強度幅值;Bm為磁感應強度幅值;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、感應線圈、壓力傳感器、軛鐵和螺栓構成。該裝置的壓力傳感器為湖南長沙紅旗儀器廠生產的,型號為GZB-2型電阻應變式壓力傳感器。它采用彈性梁和電阻應變片作為敏感轉換元件,組成全橋電路進行測量,外加SY-2C有源放大器將信號放大到伏數量級,并由數字萬用表顯示。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,匝數為250匝。感應線圈采用線徑為0.1 mm的漆包線繞制而成,匝數為40匝。

圖1 壓應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,產生一個交變電流,交變電流流過激磁線圈產生交變的磁場。交變的磁場通過鐵鎵合金棒,壓力傳感器(鋼制導磁)和軛鐵形成閉合磁路。鐵鎵合金棒上的感應線圈在交變的磁場作用下,會感應出電壓,感應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強度。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度大小,近似為激磁線圈產生磁場強度大小。通過調節螺栓的松緊程度,來調整鐵鎵合金棒所受壓應力的大小,用壓力傳感器來測試所加壓應力具體數值。通過示波器采集不同壓應力下鐵鎵合金棒上磁場強度和磁感應強度數值,即可繪制出相應的磁滯曲線。

3 實驗結果及分析

圖2為棒狀鐵鎵合金施加16 MPa壓應力,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,在壓應力作用下,棒狀鐵鎵合金的飽和磁感應強度約為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,對應飽和磁場強度也越大。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,且磁滯效應明顯增強。

圖2 16 MPa壓應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力,在相同磁場頻率下,磁滯曲線的面積減小,對應的磁滯效應減弱。說明在壓應力作用下,達到相同的磁感應強度,需要外界提供更大的磁場,來抵消外加壓應力產生的效果。壓應力對磁滯曲線的磁感應強度基本無影響,主要是磁場強度相應的增大,使得鐵鎵合金的磁導率有所下降。從微觀磁疇學角度分析可知:外界的壓應力,使得棒狀鐵鎵中的磁疇間距減小,磁疇間的摩擦力也相應增強,故需較大的磁場強度,才能達到較大的磁感應強度。

圖3 25 MPa壓應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,當棒狀鐵鎵合金的壓應力達到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,磁滯效應也在不斷下降。在壓應力達到35 MPa時,棒狀鐵鎵合金的飽和磁感應強度約為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壓應力作用下,磁疇之間的空隙已經減小到了極致,外界磁場頻率對磁疇的運動基本無影響。

圖4 35 MPa壓應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,飽和磁感應強度的值也越來越小,而對應的飽和磁場強度越來越大。從棒狀鐵鎵合金的導磁性角度分析,可知:在相同磁場強度作用下,壓應力越大,對應的磁感應強度也越大,由磁導率的定義可知,壓應力越大,棒狀鐵鎵合金磁導率越小,導磁性在下降。但施加較大壓應力可以減小棒狀鐵鎵合金的磁滯效應,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不同應力下的磁滯曲線

圖6為不同壓應力作用下,矯頑力隨磁場頻率的變化關系曲線。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,壓應力越大,棒狀鐵鎵合金的矯頑力也越大。說明施加壓應力,需要外界較大的磁場強度才能使其磁感應強度退回到零。施加壓應力的棒狀鐵鎵合金,軟磁特性變差。

圖7為不同壓應力作用下,電磁損耗隨磁場頻率的變化關系曲線。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形式增加。棒狀鐵鎵合金的壓應力越大,在相同磁場頻率下對應的電磁損耗也越大。說明棒狀鐵鎵合金在壓應力下,磁疇間的空隙減小,在外界磁場作用下,磁疇轉動的摩擦和碰撞的阻力增大,相應的棒狀鐵鎵合金的電磁損耗增加。在特定壓應力下,隨著磁場頻率的增加,棒狀鐵鎵合金的磁疇運動的速度加快,導致磁場頻率較高時,對應的電磁損耗增大。

圖6 不同壓應力不同磁場頻率下的矯頑力曲線

圖7 不同壓應力不同磁場頻率下的電磁損耗曲線

4 結論

①鐵鎵合金棒在恒定壓應力作用下,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,隨著壓應力增大,鐵鎵合金棒的磁滯曲線不斷減小,導磁性有所下降。

②鐵鎵合金棒在恒定的壓應力下,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境下的磁性能研究,為鐵鎵合金傳感器的設計提供了理論指導。