充磁过程

当永磁体置于外磁场中,就会发生充磁。随着外磁场强度增大,磁体内部的自发磁化方向逐渐与外场对齐。热退磁状态下杂乱的磁畴因此变得有序,这一过程包括畴壁位移与磁畴转动。

图 1 给出充磁过程的 M-H 对应曲线:磁化强度 M 随外加磁场 H 变化,最终达到饱和。

充磁过程的 M-H 对应曲线
图 1 充磁过程的 M-H 对应曲线

永磁体可分为各向异性与各向同性两类。各向同性磁体可在任意方向充至饱和;各向异性磁体则必须先确定取向方向。如图 2 所示,取向可沿 x、y 或 z 轴。充磁时,磁体取向方向应与充磁线圈轴线平行。

永磁体取向方向示意
图 2 永磁体取向方向示意

充磁时,充磁机电容先以直流高压充电储能,再经极低电阻的线圈放电。放电脉冲电流峰值可达数万安培,在充磁工装内产生强磁场,使其中的磁体获得永久磁化。

充磁线圈产生的 N/S 极方向由电流方向决定,可用右手螺旋定则判断。图 3 为单极轴向充磁线圈及其 Mag B 与 B_Vector 形态。

单极轴向充磁线圈及 Mag B、B_Vector 形态
图 3 单极轴向充磁线圈及 Mag B、B_Vector 形态

磁性材料的充磁一般分为未饱和充磁(低于饱和充磁能量的 95%)、饱和充磁与过饱和充磁。饱和充磁所需峰值场约为内禀矫顽力 Hcj 的 1.5–2.5 倍:例如 Hcj = 20 kOe 时,外加峰值场约 30–50 kOe。过饱和充磁所需峰值场约为 Hcj 的 3 倍。场强并非越高越好:过高会浪费能量、增加成本,缩短充磁线圈寿命;线圈涡流产生的反向磁场还可能把已饱和的磁体退回到未饱和状态,对 Hcj 较低的铝镍钴等磁体尤为明显。

图 4 给出永磁体常见充磁方式,包括轴向充磁、径向(直径方向)充磁、轴向多极充磁、斜极充磁、径向多极充磁、辐射充磁等。多极充磁通常需要专门定制的充磁线圈。

永磁体典型充磁方式
图 4 永磁体典型充磁方式

磁测量

常用磁测量设备包括高斯计、磁通计、Magcheck 等。

高斯计用于测量物体在空间某点的静态或动态(交流)磁感应强度。霍尔传感器穿过磁力线时产生电流与电压,单位通常为 Gs(高斯)、mT(毫特斯拉)、T(特斯拉)。如图 5 所示,高斯计测的是磁体表面某一点的磁感应强度,结果受操作者影响较大。测量时须保证磁力线垂直穿过探头表面。

高斯计、霍尔效应示意及探头在磁场中的放置
图 5 高斯计、霍尔效应示意及探头在磁场中的放置

磁通计通常配合亥姆霍兹线圈,可测量磁通与磁矩(见图 6)。垂直穿过面积 A、强度为恒定 B 的磁场,其磁通定义为 Φ = B × A。磁矩 M 可由 M = KH × Φ 得到,其中 KH 为亥姆霍兹线圈常数,Φ 为线圈测得的磁通。常用单位有 Wb·m、Wb·cm、Vs·m、Vs·cm。

磁通计与亥姆霍兹线圈
图 6 磁通计与亥姆霍兹线圈

磁偏角是指实际磁场方向与参考方向之间的偏差。精确测量需用三轴亥姆霍兹线圈(见图 7)分别测得三个方向的磁通 Øx、Øy、Øz,再按各线圈常数算出磁矩分量 Mx、My、Mz。永磁体总磁矩 M 为三分量平方和的平方根,磁偏角 α 可由 cosαX = Mx/M、cosαY = My/M、cosαZ = Mz/M 求得。

磁偏角示意与三轴亥姆霍兹线圈
图 7 磁偏角示意与三轴亥姆霍兹线圈

掌握永磁体的充磁过程与磁测量方法,对各类应用都至关重要。欢迎与我们联系,共同为您的项目实现最佳磁性能。

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