永磁材料器件几种测量方法比较

摘要：对闭合磁路永磁材料测量、脉冲磁场条件下开路永磁材料的测量、整体磁瓦的磁特性测量、一般永磁大块样品的无损测量以及采用亥姆霍兹线圈对稀土永磁性能测量等五种测量方法进行了介绍和分析，并从实践的角度对现有的检测方法提出一些扩展方法和改进建议 。

闭合磁路中永磁材料的测量仪器和方法         

闭合磁路中永磁材料的测量（BH测量仪）是目前最常用的测量方法，符合IEC60404-5和GB/T 3217-2013的要求。主流设备有：Magnet-Physik、Brockhaus、Metie、天端实业GM1000H系列、中国计量科学院NIM-2000H、永逸科技FE-2100H、联众科技MATS-2010H、长沙天恒TD-8300和绵阳双极AMT-4等测量装置等。目前测试重复性最好的设备为德国Magnet-Physik 制造的Permagraph C-750，拥有磁通计控制漂移全行业第一（0.1uWb/min），测试线圈加工技术全球第一（厚度1mm）两项技术。国内天端实业研制的TA8008采样速度，程序稳定性算法优化控制漂移达到国内领先。

德国设备C-750与天端GM1000H测量钕铁硼标准样品重复性对比 

2014年10月，由浙江省计量科学研究院组织，采用盲样（N38SH）考核方式对国内多家磁性能测试设备企业进行选型考察，开发非标测试设备，马格力设备与天端实业设备比对值如下：

* 测试条件测试温度：22℃，充磁磁场：大于50kOe，测试次数：10次

保证测试准确度和重复性保障：

1、测试准确性注意问题：高斯计校准、磁通计校准、测试线圈标定准确、电磁铁均匀区、对应测试温度准确。

2、测试重复性注意问题：控制和采样分辨率、磁通计漂移控制、充磁饱和（NdFeB）、测试软件优化控制。

闭路永磁测量目前还没有解决好的问题

 闭路测试方法在测试过程中减落现象和镜像效应会影响测量结果，需要引起重视：在稀土永磁测量过程中，磁滞回线在一、三象限会有减落现象，对于高内禀矫顽力稀土永磁材料在二象限也会出现减落现象。进一步的实验发现这种现象不仅出现在稀土测量过程中，它几乎会在所有永磁材料的测量中出现，只是出现减落时所对应的磁化场强度不一样，这一现象实际是极头局部区域饱和引起的，或称为镜象效应。纯铁极头和铁钴合金极头材料的饱和磁极化强度大小存在差异，在对一般永磁或低內禀矫顽力样品测量中，几乎不影响测量特性参数的准确性，但对高内禀矫顽力材料和大块样品的测量会带来较大的影响，如何做好该方面的修正是闭路永磁材料测量的一个研究方向。

     采用不同的材料制作电磁铁极头，由于材料的磁饱和极化强度的差异，对于HcＪ较高的材料，在测试二象限的退磁曲线也会发生变化，主要影响退磁曲线的方形度，特别是膝点Hk（或H90）的真实性。采用纯铁极头测量，Hk=1499kA/m，但采用铁钴合金极头测Hk=1587kA/m，这差异是比较大的，从理论上说，铁钴合金极头测试结果更准确。

稀土永磁样品闭路测量过程中应该注意的几点：

1)、霍尔器件的非线性：

       线性是评价霍尔元件的重要参数，一般没有进行线性修正时，在B=2T的场强下，非线性引起的  误差会达到2%～4%，修正后可以达到0.2%以内，为规避偏差，应对霍尔片的非线性采用计算的方法进行修正，或者采用H线圈配置磁通计测试励磁磁场，以避免线性度的不足。

2)、磁场均匀区

      实验证明在极头处于饱和的情况下，极头间隙磁场的均匀区半径会明显减小。极头间磁场的均匀性会影响HcJ的测量结果，这一影响对纯铁极头更为严重，所以在测量高内禀矫顽力稀土永磁材料时，一定要了解电磁铁的均匀区大小，并确保测试样品和测试线圈均在均匀区中，测试探头（或测试Hcoil尽可能靠近样品）。

3)、测量速度的影响

       测量速度或外磁场扫描速度是影响 HcJ测量结果的一个不可忽视的因素。这种影响主要来源磁滞效应，即磁化的变化慢于外磁场的变化，为消除这一影响，必须使HcJ附近的磁场变化率减慢到影响可以忽略不计的地步，比较好的方法是采用控制磁场波形为与材料特性相对应的励磁波形。 

脉冲磁场开磁路永磁材料的测量方法

       随着稀土材料的不断发展，材料Hcj性能不断提高，已经超出常规闭路轭铁电磁铁的能力范围，为获得更大的磁场，通常采用储能电容脉冲对空心螺线管放电获得脉冲强磁场，并对永磁样品设计基于脉冲磁化条件下的测试方法。目前英国Hirst、比利时Metie和日本平野都有相关设备的报道。最常见设计线圈产生一个高场的5 ～10ms的正弦脉冲磁场（上下幅值足够大），磁场强度可以达到10T～15T。并通过改变储能电容，对两个不同脉冲持续时间下的磁滞回线进行两次测量（即最常用f/2f法），并对测试的J值和H值进行合理的校正，

达到测试目的。在使用脉冲磁场开路永磁材料测量的过程中，必须考虑螺线管和样品的尺寸、涡流效应以及磁后滞效应的影响。

1)、螺线管和样品的尺寸： 螺线管中放入永磁样品后，要保证被测磁体的径向磁场分量边界为零或尽可能小，实际只有在边界位于无穷远的条件下才能严格满足，解决办法为加长螺线管。

2)、退磁和涡流效应：需要结合样品内部磁场Hin、外磁化磁场Hex、趋附深度d和样品内部某点距离表面的距离进行分析，修正技术是设备的关键。

3)、磁后滞效应：技术磁化过程是畴壁移动和磁矩转向的过程，脉冲磁场下开路样品的测量充磁波形需要有一定宽度，一般通过加大电容容量来保证。

总结：脉冲磁场开磁路永磁材料的测量方法涉及高频同步采样技术，磁场模型设计，以及对退磁效应、涡流效应和磁后滞效应分析的数学解析计算分析等多项综合水平。

争议：由于以上几点控制技术和解析计算的差异性较大，退磁因子修正的准确性存在争议，特别在软磁材料开路测量中都没能很好解决（GBT 13888-1992）Br和磁导率准确度测试问题。但考虑到永磁材料磁导率较低，修正可能会会变得较简单，但从原理上能保证饱和磁感应强度Bs和矫顽力Hcj的准确度（涡流修正技术保证的前提下，实际涡流修正更复杂），脉冲法测量反向磁场过快，J值滞后可能会引起Hcj变大。

建议：超高矫顽力的永磁材料BH特性测量，最好能确定统一的几何尺寸，较小退磁修正的工作量，研究和检验设备的精度可采用闭路电磁铁测试结果做参考，需要大量的实验来认定。

整体磁瓦的磁特性测量方法

由德国ECKEL公司与博世（Rboert Bosch GmbH）公司合作设计，采用瓦型极头对铁氧体磁瓦进行无损测量是瓦型测量的代表。该设备在瓦型夹具与磁瓦间添入固定间隙，测量材料的Ø-H曲线和定义的其他相关磁特性参数，能较好的反应磁瓦在电机中的工作性能，是一种较好的企业标准。

        国内外其他设备制造企业：如德国Magnet-Physik、上海天端、永逸科技、联众科技和天恒测控等，一般采用瓦型夹具无间隙测量方式进行设计，通过测量瓦型样品切割取样器件进行比对修正，满足生产检验的需要。但由于设计瓦型工装差异大，测量数据之间存在较大的差异，测量设备只能作为一种比对仪器使用，来对产品质量进行控制。

1、瓦型夹具的设计是难点，需要根据磁瓦的形状进行夹具的设计和加工，磁化场是一个无均匀区域的辐射磁场，以Robograph 2为例，安装采集磁场的霍尔芯片的位置将直接影响到H的测试结果；测量线圈磁通量的修正以及参与磁通计算的磁瓦截面积也会对最后的结果产生一定的的影响。

2、使用瓦型测量工装测量磁瓦的过程中，需考虑以下几个方面的问题：

     1)、瓦型测量工装间隙励磁磁场的设计应尽可能与磁瓦取向方向吻合；

     2)、霍尔芯片的固定位置（磁瓦弧顶厚度方向）通过垂直调节，尽可能满足与测量同牌号样品标

准样品的HcJ一致，并加以定位。

    3)、磁通测量线圈以及磁极化强度测量J线圈相关参数需要通过对标准样品进行测量后定标。

    4)、测量瓦型样品换算到标准样品的截面积需要进行复杂的修正。

总结：整体磁瓦磁特性测量方法替代了对磁瓦进行切割取样测量（切割取样测量也不能代表材料的真实磁性能）的方法，尽管还存在一定的争议，还是被电机制造企业所接受，目前国内同行中上海天端实业瓦型测试工装的设计较好，更接近材料的真实特性，压缩机行业磁瓦测试基本采纳。主要特点是操作方便，测试重复性不受影响，作为一种实用性方法在企业进行质量控制过程中有一定的意义。 

一般永磁大块样品的无损测量

       大块样品（指：大方块、圆环轴向充磁，上下端面平行器件）的无损测量，通过在电磁铁极头中放置测

量线圈进行材料的局部BH特性测量，达到对材料磁性能的参数进行大致测试和磁性能得到有效检验的方法。

        设计源于在有限介质里磁感应强度B的边界条件和磁场强度H的边界条件，即B在法线方向是连续的，H

在切线方向是连续的。被局部磁化样品的内场可以通过置于样品下方测量线圈的测量B值，另一个线圈置于

样品外部测量H分量。存在问题有：1、大型样品的非均匀磁化的问题（甚至部分超出磁化极面）；2、大型

样品本身存在材料不均匀问题；3、采用相关辅助软件进行修正正确性（现象同一样品厚度越大Br越高，方形

度越好，需要更深入的实验和研究），实际对其进行仿真也是获得同样的结果。

采用亥姆霍兹线圈进行稀土永磁性能测量

采用亥姆霍兹线圈测量永磁材料的磁矩，是一种非常可靠和直接的方法。特别适用于对小型永磁传感器磁体（厚度1mm以下）和大型稀土永磁毛坯的测量，具有较强的实用性和准确性，是一种经济和准确度都较好的测量方法和手段，是目前企业之间一个重要的传递指标。

     对于方块、圆柱和圆环形状的稀土永磁材料（N42以上除外）样品，在严格标定线圈常数k的亥姆霍兹线圈中对开路样品进行测量，可获得磁通绝对值Ø，能非常准确地获得材料的磁矩m=k×Ø，再通过对固定形状永磁材料单位磁导Pc计算，以及利用稀土永磁材料BH曲线的磁导率μ粗略等效（利用稀土永磁B&H退磁曲线接近直线），可计算出Br、HcB和（BH）max。一般Br的准确度可以控制在1.0%以内，HcB和（BH）max可以控制在3%以内，但该方法不能得到HcＪ值。