湖南省永逸科技有限公司在巴塞罗那自治大学陈笃行教的指导下,进行了大约两年的软磁材料开路样品直流磁特性测试设备的研究,经过数千个测试数据的考核,验证成功了FE-2100SD软磁直流螺线管圆柱样品退磁修正法、FE-2100SD3软磁材料B类磁导计法和FE-2100HC软磁材料矫顽力测试仪,并就铁磁圆柱直流磁性能标准样品测定方法、磁导计校正方法申请发明专利,申请号:201810169642.2。湖南省永逸科技有限公司是目前唯一一家将3种测试方法进行统一的直流磁性能设备制造企业。
在完成此项目的研究过程中,我们发现软磁开路样品测量中对材料的矫顽力Hc测量并非那么简单,参考GB/T 3656-83《电工纯铁磁性能测量方法》,GB/T 13888-92《在开路样品中测量磁性材料矫顽力的方法》(基本参考IEC 404-7)和GB/T 3656-2008《软磁材料矫顽力的抛移测量方法》均存在较大的问题,即采用标准规范进行软磁材料开路样品的矫顽力测量,可能会存在较大的负偏离,并随材料的长径比增加偏差减小,随材料的矫顽力增大长径比要求降低。
就最新GB/T 3656-2008《软磁材料矫顽力的抛移测量方法》有以下两点是值得推敲的:
1、试样制备:试样应为长条型,长宽(或直径)比小于10mm,薄板试样推荐尺寸为:长(200±0.3)mm,宽(20±0.2)mm,厚1mm~4mm,棒形试样推荐尺寸为:试样长200±0.2mm,直径10±0.2mm(即长径比γ=20),试样平直,截面积均匀,不得有明显的孔洞、毛刺和腐蚀等缺陷。
2、结果表示:测量结果的有效位数应根据不确定度的评估结果确定。若测量符合本标准规定,矫顽力Hc的测量结果再现性以相对标准偏差表示为3%。
我们选取两个矫顽力差异比较大的铁磁圆柱材料棒进行相关分析。
样品一、Q235 钢,直径10mm
长径比γ | Hcj(A/m) | Hmax(A/m) |
10.7 | 865 | 30000 |
19.2 | 908 | 30000 |
31.9 | 930 | 30000 |
53.0 | 940 | 30000 |
样品二、德国4015IL(Cr钢),直径8mm
长径比γ | Hcj(A/m) | Hmax(A/m) |
12.5 | 144.1 | 24000 |
22.5 | 163.6 | 24000 |
37.5 | 171.9 | 24000 |
62.5 | 173.8 | 24000 |
可以发现对于铁磁材料圆柱棒状样品测试已经超过了标准的要求,参考GB/T 13888-92(或IEC 404-7)测试准确度5%,4015IL材料也将超出。另外GB/T 13888-92附件提到:“具有高矫顽力的试样,长度比常常小于5:1。在这种情况下,采用在磁化时把若干段同样的材料靠在试样两端,使试样加长,有利于磁化到饱和。”实际对矫顽力较低的样品更应考虑采用这方法。
采用标准B类磁导计测试棒状开路样品,矫顽力为正偏差,同时偏差与极靴材料的关联,采用DT4纯铁和1J50会存在差异。通过对磁导计进行校正,可以满足对开路样品的准确测量,这三种方法相辅相成,并可相互验证。
近年的对器件测试Hc的要求越来越多,主要涉及继电器行业、电磁阀和燃油喷嘴等企业用户。意大利LE公司的的Coercimeter-03和日本理研的K-HC1000为世界范围内被大家认可的产品。 LE公司的Cr3参考IEC 404-07标准采用霍尔传感器测试饱和充磁后,进行反向退磁,直到杂散磁场降到零,读取此时的电流计算矫顽力;日本理研的K-HC1000通过对饱和充磁的样品施加不同的退磁磁场,并不断抛移测试感应线圈(或样品),测试磁通为零时对应的电流计算矫顽力,两种方法均可行,在霍尔传感器分辨率满足的条件下,前者测试连续性更好、数据更加准确,因此我们的FE-2100HC也采用了这样的方法来制作。磁通计法我们采用FE-2100SD来完成,即采用模拟冲击法测试开路样品的磁滞回线,完全计算机自动控制,减少人为或机械的操作误差。国内同行可能对GB/T 13888-92(或IEC404-07)标准不太了解,所以基本上都是采用GB/T 3656磁通法测量。所以我们有必要对这两种方法测试进行一次比较(样品长度100mm,直径8mm):
编号 | 测试方法 | 测试设备 | 测试材料 | Hm(A/m) | Hc(A/m) |
1# | 磁通法 | FE-2100SD | 国产Cr17 | 24000 | 586.0 |
1# | 磁强计法 | FE-2100HC | 国产Cr17 | 24000 | 585.0 |
2# | 磁通法 | FE-2100SD | 4015IL | 24000 | 144.10 |
2# | 磁强计法 | FE-2100HC | 4015IL | 24000 | 141.28 |
说明:样品是宁波精益轴业有限公司提供,不代表国产Cr17普遍性能这么差,只是购买到的产品差,国内有好的;但与德国材料比较还是有差距,矫顽力满足要求,硬度和耐磨性有差距,材料行业需要努力!
经过1年多的对三种测试方法的课题研究,阶段性获得结论为:
1、采用FE-2100SD螺线管退磁修正法,可以满足铁磁圆柱长样品的准确测量,矫顽力Hc精度可以控制在-1.0%的范围内,同时可满足磁化曲线和磁滞回线以及包括最大磁导率um、剩磁Br和饱和磁感应强度Bs的精确测量。
2、采用FE-2100SD3配置B类磁导计,可以满足长度大于100mm,直径小于30mm,矫顽力大于100A/m的铁磁材料开路样品测量,矫顽力Hc精度可以控制在+3.0%范围内,同时可满足磁滞回线以及包括剩磁Br和饱和磁感应强度Bs的精确测量。
3、采用FE-2100HC可以满足可以满足铁磁圆柱长样品的准确测量,矫顽力Hc精度可以控制在-1.0%的范围内,由于只测试Hc值,无退磁修正。
4、对于异形器件的矫顽力Hc测量,基本上以上三种方法很难达到,除非材料的矫顽力已经超过数千A/m,如硬质合金材料,但这恰恰正是广大企业所急需的设备。如何解决是最关键的问题。
我们在与众多的用户沟通中,以及不断的实验过程中,加工了一些非标的磁导计来对异形器件矫顽力进行测试,目前用户有:苏州聚昶精密五金机械有限公司、新会ABB、宁波万宝电器有限公司、宁波天龙股份有限公司、施耐德电气(上海)有限公司、上海大学材料学院和常州中晶电器厂。获得用户的好评,基本上解决了用户对加工器件的进厂合格检验,以及自己退火工艺的检验。
2019.1.9(用户测试样品按要求答疑总结)
贵公司样品采用FE-2100HC和FE-2100SD配置螺线管测试结果如下:
方法 | 1# | 2# | 3# | 1#+3# |
HC | ① 67.23A/m ② 66.06A/m | ① 45.64A/m ② 44.04A/m | ① 66.06A/m ② 66.38A/m | 76.17A/m |
SD | 简易达接的磁导计无法满足单一样品的测量,取矫顽力基本一致的1#和3#样品采用磁导计法测试三次。 | ① 82.65 A/m ② 82.78 A/m ③ 82.39 A/m |