Hoe de BH-curve voor ferrietmagneten te tekenen: een uitgebreide handleiding

1. Inleiding tot de BH-curve

De BH-curve, ook wel magnetische hysteresislus genoemd, is een grafische weergave van de relatie tussen magnetische fluxdichtheid (B) en magnetische veldsterkte (H) in een ferromagnetisch materiaal. Voor ferrietmagneten is deze curve cruciaal voor het begrijpen van hun magnetische eigenschappen, waaronder remanentie (Br), coërciviteit (Hc), intrinsieke coërciviteit (Hci) en maximaal energieproduct (BHmax). Deze parameters bepalen de prestaties van de magneet in toepassingen zoals motoren, generatoren en luidsprekers.

2. Fundamentele concepten

Voordat de BH-curve wordt getekend, is het essentieel om de belangrijkste termen te begrijpen:

• Magnetische fluxdichtheid (B) : Gemeten in Tesla (T) of Gauss (G), vertegenwoordigt deze het magnetische veld dat in het materiaal wordt gegenereerd.
• Magnetische veldsterkte (H) : Gemeten in ampère per meter (A/m) of oersted (Oe), is dit het externe magnetische veld dat op het materiaal wordt uitgeoefend.
• Remanentie (Br) : De resterende magnetische fluxdichtheid die in de magneet achterblijft nadat het externe veld is verwijderd.
• Coërciviteit (Hc) : Het externe veld dat nodig is om de remanentie tot nul te reduceren.
• Intrinsieke coërciviteit (Hci) : Een maat voor de weerstand van de magneet tegen demagnetisatie, vaak hoger dan Hc.
• Maximaal energieproduct (BHmax) : Het punt op de demagnetisatiecurve waar het product van B en H (absolute waarden) maximaal is, wat de energieopslagcapaciteit van de magneet aangeeft.

3. Benodigde apparatuur

Om de BH-curve te plotten, is de volgende apparatuur nodig:

• Permeameter : Een apparaat dat gebruikt wordt om de magnetische eigenschappen van materialen te meten. Het bestaat doorgaans uit een gelijkstroommagnetiseerder, een fluxmeter en een zoekspoel.
• DC-magnetiseerder : Genereert een sterk, gecontroleerd magnetisch veld om het monster te magnetiseren.
• Fluxmeter : Meet de magnetische flux die gekoppeld is aan de zoekspoel, die evenredig is met B.
• Zoekspoel : Een spoel die om het monster is gewikkeld om veranderingen in de magnetische flux te detecteren.
• Gereedschap voor monsterpreparatie : Om de ferrietmagneet in een precieze vorm te bewerken (meestal een kubus of cilinder) voor consistente metingen.
• Data-acquisitiesoftware : Om de B- en H-waarden tijdens de test te registreren en te verwerken.

4. Monsterpreparatie

De nauwkeurigheid van de BH-curve hangt af van de afmetingen en de uitlijning van het monster. Volg deze stappen:

1. Selecteer het materiaal : Kies een ferrietmagneet met een bekende samenstelling (bijvoorbeeld op basis van SrO of BaO-Fe2O3).
2. Bewerk het monster : Snijd de magneet in een precieze geometrische vorm (bijvoorbeeld een kubus of cilinder) om uniforme magnetische eigenschappen te garanderen.
3. De magnetisatierichting uitlijnen : Bij anisotrope ferrietmagneten moet de voorkeursrichting van de magnetisatie van het monster worden uitgelijnd met de richting van het aangelegde veld. Isotrope magneten hoeven niet te worden uitgelijnd.
4. Reinig het monster : Verwijder eventuele verontreinigingen of bramen die de magnetische metingen kunnen beïnvloeden.

5. Experimentele opstelling

Stel de permeameter als volgt in:

1. Monteer het monster : Plaats het bewerkte monster tussen de poolstukken van de DC-magnetiseerder om een ​​gesloten magnetisch circuit te creëren.
2. Wikkel de zoekspoel : Wikkel de zoekspoel stevig om het monster, zorg voor goed elektrisch contact en minimale lekflux.
3. Sluit de fluxmeter aan : Verbind de zoekspoel met de fluxmeter om de geïnduceerde spanning te meten, die evenredig is met de veranderingssnelheid van de magnetische flux (dB/dt).
4. Kalibreer het systeem : Stel de fluxmeter op nul en controleer of de DC-magnetiseerder correct functioneert.

6. Procedure voor gegevensverzameling

Volg deze stappen om BH-gegevens te verzamelen:

1. Initiële demagnetisatie : Breng een wisselend magnetisch veld aan op het monster om het resterende magnetisme tot bijna nul te reduceren. Dit zorgt voor een consistent uitgangspunt voor de test.
2. Magnetisatiecyclus:
   • Eerste kwadrant (verzadiging) : Verhoog het gelijkstroommagnetisch veld (H) geleidelijk van nul tot een waarde die voldoende is om de magneet te verzadigen (d.w.z. B neemt niet langer toe met H). Noteer de waarden van B en H met regelmatige tussenpozen.
   • Tweede kwadrant (demagnetisatie) : Verlaag H van verzadiging naar nul en keer vervolgens het veld om naar een negatieve waarde. Blijf H verlagen totdat de magneet volledig in de tegenovergestelde richting is gedemagnetiseerd. Noteer de B- en H-waarden gedurende dit proces.
   • Derde en vierde kwadrant (omgekeerde verzadiging en remagnetisatie) : Herhaal het proces in de tegenovergestelde richting om de hysteresislus te voltooien.
3. Gegevensregistratie : Gebruik de data-acquisitiesoftware om de B- en H-waarden continu of met discrete intervallen gedurende de gehele cyclus te registreren.

7. Gegevensverwerking en het tekenen van grafieken

Nadat de gegevens zijn verzameld, verwerkt u ze als volgt:

1. Gegevens gladstrijken : Pas gladstrijkingsalgoritmen (bijv. voortschrijdend gemiddelde) toe om ruis in de BH-metingen te verminderen.
2. Normaliseer de gegevens : Schaal de B- en H-waarden naar de juiste eenheden (bijv. Tesla voor B en A/m voor H).
3. Teken de hysterese-lus : Gebruik grafische software (bijvoorbeeld Excel, MATLAB of Origin) om B uit te zetten tegen H. De resulterende curve moet op een gesloten lus lijken, waarbij het tweede kwadrant de demagnetisatiecurve vertegenwoordigt.
4. Identificeer de belangrijkste parameters:
   • Remanentie (Br) : De B-waarde bij H = 0 in het tweede kwadrant.
   • Coërciviteit (Hc) : De H-waarde bij B = 0 op de negatieve H-as.
   • Intrinsieke coërciviteit (Hci) : De H-waarde bij het "knikpunt" van de demagnetisatiecurve, waar B snel begint te dalen.
   • Maximaal energieproduct (BHmax) : Het punt op de demagnetisatiecurve waar het product van B en H (absolute waarden) maximaal is. Dit kan worden berekend als BHmax = |B| × |H| op het piekpunt.

8. Factoren die de BH-curve beïnvloeden

Verschillende factoren kunnen de vorm en positie van de BH-curve voor ferrietmagneten beïnvloeden:

• Materiaalsamenstelling : Het type en de verhouding van oxiden (bijv. SrO, BaO, Fe2O3) beïnvloeden de coërciviteit en remanentie van de magneet.
• Temperatuur : Magnetische eigenschappen variëren met de temperatuur. Zo neemt de coërciviteit doorgaans af bij een stijgende temperatuur.
• Monstergeometrie : De vorm en grootte van het monster kunnen het demagnetiserende veld beïnvloeden en daarmee de BH-curve veranderen.
• Magnetisatierichting : Anisotrope magneten vertonen verschillende BH-curven, afhankelijk van de uitlijning van de magnetisatierichting met het aangelegde veld.
• Externe velden : Strooimagnetische velden tijdens de meting kunnen de BH-curve vertekenen. Zorg voor een gecontroleerde omgeving om interferentie te minimaliseren.

9. Toepassingen van de BH-curve

De BH-curve is een waardevol hulpmiddel voor ingenieurs en wetenschappers in diverse vakgebieden:

• Magneetselectie : Ingenieurs gebruiken de BH-curve om op basis van de magnetische eigenschappen de juiste magneet voor een specifieke toepassing te selecteren.
• Motor- en generatorontwerp : De curve helpt bij het optimaliseren van het ontwerp van magnetische circuits om de efficiëntie en prestaties te maximaliseren.
• Kwaliteitscontrole : Fabrikanten gebruiken BH-curven om de consistentie en kwaliteit van magneetbatches te controleren.
• Onderzoek en ontwikkeling : Wetenschappers bestuderen de BH-curven van nieuwe materialen om geavanceerde magnetische systemen met verbeterde eigenschappen te ontwikkelen.

10. Geavanceerde overwegingen

Voor meer geavanceerde toepassingen kunt u het volgende overwegen:

• Temperatuurafhankelijke BH-curven : Teken BH-curven bij verschillende temperaturen om te begrijpen hoe de eigenschappen van de magneet veranderen onder thermische omstandigheden.
• Dynamische BH-curven : Meet de BH-respons onder wisselende magnetische velden om wervelstroomverliezen en hysterese-verliezen te bestuderen.
• Numerieke modellering : Gebruik eindige-elementenanalyse (FEA)-software om het BH-gedrag van complexe magnetische systemen te simuleren en de resultaten te valideren met experimentele gegevens.