第3章技术磁化2讲解课件.ppt

1、第3章 技术磁化2磁性材料中的基本现象；磁畴结构；技术磁化；动态磁化3.3 技术磁化本节主要讲述下面几个方面：磁化曲线；磁化机制；可逆畴壁位移磁化过程；不可逆畴壁位移磁化过程；可逆磁畴转动磁化过程；不可逆磁畴转动磁化过程；静磁参数分析磁化：材料从磁中性状态变到所有磁畴都取向外磁场方向的磁饱和状态的过程；反磁化：从磁化饱和状态回到退磁状态的过程；技术磁化：铁磁体在外场作用下通过磁畴转动和畴壁位移实现宏观磁化的过程；内禀磁化：铁磁体在技术磁化饱和以后，强磁场使磁畴内磁化强度发生变化的过程。几个基本概念3.3.1 磁化曲线磁中性磁饱和磁化过程反磁化过程内禀磁化技术磁化畴壁位移磁化畴壁转动磁化动态磁化

2、静态磁化磁化过程磁化曲线包含的五个特征部分：oMHabcd(1)(2)(3)(4)(5)磁化曲线起始部分：M=ciH 锐利部分（ab）M=ciH+bH2/8 非线性陡峻部分（bc）主要为不可逆畴壁位移磁化，畴壁位移呈现巴克豪生跳跃趋近饱和部分（cd)满足趋近饱和定律：顺磁部分 磁化曲线趋近水平21spabMMHHH 3.3.2 磁化机制0cosVVMMiiiSH磁性材料沿外磁场H方向上的磁化强度MH为磁化过程引起磁化强度的改变为磁畴体积变化，畴壁位移磁化自发磁化强度变化，顺磁磁化磁畴夹角变化，畴壁转动磁化iSiiiiSiiSHVMVVVMVVMMcos)(coscos000得出磁化过程的磁化机

3、制有三种：畴壁位移的磁化过程；磁畴转动的磁化过程；顺磁磁化过程。HHMMMMMMMMHHHH 位移顺磁转动位移顺磁转动位移顺磁转动则铁磁体的磁化过程表示为：图片更直观，见书P85技术磁化过程3.3.3 可逆畴壁位移磁化过程MsHxxH0yx畴壁位移i 畴k 畴ik畴较 畴能量低k畴壁向 移动，以使系统能量最低以以180180度畴壁为例：度畴壁为例：0000()22HiSHkSHkHiSSiFM HkFM HEFFS xM HS xPEPS xPM H 畴：畴：磁位能改变为单位面积畴壁受到的力以压强 表示，则则畴壁位移过程存在两种模型：（1）内应力模型应力模型主要考虑磁体内应力的起伏分布引起的内

4、部能量变化，形成对畴壁的阻力。23cos/2/0/SwwHwHwwFFxFFFFFFFFx 磁弹性能：畴壁能：（假定畴壁面积不变）平衡条件：磁化方程：物理意义：畴壁位移磁化过程的磁场位能的降低和 铁磁体内部能量的增加相等。（2）含杂模型含杂模型主要考虑磁体内杂质引起其内部能量的起伏变化，形成对畴壁位移的阻力。杂质对畴壁位移有两个作用：a.杂质的穿孔作用；b.退磁场作用 0lnwHwHHwSFFFFSxFSx 平衡条件：得出磁化方程：物理意义：畴壁位移磁化过程磁场位能的降低和由杂质穿孔导致畴壁能的增长相等。3.3.5 不可逆畴壁位移磁化过程002218020()oo00,owwSwwwxM Hx

5、HxxxH以畴壁位移的应力模型为例磁化方程简化为:F即时，畴壁停留在最小的 点，点处，所以在 点为平衡稳定状态；铁磁体内存在应力和杂质以及晶界等结构的起伏变化分布，是产生不可逆畴壁位移的根本原因。2222max000,oaod,b0,obccwSwwwwbaHM H xxxoaxHoxxxH 0时，畴壁位移开始，平衡位移：2段，畴壁在任一点皆平衡畴壁沿回到 点，可逆磁化；a-段，a+x处，畴壁不稳定，会 直接跳到满足的 点；畴壁不在回到 点，而是沿停留 在 点处，所以a-b段为不可逆位移磁化；d 磁场继续增大时，畴壁可能有多次跳跃式的位移，即巴克豪生跳跃；巴克豪生跳跃 00110000max1

6、802sin232,2322(sin)2223cos1322wSwSSwSSSSxxlxKxxKxxxlllxHMxMlM 0畴壁，设应力变化分布为又得所以 说明，在应力作用下，畴壁位移的临界磁场H 与成正比，而与成反比。3.3.4 可逆磁场转动磁化过程0220112220122010coscossincossincosHSKKHSFM HFKKKKFFFKKM H 外磁场使铁磁体内的自由能重新分布，是导致磁畴转动的根本原因和动力。如图，外场能为磁晶各向异性能为畴转磁化过程总自由能为无外磁场时的自由能曲线外加磁场后重新取向的自由能曲线0HKHKKKdHFFFFFFLLFFFF 外外内内应满足平

7、衡条件，则表明，外磁场H作用在磁畴上的外力矩L=与铁磁体内磁晶各向异性能产生的内力矩大小相等，方向相反，即L 考虑磁应力能和退磁场能后，畴转磁化的平衡方程为2010020100sincossincosKUUUHSKUHUUSFFFFM HFFFFFM HKU磁晶各向异性能F 为：外磁场能为总的自由能以单轴各向异性单畴颗粒为例：导致不可逆畴转的原因是铁磁体内存在着广义的各向异性能的起伏变化。3.3.6 不可逆畴转磁化过程100210020222200sin2sin02cos2cos000USUSFKM HFKM HHFFHHHH根据畴转条件：令联立方程，可以求出 和临界磁场；时，畴转磁化处于稳定

8、平衡状态；时，畴转磁化处于非稳定平衡状态；当时，H0,磁畴仍然沿原路径返回，即可逆；当时，磁畴将发生跳跃，发生了不可逆磁化。SUMKH0102见P1023.3.7 静磁参数分析起始磁化率影响因素 材料的饱和磁化强度 起始磁化率i与MS2成正比 磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数S 通常K1和S越小越好 内应力和掺杂及其分布；内应力和掺杂越小越好 控制晶粒尺寸的大小；晶粒尺寸越大越好 材料的织构化剩余磁化强度影响因素 应力作用 杂质和气孔的分布 材料的织构产生退磁场，提供反磁化核，降低剩磁影响MS取向cosrSMM关键在于提高材料的定向度提高剩磁的方法：矫顽力的影响因素畴壁位移的阻力畴转过程的阻

9、力00SCSHHM 2/300CSHHM0wCSSHHCM d100CSKHHM00SCSHHM 021()CSHHNN M应力模型：含杂模型：对反磁化核生长的阻滞：磁畴各向异性：应力各向异性：形状各向异性：最大磁能积（BH）maxH=0时，时，BH=0；B=0时，时，BH=0所以在这两个状态之间所以在这两个状态之间BH必然存在最大值必然存在最大值根据可以根据可以（BH）max确定确定永磁体的永磁体的最佳形状最佳形状。BBBHH(BH)max矩形比矩形比R是表征磁滞回线矩形程度，定义为：rSBRB矩形比最高可达到1Br为剩磁，BS为饱和磁感强度实际中，磁化很难达到饱和，所以用剩磁比R r和记忆

10、矩形比RS代替rrmBRB/2mHSmBRB最大磁感强度最大磁场强度的负半值开关元件参数，要求Rr0.9记忆元件参数，要求为0.80.93.4 动态磁化本节将要讲述的主要内容：动态磁化过程；动态磁性参数；磁损耗；3.4.1动态磁化过程稳定磁化状态新的磁化状态改变磁场不考虑建立新的平衡状态的时间问题静态磁化考虑磁化的时间问题动态磁化磁滞损耗磁滞损耗，涡流损耗，剩余损耗动态磁滞回线和动态磁化曲线动态磁滞回线和动态磁化曲线abcBmHmHCHSBSBrBH磁化曲线动态磁滞回线饱和磁滞回线频率不变，改变场强，即得到一系列动态磁滞曲线。动态磁滞回线的顶点（Hm，Bm）的连线为动态磁化曲线。动态磁滞回线形

11、状钼-坡莫合金的磁滞回线01232465kHz25kHz100kHzH31104A m交变磁场强度减小或频率增加时，动态磁滞回线逐渐趋近于椭圆。因此弱场高频情况下，可采用椭圆近似表示铁磁材料的动态磁滞回线。B-t、H-t曲线BBHHtt000BmHmT/4T/23T/4TT/4T/23T/4T/椭圆动态磁滞回线和铁磁体中相应B-t、H-t曲线若H呈正弦周期变化，则B也呈正弦变化，但在时间上,B要落后H相位角它们的数学表达式为：sinmHHtsinmBBt相位角的起因磁化落后磁场变化的现象，磁化的时间效应。磁滞现象；涡流效应；磁导率的频散和吸收现象；磁后效3.4.2 动态磁性参数 复数磁导率 ；

12、截止频率fr；品质因数Q；损耗因子tg；乘积Q复数磁导率 i tmHH e()itmBB e()000itimmi tmmB eBBeHH eH00cossinmmmmBBiHHcossinmmiiH用复数表示为：B用复数表示为：复数磁导率 则为：实部，它代表单位体积材料中的磁能存储2012H 虚部，它代表单位体积材料在交变磁场中每磁化一周的磁能损耗20mH 复数磁导率的矢量图解复数磁导率的矢量图解+ii0i交流电桥法测量复数磁导率环状样品的等效模拟电路RL环状铁磁样品i tmII edBNSdt等效电路RiLI根据欧姆定律 求出：0LL 和0RL 200N SLl其中，为环形线圈常数截止频率

13、frffr00.51磁谱曲线和截止频率fr 磁谱曲线上，下降到初始值的一半或 达到极大值时所对应的频率称为该材料的截止频率fr。磁谱是复数磁导率的实部 和虚部 随频率变化的关系曲线。材料的工作频率f应小于截止频率fr，否则器件将不能正常工作一般而言，材料的i越低，其fr越高。因此，要提高材料的高频应用范围，降低材料的起始磁导率是一个有效手段。品质因数Q前图所示的等效电路中，电阻R产生损耗，电感L存储能量单位时间在电感中损耗的能量为：单位时间在电阻中能量的贮存为：212LmWfLI212RmWRI2LRWLQWRLRQQ定义为材料在交变磁化时，能量的贮存和能量的损耗之比：又：得出：损耗因子tg称

14、为材料的损耗因子，有：tgtg其物理意义为：铁磁材料在交变磁化过程中能量的损耗与贮存之比 比较Q的定义，发现：1tgQ 乘积对于软磁材料，我们希望材料的Q值越高越好，值越大越好，因此常用 和Q的乘积 表示软磁材料的技术指标。Q当材料作为器件使用时，通常采用开气隙的方法来提高器件的Q值。开气隙以后，器件的Q值增加，值却降低了，但乘积与开气隙前相同，保持 为一个常量，即：QQQ开开材材常数即为斯诺克公式。Q3.4.3 磁损耗磁损耗包括三个方面：涡流损耗、磁滞损耗和剩余损耗，即hecWWWW2 tgmiiRefaBcfL低频、弱场（B0.01T）条件下，磁损耗由列格公式表示：磁滞损耗涡流损耗剩余损耗

15、磁滞损耗涡流损耗剩余损耗涡流损耗涡流损耗We可表示为：22/emWafd B常数材料厚度电阻率降低涡流损耗的方法：1降低材料厚度d；2提高材料电阻率涡流是在迅速变化的磁场中的导体内部产生的感生电流，它使线圈发热产生涡流损耗 磁滞损耗由于磁滞现象而产生的功率损耗称为磁滞损耗。aWHdB 每磁化一周的磁滞损耗数值上等于磁滞回线的面积,即：降低磁滞损耗的最好方法是减小铁磁材料的矫顽力HC 剩余损耗剩余损耗是指除了涡流损耗和磁滞损耗以外的其它所有损耗。在低频弱场低频弱场中，剩余损耗主要是磁后效损耗磁后效损耗。在高频情况高频情况下，剩余损耗主要是尺寸共振损耗、畴壁共振损耗和自然共振损耗。为了降低材料的剩

16、余损耗，可以从下面两个方面入手：一、减少扩散离子浓度，从而抑制离子扩散过程；二、控制产品的成分和制备工艺，使之在应用频率和工作温度范围内避开损耗最大值。磁导率的减落有些铁磁样品经过动态磁中性化后，其起始磁导率i随时间而降低，最后达到稳定值。这种现象称为磁导率的减落，它是磁后效的一种表现形式。0500100015001020304050i-24.2-36.8t(min)碳钢的减落曲线通常采用减落因子DF表示磁导率的减落程度：122211lgiiiDFtt其中i1为经过时间t1所测得的起始磁导率；i2为经过时间t2所测得的起始磁导率。对于软磁材料，要求减落系数对于软磁材料，要求减落系数DFDF越小越好。越小越好。综合性能测量系统