多孔泡沫金属的磁性测试方法与分析

由于导磁材料内部有许多小区域磁畴，所以能够被磁场磁化，在没有外磁场作用时，这些磁畴排列的方向是杂乱无章的，如图2.15（a）所示，小磁畴间的磁场相互抵消，对外不呈现磁性；在施加磁场后，导磁材料中的磁畴会顺着磁场方向转动，随着外磁场加强，转到外磁场方向的磁畴增多，与外磁场同向的磁感应强度就越强，即材料被磁化了。

当磁场继续增大时，与外磁场方向相近的磁畴已经趋向于外磁场方向，那些与磁场方向相差较大的磁畴也开始转向外磁场方向，如图2.15（b）所示。因此磁感应强度B 随磁场强度H增大而急剧上升，当大部分磁畴趋向外磁场后，再增加磁场强度，可转动的磁畴越来越少，直到没有可转动的磁畴，材料磁性能进入饱和阶段。

图2.15　磁性物质的磁化过程

（a）未磁化；（b）已磁化

多孔泡沫金属的磁性能主要由振动样品磁强计测试，测试的材料是由某公司提供的多孔泡沫金属铁、镍和铜，测得它们的相对磁导率如图2.16 所示。图2.16 表明，三种多孔泡沫金属中，多孔泡沫金属铜可以认为没有磁性，其相对磁导率始终保持为1，而多孔泡沫金属铁的初始相对磁导率最大，由图中数据计算得约2.55，多孔泡沫金属镍约1.5，由此可以看出多孔泡沫金属铁和镍为导磁材料。

图2.16　多孔泡沫金属材料的相对磁导率

根据多孔泡沫金属的孔隙率以及测得的磁特性，初步研究了组成多孔泡沫金属的金属材料的磁特性，所采用的计算模型如图2.17 所示。其中，用于计算的多孔泡沫金属的参数如表2.3 所示。

图2.17　多孔泡沫金属的磁特性计算模型

（a）计算模型；（b）等效磁阻模型

表2.3　多孔泡沫金属的磁性及结构参数

根据等效磁阻的计算，空气隙的磁阻与多孔泡沫金属的磁阻为并联关系：

式中　Rp——多孔泡沫金属的磁阻，H；

　　　Rm——金属的磁阻，H；

　　　Rg——空气的磁阻，H。

根据磁阻的计算公式，可以把式（2.11）转化为相对磁导率之间的关系：

式中的下标定义同式（2.11）。通过多孔泡沫金属的孔隙率，可以计算得到金属的磁导率。对多孔泡沫金属进行压缩处理后，用振动样品磁强计对多孔泡沫金属内金属的磁导率进行了测试，得到的测试曲线如图2.18 所示。(www.xing528.com)

图2.18　多孔泡沫金属中金属的磁导率测试

图2.18 中，多孔泡沫金属镍的初始相对磁导率为4.3，多孔泡沫金属铁的初始相对磁导率为14.1，采用计算和测试的方法得到的金属相对磁导率如表2.4 所示。

表2.4　金属的初始相对磁导率

表2.4 中，测试得到的多孔泡沫金属镍的初始相对磁导率和计算得到的相差0.7%，说明计算过程是可行的，而多孔泡沫金属铁的误差来自孔隙率的测试误差、金属样品制作。

通过设计的测试装置，从实验上研究了不同材料和不同厚度的多孔泡沫金属材料对磁场的影响。实验测试装置如图2.19 所示，其中铜线圈为4 200 匝，空气间隙为10 mm，通过外部电源调节线圈中的电流强度，特斯拉计的探针位于多孔泡沫金属上表面某一固定地方，且不与多孔泡沫金属接触，制作用来固定间隙的定位支架的材料是铝，整个磁回路上的材料为45#钢，在加入不同厚度、不同材料的多孔泡沫金属后，通过变换不同的电流，得到间隙内部磁感应强度与外加电流的关系如图2.20—图2.23 所示。

实验测试的结果分析：

①图2.20 和图2.21 表明，针对厚度相同的多孔泡沫金属，采用多孔泡沫金属铁时，间隙内的磁感应强度最大，其次是多孔泡沫金属镍，多孔泡沫金属铜最小，这主要与多孔泡沫金属的相对磁导率有关。

图2.19　多孔泡沫金属对磁场的影响实验

图2.20　厚度为1.78 mm 的多孔泡沫金属对磁场的影响

图2.21　厚度为5.34 mm 的多孔泡沫金属对磁场的影响

②图2.22 表明，对磁导率相同的多孔泡沫金属铁，增加厚度，可以增加间隙内部的磁感应强度，在厚度增加3 倍的条件下，间隙内部的磁感应强度增加约20%。

图2.22　不同厚度的多孔泡沫金属铁对磁场的影响

③图2.23 表明，对磁导率相同的多孔泡沫金属镍，厚度增加3 倍时，间隙内部的磁感应强度增加很小，约2%。

图2.23　不同厚度的多孔泡沫金属镍对磁场的影响

上述测试表明，增加多孔泡沫金属的厚度会影响间隙内的磁感应强度，采用多孔泡沫金属铁时，间隙内部磁感应强度的增加最明显，其次是多孔泡沫金属镍，多孔泡沫金属铜没有变化，这说明可以通过改变导磁性多孔泡沫金属的厚度来增加间隙内的磁感应强度，材料的相对磁导率越大，间隙内增加的磁感应强度越明显。