DIN V 42331-2004 Technical Report on Pulsed Field Magnetometry (IEC 62331 2003)《脉冲磁场的技术报告》.pdf

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1、April 2004 DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDEPreisgruppe 15DIN Deutsches Institut f r Normung e.V. Jede Art der Vervielf ltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut f r Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 17.220.01#S 9

2、542977www.din.deXVornormDIN V 42331Technischer Bericht ber Magnetometrie mit gepulsten Feldern (IEC 62331:2003)Technical Report on Pulsed Field Magnetometry (IEC 62331:2003)Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlinwww.beuth.deGesamtumfang 28 Seiten Vornorm DIN V 42331:2004-042Ei

3、ne Vornorm ist das Ergebnis einer Normungsarbeit, das wegen bestimmter Vorbehalte zum Inhalt oderwegen des gegenber einer Norm abweichenden Aufstellungsverfahrens vom DIN noch nicht als Normherausgegeben wird. Zu dieser Vornorm wurde kein Entwurf verffentlicht. Erfahrungen mit dieser Vornormsind erb

4、eten an die DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN undVDE, Stresemannallee 15, 60596 Frankfurt am Main.Nationales VorwortFr die vorliegende Norm ist das nationale Arbeitsgremium K 171 Magnetische Legierungen und Stahl derDKE Deutsche Kommission Elektrotechnik El

5、ektronik Informationstechnik im DIN und VDE zustndig.EinleitungZur Messung aller magnetischen Kenngren von magnetisch harten Werkstoffen (Dauermagneten) ist einMagnetfeld erforderlich, dessen Strke ausreicht, die Probe zu sttigen.Die Erzeugung dieses magnetischen Feldes kann zum praktisch begrenzend

6、en Faktor und bestimmend frdas geeignete Messverfahren werden.Supraleitende Magnete knnen sehr hohe statische oder langsam vernderliche magnetische Feldstrkenerzeugen, jedoch sind sie wegen der hohen Anschaffungskosten auf Grund ihrer hohen Komplexitt undebenfalls wegen hoher Betriebskosten auf Grun

7、d der erforderlichen Kryogase weit von einer Ideallsungentfernt. Die Feldnderungen mssen langsam erfolgen, um ein Quenching des supraleitenden Magnetenzu vermeiden.Langsam sich ndernde konventionell gewickelte Elektromagnete haben ein schwerwiegendes Problem derWrmeerzeugung durch I2R-Verlust. Dies

8、kann gemildert werden durch Verwendung eines hochpermeablenEisenjochs. Jedoch macht die Sttigung des Eisens es unmglich, die Kennzahlen von Selten-Erd-Dauermagneten bei maximaler Hystereseschleife zu bestimmen.Ein System mit gepulsten Feldern minimiert bei Verwendung herkmmlichen Leitermaterials die

9、Wrmeeffekte durch begrenzte Dauer des anstehenden Feldes und durch Begrenzen der Wrmeerzeugungauf ein akzeptables Ma. Auf diese Weise knnen Felder bis 40 Tesla erzeugt werden.Jedoch muss den Messgerten und dem Messverfahren sorgfltige Beachtung geschenkt werden, damit dendynamischen Effekten, die im

10、 Zusammenhang mit der kurzen Zeitdauer des anstehenden Feldes stehen,Rechnung getragen wird.Whrend in vielen Teilen der Welt auf dem Gebiet der Magnetometrie mit gepulsten Feldern gearbeitet wird,sind MACCHARETEC in Europa und EMAJ (Electronic Materials Manufacturers Association of Japan) diebeiden

11、Hauptgruppen von Anwendern. Das japanische Konzept untersttzt eine Norm mit festgelegtenProbengren, Feldern und Frequenzen bei einer begrenzten Anzahl von Konfigurationen.Das Anliegen dieses technischen Berichts ist es, die Grundzge und praktischen Gesichtspunkte derMagnetometrie mit gepulsten Felde

12、rn zu beschreiben, damit die Mglichkeiten des zu behandelndenVerfahrens einschlielich seiner Anwendung auf kleine und groe Magnete verschiedener Geometrien, undauf verschiedene eingesetzte Felder und Frequenzen voll ausgeschpft werden knnen.1 AnwendungsbereichDer vorliegende Technische Bericht gibt

13、einen berblick ber Verfahren zum Messen an hartmagnetischenWerkstoffen mit Hilfe von Magnetometern mit gepulsten Feldern.Die Verfahren zur Messung der magnetischen Eigenschaften von hartmagnetischen Werkstoffen wurden frgeschlossene magnetische Kreise in IEC 60404-5 und fr offene magnetische Kreise

14、in IEC 60404-7festgelegt. Die Messung der magnetischen Eigenschaften hartmagnetischer Werkstoffe bei hherenTemperaturen ist im Technischen Bericht IEC TR 61807 angegeben.Magnetometer mit gepulsten Feldern wurden entwickelt, um durch schnelles Messen hoheProduktionsgeschwindigkeiten bei 100 % Qualitt

15、skontrolle zu ermglichen. Vornorm DIN V 42331:2004-0432 Magnetometer mit gepulstem Feld (PFM)Ein Magnetometer mit gepulstem Feld kann aus folgenden Teilen bestehen:a) dem Feldgenerator bestehend ausA) der Leistungsquelle (normalerweise ein kapazitives Entladungssystem)B) Magnetisierungs-Solenoidb) M

16、agnetisierungs- und Feldstrke-Detektoren (Messspulen)c) Messgerte fr transiente Vorgnge und Digitalisierungseinrichtung frA) IntegrationB) Digitalisierungd) Datenbearbeitungskomponenten frA) NullsignalB) M, H-SchleifenpositionierungC) Entmagnetisierungs-KorrekturD) TiefpassfilterungE) Kalibrierungsf

17、aktorenF) Wirbelstrom-Korrektur2.1 Allgemeine GrundzgeDas Grundprinzip der Arbeitsweise des PFM wird dadurch bestimmt, dass man ein starkes transientesMagnetfeld mit Hilfe des benutzten Feld-Generators erzeugt und auf die zu messende Probe einwirken lsst.Die angewandte Feldstrke und die resultierend

18、e Magnetisierung der Probe werden aufgezeichnet undausgewertet.Whrend des Messzyklus durchsetzt der von der Probe erzeugte Fluss die J-Spule, derenAusgangsspannung proportional zur zeitlichen Ableitung des durchsetzenden Flusses ist. Dieser Fluss istgroen Teils auf die Magnetisierung der Probe zurck

19、zufhren, aber auch auf ein Null-Signal (siehe 7.1.1)und auf mgliche Wirbelstrme (siehe 7.1.6) u.s.w. Folglich wird diese Spule als J-Spule, gelegentlich auchals M-Spule, bezeichnet. Tatschlich handelt es sich um eine d/dt-Spule. In diesem Schriftstck wird derAusdruck J-Spule benutzt.Bei der H-Spule

20、ist das Ausgangssignal proportional zur zeitlichen Ableitung des sie durchsetzenden Flussesund ist weitgehend proportional der auf die Probe angewandten magnetischen Feldstrke. Diese Spule wirdgewhnlich als H-Spule bezeichnet, wenngleich sie tatschlich eine dH/dt-Spule ist.Die Ausgangssignale dieser

21、 beiden Spulen werden integriert (siehe 6.2). Im Fall des integrierten Signals derJ-Spule wird das Null-Signal abgezogen und das Ergebnis wird kalibriert, so dass sich ein M-Signal ergibt, d.h., die Magnetisierung der Probe wird im offenen magnetischen Kreis gemessen. Durch Kombinieren diesesSignals

22、 mit dem H-Signal wird eine M, H-Hystereseschleife erhalten.Wenn die M,H-Schleife korrigiert wird bezglich des Entmagnetisierungseffektes beim Messen im offenenmagnetischen Kreis (siehe 7.1.3), dann knnen die intrinsischen M, H- oder J, H-Schleifen-Daten erhaltenwerden.Die beiden Signal-Kanle, d. h.

23、 die Wege von der Messspule ber die Integration, Digitalisierung und dieAkkreditierung und Verarbeitung der Daten im Computer, sind allgemein als J- und H-Kanle bekannt. Vornorm DIN V 42331:2004-044Bild 1 M- und H-Zeitverlufe fr einen Dauermagneten. Die untere Kurve ist der Zeitverlauf desangewandte

24、n Feldes H bei einer Feld-Generator-Konfiguration gem 3.2.2.1. Die obere Kurvegibt den Zeitverlauf der Probenmagnetisierung wieder; gesinterte Neodym-Eisen-Bor-Probe.PFM-Messung durch Hirst Magnetic Instruments mit Hilfe von Hirst-Magnetometer PFM11.Bild 2 J, H- und B, H-Schleife eines Dauermagneten

25、. Die volle Hystereseschleife wird durchPlotten der J-Daten ber die H-Daten, die im Bild 1 gezeigt sind, ohne Benutzung derZeitdomnendaten erhalten. Die Zeitkurven von J und H sind rechts dargestellt (Hirst Ref. 1). Vornorm DIN V 42331:2004-0452.2 ProbengreDa an den Proben im offenen magnetischen Kr

26、eis gemessen werden soll, gibt es keine unmittelbare Grenzefr die Gre der prfbaren Proben. Kleine und groe Proben knnen gemessen werden, vorausgesetzt, dieAspekte des Wirbelstroms und der praktischen Messgertewahl werden bercksichtigt (siehe 7.1.6).Die in diesem Bericht prsentierten Ergebnisse gelte

27、n fr Zylinderproben der maximalen Abmae 30 mmDurchmesser mal 25 mm Lnge und der minimalen Abmae 5 mm Durchmesser mal 5 mm Lnge,wenngleich dies nicht die praktische Begrenzung fr das PFM-Verfahren ist.Zylinderproben mit einem Durchmesser von weniger als 3 mm und einer Lnge von 3 mm ebenso wieNdFeB-Zy

28、linder von 40 mm Durchmesser und 30 mm Lnge sind ebenfalls gemessen worden.Die japanische Gruppe EMAJ (Electronic Materials Manufacturers Association of Japan) misst zylindrischeProben von 10 mm Durchmesser und 7 mm Lnge und kubische Proben von 7 mm x 7 mm x 7 mm (sieheBilder 14 bis 16).3 Magnetfeld

29、-Generator3.1 AllgemeinesDer verwendete Magnetfeld-Generator besteht aus einem System, das es erlaubt, das Magnetfeld auf dieProbe einwirken zu lassen.Er besteht aus einer Leistungsquelle und einem Magnetisierungs-Solenoid. Die Leistungsquelle stellt dendem Magnetisierungs-Solenoiden zuzufhrenden Ma

30、gnetisierungsstrom zur Erzeugung des Magnetfeldeszur Verfgung.3.2 Leistungsquelle3.2.1 AllgemeinDie Leistungsquelle muss in der Lage sein, eine hohe elektrische Spannung (400 V bis 10 000 V,typischerweise 1 000 V bis 3 000 V) bei hohen Stromstrken (im Bereich 1 000 A bis 40 000 A,typischerweise 5 00

31、0 A bis 20 000 A) zu erzeugen, und dies in beiden Polaritten.Dies kann erreicht werden mit Hilfe eines der beiden folgenden Verfahren:a) Kondensatorentladungb) Direkte Netzversorgung3.2.2 KondensatorentladungDie Einrichtung zur Kondensatorentladung ermglicht das Aufladen von Kondensatoren mit elektr

32、ischerEnergie ber einen lngeren Zeitraum, bevor innerhalb kurzer Zeit zur Lieferung hoher Stromstrken auseiner Quelle niedriger Impedanz entladen wird.Fr den Energiespeicher gilt:2012E CU= (1) Vornorm DIN V 42331:2004-046Dabei istE = Energie in JouleC = Kapazitt in FaradU0= Kondensatorspannung in Vo

33、ltDie Kapazitt und die Energie der Kondensator-Entladungseinrichtung werden an das Magnetisierungs-Solenoid angepasst, so dass die geforderten Parameterwerte fr Scheitelwert der Feldstrke, Feldvolumen,Feldhomogenitt und Standzeit erreicht werden. Die erreichte maximale magnetische Feldstrke istpropo

34、rtional zur Stromdichte, wobei der Proportionalittsfaktor von der Geometrie des Puls-Magnetenabhngt.Die Entladung kann in den folgenden Moden angewandt werden:a) Sinuswelle (abfallend)b) Unidirektionale Pulse (halbe Sinuswelle)c) Zwei unidirektionale Pulse (abfallend)3.2.2.1 Sinuswelle (abfallend)Be

35、i kommerziellen PFM mssen die Kosten minimiert werden und es ist daher erforderlich, die gewnschtenDaten mit einem Minimum an Kondensator-Energie zu erreichen.Bild 3 Blockschaltbild fr Sinuswelle (abfallend)Der Strom I(t) (siehe Bild 3) und somit die magnetische Feldstrke sind bestimmt durch0() sint

36、UI tetL= (2)wobei gegeben ist durch2214RLC L = (3)Auf Grund der Verluste durch den Widerstand des Magnetisierungs-Solenoids ist der Scheitelwert der imSolenoid in Gegenrichtung erzeugten Feldstrke reduziert abhngig vom Dmpfungsfaktor = R/2L. Es istdeshalb erforderlich, eine hhere Anfangsfeldstrke an

37、zuwenden, um die erforderliche Umkehrfeldstrke zuerreichen.Das Sinuswellen-Verfahren hat den Vorteil eines kontinuierlichen Verfahrens, bei dem positive und negativePolaritt angewandt und so Diskontinuitten vermieden werden. Dies ist wichtig bei der Prfung vonelektrisch leitenden Werkstoffen, bei de

38、nen Wirbelstromeffekte bercksichtigt werden mssen (siehe 7.1.6) Vornorm DIN V 42331:2004-0473.2.2.2 Unidirektionale Pulse (halbe Sinuswelle)Bild 4 Blockschaltbild fr unidirektionale Pulse (halbe Sinuswelle)Die Stromstrke (siehe Bild 4) wird bestimmt durch;0() sintUI tetL= (4)dabei ist:2214RLC L = (5

39、)Nach der ersten Halbperiode des Stromes verhindert das Sperrverhalten des Thyristors den Rckfluss deram Kondensator aufgebauten Umkehrladung.Die resultierende Stromwellenform ist eine halbe Sinuswelle (0bis 180).Durch Anwendung eines identischen Pulses der entgegengesetzten Polaritt kann ein maxima

40、les positivesund negatives Feld mit identischen Spitzenwerten der positiven und negativen Polaritt aufgebracht werden.Die Gesamtmessung wird vervollstndigt durch zwei separate Entladungen. Dieses Konzept hat den Vorteil,dass dieselben Spitzenwerte der positiven und negativen Felder erreicht werden.

41、Jedoch werden zweidiskrete Pulse verwandt mit ihren inhrenten Stromstrkediskontinuitten.3.2.2.3 Unidirektionale Pulse (abfallend)Bild 5 Blockschaltbild fr unidirektionale Pulse (abfallend)Die Entladung wird bestimmt durch:t0() sinUI te tL= (6) Vornorm DIN V 42331:2004-048Vom Beginn der Entladung bis

42、 zum Zeitpunkt der Spitzenstromstrke kann auf Grund der Halte-Schaltungkeine Umkehrenergie in die Kondensatorbatterie geladen werden. Von diesem Zeitpunkt an wird dieStromstrke bestimmt durch0()RtLI tIe= (7)Dabei ist I0die Stromstrke zu dem Zeitpunkt, zu dem die Halte-Schaltung in den Vorwrts-Zustan

43、dbergeht.Wie bei dem Verfahren nach 4.2.2.2 kann eine vollstndige positive und negative Feldstrke-Halbwelle durchdie Anwendung zweier Pulse, einer davon mit umgekehrter Polaritt, erreicht werden.Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass zwei Pulse bentigt werden. Es weist ebenfalls zwei sehrverschiede

44、ne dynamische Antworten auf die ansteigenden und die fallenden Schwingungsformen, wobei dasdH/dt whrend des Zeitbereichs nach dem Spitzenwert niedriger ist.Tabelle 1 Vergleich von Verfahren zur Erzeugung des angewandten FeldesFeste Frequenz Kontinuierlich Einzel-SchwingungsfunktionIdentische positiv

45、e undnegative FelderSinusschwingung(abfallend)Ja Ja Ja NeinHalbschwingung ineiner RichtungJa Nein Ja JaSchwingung ineiner Richtung(abfallend)Nein Nein Nein JaDas bevorzugte Konzept ist die Sinusschwingung (abfallend) nach 4.2.2.1, insbesondere in Anbetrachtmglicher Wirbelstrme in elektrisch leitende

46、n Proben. Es sollte angemerkt werden, dass das von EMAJ(Electronic Materials Manufacturers Association of Japan) bevorzugte Konzept das von 4.2.2.2, Puls einerRichtung (Halb-Sinusschwingung), ist.3.2.2.4 Die Wiederholbarkeit der angewandten SpannungDie Wiederholbarkeit der der Kondensatorbatterie zu

47、gefhrten Spannung ist relativ unwichtig, vorausgesetzt,dass die Energie ausreicht, den getesteten magnetischen Werkstoff zu sttigen. Die Wiederholbarkeit istjedoch sehr wichtig fr die Korrektur des Null-Signals. Eine Wiederholbarkeit von 1 % kann leicht erreichtwerden und ist angemessen. Eine Wieder

48、holbarkeit von 0,1 % ist eher typischerweise erreichbar.Die Feldstrke hngt ab vom Widerstand der Magnetisierungsspule. Die Temperaturnderung derMagnetisierungsspule kann einen geringfgigen Einfluss auf das Ergebnis haben und muss beachtet werden.3.2.3 Direkt vom Netz gespeiste VersorgungEinige weltw

49、eit existierende Hochmagnetfeld-Anlagen benutzen Leistungsquellen, die direkt an das Netzangeschlossen sind. Diese Systeme sind in der Lage, hohe Felder (20 T bis 40 T) fr die Dauer von ungefhreiner Sekunde zu erzeugen.Wenngleich diese Anlagen wertvolle Quellen darstellen, werden sie in diesem Bericht nicht bercksichtigt.Es ist ebenfalls mglich, eine Leist