DE69308321T2 - Kennzeichnung von magnetischen materialien - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Mittel zur Kennzeichnung magnetischer Materialien durch Messung ihrer magnetischen Eigenschaften. Die Erfindung ist besonders, aber nicht ausschliesslich, geeignet für die Kennzeichnung oder Messung von Permanentmagneten hoher Energie.
• Permanentmagnete werden immer gebräuchlicher, sowohl in häuslichen wie in industriellen Anwendungen und die magnetische Wirksamkeit wird verbessert durch Verwendung neuer Materialien, wie seltene Erden/Eisenmaterialien, zum Beispiel Neodym-Eisen- Bor. Diese neuen Materialien haben extrem hohe Werte innerer Koerzitivkraft, bis zu einem solchen Ausmass, dass sie mit herkömmlichen Mitteln nicht gemessen bzw. gekennzeichnet werden können. Um die vollständige Hysteresisschleife solcher Materialien zu messen, von der die magnetischen Eigenschaften abgeleitet werden können, sind externe Felder zur Erzeugung einer Flussdichte bis zu 15 Tesla oder grösser erforderlich; diese Anforderungen werden sich zweifellos noch erhöhen, wenn neue Generationen magnetischer Materialien, zum Beispiel Samarium-Eisen-Nitride, entwickelt werden.
• Vorhandene, bekannte Instrumente zur Messung der magnetischen Eigenschaften sind der Permeameter und der schwingende Probenmagnetometer. Bei dem Permeameter wird die magnetische Probe in einen geschlossenen magnetischen Kreis zwischen die Pole eines Elektromagneten eingegeben, die Stromzufuhr wird langsam erhöht und abgesenkt, während der Arbeitspunkt der magnetischen Probe überwacht wird. Dieses Instrument hat einen Selbst-Demagnetisierungsfaktor von 0 und vernachlassigbare Streustromeffekte, hat jedoch nur eine maximale wirksame Feld-Kapazität zur Generierung einer Flussdichte von nur ungefähr 2 Tesla, wegen Begrenzungen durch das eiserne Joch des Elektromagneten. Selbst bei Verwendung von Kobalt-Eisen-Polstücken zum Bündeln des magnetischen Flusses ist dies immer noch ungenügend für hochwirksame, dreidimensionale übergangsmetall-Legierungsmagnete, und damit ist die Verwendung dieser Instrumente begrenzt auf die Messung nur der zweiten Quadrant-Charakte ristiken bei Proben, die in einem viel stärkeren Feld vormagnetisiert wurden.
• Der vibrierende oder schwingende Probenmagnetometer verwendet einen supraleitenden Solenoiden zur Erzeugung des angewendeten lr) Feldes, wobei Flussdichten bis zu ungefähr 20 Teslas erreicht werden können. Jedoch stehen die Anschaffungs- und Unterhaltungskosten dieser Instrumente der Verwendung ausserhalb von Forschungsanwendungen entgegen und ihre Arbeitszeiten sind in jedem Fall zu langsam für viele industrielle Anwendungen.
• Daher besteht ein Bedarf nach einem Instrument, welches eine schnell ansprechende Abschätzung oder Bestimmung magnetischer Merkmale liefert und welches auch die magnetische Geometrie berücksichtigt, bei Anschaffungs- und Unterhaltungskosten, die das Instrument einsetzbar machen sowohl in der Industrie wie in der Forschung.
• Ein Magnetometersystem mit gepulsten Feldern wurde vorgeschlagen für diesen Bedarf (siehe IEEE Transactions on Magnetics, 24 (1988), No. 2, 970-973), wobei ein pulsierendes magnetisches Feld auf den Probemagneten angewendet wird, die angewendete Feldstärke und die magnetische Flussdichte in dem Magneten werden durch Mess-Spulen gemessen; bisher haben diese Systeme aber noch keine Basis geliefert für ein praktikables Instrument zur Messung magnetischer Eigenschaften, wegen der Fehler, die herrühren von starken Wirbelströmen, die induziert werden in dem Probemagnet als ein Resultat des zeitlich variierenden magnetischen Feldes, welches während der Anwendung des schwingenden Feldes produziert wird. Die schädlichen Effekte von Wirbelströmen könnten vermieden werden durch Anwendung magnetischer Pulse mit niedriger Anstiegszeit, dies würde aber die Kosten erhöhen.
• Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines pulsierenden Feldmagnetometer-Systems, in welchem die von Wirbelströmen herrührenden Fehler im wesentlichen ausgeschaltet sind, wobei das System realisierbar ist bei Kosten, die es für Produktionszwecke einsetzbar machen. Ein weiteres Ziel ist die Schaffung eines Systems, in welchem die Gegenwart von Wirbeiströmen festgestellt und/oder gemessen werden können.
• Gemäss einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen ein Apparat zur Messung der magnetischen Eigenschaften einer Probe eines magnetischen Materials mit Mitteln zur Generierung eines pulsierenden/schwingenden magnetischen Feldes, zur Anwendung auf die Probe, Mittel zur Bestimmung der angewendeten magnetischen Feldstärke und Mitteln zum Abfühlen bzw. Erfassen der gesamten in der Probe generierten magnetischen Felder entsprechend deren magnetischen Eigenschaften und einschliesslich darin induzierter Wirbelströme, und mit Ausgabemitteln für Signale, die durch die Bestimmungs- und Abfühlmittel generiert wurden,
• dadurch gekennzeichnet, dass der Apparat ferner Mittel zur Anwendung von sequentiell pulsierenden Feldern auf die Probe aufweist, wobei die Pulse verschiedene Änderungsraten der magnetischen Feldstärke haben&sub1; und Mittel zur Eliminierung der Wirbelstromkomponenten aus den jeweiligen in der Probe generierten magnetischen Feldern.
• Gemäss einem anderen Aspekt wird mit der Erfindung ein Verfahren geschaffen zur Messung der magnetischen Eigenschaften einer Probe maqnetischen Materials, dadurch gekennzeichnet, dass das Material sequentiell pulsierenden Feldern mit entsprechend differierenden Änderungsraten der magnetischen Feld stärke ausgesetzt wird, dass die gesamte magnetische Feldstärke abgetastet bzw. abgefühlt wird, dass die in der Probe durch die entsprechenden Pulse, einschliesslich von Wirbelströmen darin induzierten magnetischen Felder abgetastet bzw. erfasst werden, und dass die Streustrom-Komponenten aus den Feldern eliminiert werden, wobei die magnetische Netto-Feldstärke den magnetischen Eigenschaften der Probe entsprechen bzw. diese Eigenschaften angeben.
• Die beobachteten Daten können bewertet werden dahingehend, dass sie die benötigten Informationen enthalten und die magnetischen Eigenschaften der Probe bestimmen, obwohl auch andere magnetische Information vorhanden sein mag, die eliminiert werden kann, entweder vor oder nach der Beseitigung von Wirbelstromkomponenten.
• Die Eliminierung von Wirbelstromkomponenten aus den in der Probe generierten magnetischen Feldern kann erreicht werden durch Berechnung geschätzter Werte der angenommenen Wirbelströme oder des durch die jeweiligen Pulse gebildeten Verhältnis und Vergleich mit gemessenen Netto-Feldern, oder deren Verhältnis; falls erforderlich, kann man den Vergleich wiederholen, bis die geschätzten Werte im wesentlichen mit den gemessenen Werten übereinstimmen. Wenn die gemessenen Felder einander im wesentlichen gleich sind, sind Wirbelströme praktisch nicht vorhanden; mit der Erfindung wird also auch die Gegenwart oder Abwesenheit von Wirbelströmen festgestellt.
• Vorzugsweise wird die Probe in gekoppeltem Verhältnis in dem Solenoid gehalten, zum Beispiel in dessen Bohrung, und das pulsierende magnetische Feld, welches das magnetische Material völlig sättigen sollte, wird erzeugt durch einen oder mehrere Kondensatoren, die angeordnet sind zur Entladung über den Solenoid Vorzugsweise haben die Pulse die Form von Sinuswellen. Die Rate der Änderung der magnetischen Feldstärke des angewendeten Feldes kann variiert werden durch Änderung entweder der Wellenform der Pulse oder der Dauer; es ist vorzuziehen, die Wellenform im wesentlichen konstant zu halten und die Impulsdauer zu variieren. Die Dauer kann variiert werden entweder durch Änderung der Induktivität der Spule oder der Kapazität des Kondensators. Um zum Beispiel selektiv die Induktivität des Solenoids zu ändern, können eine oder mehrere Abgriffe oder Anschlüsse vorgesehen sein, so dass nur einige oder alle Solenoidspulen angewendet werden, je nach Erfordernis; ein Ausgleichs-Widerstand und wahlweise eine Induktivität können angewendet sein, um das Verhältnis von Widerstand zu Induktivität auf einen im wesentlichen konstanten Wert über die gesamte Reihe der Abgriffe zu halten. Andere Möglichkeiten zur Varuerung der Pulsdauer sind die Änderung eines angepassten Transformators zwischen dem Kondensator und der Induktivität und durch Anwendung einer fixierten Induktivität oder Spule und Änderung des Kondensatorausgangs durch Zufügen oder Wegnehmen von Kondensatoren oder Kapazität oder Änderung zwischen Parallelschaltung und Serienschaltung der Kondensatoren.
• Unter "Solenoid" versteht man in diesem Zusammenhang jegliche stromführende Spule, unabhängig von der Windungszahl oder der Geometrie der Spule.
• Alternativ zu der Verwendung von Kondensatoren kann das pulsierende Feld erzeugt werden durch Anwendung oder mittels der elektrischen Hauptleitungen, wobei die Pulse und verschiedene Änderungsraten durch Änderung der Stromversorgung erreicht werden können.
• Die angewendete magnetische Feldstärke und die in der Probe erzeugten Feldstärken können gemessen werden durch Mess-Spulen, die koaxial mit dem Solenoid ausgerichtet sind, die Ausgänge der Fühlerspulen können elektronisch integriert werden, zum Beispiel mittels integrierender Fluss-Messer. Nach der Integrierung und Verstärkung können die Signale digitalisiert und in einem Speicher gespeichert werden für nachfolgende Analysen.
• Typisch für ein Selten-Erden-Material liegt die Dauer des Magnetpulses im Bereich von 0,25 bis 5 ms. Wenn zum Beispiel die Pulsdauer 1,2 ms und 4,8 ms beträgt, ist die Wirkung von Wirbelströmen in erster Annäherung viermal grösser bei der kürzeren Pulsdauer als bei der längeren. Jedoch ist die Pulsdauer für eine besondere Probe bestimmt durch eine Anzahl von Faktoren, einschliesslich der Geometrie und Grösse der Probe, und der erwarteten Leitfähigkeit der Probe. Die Differenz in der Feldänderungsrate wird im allgemeinen so gross wie möglich gemacht, obwohl im allgemeinen ein Verhältnis von 4:1 gewöhnlich akzeptabel ist.
• Bei einer Ausführungsart der Erfindung wird dem magnetischen Material eine gegebene Hysteresisschleife zugeordnet, von der angenommen wird, dass sie die wirklichen magnetischen Eigenschaften repräsentiert, d. h. ohne Wirbelströme. Das Ziel dieser Simulation ist zu ermitteln, bis zu welchem Ausmass diese Eigenschaft abgeleitet werden kann von der Fluss- Verbindung entsprechend angeordneter Untersuchungsspulen. Zum Beispiel mag der elektrische Widerstand festgesetzt sein auf 1,42 µOHMm, was typisch ist für Herstellerangaben für ein gesintertes NdFeB Magnetmaterial, entsprechend 0,017 µOHMm für Kupfer. Das angewendete Feld möge eine Pulsdauer in der Grösse von 0,333 bis 5 ms haben. die angenommenen Hysteresisschleifen für die verschiedenen Pulsdauern und die bei Abwesenheit von Wirbelströmen vorhergesagten werden berechnet (als eine Serie statischer Feldlösungen).
• Anfänglich sei angenommen, dass die Hysteresisschleife symmetrisch um den Nullpunkt ist, obwohl Messungen zeigen, dass die wahre Eigenschaft asymmetrisch ist. Die Symmetrie der Eigenschaft wird daher geschätzt, um zu bestimmen, ob die anfängliche Schätzung korrekt war. Wiederholte Korrekturen der Abweichung liefert allmählich eine symmetrische Hysteresisschleife, welche die wirkliche magnetische Charakteristik repräsentiert. Zur Kompensierung möglicher Asymmetrien aufgrund zum Beispiel von nur Teilmagnetisierung durch verschiedene positive und negative Spitzenwerte in dem angewendeten Feld wird die Verschiebung aufgrund der Anf angsbedingungen gemessen, vor Anwendung des gepulsten Feldes, durch extern kalibrierte Untersuchungsspulen. Diese mögen von unterschiedlicher Konstruktion sein gegenüber den Mess-Spulen in der Bohrung des Solenoids, da sie Zeitkonstante - und damit die Stärke der induzierten Spannung, die bei dem Einsetzen des Magnetmaterials in die Testspule erzeugt wird - verschieden ist von derjenigen während der magnetischen Pulse.
• Als Schutz gegen mögliche katastrophale Wirkungen eines Zusammenbruchs der Spannung während eines Messzyklus zwischen dem Solenoid und den Mess-Spulen in der Solenoidbohrung wird vorzugsweise die Instrumentierung von dem Rest des Apparates elektrisch isoliert. Zum Beispiel kann der Apparat einen elektronischen Integrator haben, sowie Mittel zur Digitalisierung des analogen Ausganges des Apparates, einen Speicher und Mittel zur elektrischen Isolierung während des Datentransfers, wie optische Isolatoren. Im Falle eines elektrischen Zusammenbruchs oder Durchschlags zwischen Solenoid und Mess- Spule folgt das elektrische Potential, bei dem die Instrumentierung arbeitet, derjenigen des Solenoids ohne Schaden für die übrige Apparatur.
• Ausführungsformen bzw. eine Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben als Beispiel, unter Bezugnahme auf die Zeichnung, welche ein Schaltbild eines Apparates zur Bestimmung oder Kennzeichnung einer Probe eines magnetischen Materials darstellt.
• In der Zeichnung ist die Probe 11 in gekoppeltem Verhältnis gegenüber einem Solenoid 12 angeordnet. Vorzugsweise ist die Probe gehalten in der Bohrung oder Ausnehmung des Solenoids und innerhalb der J-Spule 13, obwohl zum Zwecke der besseren Übersicht die Zeichnung die Probe seitlich neben der Spule zeigt. Die J-Spule 13 misst die Magnetisierung der Probe, und die Spule 14 misst das angewendete magnetische Feld. Die Spulen 13 und 14 sind vorzugsweise koaxial mit dem Solenoid 12 zusammengebaut.
• Der Apparat weist eine Stromquelle 15 auf, welche einen Kondensator 16 auf einen vorbestimmten Wert auflädt. Die Schalteranordnung 17 entlädt den Kondensator 16 wahlweise über einen von zwei Anschlüssen 18, 19 der Solenoidspule 12, während der Schalter 20 offen ist. Der resultierende Strom durch den Solenoid 12 erzeugt einen magnetischen Fluss, von dem ein Teil gekoppelt ist zu den J- und H-Spulen 13, 14. Die Probe 12 ist gekoppelt mit dem angewendeten Feld und mit der J-Spule 13. Die resultierenden Signale werden integriert in den Integratoren 21 und 22 und digitalisiert in den Analog-Digatal-Konvertoren 23, 24. Die erhaltenen numerischen Werte werden dann heruntergeladen in einen Personalcomputer 25 zur weiteren numerischen Verarbeitung.

Claims (11)

1.

Ein Apparat zur Messung der magnetischen Eigenschaften einer Probe eines magnetischen Materials (11) mit Mitteln zur Generierung eines pulsierenden/schwingenden magnetischen Feldes (12, 15), zur Anwendung auf die Probe (11), Mittel (14) zur Bestimmung der angewendeten magnetischen Feldstärke und Mitteln (13) zum Abfühlen bzw. Erfassen der gesamten in der Probe (11) generierten magnetischen Felder entsprechend deren magnetischen Eigenschaften und einschließlich darin induzierter Wirbelströme, und mit Ausgabemitteln (25) für Signale, die durch die Bestimmungs- und Abfühimittel generiert wurden, dadurch gekennzeichnet, daß der Apparat ferner Mittel (12, 15, 16, 18, 19) zur Anwendung von sequentiell pulsierenden Feldern auf die Probe (11) aufweist, wobei die Pulse verschiedene Änderungsraten der magnetischen Feldstärke haben, und Mittel zur Eliminierung der Wirbelstromkomponenten aus den jeweiligen in der Probe (11) generierten magnetischen Feldern.

2.

Ein Apparat gemäß Anspruch 1, wobei die Mittel zur Generierung sequentiell pulsierender Felder einen Solenoid (12) aufweisen.

3.

Ein Apparat nach Anspruch 2, wobei die Probe (11) in gekoppeltem Verhältnis gegenüber dem Solenoid (12) gehalten ist.

4.

Ein Apparat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Mittel zur Generierung des bzw. der sequentiell pulsierenden Felder einen oder mehrere Kondensatoren (16) aufweisen.

5.

Ein Apparat gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei der Solenoid (12) versehen ist mit einem oder mehreren Anschlüssen (18, 19), zur wahlweisen Änderung der Induktivität

6.

Ein Apparat gemäß Anspruch 5, wobei der Solenoid (12) verbunden ist mit einem Ausgleichs-Widerstand und wahlweise mit einem Induktor/einer Spule, damit das Verhältnis des Widerstandes zur Induktivität auf einem im wesentlichen Konstanten Wert über dem gesamten Bereich der Anschlüsse (18, 19) für die gewählte Induktivität gehalten werden kann.

7.

Ein Apparat gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur Bestimmung der angewendeten Feldstärke (14) und die Mittel zum Abfühlen des gesamten magnetischen Feldes (13) in der Probe Fühler-Spulen aufweisen.

8.

Ein Apparat nach Anspruch 7, in Abhängigkeit von einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Fühlerspulen (13, 14) koaxial mit dem Solenoiden (12) ausgerichtet sind.

9.

Ein Apparat gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner versehen mit Instrument-Mitteln (21-24) zur Integration, Verstärkung und wahlweisen Digitalisierung und Speicherung der generierten Signale, in Wirkungsverbindung mit den Signal- Ausgabemitteln (25).

10.

Ein Apparat gemäß Anspruch 9, wobei die Instrument-Mittel (21- 24) elektisch isoliert sind von den Pulsgenerierungs- (12, 15, 16, 18, 19) und Fühler-Mitteln (13, 14).

11.

Ein Verfahren zur Messung der magnetischen Eigenschaften einer Probe magnetischen Materials (11), dadurch gekennzeichnet, daß das Material (11) sequentiell pulsierenden Feldern mit entsprechend differierenden Änderungsraten der magnetischen Feldstärke ausgesetzt wird, daß die gesamte magnetische Feldstärke abgetastet bzw. abgefühlt wird, daß die in der Probe durch die entsprechenden Pulse, einschließlich von Wirbeiströmen darin induzierten magnetischen Felder abgetastet bzw. erfaßt werden, und daß die Streustrom-Komponenten aus den Feldern elimininiert werden, wobei die magnetische Netto- Feldstärke den magnetischen Eigenschaften der Probe (II) entsprechen bzw. diese Eigenschaften angeben.