【文章內(nèi)容簡介】 趨勢明顯變大，鐵磁材料的磁化強(qiáng)度驟然變高。此時(shí)若將外磁場撤銷回原來的數(shù)值，磁疇的大小和磁壁的位置也不會回復(fù)到原樣。圖26 磁滯回線第三步：磁疇轉(zhuǎn)動。如圖24③和圖25（c），隨著上一步的進(jìn)行和外磁場的繼續(xù)增加，磁壁的平移結(jié)束。磁化的進(jìn)行依靠磁疇的轉(zhuǎn)動。磁疇內(nèi)磁矩的方向?yàn)闊o限遠(yuǎn)處指向外磁場。這一階段既有可逆過程又有不可逆過程。第四步：如圖24④，磁化趨于飽和，磁化強(qiáng)度的增量極小，這是由于外磁場的增加導(dǎo)致上一步可逆的磁疇轉(zhuǎn)動大于不可逆的磁疇轉(zhuǎn)動造成的。鐵磁材料從磁中性到達(dá)磁飽和狀態(tài)的過程被稱為磁化，而從飽和到達(dá)磁中性狀態(tài)的過程被稱為反磁化。任何鐵磁材料都存在磁化和反磁化過程。經(jīng)試驗(yàn)測得，在經(jīng)歷磁化過程后，若將外磁場恢復(fù)為0時(shí)，鐵磁材料的磁化強(qiáng)度并不能恢復(fù)到磁中性狀態(tài)，而是仍存在殘余的磁化強(qiáng)度。只有再施加一定數(shù)值的相反方向的外磁場，鐵磁材料才會恢復(fù)到磁中性狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為磁滯。反磁化過程與磁化過程基本相同，其磁滯回線如圖26。造成鐵磁材料磁滯的原因是磁化過程第二步磁疇運(yùn)動的不可逆性。第3章 應(yīng)力對磁性的影響鐵磁材料的磁化過程是通過磁疇和磁壁的平移以及磁疇的轉(zhuǎn)動來完成的，外磁場和應(yīng)力作用都會影響到磁疇的運(yùn)動。工程中所大量使用的鐵磁材料因受到應(yīng)力作用易發(fā)生損壞，若能將應(yīng)力與鐵磁材料的磁性建立起一定的關(guān)系，將會對弱磁應(yīng)力檢測提供可靠的理論基礎(chǔ)[9,12]。對于鐵磁材料有公式：(31)Eσ表示當(dāng)應(yīng)力存在時(shí)，鐵磁材料內(nèi)部的應(yīng)力能的大小。θ表示應(yīng)力與磁化方向的夾角。系統(tǒng)內(nèi)部總是自發(fā)的運(yùn)動使應(yīng)力能最小。當(dāng)λs 0時(shí)，θ取0或者π都將使Eσ 最小。即磁致伸縮系數(shù)為正的鐵磁材料，對其施加拉力會導(dǎo)致磁化方向與應(yīng)力方向在同一直線，施加壓力會導(dǎo)致磁化方向與應(yīng)力方向垂直。λs 0時(shí)結(jié)論相反。應(yīng)力的存在限制了鐵磁材料磁疇的運(yùn)動方向。磁壁的厚度和表面能的特性是由磁疇內(nèi)部磁矩轉(zhuǎn)動方向決定的，并且它對磁疇結(jié)構(gòu)和磁性的變化起著非常重要的作用。而磁疇內(nèi)磁矩轉(zhuǎn)動的方向又受應(yīng)力的制約，當(dāng)鐵磁材料受到應(yīng)力的作用時(shí)，宏觀上會表現(xiàn)出各向異性。(32)式中：γ為磁壁的表面能，A1 為交換積分常數(shù)，K1為各向異性常數(shù)，σi 為不同位置的應(yīng)力。由公式32可以得到，應(yīng)力的存在會導(dǎo)致磁壁表面能磁矩角度的變化率的增加和磁壁厚度的減小。小結(jié)：應(yīng)力對磁疇和磁壁的影響都是使其按照一定方向磁化和運(yùn)動，并發(fā)生逆磁致伸縮形變。當(dāng)鐵磁材料在受到應(yīng)力作用時(shí)，其內(nèi)部的磁疇和磁壁將會發(fā)生相應(yīng)的運(yùn)動，導(dǎo)致材料的磁性發(fā)生變化的現(xiàn)象被稱為逆磁致伸縮逆效應(yīng)。逆磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的原理：當(dāng)鐵磁材料在受到應(yīng)力的作用時(shí)，其磁疇結(jié)構(gòu)和方向?qū)l(fā)生改變，即磁特性發(fā)生變化。當(dāng)拉力作用于正磁致伸縮的鐵磁材料時(shí)，磁疇的磁化強(qiáng)度將會沿著拉力的方向增強(qiáng)；當(dāng)壓力作用于正磁致伸縮的鐵磁材料時(shí)，磁疇易轉(zhuǎn)向與壓力垂直的方向，導(dǎo)致壓力方向上的磁化強(qiáng)度降低[14]。圖31逆磁致伸縮逆效應(yīng)示意雖然一般的鐵磁材料的磁致伸縮系數(shù)很?。?06 數(shù)量級），但在逆磁致伸縮逆效應(yīng)中，應(yīng)力對其磁性的影響卻非常大[9,12]。對于正磁致伸縮系數(shù)的材料如坡莫合金（68%鎳和32%鐵的合金），對其施加拉力會較大地增加磁導(dǎo)率，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與外磁場強(qiáng)度H的關(guān)系如圖32。而對于負(fù)磁致伸縮系數(shù)的材料如鎳多晶，對其施加壓力會導(dǎo)致磁導(dǎo)率的增加，對其施加拉力會導(dǎo)致磁導(dǎo)率的下降。如圖33圖32坡莫合金B(yǎng)H曲線由圖33和圖34可知，盡管鐵磁材料的磁致伸縮系數(shù)非常小，但在應(yīng)力的作用下，其磁性的改變卻非常明顯，即鐵磁材料的磁性對應(yīng)力非常敏感。圖34鎳多晶BH曲線前面的內(nèi)容已經(jīng)指出，應(yīng)力的存在使鐵磁材料的磁疇和磁疇壁運(yùn)動，進(jìn)而使磁性發(fā)生改變。在磁疇的轉(zhuǎn)動過程中，由于受到應(yīng)力作用，磁疇的轉(zhuǎn)動方向大大的受到了限制，最終導(dǎo)致鐵磁材料內(nèi)部缺陷處的磁疇的磁化方向呈現(xiàn)出一定的規(guī)律而不能雜亂無章的排列。這就會使鐵磁材料在缺陷處具有一定方向的磁極，并且擴(kuò)散到材料表面，即形成漏磁場[9,12,18]。第4章 有限元分析及檢測模型的原理Ansys軟件發(fā)展至今已有40余年的時(shí)間，其功能也不斷地增強(qiáng)和完善，是集力學(xué)、流體、電磁學(xué)、熱學(xué)等物理學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，可應(yīng)用于機(jī)械、航天、交通、建筑、電子等行業(yè)。有限元分析是將一個(gè)連續(xù)的整體分割成多個(gè)有限數(shù)目的、獨(dú)立的、有各自屬性而又相互聯(lián)系的單元來進(jìn)行分析的方法。在有限元分析中，每個(gè)單元都可以有各自的近似計(jì)算函數(shù)，并分區(qū)域地求解計(jì)算，使一個(gè)連續(xù)性的計(jì)算變成一個(gè)離散性的計(jì)算，從而近似表示出整體的計(jì)算結(jié)果。另外，有限元分析的自身精度是無法提高的，但根據(jù)需要，隨著被分割的單元數(shù)目的增加和單元尺寸的縮小，求解計(jì)算的精度會越來越高。如圖41,是應(yīng)力檢測的模型，1表示被測鐵磁材料構(gòu)件，選用工程中廣泛使用的Q235低碳鋼；2表示鋼刷，鋼刷采用磁導(dǎo)率較低的材料，在本模型中，為了方便，采用空氣來替代；3表示永磁體，采用N38型號；4表示軛鐵，采用磁導(dǎo)率為300的低碳鋼；5表示傳感器，用于檢測漏磁；6表示空氣；7表示缺陷。該模型在Ansys軟件建模中，以各點(diǎn)坐標(biāo)的形式表現(xiàn)出來，故確定各個(gè)構(gòu)件的坐標(biāo)即可確定它們的尺寸。模型各個(gè)構(gòu)件的坐標(biāo)為：編號1被測鐵磁材料構(gòu)件：， 編號2鋼刷：， 編號3永磁體：，編號4軛鐵：， 編號7缺陷：在本次實(shí)驗(yàn)中將會改變?nèi)毕莸某叽缤饪颍?，5463 2 13276圖41 應(yīng)力檢測模型根據(jù)第3章所述的內(nèi)容，應(yīng)力會使材料產(chǎn)生缺陷，在缺陷處，由于磁疇的轉(zhuǎn)動使鐵磁材料表面形成漏磁場。如圖41所示，設(shè)定編號1的被測鐵磁材料構(gòu)件存在一個(gè)編號7的缺陷。工作時(shí)，應(yīng)檢測缺陷在材料表面形成的漏磁場。為了使被測鐵磁材料產(chǎn)生漏磁場，在其表面安裝編號3的永磁體和編號4的軛鐵對其磁化，鐵磁材料缺陷處的磁力線會發(fā)生形變，漏磁場用編號5的磁敏傳感器檢測，進(jìn)而得出缺陷的分布。磁化方式采用永磁磁化。永磁磁化是用永磁體作為磁激勵的磁化方式。永磁體的材料可以選用永磁鐵氧體、鎳鈷永磁體和稀土永磁體等。永磁鐵氧體成本低廉，電阻率高、矯頑力大，能有效地應(yīng)用在大氣隙磁路中，是本次實(shí)驗(yàn)中選用的永磁材料。漏磁場的形成原理可以用磁介質(zhì)的邊界條件或麥克斯韋方程來加以解釋。在被測鐵磁材料構(gòu)件和空氣的交界處，根據(jù)高斯定理和安培環(huán)路定理可知，存在兩個(gè)邊界條件：：B1n=B2n ；：H1t=H2t 。如圖42所示，磁感應(yīng)線在穿過邊界線時(shí)會發(fā)生類似于光折射的現(xiàn)象。則有：(41)(42)式中：B1n和B2n表示磁感應(yīng)強(qiáng)度B的兩個(gè)分量，H1t和H2t表示磁場強(qiáng)度H的兩個(gè)分量。介質(zhì) 分界面介質(zhì)圖42 漏磁場穿越邊界線根據(jù)邊界條件，可以得出：(43)又由于：(44)可得到：(45)由于被測鐵磁材料構(gòu)件的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，故接近90度，接近0度。即磁感線將近似垂直的方向泄露出空氣。圖43漏磁場X和Y方向的分解圖44 Bx和By如圖43所示，在平面中可以把漏磁場分為X和Y兩個(gè)方向，X平行于被測鐵磁材料構(gòu)件，Y垂直于被測鐵磁材料構(gòu)件。圖44為靜態(tài)情況下漏磁X和Y方向分量，可以分析出這兩個(gè)分量的基本特性。漏磁分量Bx與缺陷有關(guān)，由于模型中的缺陷是對稱的，故Bx也是對稱的，并且在缺陷的上方達(dá)到峰值。漏磁分量By與被測鐵磁材料構(gòu)件垂直，由于磁場在Y方向存在正負(fù)交替的情況，故By出現(xiàn)兩個(gè)峰值并且這兩個(gè)峰值也是對稱的。Ansys軟件的基本操作步驟為：前處理、加載和求解、后處理。（1）前處理確定坐標(biāo)系：（utility work plane local coordinatesystems creat local cs – at specified loc）在ansys中，坐標(biāo)系用來定義模型的結(jié)構(gòu)、位置、節(jié)點(diǎn)等屬性。確定單位制：（main menu – preprocessor – material props – electromag units）建立實(shí)體模型：（main menu – preprocessor – modeling – creat）實(shí)體模型由體、面、線構(gòu)成。根據(jù)圖41的模型結(jié)構(gòu)，在ansys建立的實(shí)體模型。確定單元類型：（main menu – preprocessor – element type– add/edit/delete）利用ansys軟件進(jìn)行有限元分析時(shí)，需要對單元類型進(jìn)行定義，并根據(jù)單元類型附加常數(shù)來確定材料的類型，并對模型予以定義。本文對漏磁場的有限元分析是二維的靜態(tài)的磁場分析，常用的二維單元主要有二維實(shí)體單元和遠(yuǎn)場單元。如表41顯示的是二維單元類型的分類。本文采用的二維實(shí)體單元類型為plane53，遠(yuǎn)場單元為infin110。定義材料屬性：（main menu – preprocessor – material props）定義材料屬性是定義彈性模量、密度、泊松比、磁量等物理量。本文中空氣的相對磁導(dǎo)率設(shè)置為1，被測鐵磁材料構(gòu)件選用Q235型號，永磁體采用N38型號，缺陷的相對磁導(dǎo)率設(shè)置為1。網(wǎng)格劃分：（main menu – preprocessor – mesh tools）在前面4個(gè)步驟全部完成后才能進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的實(shí)質(zhì)就是將某個(gè)整體部位分割成多個(gè)離散的小區(qū)域作為一個(gè)計(jì)算點(diǎn)，因此網(wǎng)格密度越大計(jì)算精度越高。表41 二維單元類型的分類分類 單元編號 形狀 主自由度二維單元 PLANE13 四邊形4節(jié)點(diǎn) 每節(jié)點(diǎn)4個(gè)，磁矢勢、位移、或三角形3節(jié)點(diǎn) 溫度或時(shí)間積分電勢 PLANE53 四邊形8節(jié)點(diǎn) 每節(jié)點(diǎn)4個(gè)，磁失勢、位移、或三角形6節(jié)點(diǎn) 時(shí)間積分、電流或電動勢