用單片法測(cè)量不同工況下非晶合金帶材的工頻磁性能*

吳雪，楊富堯，馬光，陳新，韓鈺，趙蕊

(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京 102211)

0 引 言

軟磁材料磁性能測(cè)試結(jié)果很大程度上取決于測(cè)量條件，包括樣品的形狀、極化波形和磁化方向等，不同的樣品形狀對(duì)應(yīng)于不同的測(cè)試方法，常用軟磁材料測(cè)量方法有愛(ài)潑斯坦方圈法、環(huán)形試樣法和單片法。愛(ài)潑斯坦方圈法因具有良好的可重復(fù)性，頻繁應(yīng)用于電工鋼樣品的測(cè)試中，但此方法測(cè)量需要用多片(4的倍數(shù)，總重量大于0.5 kg)搭接磁路，費(fèi)工費(fèi)時(shí)費(fèi)料，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)測(cè)試[1]，且忽略了角落效應(yīng)，任意假定磁路長(zhǎng)度為0.94 m，在高磁導(dǎo)率材料測(cè)試中嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。環(huán)形試樣法線圈繞制過(guò)程冗長(zhǎng)，且內(nèi)外磁路長(zhǎng)度存在差異，測(cè)量本身存在不可去除的誤差因素[2]。基于上述兩種方法存在的缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員經(jīng)過(guò)深入研究，逐漸搞清測(cè)量方法本身對(duì)測(cè)量精度造成的影響，提出了電工鋼磁性能的單片測(cè)量法[3]。

鐵基非晶合金帶材是一種厚度極薄的高磁導(dǎo)率非晶材料，其損耗小、效率高，已作為一種高效節(jié)能的新材料廣泛應(yīng)用于配電變壓器領(lǐng)域，其生產(chǎn)工藝和檢測(cè)技術(shù)日益受到廣泛關(guān)注[4]。目前，鐵基非晶合金帶材的磁性能檢測(cè)方法尚未形成統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)有相應(yīng)的產(chǎn)品和檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)[5-6]，但與日本標(biāo)準(zhǔn)JIS H7152-1996[7]不同，主要體現(xiàn)在測(cè)試頻率范圍50 Hz～400 Hz，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用環(huán)形試樣測(cè)試法，而日本則采用單片法。此外，日本專(zhuān)家向國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)磁性合金和鋼技術(shù)委員會(huì)(TC68)建議新增的檢測(cè)方法是采用單片H-coil法，我國(guó)也在新修訂的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19345.1-2017中增加了附錄B—非晶合金單片試樣交流磁性的測(cè)量方法，適用于非晶合金單片試樣在工頻下的交流磁性能測(cè)量。

進(jìn)一步講，鐵基非晶帶材具有較明顯的磁致伸縮效應(yīng)，更宜采用單片法進(jìn)行磁性能檢測(cè)[4]。但是由于非晶帶材厚度極薄，僅為0.025 mm，且比總損耗很低，約為取向硅鋼工頻下典型值P1.7/50的1/10左右，因此對(duì)于鐵基非晶合金帶材單片試樣檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)難度很高，要求磁測(cè)設(shè)備比用于取向硅鋼帶材的磁性能檢測(cè)設(shè)備的靈敏度高出近一百倍。

在已有的單片測(cè)試試驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，采用單片雙H-coil法實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵基非晶合金帶材的工頻磁性能的準(zhǔn)確測(cè)量。

1 單片測(cè)量法

單片測(cè)量法是將勵(lì)磁的一次繞組和二次繞組線圈都纏繞在樣品上，測(cè)量樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度B時(shí)，通常需要準(zhǔn)確確定樣品中磁通垂直穿過(guò)的面積。因?yàn)闃悠泛穸葧?huì)在長(zhǎng)度l范圍內(nèi)變化，從樣品的質(zhì)量m就可以計(jì)算平均面積，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60404-2 推薦稱(chēng)出樣品的質(zhì)量m，且已知材料的密度ρ，則:

(1)

一般情況下，傳感線圈并不接近樣品表面，就會(huì)引起測(cè)量B的誤差，此時(shí)整個(gè)磁通被分為樣品中的區(qū)域AFe和線圈中的區(qū)域Ac兩個(gè)部分：

φ=nAFeB+n(Ac-AFe)μ0H

(2)

(3)

因此，測(cè)量B線圈應(yīng)盡可能接近樣品表面，且將B線圈纏繞在樣品的整個(gè)長(zhǎng)度，從而減小由雜散或不均勻場(chǎng)引起的額外誤差。

單片法對(duì)于H的測(cè)量有兩種方法：電流法和H-coil法，電流法是硅鋼磁性能單片檢測(cè)IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)使用的唯一方法[8]，H-coil法則是日本和美國(guó)硅鋼磁性能單片檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)使用的方法之一[9-10]，二者測(cè)量裝置和原理略有不同，主要區(qū)別在于對(duì)勵(lì)磁磁場(chǎng)的測(cè)量方法不同。

1.1 電流法

電流法是根據(jù)安培定律，通過(guò)流經(jīng)初級(jí)繞組的電流間接計(jì)算勵(lì)磁磁場(chǎng)[11]，在閉合樣品中，近似確定平均磁路長(zhǎng)度l，并由安培環(huán)路定律計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度H:

(4)

式中勵(lì)磁電流I和線圈匝數(shù)n1已知。

國(guó)際電工委員會(huì)IEC于1982年發(fā)布了單片電流測(cè)試方法，并于1992年進(jìn)行修訂，分別簡(jiǎn)稱(chēng)為SST(82)和SST(92)，主要區(qū)別是對(duì)有效磁路長(zhǎng)度的定義不同。SST(82)測(cè)試方法是采用Epstein方圈溯源確定有效磁路長(zhǎng)度，SST(92)則將有效磁路長(zhǎng)度統(tǒng)一約定為450 mm，是脫離了愛(ài)潑斯坦方圈法的一種絕對(duì)測(cè)量方法。

電流法測(cè)試將用于測(cè)量試樣功率損耗的功率表電流端連接在初級(jí)線圈回路，電壓端接在次級(jí)線圈回路，現(xiàn)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的電流法電路示意圖如圖1所示。

圖1 電流法測(cè)量電路示意圖Fig.1 Measuring circuit schematic diagram of current method

電流法測(cè)試的特點(diǎn)是方法手段成熟，設(shè)備較為簡(jiǎn)單方便，無(wú)需繞制H線圈，信號(hào)集中，不易受到干擾，測(cè)量重復(fù)性好，但準(zhǔn)確度略低，SST(82)和SST(92)兩個(gè)版本對(duì)于磁路長(zhǎng)度的界定不同，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在差異，不能保證測(cè)量結(jié)果的唯一性。

1.2 H-coil法

H-coil法是通過(guò)放置在樣品表面附近的H線圈直接測(cè)量得到勵(lì)磁磁場(chǎng)。在單片測(cè)試中，將H線圈放在被測(cè)樣品表面，使之同處于磁化均勻區(qū)中，根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度切線分量連續(xù)的性質(zhì)，H線圈測(cè)定的磁場(chǎng)強(qiáng)度即為樣品內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度。H-coil法是一種直接測(cè)量法，對(duì)磁導(dǎo)計(jì)的制作和相關(guān)測(cè)量手段的建立要求較高。

H形線圈(H-coil)，是測(cè)試磁場(chǎng)強(qiáng)度H局部值最常用的傳感器，最理想的情況是將一層線圈放在盡可能接近樣品表面的位置，厚度t應(yīng)該盡量小，但厚度越小，靈敏度越低，可通過(guò)使用較細(xì)的導(dǎo)線在同樣區(qū)域內(nèi)纏繞更多圈來(lái)增加靈敏度。

H-coil法主要優(yōu)點(diǎn)是能夠直接測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，避免了確定磁路長(zhǎng)度帶來(lái)的難題；把傳感器放在樣品的中心部位，能減少樣品勵(lì)磁的不一致性。但是小信號(hào)容易受雜散磁場(chǎng)干擾，測(cè)試結(jié)果往往表現(xiàn)出較大的離散性，且在實(shí)驗(yàn)時(shí)難以做到使H線圈緊貼于試樣表面，測(cè)試結(jié)果依賴(lài)于線圈與樣品表面距離，可采用“H線圈對(duì)”來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 H-coil法測(cè)量電路示意圖Fig.2 Measuring circuit schematic diagram of H-coil method

對(duì)比兩種測(cè)試方法，用電流法確定磁場(chǎng)強(qiáng)度較為方便，可免去繞制H線圈或場(chǎng)敏線圈，但準(zhǔn)確度低，H線圈法較為復(fù)雜，但準(zhǔn)確度高。若采用兩個(gè)H線圈，還可以降低由不對(duì)稱(chēng)磁軛渦流引起的誤差。日本崗山大學(xué)的藤原耕二等對(duì)單片電流法和H-coil法進(jìn)行系統(tǒng)研究表明，單片電流法檢測(cè)鐵損結(jié)果略高于H-coil法，而磁感則相反[12]。因此，在測(cè)試高磁導(dǎo)率非晶合金材料且試樣與磁軛之間氣隙較寬時(shí)，更適宜采用H-coil法。

2 單片H-coil法測(cè)試

2.1 測(cè)量裝置

改進(jìn)的單片測(cè)量裝置如圖3所示。磁導(dǎo)計(jì)使用兩個(gè)H-coil來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，采用外推法推斷被測(cè)樣品表面的結(jié)果，同時(shí)降低由不對(duì)稱(chēng)磁軛渦流引起的誤差，提升測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的準(zhǔn)確性。

圖3 雙H線圈單片測(cè)試儀Fig.3 Double H-coil single sheet tester

2.2 試樣與方法

單片試樣寬度142 mm，長(zhǎng)度265 mm，表面平直無(wú)明顯毛刺或變形，在保護(hù)氣氛中進(jìn)行熱處理后，稱(chēng)重進(jìn)行測(cè)試。

取樣本量為單片試樣150片，測(cè)試頻率為50 Hz，磁密為0.2T～1.5T范圍時(shí)，正弦工況及諧波工況條件下的鐵損值P0.2～1.5T/50。

采用三相四框五柱式的變壓器結(jié)構(gòu)，每個(gè)相繞組套在磁路獨(dú)立的兩框上，每個(gè)框內(nèi)的磁通除基波磁通外，還有3次、5次諧波的存在，而諧波磁通占基波正弦波磁通的百分?jǐn)?shù)與運(yùn)行時(shí)額定磁通密度的選值有關(guān)。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》中要求公共電網(wǎng)諧波電壓總諧波畸變率應(yīng)不大于5%，用于材料研究測(cè)試的諧波工況條件選擇為3次諧波和5次諧波，諧波含量分別為3%、5%、7%、9%。

2.3 測(cè)試結(jié)果與分析

2.3.1 正弦工況

由單片測(cè)試方法測(cè)量得到非晶帶材在不同磁密條件下的磁滯回線，結(jié)果如圖4所示，插圖部分為磁密B=1.5 T條件下，非晶帶材在正弦工況時(shí)的交流磁化曲線。圖中可以看出，隨著測(cè)試磁密的增加，磁滯回線包圍的面積逐漸增大，矯頑力和剩磁也逐漸增加，但矯頑力均保持在Hc=5 A/m以?xún)?nèi)，非晶合金帶材具有極佳的軟磁特性。當(dāng)磁密增加到B=1.3 T時(shí)基本達(dá)到飽和狀態(tài)，磁密增加到B=1.5 T時(shí)，隨著磁場(chǎng)的繼續(xù)增強(qiáng)，樣品達(dá)到過(guò)飽和條件，飽和磁化強(qiáng)度不再增加。

圖4插圖中的磁化曲線，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度H的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度B急劇增大，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H增大到20 A/m時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B逐漸趨近于飽和。

圖4 不同磁密條件下的磁滯回線Fig.4 Hysteresis loop under different flux density conditions

測(cè)試樣本量N=150非晶單片樣品在工作磁密點(diǎn)1.3 T時(shí)的鐵損值，測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)直方圖如圖5所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果總體上呈正態(tài)分布，鐵損測(cè)量值集中在0.16 W/kg～0.21 W/kg之間，平均值P1.3/50=0.183 4 W/kg，性能波動(dòng)較大，這是由于單片法測(cè)量取樣范圍小，不同樣品間個(gè)體差異性較大，性能波動(dòng)大，測(cè)量結(jié)果更能反映材料本身的局部特性。

圖5 單片法測(cè)量鐵損結(jié)果統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.5 Statistical histogram of iron loss of single sheet method

2.3.2 諧波工況

取非晶合金帶材在工作磁密B=1.5 T，正弦工況及諧波工況條件下的數(shù)據(jù)作磁滯回線，結(jié)果如圖6所示，插圖為磁場(chǎng)強(qiáng)度在-5 A/m～5 A/m范圍內(nèi)磁滯回線的局部放大圖。由圖可以看出材料在磁密點(diǎn)1.5 T時(shí)已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，諧波工況下材料的磁滯回線稍有變化。從插圖中明顯看出，運(yùn)行工況加入諧波后，波形會(huì)發(fā)生畸變，三次諧波條件下，畸變不明顯，但隨著諧波含量的增加，矯頑力逐漸增大；五次諧波條件下，波形發(fā)生明顯“內(nèi)凹”的畸變，隨著諧波含量的增加，矯頑力逐漸減小。

圖6 諧波工況下的磁滯回線Fig.6 Hysteresis loop under harmonic conditions

諧波工況下測(cè)得的非晶帶材交流磁化曲線如圖7所示。添加諧波工況條件，磁化曲線整體趨勢(shì)與正弦工況一致，即隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度H的增加，磁感強(qiáng)度B急劇增大，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H增大到約40 A/m時(shí)，磁感強(qiáng)度B逐漸趨近于飽和后以較小斜率上升。與正弦工況相比，諧波工況條件下的初始磁導(dǎo)率減小，飽和磁感強(qiáng)度Bs降低，達(dá)到飽和狀態(tài)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm增大，且隨著諧波次數(shù)與諧波含量的增加，需要提供更大的磁場(chǎng)強(qiáng)度才可達(dá)到飽和。

圖7 諧波工況下的磁化曲線Fig.7 Magnetic curves under harmonic working conditions

圖8為不同工況下的非晶合金帶材損耗曲線對(duì)比圖。隨著諧波次數(shù)與諧波含量的增加，帶材的鐵損相應(yīng)升高，均高于正弦工況諧波損耗，大致對(duì)比規(guī)律為Psin

圖8 諧波工況下的損耗曲線Fig.8 Loss curve under harmonic working conditions

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)鐵基非晶帶材具有較明顯的磁致伸縮效應(yīng)，宜采用單片法進(jìn)行磁性能檢測(cè)；

(2)單片法對(duì)于H的測(cè)量有電流法和H-coil法，用電流法確定磁場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)需繞制H線圈，測(cè)試方便但準(zhǔn)確度低；H線圈法較為復(fù)雜，但準(zhǔn)確度高；

(3)單片測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果總體上呈正態(tài)分布，鐵損測(cè)量值集中在0.16 W/kg～0.21 W/kg之間，性能波動(dòng)較大，測(cè)量結(jié)果更能反映材料本身的局部特性；

(4)諧波工況導(dǎo)致波形發(fā)生畸變，與正弦工況相比，諧波工況條件下的初始磁導(dǎo)率減小，飽和磁感強(qiáng)度Bs降低，達(dá)到飽和狀態(tài)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm增大；

(5)諧波含量對(duì)于鐵損變化的影響更為明顯，疊加3次諧波含量9%時(shí)，在磁密為1.3 T時(shí)鐵損較正弦升高約14.3%；疊加5次諧波含量9%時(shí)，在磁密為1.3 T時(shí)鐵損升高約19.0%。