用單片法測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

軟磁材料磁性能測試結(jié)果很大程度上取決于測量條件，包括樣品的形狀、極化波形和磁化方向等，不同的樣品形狀對應(yīng)于不同的測試方法，常用軟磁材料測量方法有愛潑斯坦方圈法、環(huán)形試樣法和單片法。愛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試中，但此方法測量需要用多片(4的倍數(shù)，總重量大于0.5 kg)搭接磁路，費工費時費料，無法實現(xiàn)在線自動測試[1]，且忽略了角落效應(yīng)，任意假定磁路長度為0.94 m，在高磁導(dǎo)率材料測試中嚴(yán)重影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。環(huán)形試樣法線圈繞制過程冗長，且內(nèi)外磁路長度存在差異，測量本身存在不可去除的誤差因素[2]?；谏鲜鰞煞N方法存在的缺點，國內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員經(jīng)過深入研究，逐漸搞清測量方法本身對測量精度造成的影響，提出了電工鋼磁性能的單片測量法[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方法尚未形成統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，我國有相應(yīng)的產(chǎn)品和檢測方法標(biāo)準(zhǔn)[5-6]，但與日本標(biāo)準(zhǔn)JIS H7152-1996[7]不同，主要體現(xiàn)在測試頻率范圍50 Hz～400 Hz，國家標(biāo)準(zhǔn)采用環(huán)形試樣測試法，而日本則采用單片法。此外，日本專家向國際電工委員會(IEC)磁性合金和鋼技術(shù)委員會(TC68)建議新增的檢測方法是采用單片H-coil法，我國也在新修訂的產(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量。

進一步講，鐵基非晶帶材具有較明顯的磁致伸縮效應(yīng)，更宜采用單片法進行磁性能檢測[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，因此對于鐵基非晶合金帶材單片試樣檢測的實現(xiàn)難度很高，要求磁測設(shè)備比用于取向硅鋼帶材的磁性能檢測設(shè)備的靈敏度高出近一百倍。

在已有的單片測試試驗基礎(chǔ)上對設(shè)備進行改進，采用單片雙H-coil法實現(xiàn)對鐵基非晶合金帶材的工頻磁性能的準(zhǔn)確測量。

1 單片測量法

單片測量法是將勵磁的一次繞組和二次繞組線圈都纏繞在樣品上，測量樣品的磁感應(yīng)強度B時，通常需要準(zhǔn)確確定樣品中磁通垂直穿過的面積。因為樣品厚度會在長度l范圍內(nèi)變化，從樣品的質(zhì)量m就可以計算平均面積，按照國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60404-2 推薦稱出樣品的質(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，就會引起測量B的誤差，此時整個磁通被分為樣品中的區(qū)域AFe和線圈中的區(qū)域Ac兩個部分：

φ=nAFeB+n(Ac-AFe)μ0H

(2)

(3)

因此，測量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長度，從而減小由雜散或不均勻場引起的額外誤差。

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

1.1 電流法

電流法是根據(jù)安培定律，通過流經(jīng)初級繞組的電流間接計算勵磁磁場[11]，在閉合樣品中，近似確定平均磁路長度l，并由安培環(huán)路定律計算磁場強度H:

(4)

式中勵磁電流I和線圈匝數(shù)n1已知。

國際電工委員會IEC于1982年發(fā)布了單片電流測試方法，并于1992年進行修訂，分別簡稱為SST(82)和SST(92)，主要區(qū)別是對有效磁路長度的定義不同。SST(82)測試方法是采用Epstein方圈溯源確定有效磁路長度，SST(92)則將有效磁路長度統(tǒng)一約定為450 mm，是脫離了愛潑斯坦方圈法的一種絕對測量方法。

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

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

電流法測試的特點是方法手段成熟，設(shè)備較為簡單方便，無需繞制H線圈，信號集中，不易受到干擾，測量重復(fù)性好，但準(zhǔn)確度略低，SST(82)和SST(92)兩個版本對于磁路長度的界定不同，導(dǎo)致測量結(jié)果存在差異，不能保證測量結(jié)果的唯一性。

1.2 H-coil法

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

H形線圈(H-coil)，是測試磁場強度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，可通過使用較細(xì)的導(dǎo)線在同樣區(qū)域內(nèi)纏繞更多圈來增加靈敏度。

H-coil法主要優(yōu)點是能夠直接測量磁場強度，避免了確定磁路長度帶來的難題；把傳感器放在樣品的中心部位，能減少樣品勵磁的不一致性。但是小信號容易受雜散磁場干擾，測試結(jié)果往往表現(xiàn)出較大的離散性，且在實驗時難以做到使H線圈緊貼于試樣表面，測試結(jié)果依賴于線圈與樣品表面距離，可采用“H線圈對”來測量磁場強度，測量原理如圖2所示。

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

對比兩種測試方法，用電流法確定磁場強度較為方便，可免去繞制H線圈或場敏線圈，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H線圈，還可以降低由不對稱磁軛渦流引起的誤差。日本崗山大學(xué)的藤原耕二等對單片電流法和H-coil法進行系統(tǒng)研究表明，單片電流法檢測鐵損結(jié)果略高于H-coil法，而磁感則相反[12]。因此，在測試高磁導(dǎo)率非晶合金材料且試樣與磁軛之間氣隙較寬時，更適宜采用H-coil法。

2 單片H-coil法測試

2.1 測量裝置

改進的單片測量裝置如圖3所示。磁導(dǎo)計使用兩個H-coil來測量磁場強度，采用外推法推斷被測樣品表面的結(jié)果，同時降低由不對稱磁軛渦流引起的誤差，提升測量磁場強度的準(zhǔn)確性。

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

2.2 試樣與方法

單片試樣寬度142 mm，長度265 mm，表面平直無明顯毛刺或變形，在保護氣氛中進行熱處理后，稱重進行測試。

取樣本量為單片試樣150片，測試頻率為50 Hz，磁密為0.2T～1.5T范圍時，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)，每個相繞組套在磁路獨立的兩框上，每個框內(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)與運行時額定磁通密度的選值有關(guān)。

國家標(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 測試結(jié)果與分析

2.3.1 正弦工況

由單片測試方法測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的交流磁化曲線。圖中可以看出，隨著測試磁密的增加，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以內(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時基本達(dá)到飽和狀態(tài)，磁密增加到B=1.5 T時，隨著磁場的繼續(xù)增強，樣品達(dá)到過飽和條件，飽和磁化強度不再增加。

圖4插圖中的磁化曲線，隨著磁場強度H的增加，磁感應(yīng)強度B急劇增大，當(dāng)磁場強度H增大到20 A/m時，磁感應(yīng)強度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

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

圖5 單片法測量鐵損結(jié)果統(tǒng)計直方圖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，插圖為磁場強度在-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1.5 T時已經(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，運行工況加入諧波后，波形會發(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，磁化曲線整體趨勢與正弦工況一致，即隨著磁場強度H的增加，磁感強度B急劇增大，當(dāng)磁場強度H增大到約40 A/m時，磁感強度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，飽和磁感強度Bs降低，達(dá)到飽和狀態(tài)所需的磁場強度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強度才可達(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

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

(2)單片法對于H的測量有電流法和H-coil法，用電流法確定磁場強度無需繞制H線圈，測試方便但準(zhǔn)確度低；H線圈法較為復(fù)雜，但準(zhǔn)確度高；

(3)單片測量統(tǒng)計結(jié)果總體上呈正態(tài)分布，鐵損測量值集中在0.16 W/kg～0.21 W/kg之間，性能波動較大，測量結(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，飽和磁感強度Bs降低，達(dá)到飽和狀態(tài)所需的磁場強度Hm增大；

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