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周 星1 鄒學(xué)良2 馬長松3 周新華2 沈 杰1
摘要：鐵基非晶帶材是用于配電變壓器鐵芯并受到廣泛關(guān)注的一種新材料。鐵基非晶帶材的磁性測量方法還沒有國際標(biāo)準(zhǔn)。為建立相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，2014年國際電工委員會(huì)（IEC）磁性合金和鋼技術(shù)委員會(huì)（TC68）實(shí)施了輪國際循環(huán)比對試驗(yàn)，該項(xiàng)目由日本標(biāo)準(zhǔn)化國家委員會(huì)組織。本文從項(xiàng)目參與者的角度介紹該項(xiàng)目和試驗(yàn)結(jié)果的一些情況。
關(guān)鍵詞：非晶、磁性能、單片法、循環(huán)比對試驗(yàn)
Introduction on An International Round Robin Test (First Round) of Fe-based Amorphous Strip with A Single Sheet Tester for Magnetic Properties in Power Frequency
ZHOU Xing1 ZOU Xueliang2 MA Changsong3 ZHOU Xinhua2 SHEN Jie1
(1. Test, Inspection and Analysis Center, Baosteel Industry Technical Service Co. Ltd., Shanghai;
(2. Changsha Tunkia Co., Ltd.; 3. Institute of Silicon Steel, Central Research Institute of Baosteel)
Abstract: Fe-based amorphous strip is a kind of widely concerning new materials used for electrical power distribution transformer. In measuring the magnetic properties of the Fe-based amorphous strip, there is no international standard. In order to work out a new international standard for this purpose, IEC technical committee 68 (IEC/TC68) progresses an international round robin test (RRT, first round) organized by Japanese national committee in 2014. This article introduced the situation of the RRT with single sheet tester and some results as a point view on a participator of the RRT.
Keyword: Amorphous materials, Magnetic properties, Single sheet test, Round Robin Test
1. 引言
鐵基非晶帶材作為一種高效節(jié)能的新材料在配電變壓器上已有產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用，其生產(chǎn)工藝和檢測技術(shù)日益受到廣泛關(guān)注。鐵基非晶帶材的磁性能檢測方法沒有國際標(biāo)準(zhǔn)，我國有相應(yīng)材料的磁性能測量方法標(biāo)準(zhǔn)[1]，鐵基非晶帶材生產(chǎn)大國的日本也有相應(yīng)材料的磁性能測量方法標(biāo)準(zhǔn)[2]。值得注意的是，在針對配電變壓器工頻下使用的鐵基非晶帶材，我國標(biāo)準(zhǔn)和日本標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容有很大差別，我國標(biāo)準(zhǔn)采用卷繞式環(huán)樣，日本標(biāo)準(zhǔn)采用單片樣。
由于鐵基非晶帶材有較明顯的磁致伸縮效應(yīng)，宜采用單片樣進(jìn)行磁性能檢測。與取向硅鋼帶材的單片磁性能檢測相比，鐵基非晶帶材單片樣檢測的技術(shù)要求和實(shí)現(xiàn)難度都很高；一方面，鐵基非晶帶材的厚度很薄，一般為 0.025mm，只有取向硅鋼帶材的十分之一左右；另一方面，鐵基非晶帶材的比總損耗很低，工頻下 1.4T 的典型值約為 0.1W/kg，該值是取向硅鋼帶材工頻下 1.7T 典型值的十分之一左右；此兩個(gè)因素疊加，要求磁測設(shè)備的靈敏度比普通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；考慮到鐵基非晶帶材的試樣較小，其對磁性能檢測設(shè)備的靈敏度要求還要高；在磁導(dǎo)計(jì)的制作、電子小信號處理及干擾抑制處理等方面也有很高的要求；此外，單片樣檢測在磁場檢測上有兩種方法，一個(gè)是電流法（MC），另一個(gè)是磁場線圈法（H-coil）；電流法是硅鋼磁性能單片檢測IEC國際標(biāo)準(zhǔn)使用的方法[3]，而磁場線圈法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[4-5]，磁場線圈法的磁導(dǎo)計(jì)制作和相關(guān)測量手段的建立要求相對較高。
近幾年，日本在國際標(biāo)準(zhǔn)化框架下，提出建立鐵基非晶帶材的磁性能檢測方法國際標(biāo)準(zhǔn)的提議。為建立相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，國際電工委員會(huì)（IEC）磁性合金和鋼技術(shù)委員會(huì)（TC68）2014年實(shí)施了輪基于單片法的國際循環(huán)比對試驗(yàn)，項(xiàng)目由日本標(biāo)準(zhǔn)化國家委員會(huì)的相關(guān)技術(shù)委員會(huì)組織。該項(xiàng)目是軟磁材料磁性能測試國際標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)上的一次高水平的比對試驗(yàn)。計(jì)劃參加本輪國際循環(huán)比對試驗(yàn)的有日本、中國、德國、英國、美國、意大利和比利時(shí)等國的不同實(shí)驗(yàn)室，但是由于種種原因最終只有日本 4 個(gè)實(shí)驗(yàn)室、中國 1 個(gè)實(shí)驗(yàn)室、歐洲 1 個(gè)實(shí)驗(yàn)室（組織方未說明具體國家）完成試驗(yàn)并提交結(jié)果。本文作者代表中國參加了該項(xiàng)目。本文從項(xiàng)目參與者的角度介紹該項(xiàng)目和試驗(yàn)結(jié)果的一些情況。
2. 循環(huán)比對試驗(yàn)方案
2.1 樣品
本次環(huán)比對試驗(yàn)樣品由日立金屬提供，共十片，分兩組，每組5片，牌號為：Metglas 2605HB1M，厚0.025 mm，寬 60 mm，長 270 mm；樣品經(jīng)過熱處理，密度取 7.33 kg/dm3，室溫下 Hm = 800 A/m時(shí)飽和磁感為 1.63 T。
2.2 磁導(dǎo)計(jì)
磁導(dǎo)計(jì)由項(xiàng)目組織者提供，如圖1所示。考慮到各國之間運(yùn)輸?shù)姆奖阈?/span>，項(xiàng)目組織者提供的磁導(dǎo)計(jì)的采用了較小尺寸。磁導(dǎo)計(jì)的磁軛用燒結(jié)鐵氧體制作，上下兩部分，C 型立式設(shè)計(jì)，可構(gòu)成單磁軛和雙磁軛兩種磁路方式。整體尺寸：高 65 mm，寬 65 mm，長 270 mm。磁軛極面寬度 65 mm，厚度 15 mm，極面間內(nèi)部長度 240 mm。初級勵(lì)磁線圈 215 匝，磁場線圈 1990 匝，次級感應(yīng)線圈 50 匝。
圖1 循環(huán)對比試驗(yàn)的磁導(dǎo)計(jì)
2.2 磁測儀
磁測儀由本文部分作者所在的長沙天恒測控技術(shù)有限公司研制。
磁測電路及信號處理的整體設(shè)計(jì)與文獻(xiàn)[6]類似，如圖2所示，包括勵(lì)磁單元、電流法初級信號處理單元、磁場線圈法信號處理單元、次級感應(yīng)電壓信號處理單元和計(jì)算機(jī)控制軟件等。
圖2 比對試驗(yàn)的磁測電路及信號處理原理圖
2.3 檢測項(xiàng)目
單磁軛和雙磁軛，電流法和磁場線圈法，頻率 50 Hz和 60 Hz，磁感應(yīng)強(qiáng)度 1.3 T，1.4 T 和 1.5 T 下的比總損耗和比視在功率，磁場 80 A/m下的磁感應(yīng)強(qiáng)度，以及磁滯回線。
電流法磁路長度約定為 240 mm。試驗(yàn)前要求對樣品按磁場100 A/m進(jìn)行退磁。每個(gè)樣品要求在不重新裝樣的情況下測量三次。
中國方面按要求分別報(bào)出五個(gè)樣品的頻率 50 Hz 的測量結(jié)果，包括兩種方法的測量結(jié)果，即單磁軛磁場線圈法和雙磁軛電流法，具體檢測項(xiàng)目為磁感應(yīng)強(qiáng)度 1.3 T，1.4 T 和 1.5 T 下的比總損耗和比視在功率，磁場 80 A/m 下的磁感應(yīng)強(qiáng)度，以及磁滯回線。
3. 循環(huán)比對試驗(yàn)結(jié)果
3.1 檢測結(jié)果
第1輪循環(huán)比對試驗(yàn)最終的日本、中國和美國的七家實(shí)驗(yàn)室反饋的試驗(yàn)結(jié)果，有正式報(bào)告[7]和國際電工委員會(huì)（IEC）磁性合金和鋼技術(shù)委員會(huì)（TC68）工作文件[8]，相關(guān)結(jié)果見圖 3、圖 4 和圖 5。
圖 3 為不同實(shí)驗(yàn)室在不重新裝樣的情況下五個(gè)樣品三次測量磁感水平 1.3T 的比總損耗的波動(dòng)情況，其值是相對于各實(shí)驗(yàn)室各樣品均值的比值。其中，a) 為磁場線圈法結(jié)果，b) 為電流法結(jié)果。圖 3 結(jié)果表明，磁場線圈法結(jié)果相對于電流法結(jié)果表現(xiàn)出略大的離散性。
圖4 為不同實(shí)驗(yàn)室測量的 50Hz 下磁感水平 1.3T 的比總損耗的結(jié)果的均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差，其中均值是相對于參比實(shí)驗(yàn)室（日本同志社大學(xué)）的比值。圖 4 中，a) 為磁場線圈法結(jié)果，b) 為電流法結(jié)果。圖4結(jié)果表明，磁場線圈法的均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差相對于電流法的均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差，各實(shí)驗(yàn)室間均值差異和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)偏差都略表現(xiàn)出較大的傾向。
圖 5 為不同實(shí)驗(yàn)室磁場線圈法測量的 50Hz下磁感水平 1.4T 和 1.5T 的比總損耗的結(jié)果的均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差，其中均值是相對于參比實(shí)驗(yàn)室（日本同志社大學(xué)）的比值。圖 5 中，a) 為 1.4T 比總損耗的結(jié)果，b) 為 1.5 T 比總損耗的結(jié)果。圖 5 和圖 4a 的結(jié)果表明，各實(shí)驗(yàn)室間各磁感水平下磁場線圈法的均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差基本一致。對應(yīng)磁感水平 1.4 T 和 1.5 T 的電流法相關(guān)的結(jié)果與磁感水平 1.3T 的情況類似。
七家實(shí)驗(yàn)室反饋的 80A/m 磁場下磁感應(yīng)強(qiáng)度的測量結(jié)果都落在 ±0.4% 范圍內(nèi)，項(xiàng)目組織方未報(bào)告具體數(shù)據(jù)情況。
3.2 結(jié)果分析
從磁感 1.3T 水平的比總損耗的結(jié)果看，磁場線圈法結(jié)果相對于為電流法結(jié)果表現(xiàn)出略大的離散性，這可能是在電子小信號情況下，磁場線圈本身更容易受到干擾所致。
各實(shí)驗(yàn)室磁場線圈法測量各磁感水平下的比總損耗結(jié)果相對情況基本一致，反映了各實(shí)驗(yàn)室量值控制的整體狀態(tài)，同時(shí)，各實(shí)驗(yàn)室磁場線圈法測量的比總損耗的結(jié)果的均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差的對照情況，也是各實(shí)驗(yàn)室間磁測狀態(tài)的整體反映。
從項(xiàng)目組織者反饋的信息看，中國方面出具的結(jié)果及表征的狀態(tài)，無論是磁場線圈法結(jié)果，還是電流法結(jié)果與參比實(shí)驗(yàn)室結(jié)果的差異均落在在合理的范圍內(nèi)。
3.3 基礎(chǔ)試驗(yàn)的結(jié)果和分析
圖 6 給出本次試驗(yàn)中某一試樣不同磁感水平下磁場線圈法和電流法的磁滯回線的對比圖。由圖 6 可見，盡管磁場線圈法更接近材料磁性能的真實(shí)狀態(tài)，但其測量相對于電流法而言，易受干擾，磁滯回線不是很規(guī)整，這一點(diǎn)與比總損耗的結(jié)果反映的磁場線圈法結(jié)果相對于為電流法結(jié)果表現(xiàn)出略大的離散性的情況是一致的。
圖 7 為一套 5 個(gè)試樣對應(yīng)的比總損耗和磁感的測量結(jié)果。其中，比總損耗磁場線圈法的測量值比電流法的測量值低約 10%；磁感的磁場線圈法的測量值比電流法的測量值低約 0.1%。這一結(jié)果與文獻(xiàn)[9]給出的硅鋼對應(yīng)的測量結(jié)果相比有些不同，比總損耗磁場線圈法的測量值比電流法的測量值低的幅度更大，而磁感的磁場線圈法的測量值比電流法的測量值的方向相反，硅鋼磁感磁場線圈法的測量值比電流法的測量值高且幅度略大。由于鐵基非晶帶材的厚度極薄，與硅鋼薄規(guī)格產(chǎn)品相比有近十倍的差異，造成這種情況的原因究竟是厚度，還是材質(zhì)，需要進(jìn)一步試驗(yàn)和研究。
4. 總結(jié)
國際電工委員會(huì)（IEC）磁性合金和鋼技術(shù)委員會(huì)（TC68）實(shí)施的第1輪鐵基非晶帶材的磁性能檢測方法國際循環(huán)比對試驗(yàn)，試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果表明，參加本次試驗(yàn)的各實(shí)驗(yàn)室的磁測狀態(tài)的一致性是好的。由于本輪試驗(yàn)采用統(tǒng)一的磁導(dǎo)計(jì)，還不能反映各實(shí)驗(yàn)室之間檢測值的真實(shí)狀態(tài)，IECTC68 委員會(huì) 2015 年計(jì)劃開展第 2 輪不采用統(tǒng)一磁導(dǎo)計(jì)的國際循環(huán)比對試驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)
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[8] Y. Ishihara, Proposal for a new standard for the testing of Fe-based amorphous strip by means of a single sheet tester[R]., IECTC68 Document N261, 4 November 2014
[9] 藤原耕二, 淺野拓也, 中野正典, 高橋則雄, 500mm幅大形試料用単板磁気特性試験器の改良[J], 日本電気學(xué)會(huì)マグネティックス研究會(huì)資料, MAG-04-86, (2004). 33-38.
本論文相關(guān)產(chǎn)品：TD8160 單片非晶磁性測量系統(tǒng)
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