铁基非晶带材工频磁性能单片法国际循环比对试验(第1轮) -凯发k8国际

周 星¹   邹学良²   马长松³   周新华²   沈 杰¹

摘要：铁基非晶带材是用于配电变压器铁芯并受到广泛关注的一种新材料。铁基非晶带材的磁性测量方法还没有国际标准。为建立相应的国际标准，2014年国际电工委员会（iec）磁性合金和钢技术委员会（tc68）实施了第一轮国际循环比对试验，该项目由日本标准化国家委员会组织。本文从项目参与者的角度介绍该项目和试验结果的一些情况。

关键词：非晶、磁性能、单片法、循环比对试验

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

   铁基非晶带材作为一种高效节能的新材料在配电变压器上已有产业化的应用，其生产工艺和检测技术日益受到广泛关注。铁基非晶带材的磁性能检测方法没有国际标准，我国有相应材料的磁性能测量方法标准^[1]，铁基非晶带材生产大国的日本也有相应材料的磁性能测量方法标准^[2]。值得注意的是，在针对配电变压器工频下使用的铁基非晶带材，我国标准和日本标准的技术内容有很大差别，我国标准采用卷绕式环样，日本标准采用单片样。

   由于铁基非晶带材有较明显的磁致伸缩效应，宜采用单片样进行磁性能检测。与取向硅钢带材的单片磁性能检测相比，铁基非晶带材单片样检测的技术要求和实现难度都很高；一方面，铁基非晶带材的厚度很薄，一般为  0.025mm，只有取向硅钢带材的十分之一左右；另一方面，铁基非晶带材的比总损耗很低，工频下 1.4t 的典型值约为 0.1w/kg，该值是取向硅钢带材工频下 1.7t 典型值的十分之一左右；此两个因素叠加，要求磁测设备的灵敏度比普通用于取向硅钢带材的磁性能检测设备的灵敏度高出近一百倍；考虑到铁基非晶带材的试样较小，其对磁性能检测设备的灵敏度要求还要高；在磁导计的制作、电子小信号处理及干扰抑制处理等方面也有很高的要求；此外，单片样检测在磁场检测上有两种方法，一个是电流法（mc），另一个是磁场线圈法（h-coil）；电流法是硅钢磁性能单片检测iec国际标准使用的唯一方法^[3]，而磁场线圈法是日本和美国硅钢磁性能单片检测标准使用的方法之一^[4-5]，磁场线圈法的磁导计制作和相关测量手段的建立要求相对较高。

   近几年，日本在国际标准化框架下，提出建立铁基非晶带材的磁性能检测方法国际标准的提议。为建立相应的国际标准，国际电工委员会（iec）磁性合金和钢技术委员会（tc68）2014年实施了第一轮基于单片法的国际循环比对试验，项目由日本标准化国家委员会的相关技术委员会组织。该项目是软磁材料磁性能测试国际标准化平台上的一次高水平的比对试验。计划参加本轮国际循环比对试验的有日本、中国、德国、英国、美国、意大利和比利时等国的不同实验室，但是由于种种原因最终只有日本 4 个实验室、中国 1 个实验室、欧洲 1 个实验室（组织方未说明具体国家）完成试验并提交结果。本文作者代表中国参加了该项目。本文从项目参与者的角度介绍该项目和试验结果的一些情况。

2. 循环比对试验方案

2.1 样品

   本次环比对试验样品由日立金属提供，共十片，分两组，每组5片，牌号为：metglas 2605hb1m，厚0.025 mm，宽 60 mm，长 270 mm；样品经过热处理，密度取 7.33 kg/dm³，室温下 h_m = 800 a/m时饱和磁感为 1.63 t。 

2.2 磁导计

   磁导计由项目组织者提供，如图1所示。考虑到各国之间运输的方便性，项目组织者提供的磁导计的采用了较小尺寸。磁导计的磁轭用烧结铁氧体制作，上下两部分，c 型立式设计，可构成单磁轭和双磁轭两种磁路方式。整体尺寸：高 65 mm，宽 65 mm，长 270 mm。磁轭极面宽度 65 mm，厚度 15 mm，极面间内部长度 240 mm。初级励磁线圈 215 匝，磁场线圈 1990 匝，次级感应线圈 50 匝。

图1 循环对比试验的磁导计

2.2 磁测仪

  磁测仪由本文部分作者所在的长沙天恒测控技术有限公司研制。

  磁测电路及信号处理的整体设计与文献[6]类似，如图2所示，包括励磁单元、电流法初级信号处理单元、磁场线圈法信号处理单元、次级感应电压信号处理单元和计算机控制软件等。

图2  比对试验的磁测电路及信号处理原理图

2.3 检测项目

  单磁轭和双磁轭，电流法和磁场线圈法，频率 50 hz和 60 hz，磁感应强度 1.3 t，1.4 t 和 1.5 t 下的比总损耗和比视在功率，磁场 80 a/m下的磁感应强度，以及磁滞回线。

   电流法磁路长度约定为 240 mm。试验前要求对样品按最大磁场100 a/m进行退磁。每个样品要求在不重新装样的情况下测量三次。

   中国方面按要求分别报出五个样品的频率 50 hz 的测量结果，包括两种方法的测量结果，即单磁轭磁场线圈法和双磁轭电流法，具体检测项目为磁感应强度 1.3 t，1.4 t 和 1.5 t 下的比总损耗和比视在功率，磁场 80 a/m 下的磁感应强度，以及磁滞回线。

3. 循环比对试验结果

3.1 检测结果

 第1轮循环比对试验最终的日本、中国和美国的七家实验室反馈的试验结果，有正式报告[7]和国际电工委员会（iec）磁性合金和钢技术委员会（tc68）工作文件[8]，相关结果见图 3、图 4 和图 5。

   图 3 为不同实验室在不重新装样的情况下五个样品三次测量磁感水平 1.3t 的比总损耗的波动情况，其值是相对于各实验室各样品均值的比值。其中，a) 为磁场线圈法结果，b) 为电流法结果。图 3 结果表明，磁场线圈法结果相对于电流法结果表现出略大的离散性。

   图4 为不同实验室测量的 50hz 下磁感水平 1.3t 的比总损耗的结果的均值及标准偏差，其中均值是相对于参比实验室（日本同志社大学）的比值。图 4 中，a) 为磁场线圈法结果，b) 为电流法结果。图4结果表明，磁场线圈法的均值及标准偏差相对于电流法的均值及标准偏差，各实验室间均值差异和实验室内标准偏差都略表现出较大的倾向。

   图 5 为不同实验室磁场线圈法测量的 50hz下磁感水平 1.4t 和 1.5t 的比总损耗的结果的均值及标准偏差，其中均值是相对于参比实验室（日本同志社大学）的比值。图 5 中，a) 为 1.4t 比总损耗的结果，b) 为 1.5 t 比总损耗的结果。图 5 和图 4a 的结果表明，各实验室间各磁感水平下磁场线圈法的均值及标准偏差基本一致。对应磁感水平 1.4 t 和 1.5 t 的电流法相关的结果与磁感水平 1.3t 的情况类似。

   七家实验室反馈的 80a/m 磁场下磁感应强度的测量结果都落在 ±0.4% 范围内，项目组织方未报告具体数据情况。

3.2 结果分析

  从磁感 1.3t 水平的比总损耗的结果看，磁场线圈法结果相对于为电流法结果表现出略大的离散性，这可能是在电子小信号情况下，磁场线圈本身更容易受到干扰所致。

  各实验室磁场线圈法测量各磁感水平下的比总损耗结果相对情况基本一致，反映了各实验室量值控制的整体状态，同时，各实验室磁场线圈法测量的比总损耗的结果的均值及标准偏差的对照情况，也是各实验室间磁测状态的整体反映。

  从项目组织者反馈的信息看，中国方面出具的结果及表征的状态，无论是磁场线圈法结果，还是电流法结果与参比实验室结果的差异均落在在合理的范围内。

3.3 基础试验的结果和分析

  图 6 给出本次试验中某一试样不同磁感水平下磁场线圈法和电流法的磁滞回线的对比图。由图 6 可见，尽管磁场线圈法更接近材料磁性能的真实状态，但其测量相对于电流法而言，易受干扰，磁滞回线不是很规整，这一点与比总损耗的结果反映的磁场线圈法结果相对于为电流法结果表现出略大的离散性的情况是一致的。

       图 7 为一套 5 个试样对应的比总损耗和磁感的测量结果。其中，比总损耗磁场线圈法的测量值比电流法的测量值低约 10%；磁感的磁场线圈法的测量值比电流法的测量值低约 0.1%。这一结果与文献[9]给出的硅钢对应的测量结果相比有些不同，比总损耗磁场线圈法的测量值比电流法的测量值低的幅度更大，而磁感的磁场线圈法的测量值比电流法的测量值的方向相反，硅钢磁感磁场线圈法的测量值比电流法的测量值高且幅度略大。由于铁基非晶带材的厚度极薄，与硅钢薄规格产品相比有近十倍的差异，造成这种情况的原因究竟是厚度，还是材质，需要进一步试验和研究。

4. 总结

   国际电工委员会（iec）磁性合金和钢技术委员会（tc68）实施的第1轮铁基非晶带材的磁性能检测方法国际循环比对试验，试验方案和试验结果表明，参加本次试验的各实验室的磁测状态的一致性是好的。由于本轮试验采用统一的磁导计，还不能反映各实验室之间检测值的真实状态，iectc68 委员会 2015 年计划开展第 2 轮不采用统一磁导计的国际循环比对试验。

参考文献

[1]  gb/t 19346-2003 非晶纳米晶软磁合金交流磁性能测试方法[s].

[2]  jis h7152-1996 アモルファス金属 単板磁気特性試験方法[s].

[3]  iec 60404-3-2010 magnetic materials – part 3: methods of measurement of the magnetic properties of electrical steel strip and sheet by means of a single sheet tester[s].

[4] jis c2556-1996 電磁鋼板単板磁気特性試験方法[s].

[5] astm a804-04(2009)e1 standard test methods for alternating-current magnetic properties of materials at power frequencies using sheet-type test specimens[s].

[6] h. hagihara, m. tanaka, y. takahashi, k. fujiwara, y. ishihara, standard measurement method for magnetic properties of fe-based amorphous magnetic materials[j], ieee transaction on magnetics, vol. 50, no.4, april 2014.

[7] m. tanaka, h. hagihara, y. takahashi, k. fujiwara, y. ishihara, d. azuma, a single sheet tester of fe-based amorphous strip used for round robin test for iec standardization[a], 12th international workshop on 1&2 dimensional magnetic measurement and testing[c], torino, italy, 10-12 september 2014.

[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], 日本電気学会マグネティックス研究会資料, mag-04-86, (2004). 33-38.

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