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鐵基非晶帶材工頻磁性能單片法國際循環比對試驗(第1輪)

作者:  瀏覽量:3920  發布時間:2015-09-18

周 星1   鄒學良2   馬長松3   周新華2   沈 杰1

1、上海寶鋼工業技術服務有限公司檢化驗中心;2、長沙天恒測控技術有限公司;
3、寶鋼中央研究院硅鋼研究所)

摘要鐵基非晶帶材是用于配電變壓器鐵芯并受到廣泛關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準為建立相應的國際標準2014年國際電工委員會IEC磁性合金和鋼技術委員會TC68實施了第一輪國際循環比對試驗該項目由日本標準化國家委員會組織本文從項目參與者的角度介紹該項目和試驗結果的一些情況

關鍵詞非晶磁性能單片法循環比對試驗

 

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 Changsong 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能的新材料在配電變壓器上已有產業化的應用其生產工藝和檢測技術日益受到廣泛關注鐵基非晶帶材的磁性能檢測方法沒有國際標準我國有相應材料的磁性能測量方法標準[1]鐵基非晶帶材生產大國的日本也有相應材料的磁性能測量方法標準[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準和日本標準的技術內容有很大差別我國標準采用卷繞式環樣日本標準采用單片樣

   由于鐵基非晶帶材有較明顯的磁致伸縮效應宜采用單片樣進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要求和實現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因素疊加要求磁測設備的靈敏度比普通用于取向硅鋼帶材的磁性能檢測設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備的靈敏度要求還要高在磁導計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是電流法MC),另一個是磁場線圈法H-coil);電流法是硅鋼磁性能單片檢測IEC國際標準使用的唯一方法[3]而磁場線圈法是日本和美國硅鋼磁性能單片檢測標準使用的方法之一[4-5]磁場線圈法的磁導計制作和相關測量手段的建立要求相對較高

   近幾年日本在國際標準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準的提議為建立相應的國際標準國際電工委員會IEC磁性合金和鋼技術委員會TC682014年實施了第一輪基于單片法的國際循環比對試驗項目由日本標準化國家委員會的相關技術委員會組織該項目是軟磁材料磁性能測試國際標準化平臺上的一次高水平的比對試驗計劃參加本輪國際循環比對試驗的有日本中國德國英國美國意大利和比利時等國的不同實驗室但是由于種種原因最終只有日本 個實驗室中國 個實驗室歐洲 個實驗室組織方未說明具體國家完成試驗并提交結果本文作者代表中國參加了該項目本文從項目參與者的角度介紹該項目和試驗結果的一些情況

2. 循環比對試驗方案

2.1 樣品

   本次環比對試驗樣品由日立金屬提供共十片分兩組每組5牌號為Metglas 2605HB1M0.025 mm 60 mm 270 mm樣品經過熱處理密度取 7.33 kg/dm3室溫下 H= 800 A/m時飽和磁感為 1.63 T 

2.2 磁導計

   磁導計由項目組織者提供如圖1所示考慮到各國之間運輸的方便性項目組織者提供的磁導計的采用了較小尺寸磁導計的磁軛用燒結鐵氧體制作上下兩部分C 型立式設計可構成單磁軛和雙磁軛兩種磁路方式整體尺寸 65 mm 65 mm 270 mm磁軛極面寬度 65 mm厚度 15 mm極面間內部長度 240 mm初級勵磁線圈 215 磁場線圈 1990 次級感應線圈 50 

C1

循環對比試驗的磁導計

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有限公司研制

  磁測電路及信號處理的整體設計與文獻[6]類似如圖2所示包括勵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電壓信號處理單元和計算機控制軟件等

C2

2  比對試驗的磁測電路及信號處理原理圖

2.3 檢測項目

  單磁軛和雙磁軛電流法和磁場線圈法頻率 50 Hz 60 Hz磁感應強度 1.3 T1.4 T  1.5 T 下的比總損耗和比視在功率磁場 80 A/m下的磁感應強度以及磁滯回線

   電流法磁路長度約定為 240 mm試驗前要求對樣品按最大磁場100 A/m進行退磁每個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出五個樣品的頻率 50 Hz 的測量結果包括兩種方法的測量結果即單磁軛磁場線圈法和雙磁軛電流法具體檢測項目為磁感應強度 1.3 T1.4 T  1.5 T 下的比總損耗和比視在功率磁場 80 A/m 下的磁感應強度以及磁滯回線

 

3. 循環比對試驗結果

3.1 檢測結果

 第1輪循環比對試驗最終的日本中國和美國的七家實驗室反饋的試驗結果有正式報告[7]和國際電工委員會IEC磁性合金和鋼技術委員會TC68工作文件[8]相關結果見 3  5

C3

   圖 為不同實驗室在不重新裝樣的情況下五個樣品三次測量磁感水平 1.3T 的比總損耗的波動情況其值是相對于各實驗室各樣品均值的比值其中a) 為磁場線圈法結果b) 為電流法結果 結果表明磁場線圈法結果相對于電流法結果表現出略大的離散性

C4

C5

   圖4 為不同實驗室測量的 50Hz 下磁感水平 1.3T 的比總損耗的結果的均值及標準偏差其中均值是相對于參比實驗室日本同志社大學的比值 a) 為磁場線圈法結果b) 為電流法結果4結果表明磁場線圈法的均值及標準偏差相對于電流法的均值及標準偏差各實驗室間均值差異和實驗室內標準偏差都略表現出較大的傾向

   圖 為不同實驗室磁場線圈法測量的 50Hz下磁感水平 1.4T  1.5T 的比總損耗的結果的均值及標準偏差其中均值是相對于參比實驗室日本同志社大學的比值 a)  1.4T 比總損耗的結果b)  1.5 T 比總損耗的結果  4a 的結果表明各實驗室間各磁感水平下磁場線圈法的均值及標準偏差基本一致對應磁感水平 1.4 T  1.5 T 的電流法相關的結果與磁感水平 1.3T 的情況類似

   七家實驗室反饋的 80A/m 磁場下磁感應強度的測量結果都落在 ±0.4% 范圍內項目組織方未報告具體數據情況

 

3.2 結果分析

  從磁感 1.3T 水平的比總損耗的結果看磁場線圈法結果相對于為電流法結果表現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

  各實驗室磁場線圈法測量各磁感水平下的比總損耗結果相對情況基本一致反映了各實驗室量值控制的整體狀態同時各實驗室磁場線圈法測量的比總損耗的結果的均值及標準偏差的對照情況也是各實驗室間磁測狀態的整體反映

  從項目組織者反饋的信息看中國方面出具的結果及表征的狀態無論是磁場線圈法結果還是電流法結果與參比實驗室結果的差異均落在在合理的范圍內

 

3.3 基礎試驗的結果和分析

C6

  圖 給出本次試驗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 可見盡管磁場線圈法更接近材料磁性能的真實狀態但其測量相對于電流法而言易受干擾磁滯回線不是很規整這一點與比總損耗的結果反映的磁場線圈法結果相對于為電流法結果表現出略大的離散性的情況是一致的

C7

       圖 7 為一套 個試樣對應的比總損耗和磁感的測量結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%這一結果與文獻[9]給出的硅鋼對應的測量結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格產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需要進一步試驗和研究

4. 總結


   國際電工委員會IEC磁性合金和鋼技術委員會TC68實施的第1輪鐵基非晶帶材的磁性能檢測方法國際循環比對試驗試驗方案和試驗結果表明參加本次試驗的各實驗室的磁測狀態的一致性是好的由于本輪試驗采用統一的磁導計還不能反映各實驗室之間檢測值的真實狀態IECTC68 委員會 2015 年計劃開展第 2 輪不采用統一磁導計的國際循環比對試驗


參考文獻

[1]  GB/T 19346-2003 非晶納米晶軟磁合金交流磁性能測試方法[s].

[2]  JIS H7152-1996 アモルファス金屬 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], 日本電気學會マグネティックス研究會資料, MAG-04-86, (2004). 33-38.

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