鐵基非晶合金帶材的磁性能檢測(cè)方法研究*

吳雪，楊富堯，馬光，陳新

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

0 引 言

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，同時(shí)非晶合金的性能檢測(cè)評(píng)估技術(shù)也日益受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員的高度重視。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)[1-2]但與日本標(biāo)準(zhǔn)JIS H7152-1996[3]不同，主要體現(xiàn)在測(cè)試頻率范圍50 Hz～400 Hz，國(guó)標(biāo)采用環(huán)形試樣測(cè)試法，而日本則采用單片法，在頻率范圍400 Hz～1 MHz，日本也同樣采用環(huán)形試樣。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交流磁性能的測(cè)量。盡管新檢測(cè)法提案還需要進(jìn)一步研討，但與鐵基非晶合金帶材相關(guān)的磁性能檢測(cè)方法的研究仍然值得關(guān)注[4]。

文章通過(guò)介紹用于鐵基非晶合金帶材磁性能檢測(cè)的方法，闡述分析環(huán)形試樣法和單片法兩種檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)兩種檢測(cè)方法相關(guān)損耗測(cè)量結(jié)果的關(guān)系進(jìn)行對(duì)比分析，以期對(duì)關(guān)注非晶合金帶材磁性能檢測(cè)的技術(shù)人員在選擇合適的檢測(cè)技術(shù)方法時(shí)有所了解和幫助。

1 鐵基非晶合金帶材磁性能檢測(cè)方法

鐵基非晶合金帶材，特別是對(duì)于配電變壓器工頻下使用的非晶合金帶材，磁性能檢測(cè)方法主要有2種：我國(guó)采用的環(huán)形試樣法和日本采用的單片法，二者在樣品制備、測(cè)量原理和方法及適用性等方面都有很大區(qū)別。

1.1 環(huán)形試樣法

環(huán)形試樣測(cè)試法，樣品由一定寬度的非晶合金條帶直接卷繞成固定尺寸的圓環(huán)，如圖1所示。這種樣品看似與理想情況很接近，是尺寸完美的閉合磁路，磁路長(zhǎng)度等于2πr0(其中r0是平均半徑，r0=(re+ri)/2，ri是環(huán)形內(nèi)半徑，re是環(huán)形外半徑)。

圖1 帶材卷繞圓環(huán)試樣

實(shí)際上，環(huán)形樣品距離理想情況相差很遠(yuǎn)，即使在高磁導(dǎo)率情況下，磁通也不會(huì)完全集中在樣品內(nèi)，而是在鐵心周?chē)嬖谥s散磁場(chǎng)[5]，樣品中的磁場(chǎng)也不一致，而是在環(huán)形內(nèi)徑附近最大，向外邊緣方向非線性減小。假設(shè)平均半徑為r0，r0處的磁場(chǎng)為H0，那么距離x處磁場(chǎng)強(qiáng)度Hx可以由式(1)確定：

(1)

內(nèi)表面和外表面磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為式(2)和式(3)：

(2)

(3)

標(biāo)準(zhǔn)[2]中建議的內(nèi)徑為35 mm ±2 mm，且外徑與內(nèi)徑比值要小于1.25。Grimmond，Ling和Moses等人[7-9]通過(guò)測(cè)量不同尺寸樣品的損耗、勵(lì)磁電流和導(dǎo)磁性等，證實(shí)了環(huán)形試樣的內(nèi)外徑比值與內(nèi)徑、高度等參數(shù)共同作用，影響最終的測(cè)量參數(shù)。

環(huán)形樣品測(cè)試法具有很多優(yōu)點(diǎn)：樣品是易磁化的完美形狀，在滿足上述幾何比例條件下，能夠可靠的確定磁路長(zhǎng)度，且磁化樣品所需的功率較小。缺點(diǎn)是線圈的制備非常麻煩，勵(lì)磁線圈需要均勻繞在整個(gè)圓環(huán)的周?chē)?，且繞制后需要進(jìn)行減壓和退火熱處理。環(huán)形鐵心從薄帶卷繞成螺旋狀時(shí)，磁通被限制在狹小的氣隙空間里，引起額外的磁通分量，從而產(chǎn)生額外的渦流損耗。樣品中還存著繞組間的電容耦合效應(yīng)，即均勻切面纏繞的勵(lì)磁線圈可等效為假想的一個(gè)單匝圓形線圈，其與二次繞組的假想單匝線圈切面相耦合。因此，在實(shí)際測(cè)量中應(yīng)采取額外的補(bǔ)償措施，特別是在高頻情況下(1 kHz及以上頻率)，建議可對(duì)勵(lì)磁線圈繞偶數(shù)層，即沿順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蚪徊胬@制，以此來(lái)降低這種耦合效應(yīng)。

基于上述存在的問(wèn)題，盡管在中頻和高頻測(cè)試中，環(huán)形試樣測(cè)試法仍處于支配地位。但對(duì)于非晶合金帶材工頻磁性能的測(cè)量，環(huán)形試樣的測(cè)量方法受到了限制。

1.2 單片法

單片法，即采用一片樣品即可完成測(cè)試。相比于環(huán)形樣品冗長(zhǎng)的制備過(guò)程，單片法具有很多顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn)：

(1)只需要很少的材料進(jìn)行測(cè)試，避免了材料的浪費(fèi)；

(2)方便測(cè)試材料的均勻性(包括局部測(cè)量)，可對(duì)許多樣品進(jìn)行測(cè)量取平均值，結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)性；

(3)可進(jìn)行在線測(cè)試[10]；

(4)具有更高的測(cè)量準(zhǔn)確度。

然而，單片樣品為開(kāi)路式樣品，未形成閉合磁路，樣品很難磁化到高磁感應(yīng)強(qiáng)度。因此，通常需要用外部磁軛對(duì)其進(jìn)行閉合磁路處理。磁軛系統(tǒng)分為不對(duì)稱(chēng)磁軛和對(duì)稱(chēng)磁軛，圖2(a)為不對(duì)稱(chēng)的磁軛，其更容易接近樣品，使測(cè)試更加簡(jiǎn)化，但磁軛極上的額外渦流損耗引起的測(cè)量誤差較大，影響交流測(cè)量的精確度。對(duì)稱(chēng)磁軛可對(duì)樣品進(jìn)行對(duì)稱(chēng)勵(lì)磁，使磁軛上下兩部分的渦流相互補(bǔ)償，如圖2(b)。

圖2 磁軛結(jié)構(gòu)

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：

(4)

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

(5)

(6)

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，二者主要區(qū)別在于對(duì)勵(lì)磁磁場(chǎng)的測(cè)量方法不同。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]，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為：

(7)

式中 勵(lì)磁電流I和線圈匝數(shù)n1已知。

依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律確定磁感應(yīng)強(qiáng)度B：

(8)

根據(jù)式(8)確定的B和H值均含有誤差，在推薦尺寸的環(huán)樣中，可假定l=πdav，在其他情況下，可能僅已知平均磁路長(zhǎng)度l的近似值。因此，在測(cè)試中直接測(cè)量得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度H會(huì)更可信，通常使用H線圈測(cè)量切向磁場(chǎng)分量[12]。

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。與電流法相比，H-coil法也存在不足：小信號(hào)易受到雜散磁場(chǎng)干擾，需要使用集成放大器，且測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度取決于線圈與樣品表面的距離。

1987年Nakata[13]等提出，使用兩個(gè)或更多的H-coil測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，來(lái)解決上述問(wèn)題。圖3為雙H線圈的單片測(cè)試儀結(jié)構(gòu)示意圖。假定這些線圈的距離已知，可采用外推法推斷被測(cè)樣品表面的結(jié)果，此方法亦可降低由不對(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

圖4描述了試驗(yàn)測(cè)定的樣品中磁場(chǎng)強(qiáng)度與材料表面距離之間近似的線性關(guān)系，非線性部分小于0.2%，因此，可不必使用極薄的傳感器，而是采用多層線圈來(lái)提高測(cè)量靈敏度[14]。

Abdallh等[15]的研究也證實(shí)了，使用兩個(gè)尺寸為10 mm×10 mm，厚度為1.5 mm和4.6 mm的H形扁平線圈組成的雙線圈傳感器，H-coil 最大靈敏度能達(dá)到3 μV/(A/m)。

2 環(huán)樣法和單片法測(cè)量結(jié)果對(duì)比

選取國(guó)內(nèi)某廠家同一批次的非晶合金帶材，分別制成環(huán)形試樣和單片試樣，依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 19346.1-2017《非晶納米晶合金測(cè)試方法第1部分：環(huán)形試樣交流磁性能》和GB/T 19345.1-2017《非晶納米晶合金第1部分：鐵基非晶軟磁合金帶材》附錄B中推薦的測(cè)試方法，進(jìn)行對(duì)比測(cè)試分析。

圖4 磁化樣品的磁場(chǎng)強(qiáng)度與H線圈距樣品表面的距離關(guān)系[14]

環(huán)形試樣內(nèi)徑200 mm、外徑230 mm，高30 mm，稱(chēng)取質(zhì)量后裝入由非鐵磁性絕緣材料制成的保護(hù)盒中，繞組均勻繞制后進(jìn)行測(cè)試，試樣如圖5所示。

圖5 非晶環(huán)形試樣

單片試樣(見(jiàn)圖6)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。

測(cè)試樣本量為環(huán)形試樣50個(gè)和單片試樣150片，測(cè)試頻率為50 Hz，磁密0.1 T～1.4 T范圍內(nèi)的鐵損值，測(cè)試結(jié)果取平均值得到兩種不同方法測(cè)試結(jié)果的關(guān)系如圖7。隨測(cè)試磁密的增加，兩種方法測(cè)量得到的鐵損值均逐漸增大，且環(huán)樣法測(cè)量的鐵損值高于單片測(cè)量法，磁密越高，偏差越大。

圖6 非晶單片試樣

圖7 環(huán)樣法與單片法的鐵損測(cè)試平均值對(duì)比

圖8、圖9分別為環(huán)樣法和單片法測(cè)試50 Hz頻率下，工作磁密點(diǎn)在1.3T時(shí)的鐵損測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)直方圖。統(tǒng)計(jì)結(jié)果總體上呈正態(tài)分布，環(huán)樣法測(cè)試結(jié)果90%集中在0.22～0.24 W/kg，平均值P1.3/50=0.231 8 W/kg，樣品性能波動(dòng)小，這是因?yàn)榄h(huán)形試樣為帶材多層卷繞，取樣范圍廣，測(cè)量結(jié)果為環(huán)樣帶材的整體平均值，局部差異體現(xiàn)不明顯，樣品間個(gè)體差異性小，性能較為平均。

圖8 環(huán)形試樣損耗測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)直方圖

圖9 單片試樣損耗測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)直方圖

單片法測(cè)試結(jié)果基本集中在0.16 W/kg～0.21 W/kg之間，平均值P1.3/50=0.182 4 W/kg，較環(huán)樣低21.3%。相比于環(huán)樣法，單片法測(cè)量性能波動(dòng)較大，這是由于單片試樣取樣范圍小，測(cè)量結(jié)果更能反映材料本身的局部特性，樣品間個(gè)體差異性較大，性能波動(dòng)大。

3 配電變壓器鐵心模型試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)非晶合金配電變壓器原理，選用非晶合金帶材試制小容量鐵心模型，鐵心模型為具有實(shí)際指導(dǎo)意義的等比例縮小實(shí)物模型，鐵心模型如圖10所示。

圖10 非晶合金鐵心模型圖

鐵心模型的空載實(shí)驗(yàn)方案的電路連接圖如圖11所示，此方法采用高壓繞組作為激勵(lì)繞組，低壓繞組作為測(cè)量繞組，通過(guò)測(cè)量勵(lì)磁繞組(高壓繞組)電流I1與測(cè)量繞組(低壓繞組)電壓U2的方法實(shí)現(xiàn)變壓器鐵損的精確測(cè)量，所測(cè)得的空載損耗是扣除了繞組損耗后的變壓器鐵心損耗。

圖11 空載實(shí)驗(yàn)電路連接圖

鐵心模型測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果與非晶合金帶材單片法和環(huán)形試樣法測(cè)得的結(jié)果對(duì)比如圖12所示。從圖中明顯看出，低磁密下，環(huán)形試樣法與單片法測(cè)試結(jié)果相差不大，單片法略低，單片法與鐵心模型測(cè)試結(jié)果基本一致；磁密增加到0.9 T以上，環(huán)形試樣法與鐵心模型試驗(yàn)結(jié)果吻合，均高于單片試樣法測(cè)試結(jié)果，更符合非晶合金配電變壓器的實(shí)際工作狀態(tài)，因此，若要模擬評(píng)價(jià)變壓器運(yùn)行狀況，可采用環(huán)形試樣法。

圖12 單片法和環(huán)樣法與鐵心模型測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

鐵基非晶合金帶材作為一種高效節(jié)能的新材料廣泛應(yīng)用于配電變壓器領(lǐng)域，相應(yīng)的非晶合金帶材的性能測(cè)試技術(shù)也受到廣泛關(guān)注。目前，對(duì)于非晶合金帶材的工頻磁性能測(cè)量，國(guó)內(nèi)外主要有環(huán)樣法和單片法兩種不同的檢測(cè)技術(shù)。

(1)環(huán)樣法測(cè)試試樣由帶材直接卷繞成圓環(huán)，測(cè)試得到整個(gè)環(huán)形試樣的平均值，性能波動(dòng)較小，但樣品局部差異體現(xiàn)不明顯；環(huán)形試樣制備過(guò)程繁冗，勵(lì)磁線圈繞制麻煩，且樣品中的磁場(chǎng)不均勻，磁路長(zhǎng)度的確定受制于環(huán)樣的內(nèi)外半徑比值；

(2)單片法制備樣品方便簡(jiǎn)單，只需要很少材料即可進(jìn)行測(cè)試，可取帶材任意部位單片試樣進(jìn)行對(duì)比測(cè)試分析，結(jié)果更能反應(yīng)帶材的局部差異性；單片H-coil法能直接測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，避免了確定磁路長(zhǎng)度帶來(lái)的的難題，測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確；

(3)對(duì)于同批非晶帶材鐵損測(cè)試，環(huán)樣法的測(cè)量結(jié)果較單片法高約21.3%，其中環(huán)樣法受疊片系數(shù)、卷繞工藝、剪切加工等影響較大，測(cè)試結(jié)果更接近實(shí)際卷鐵心，可用于鐵心模型模擬測(cè)試結(jié)果參照；單片法測(cè)試更能反映材料本身性能，且制樣方便簡(jiǎn)單，適用于大量取樣、對(duì)比測(cè)試整批帶材不同部位的材料性能均勻性。