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SST(92)法(励磁电流法)和H线圈法两种单片测量方法的偏差
作者:汽车质量家 发布日期:2020年06月11日 浏览:
取向电工钢,特别是磁畴细化类产品,其比总损耗、磁极化强度等磁性能指标的测量只能采用单片测量(Single Sheet Test,SST)方法,但是该方法存在明显缺陷,即SST试样与单片磁导计上下磁轭间构成了磁测量回路,磁轭作为励磁的一部分,会产生额外铁芯损耗,导致整个磁测量回路的损耗偏高,不能准确反映产品本身的磁性能指标。伴随着制造技术及测量科学的发展,如何准确评价取向电工钢的交流磁性能指标也成为

取向电工钢,特别是磁畴细化类产品,其比总损耗、磁极化强度等磁性能指标的测量只能采用单片测量(Single Sheet Test,SST)方法,但是该方法存在明显缺陷,即SST试样与单片磁导计上下磁轭间构成了磁测量回路,磁轭作为励磁的一部分,会产生额外铁芯损耗,导致整个磁测量回路的损耗偏高,不能准确反映产品本身的磁性能指标。伴随着制造技术及测量科学的发展,如何准确评价取向电工钢的交流磁性能指标也成为了电工钢行业的重要课题。因此,笔者从电工钢单片测量方法的发展和原理出发,对比分析研究了SST(92)法(励磁电流法)和H线圈法两种单片测量方法的偏差。

 

单片测量方法的历史沿革

 

1982年,国际电工委员会(International Electrotechnical Commission,IEC )发布了82版单片测量方法,即IEC 404-3:1982«用单片测试仪测量磁性钢片和钢带比总损耗的方法»,简称SST(82)法。

 

1992年,由中华人民共和国冶金工业部提出,等效采用IEC 404-3:1982,制定并发布了国家标准GB/T 13789-1992«单片电工钢片(带)磁性能测量方法»。

 

1992年,国际电工委员会对IEC 404-3:1982单片测量方法标准进行了修订,并发布了92版单片测量方法,即IEC 60404-3:1992。该标准方法分别在2002年和2009年进行了两次修订,并发布了相应标准,简称SST(92)法。

 

2008年,由宝山钢铁股份有限公司负责起草,等同采用IEC 60404-3:2002,制订并发布了国家标准GB/T 13789-2008«用单片测试仪测量电工钢片(带)磁性能的方法»。

 

同期,作为一直占据全球电工钢产业引领地位的日本来说,1996年,由日本标准协会发布了JIS C2556-1996,标准中详细阐述了两种单片测量方法:一种是励磁电流法,与SST(92)法相当;另一种是H线圈法。但是,受制于设备制造能力及微弱信号采集技术的影响,H线圈法并没有在全球范围内得到广泛认可。2015年3月,日本标准协会对JIS C2556-1996进行了修订,主体上沿用了SST(92)法,同时将H线圈法归入标准规范性附录。

 

2017年10月,在国际电工钢协会巴黎会议上,部分电工钢使用企业巨头,例如ABB,Alstom等,也是国内取向硅钢的重要用户,提出SST(92)法的测量结果普遍偏高,加上日本专家持续十几年地推动H线圈法,导致国际电工委员会在单片测量方法的权衡上有了松动。同时,会议上达成共识,使用SST(92)法的测量结果,可以乘以转换因子,转换因子在0.925左右。

 

2018年10月,由国家硅钢工程技术中心起草的国家产品标准GB/T XXXXX-201X«特高压变压器用冷轧取向电工钢带»,首次将转换因子纳入测量方法推荐要求,并根据国内产品的实际情况,将转换因子定义为0.95。

 

两种单片测量方法间的差异

 

SST(92)法又称为励磁电流法,其主要原理是指通过励磁电流I换算磁场强度H,计算公式见式(1),试验片作为磁路的一部分,在其既定长度(有效磁路长度)lm下,磁场强度H是一样的,其他磁路假设磁场强度为零,这是一种间接测量方法。

SST(92)法(励磁电流法)和H线圈法两种单片测量方法的偏差

式中:N1为磁导计初级线圈匝数。

 

在SST(92)法中,有效磁路长度的定义有两种方式:一是统一约定为450mm;二是采用Epstein方圈测量结果溯源单片磁轭的有效磁路长度,这种方式只在某些国家或地区内部适用。

 

GB/T 13789-2008在等同采用IEC 60404-3:2002时,只是定义了有效磁路长度的两种方式,但没有明确当两者发生冲突时,如何保证测量结果的唯一性,这也给国内取向电工钢样品的单片测量埋下了隐患。

 

H线圈法是一种直接测量方法,在靠近试验片表面位置放置检测磁场强度的空心线圈H,通过其感应电压U来控制磁场强度H,其计算公式见式(2)。该方法只用于单片SST测量,H线圈一般以单侧线圈或线圈对的形式存在,与励磁电流法的主要区别就是H线圈法不用约定有效磁路长度。

SST(92)法(励磁电流法)和H线圈法两种单片测量方法的偏差

式中:τ为积分器的时间常数,s;μ0为真空磁导率,μ0=4π×10-7H·m-1;NHAH为H线圈的实际有效面积,m2,应通过校准得到,将H线圈放入螺线管线圈中,在其产生的均匀磁场中校准;αH为H线圈电路中增幅器的增幅率;U为次级感应电压。

 

SST(92)法将有效磁路长度统一为450mm,主要原因是:经国际实验室间比对,SST(92)法的测量再现性较SST(82)法的小,区别在于SST(82)法用Epstein方圈溯源单片磁轭有效磁路长度时,不同实验室间单片磁轭的选材、制作等均不一致,导致磁路长度设定偏差较大,可能在470~480mm波动,也因为如此,SST(92)法测量的比总损耗结果较SST(82)法的高5.03%左右,磁极化强度低0.38%左右。

 

基于SST(92)法与SST(82)法间的差异,目前有两种解决方案:一是修订国家标准GB/T 13789,在标准中引入转换因子,这种方法的缺点是目前没有统一的转换因子定义,不同国家基于自身产品特点,定义的转换因子可能不一致,不利于国际实验室间测量结果的一致性比较;二是在现有测量技术进步的基础上,早日实现H线圈法的应用。

 

H线圈法的实现

 

2016年,由武汉钢铁有限公司申请的国家标准制订计划20161854-T-605“电工钢单片磁性能测试———H线圈法”立项,在长沙天恒测控技术有限公司的支撑下,经过两年的研究,该标准将于2019年发布实施。

 

H线圈法的测量原理是:将电工钢试样放置于两个线圈内,即外部的初级线圈绕组(励磁绕组)和内部的次级线圈绕组(感应电压绕组,又称为“B线圈”)。同时,在靠近试样下表面的位置还安装了一个H线圈,用于检测试样表面的磁场强度。线圈绕组的构造如图1所示。

 

SST(92)法(励磁电流法)和H线圈法两种单片测量方法的偏差

图1 磁轭绕组示意图

 

励磁线圈、H线圈和B线圈应从各自线圈架的同一端开始缠绕,且绕线方向应相同。H线圈是由4个线圈串联构成的,每个线圈是用直径0.2mm的铜线在长度(250±1)mm、宽度(85±0.2)mm、厚度(1±0.1)mm的板状不导电的非磁性材料上连续、均匀、紧密缠绕成(200±0.2)mm的一层而成。试样与U型上、下双磁轭构成封闭的磁场回路,磁轭的横截面积比试样的横截面积要大得多,如图1所示,通过探测H线圈上的感应电势来获得磁场强度,再通过次级线圈感应电势获取磁通密度即可测量试样的磁特性。

 

SST(92)法(励磁电流法)和H线圈法两种单片测量方法的偏差

图2 H线圈法测量原理示意图

 

磁导计和绕组的连接如图2所示,测量信号通过数字控制系统实时记录波形、初级线圈两端电压U1(t)、次级线圈感应电压U2(t)、H线圈感应电压UH (t)。为了获取完整的测量信息,UH (t),U2(t),U1(t)这几组信号的采样时间都应该是磁化周期的整数倍。磁场强度H(t)、磁极化强度J(t)、比总损耗Ps和比视在功率Ss可由UH(t)和U2(t)计算得出。

 

H线圈法的测量结果

 

1、H线圈法与SST(92)法测量结果的比较

 

用单片磁导计,分别采用H线圈法(简称“HC”法)和SST(92)法(GB/T 13789-2008推荐,简称“MC”法)测量0.23,0.27,0.30mm厚度取向电工钢试样的交流磁性能,并给出了两种方法测量结果的统计偏差。

 

对同一试样,在同一台交流磁性测试仪上,使用同一台单片磁导计,分别采用SST(92)法(MC回路)及H线圈法(HC回路)进行测试,在设定磁极化强度J=1.0~1.9T的范围内,每间隔0.1T测试每个测试点对应的磁场强度Hm、比总损耗Ps和比视在功率Ss,并以“MC”法为基准,按以下公式计算“HC”法测量的各物理量相对“MC”法的变化率。

 

按照试样厚度、刻痕状态分组,绘制不同设定磁极化强度与两种方法测量的磁场强度Hm、比总损耗Ps、比视在功率Ss的偏差ΔHm,ΔPs,ΔSs之间的关系图。

 

SST(92)法(励磁电流法)和H线圈法两种单片测量方法的偏差

图3 不同设定磁极化强度J与两种方法测量的磁场强度Hm偏差ΔHm的关系图

 

如图3所示,随着设定磁极化强度的增加,两种方法测量的磁场强度Hm的偏差ΔHm基本呈现出先上升后下降的趋势,在取向硅钢常见的设定磁极化强度1.5~1.7T的范围内,“HC”法所需要的磁场强度较“MC”法的低10%~30%,且试样厚度和刻痕状态对两者之间的偏差均有贡献。

 

SST(92)法(励磁电流法)和H线圈法两种单片测量方法的偏差

图4 不同设定磁极化强度J与两种方法测量的比总损耗Ps偏差ΔPs的关系图

 

如图4所示,随着设定磁极化强度的增加,两种方法测量的比总损耗Ps的偏差ΔPs基本呈现出下降的趋势,在取向硅钢常见的设定磁极化强度1.5~1.7T的范围内,“HC”法测量的比总损耗较“MC”法的低5%~8%,且试样厚度和刻痕状态对两者之间的偏差均有贡献。

 

SST(92)法(励磁电流法)和H线圈法两种单片测量方法的偏差

图5 不同设定磁极化强度J与两种方法测量的比视在功率Ss偏差ΔSs的关系图

 

如图5所示,随着设定磁极化强度的增加,两种方法测量的比视在功率Ss的偏差ΔSs基本呈现出下降的趋势,在取向硅钢常见的设定磁极化强度1.5~1.7T的范围内,“HC”法测量的比视在功率较“MC”法低的10%~20%,且试样厚度和刻痕状态对两者之间的偏差均有贡献。

 

2、测量结果分析

 

经大量试验,使用H线圈法测量的比总损耗、励磁功率等测量结果明显低于使用SST(92)法测量的,该测量偏差与试样材料、厚度、测量条件等显著相关。通常情况下,在工频和磁极化强度为1.5~1.7T条件下测量的取向硅钢单片试样的比总损耗低5%~8%,比视在功率低10%~20%。这主要是因为采用H线圈直接测量电工钢带(片)单片试样的磁极化强度,不再需要约定有效磁路长度,消除了约定有效磁路长度所带来的系统误差,因而测量的比总损耗值更接近于真实值。而SST(92)法是在约定的有效磁路长度下,调整次级线圈电压使待测试样达到规定的磁极化强度后测量的,这是一种间接测量方法。由于有效磁路长度只是一个约定值,随着研究的深入,发现有效磁路长度会随着单片磁导计的材料及制作工艺、试样及测试条件等因素不断变化,实际变化的有效磁路长度与约定有效磁路长度的偏差带来了测量上的系统误差,从而使测量结果偏离了真实值。

 

结论

 

(1)H线圈法用直接测量替代了SST(92)法的间接测量,消除了约定有效磁路长度所带来的测量系统误差,因此相较于SST(92)法,H线圈法具有显著的进步,其测量结果更接近试样的真实值。

 

(2)H线圈法和SST(92)法两种方法的测量偏差与试样材料、厚度、测量条件等都显著相关,不是确定的。


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