(高清版)GBT 13789-2022 用单片测试仪测量电工钢带(片)磁性能的方法

用单片测试仪测量电工钢带(片)sheetbymeansofas国家标准化管理委员会国家市场监督管理总局发布国家标准化管理委员会 I 1 1 2 24.1概述 24.2磁导计 34.3空气磁通补偿 44.4试样 4 4 4 7 5.2比总损耗的测定 附录A(资料性)本文件与IEC60404-3:1992结构编号对照一览表 附录B(资料性)本文件与IEC60404-3:1992技术差异及其原因 附录C(规范性)关于磁轭制作的技术要求 附录D(资料性)晶粒取向电工钢爱泼斯坦方圈法与单片法(方法A电流法)的关系 20附录E(资料性)用数字采样法测定磁性能 附录F(资料性)磁性测量设备的确认和校准方案 25附录G(资料性)数字法对磁极化强度波形正弦的控制 Ia)更改了图1,增加C型磁轭示意图(见图1,2008年版的图1);b)更改了方法A(电流法)(见第4章，2008年版的第4章、第5章);d)增加了方法B(磁场线圈法)(见第5章);e)增加了测试报告中方法的选择(见第6章);f)更改了磁轭制作的部分要求，增加了磁轭损耗在试样总损耗中占比的典型值(见附录C,2008年版的附录A)。 1方法B(磁场线圈法)。a)晶粒取向电工钢带(片)1)在1.0T～1.8T磁极化强度的峰值下测量：2)在不高于1000A/m的磁场强度的峰值下测量：-—磁场强度的峰值。b)晶粒无取向电工钢带(片)1)在0.8T～1.5T磁极化强度的峰值下测量：—励磁电流的有效值。2)在不高于10000A/m的磁场强度的峰值下测量：本文件规定的单片测试仪适用于测量各种类型电工钢带(片)制成的试样下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不GB/T9637电工术语磁性材料与元件[GB/T9637—2001,eqvIEC60050(221):1990]GB/T19289电工钢带(片)的电阻率、密度和叠装系数的测量方法(GB/T19289—2019,23术语和定义GB/T9637界定的术语和定义适用于本文件。4方法A(电流法)4.1概述将一块电工钢带(片)试样放入两个绕组线圈内：——外部的初级绕组(磁化绕组);——内部的次级绕组(感应电压绕组)。上下两个相同磁轭构成闭合磁路，磁轭的横截面积与试样的横截面积的比足够大(见图1)。图1试验装置示意图为了使上磁轭施加在试样上的压力对测量的影响减至最小，应配备悬挂装置以平衡上磁轭的部分34.2磁导计磁轭内的分布均匀，磁轭应采用一对C型卷绕铁芯或黏结的叠片式铁芯。若采用叠片方式，拐角每个磁轭的高度应在90mm～150mm之间。每个磁轭的宽度应为500mm±5mm,内侧长度为450mm±1mm(见图2)。在磁轭竖直臂之间应有放置试样的非导电无磁性的支撑平台。该支撑平台应放在与磁极面共面的初级绕组和次级绕组应至少长440mm并绕制在不导电的非磁性矩形框架上。框架的尺寸如下：4——由1个或5个以上相同尺寸和相同匝数的线圈并联，并在整个长度上缠绕(见图3)。例如 5测量装置的次级整流电压应使用平均值电压表测量。优先选用准确度为±0.2%的数字电压表。应使用准确度为士0.1%的频率计。应使用有效功率因数和峰值因数的准确度为±0.5%或更好的功率表测量功率。功率表电压回路的电阻在量程范围内都应至少为100a/V。必要时，应从指示的损耗值减去次级功率表电压回路的直流电阻应至少为其本身电抗的5000倍，除非功率表对它的电抗进行了补偿。6 (1)N₂—磁导计的次级绕组的匝数；l——试样的长度，单位为米(m);7lm——约定的有效磁路长度(lm=0.45m),单位为米(m)。本方法在使用上述测量装置的再现性时通过相对标准偏差来表示，对于晶粒取向电工钢为1%,对于晶粒无取向电工钢为2%。—励磁电流的有效值(I₁);励磁电流的有效值由图5中的有效值电流表测量。磁场强度的峰值由初级电流的峰值(I)计算得出。按照图6所示，用一只峰值电压表测量已知精密8测量装置的次级整流电压应使用平均值电压表测量。优先选用准确度为士0.2%的数字电压表。初级电流的有效值使用准确度为士0.5%或更好的低阻抗的有效值电流表测量(见图5),或者使用精密电阻器和有效值电子电压表测量(见图6)。电阻器(R。)(见图6)两端的峰值电压用一只指示峰值的高灵敏度电子电压表或者用校准的示波器测量。所使用的仪表，其满量程的准确度应在电源应符合4.5的规定。图6所示的方法，要求一只已知电阻值且准确度在士0.5%之内的精密无感电阻器。该电阻器的选择取决于峰值电压表的灵敏度。为减小感应电压波形的畸变，该电阻值不应超过通常测定单个或一组磁极化强度(J)值和磁场强度(H或H)值。9如果规定了磁场强度而需要测定磁极化强度，则应按下面的方式调整初级电流以获得所需的磁场强度，然后在平均值电压表上读出单片测试仪的次级电压(见4.6.3.2)。如果规定了磁极化强度而需要测定磁场强度，则应按4.6.3.2所述调整次级电压到规定的值。4.7.4.3晶粒无取向电工钢方向的两个测量结果的平均值。如有其他用途或用于测量比视在功率和励磁电流的有效值时，平行和垂直轧制方向的测量值应分别报告。4.7.5磁性能的测定磁极化强度的峰值按公式(4)计算： (4)式中：f-—频率，单位为赫兹(Hz);N₂-—磁导计的次级绕组的匝数；A——试样的横截面积，单位为平方米(m²);Rv——电压表的内阻，单位为欧姆(Ω);R₂——次级线圈的内阻，单位为欧姆(Ω)。通过初级电流的有效值来计算磁场强度的有效值，初级电流有效值按照图5中电流表的读数得出，或按照图6中电压表的读数得出，按公式(5)计算： (5)式中：N₁——初级绕组的匝数；lm——约定的有效磁路长度(lm=0.45m),单位为米(m);I₁——初级电流的有效值，单位为安培(A)。lm——约定的有效磁路长度(lm=0.45m),单位为米(m);4.7.5.4Ss的测定 (7)ĩ₁——初级电流的有效值，单位为安培(A);N₂——次级绕组的匝数；ĩ₁——初级电流的有效值，单位为安培(A);N₁——初级绕组的匝数；lm——约定的有效磁路长度(lm=0.45m),单位为米(mN₂——次级绕组的匝数。本方法在使用上述测量装置的再现性时通过相对标准偏差来表示，磁极化强度峰值(J)不大于1%、磁场强度峰值(H)不大于0.5%、比视在功率(Ss)不大本方法在使用上述测量装置的再现性时通过相对标准偏差来表示，磁极化强度峰值(J)不大于使用靠近试样表面的空芯线圈直接测量试样上的磁场强度(H),并从次级线圈检测到的磁极化强的磁场强度(H)的均匀区域内配置次级绕组和磁场线圈(H线圈)。磁场线圈(H线圈)尽可能接近试通过磁场线圈(H线圈)可测量试样的磁场强度(H)。通过对次级绕组的感应电压进行积分，可得采用500mm宽的单片磁导计，通过次级绕组和磁场线圈(H线圈)分别测量单片试样的磁极化强度(J)和磁场强度(H)。初级绕组和次级绕组缠绕在绝缘非磁性材料的框架上。含磁场线圈的单片磁导计如图7所示。图7含磁场线圈的单片磁导计结构示意图(续)初级绕组，由直径1mm的铜线在框架上均匀地绕制400mm,绕成并联的3层，每层400匝。次级绕组，由直径0.5mm的铜线相对于框架长度方向的中心对称地在长度为200mm±0.5mm的范围内均匀绕制1层，140匝。可根据测量仪器的特性设定初级绕组和次级磁场线圈(H线圈),由4个线圈串联组成(见图7)。数字空气磁通补偿可采用类似于互感器的原理来实施。使用H线圈法，磁通 C——补偿系数；过测量仪器次级线圈上未补偿电压的0.1%。数字空气磁通补偿的优势在于可避免由于使用互感器而引起的和频率相关的相移和线圈阻抗的励磁电源由一个程控的任意波形发生器和一个功率放大器或者集成这两种功波形发生器将合成一个幅值和频率均可通过外部编程调节的磁化波形信号。频率的测量准确度应控制在士0.1%之内或者更好。次级电压的波形宜尽可能地保持正弦。不仅次级电压的波形系数应保持在士1%之内(1.111为基试样的比总损耗(P,)按照图8所示的测量电路进行测量，由Ua(t)和U₂(t)计算得出。次级线圈感应电压[U₂(t)]和H线圈中感应电压[Un(t)]变量为t磁场线圈(H线圈)感应的电压[Ua(t)]是很微弱的，而且很容易引入高频噪声。为了降低输出信理，同时H线圈应具有更大的匝面积并使用低噪声的前使用一个纯净的直流电源给前置放大器供电，可使其免受工频噪声的干扰。T(#出)=DHJU₂d>J(t)N₂——次级绕组；U₂(t)——次级线圈中的感应电压；N₁——初级绕组；测量仪器有两个独立的信号通道同时工作，分别对应U₂(t)和Un(t),其采样时钟应与任意波形发数字信号分析仪通过软件提供功率表和电压表的功能，并计算被测试样的磁性能。在实际的功率因数和峰值因数条件下，功率的测量准确度应为±0.5%之内或者更好；电压的测量准确度应为士0.2%为避免增加次级线圈的负载，信号通道应有足够高的输入阻抗(典型值在并联约100pF情况下大数字信号分析仪产生数字反馈信号给任意波形发生器，任意波形发生器通过数字方式实现磁极化 (10)N₂——次级绕组的匝数；j——磁极化强度的峰值，单位为特斯拉(T)。Ps——试样的比总损耗，单位为瓦特U₂(t)——空气磁通补偿后的次级感应电压，单位为伏特(V)。5.2.3.4比总损耗测量的再现性本方法在使用上述测量装置的再现性时通过相对标准偏差来表示，比总损耗不大于1%。5.3磁极化强度、磁场强度和比视在功率的测定本条规定了以下性能的测定方法。——磁极化强度峰值(J);—磁场强度峰值(H);——比视在功率(Ss)。5.3.2测量原理参照图8所示的测量电路。5.3.3测量程序5.3.3.1测量准备测量准备见4.7.4.1。比视在功率(Ss)需要通过调整电源来设置磁极化强度峰值(J)。测量磁极化强度峰值(J),需要设置磁场强度峰值(H)。在一个或几个磁化周期中测量Un(t)和U₂(t),然后由公式(12)和公式(13)分别计算得到H和J的值。5.3.4磁性能值的测定5.3.4.1磁极化强度峰值t时刻的磁极化强度[J(t)]按公式(12)计算。式中：J(t)——磁极化强度，单位为特斯拉(T);N₂——次级线圈的匝数；t——辅助时间变量；U₂(t)——空气磁通补偿后的次级感应电压，单位为伏特(V)。5.3.4.2磁场强度有效值t时刻的磁场强度[H(t)]按公式(13)计算。t——辅助时间变量。本方法在使用上述测量装置的再现性时通过相对标准偏差来表示，磁极化强度峰值(J)不大于1%,磁场强度峰值(H)不大于0.5%,比视在功率(Ss)不大于3%。6测试报告a)本文件编号；b)试样的类型和标识；c)所使用的方法(方法A或方法B);d)材料的密度(约定值，或按照GB/Tg)测量时试样的取向；h)测量过程的环境温度；j)作为测试条件的磁极化强度峰值(或磁场强度的峰值);k)测量结果。(资料性)本文件与IEC60404-3:1992结构编号对照一览表表A.1给出了本文件与IEC60404-3:1992结构编号对照一览表。表A.1本文件与IEC60404-3:1992结构编号对照情况IEC60404-3:1992结构编号112234556一附录B附录B附录E附录F(资料性)本文件与IEC60404-3:1992技术差异及其原因表B.1给出了本文件与IEC60404-3:1992技术差异及其原因的一览表。表B.1本文件与IEC60404-3:1992技术差异及其原因原因1)将IEC60050-221替换为GB/T9637;率、密度和叠装系数的测量方法1)GB/T9637—2001等同采用IEC60050-221:1990;2)IEC60404-3:1992并未文件明确试样的材料密度采用约定值或按照修改了公式(3)将IEC60404-3:1992/AMD.1:2002+AMD中两个公式代入合并IEC60404-3:1992统一将比视在功率、磁极化强度峰5增加方法B(磁场线圈法)统方法约定磁路长度的问题，国外已有采用磁场线圈法的标准6增加测试报告附录C单片磁导计的磁轭损耗在实际测量中包含在试样测论，增加相应内容，便于国内磁轭质量的控制(规范性)在磁轭的制作过程中，要求对剪切的条片进行退火以消除应力。在把这些材间隙的均匀度。可以用碳化硅和金刚石磨膏不断精细研磨，直到工程蓝油的均匀分布指示出足够均匀研磨过程会引起磁轭内各片金属之间的变形并产生短路。需用非氧化酸(例如盐酸)仔细地酸蚀处即使按照上述要求严格控制磁轭的制作过程，按照本文件中方法A(电流法)测量比总损耗仍存在表C.1典型磁轭的总损耗在不同牌号取向电工钢试样总损耗的占比牌号名义厚度(d)1.7T时总损耗(Ps)W磁轭中磁通密度(Jy)T磁轭的总损耗(Py)W占比(py)%试样总损耗中磁轭损耗的占比取决于测量试样的密度、牌号和厚度等因素(片)在1.7T时的占比约为2%。可用对应磁极化强度条件下的磁轭损耗计算磁轭损耗在试样总损耗中的占比py,按公式(C.1)pr——磁轭损耗在试样总损耗中的占比，以%表示；8P/%8P/%(资料性)晶粒取向电工钢爱泼斯坦方圈法与单片法(方法A电流法)的关系本附录包含将晶粒取向电工钢单片法测量值转化为爱泼斯坦方圈法测量值和相反过程的信息。值在较大的离散性。实际上，这也是规定单片法独立于爱泼斯坦方圈法的原因(将IEC60404-3:1982修订为IEC60404-3:1992)。两种方法中的一种进行测量时。本附录给出的转换关系的有效性是有限的，因为受制于晶粒取向材料制备成爱泼斯坦方圈试样过程产生的及不同试样本身的内应力及退火处理等大的离散性，即两种方法结果之间转换表现出较大的不确定度。对于比总损耗(Ps),不确定度约达到2%(在J的整个范围内);对于磁场强度(H),不确定度约在士3%(J=1.3T)~±10%(J=1.7T);对于比视在功率(Ss),不确定度约在士5%(J=1.3T)~±20%(J=1.7T)。由于这种离散性不是正态分本附录给出的关系式是通过由8家不同制造方生产的不同产品的750组最典型的普通取向硅钢产本附录的计算结果不适用于G系列高磁导率材料爱泼斯坦方圈法和单片法结果的关系可以通过一个因子8P[比总损耗(P)],8HS[磁场强度(H)Ps.ssr=Ps,Eps×(1+δP/100)…………(D.1)Hs.ssr=Hs.Eps×(1+δHS/100)Ss,ssr=Ss.Eps×(1+δHS/100)…………(D.3)Ps,Eps=Ps,ssr/(1+δP/100)…………(D.4)Hs,Eps=Hs.ssr/(1+8HS/100)…………(D.5)Ss.Eps=Ss.ssr/(1+δHS/100)………相关实验得出的转化因子在图D.1(8P)和图D.2(8HS)中用菱形符号显示。J=1.0T～1.2T的因7765432o图D.1晶粒取向电工钢爱泼斯坦方圈法与单片法转换因子(δP)—磁极化强度(J)关系图8HS8HS图D.2晶粒取向材料爱泼斯坦方圈法与单片法转换因子(8HS)—磁极化强度(J)关系图8P=1.46+0.242J⁵8HS=6.0+0.103J¹0从公式(D.7)、公式(D.8)得出的转换表D.1取向电工钢爱泼斯坦方圈法一单片法转换因(在磁极化强度范围为1.0T～1.8T的数值)JT%%(资料性)用数字采样法测定磁性能数字采样法是一种先进的技术，完全适用于本文件测量程序的电气部分。其特点是将次级感应电压U₂(t)及与初级线圈串联的无感精密电阻两端的电压U₁(t)(见图4和图6)数字化，并通过对这些数据的处理来测定试样的磁性能。为此，在短的等长时间间隔内，瞬时电压值uz,和u₁(j为采样序列值下标)由采样-保持电路对与时间相关的电压信号采集并保持，然后通过模数转换器(ADC)及时将信号转换成数字值。在一个或多个周期内采样的数据对集、试样以及设置参数构成一次测量的全部信息。通过计算机处理整套数据来确定本文件所涉及的所有磁性能。数字采样法可用于本文件正文部分所描述的测量步骤。图4的电路图可同等地应用于模拟采样或数字采样。数字采样法通过包含数字采样装置和软件的综合系统可实现图4～图6中所有测量部件的功能。次级电压正弦波形的控制也可通过数字采样法来实现，但技术手段和目的不同于本附录。本附录有助于理解数字采样法对本文件测量方法的精度的影响。其重要性在于，通过使用ADC电路、瞬态记录仪和配套软件很容易构建起数字采样功率表，但是如果数字采样法使用不当，会造成较大的误差，并劣化测量不确定度。E.2技术细节和要求数字采样法的原理是用有限时间间隔△t替代无限小的时间间隔dt对电压进行离散取值，△t按照式中：△t两采样点的间隔时间，单位为秒(s);T——磁化周期，单位为秒(s);n——一个周期内的采样数；f——磁化频率，单位为赫兹(Hz);f,——采样频率，单位为点每秒(点/s)。为获得更小的不确定度，磁化周期和采样点间的时间间隔的比率，即f,/f,应为整数(奈奎斯特条件),采样频率f,应大于输入信号带宽的两倍。利用平均值电压表，磁极化强度峰值可用一个周期内的uz,采样值之和计算得到。磁极化强度峰值按照公式(E.2)计算：比总损耗可通过对一个周期内uz;和u;的逐点乘积求和计算得到。比总损耗Ps按照公式(E.3)计算：磁场强度峰值按照公式(E.4)计算：比视在功率Ss按照公式(E.5)计算：R——与初级线圈中串联的无感精密电阻R。的电阻值(见图6),单位为欧姆(Q);A——试样的横截面积，单位为平方米(m²);n一个周期内的瞬时采样数；j——瞬时值序列号。式使用快速数字乘法器和加法器进行处理，无须中间储存。只有当采样频率f,和磁化频率f是由一过每周期采样128次的方式扫描即可具有足够精度。根据香农定理，这是由H(t)信号中的最高相关采样500次或更高),以减小真实周期长度与相邻的采样点时间的偏差。在高频率下应用领域(例如本文件范围内的400Hz)满足奈奎斯特条件的优势明显。建议使用抗混叠低通滤波器，以消除不相关的料。因此，对于给定的幅值建议采用至少12位分辨率。此外，两个传输信号的因数cos(φ)较低时(φ是两个电压信号的基波分量之间的相位差),相移偏差的影响较大。因此，不建导致数字计算结果的显著误差。可采用数字矫正补偿去除此直流偏置。E.3数字空气磁通补偿数字空气磁通补偿可用类似于互感器的原理来实施，数字空气磁通补偿后的次级电压U₂.(t)按照式中：Uz(t)——补偿后的次级感应电压，单位为伏特(V);U₂m(t)——未补偿的次级感应电压，单位为伏特(V);U₁(t)——无感精密电阻R。两端的电压，单位为伏特(V);首先，精确电阻R。的电压U₁(t)被微分，并避免有电流信号引入相移和明显放大的噪声。一种可能的方法是采用五点数值微分或十二点数值微分。补偿系数值的调整是在没有试样的情况下，当交流电通过初级励磁线圈时，补偿电压应不超过测量仪器次级线圈上未补偿电压的0.1%。数字空气磁通补偿的优势在于可避免由于使用互感器而引起的和频率相关的相移和线圈阻抗的增大。E.4校准为实现本文件规定的重复性和再现性要求，应对测量设备进行仔细校准。两个电压通道(含前置放大器和ADC)可使用已校准的参考交流电压源进行校准。此外，两个通道的相位性能及其与频率的相关性需要确认，并在计算机的处理过程中考虑。任何情况下，只使用标准样品校准设备是不够的，因为这种校准方式的有效性仅针对特定的材料和测量条件的组合。(资料性)本文件的再现性验证以及更高准确度的测量要求均依赖于磁性测量设备的校准，通常校准包含以a)将一片绕制有固定匝数绕组的典型试样装入磁导计内；c)在磁导计的退磁绕组中输入稳定的励磁电流，使用符合4.6.2要求的电压表分别测量试样绕Us——试样绕组的电压值，单位为伏特(V);U₁——磁导计初级绕组的电压值，单位为伏特(V);U₂——磁导计次级绕组的电压值，单位为伏特(V);Ns——试样绕组的匝数；N₁——磁导计初级绕组的标称匝数；N₂——磁导计次级绕组的标称匝数。示例：F.2.3磁导计磁轭损耗的确认按照附录E的要求，对单片磁导计的磁轭损耗进行测量和确认。F.2.4空气磁通补偿的确认F.2.4.1采用互感器线圈补偿法当测试装置中无试样时，在初级绕组中通交流电，使在次级绕组非公共端间测量的电压不大于磁导计次级绕组本身电压的0.1%。F.2.4.2采用数字补偿法按公式(F.3)计算互感系数：式中：U₂——次级感应电压的测量值，单位为伏特(V);I₁初级绕组输入的励磁电流，单位为安培(A)。测量典型样品的磁性能，对比磁通密度(B)和磁极化强度(J)的数值，验证公式的正确性。F.3基本电参量的校准使用稳定的功率源，为被校磁性测量设备提供电压、电流、功率信号，将功率分析仪接入测量电路得到标准电参量值，与被校磁性测量设备的相应电参量示值进行比较，完成基本电参量的校准，并符合4.6.2和4.7.3的要求，校准线路示意图如图F.2所示。2I₁3a)校准范围应覆盖被校磁性测量设备的频率与相位范围以及所有的电压和电流量程，对功率而期稳定度(每分钟)应优于被校磁性测量设备的最大允许误差绝对值的1/10;度)应不大于被校磁性测量设备最大允许误差绝对值的1/3;由于磁性测量设备测量的磁性能参数是由测量得到的电参量及样分磁性测量设备的电源输出端钮(接初级绕组)因未预留作为电流输入的专准电参量的方法无法进行校准，故采用典型样品作为负载并通过功率分析仪的校准方法也是可以的。但是该方法的校准参数范围受限于样品的种类与尺寸及激励条件，即难以覆磁性能参数的校准线路示意图如图F.3所示。图F.3磁性能参数的校准线路示意图b)功率分析仪测量基本电参量后，应根据本文件中的相关公式计算得到相应的磁性能参数实际c)采用多次测量取平均值可减少电源不稳定性与测量不同步等带来的误差；磁滞回线的示意图如图F.4所示。图F.4典型试样在J=0.1T时的磁滞回线示意图K——磁滞回线的对称度；e)在测量磁性能的同时，可对次级感应电压的波形因数进行确认；晶粒取向钢的磁极化强度在电压的波形因数符合4.5中的要求。a)在将H线圈安装到线圈架之前：H线圈的匝面积可通过将其放入一个直径和长度足够容纳整个H线圈的螺线管所产生的均匀磁场中进行标定。b)在将H线圈安装到线圈架之后：H线圈的匝面积可通过将H线圈和一个参考H线圈放入没有试样的线圈中得到的磁场强度峰值的比较来确定。参考H线圈应先在均匀磁场中校准。已知的励磁电流，将H线圈的输出与之前记录的参考值进行比F.6测量与校准的注意事项b)材料取样及样品的制作过程。(资料性)采用传统的模拟反馈方法很难使磁极化强度波形达到规定的正弦。当磁极化曲线膝点时，有可能产生不稳定和自振荡。采用数字反馈的方法可免受自J(t)——设定的磁极化强度，单位为lm——约定有效磁路长度(lm=0.45m),单位为米(m)。还有另一种控制信号波形的计算方法。第(i+1)步反馈给程控任意波形发生器的电压U₁+1(t)可由公式(G.2)计算得出。在这种情况下，电压U₁+1(t)可根据次级线圈的被测感应电压U₂(t)与设定点的次级线圈的感应电压U,(t)的差值计算得出。一旦达到磁极化规定的波形因数值1.111的士1%范围K—负反馈常数，小于1的正数；N₁——初级线圈的匝数；