GB∕ T 3658-2022 軟磁金屬材料和粉末冶金材料20Hz～100kHz頻率范圍磁性能的環(huán)形試樣測量方法

代替GB/T3658—2008軟磁金屬材料和粉末冶金材料MethodsofmeasurementofthemagneticpropertiesofmagneticallysoftPart6:Methodsofmeasurementofthemagneticpropertiesofmagneticallysoft國家市場監(jiān)督管理總局國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會I Ⅲ 1 1 1 14.1環(huán)形試樣方法原理 1 14.3繞組 25溫度測量 2 3 3 3 4 46.4.1磁場強度峰值的測定 46.4.2磁通密度峰值的測定 56.4.3有效幅值磁導(dǎo)率和相對幅值磁導(dǎo)率的測定 56.4.4磁化曲線的測定 6 6 6 77.2.1平均電壓表 77.2.2有效值電壓表 77.3功率測量 77.4比總損耗的測量程序 77.5比總損耗的測定 8 8 8附錄A(資料性)本文件與IEC60404-6:2018技術(shù)差異及其原因 附錄C(資料性)為使附加損耗降至最低而對繞組和所用儀器的要求 附錄D(資料性)用于磁性能測定和空氣磁通補償?shù)臄?shù)字采樣技術(shù) 附錄E(資料性)正弦波形的數(shù)字控制法 20Ⅲa)材料范圍增加了電工鋼(見第1章);本文件修改采用IEC60404-6:2018《磁性材料第6部分：軟磁——附錄C對應(yīng)IEC60404-6:2018中的附錄A;——附錄D對應(yīng)IEC60404-6:2018中的附錄B;——附錄E對應(yīng)IEC60404-6:——刪除了IEC60404-6:2018中7.2.1的注1; 1本文件規(guī)定了除鐵氧體以外的軟磁材料在20Hz～100kHz頻率范圍的交流磁性能測試方法。本文件涉及的材料包括電工鋼、鑄件和軟磁復(fù)本文件旨在明確用環(huán)形試樣測試軟磁材料磁性能的通則和技術(shù)細(xì)節(jié)。對于粉末狀材料，通過適當(dāng)軟磁材料的直流磁性能的環(huán)形試樣測量方法見GB/T13012;軟磁元件的磁特性測定見下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文GB/T2900.60電工術(shù)語電磁學(xué)[GB/T2900.60—2002,eqvIEC60050(121):1998]GB/T3655用愛潑斯坦方圈測量電工鋼帶(片)磁性能的方法(GB/T3655—2022,IEC60404-2:GB/T9637電工術(shù)語磁性材料與元件[GB/T9637—2001,eqvIEC60050(221):1990]3術(shù)語和定義GB/T2900.60和GB/T9637界定的術(shù)語和定義適用于本文件。通過環(huán)形試樣構(gòu)建的閉合磁路和繞在其上的兩個繞組形成一個空載的變壓a)薄帶或線材繞成時鐘彈簧型的鐵芯；2所有類型的試樣宜去除毛刺和銳邊后再進行熱處理。宜將試樣裝在可拆成兩部分的非導(dǎo)磁的環(huán)形環(huán)形試樣的外徑與內(nèi)徑之比應(yīng)不大于1.4,宜小于1.25,以確保試樣充分均勻地磁化。d——試樣的內(nèi)徑，單位為米(m);的并經(jīng)過校準(zhǔn)的儀器稱量試樣，稱量準(zhǔn)確度應(yīng)為±0.1%或更優(yōu)，密度應(yīng)為由生產(chǎn)方提供的材料約定密p——材料的密度，單位為千克每立方米(kg/m3)。4.3繞組試樣上繞有一初級繞組和一次級繞組(見附錄C)。繞組的匝數(shù)取決于所使用的測量設(shè)備和方法。次級繞組應(yīng)緊密地繞在試樣上，以減小繞組下空氣間隙的影響。所有繞組應(yīng)均勻地繞在試樣的應(yīng)注意確保在繞線過程中不要損壞電線的絕緣，避免繞線與試樣短路。應(yīng)采用合適的絕緣電阻測5溫度測量當(dāng)對試樣的表面溫度有要求時，應(yīng)在試樣上黏附一個校準(zhǔn)過的非磁性熱電偶(如T型熱電偶)進行3如果磁化后發(fā)現(xiàn)試樣的溫度隨時間變化，應(yīng)在達到供需雙方商定的本文件涉及的環(huán)形試樣測量方法通常在20Hz～100kHz的頻率范圍使用，更高的使用頻率將受附錄C)。設(shè)備應(yīng)按圖1的電路進行連接。測量正弦電流時，磁化繞組N?宜串聯(lián)一個無感精密電阻，確保磁化電路電阻至少大于10倍的試樣磁化繞組N?的阻抗。在測量過程中，交流電源的輸出端電壓和頻率的各自偏差不應(yīng)超過設(shè)定值的±0.2%,頻率計的準(zhǔn)確度以±0.1%或更優(yōu)為宜。交流電源應(yīng)與一個在測量頻率范圍內(nèi)準(zhǔn)確度為±0.2%或更優(yōu)的無感精密電阻及試樣的磁化繞組N?串聯(lián)，電阻兩端連接一只高輸入阻抗(通常大于1MΩ)準(zhǔn)確度為±0.5%或次級電路包括兩個與次級繞組N?并聯(lián)的電壓表。其中一個電壓表(V?)測量有效值，另一個電壓表(V?)測量整流后的平均值，也可按照1.111倍換算得到。應(yīng)使用高輸入阻抗(通常大于1MΩ)準(zhǔn)確度為士0.5%或更優(yōu)的電壓表。46.3次級電壓和磁化電流的波形為1.111,在相對允差士1%內(nèi)。對保持磁化電流為正弦波的情況，需要在磁在頻率為20Hz～100kHz的范圍內(nèi)，次級感應(yīng)電壓的波形系數(shù)通過與次級繞組連接的兩個具有高阻抗(并聯(lián)5pF～20pF時的典型值大于1MΩ)的電壓表測定。應(yīng)用其中一個電壓表測量電壓的有j——復(fù)數(shù)符號；L——環(huán)形試樣的初級繞組的有效電感，單A——試樣的橫截面積，單位為平方米(6.4磁性能測定5N?——初級繞組的匝數(shù)；流而言數(shù)值偏低。測定磁場強度峰值的另一種方法是使用校準(zhǔn)過的峰值電流表或峰值電壓表和一無感應(yīng)用經(jīng)過校準(zhǔn)的平均值電壓表(見圖2)或數(shù)字采樣器(見圖3)測量次級電壓修正平均值，應(yīng)由和試樣與次級繞組橫截面積的比值。磁通密度峰值的修μo——磁性常數(shù)，單位為亨利每米(H/m),μo=4π×10-?H/m;H——磁場強度有效值，單位為安培每米(A/m67用功率表法測量比總損耗的頻率下進行測量。比總損耗的測量應(yīng)在正弦磁通密度的條件下進行。對某些試樣，可通過模擬或數(shù)字技術(shù)的方法控制次級感應(yīng)電壓的波形(見附錄E),以確保維持磁通密度的正弦波形。裝置與試樣上的繞組應(yīng)按圖2的電路進行連接。圖2傳統(tǒng)模擬功率表法的電路示意圖(也可表示數(shù)字功率表法的測量原理)對數(shù)字采樣技術(shù)，圖3給出了一種可行的電路結(jié)構(gòu)示例。此時，數(shù)字控制器配合支持軟件起到圖27UU?()D0)以0)以圖3采用數(shù)字采樣技術(shù)的功率表法的電路示意圖7.2電壓測量7.2.1平均電壓表應(yīng)使用經(jīng)校準(zhǔn)的平均值電壓表或數(shù)字控制器測量次級感應(yīng)電壓整流后的平均值(見圖2和圖3)。次級回路中的負(fù)載應(yīng)足夠小(見附錄C),因而要求使用具有高輸入阻抗(通常大于1MΩ)的數(shù)字電壓表(準(zhǔn)確度為士0.5%或更優(yōu))或數(shù)字控制器。7.2.2有效值電壓表應(yīng)使用經(jīng)校準(zhǔn)的有效值電壓表或數(shù)字控制器測量次級電壓有效值(見圖2和圖3)。次級回路中的負(fù)載應(yīng)足夠小(見附錄C),因而要求使用具有高輸入阻抗(通常大于1MΩ)的數(shù)字電壓表(準(zhǔn)確度為士0.5%或更優(yōu))或數(shù)字控制器。7.3功率測量應(yīng)使用經(jīng)校準(zhǔn)的與電路相匹配的低功率系數(shù)(通常cosφ低至0.01,要求高時cosφ低至0.005)的功率表(準(zhǔn)確度為士0.5%或更優(yōu))或數(shù)字控制器測量功率(見圖2和圖3),其電壓回路的輸入阻抗宜足夠高(直流電阻為50Ω/V以上，并至少為其電抗的5000倍，見附錄C)。7.4比總損耗的測量程序試樣應(yīng)按照6.4.1進行退磁。然后增大磁化繞組的電流，直到顯示整流后的平均電壓的電壓表的電壓值與由公式(7)計算得出的磁通密度相對應(yīng)。8功率表測得的功率(Pm)包含了次級回路中儀表消耗的功率，由于次級感應(yīng)電壓基本上是正弦的，其一次近似值等于Ui/R?！瓤倱p耗測量的再現(xiàn)性：通過相對標(biāo)準(zhǔn)偏差表示為3%;——幅值磁導(dǎo)率測量的再現(xiàn)性：通過相對標(biāo)準(zhǔn)偏差表示為4%;注2:對相關(guān)測量過程分析并對測量結(jié)果的不確定度的不同影響因素予以識別和評估，將有利于測量結(jié)果的應(yīng)用。9測試報告c)試樣上的初級磁化繞組和次級繞組的匝數(shù)；g)環(huán)境溫度；91)測量結(jié)果和(適用時)相關(guān)不確定度。本文件的章條編號原因1IEC已有修改建議增加可用于電工鋼，非晶及納米晶軟磁合金由GB/T19346.1覆蓋3用規(guī)范性引用的GB/T2900.60替換了I用規(guī)范性引用的GB/T9637替換了IEC60050(221)以適應(yīng)我國的技術(shù)條件IEC原文的表述不能理解為原理第4段，將內(nèi)阻技術(shù)要求“并聯(lián)90pF～150pF時的典型值大于1MQ”修改為“并聯(lián)5pF～20pF時的典型值大于1MQ”1MQ(90pF～150pF)中電容太大，在100kHz時，1MQ(100pF)使輸入阻抗下降到了15.67kQ,用規(guī)范性引用的GB/T3655替換了I以適用我國技術(shù)條件8刪除不確定度，給出測量結(jié)果對應(yīng)的再現(xiàn)性指標(biāo)，增強標(biāo)準(zhǔn)的可操作性，IEC第8章修改為再現(xiàn)性，因此不涉及ISO/IECGuide98-3相關(guān)內(nèi)容9增加a);1)增加“適用時”(資料性)磁性測量設(shè)備校準(zhǔn)方案B.1概述本文件的再現(xiàn)性驗證以及更高準(zhǔn)確度的測量要求均依賴于磁性測量設(shè)備的校準(zhǔn)，通常校準(zhǔn)包含以下內(nèi)容：b)磁性能參數(shù)的校準(zhǔn)。本附錄推薦應(yīng)用頻率范圍為20Hz～20kHz。對高于20kHz頻率的情況可參照本附錄，但注意其他因素對結(jié)果的影響。B.2基本電參量的校準(zhǔn)使用穩(wěn)定的功率源，為被校磁性測量設(shè)備提供電壓、電流和功率信號，將功率分析儀接入測量電路得到標(biāo)準(zhǔn)電參量值，與被校磁性測量設(shè)備的相應(yīng)電參量示值進行比較，完成基本電參量的校準(zhǔn)，并符合6.2、7.2和7.3的要求，校準(zhǔn)線路示意圖如圖B.1所示。2131圖B.1基本電參量的校準(zhǔn)線路示意圖基本電參量的校準(zhǔn)需注意：a)校準(zhǔn)范圍需覆蓋被校磁性測量設(shè)備的頻率與相位范圍以及所有的電壓和電流量程，對功率而期穩(wěn)定度(每分鐘)需優(yōu)于被校磁性測量設(shè)備的最大允許誤差絕對值的1/10;度)不大于被校磁性測量設(shè)備最大允許誤差絕對值的1/3;由于磁性測量設(shè)備測量的磁性能參數(shù)是由測量得到的電參量及樣品參數(shù)通分磁性測量設(shè)備的電源輸出端鈕(接初級繞組)因未預(yù)留作為電流輸入的專磁性能參數(shù)的校準(zhǔn)線路示意圖如圖B.2所示。2I?標(biāo)引序號和標(biāo)引符號說明：2——功率分析儀；Hi——高端；Lo——低端；I?——初級電流；U?——次級電壓。(資料性)C.1概述a)試樣上的初級繞組和次級繞組間形成的繞線間電容，c)測量儀器輸入電路的電容和電阻，d)次級繞組絕緣材料的介電損耗。C.2減小附加損耗(資料性)D.1概述即將次級感應(yīng)電壓U?(t)和與初級線圈串聯(lián)的無感精密電阻兩端的電壓U?(t)數(shù)字化，通過演算這些數(shù)據(jù)測定試樣的磁性能(見圖3)。為此，這些電壓的瞬時值uz;和u1;(j為采樣序列值下標(biāo)),被采樣保持電路在一個窄小和等距的時本文件正文所描述的測量程序中應(yīng)用。由于快速采樣保存電子技術(shù)的發(fā)展，這是可以實現(xiàn)的。圖2的電路圖同樣適用于模擬方法和數(shù)字采樣技術(shù)；圖3所示的數(shù)字采樣技術(shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集裝置和軟件組合系統(tǒng)可實現(xiàn)圖1和圖2中所有測量儀器的功能。次級感應(yīng)電壓正弦波的控制也可通過數(shù)字方法實本附錄有助于理解本文件采用的數(shù)字采樣技術(shù)對所能達到的精度的影響。這對于用常規(guī)的ADC電路、瞬態(tài)記錄儀和支持軟件構(gòu)建可行的數(shù)字采樣的功率表而言是很重要的。數(shù)字采樣技術(shù)可提供較D.2技術(shù)細(xì)節(jié)和要求數(shù)字采樣法的原理是用有限時間間隔(△t)替代無限小的時間間隔(dt)對電壓進行離散取值，見n——一個周期內(nèi)瞬時值的采樣數(shù)；試樣上的繞組與測量裝置數(shù)字元器件的連接見圖3。電源通常由一個計算機控制的數(shù)字信號發(fā)生器和一個功率放大器組成。宜在數(shù)字信號發(fā)生器和功率放大器之間連接一個低通濾波器，防止對數(shù)字控制器的干擾信號。數(shù)字控制器通常為經(jīng)過校準(zhǔn)的功率分析儀或由計算機控制的經(jīng)校準(zhǔn)的數(shù)字采集系統(tǒng)。數(shù)字控制器宜具有高輸入阻抗(在并聯(lián)90pF~150pF電容時通常大于1MQ),避免對次級電路構(gòu)成負(fù)載。數(shù)字控制器的采樣時鐘宜與數(shù)字信號發(fā)生數(shù)字控制器將無感精密電阻上的電壓和次級繞組的感應(yīng)電壓同時數(shù)字化，分別得到瞬時值umi;和um?;。um;和um?;宜分別用系和進行修正，以補償儀器測量電路中的電阻產(chǎn)生的電壓計算機分別將一個磁化周期內(nèi)的ui,和u?,的數(shù)據(jù)列重組成數(shù)字信號電壓U?(t)和U?(次級感應(yīng)電壓[U?(t)]的空氣磁通補…………(D.4)B(t)——與時間相關(guān)的磁通密度，單位為特斯拉(T);N?——初級繞組的匝數(shù)；N?——次級繞組的匝數(shù)；j瞬時值的采樣序數(shù)；下以足夠快的數(shù)字乘法器和加法器進行實時處理。只有當(dāng)采樣頻率f,和勵磁頻率f是由一個共用的用128個點進行掃描采樣，即可有足夠的精度(1000Hz以上，每周期采樣64個點即可)。根據(jù)香農(nóng)定情況下，采樣頻率需大大提高(每周期采樣500個點或更高),以保持真實周期時長與最接近的采樣點時間的偏差較小。在較高頻率下宜用合理的較低頻率采樣，滿足奈奎斯特條件是必要的。建議使用抗混于高硅含量的無取向材料。因此，推薦采用給定幅值至少12位的分辨率。此外，兩個傳輸信號的電壓規(guī)定的功率測量的不確定度不超限(即小于0.5%)。功率因數(shù)[cos(φ)]越低，相移的影響就越大(φ是兩個電壓信號的基波分量之間的相位差)。信號調(diào)節(jié)放大器優(yōu)先采用直流耦合，以避免低頻相移。但是，信號調(diào)節(jié)放大器中的直流偏置可導(dǎo)致數(shù)字計算結(jié)果的顯著誤差?？捎脭?shù)字矯正補償去除此直流D.3校準(zhǔn)本文件的再現(xiàn)性驗證要求對測量設(shè)備進行仔細(xì)校準(zhǔn)。使用溯源至國家標(biāo)置放大器和ADC的兩個電壓通道進行校準(zhǔn)[]。將標(biāo)準(zhǔn)AC電壓源與兩輸入電壓通道相連，每個通道的幅值、通道間的相位差以及頻率響應(yīng)宜進行校驗。兩通道的校驗用計算機進行處理。相移隨頻率升高而增大。相移足夠小才能確保功率測量的不確定度滿足相關(guān)方的D.4數(shù)字空氣磁通補償U?(t)———無感精密電阻R。兩端的電壓(見圖3),單位為伏特(V);補償系數(shù)可通過以下方式調(diào)整得到，即在環(huán)形試樣盒中沒有試樣的情況下組，確保電壓補償值不超過未補償?shù)沫h(huán)形試樣盒上次級繞組電壓的0.1%。(資料性)為了實現(xiàn)數(shù)字控制法，假設(shè)時間函數(shù)B(t)和H(t)構(gòu)成了表示磁滯回線B(H)的參數(shù)。在此假設(shè)條件下，可由磁化電路的電流與時間相關(guān)的函數(shù)[即H(t)]自動確定函數(shù)B(t)。用一臺由計算機控制的任意波形發(fā)生器提供所需的函數(shù)H(t)。設(shè)計一個逐次逼近的迭代方法，在每第i步中動態(tài)的B(H)關(guān)系被實際的函數(shù)B?(t)和H?(t)更新一次，并被用于計算第i+1步的函數(shù)H?+1(t)。一旦次級感應(yīng)電壓達到預(yù)定的波形因數(shù)值1.111(允許偏差為士1%以內(nèi)),迭代就可以被此計算出的H(t)函數(shù)需轉(zhuǎn)化成一個函數(shù)Ug(t),并饋入到任意波形發(fā)生器中。Ug(t)與H(t)=如果試樣與磁化繞組之間的空氣間隙的影響不能忽略，則式(E.1)中宜包含附加項[4]GB/T28869.1軟磁材料制成的磁心測量方法第1部分：通用規(guī)范[5]DEWULF,M.andMELKEBEEK,J.,Ontheadvantaquisition