鐵基非晶合金帶材的磁性能檢測方法研究*

吳雪，楊富堯，馬光，陳新

(全球能源互聯網研究院有限公司，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率非晶材料，其損耗小、效率高，已作為一種高效節能的新材料廣泛應用于配電變壓器領域，同時非晶合金的性能檢測評估技術也日益受到國內外學者及工程技術人員的高度重視。目前，鐵基非晶合金帶材的磁性能檢測方法尚未形成統一的國際標準，我國有相應的產品和檢測方法標準[1-2]但與日本標準JIS H7152-1996[3]不同，主要體現在測試頻率范圍50 Hz～400 Hz，國標采用環形試樣測試法，而日本則采用單片法，在頻率范圍400 Hz～1 MHz，日本也同樣采用環形試樣。此外，日本專家向國際電工委員會(IEC)磁性合金和鋼技術委員會(TC68)建議新增的檢測方法是采用單片H-coil法，我國也在新修訂的產品標準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量。盡管新檢測法提案還需要進一步研討，但與鐵基非晶合金帶材相關的磁性能檢測方法的研究仍然值得關注[4]。

文章通過介紹用于鐵基非晶合金帶材磁性能檢測的方法，闡述分析環形試樣法和單片法兩種檢測技術應用的優缺點，對兩種檢測方法相關損耗測量結果的關系進行對比分析，以期對關注非晶合金帶材磁性能檢測的技術人員在選擇合適的檢測技術方法時有所了解和幫助。

1 鐵基非晶合金帶材磁性能檢測方法

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

1.1 環形試樣法

環形試樣測試法，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，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，磁路長度等于2πr0(其中r0是平均半徑，r0=(re+ri)/2，ri是環形內半徑，re是環形外半徑)。

圖1 帶材卷繞圓環試樣

實際上，環形樣品距離理想情況相差很遠，即使在高磁導率情況下，磁通也不會完全集中在樣品內，而是在鐵心周圍存在著雜散磁場[5]，樣品中的磁場也不一致，而是在環形內徑附近最大，向外邊緣方向非線性減小。假設平均半徑為r0，r0處的磁場為H0，那么距離x處磁場強度Hx可以由式(1)確定：

(1)

內表面和外表面磁場強度分別為式(2)和式(3)：

(2)

(3)

標準[2]中建議的內徑為35 mm ±2 mm，且外徑與內徑比值要小于1.25。Grimmond，Ling和Moses等人[7-9]通過測量不同尺寸樣品的損耗、勵磁電流和導磁性等，證實了環形試樣的內外徑比值與內徑、高度等參數共同作用，影響最終的測量參數。

環形樣品測試法具有很多優點：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度，且磁化樣品所需的功率較小。缺點是線圈的制備非常麻煩，勵磁線圈需要均勻繞在整個圓環的周圍，且繞制后需要進行減壓和退火熱處理。環形鐵心從薄帶卷繞成螺旋狀時，磁通被限制在狹小的氣隙空間里，引起額外的磁通分量，從而產生額外的渦流損耗。樣品中還存著繞組間的電容耦合效應，即均勻切面纏繞的勵磁線圈可等效為假想的一個單匝圓形線圈，其與二次繞組的假想單匝線圈切面相耦合。因此，在實際測量中應采取額外的補償措施，特別是在高頻情況下(1 kHz及以上頻率)，建議可對勵磁線圈繞偶數層，即沿順時針和逆時針方向交叉繞制，以此來降低這種耦合效應。

基于上述存在的問題，盡管在中頻和高頻測試中，環形試樣測試法仍處于支配地位。但對于非晶合金帶材工頻磁性能的測量，環形試樣的測量方法受到了限制。

1.2 單片法

單片法，即采用一片樣品即可完成測試。相比于環形樣品冗長的制備過程，單片法具有很多顯而易見的優點：

(1)只需要很少的材料進行測試，避免了材料的浪費；

(2)方便測試材料的均勻性(包括局部測量)，可對許多樣品進行測量取平均值，結果具有統計性；

(3)可進行在線測試[10]；

(4)具有更高的測量準確度。

然而，單片樣品為開路式樣品，未形成閉合磁路，樣品很難磁化到高磁感應強度。因此，通常需要用外部磁軛對其進行閉合磁路處理。磁軛系統分為不對稱磁軛和對稱磁軛，圖2(a)為不對稱的磁軛，其更容易接近樣品，使測試更加簡化，但磁軛極上的額外渦流損耗引起的測量誤差較大，影響交流測量的精確度。對稱磁軛可對樣品進行對稱勵磁，使磁軛上下兩部分的渦流相互補償，如圖2(b)。

圖2 磁軛結構

單片測量法是將勵磁的一次繞組和二次繞組線圈都纏繞在樣品上，測量樣品的磁感應強度B時，通常需要準確確定樣品中磁通垂直穿過的面積。因為樣品厚度會在長度l范圍內變化，從樣品的質量m就可以計算平均面積，按照標準IEC 60404-2 推薦稱出樣品的質量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，就會引起測量B的誤差，此時整個磁通被分為樣品中的區域AFe和線圈中的區域Ac兩個部分：

φ=nAFeB+n(Ac-AFe)μ0H

(5)

(6)

因此，測量B線圈應盡可能接近樣品表面，且將B線圈纏繞在樣品的整個長度，從而減小由雜散或不均勻場引起的額外誤差。

單片法對于H的測量有兩種方法：電流法和H-coil法，二者主要區別在于對勵磁磁場的測量方法不同。電流法是根據安培定律，通過流經初級繞組的電流間接計算勵磁磁場[11]，H-coil法是通過放置在樣品表面附近的H線圈直接測量得到勵磁磁場。在閉合樣品中，近似確定平均磁路長度l，并由安培環路定律計算磁場強度H為：

(7)

式中 勵磁電流I和線圈匝數n1已知。

依據法拉第電磁感應定律確定磁感應強度B：

(8)

根據式(8)確定的B和H值均含有誤差，在推薦尺寸的環樣中，可假定l=πdav，在其他情況下，可能僅已知平均磁路長度l的近似值。因此，在測試中直接測量得到的磁場強度H會更可信，通常使用H線圈測量切向磁場分量[12]。

H形線圈(H-coil)，是測試磁場強度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應該盡量小，但厚度越小，靈敏度越低，可通過使用較細的導線在同樣區域內纏繞更多圈來增加靈敏度。

H-coil法主要優點是能夠直接測量磁場強度，避免了確定磁路長度帶來的難題；把傳感器放在樣品的中心部位，能減少樣品勵磁的不一致性。與電流法相比，H-coil法也存在不足：小信號易受到雜散磁場干擾，需要使用集成放大器，且測試結果的準確度取決于線圈與樣品表面的距離。

1987年Nakata[13]等提出，使用兩個或更多的H-coil測量磁場強度，來解決上述問題。圖3為雙H線圈的單片測試儀結構示意圖。假定這些線圈的距離已知，可采用外推法推斷被測樣品表面的結果，此方法亦可降低由不對稱磁軛渦流引起的誤差，提升測量磁場強度的準確性。

圖3 雙H線圈單片測試儀

圖4描述了試驗測定的樣品中磁場強度與材料表面距離之間近似的線性關系，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提高測量靈敏度[14]。

Abdallh等[15]的研究也證實了，使用兩個尺寸為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 最大靈敏度能達到3 μV/(A/m)。

2 環樣法和單片法測量結果對比

選取國內某廠家同一批次的非晶合金帶材，分別制成環形試樣和單片試樣，依據國標GB/T 19346.1-2017《非晶納米晶合金測試方法第1部分：環形試樣交流磁性能》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中推薦的測試方法，進行對比測試分析。

圖4 磁化樣品的磁場強度與H線圈距樣品表面的距離關系[14]

環形試樣內徑200 mm、外徑230 mm，高30 mm，稱取質量后裝入由非鐵磁性絕緣材料制成的保護盒中，繞組均勻繞制后進行測試，試樣如圖5所示。

圖5 非晶環形試樣

單片試樣(見圖6)寬度142 mm，長度265 mm，表面平直無明顯毛刺或變形，在保護氣氛中進行熱處理后，稱重進行測試。

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

圖6 非晶單片試樣

圖7 環樣法與單片法的鐵損測試平均值對比

圖8、圖9分別為環樣法和單片法測試50 Hz頻率下，工作磁密點在1.3T時的鐵損測量結果統計直方圖。統計結果總體上呈正態分布，環樣法測試結果90%集中在0.22～0.24 W/kg，平均值P1.3/50=0.231 8 W/kg，樣品性能波動小，這是因為環形試樣為帶材多層卷繞，取樣范圍廣，測量結果為環樣帶材的整體平均值，局部差異體現不明顯，樣品間個體差異性小，性能較為平均。

圖8 環形試樣損耗測試結果統計直方圖

圖9 單片試樣損耗測試結果統計直方圖

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

3 配電變壓器鐵心模型試驗驗證

根據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，鐵心模型為具有實際指導意義的等比例縮小實物模型，鐵心模型如圖10所示。

圖10 非晶合金鐵心模型圖

鐵心模型的空載實驗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繞組，低壓繞組作為測量繞組，通過測量勵磁繞組(高壓繞組)電流I1與測量繞組(低壓繞組)電壓U2的方法實現變壓器鐵損的精確測量，所測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 空載實驗電路連接圖

鐵心模型測得的試驗結果與非晶合金帶材單片法和環形試樣法測得的結果對比如圖12所示。從圖中明顯看出，低磁密下，環形試樣法與單片法測試結果相差不大，單片法略低，單片法與鐵心模型測試結果基本一致；磁密增加到0.9 T以上，環形試樣法與鐵心模型試驗結果吻合，均高于單片試樣法測試結果，更符合非晶合金配電變壓器的實際工作狀態，因此，若要模擬評價變壓器運行狀況，可采用環形試樣法。

圖12 單片法和環樣法與鐵心模型測試結果

4 結束語

鐵基非晶合金帶材作為一種高效節能的新材料廣泛應用于配電變壓器領域，相應的非晶合金帶材的性能測試技術也受到廣泛關注。目前，對于非晶合金帶材的工頻磁性能測量，國內外主要有環樣法和單片法兩種不同的檢測技術。

(1)環樣法測試試樣由帶材直接卷繞成圓環，測試得到整個環形試樣的平均值，性能波動較小，但樣品局部差異體現不明顯；環形試樣制備過程繁冗，勵磁線圈繞制麻煩，且樣品中的磁場不均勻，磁路長度的確定受制于環樣的內外半徑比值；

(2)單片法制備樣品方便簡單，只需要很少材料即可進行測試，可取帶材任意部位單片試樣進行對比測試分析，結果更能反應帶材的局部差異性；單片H-coil法能直接測量磁場強度，避免了確定磁路長度帶來的的難題，測試結果更加準確；

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