測量單片磁導(dǎo)計(jì)等效磁路長度的研究

在IEC的標(biāo)準(zhǔn)中，愛波斯坦方圈法和單片磁導(dǎo)計(jì)法是兩種獨(dú)立有效的測量方法，它們的等效磁路長度都是約定的，并通過大量實(shí)驗(yàn)確定了這兩種測量方法所得數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系[1]。而在國標(biāo)中采用了約定愛波斯坦方圈法測量的等效磁路長度[2]，而未約定單片磁導(dǎo)計(jì)的等效磁路長度的做法[3]，使得單片磁導(dǎo)計(jì)的等效磁路長度成為一個(gè)受材料和人員操作等因素影響的參量，造成兩種測量方法得出的測量數(shù)據(jù)往往不一致，容易產(chǎn)生因測量方法不同而造成的材料品質(zhì)認(rèn)定糾紛。

按照國標(biāo)中磁導(dǎo)計(jì)法的等效磁路長度的確定方法，為了保證測量數(shù)據(jù)的一致，需要確定磁導(dǎo)計(jì)對不同材料型號，在不同磁極化強(qiáng)度測試點(diǎn)、不同頻率下的等效磁路長度，這不僅增加了用磁導(dǎo)計(jì)法測試的工作量，還使得磁導(dǎo)計(jì)測量法成為了一種依賴于愛波斯坦方圈法的測試方法，不能充分發(fā)揮單片磁導(dǎo)計(jì)測量無損檢測的優(yōu)點(diǎn)。

在IEC-60404標(biāo)準(zhǔn)中，給出了兩種測量方法數(shù)據(jù)等效的建議，在附錄B中給出了與國標(biāo)規(guī)定一致的磁導(dǎo)計(jì)等效磁路長度的修正辦法，對于只有一種測試方法的情況，附錄C給出了兩種測量結(jié)果的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，并且給出了比總損耗等參數(shù)的實(shí)驗(yàn)擬合公式。

本文采用測量磁場強(qiáng)度的辦法確定單片測試中的實(shí)際等效磁路長度，通過實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)與IEC-60404標(biāo)準(zhǔn)中的實(shí)驗(yàn)擬合公式對比，探討一種不依賴于愛波斯坦方圈法而又能使兩種測量方法測試數(shù)據(jù)統(tǒng)一的磁導(dǎo)計(jì)等效磁路長度的確定方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這一方法切實(shí)可行，可以大大簡化磁導(dǎo)計(jì)測量方法的操作，并提高磁導(dǎo)計(jì)的通用性。

2.等效磁路長度的測量原理

用磁導(dǎo)計(jì)測量單片電工鋼片的磁性能時(shí)，電工鋼片和磁軛以及勵(lì)磁線圈組成無載變壓器，假定Lm為等效磁路長度，根據(jù)安培環(huán)路定理，則有：

H•Lm= N1• I………………………………………(1)

由于勵(lì)磁線圈的匝數(shù)N1是確定的，勵(lì)磁電流I可以通過電流表測得，如果還能確定環(huán)路中的磁場強(qiáng)度H，則可以通過這個(gè)公式計(jì)算得到等效磁路長度Lm。

為了測得磁場強(qiáng)度H，在磁導(dǎo)計(jì)線圈骨架內(nèi)增加一組磁場強(qiáng)度H測試線圈，貼近被測試的電工鋼片，用平均值電壓表測得測試線圈的感應(yīng)電壓U，則可依據(jù)公式（2）計(jì)算得到磁場強(qiáng)度H。

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率，4π×10-7, H/m;

N2為磁場強(qiáng)度H測試線圈匝數(shù)；

F為測試頻率，Hz；

s為有效面積，m2

綜合(1)、(2)，等效磁路長度可由公式(3)確定。

本文研究等效磁路長度的測量，因此只需要根據(jù)比總損耗的修正關(guān)系就可以得到等效磁路長度修正關(guān)系。IEC-60404標(biāo)準(zhǔn)給出的比總損耗的修正關(guān)系如公式(4)所示：

式中：Pss為單片磁導(dǎo)計(jì)測量的比總損耗, W；

PSE為愛波斯坦方圈法測量的比總損耗, W；

IEC-60404中磁導(dǎo)計(jì)的等效磁路長度約定為0.45m，將測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到愛波斯坦方圈法，隨著J增大，增σP大，則意味著用磁導(dǎo)計(jì)的等效磁路長度減小，為了可以用等效磁路長度的變化來反映比總損耗的變化，根據(jù)σP的變化將σL歸一化到1.0T，則可以得到以下關(guān)系。

表1不同J值下的測量數(shù)據(jù)

由公式(3)，通過測量可以得到表1中各工作點(diǎn)的I/U關(guān)系，并將其歸一化到1.0T，如果歸一化結(jié)果與σL變化一致，則說明測量等效磁路長度的方法有效。

3.實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)原理如下圖所示，勵(lì)磁電源采用TD8510單片硅鋼測試系統(tǒng)，電源精度為0.01%，磁導(dǎo)計(jì)為500mm×500mm，H測量線圈匝數(shù)為300T，繞制在3mm厚的骨架上，骨架寬度為400mm。單片硅鋼為取向硅鋼標(biāo)準(zhǔn)樣品，在該磁導(dǎo)計(jì)上，當(dāng)硅鋼工作在1.0T時(shí)，磁導(dǎo)計(jì)測量線圈電壓為13.026V。

硅鋼片退磁后，調(diào)整勵(lì)磁電源，使硅鋼片工作在1.0T-1.8T，依次記錄各測試點(diǎn)的勵(lì)磁電流I和磁場測量線圈的平均值電壓U。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理如下表所示：

表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

4.實(shí)驗(yàn)分析

由于磁場感應(yīng)電壓很小，感應(yīng)電壓U的測量受信號信噪比低的影響，測量準(zhǔn)確度僅在1%左右，給測量結(jié)果造成了誤差，但是，通過對比實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果和根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)論推導(dǎo)出來的結(jié)果可以看出，反映等效磁路長度的I/U變化量與計(jì)算結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了通過測量磁場強(qiáng)度來確定等效磁路長度的方法有效。進(jìn)一步改善實(shí)驗(yàn)效果的措施包括增大磁場測量線圈面積和匝數(shù)，設(shè)計(jì)微弱信號的前置放大電路等。

5.結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)得出了反映磁導(dǎo)計(jì)等效磁路的I/U關(guān)系，并與IEC標(biāo)準(zhǔn)中兩種測量方法轉(zhuǎn)換關(guān)系得出的磁導(dǎo)計(jì)等效磁路長度變化的關(guān)系比較，得到了一致的結(jié)果，說明了測量磁導(dǎo)計(jì)等效磁路長度的可行性。通過進(jìn)一步的研究和實(shí)驗(yàn)，可以得到確定的H-Lm關(guān)系，則這種方法可以成為單片磁導(dǎo)計(jì)國標(biāo)的一個(gè)補(bǔ)充。采用這種方法，可以簡化單片磁導(dǎo)計(jì)確定等效磁路長度的實(shí)驗(yàn)，減少測試中材料的損耗，有利于電工鋼片測試標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

【1】IEC 60404-3Magnetic materials part 3 : Methods of measurement of the magnetic properties of magnetic sheet and strip by means of a single sheet tester

【2】GB／T 3655-2008用愛潑斯坦方圈測量電工鋼片(帶)磁性能的方法

【3】GB/T 13792-92單片電工鋼片（帶）磁性能測量方法