GB∕ T 3658-2022 软磁金属材料和粉末冶金材料20Hz～100kHz频率范围磁性能的环形试样测量方法

代替GB/T3658—2008软磁金属材料和粉末冶金材料MethodsofmeasurementofthemagneticpropertiesofmagneticallysoftPart6:Methodsofmeasurementofthemagneticpropertiesofmagneticallysoft国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会I Ⅲ 1 1 1 14.1环形试样方法原理 1 14.3绕组 25温度测量 2 3 3 3 4 46.4.1磁场强度峰值的测定 46.4.2磁通密度峰值的测定 56.4.3有效幅值磁导率和相对幅值磁导率的测定 56.4.4磁化曲线的测定 6 6 6 77.2.1平均电压表 77.2.2有效值电压表 77.3功率测量 77.4比总损耗的测量程序 77.5比总损耗的测定 8 8 8附录A(资料性)本文件与IEC60404-6:2018技术差异及其原因 附录C(资料性)为使附加损耗降至最低而对绕组和所用仪器的要求 附录D(资料性)用于磁性能测定和空气磁通补偿的数字采样技术 附录E(资料性)正弦波形的数字控制法 20Ⅲa)材料范围增加了电工钢(见第1章);本文件修改采用IEC60404-6:2018《磁性材料第6部分：软磁——附录C对应IEC60404-6:2018中的附录A;——附录D对应IEC60404-6:2018中的附录B;——附录E对应IEC60404-6:——删除了IEC60404-6:2018中7.2.1的注1; 1本文件规定了除铁氧体以外的软磁材料在20Hz～100kHz频率范围的交流磁性能测试方法。本文件涉及的材料包括电工钢、铸件和软磁复本文件旨在明确用环形试样测试软磁材料磁性能的通则和技术细节。对于粉末状材料，通过适当软磁材料的直流磁性能的环形试样测量方法见GB/T13012;软磁元件的磁特性测定见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可少的条款。其中，注日期的引用文GB/T2900.60电工术语电磁学[GB/T2900.60—2002,eqvIEC60050(121):1998]GB/T3655用爱泼斯坦方圈测量电工钢带(片)磁性能的方法(GB/T3655—2022,IEC60404-2:GB/T9637电工术语磁性材料与元件[GB/T9637—2001,eqvIEC60050(221):1990]3术语和定义GB/T2900.60和GB/T9637界定的术语和定义适用于本文件。通过环形试样构建的闭合磁路和绕在其上的两个绕组形成一个空载的变压a)薄带或线材绕成时钟弹簧型的铁芯；2所有类型的试样宜去除毛刺和锐边后再进行热处理。宜将试样装在可拆成两部分的非导磁的环形环形试样的外径与内径之比应不大于1.4,宜小于1.25,以确保试样充分均匀地磁化。d——试样的内径，单位为米(m);的并经过校准的仪器称量试样，称量准确度应为±0.1%或更优，密度应为由生产方提供的材料约定密p——材料的密度，单位为千克每立方米(kg/m³)。4.3绕组试样上绕有一初级绕组和一次级绕组(见附录C)。绕组的匝数取决于所使用的测量设备和方法。次级绕组应紧密地绕在试样上，以减小绕组下空气间隙的影响。所有绕组应均匀地绕在试样的应注意确保在绕线过程中不要损坏电线的绝缘，避免绕线与试样短路。应采用合适的绝缘电阻测5温度测量当对试样的表面温度有要求时，应在试样上黏附一个校准过的非磁性热电偶(如T型热电偶)进行3如果磁化后发现试样的温度随时间变化，应在达到供需双方商定的本文件涉及的环形试样测量方法通常在20Hz～100kHz的频率范围使用，更高的使用频率将受附录C)。设备应按图1的电路进行连接。测量正弦电流时，磁化绕组N₁宜串联一个无感精密电阻，确保磁化电路电阻至少大于10倍的试样磁化绕组N₁的阻抗。在测量过程中，交流电源的输出端电压和频率的各自偏差不应超过设定值的±0.2%,频率计的准确度以±0.1%或更优为宜。交流电源应与一个在测量频率范围内准确度为±0.2%或更优的无感精密电阻及试样的磁化绕组N₁串联，电阻两端连接一只高输入阻抗(通常大于1MΩ)准确度为±0.5%或次级电路包括两个与次级绕组N₂并联的电压表。其中一个电压表(V₂)测量有效值，另一个电压表(V₁)测量整流后的平均值，也可按照1.111倍换算得到。应使用高输入阻抗(通常大于1MΩ)准确度为士0.5%或更优的电压表。46.3次级电压和磁化电流的波形为1.111,在相对允差士1%内。对保持磁化电流为正弦波的情况，需要在磁在频率为20Hz～100kHz的范围内，次级感应电压的波形系数通过与次级绕组连接的两个具有高阻抗(并联5pF～20pF时的典型值大于1MΩ)的电压表测定。应用其中一个电压表测量电压的有j——复数符号；L——环形试样的初级绕组的有效电感，单A——试样的横截面积，单位为平方米(6.4磁性能测定5N₁——初级绕组的匝数；流而言数值偏低。测定磁场强度峰值的另一种方法是使用校准过的峰值电流表或峰值电压表和一无感应用经过校准的平均值电压表(见图2)或数字采样器(见图3)测量次级电压修正平均值，应由和试样与次级绕组横截面积的比值。磁通密度峰值的修μo——磁性常数，单位为亨利每米(H/m),μo=4π×10-⁷H/m;H——磁场强度有效值，单位为安培每米(A/m67用功率表法测量比总损耗的频率下进行测量。比总损耗的测量应在正弦磁通密度的条件下进行。对某些试样，可通过模拟或数字技术的方法控制次级感应电压的波形(见附录E),以确保维持磁通密度的正弦波形。装置与试样上的绕组应按图2的电路进行连接。图2传统模拟功率表法的电路示意图(也可表示数字功率表法的测量原理)对数字采样技术，图3给出了一种可行的电路结构示例。此时，数字控制器配合支持软件起到图27UU₂()D0)以0)以图3采用数字采样技术的功率表法的电路示意图7.2电压测量7.2.1平均电压表应使用经校准的平均值电压表或数字控制器测量次级感应电压整流后的平均值(见图2和图3)。次级回路中的负载应足够小(见附录C),因而要求使用具有高输入阻抗(通常大于1MΩ)的数字电压表(准确度为士0.5%或更优)或数字控制器。7.2.2有效值电压表应使用经校准的有效值电压表或数字控制器测量次级电压有效值(见图2和图3)。次级回路中的负载应足够小(见附录C),因而要求使用具有高输入阻抗(通常大于1MΩ)的数字电压表(准确度为士0.5%或更优)或数字控制器。7.3功率测量应使用经校准的与电路相匹配的低功率系数(通常cosφ低至0.01,要求高时cosφ低至0.005)的功率表(准确度为士0.5%或更优)或数字控制器测量功率(见图2和图3),其电压回路的输入阻抗宜足够高(直流电阻为50Ω/V以上，并至少为其电抗的5000倍，见附录C)。7.4比总损耗的测量程序试样应按照6.4.1进行退磁。然后增大磁化绕组的电流，直到显示整流后的平均电压的电压表的电压值与由公式(7)计算得出的磁通密度相对应。8功率表测得的功率(Pm)包含了次级回路中仪表消耗的功率，由于次级感应电压基本上是正弦的，其一次近似值等于Ui/R。——比总损耗测量的再现性：通过相对标准偏差表示为3%;——幅值磁导率测量的再现性：通过相对标准偏差表示为4%;注2:对相关测量过程分析并对测量结果的不确定度的不同影响因素予以识别和评估，将有利于测量结果的应用。9测试报告c)试样上的初级磁化绕组和次级绕组的匝数；g)环境温度；91)测量结果和(适用时)相关不确定度。本文件的章条编号原因1IEC已有修改建议增加可用于电工钢，非晶及纳米晶软磁合金由GB/T19346.1覆盖3用规范性引用的GB/T2900.60替换了I用规范性引用的GB/T9637替换了IEC60050(221)以适应我国的技术条件IEC原文的表述不能理解为原理第4段，将内阻技术要求“并联90pF～150pF时的典型值大于1MQ”修改为“并联5pF～20pF时的典型值大于1MQ”1MQ(90pF～150pF)中电容太大，在100kHz时，1MQ(100pF)使输入阻抗下降到了15.67kQ,用规范性引用的GB/T3655替换了I以适用我国技术条件8删除不确定度，给出测量结果对应的再现性指标，增强标准的可操作性，IEC第8章修改为再现性，因此不涉及ISO/IECGuide98-3相关内容9增加a);1)增加“适用时”(资料性)磁性测量设备校准方案B.1概述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，通常校准包含以下内容：b)磁性能参数的校准。本附录推荐应用频率范围为20Hz～20kHz。对高于20kHz频率的情况可参照本附录，但注意其他因素对结果的影响。B.2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、电流和功率信号，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6.2、7.2和7.3的要求，校准线路示意图如图B.1所示。2131图B.1基本电参量的校准线路示意图基本电参量的校准需注意：a)校准范围需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)需优于被校磁性测量设备的最大允许误差绝对值的1/10;度)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品参数通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磁性能参数的校准线路示意图如图B.2所示。2I₁标引序号和标引符号说明：2——功率分析仪；Hi——高端；Lo——低端；I₁——初级电流；U₂——次级电压。(资料性)C.1概述a)试样上的初级绕组和次级绕组间形成的绕线间电容，c)测量仪器输入电路的电容和电阻，d)次级绕组绝缘材料的介电损耗。C.2减小附加损耗(资料性)D.1概述即将次级感应电压U₂(t)和与初级线圈串联的无感精密电阻两端的电压U₁(t)数字化，通过演算这些数据测定试样的磁性能(见图3)。为此，这些电压的瞬时值uz;和u1;(j为采样序列值下标),被采样保持电路在一个窄小和等距的时本文件正文所描述的测量程序中应用。由于快速采样保存电子技术的发展，这是可以实现的。图2的电路图同样适用于模拟方法和数字采样技术；图3所示的数字采样技术对应的数据采集装置和软件组合系统可实现图1和图2中所有测量仪器的功能。次级感应电压正弦波的控制也可通过数字方法实本附录有助于理解本文件采用的数字采样技术对所能达到的精度的影响。这对于用常规的ADC电路、瞬态记录仪和支持软件构建可行的数字采样的功率表而言是很重要的。数字采样技术可提供较D.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，见n——一个周期内瞬时值的采样数；试样上的绕组与测量装置数字元器件的连接见图3。电源通常由一个计算机控制的数字信号发生器和一个功率放大器组成。宜在数字信号发生器和功率放大器之间连接一个低通滤波器，防止对数字控制器的干扰信号。数字控制器通常为经过校准的功率分析仪或由计算机控制的经校准的数字采集系统。数字控制器宜具有高输入阻抗(在并联90pF~150pF电容时通常大于1MQ),避免对次级电路构成负载。数字控制器的采样时钟宜与数字信号发生数字控制器将无感精密电阻上的电压和次级绕组的感应电压同时数字化，分别得到瞬时值umi;和um₂;。um;和um₂;宜分别用系和进行修正，以补偿仪器测量电路中的电阻产生的电压计算机分别将一个磁化周期内的ui,和u₂,的数据列重组成数字信号电压U₁(t)和U₂(次级感应电压[U₂(t)]的空气磁通补…………(D.4)B(t)——与时间相关的磁通密度，单位为特斯拉(T);N₁——初级绕组的匝数；N₂——次级绕组的匝数；j瞬时值的采样序数；下以足够快的数字乘法器和加法器进行实时处理。只有当采样频率f,和励磁频率f是由一个共用的用128个点进行扫描采样，即可有足够的精度(1000Hz以上，每周期采样64个点即可)。根据香农定情况下，采样频率需大大提高(每周期采样500个点或更高),以保持真实周期时长与最接近的采样点时间的偏差较小。在较高频率下宜用合理的较低频率采样，满足奈奎斯特条件是必要的。建议使用抗混于高硅含量的无取向材料。因此，推荐采用给定幅值至少12位的分辨率。此外，两个传输信号的电压规定的功率测量的不确定度不超限(即小于0.5%)。功率因数[cos(φ)]越低，相移的影响就越大(φ是两个电压信号的基波分量之间的相位差)。信号调节放大器优先采用直流耦合，以避免低频相移。但是，信号调节放大器中的直流偏置可导致数字计算结果的显著误差。可用数字矫正补偿去除此直流D.3校准本文件的再现性验证要求对测量设备进行仔细校准。使用溯源至国家标置放大器和ADC的两个电压通道进行校准[]。将标准AC电压源与两输入电压通道相连，每个通道的幅值、通道间的相位差以及频率响应宜进行校验。两通道的校验用计算机进行处理。相移随频率升高而增大。相移足够小才能确保功率测量的不确定度满足相关方的D.4数字空气磁通补偿U₁(t)———无感精密电阻R。两端的电压(见图3),单位为伏特(V);补偿系数可通过以下方式调整得到，即在环形试样盒中没有试样的情况下组，确保电压补偿值不超过未补偿的环形试样盒上次级绕组电压的0.1%。(资料性)为了实现数字控制法，假设时间函数B(t)和H(t)构成了表示磁滞回线B(H)的参数。在此假设条件下，可由磁化电路的电流与时间相关的函数[即H(t)]自动确定函数B(t)。用一台由计算机控制的任意波形发生器提供所需的函数H(t)。设计一个逐次逼近的迭代方法，在每第i步中动态的B(H)关系被实际的函数B₁(t)和H₁(t)更新一次，并被用于计算第i+1步的函数H₁+1(t)。一旦次级感应电压达到预定的波形因数值1.111(允许偏差为士1%以内),迭代就可以被此计算出的H(t)函数需转化成一个函数Ug(t),并馈入到任意波形发生器中。Ug(t)与H(t)=如果试样与磁化绕组之间的空气间隙的影响不能忽略，则式(E.1)中宜包含附加项[4]GB/T28869.1软磁材料制成的磁心测量方法第1部分：通用规范[5]DEWULF,M.andMELKEBEEK,J.,Ontheadvantaquisition