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取向電工鋼，特別是磁疇細(xì)化類產(chǎn)品，其比總損耗、磁極化強(qiáng)度等磁性能指標(biāo)的測(cè)量只能采用單片測(cè)量(Single Sheet Test，SST)方法，但是該方法存在明顯缺陷，即SST試樣與單片磁導(dǎo)計(jì)上下磁軛間構(gòu)成了磁測(cè)量回路，磁軛作為勵(lì)磁的一部分，會(huì)產(chǎn)生額外鐵芯損耗，導(dǎo)致整個(gè)磁測(cè)量回路的損耗偏高，不能準(zhǔn)確反映產(chǎn)品本身的磁性能指標(biāo)。伴隨著制造技術(shù)及測(cè)量科學(xué)的發(fā)展，如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)取向電工鋼的交流磁性能指標(biāo)也成為了電工鋼行業(yè)的重要課題。因此，筆者從電工鋼單片測(cè)量方法的發(fā)展和原理出發(fā)，對(duì)比分析研究了SST(92)法(勵(lì)磁電流法)和H線圈法兩種單片測(cè)量方法的偏差。

 

單片測(cè)量方法的歷史沿革

 

1982年，國(guó)際電工委員會(huì)(International Electrotechnical Commission，IEC )發(fā)布了82版單片測(cè)量方法，即IEC 404-3：1982«用單片測(cè)試儀測(cè)量磁性鋼片和鋼帶比總損耗的方法»，簡(jiǎn)稱SST(82)法。

 

1992年，由中華人民共和國(guó)冶金工業(yè)部提出，等效采用IEC 404-3：1982，制定并發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13789－1992«單片電工鋼片(帶)磁性能測(cè)量方法»。

 

1992年，國(guó)際電工委員會(huì)對(duì)IEC 404-3：1982單片測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，并發(fā)布了92版單片測(cè)量方法，即IEC 60404-3：1992。該標(biāo)準(zhǔn)方法分別在2002年和2009年進(jìn)行了兩次修訂，并發(fā)布了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱SST(92)法。

 

2008年，由寶山鋼鐵股份有限公司負(fù)責(zé)起草，等同采用IEC 60404-3：2002，制訂并發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13789－2008«用單片測(cè)試儀測(cè)量電工鋼片(帶)磁性能的方法»。

 

同期，作為一直占據(jù)全球電工鋼產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)地位的日本來(lái)說(shuō)，1996年，由日本標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)發(fā)布了JIS C2556－1996，標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)闡述了兩種單片測(cè)量方法：一種是勵(lì)磁電流法，與SST(92)法相當(dāng)；另一種是H線圈法。但是，受制于設(shè)備制造能力及微弱信號(hào)采集技術(shù)的影響，H線圈法并沒(méi)有在全球范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)可。2015年3月，日本標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)對(duì)JIS C2556－1996進(jìn)行了修訂，主體上沿用了SST(92)法，同時(shí)將H線圈法歸入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范性附錄。

 

2017年10月，在國(guó)際電工鋼協(xié)會(huì)巴黎會(huì)議上，部分電工鋼使用企業(yè)巨頭，例如ABB，Alstom等，也是國(guó)內(nèi)取向硅鋼的重要用戶，提出SST(92)法的測(cè)量結(jié)果普遍偏高，加上日本專家持續(xù)十幾年地推動(dòng)H線圈法，導(dǎo)致國(guó)際電工委員會(huì)在單片測(cè)量方法的權(quán)衡上有了松動(dòng)。同時(shí)，會(huì)議上達(dá)成共識(shí)，使用SST(92)法的測(cè)量結(jié)果，可以乘以轉(zhuǎn)換因子，轉(zhuǎn)換因子在0.925左右。

 

2018年10月，由國(guó)家硅鋼工程技術(shù)中心起草的國(guó)家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T XXXXX－201X«特高壓變壓器用冷軋取向電工鋼帶»，首次將轉(zhuǎn)換因子納入測(cè)量方法推薦要求，并根據(jù)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的實(shí)際情況，將轉(zhuǎn)換因子定義為0.95。

 

兩種單片測(cè)量方法間的差異

 

SST(92)法又稱為勵(lì)磁電流法，其主要原理是指通過(guò)勵(lì)磁電流I換算磁場(chǎng)強(qiáng)度H，計(jì)算公式見式(1)，試驗(yàn)片作為磁路的一部分，在其既定長(zhǎng)度(有效磁路長(zhǎng)度)lm下，磁場(chǎng)強(qiáng)度H是一樣的，其他磁路假設(shè)磁場(chǎng)強(qiáng)度為零，這是一種間接測(cè)量方法。

式中：N1為磁導(dǎo)計(jì)初級(jí)線圈匝數(shù)。

 

在SST(92)法中，有效磁路長(zhǎng)度的定義有兩種方式：一是統(tǒng)一約定為450mm；二是采用Epstein方圈測(cè)量結(jié)果溯源單片磁軛的有效磁路長(zhǎng)度，這種方式只在某些國(guó)家或地區(qū)內(nèi)部適用。

 

GB/T 13789－2008在等同采用IEC 60404-3：2002時(shí)，只是定義了有效磁路長(zhǎng)度的兩種方式，但沒(méi)有明確當(dāng)兩者發(fā)生沖突時(shí)，如何保證測(cè)量結(jié)果的唯一性，這也給國(guó)內(nèi)取向電工鋼樣品的單片測(cè)量埋下了隱患。

 

H線圈法是一種直接測(cè)量方法，在靠近試驗(yàn)片表面位置放置檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的空心線圈H，通過(guò)其感應(yīng)電壓U來(lái)控制磁場(chǎng)強(qiáng)度H，其計(jì)算公式見式(2)。該方法只用于單片SST測(cè)量，H線圈一般以單側(cè)線圈或線圈對(duì)的形式存在，與勵(lì)磁電流法的主要區(qū)別就是H線圈法不用約定有效磁路長(zhǎng)度。

式中：τ為積分器的時(shí)間常數(shù)，s；μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0＝4π×10-7H·m-1；NHAH為H線圈的實(shí)際有效面積，m2，應(yīng)通過(guò)校準(zhǔn)得到，將H線圈放入螺線管線圈中，在其產(chǎn)生的均勻磁場(chǎng)中校準(zhǔn)；αH為H線圈電路中增幅器的增幅率；U為次級(jí)感應(yīng)電壓。

 

SST(92)法將有效磁路長(zhǎng)度統(tǒng)一為450mm，主要原因是：經(jīng)國(guó)際實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)，SST(92)法的測(cè)量再現(xiàn)性較SST(82)法的小，區(qū)別在于SST(82)法用Epstein方圈溯源單片磁軛有效磁路長(zhǎng)度時(shí)，不同實(shí)驗(yàn)室間單片磁軛的選材、制作等均不一致，導(dǎo)致磁路長(zhǎng)度設(shè)定偏差較大，可能在470~480mm波動(dòng)，也因?yàn)槿绱耍琒ST(92)法測(cè)量的比總損耗結(jié)果較SST(82)法的高5.03％左右，磁極化強(qiáng)度低0.38％左右。

 

基于SST(92)法與SST(82)法間的差異，目前有兩種解決方案：一是修訂國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13789，在標(biāo)準(zhǔn)中引入轉(zhuǎn)換因子，這種方法的缺點(diǎn)是目前沒(méi)有統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換因子定義，不同國(guó)家基于自身產(chǎn)品特點(diǎn)，定義的轉(zhuǎn)換因子可能不一致，不利于國(guó)際實(shí)驗(yàn)室間測(cè)量結(jié)果的一致性比較；二是在現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)上，早日實(shí)現(xiàn)H線圈法的應(yīng)用。

 

H線圈法的實(shí)現(xiàn)

 

2016年，由武漢鋼鐵有限公司申請(qǐng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制訂計(jì)劃20161854-T-605“電工鋼單片磁性能測(cè)試———H線圈法”立項(xiàng)，在長(zhǎng)沙天恒測(cè)控技術(shù)有限公司的支撐下，經(jīng)過(guò)兩年的研究，該標(biāo)準(zhǔn)將于2019年發(fā)布實(shí)施。

 

H線圈法的測(cè)量原理是：將電工鋼試樣放置于兩個(gè)線圈內(nèi)，即外部的初級(jí)線圈繞組(勵(lì)磁繞組)和內(nèi)部的次級(jí)線圈繞組(感應(yīng)電壓繞組，又稱為“B線圈”)。同時(shí)，在靠近試樣下表面的位置還安裝了一個(gè)H線圈，用于檢測(cè)試樣表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度。線圈繞組的構(gòu)造如圖1所示。

 

圖1 磁軛繞組示意圖

 

勵(lì)磁線圈、H線圈和B線圈應(yīng)從各自線圈架的同一端開始纏繞，且繞線方向應(yīng)相同。H線圈是由4個(gè)線圈串聯(lián)構(gòu)成的，每個(gè)線圈是用直徑0.2mm的銅線在長(zhǎng)度(250±1)mm、寬度(85±0.2)mm、厚度(1±0.1)mm的板狀不導(dǎo)電的非磁性材料上連續(xù)、均勻、緊密纏繞成(200±0.2)mm的一層而成。試樣與U型上、下雙磁軛構(gòu)成封閉的磁場(chǎng)回路，磁軛的橫截面積比試樣的橫截面積要大得多，如圖1所示，通過(guò)探測(cè)H線圈上的感應(yīng)電勢(shì)來(lái)獲得磁場(chǎng)強(qiáng)度，再通過(guò)次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)獲取磁通密度即可測(cè)量試樣的磁特性。

 

圖2 H線圈法測(cè)量原理示意圖

 

磁導(dǎo)計(jì)和繞組的連接如圖2所示，測(cè)量信號(hào)通過(guò)數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄波形、初級(jí)線圈兩端電壓U1(t)、次級(jí)線圈感應(yīng)電壓U2(t)、H線圈感應(yīng)電壓UH (t)。為了獲取完整的測(cè)量信息，UH (t)，U2(t)，U1(t)這幾組信號(hào)的采樣時(shí)間都應(yīng)該是磁化周期的整數(shù)倍。磁場(chǎng)強(qiáng)度H(t)、磁極化強(qiáng)度J(t)、比總損耗Ps和比視在功率Ss可由UH(t)和U2(t)計(jì)算得出。

 

H線圈法的測(cè)量結(jié)果

 

1、H線圈法與SST(92)法測(cè)量結(jié)果的比較

 

用單片磁導(dǎo)計(jì)，分別采用H線圈法(簡(jiǎn)稱“HC”法)和SST(92)法(GB/T 13789－2008推薦，簡(jiǎn)稱“MC”法)測(cè)量0.23，0.27，0.30mm厚度取向電工鋼試樣的交流磁性能，并給出了兩種方法測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)偏差。

 

對(duì)同一試樣，在同一臺(tái)交流磁性測(cè)試儀上，使用同一臺(tái)單片磁導(dǎo)計(jì)，分別采用SST(92)法(MC回路)及H線圈法(HC回路)進(jìn)行測(cè)試，在設(shè)定磁極化強(qiáng)度J＝1.0~1.9T的范圍內(nèi)，每間隔0.1T測(cè)試每個(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm、比總損耗Ps和比視在功率Ss，并以“MC”法為基準(zhǔn)，按以下公式計(jì)算“HC”法測(cè)量的各物理量相對(duì)“MC”法的變化率。

 

按照試樣厚度、刻痕狀態(tài)分組，繪制不同設(shè)定磁極化強(qiáng)度與兩種方法測(cè)量的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm、比總損耗Ps、比視在功率Ss的偏差ΔHm，ΔPs，ΔSs之間的關(guān)系圖。

 

圖3 不同設(shè)定磁極化強(qiáng)度J與兩種方法測(cè)量的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm偏差ΔHm的關(guān)系圖

 

如圖3所示，隨著設(shè)定磁極化強(qiáng)度的增加，兩種方法測(cè)量的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm的偏差ΔHm基本呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，在取向硅鋼常見的設(shè)定磁極化強(qiáng)度1.5~1.7T的范圍內(nèi)，“HC”法所需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度較“MC”法的低10％~30％，且試樣厚度和刻痕狀態(tài)對(duì)兩者之間的偏差均有貢獻(xiàn)。

 

圖4 不同設(shè)定磁極化強(qiáng)度J與兩種方法測(cè)量的比總損耗Ps偏差ΔPs的關(guān)系圖

 

如圖4所示，隨著設(shè)定磁極化強(qiáng)度的增加，兩種方法測(cè)量的比總損耗Ps的偏差ΔPs基本呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，在取向硅鋼常見的設(shè)定磁極化強(qiáng)度1.5~1.7T的范圍內(nèi)，“HC”法測(cè)量的比總損耗較“MC”法的低5％~8％，且試樣厚度和刻痕狀態(tài)對(duì)兩者之間的偏差均有貢獻(xiàn)。

 

圖5 不同設(shè)定磁極化強(qiáng)度J與兩種方法測(cè)量的比視在功率Ss偏差ΔSs的關(guān)系圖

 

如圖5所示，隨著設(shè)定磁極化強(qiáng)度的增加，兩種方法測(cè)量的比視在功率Ss的偏差ΔSs基本呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，在取向硅鋼常見的設(shè)定磁極化強(qiáng)度1.5~1.7T的范圍內(nèi)，“HC”法測(cè)量的比視在功率較“MC”法低的10％~20％，且試樣厚度和刻痕狀態(tài)對(duì)兩者之間的偏差均有貢獻(xiàn)。

 

2、測(cè)量結(jié)果分析

 

經(jīng)大量試驗(yàn)，使用H線圈法測(cè)量的比總損耗、勵(lì)磁功率等測(cè)量結(jié)果明顯低于使用SST(92)法測(cè)量的，該測(cè)量偏差與試樣材料、厚度、測(cè)量條件等顯著相關(guān)。通常情況下，在工頻和磁極化強(qiáng)度為1.5~1.7T條件下測(cè)量的取向硅鋼單片試樣的比總損耗低5％~8％，比視在功率低10％~20％。這主要是因?yàn)椴捎肏線圈直接測(cè)量電工鋼帶(片)單片試樣的磁極化強(qiáng)度，不再需要約定有效磁路長(zhǎng)度，消除了約定有效磁路長(zhǎng)度所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，因而測(cè)量的比總損耗值更接近于真實(shí)值。而SST(92)法是在約定的有效磁路長(zhǎng)度下，調(diào)整次級(jí)線圈電壓使待測(cè)試樣達(dá)到規(guī)定的磁極化強(qiáng)度后測(cè)量的，這是一種間接測(cè)量方法。由于有效磁路長(zhǎng)度只是一個(gè)約定值，隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)有效磁路長(zhǎng)度會(huì)隨著單片磁導(dǎo)計(jì)的材料及制作工藝、試樣及測(cè)試條件等因素不斷變化，實(shí)際變化的有效磁路長(zhǎng)度與約定有效磁路長(zhǎng)度的偏差帶來(lái)了測(cè)量上的系統(tǒng)誤差，從而使測(cè)量結(jié)果偏離了真實(shí)值。

 

結(jié)論

 

(1)H線圈法用直接測(cè)量替代了SST(92)法的間接測(cè)量，消除了約定有效磁路長(zhǎng)度所帶來(lái)的測(cè)量系統(tǒng)誤差，因此相較于SST(92)法，H線圈法具有顯著的進(jìn)步，其測(cè)量結(jié)果更接近試樣的真實(shí)值。

 

(2)H線圈法和SST(92)法兩種方法的測(cè)量偏差與試樣材料、厚度、測(cè)量條件等都顯著相關(guān)，不是確定的。

 

作者：向前，高級(jí)工程師，武漢鋼鐵股份有限公司