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(cè)量方法

代替GB/T3658—2008軟磁金屬材料和粉末冶金材料MethodsofmeasurementofthemagneticpropertiesofmagneticallysoftPart6:Methodsofmeasurementofthemagneticpropertiesofmagneticallysoft國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)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(cè)量 2 3 3 3 4 46.4.1磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值的測(cè)定 46.4.2磁通密度峰值的測(cè)定 56.4.3有效幅值磁導(dǎo)率和相對(duì)幅值磁導(dǎo)率的測(cè)定 56.4.4磁化曲線的測(cè)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(cè)量 77.4比總損耗的測(cè)量程序 77.5比總損耗的測(cè)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(duì)繞組和所用儀器的要求 附錄D(資料性)用于磁性能測(cè)定和空氣磁通補(bǔ)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(jiàn)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(duì)應(yīng)IEC60404-6:2018中的附錄A;——附錄D對(duì)應(yīng)IEC60404-6:2018中的附錄B;——附錄E對(duì)應(yīng)IEC60404-6:——?jiǎng)h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(cè)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(cè)試軟磁材料磁性能的通則和技術(shù)細(xì)節(jié)。對(duì)于粉末狀材料，通過(guò)適當(dāng)軟磁材料的直流磁性能的環(huán)形試樣測(cè)量方法見(jiàn)GB/T13012;軟磁元件的磁特性測(cè)定見(jiàn)下列文件中的內(nèi)容通過(guò)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(yǔ)電磁學(xué)[GB/T2900.60—2002,eqvIEC60050(121):1998]GB/T3655用愛(ài)潑斯坦方圈測(cè)量電工鋼帶(片)磁性能的方法(GB/T3655—2022,IEC60404-2:GB/T9637電工術(shù)語(yǔ)磁性材料與元件[GB/T9637—2001,eqvIEC60050(221):1990]3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T2900.60和GB/T9637界定的術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。通過(guò)環(huán)形試樣構(gòu)建的閉合磁路和繞在其上的兩個(gè)繞組形成一個(gè)空載的變壓a)薄帶或線材繞成時(shí)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(jìn)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(guò)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(jí)繞組和一次級(jí)繞組(見(jiàn)附錄C)。繞組的匝數(shù)取決于所使用的測(cè)量設(shè)備和方法。次級(jí)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(guò)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(cè)5溫度測(cè)量當(dāng)對(duì)試樣的表面溫度有要求時(shí)，應(yīng)在試樣上黏附一個(gè)校準(zhǔn)過(guò)的非磁性熱電偶(如T型熱電偶)進(jìn)行3如果磁化后發(fā)現(xiàn)試樣的溫度隨時(shí)間變化，應(yīng)在達(dá)到供需雙方商定的本文件涉及的環(huán)形試樣測(cè)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(jìn)行連接。測(cè)量正弦電流時(shí)，磁化繞組N?宜串聯(lián)一個(gè)無(wú)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(cè)量過(guò)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(guò)設(shè)定值的±0.2%,頻率計(jì)的準(zhǔn)確度以±0.1%或更優(yōu)為宜。交流電源應(yīng)與一個(gè)在測(cè)量頻率范圍內(nèi)準(zhǔn)確度為±0.2%或更優(yōu)的無(wú)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(jí)電路包括兩個(gè)與次級(jí)繞組N?并聯(lián)的電壓表。其中一個(gè)電壓表(V?)測(cè)量有效值，另一個(gè)電壓表(V?)測(cè)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(jí)電壓和磁化電流的波形為1.111,在相對(duì)允差士1%內(nèi)。對(duì)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(jí)感應(yīng)電壓的波形系數(shù)通過(guò)與次級(jí)繞組連接的兩個(gè)具有高阻抗(并聯(lián)5pF～20pF時(shí)的典型值大于1MΩ)的電壓表測(cè)定。應(yīng)用其中一個(gè)電壓表測(cè)量電壓的有j——復(fù)數(shù)符號(hào)；L——環(huán)形試樣的初級(jí)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(cè)定5N?——初級(jí)繞組的匝數(shù)；流而言數(shù)值偏低。測(cè)定磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值的另一種方法是使用校準(zhǔn)過(guò)的峰值電流表或峰值電壓表和一無(wú)感應(yīng)用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的平均值電壓表(見(jiàn)圖2)或數(shù)字采樣器(見(jiàn)圖3)測(cè)量次級(jí)電壓修正平均值，應(yīng)由和試樣與次級(jí)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(chǎng)強(qiáng)度有效值，單位為安培每米(A/m67用功率表法測(cè)量比總損耗的頻率下進(jìn)行測(cè)量。比總損耗的測(cè)量應(yīng)在正弦磁通密度的條件下進(jìn)行。對(duì)某些試樣，可通過(guò)模擬或數(shù)字技術(shù)的方法控制次級(jí)感應(yīng)電壓的波形(見(jiàn)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(jìn)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(cè)量原理)對(duì)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(shí)，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(cè)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(cè)量次級(jí)感應(yīng)電壓整流后的平均值(見(jiàn)圖2和圖3)。次級(jí)回路中的負(fù)載應(yīng)足夠小(見(jiàn)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(cè)量次級(jí)電壓有效值(見(jiàn)圖2和圖3)。次級(jí)回路中的負(fù)載應(yīng)足夠小(見(jiàn)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(cè)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(shí)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(cè)量功率(見(jiàn)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(jiàn)附錄C)。7.4比總損耗的測(cè)量程序試樣應(yīng)按照6.4.1進(jìn)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(jì)算得出的磁通密度相對(duì)應(yīng)。8功率表測(cè)得的功率(Pm)包含了次級(jí)回路中儀表消耗的功率，由于次級(jí)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(cè)量的再現(xiàn)性：通過(guò)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差表示為3%;——幅值磁導(dǎo)率測(cè)量的再現(xiàn)性：通過(guò)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差表示為4%;注2:對(duì)相關(guān)測(cè)量過(guò)程分析并對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度的不同影響因素予以識(shí)別和評(píng)估，將有利于測(cè)量結(jié)果的應(yīng)用。9測(cè)試報(bào)告c)試樣上的初級(jí)磁化繞組和次級(jí)繞組的匝數(shù)；g)環(huán)境溫度；91)測(cè)量結(jié)果和(適用時(shí))相關(guān)不確定度。本文件的章條編號(hào)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(guó)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(shí)的典型值大于1MQ”修改為“并聯(lián)5pF～20pF時(shí)的典型值大于1MQ”1MQ(90pF～150pF)中電容太大，在100kHz時(shí)，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(guó)技術(shù)條件8刪除不確定度，給出測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)的再現(xiàn)性指標(biāo)，增強(qiáng)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(shí)”(資料性)磁性測(cè)量設(shè)備校準(zhǔn)方案B.1概述本文件的再現(xiàn)性驗(yàn)證以及更高準(zhǔn)確度的測(cè)量要求均依賴于磁性測(cè)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(duì)高于20kHz頻率的情況可參照本附錄，但注意其他因素對(duì)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(cè)量設(shè)備提供電壓、電流和功率信號(hào)，將功率分析儀接入測(cè)量電路得到標(biāo)準(zhǔn)電參量值，與被校磁性測(cè)量設(shè)備的相應(yīng)電參量示值進(jìn)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(cè)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(duì)功率而期穩(wěn)定度(每分鐘)需優(yōu)于被校磁性測(cè)量設(shè)備的最大允許誤差絕對(duì)值的1/10;度)不大于被校磁性測(cè)量設(shè)備最大允許誤差絕對(duì)值的1/3;由于磁性測(cè)量設(shè)備測(cè)量的磁性能參數(shù)是由測(cè)量得到的電參量及樣品參數(shù)通分磁性測(cè)量設(shè)備的電源輸出端鈕(接初級(jí)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(hào)和標(biāo)引符號(hào)說(shuō)明：2——功率分析儀；Hi——高端；Lo——低端；I?——初級(jí)電流；U?——次級(jí)電壓。(資料性)C.1概述a)試樣上的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組間形成的繞線間電容，c)測(cè)量?jī)x器輸入電路的電容和電阻，d)次級(jí)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(jí)感應(yīng)電壓U?(t)和與初級(jí)線圈串聯(lián)的無(wú)感精密電阻兩端的電壓U?(t)數(shù)字化，通過(guò)演算這些數(shù)據(jù)測(cè)定試樣的磁性能(見(jiàn)圖3)。為此，這些電壓的瞬時(shí)值uz;和u1;(j為采樣序列值下標(biāo)),被采樣保持電路在一個(gè)窄小和等距的時(shí)本文件正文所描述的測(cè)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(shí)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集裝置和軟件組合系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)圖1和圖2中所有測(cè)量?jī)x器的功能。次級(jí)感應(yīng)電壓正弦波的控制也可通過(guò)數(shù)字方法實(shí)本附錄有助于理解本文件采用的數(shù)字采樣技術(shù)對(duì)所能達(dá)到的精度的影響。這對(duì)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(shí)間間隔(△t)替代無(wú)限小的時(shí)間間隔(dt)對(duì)電壓進(jìn)行離散取值，見(jiàn)n——一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)值的采樣數(shù)；試樣上的繞組與測(cè)量裝置數(shù)字元器件的連接見(jiàn)圖3。電源通常由一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)功率放大器組成。宜在數(shù)字信號(hào)發(fā)生器和功率放大器之間連接一個(gè)低通濾波器，防止對(duì)數(shù)字控制器的干擾信號(hào)。數(shù)字控制器通常為經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的功率分析儀或由計(jì)算機(jī)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(shí)通常大于1MQ),避免對(duì)次級(jí)電路構(gòu)成負(fù)載。數(shù)字控制器的采樣時(shí)鐘宜與數(shù)字信號(hào)發(fā)生數(shù)字控制器將無(wú)感精密電阻上的電壓和次級(jí)繞組的感應(yīng)電壓同時(shí)數(shù)字化，分別得到瞬時(shí)值umi;和um?;。um;和um?;宜分別用系和進(jìn)行修正，以補(bǔ)償儀器測(cè)量電路中的電阻產(chǎn)生的電壓計(jì)算機(jī)分別將一個(gè)磁化周期內(nèi)的ui,和u?,的數(shù)據(jù)列重組成數(shù)字信號(hào)電壓U?(t)和U?(次級(jí)感應(yīng)電壓[U?(t)]的空氣磁通補(bǔ)…………(D.4)B(t)——與時(shí)間相關(guān)的磁通密度，單位為特斯拉(T);N?——初級(jí)繞組的匝數(shù)；N?——次級(jí)繞組的匝數(shù)；j瞬時(shí)值的采樣序數(shù)；下以足夠快的數(shù)字乘法器和加法器進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。只有當(dāng)采樣頻率f,和勵(lì)磁頻率f是由一個(gè)共用的用128個(gè)點(diǎn)進(jìn)行掃描采樣，即可有足夠的精度(1000Hz以上，每周期采樣64個(gè)點(diǎn)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(gè)點(diǎn)或更高),以保持真實(shí)周期時(shí)長(zhǎng)與最接近的采樣點(diǎn)時(shí)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(wú)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(gè)傳輸信號(hào)的電壓規(guī)定的功率測(cè)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(gè)電壓信號(hào)的基波分量之間的相位差)。信號(hào)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(hào)調(diào)節(jié)放大器中的直流偏置可導(dǎo)致數(shù)字計(jì)算結(jié)果的顯著誤差?？捎脭?shù)字矯正補(bǔ)償去除此直流D.3校準(zhǔn)本文件的再現(xiàn)性驗(yàn)證要求對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行仔細(xì)校準(zhǔn)。使用溯源至國(guó)家標(biāo)置放大器和ADC的兩個(gè)電壓通道進(jìn)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(gè)通道的幅值、通道間的相位差以及頻率響應(yīng)宜進(jìn)行校驗(yàn)。兩通道的校驗(yàn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)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(cè)量的不確定度滿足相關(guān)方的D.4數(shù)字空氣磁通補(bǔ)償U(kuò)?(t)———無(wú)感精密電阻R。兩端的電壓(見(jiàn)圖3),單位為伏特(V);補(bǔ)償系數(shù)可通過(guò)以下方式調(diào)整得到，即在環(huán)形試樣盒中沒(méi)有試樣的情況下組，確保電壓補(bǔ)償值不超過(guò)未補(bǔ)償?shù)沫h(huán)形試樣盒上次級(jí)繞組電壓的0.1%。(資料性)為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制法，假設(shè)時(shí)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(shí)間相關(guān)的函數(shù)[即H(t)]自動(dòng)確定函數(shù)B(t)。用一臺(tái)由計(jì)算機(jī)控制的任意波形發(fā)生器提供所需的函數(shù)H(t)。設(shè)計(jì)一個(gè)逐次逼近的迭代方法，在每第i步中動(dòng)態(tài)的B(H)關(guān)系被實(shí)際的函數(shù)B?(t)和H?(t)更新一次，并被用于計(jì)算第i+1步的函數(shù)H?+1(t)。一旦次級(jí)感應(yīng)電壓達(dá)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(jì)算出的H(t)函數(shù)需轉(zhuǎn)化成一個(gè)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(xiàng)[4]GB/T28869.1軟磁材料制成的磁心測(cè)量方法第1部分：通用規(guī)范[5]DEWULF,M.andMELKEBEEK,J.,Ontheadvantaquisition