国家标准 GB/T39042一2020 电工钢单片磁性能测试H线圈法 Measurementoftheagneticpropertiesofelectriealsteelsbymeansof asinglesheettester一H-eoilmmethod 2020-07-21发布 2021-02-01实施国家市场监督管理总局发布国家标涯花警理委员会国家标准
GB/T39042一2020 目次前言引言范围规范性引用文件术语和定义测量原理 5 测量装置 5.1通则 5.2磁轭线圈 5.3 5.4电源 5.5数字控制系统试样测量 7.1测量准备 7.2磁极化强度的测量 7.3磁场强度的测量 7.4比总损耗的测量 7.5比视在功率的测量测试结果及再现性测试报告附录A(资料性附录)测量磁性能的数字采样技术附录B(资料性附录使用H线圈测量电工钢带(片)单片试样的技术说明附录c(资料性附录H线圈法与励磁电流法测量晶粒取向电工钢带(片)单片试样结果的比较案例 12
GB/39042一2020 前言本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草本标准由钢铁工业协会提出本标准由全国钢标准化技术委员会(SAC/TC183)归口本标准起草单位:武汉钢铁有限公司、江苏省沙钢钢铁研究院有限公司、长沙天恒测控技术有限公司冶金工业信息标准研究院本标准主要起草人:向前、周新华、吴圣杰,黄双、王玉姚、马允敏、舒子奇、张俊鹏、刘宝石
GB/T39042一2020 引言本标准是在国家电子工业制造水平、精度达到国际先进水平的前提下,基于用单片测试仪测量电工钢带(片)单片试样磁性能的现状,为适应电工钢带(片)单片试样磁性能测量的发展要求,提出的电工钢带(片)单片试样磁性能的直接测量方法本标准与GB/T13789相比,主要区别在于一测量原理不同;本标准推荐的是采用H线圈直接测量电工钢带(片)单片试样的磁场强度,不再需要约定有效磁路长度,消除了约定有效磁路长度所带来的系统误差,测量的比总损耗值更接近于真实值而GB/T13789通常又称为“励磁电流法”,在约定的有效磁路长度下,调整 B线圈电压使待测试样达到规定的磁极化强度后测量,这是一种间接测量方法但是,由于有发瑰有效破路长度会随着单片燃导计的树科发效磁路长度只是一个约定值,随着研究的深人制作工艺,试样及不同测试条件等因素不断变化实际变化的有效磁路长度与约定有效磁路长度的偏差带来了测量上的系统误差,使测量结果偏离了真实值测量结果不同经大量试验,使用本标准测量的比总损耗比视在功率等测量结果明显低于 GB/T13789推荐方法的测量结果,该测量偏差与试样材质、厚度、测量条件等显著相关,通常情况下,本标准在工频和磁极化强度1.7T条件下测量的晶粒取向电工钢带(片)单片试样的比总损耗低5%8%,比视在功率低10%20%
GB/39042一2020 电工钢单片磁性能测试H线圈法范围本标准规定了在工频条件下,采用H线圈测量电工钢带(片)单片试样的磁场强度,并通过单片磁导计测试电工钢比总损耗、磁极化强度及比视在功率的测试方法本标准适用于晶粒取向或晶粒无取向电工钢带(片)单片试样磁性能的检测规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 GB/T2900.60电工术语电磁学 GB/T3102.5电学和磁学的量和单位 GB/T9637电工术语磁性材料与元件 GB/T13789用单片测试仪测量电工钢片(带)磁性能的方法 GB/T19289电工钢带(片)的电阻率、密度和叠装系数的测量方法术语和定义 GB/T2900.60.GB/T3102.5.GB/T9637界定的以及下列术语和定义适用于本文件 3.1 H线圈H-coil 靠近试样表面放置的、用于直接检测试样真实磁场强度的空心线圈测量原理试样与磁轭构成封闭的磁场回路,通过探测H线圈上的感应电压来获得穿过试样的磁场强度,再通过B线圈(感应电压线圈,又称为次级线圈)感应电压获取磁极化强度,即可测量试样的磁特性测量装置 S 5.1通则电工钢试样放置于线圈骨架中间,线圈骨架外绕有两层线圈,外部为励磁线圈(又称为初级线圈. 内部为B线圈,另外在靠近试样下表面的线圈骨架上还放置了一组H线圈,如图1所示
GB/T39042一2020 B 说明 Ty 上磁轭 By 下磁扼 Ts -测试试样; -磁导计线圈(见5.3) 图1单片磁导计示意图磁导计和线圈的连接如图2所示以下信号应通过数字控制系统进行实时波形记录 a) 与励磁线圈串联的无感精密电阻R,两端的电压U(); B线圈(见5.3)感应电压U.(t) b H线圈(见5.3)感应电压Un(t) c 为了获取完整的测量信息.Un(),U(和U()这儿组信号的采样时间都应该是磁化周期的整数倍数字采样技术的应用,U(t)和由U()计算的磁极化电流I(t)用于数字的空气磁通补偿、以及 B线圈感应电压U.()波形系数的控制参见附录A
GB/39042一2020 40 (0 U0 说明: 电源(通常由一个可程序控制的任意波形发生器和一个功率放大器组成); H -频率计， -电压计; -励磁线圈; B线圈 -H线圈; 无感精密电阻,与励磁线圈串联,用于测量励磁电流; -双路同步采样测量系统,与交流励磁源保持同步的双路采样,具有测量与运算分析等功能; U.() -B线圈感应电压; Un(e) -H线圈感应电压; U( 无感精密电阻R.两端的电压; M 空气磁通线圈,当采用空气磁通数字补偿时,可以无此部件图2H线圈法测量电路示意图测试装置应由磁轭、线圈电源、数字控制系统等组成 5.2磁轭制作磁轭的材料应具有低的剩磁低的磁阻和尽可能低的比总损耗,例如高牌号的晶粒取向电工钢片或镍合金等,U型磁轭可采用多片叠压而成使用晶粒取向电工钢片制作磁轭时,加工后的电工钢片应进行去应力退火为保证测量的准确性,磁轭还应满足以下条件: 频率为50Hz时,磁轭在磁极化强度为40mT,1.5T下对应的比总损耗不应超过1.0mw/kg、 a 1.0w/kg b 每个磁轭的两个磁极面应是共面的,其公差应在0.5mm范围内,两磁轭的相对极面之间在任意点的间隙都不应超过0.05mm,且为避免在试样中引起机械应力,两个磁轭都应是刚性的; 每个磁轭的高度应在90mm150mm之间,长度应为500'mm,内侧宽度应为450mm士 mm,磁轭磁极面宽度应为25mm士1mm,如图3所示若使用其他尺寸的磁轭,应保证测量结果的准确性
GB/T39042一2020 单位为毫米 25土1 25土 450土 00'8 25土 90150 图3磁轭尺寸示意图磁轭竖直臂之间应有放置试样的支撑面,由绝缘、非导磁材料制成,且支撑面与磁极面应共面,以保证待测试样与支撑面间无任何缝隙上部磁轭应能向上移动以便插人试样,放人试样后,上部磁轭应与下部磁轭准确地闭合上部磁轭的悬吊应平衡其部分重量,并使试样受力在100N~200N之间 5.3线圈 5.3.1通则磁导计线圈包括励磁线圈.B线圈,H线圈、空气补偿线圈,如图4所示励磁线圈、H线圈和B线圈应从各自线圈架的同一端开始缠绕，且绕线方向应相同单位为毫米 510 424 85 Sp 横截面图图4磁轭、线圈示意图
GB/39042一2020 单位为毫米 450土2 200 B b 纵截面图说明: N -励磁线圈; N B线圈; Ts 测试试样; He H线圈 Sl 骨架; S 支撑板; Ty 上磁轭 B 下磁轭图4(续 5.3.2励磁线圈、B线圈励磁线圈、B线圈应绕在长度至少为440 mm的非磁性矩形框架上,框架的尺寸如下: 长度:445mm土2mm; a D 内部宽度:510mm士1mm; 内部高度:5-"" c mm; d 高度;不大于20 mm 励磁线圈由5个相同尺寸,匝数的线圈并联,并在整个长度上缠绕 B线圈采用直径0.5mm的漆包铜线在200mm士0.5mm的线圈架上连续、均匀、对称地缠绕1层，匝数由磁测仪的特性决定 5.3.3H线圈 H线圈由4个线圈串联构成,每个线圈用直径0.2mm的漆包铜线在长度为250mm士1nmm、宽度为85mm士0.2mm、厚度为1mm士0.1lmm 的板状,不导电的非磁性的材料上连续、均匀、紧密缠绕成 200mm士0.2 mm的单层线圈
GB/T39042一2020 5.3.4空气补偿线圈空气磁通对次级电压的影响应进行补偿,这可以通过互感线圈来实现互感线圈的初级与磁导计的初级串联,而互感线圈的次级与B线圈反向串联互感线圈的调整方法为:当测试装置中无试样时,在励磁线圈中通交流电,使在B线圈和互感线圈串联后测量的电压不大于磁导计在有试样且-1.0T时B线圈感应电压的0.1% 这样,串联的B线圈感应电压绝对值的平均值正比于试样中磁极化强度的峰值单片磁导计亦可采用空气磁通数字补偿,参见附录B 在低磁场强度下进行比总损耗的测量时空气磁通可以不补偿 5.4电源 5.4.1通则 s 电源由一个程序控制的任意波形发生器和一个功率放大器或者集成这两种功能的仪器组成电源应具有低内阻和高度稳定的电压和频率,在测量时,电压和频率的波动范围应保持恒定在士0.2%之内 B线圈中的感应电压应尽可能保持正弦,最好保持B线圈中的次级电压的波形因数在1.111士1% 之内这可以通过各种方法达到,例如降低电源内阻和励磁线圈中的直流电阻元件,或通过放大器给B 线圈初级端感应电压施加负反馈来保证其正弦态注:波形因数为次级电压有效值与平均值之比 5.4.2任意波形发生器任意波形发生器将合成一个幅值和频率均可通过外部编程调节的磁化波形信号,由D/A转换器在外部时钟频率下连续地将信号转换为电压,这个外部时钟与测量装置的AD转换器的采样时钟也应同步 D/A转换器应有足够高的分辨率,且一个磁化周期中信号数据的个数应该足够大在任意波形发生器和功率放大器中应插人一个低通滤波器,可以减少在数字测量设备中引人高次谐波 5.43功率放大器功率放大器应具有低输出阻抗和高稳定度的电压和频率,电压中的噪声足够低测试过程中,电压和频率应始终保持在士0.2%范围内功率放大器应选用双极性的低噪声放大器,并具有较好的带宽及压摆率和低的输出阻抗使之既可以输出功率也可以吸收能量,非常适合于驱动感性负载 5.5数字控制系统数字控制系统由一个不少于二个A/D转换通道的数字转换器和一个数字信号分析仪或者集成这两种功能的仪器组成数字转换器至少要有两个独立的信号通道,用来校准前置放大器、采样保持电路(s/H)和A/D转换采样保持电路与采样时钟同时工作,采样时钟应与任意波形发生器的外部时钟同步(见图2) 为了避免增加B线圈的负载,信号通道应有足够高的输人阻抗和低的输人容抗注:数字转换器的输人阻抗的典型值;1Mn/100pF 为了保证最低功率因数下的比总损耗测量准确,通道之间的相位移应足够小 A/D转换器分辨率应足够高以减少数字化的误差,建议使用16位或更高分辨率的转换器还应有足够高的采样速率,建议一个磁化周期内采样次数应不小于512次
GB/39042一2020 由数字转换器处理的几组信号数据传输到数字信号分析仪中,数字信号分析仪处理这些信号波形来测定试样的磁特性数字分析仪产生数字反馈信号给波形发生器来保证B线圈感应电压的波形系数满足要求试样试样长度应不小于500mm 虽然位于磁极面外的试样部分对测量的影响可以忽略,但此部分的长度取决于试样的放人和取出是否方便,试样的长度不宜过长试样宽度应尽可能宽,最宽可以等于磁轭的宽度,但不应超出线圈骨架的内部尺寸,同时应不小于 H线圈的宽度加工好的试样不应有明显的毛刺或机械变形,应尽量避免试样在机械加工中产生应力试样应平直,在加工时,以加工好的试样的边缘作为基准方向,基准方向与轧制方向之间的夹角允许有下述公差 a)晶粒取向电工钢片应不大于士1; b)晶粒无取向电工钢片应不大于士5" 对于晶粒无取向电工钢片,应取两个试样，一个平行于轧制方向，一个垂直于轧制方向若试样是正方形的,则仅需要取一个试样测量 7.1测量准备测量应在环境温度23C士5C进行测量前,应预先测量试样的长度和质量,以便获得试样的有效横截面积,长度和质量测量的准确度应在士0.1%以内试样的横截面积按式(1)计算 n A， P 式中: 试样横截面积,单位为平方米(m') A 试样质量,单位为千克(kg); n 试样密度,单位为千克每立方米(kg/m'); pm -试样长度,单位为米(m) 测量时,试样应放置在磁轭中部,并通过测量装置缓慢减小励磁电流到零来进行退磁交流退磁的起始磁场应高于测量磁场，且应逐步减小所有的磁性能参数,磁场强度H(t),磁极化强度J(t)、比总损耗P 和比视在功率S 都通过UH )和U.()进行计算得到晶粒取向电工钢片，一般取轧制方向的测试值晶粒无取向电工钢片，一般取轧制方向和垂直于轧制方向测试值的平均值 7.2磁极化强度的测量 ’时刻的磁极化强度J()应按式(2)计算 2 J(e)一 U.(T)dr dl -NaU()dr
GB/T39042一2020 式中 I(t ！时刻的磁极化强度,单位为特斯拉(T); N -B线圈的匝数; U.(r) -时刻的B线圈感应电压,单位为伏特(V); -辅助时间变量; 试样的横截面积,单位为平方米m'). 7.3磁场强度的测量 '时刻的磁场强度H()应按式(3)计算 3 H()一 U(E)d U()dr d (NA目式中 H(t 时刻的磁场强度,单位为安培每米(A/m); -常数,真空中的磁导率,单位为亨利每米(H/m); Ao NuAn H线圈的匝面积,单位为平方米(m'); U() 时刻的H线圈感应电压,单位为伏特(V); 辅助时间变量注:H线圈匝面积的测量方法参见附录B. 7.4比总损耗的测量比总损耗P，相当于J(t和H(t)组成的磁滞回线的面积因此,试样的比总损耗P,依照式(4) 计算 H) -d= P，= H(4)U')d .4 NwA, de ,，式中 -试样的比总损耗,单位为瓦特每千克(w/kg); 频率,单位为赫兹(H2); T 周期,T=1/f,单位为秒(s); U't 空气磁通补偿后的B线圈感应电压,单位为伏特(V) 7.5比视在功率的测量比视在功率s,即为磁场强度的有效值和磁极化强度的有效值的乘积,按式(5)计算 2r 月 om 式中 S 试样的比视在功率,单位为伏安每千克(VA/kg); 磁场强度H(t)的有效值,单位为安培每米(A/m); 磁极化强度J(t)的有效值,单位为特斯拉(T). 8 测试结果及再现性比总损耗、磁极化强度、比视在功率的测量结果应按照实际需要保留至小数点后3位
GB/39042一2020 本标准方法使用上述测量装置,其测量结果的再现性用相对标准偏差来表示,具体如表1所示表1测量结果的再现性测量结果测量条件再现性 =0H/60HH =10Am-10kAMm 0.5% 磁极化强度峰值用 1.0% 比总损耗P /=50Hz/60Hz.J.=1.0T1.7T 比视在功率S /=50Hz/60Hz,=1.0T1.7T 3.0% 注:H为施加的磁场强度的峰值注因方法差异,使用H线圈法的测试结果与GB/T13789单片测试方法的测试结果不同,具体参见附录C 测试报告测试报告应包括以下内容本标准编号; a 试样标识(牌号、取样方向等) b 试样形状和尺寸; c 材料的密度(约定值,或按照GB/T19289的测量值); d 试样的质量; e 试样的测量方向; 测量的环境条件 g h) 测量频率; 试验结果
GB/39042一2020 附录 B 资料性附录使用H线圈测量电工钢带(片)单片试样的技术说明 H线圈法 B.1 使用测量励磁电流法测得的结果包含了磁轭的磁性能,与之相比,H线圈法测量时只测试了试样中间一部分的磁性能而不包含磁轭的磁性能,且H线圈法不再需要磁路长度,消除了励磁电流法采用约定磁路长度所带来的系统误差,因此,H线圈法测量的比总损耗值更接近于实际值 H线圈因所获取的信号通常在毫伏级,应采用低噪声放大器和抑制各种噪声才能得到好的再现性推荐使用一个纯净的直流电源给前置放大器供电,可以使其免受工频噪声的干扰采用多周期信号同步平均可以有效去除信号中的噪声,但对工频差拍干扰引起的噪声作用不大 B.2磁轭磁轭材料在低磁化条件下应具有低的剩磁,以减少测试试样的直流偏磁,同时还应具有低的磁阻和比总损耗高牌号的晶粒取向电工钢或软磁铁氧体材料是制作磁轭的合适材料 B.3 连接线 H线圈感应的电压U()是很微弱的,而且很容易引人高频噪声为了减少信号的噪声,线圈与测量设备之间的连线应按图2连接,每组连线在测量设备前面连接到一点并且作共地处理 B.4H线圈匝面积的确定在将H线圈安装到线圈架之前,H线圈匝面积可以通过将其放人一个直径和长度足够的螺线管线圈所产生的均匀磁场中进行校准在安装到线圈架之后,H线圈的匝面积应校准,其准确度不低于士0.1% H线圈的匝面积可通过将H线圈和一个的参考H线圈放人没有试样的线圈中间得到的磁场强度峰值的比较来确定参考 H线圈应先在均匀磁场中校准另一种简单的方法是不使用参考线圈,即在没有试样的测量装置中,在励磁线圈中输人稳定且已知的励磁电流,将H线圈的输出与之前记录的参考值进行比较这种简单方法的优点是避免了通过参考线圈的定位引人的误差 11
GB/T39042一2020 附录 C 资料性附录) H线圈法与励磁电流法测量晶粒取向电工钢带(片)单片试样结果的比较案例 c.1介绍本附录给出了用单片磁导计,分别按H线圈法(本标准，以下简称“HC”法和励磁电流法 GB/T13789,以下简称“MC”法)测量厚度分别为0.23mm,0.27mm,0.30mm 的晶粒取向电工钢试样的交流磁性能的案例,并给出了相关试样两种方法测量结果的统计偏差 c.2检测过程及结果对同一试样,在同一台交流磁性测试仪上,使用同一台单片磁导计,分别采用“MC”法及“HC”法进行测试,首先在同一磁场强度下,比较两种测量方法下磁极化强度J.的变化并以“MC”法为基准,按式(c,1)计算“Hc”法测量的磁极化强度m相对“MC”法m的变化率A！m Jm(MCy Jnm(HcC ×100% (C.1 丽一 /m(MCy 式中 -磁极化强度J的相对变化率 -用“MC”法测量的磁极化强度,单位为特斯拉(T); Jm(Mc -用“HC”法测量的磁极化强度,单位为特斯拉(T) Jm(Hc 按照试样厚度分组，绘制不同磁场强度H 与两种测量方法测量的磁极化强度J偏差之间的关系图 Mm 2巫 0.27 0.30 0.0%6 -0.1% -0.2% 一0.3% -0.4% -0.5% 一0.6% -0.7% -0.8% T0o20030o40o50o60o70080o0100 2M3o40w70o0o203o40o07o8o0 Hm/wm 图C.1不同磁场强度与两种测量方法测量的磁极化强度偏差A 的关系图 12
GB/39042一2020 如图C.1所示,随着磁场强度H的增加,两种测量方法测量的磁极化强度的偏差A先上升再逐步趋于平稳,在晶粒取向电工钢常用的磁场强度范围不小于100A/m,“HC"法所测的磁极化强度较 “MC”法高0.2%左右,且不同试样厚度对偏差影响不大再在设定磁极化强度/=1.0T1.9T的范围内,每间隔0.1T,测试每个测试点对应的磁场强度 H、比总损耗尸.比视在功率S,,并以“MC”法为基准,按以下公式计算“HC”法测量的各物理量相对 “MC”法的变化率 H H mNM心 ime ×100% Hm C.2 HmMc P Png s(HC P ×100% (MC S(Mc S(HHc S ×100% SMCy 式中 H 感应磁场强度H的相对变化率 H 用“MC”法测量的磁场强度,单位为安培每米(A/m); Mc Ha 用“HC”法测量的磁场强度,单位为安培每米(A/m); 公P 比总损耗P,的相对变化率; P 用“MC”法测量的比总损耗,单位为瓦特每千克(w/kg): xMc) 用“HC"法测量的比总损耗,单位为瓦特每千克(w/kg); IHco As. 比视在功率S的相对变化率; 用“MC”法测量的比视在功率,单位为伏安每千克(VA/kg); Me 用“HC”法测量的比视在功率,单位为伏安每千克(VA/kg) s Hc 按照试样厚度、刻痕状态分组,绘制不同设定磁极化强度与两种测量方法测量的磁场强度H、比总损耗P.比视在功率s,的偏差Ha,_PAS,之间的关系图样品厚度/mn 么 0.233 0.3 O.27 0 L0TL1TL2TL3TL4TLTL6TL7TL8TL9TL0TLIL2TL3TL4TLTL6TL7TL8TL9TLOTLITL2TL3TLTL5TL6TL7TL8TL9T 图C.2不同设定磁极化强度与两种测量方法测量的磁场强度H偏差AH的关系图如图C.2所示,随着设定磁极化强度的增加,两种测量方法测量的磁场强度H的偏差AH基本 13
GB/T39042一2020 呈现出先上升后下降的趋势,在晶粒取向电工钢常见的设定磁极化强度1.5T1.7T的范围内,“HC” 法所需要的磁场强度较“MC”法低10%一30%,且不同试样厚度、刻痕状态对偏差均有贡献样品厚度/an ". o.27 U L0TL1TL2T3TL4TL5TL6TL7L8TL9TLOTL1TL2TL3T4TL5TL6TL7TL8TL9LOT1TL2TL3TLTL6TL6TL7开L8TL9T 图c.3不同设定磁极化强度与两种测量方法测量的比总损耗P,偏差AP,的关系图如图C.3所示,随着设定磁极化强度的增加,两种测量方法测量的比总损耗P,的偏差P,基本呈现出下降的趋势,在晶粒取向电工钢常见的设定磁极化强度1.5T1.7T的范围内,“Hc”法测量的比总损耗较“MC”法低5%8%,且不同试样厚度、刻痕状态对偏差均有贡献样品那度/en 二 0.23 滑(A 0.27 图c.4不同设定磁极化强度与两种测量方法测量的比视在功率s偏差As的关系图 14
GB/39042一2020 如图C.4所示,随着设定磁极化强度的增加,两种测量方法测量的比视在功率S,的偏差As,基本呈现出下降的趋势,在晶粒取向电工钢常见的设定磁极化强度1.5T1.7T的范围内,“HC”法测量的比视在功率较“MC”法低10%~20%,且不同试样厚度、刻痕状态对偏差均有贡献

电工钢单片磁性能测试H线圈法GB/T39042-2020

电工钢单片是电力变压器中不可或缺的元件之一。其磁性能直接关系到变压器的性能和质量。因此，对单片磁性能进行准确的测试非常重要。

H线圈法

H线圈法是目前最为广泛使用的一种电工钢单片磁性能测试方法。其原理是利用线圈感应作用来测量单片的磁性能参数。

测试步骤

将待测试的电工钢单片放置在测试台上，并通过导线连接好。
接通电源，让电流从线圈中流过，产生磁场。
利用另一个线圈感应出产生的磁通量，计算出单片的磁通量、磁场强度、磁化强度等参数。

GB/T39042-2020标准

GB/T39042-2020是我国对电工钢单片磁性能测试的标准规范。该标准对H线圈法进行了详细的描述和说明，包括测试设备、测试方法、计算公式等方面。

标准要求

根据GB/T39042-2020标准，电工钢单片的磁通量、磁场强度、磁化强度等参数的测试应该具备以下要求：

测试环境温度应在20℃左右。
测试前应先进行预磁化处理。
测试中应采用恒流源，保证使用电流稳定。
测试时应注意去除外界磁场的干扰。

结论

H线圈法是一种简便而有效的电工钢单片磁性能测试方法。其在GB/T39042-2020标准中被广泛应用，成为目前最为常用的测试手段之一。