环形试样测量软磁材料的交流磁性能方法

1.试样

试样应采用以下不同方式制成横截面为矩形的环形试样：①用薄带或线材绕成时钟弹簧形的铁心；②采用冲压、激光切割或光化学蚀刻成环样的叠片；③粉末压制并烧结、金属注射成型或铸造。

对于所有类型的试样，在热处理之前都应去除毛刺和锐边。对于软磁合金，应将环形试样装在可拆分成两部分的环形盒子内；对于无绝缘层的试样，在叠装试样时应采用适当的绝缘措施；对于高磁导率材料，最好也将环形试样装在可拆分成两部分的环形盒子内。盒子的尺寸应与试样精密配合，避免在材料中产生应力。

试样尺寸的外径与内径之比应不大于1.4，最好小于1.25。

对于厚度小于0.15mm的带材，应沿轧制方向取宽度为10mm的条形，经涂绝缘层后卷绕成环样。

对于固体和粉末压制材料，试样的尺寸，即环形试样的外径、内径以及高度，应采用合适的并经过校准的量具测量。量具的准确度应为±0.02mm。相关尺寸应在试样的不同位置测量，并计算出平均值。试样的横截面积应按下式计算：

式中 A——试样的横截面积，单位为m²；

D——试样的外径，单位为m；

d——试样的内径，单位为m；

h——试样的高度，单位为m。

对叠片或绕制铁心环样，试样横截面积应由质量、密度和环样内外径的值计算。质量应采用合适的并经过校准的仪器称量，称量准确度应为±0.1%或更好。横截面积应按下式计算：

式中 m——试样的质量，单位为kg；

ρ——材料的密度，单位为kg/m³。对于计算磁场强度所需的试样平均磁路长度按下式确定：

式中 l_m——试样的平均磁路长度，单位为m。

2.绕组

绕组数量和匝数取决于所使用的测量设备和方法。对于比总损耗的测量，通常要求有一个初级绕组和一个次级绕组。此时，次级绕组应尽可能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整个周长上。

对于频率高于50Hz（工频）的磁性能测量，应注意避免电容和其他相关效应的影响。

应注意确保在绕线过程中不损坏电线的绝缘层，并采用合适的交流绝缘电阻测量仪进行电气检查，避免绕线与试样短路。

3.温度测量

当对试样的表面温度有要求时，应在试样上粘附一个经过校准的非磁性热电偶（如T型热电偶）进行测量。如果试样是封装好的，应在封套上制一个孔，注意不要损伤试样，并使热电偶与磁心材料牢固接触。如果这点不可能做到，则应将热电偶粘附在封套上并在测试报告中说明。热电偶应与合适的经过校准的数字电压表连接，以测量其输出电压，通过热电偶对照表得出相应的温度。

如果磁化后发现试样的温度随时间变化，磁性能的测量应在达到规定的温度或时间后进行。如果要在高温下测量，应将试样置入烤箱，并在要求的温度下进行。

4.伏安法测定磁导率和磁化曲线

环样测量磁导率和磁化曲线的方法通常在20～20000Hz的频率范围使用，更高的使用频率将受限于所用仪器的性能。如果有合适的经过校准的仪器，频率上限可延伸到1MHz。

（1）设备连接　环样应绕上一初级绕组W₁和一次级绕组W₂。设备应按图8-25所示的电路进行连接。

图8-25 环样方法的电路示意图

—电源（通常是一个振动信号发生器和功率放大器） —频率计 —示波器W₁—初级绕组W₂—次级绕组 —平均值电压表 —有效值电压表 Ⓐ—测量磁化电流的有效值或峰值的电流表（或和一个精密电阻器配接的有效值或峰值电压表）

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%，频率计准确度为±0.1%。交流电源应与一个在测量频率范围内准确度为±0.2%或更好的无感精密电阻器及环样的初级绕组W₁串联。电阻器两端连接一只高输入阻抗（通常大于1MΩ）准确度为±1.0%或更好的有效值或峰值电压表，以测量磁化电流。

次级电路包括两个与次级绕组W₂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。应使用阻抗（通常大于1MΩ）准确度为±1.0%或更好的电压表。

次级电压的波形应使用示波器确认，保证只含有基波成分。

（2）次级电压或磁化电流的波形 为了获得可比较的测量值，测量前应明确是保持次级电压还是保持磁化电流为正弦波，即波形系数为1.111×（1±1%）。对后一种情况，需要在磁化电路中串联一个无感电阻器。无感电阻器的时间常数要低，以确保波形在规定的范围内。无感电阻器可以是用于测量磁化电流的同一电阻器。正弦波形的控制可以通过数字方式实现。在20～20000Hz的频率范围内，次级电压的波形系数可通过与次级绕组连接的两个具有高阻抗的电压表来测定。其中一个电压表测量电压的有效值，另一个测量次级电压整流后的平均值。波形系数由有效值与平均值的比率确定。

（3）磁场强度的测定　测量所需的磁场强度由下式计算：

式中 H——磁场强度，单位为A/m；

N₁——试样上初级绕组的匝数；

I——磁化电流，单位为A；

l_m——试样的平均磁路长度，单位为m。

通常，磁场强度的幅值由测量出的有效磁化电流再乘以2求出。对于正弦磁化电流，求出的是峰值磁场强度的修正值。对于正弦磁通，求出的是等效的峰值磁场强度，比给定的磁化电流的数值小。测定峰值磁场强度的另一种方法是使用峰值电流表或峰值电压表和精密电阻器。

测量前应对试样进行退磁，从一个不小于矫顽力10倍的磁场强度值开始，缓慢减小磁化电流的值至零。退磁电流的频率应不大于将使用的测量频率。

（4）磁通密度的测定　次级电压应采用平均值电压表测量，磁通密度由下式计算：

式中

——次级电压整流后的平均值，单位为V；

f——频率，单位为Hz；

A——试样的横截面积，单位为m²；

B_p——磁通密度的峰值，单位为T；

N₂——次级绕组的匝数。

由于试样和次级绕组之间有空气间隙，可能需要对磁通密度进行修正，其大小取决于磁场强度的高低和试样与次级绕组横截面积的比值。磁通密度峰值的修正值B_p由下式得出：

式中 B_p′——磁通密度峰值的测量值，单位为T；

μ₀——磁性常数，其值4π×10﹣7，单位为H/m；

H_p——磁场强度的峰值，单位为A/m；

A′——次级绕组的横截面积，单位为m²；

A——试样的横截面积，单位为m²。

（5）有效幅值磁导率和相对幅值磁导率的测定 对于磁场强度和磁通密度的相应值，有效幅值磁导率应由下式计算：

而相对幅值磁导率则由下式计算：

式中 μ_aa——有效幅值磁导率（用于正弦磁通密度）；

μ_ra——相对幅值磁导率（用于正弦磁场强度）；

μ₀——磁性常数，其值为4π×10^-7，单位为H/m；

B_p——磁通密度的峰值，单位为T；

H_e——磁场强度的有效值，单位为A/m；

H_p——磁场强度的峰值，单位为A/m。

（6）磁化曲线的测定　先对试样进行退磁，然后逐步增大磁化电流，即可获得磁场强度和磁通密度的相应值，并绘制出磁化曲线。

5.用功率表测定比总损耗

（1）测量原理　比总损耗的测量应在正弦磁通密度的条件下进行，对一些试样可能需要通过模拟或数字技术的方法控制磁化电流的波形，以确保维持正弦的磁通密度。装置与试样绕组应按图8-26所示的电路进行连接。

图8-26 功率表方法的电路示意图

—电源（通常是一个振动信号发生器和功率放大器） —频率计W₁—初级绕组 W₂—次级绕组 —示波器 —功率表 —平均值电压表 —有效值电压表

（2）比总损耗的测量　试样应退磁，然后增大初级绕组W₁的电流，直到电压表（显示整流后的平均电压）的电压值与计算得出的磁通密度相对应。记录两个电压表和的测量值，计算并确认次级波形的波形系数，然后记录功率表的测量值。

（3）比总损耗的确定　功率表测得的功率P_m包含了次级回路中仪表消耗的功率，由于次级电压基本上是正弦的，其一次近似值等于。所以试样的总损耗P_c应按下式计算：

式中 P_c——计算得到的试样总损耗，单位为W/kg；

P_m——功率表测得的功率，单位为W；

N₁——初级绕组的匝数；(www.xing528.com)

N₂——次级绕组的匝数；

——次级电压整流后的平均值，单位为V；

R_i——与次级绕组连接的仪表总的等效电阻，单位为Ω。

比总损耗P_s由P_c除试样的质量得出，即：

式中 P_s——试样的比总损耗，单位为W/kg；

m——试样的质量，单位为kg。

6.用数字阻抗电桥测量磁性能

（1）测量原理　数字阻抗电桥（又称为阻抗分析仪和LCR表）可用于测量磁性部件的电感和其他技术特性。在一定的限制条件下，这类仪表可用于测定交流感应的磁导率和比总损耗等磁性能。这一方法假定环形试样在电学上等同于一个电感和电阻的并联组合。交流感应的磁导率由电感计算得出，而比总损耗则由电阻计算得出。在磁通密度随时间呈正弦变化且平均值为零的条件下，磁性试样由一个电阻分量和一个电感分量并联来表示，此时交流感应的磁导率是由测得的电路阻抗的感应分量确定的磁导率。按照此方法进行的测试应限于磁化曲线初始段的线性区域，此时磁通密度和磁场强度服从正弦条件。

（2）测量装置　测量装置及所包括的部件如图8-27所示。

图8-27 数字阻抗电桥方法的电路示意图

1—电压连接线 2—电流连接线 3—LCR表 W₁—绕组　 —平均值电压表 —有效值电压表 Ⓐ—用于测量磁化电流的有效值电流表

1）应采用经校准的四线开尔文式结构的数字阻抗电桥，也可采用修正的海氏电桥测量比总损耗。为测量并联电感L_p和并联电阻R_p，在测量频率范围内电桥测量电容的准确度为±1.0%或更好，测量电阻的准确度±0.1%或更好。信号源输出阻抗应足够低，以确保在测试的磁心中获得正弦的磁通密度。电桥应具有清零功能，可补偿仪器和试样间导线的阻抗。

2）应采用准确度为±1.0%或更好的有效值电流表测量磁化电流。磁化电流也可以用准确度为±1.0%或更好的有效值电压表，通过测量一只与初级绕组串联的，在测量频率范围内准确度为±0.2%或更好的，无感精密电阻两端的电压来测定。如果数字阻抗计有内置电流表，或者信号源的设置准确度已用其他方式确认，则不再需要另接一只电流表。

3）次级电压整流后的平均值应使用具有高输入阻抗的（通常大于1MΩ）准确度为±1.0%或更好的平均值电压表测量。

4）应采用具有高输入阻抗的（通常大于1MΩ）准确度为±1.0%或更好的有效值电压表。

（3）步骤　测量前应按照测量装置的功能调零，以补偿测试导线的阻抗。在高频下测试时，最理想的情况是消除绕组引起的阻抗。这一点可通过把测量装置和一个与试样有相同尺寸及绕组匝数的无磁性磁心连接来实现。连接试样与测量装置，再使用测量装置的信号源或一个外部信号源对试样退磁。测试应在增加磁化电流（磁场强度）值或增加磁通密度值的情况下进行。

（4）交流相对磁导率的测定　试样的交流相对磁导率由下式计算得出：

式中 _μp——交流相对磁导率；

L_p——测得的并联电感，单位为H；

l_m——试样的平均磁路长度，单位为m；

N₁——绕组的匝数；

A——试样的横截面积，单位为m²；

μ₀——磁性常数，其值为4π×10^-7，单位为H/m。

（5）比总损耗的测定　比总损耗可以由并联电阻按下式计算得出：

式中 P_s——试样的比总损耗，单位为W/kg；——感应电压整流后的平均值，单位为V；

m——试样的质量，单位为kg；

R_p——并联电阻，单位为Ω；

R_w——绕组的电阻，单位为Ω。

7.用数字方法测量磁性能

以环样方法进行测量，上限频率受制于电压测量装置的性能和用于测量磁化电流与初级绕组串联的无感精密电阻器的频率特性。

（1）装置和连接　环样的绕组应按图8-28进行连接。

图8-28 数字方法的电路示意图

W₁—初级绕组 W₂—次级绕组 R—用于测量磁化电流与初级绕组串接的无感精密电阻器 V₁—用于测量磁化电流的电压模数转换器 V₂—用于测量次级电压的电压模数转换器

测量过程中交流电源输出端的电压和频率的各自偏差不应超过设定值的±0.2%。交流电源应与环样上的初级绕组W₁及一个在测量频率范围内准确度为±0.2%或更好的无感精密电阻串联，精密电阻器两端连接准确度与电压表相当的（±1.0%或更好）电压（A/D）模数转换器V₁。

次级回路包含次级绕组W₂及与其连接的准确度与电压表相当的（±1.0%或更好）电压（A/D）模数转换器V₂。

（2）磁化电流波形　为了获得可比较的测量值，测量前应明确是保持次级电压还是保持磁化电流为正弦波，即波形系数为1.111×（1±1%）。为了使次级电压或磁化电流有一个好波形，可能需要优化初级绕组的匝数，使其与电源的输出阻抗相匹配。

（3）磁场强度的测定　测量所需的磁场强度由下式计算：

式中 H（t）——对应时间t的磁场强度，单位为A/m；

N₁——初级绕组的匝数；

U₁（t）——对应时间t用于确定磁化电流的无感精密电阻器两端的电压，单位为V；

l_m——试样的平均磁路长度，单位为m；

R——与初级绕组串联的用于确定磁化电流的无感精密电阻器的电阻值，单位为Ω。

如果电压U₁的值是离散的，则磁场强度按下式计算：

式中 H_i——磁场强度的离散值，单位为A/m；

U₁——用于确定磁化电流的无感精密电阻器两端电压的离散值，单位为V。

（4）磁通密度的测定 次级电压应采用经校准的电压模数转换器进行测量，磁通密度按下式计算：

式中 B（t）——对应时间t的磁通密度，单位为T；

N₂——次级绕组的匝数；

U₂（t）——对应时间t的次级电压，单位为V；

A——试样的横截面积，单位为m²；

K——使B（t）对时间的平均值为零的一个值。

（5）交流相对磁导率的测定 对于磁场强度和磁通密度相对应的值，相对交流磁导率应按下式计算：

式中 _μa——交流相对磁导率；

μ₀——磁性常数4π×10^-7，单位为H/m；

B_p——磁通密度的峰值，单位为T；

H_p——磁场强度的峰值，单位为A/m。

（6）交流磁化曲线的测定

测试前试样应先退磁。然后逐步增大磁化电流，即可获得磁场强度和磁通密度的相应值，并绘制出磁化曲线。

（7）比总损耗的测定　比总损耗P_s与由B和H值构成的磁滞回线的面积相对应。试样的比总损耗P_s应按下式计算：

式中 P_s——试样的比总损耗，单位为W/kg；

f——频率，单位为Hz；

N₁——初级绕组的匝数；

N₂——次级绕组的匝数；

m——试样的质量，单位为kg；

R——用于测定磁化电流与初级绕组串联的无感精密电阻器的电阻，单位为Ω；

T——周期，单位为s；

U₁（t）——t时刻用于测定磁化电流的无感精密电阻器两端的电压，单位V；

U₂（t）——t时刻的次级电压，单位为V。