淺談互感器磁芯材料低磁場(chǎng)磁性測(cè)試
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于磁性材料推選采用方圈和雙磁軛磁導(dǎo)儀來(lái)測(cè)量其交流磁性能，但適用于飽和磁場(chǎng)下的磁性能測(cè)試，而無(wú)法測(cè)量低磁場(chǎng)下的磁感應(yīng)強(qiáng)度。同時(shí)，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM及俄羅斯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)均提到，可選用環(huán)形互感器磁芯試樣作為材料測(cè)試磁性的標(biāo)準(zhǔn)試樣。為此，我們采用繞制的內(nèi)徑120mm作為標(biāo)準(zhǔn)試樣的內(nèi)徑，并參照相關(guān)俄羅斯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選用外徑與內(nèi)徑之比為1.3，試樣的高度分別定為40mm和100mm，即試樣為內(nèi)徑120mm，外徑156mm，高分別為40mm和100mm的環(huán)形試樣(分別為進(jìn)口A、B鐵芯材料各五件)。
為便于比較，選取具有代表性的LM363和LMH-550型產(chǎn)品中測(cè)量級(jí)鐵芯(進(jìn)口B鐵芯材料，數(shù)量分別為五件和兩件)。
2.2 測(cè)試條件
為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)檢驗(yàn)有較強(qiáng)的比對(duì)性，采用與實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)相似的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試，即采用交流測(cè)試線路。
2.3 測(cè)試方法
(1)生產(chǎn)檢驗(yàn)中，是對(duì)鐵芯改變一次線圈中勵(lì)磁電流的方式來(lái)施加外磁場(chǎng)，然后測(cè)量二次線圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再由下式(1)來(lái)獲得對(duì)應(yīng)當(dāng)前磁場(chǎng)下的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。
Uf=4.44 BSN2 f(1)
其中，Uf為次級(jí)繞組感應(yīng)電勢(shì)(V)
B為標(biāo)定磁感應(yīng)強(qiáng)度(Gs)
S為試樣的橫截面積(cm2)
N2為次級(jí)繞組的匝數(shù)(匝)
f為交流磁場(chǎng)的重復(fù)頻率(50Hz)
(2)本文首先以磁感應(yīng)強(qiáng)度B為自變量，在0～20 000Gs之間選取數(shù)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)式(1)計(jì)算出當(dāng)前磁感應(yīng)強(qiáng)度下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Uf值，再通過(guò)調(diào)節(jié)一次線圈中的電流獲得Uf值，并記錄下此時(shí)一次線圈中的勵(lì)磁電流值I。再根據(jù)式(2)得出此時(shí)的H， 終獲得H—B的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
H=N1·I/π·D平(2)
其中，H為外磁場(chǎng)強(qiáng)度值(A/m)
I為一次勵(lì)磁電流值(A)
N1為一次線圈的匝數(shù)(匝)
D平為試樣的平均直徑(cm)
3 分析與討論
B40—B材料高為40mm試樣
B100—B材料高為100mm試樣
A40—A材料高為40mm試樣
A100—A材料高為100mm試樣
550—LMH-550中測(cè)量級(jí)鐵芯
363—LM363中測(cè)量級(jí)鐵芯
H—退火后
Q—退火前
3.1 材料低磁場(chǎng)磁性分析
A與B系同牌號(hào)進(jìn)口材料，其低磁場(chǎng)磁性比較如下：
(1)退火前，由圖2可見(jiàn)材料B的低磁場(chǎng)磁性明顯優(yōu)于A。
(2)退火后，比較圖3～5可以看出，從低磁場(chǎng)到中高磁場(chǎng)，B明顯優(yōu)于A。
3.2 鐵芯結(jié)構(gòu)對(duì)磁性的影響
(1)在同一內(nèi)外徑下，高度較高的磁性明顯優(yōu)于高度較低者(即材料磁性高時(shí)，其磁化曲線在磁性較材料的磁化曲線的左上方)，如圖3、圖6所示。
(2)如果用高與平均直徑之比來(lái)描述鐵芯的 結(jié)構(gòu)特征，則
LM363鐵芯 高/平均直徑=0.057
LMH-550鐵芯 高/平均直徑=0.181
120/156*40試樣 高/平均直徑=0.290
120/156*100試樣 高/平均直徑=0.725
①由圖6可見(jiàn)(在0～1 000Gs范圍內(nèi))，對(duì)同一材料，隨高徑比由高到低，磁性順次下降，即100高試樣、40高試樣、測(cè)量級(jí)鐵芯的曲線依次從左上方向右下方分布。
②由試驗(yàn)可知(曲線略)，大于1 000Gs后，其磁化曲線逐趨相近。
3.3 退火前后磁化曲線的比較
①鐵芯在下料裁剪、繞制后經(jīng)去應(yīng)力退火后其磁性明顯升高。
②在1A/M磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍以內(nèi)(即在對(duì)應(yīng)120Gs磁感范圍內(nèi))，B鐵芯材料未經(jīng)退火狀態(tài)下的磁性比退火后的A鐵芯材料還要好。
在磁場(chǎng)強(qiáng)度大于20A/M后，隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，未經(jīng)退火的鐵芯磁性很快趨向飽和;而經(jīng)去應(yīng)力退火后，在較高磁場(chǎng)下其磁性仍呈線性變化。
3.4 產(chǎn)品鐵芯與試樣磁性比較
(1)LM363L和LMH550測(cè)量級(jí)鐵芯退火前低磁場(chǎng)磁性。
(2)LM363、LMH550鐵芯(B材料繞制)退火后的低磁場(chǎng)磁性與B材料試樣的磁性相近，稍遜，表明試樣具有代表性。
3.5 鐵芯材料顯微組織結(jié)構(gòu)的觀察和比較
(1)從材料單個(gè)晶粒中亞結(jié)構(gòu)可見(jiàn)，(B材料)中的胞狀亞結(jié)構(gòu)與(本試驗(yàn)批A材料)相比較，其位向性較強(qiáng)且均勻;
(2)觀察材料晶界處可見(jiàn)，晶粒間胞狀亞結(jié)構(gòu)位向一致性明顯較圖9(b)的好。其中，B材料，本試驗(yàn)批A材料，饜足LM363和LMH-550型產(chǎn)品中測(cè)量級(jí)鐵芯磁性要求的A材料。
(3)同批材料中低磁場(chǎng)磁性相對(duì)較差的顯微組織結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)，其共同特征是局部晶界突起且較寬處(呈菱形其上均有條紋)較多，影響了整體組織的均勻和連續(xù)性。
由以上觀察和比較可知，鐵芯材料顯微組織結(jié)構(gòu)中，胞狀亞結(jié)構(gòu)位向一致性好且均勻、晶界較窄者其低磁場(chǎng)磁性較高。
4 結(jié)論
1.受制造工藝和工藝控制的影響，同一牌號(hào)但不同廠家生產(chǎn)的鐵芯材料、同一生產(chǎn)廠家不同期的鐵芯材料的低磁場(chǎng)磁性不盡相同;
2. B材料明顯較A材料的低磁場(chǎng)磁性要高;
3. 去應(yīng)力退火可升高鐵芯磁性,尤其可顯著改善磁場(chǎng)下材料的磁性,而未經(jīng)退火的鐵芯材料則在較高磁場(chǎng)下很快趨向飽和;
4. 同一內(nèi)外徑鐵芯,高度較高者磁性能較好;
5. 鐵芯材料顯微組織結(jié)構(gòu)中,胞狀亞結(jié)構(gòu)位向一致性好且均勻、晶界較窄者其低磁場(chǎng)磁性較高。
