浅谈互感器铁芯材料低磁场磁性测试

浅谈互感器铁芯材料低磁场磁性测试

　　1　引言

　　长期以来，由于互感器铁芯材料的供应只提供饱和磁场磁性，不提供低磁场磁性指标，故其低磁场磁性不明。而生产用互感器铁芯对低磁场磁性要求较高，造成生产极大被动。往往同一种不同批次较高牌号(尤其是不同生产厂家)的铁芯材料，其低磁场磁性悬殊很大。以前对此认识不足，曾将大量精力花费在其退火处理上，但并不奏效，大量的铁芯因磁性不能通过生产检验而报废。为满足生产急需，只能在众多铁芯中选用少量合格品，若选择纳米晶或坡莫合金则成本急剧上升。随着生产产值逐年增加和生产周期的缩短，铁芯磁性成为制约生产的严重问题。

　　为此，我们试用了进口的B铁芯材料(与进口的A材料属同牌号)，生产投用后，磁性跟踪效果很好，暂时缓解了制约生产急需的问题。为从根本上改善因铁芯材料低磁场磁性不明而造成的大量废品浪费并摆脱盲目的生产状态，本文通过对互感器铁芯材料低磁场磁性的测试和研究，为铁芯的材料选择和设计制作提供了重要依据。

　　2 试验方法及测试手段

　　2.1　试样

　　国家标准中对于磁性材料推荐采用方圈和双磁轭磁导仪来测量其交流磁性能，但仅适用于饱和磁场下的磁性能测试，而无法测量低磁场下的磁感应强度。同时，美国材料与试验协会标准ASTM及俄罗斯国家标准均提到，可选用环形铁芯试样作为材料测试磁性的标准试样。为此，我们采用绕制的内径120mm作为标准试样的内径，并参照相关俄罗斯国家标准选用外径与内径之比为1.3，试样的高度分别定为40mm和100mm，即试样为内径120mm，外径156mm，高分别为40mm和100mm的环形试样(分别为进口A、B铁芯材料各五件)。

　　为便于比较，选取具有代表性的LM363和LMH-550型产品中测量级铁芯(进口B铁芯材料，数量分别为五件和两件)。

　　2.2　测试条件

　　为使试验数据与生产检验有较强的比对性，采用与实际生产检验相似的试验方法进行测试，即采用交流测试线路。

　　2.3　测试方法

　　(1)生产检验中，是对铁芯改变一次线圈中励磁电流的方式来施加一定的外磁场，然后测量二次线圈两端的感应电动势，再由下式(1)来获得对应当前磁场下的磁感应强度值。

　　Uf=4.44 BSN2 f(1)

　　其中，Uf为次级绕组感应电势(V)

　　B为标定磁感应强度(Gs)

　　S为试样的横截面积(cm2)

　　N2为次级绕组的匝数(匝)

　　f为交流磁场的重复频率(50Hz)

　　(2)本文首先以磁感应强度B为自变量，在0～20 000Gs之间选取一定数量的数据点，根据式(1)计算出当前磁感应强度下的感应电动势Uf值，再通过调节一次线圈中的电流获得Uf值，并记录下此时一次线圈中的励磁电流值I。再根据式(2)得出此时的H，最终获得H—B的对应关系。

　　H=N1·I/π·D平(2)

　　其中，H为外磁场强度值(A/m)

　　I为一次励磁电流值(A)

 

　　N1为一次线圈的匝数(匝)

　　D平为试样的平均直径(cm)

 

　　3　分析与讨论

　　B40—B材料高为40mm试样

　　B100—B材料高为100mm试样

　　A40—A材料高为40mm试样

 

　　A100—A材料高为100mm试样

　　550—LMH-550中测量级铁芯

 

　　363—LM363中测量级铁芯

　　H—退火后

　　Q—退火前

 

　　3.1　材料低磁场磁性分析

 

　　A与B系同牌号进口材料，其低磁场磁性比较如下：

　　(1)退火前，由图2可见材料B的低磁场磁性明显优于A。

　　(2)退火后，比较图3～5可以看出，从低磁场到中高磁场，B明显优于A。

　　3.2　铁芯结构对磁性的影响

　　(1)在同一内外径下，高度较高的磁性明显优于高度较低者(即材料磁性高时，其磁化曲线在磁性较材料的磁化曲线的左上方)，如图3、图6所示。

 

　　(2)如果用高与平均直径之比来描述铁芯的一定结构特征，则

 

　　LM363铁芯 高/平均直径=0.057

　　LMH-550铁芯 高/平均直径=0.181

 

　　120/156*40试样 高/平均直径=0.290

　　120/156*100试样 高/平均直径=0.725

　　①由图6可见(在0～1 000Gs范围内)，对同一材料，随高径比由高到低，磁性顺次下降，即100高试样、40高试样、测量级铁芯的曲线依次从左上方向右下方分布。

　　②由试验可知(曲线略)，大于1 000Gs后，其磁化曲线逐趋相近。

　　3.3　退火前后磁化曲线的比较

　　①铁芯在下料裁剪、绕制后经去应力退火后其磁性明显提高。

 

　　②在1A/M磁场强度范围以内(即在对应120Gs磁感范围内)，B铁芯材料未经退火状态下的磁性比退火后的A铁芯材料还要好。

　　在磁场强度大于20A/M后，随磁场强度增加，未经退火的铁芯磁性很快趋向饱和;而经去应力退火后，在较高磁场下其磁性仍呈线性变化。

　　3.4　产品铁芯与试样磁性比较

　　(1)LM363L和LMH550测量级铁芯退火前低磁场磁性。

 

　　(2)LM363、LMH550铁芯(B材料绕制)退火后的低磁场磁性与B材料试样的磁性相近，仅稍逊，表明试样具有代表性。

 

　　3.5　铁芯材料显微组织结构的观察和比较

 

　　(1)从材料单个晶粒中亚结构可见，(B材料)中的胞状亚结构与(本试验批A材料)相比较，其位向性较强且均匀;

 

　　(2)观察材料晶界处可见，晶粒间胞状亚结构位向一致性明显较图9(b)的好。其中，B材料，本试验批A材料，满足LM363和LMH-550型产品中测量级铁芯磁性要求的A材料。

 

　　(3)同批材料中低磁场磁性相对较差的显微组织结构，可见，其共同特征是局部晶界突起且较宽处(呈菱形其上均有条纹)较多，影响了整体组织的均匀和连续性。

　　由以上观察和比较可知，铁芯材料显微组织结构中，胞状亚结构位向一致性好且均匀、晶界较窄者其低磁场磁性较高。

　　4　结论

　　1.受制造工艺和工艺控制的影响，同一牌号但不同厂家生产的铁芯材料、同一生产厂家不同期的铁芯材料的低磁场磁性不尽相同;

　　2. B材料明显较A材料的低磁场磁性要高;

　　3. 去应力退火可提高铁芯磁性,尤其可显著改善磁场下材料的磁性,而未经退火的铁芯材料则在较高磁场下很快趋向饱和;

　　4. 同一内外径铁芯,高度较高者磁性能较好;

 

　　5. 铁芯材料显微组织结构中,胞状亚结构位向一致性好且均匀、晶界较窄者其低磁场磁性较高。