【国家标准(GB)】 软磁材料交流磁性能环形试样的测量方法

ICS 77.040.99
中华人民共和国国家标准
GB/T3658--2008
代替GB/T3658—1990GB/T5026—1985软磁材料交流磁性能环形试样
的测量方法
Methods of measurement of a.c. magnetic propertiesof magnetically softmaterials(IEC 60404-6:2003, Methods of measurement of the magnetic properties ofmagnetically soft metallic and powder materials at 2o Hzto 20o kHz by the use of ring specimens,MOD)2008-10-10发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局数码防伪
中国国家标准化管理委员会
2009-05-01实施
GB/T3658—2008
规范性引用文件
3.1试样
温度测量
伏-安法测定磁导率和磁化曲线
用功率表测定比总损耗
用数字阻抗电桥测量磁性能
用数字方法测量磁性能
再现性·
10测试报告
附录A（资料性附录）
附录B（资料性附录）
附录C（资料性附录）
附录D（资料性附录）
附录E（资料性附录)
本标准章条编号与IEC60404-6：2003章条编号对照本标准与IEC60404-6：2003技术性差异及其原因为使附加损耗降至最低而对绕组和所用仪器的要求正弦波形的数字控制方法
修正的海氏电桥测量方法
GB/T3658—2008
本标准修改采用IEC60404-6：2003《磁性材料——第6部分：软磁金属材料和粉末冶金材料20Hz至200kHz频率范围磁性能的环形试样测量方法》(英文版）。为了方便比较，在附录A中列出了本标准章条编号和IEC60404-6：2003章条编号的对照一览表。考虑到我国国情，本标准在采用IEC60404-6：2003时进行了修改。这些技术性差异用垂直单线标识在它们所涉及的条款的页边空白处。在附录B中给出了技术性差异及其原因的一览表以供参考。对于IEC60404-6：2003，本标准做了下列编辑性修改：一“本部分”（指IEC60404第2部分）一词改为“本标准”；一用小数点“”代替作为小数点的逗号“，”；删除国际标准的前言；
一规范性引用文件按对应的国家标准作了变更；一重新编排图片的位置。
本标准代替GB/T3658—1990《软磁合金交流磁性能测量方法》和GB/T5026—1985《软磁合金振幅磁导率测量方法》。
本标准与GB/T3658—1990和GB/T5026—1985相比，主要内容变化如下：按国际标准重新编排结构；
一扩展原标准的测试频率范围；试样尺寸由原标准的固定尺寸改为对外径和内径比的要求；一增加功率表测定比总损耗的方法；增加用数字方法测量磁性的内容；—增加附录A、附录B、附录C、附录D和附录E。本标准的附录A、附录B、附录C、附录D和附录E均为资料性附录。本标准由中国钢铁工业协会提出。本标准由全国钢标准化技术委员会归口。本标准起草单位：宝山钢铁股份有限公司、东北特钢集团大连精密合金有限公司、冶金工业信息标准研究院。
本标准主要起草人：周星、胡志远、李和平、冯超、任翠英、史永辉、么莹。本标准代替历次版本的发布情况—GB/T3658—1983、GB/T3658-1990;——GB/T5026—1985。
1范围
软磁材料交流磁性能环形试样
的测量方法
GB/T3658—2008
本标准规定了除电工钢和软磁铁氧体以外的材料在20Hz至20kHz频率范围的交流磁性能的测试方法。本标准涉及的材料包括：在IEC60404-8-6中列出的特殊合金；IEC60404-8-9中列出的压制、烧结、金属注射成型元件；铸件以及软磁复合材料。本标准的目的是明确用环形试样测试软磁材料磁性能的通则和技术细节。对于粉末状材料，要通过适当挤压的方法制成环形试样。对软磁材料的直流磁性能应按照IEC60404-4的环形试样测量方法进行。软磁元件的磁特性测定应按照IEC62044-3：2000进行。检测一般应在（23士5）℃的环境温度下进行，测试前环形试样应先退磁。经供需双方协商，检测也可在其他温度范围内进行。
2规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GB/T3655用爱泼斯坦方圈测量电工钢片（带）磁性能的方法（GB/T3655—2008，IEC60404-2：1996,Methods of measurement of the magnetic properties of electrical steel sheet and strip by meansofanEpsteinframe,IDT)
IEC60404-4软磁材料第4部分：软磁材料直流磁性能的测量方法IEC60404-8-6磁性材料第8-6部分：单项材料的技术条件软磁金属材料IEC60404-8-9磁性材料第8-9部分：单项材料的技术条件烧结软磁材料IEC62044-3：2000软磁材料制磁芯测量方法第3部分：高磁化场下的磁性能3通则
测量是在绕有一个或两个绕组的环形试样的闭合磁路下进行。3.1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：a）薄带或线材绕成时钟弹簧形的铁芯；b）冲压、激光切割或光化学蚀刻成环样的叠片；c）粉末压制并烧结，金属注射成型或铸造。对于粉末材料，如果通过金属注射成型或压制（及可能的加热）制作环形试样，应按照材料生产方的建议进行，以达到粉末材料的最佳磁性能。对于所有类型的试样，在热处理之前，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，最好将环形试样装在可拆分成两部分的环形盒子内。盒子尺寸应与试样精密配合，避免在材料中产生应力。
GB/T3658-2008
试样尺寸的外径与内径的之比应不大于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，经涂绝缘层后卷绕成环样。1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，量具的准确度应为士0.02mm或更好。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式(1)计算：式中：
A=(D=d)h
A一—一试样的横截面积，单位为平方米（m2）；D—试样的外径，单位为米(m)；d——-试样的内径,单位为米(m)；h试样的高度，单位为米(m）。
注：对于锻材等特殊试样，横截面积可用公式(2)确定。....(1)
对叠片或绕制铁芯环样，试样的横截面积应由质量、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，称量准确度应为士0.1%或更好。密度应为由生产方提供的材料约定密度。横截面积应按式(2)计算：
rp(D+d)
式中：
m—试样的质量，单位为千克(kg)；p材料的密度，单位为千克每立方米(kg/m2）。对于磁场强度计算所需的试样平均磁路长度按式(3)确定：la =r(D+d)
式中：
lm—试样的平均磁路长度，单位为米(m)。3.2绕组
（2）
（3）
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。对于频率高于工频的测量，应注意避免电容和其他效应相关的影响。参见附录C的论述应注意确保在绕线过程中不要损坏电线的绝缘，避免绕线与试样短路。应采用合适的交流绝缘电阻测量仪进行电气检查，确保绕组与试样之间没有直接连接。4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，并使热电偶与磁芯材料牢固接触。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供需双方协定的温度或时间后进行。如果要在高温下测量，应将试样置人烤箱，并在要求的温度下进行。注：一个次要并较小的与时间相关的磁驰豫效应也可能影响磁性能。对于本标准涉及的材料类型，该效应通常被温度变化所掩盖。但是，如果该磁驰豫效应变得明显，允许试样在给定的磁通密度或磁场强度下停留一一段预定的时间后进行最终的测查。
5伏-安法测定磁导率和磁化曲线5.1概述
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环样测量方法通常在20Hz至20kHz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。
注1：如果有合适的经过校准的仪器，频率上限可延伸到1MHz。注2：直流测量应按照IEC60404-4描述的环样方法进行。注3：在高磁化状态和频率接近直流至10MHz甚至更高范围，对取自产品的磁芯进行损耗和有效磁导率的测量方法由IEC62044-3：2000的6.2和6.3给出。5.2设备和连接
5.2.1设备连接
环样应绕上一初级绕组N，和一次级绕组Nz（见3.2并参见附录C)。设备应按图1的电路进行连接。
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士0.2%，频率计准确度为士0.1%或更好。交流电源应与一个在测量频率范围内准确度为士0.2%或更好的无感精密电阻器及环样的初级绕组N，串联，电阻器两端连接一只高输人阻抗（通常大于1MQ)准确度为士1.0%或更好的有效值或峰值电压表，以测量磁化电流。N
-电源（通常是一个振荡信号发生器和功率放大器）；A一-—测量磁化电流的有效值或峰值电流表，或和一个精密电阻器配接的有效值或峰值电压表；Hz—额率计；
N-—初级绕组；
N2——次级绕组；
OSC—示波器；
V—平均值电压表；
V2—有效值电压表。
图1环样方法的电路示意图
次级电路包括两个与次级绕组N2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(V,)测量整流后的平均值，但有时以有效值换算得到，应使用高输人阻抗（通常大于1MQ)准确度为士1.0%或更好的电压表。
注：次级电压的波形应使用示波器确认，保证只含有基波成分。5.2.2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士1%。对后一种情况，需要在磁化电路中串联一个无感电阻器。注1：无感电阻器的时间常数要低，以确保波形在规定的范围内。注2：无感电阻器可以是用于测量磁化电流的同一电阻器。注3：正弦波形的控制可以通过数字方式实现（参见附录D)。在频率为20Hz至20kHz的范围内，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。然3
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后波形系数由有效值与平均值的比率确定。注：为获得最佳的功率传输，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。由式(4)确定：Z=joL
式中：
一电源的输出阻抗，单位为欧姆（Q)；电源的输出角频率，单位为弧度每秒（s-\）；-环形试样的初级绕组的有效电感，单位为亨利(H)，由式(5)计算得出：L=NAro
式中：
Ni-—初级绕组的匝数；
A———试样的横截面积，单位为平方米(m\)；o——磁性常数4元X10-7,亨利每米(H/m)；试样的相对磁导率；
lg—试样的平均磁路长度，单位为米(m)。（4)
（5）
如果相对磁导率未知，可按照5.3和5.4对磁场强度和磁通密度进行初步测定，再按照5.5计算相对磁导率。5.3磁场强度的测定
测量所需的磁场强度由式（6)计算：N,I
式中：
H——磁场强度，单位为安培每米(A/m)；N,——试样上初级绕组的匝数；I—磁化电流，单位为安培(A)；.一一试样平均磁路长度，单位为米(m）。·（6）
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。对于正弦磁通密度，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相应幅值至零。退磁电流的频率应不大于将使用的测量频率。5.4磁通密度的测定
次级电压应采用平均值电压表V，测量，磁通密度由式(7)计算：IU,|=4fABN2
式中：
U,|-—次级电压整流后的平均值，单位为伏(V)；f—频率,单位为赫兹(Hz)；
A—试样的横截面积，单位为平方米（m）；B-—磁通密度的峰值，单位为特斯拉(T)；N2——次级绕组的匝数。
·（7)
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由式(8)得出：B = B'- μH (A\_-A)
式中：
B\-——磁通密度峰值的测量值，单位为特斯拉(T);4
.（8)
磁性常数4元×10-1,单位为亨利每米(H/m)；H——磁场强度的峰值,单位为安培每米(A/m)；A—-次级绕组的横截面积，单位为平方米（m\）；一试样的横截面积，单位为平方米（m2）。A
5.5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式(9)计算：Aa,ms
而相对幅值磁导率则由式(10)计算：Ma
式中：
有效幅值磁导率(用于正弦磁通密度)；一相对幅值磁导率（用于正弦磁场强度）；-磁性常数4元×10-1,单位为亨利每米(H/m)；B-—磁通密度的峰值，单位为特斯拉(T);H一一磁场强度的有效值,单位为安培每米(A/m);H——磁场强度的峰值，单位为安培每米(A/m)。5.6磁化曲线的测定
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（9）
.（10)
如5.3所述，应对试样进行退磁，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。
6用功率表测定比总损耗
6.1测量原理
电源（通常是一个振荡信号发生器和功率放大器）；Hz-
频率计；
一初级绕组；
次级绕组；
OSC——示波器；
W——功率表；
一平均值电压表；
有效值电压表。
图2功率表方法的电路示意图
测量原理与GB/T3655描述的内容相似，此处仅用环样代替爱泼斯坦方圈，并要求使用的仪器能在需要的频率下进行测量。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(参见附录D)，以确保维持正弦的磁通密度。装置与5
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试样绕组应按图2的电路进行连接。注：在高磁化状态和率接近直流至10MHz甚至更高范围，进行比总损耗和幅值磁导率的测盘方法由IEC62044-3：2000的6.2和6.3给出。
6.1.1平均值电压表V，
次级电压整流后的平均值应使用经校准的平均值电压表测量。次级回路中的负载应尽可能小（参见附录C)。因而要求使用具有高输入阻抗的（通常大于1MQ)准确度为土1.0%或更好的电压表。注：此类仪表通常以整流的平均值乘以1.111来分度。6.1.2有效值电压表Vz
应使用具有高输人阻抗的(通常大于1Mα)准确度为士1.0%或更好的有效值电压表测量。次级回路中的负载也应尽可能小，最好也使用一个电子式电压表（参见附录C)。6.1.3功率表W
应使用准确度为士0.5%或更好的功率表。其电压回路的直流电阻为50Q/V以上，并至少应为其电抗的5000倍（参见附录C)。
6.1.4比总损耗的测量
试样应按照5.3进行退磁。然后增大初级绕组N，的电流，直到电压表V,（显示整流后的平均电压)的电压值与由公式(7)计算得出的磁通密度相对应。记录两个电压表V，和V2的测量值，按照5.2.1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。
6.1.5比总损耗的确定
功率表测得的功率P，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(1.111,I)2/R；。
所以试样的总损耗P。应按式（11)计算：P。 -
式中：
P。一计算得到的试样总损耗，单位为瓦特(W)P.功率表测得的功率，单位为瓦特（W)；Ni—初级绕组的匝数；
N2次级绕组的匝数；
1U,|一次级电压整流后的平均值，单位为伏(V)；R——与次级绕组连接的仪表总的等效电阻，单位为欧姆(α)。比总损耗P，由P，除试样的质量得出，即：P, = Ps
式中：
P，—试样的比总损耗，单位为瓦特每千克（W/kg)；m-—试样的质量，单位为千克(kg)。7用数字阻抗电桥浏量磁性能
7.1测量原理
（11）
·（12）
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，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6
电阻计算得出。
注1：LCR表通常只用于参考测定，不作为仲裁方法。GB/T3658-2008
注2：在磁通密度随时间呈正弦变化且平均值为零的条件下，磁性试样由与一个电阻分量和一个电感分量并联表示，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。试样应按照3.1进行制备。应采用匝数足够的单个绕组（Ni)并保持正弦的磁通密度。7.2测量装置
测量装置及所包括的部件如图3所示。7.2.1数字阻抗电桥
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（参见附录E)。为测量并联电感(L,)和并联电阻(R,），在测量频率范围内电桥测量电容的准确度为士1.0%或更好，测量电阻的准确度士0.1%或更好。信号源输出阻抗应足够低，以确保在测试的磁芯中获得正弦的磁通密度。电桥应具有消零功能，可补偿仪器和试样间导线的阻抗。2
电压连接线；
2—电流连接线；
-LCR表。
N绕组；
A一—用于测量磁化电流的有效值电流表或一有效值电压表与一精密电阻器的组合；V.—平均值电压表；
V2——有效值电压表。
图3数字阻抗电桥方法的电路示意图7.2.2有效值电流表
应采用准确度为土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士1.0%或更好的有效值电压表，测量一只与初级绕组串联在测量频率范围内准确度为士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。7.2.3平均值电压表免费标准下载网bzxz
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1MQ)准确度为士1.0%或更好的平均值电压表测量。
注：此类仪表通常以整流的平均值乘以1.111来分度。7.2.4有效值电压表
应采用具有高输入阻抗的（通常大于1M2)准确度为士1.0%或更好的有效值电压表。7.3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芯连接7
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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。磁场强度和磁化电流之间的关系由公式（7)给出，而磁通密度和绕组中的感应电压之间的关系由公式（8）给出。绕组感应电压的波形系数用电压表V1和V2测得的电压来确定。测得的电感和电阻应采用手工或电子方式记录。使用数控仪器并不总能精确地获得所要求的磁化电流或磁通密度。此时，必须进行数据插值，本方法允许插值。
7.4交流相对磁导率的测定
试样的交流感应的相对磁导率由式(13)计算得出：L,l
式中：
,—交流相对磁导率；
L,—-测得的并联电感,单位为亨利(H)；lm一试样的平均磁路长度，单位为米(m)；Ni—绕组的匝数；
A-—试样的横截面积，单位为平方米（m2）；磁性常数4元X10-1，单位为亨利每米（H/m）。o
5比总损耗的测定
比总损耗可以由并联电阻按式(14)计算得出：P, =(1. 111,\[
式中：
P。试样的比总损耗，单位为瓦特每千克(W/kg)；IUI—感应电压整流后的平均值，单位为伏(V)；一试样的质量，单位为千克（kg）；m
R,-——并联电阻，单位为欧姆(α);R——绕组的电阻,单位为欧姆(2)(参见附录C)。8用数字方法测量磁性能
8.1概述
·（13）
·（14）
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的与初级绕组串联的无感精密电阻器的频率特性。8.2装置和连接
环样的绕组应按图4进行连接。
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士0.2%。交流电源应与环样上的初级绕组N及一个在测量频率范围内准确度为士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（士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N2及与其连接的准确度与电压表相当的（士1.0%或更好）电压（A/D)模数转换器V2。
注：电压模数转换器应具有足够的分辨率。所使用的测盘设备的采样率应保证在每个周期内有足够的采样盘。每对数值的采样必须同时进行。
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