CN103969602A - 测试三维磁场磁感应强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维磁场磁感应强度的测磁元件，通过使用该测磁元件，达到测量三维磁场确定磁感应强度的目的，本发明主要包括：中心立方体(1)、x方向骨架(2)、y方向骨架(3)、z方向骨架(4)、x方向线圈(5)、y方向线圈(6)和z方向线圈(7)，中心立方体和三个骨架分别设有定位锥孔锥销，用于定位x、y和z方向的三个测磁线圈；中心立方体和三个绕制线圈的骨架：材质为绝缘胶木；x方向、y方向和z方向的三个线圈：用Φ0.05mm的漆包线分别在三个骨架上绕制三个各400匝的线圈，线圈绕制完成后对其进行标定。通过测试x方向、y方向和z方向的三个测磁线圈的感应电势和频率，按公式(1)～(5)计算并确定该点位置的x、y和z方向的磁感应强度及该点位置的磁感应强度矢量的幅值和相位。

Description

测试三维磁场磁感应强度的方法

技术领域：

本发明涉及一种测试三维磁场磁感应强度的方法。

背景技术：

随着发电机行业的迅速发展，空冷汽轮发电机的容量在不断提高，大型发电机端部磁场引起的定子边段铁心和端部结构件的发热问题已成为危及发电机正常运行的重要因素，磁感应强度是磁场性质的基本物理量，磁感应强度的高或低直接关系到结构件的发热，因此对于发电机端部磁场的测试研究在生产和科研中都具有重要意义。目前三维磁场磁感应强度测试还是比较困难的，现有测量磁场的方法，主要是使用霍尔探头和专用的测试仪器来测量空间某点的磁场。首先传统霍尔探头制作工艺复杂，对测量系统要求严格，成本高；其次不适用于电机内部多点磁场的同时测试。适合空冷汽轮发电机端部磁场测试的三维磁场磁感应强度测磁元件还没有。

发明内容：本发明的目的是公开一种测试三维磁场磁感应强度的方法，本发明的测磁元件制做工艺简单、成本低、适合电机内部多点磁场的测试，使用常规的万用表即可完成测磁任务。过本发明达到测量三维磁场磁感应强度的目的。本发明的技术方案为：一种测试三维磁场磁感应强度的方法，中心立方体(1)、x方向骨架(2)、y方向骨架(3)、z方向骨架(4)、x方向线圈(5)、y方向线圈(6)和z方向线圈(7)，中心立方体和三个骨架分别设有定位锥孔锥销，用于定位x、y和z方向的三个测磁线圈，用绝缘胶木制做一个中心立方体和三个绕制线圈的骨架，采用Φ0.05mm的漆包线分别在三个骨架上绕制x方向、y方向和z方向的三个各400匝的线圈，线圈绕制完成后对其进行标定，得到x方向、y方向和z方向的三个线圈标定常数(C_x，C_y，C_z)，线圈标定常数为匝数与等效面积的乘积，将绕好测磁线圈的三个骨架用J39胶分别粘接在中心立方体的x方向、y方向和z方向，在使用该测磁元件测量某点位置的磁感应强度时，通过测试x方向、y方向和z方向的三个测磁线圈的感应电势和频率，按公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)计算并最终确定该点位置的x方向、y方向和z方向的磁感应强度及该点位置的磁感应强度矢量的幅值和相位，磁感应强度计算公式为：

$\mathrm{Bx}=\frac{\mathrm{Ux}}{4.44\·f\·\mathrm{Cx}},T---\left(1\right)$

$\mathrm{By}=\frac{\mathrm{Uy}}{4.44\·f\·\mathrm{Cy}},T---\left(2\right)$

$\mathrm{Bz}=\frac{\mathrm{Uz}}{4.44\·f\·\mathrm{Cz}},T---\left(3\right)$

式中：

B_x——为x方向磁感应强度，(T)；

U_x——为x方向测磁线圈的感应电势，(V)；

f——为频率，(Hz)；

C_x——为x方向测磁线圈的标定常数，(m²)；

B_y——为y方向磁感应强度，(T)；

U_y——为y方向测磁线圈的感应电势，(V)；

C_y——为y方向测磁线圈的标定常数，(m²)；

B_z——为z方向磁感应强度，(T)；

U_z——为z方向测磁线圈的感应电势，(V)；

C_z——为z方向测磁线圈的标定常数，(m²)；

磁感应强度矢量的幅值和相位：

$B=\sqrt{{B_x}^2+{B_y}^2+{B_z}^2},T---\left(4\right)$

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_x=\arccos \left(\frac{B_x}{B}\right),T\\ {\mathrm{\φ}}_y=\arccos \left(\frac{B_y}{B}\right),T\\ {\mathrm{\φ}}_z=\arccos \left(\frac{B_z}{B}\right),T\end{array}\right\}---\left(5\right)$

式中：

B——为磁感应强度矢量的幅值，(T)；

φ_x——为磁感应强度矢量与x轴的夹角，(°)；

φ_y——为磁感应强度矢量与y轴的夹角，(°)；

φ_z——为磁感应强度矢量与z轴的夹角，(°)。

传统的磁场测量装置采用霍尔元件放置在探针头前端对空间某点磁场进行探测。该方法适合探测空间一个固定点上的磁场大小，不适用于电机内部多点磁场的同时测试。

本发明针对传统磁场测量装置不适用于多点磁场同时测试的问题，提供了一种测磁元件体积小，最大尺寸仅为6.5mm×6.5mm×6.5mm；制做工艺简单、成本低，测磁元件采用绝缘胶木制做的一个中心立方体和三个绕制测磁线圈的骨架；带定位锥销，提高了x方向、y方向和z方向定位精度；测磁元件可以粘接在电机内部要测量磁场的位置，适合电机内部多点磁场的测试。能够测量三维磁场x方向、y方向和z方向的磁感应强度及磁感应强度矢量的幅值和相位；适用于发电机端部磁场的测试及其它领域三维磁场测试等。

本发明与现有技术相比，其有益效果体现在下述几方面：1)制做工艺简单、成本低，采用绝缘胶木制做的一个中心立方体和三个绕制测磁线圈的骨架；2)适合电机内部多点磁场的测试，测磁元件可以粘接在电机内部要测量磁场的位置；3)使用常规的万用表通过测试测磁线圈的感应电势，即可完成多点磁场的测磁任务。

附图说明：

图1：三维磁场磁感应强度测磁元件结构图

具体实施方式：

如图1所示，中心立方体1、x方向骨架2、y方向骨架3、z方向骨架4、x方向线圈5、y方向线圈6和z方向线圈7，测磁元件最大尺寸为6.5mm×6.5mm×6.5mm，中心立方体和三个骨架分别设有定位锥孔锥销，用于定位x、y和z方向的三个测磁线圈，用绝缘胶木制做一个中心立方体和三个绕制线圈的骨架，采用Φ0.05mm的漆包线分别在三个骨架上绕制x方向、y方向和z方向的三个各400匝的线圈，线圈绕制完成后对其进行标定，得到x方向、y方向和z方向的三个线圈标定常数(C_x，C_y，C_z)，线圈标定常数为匝数与等效面积的乘积，将绕好测磁线圈的三个骨架用J39胶分别粘接在中心立方体的x方向、y方向和z方向，在使用该测磁元件测量某点位置的磁感应强度时，通过测试x方向、y方向和z方向的三个测磁线圈的感应电势和频率，按公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)计算并最终确定该点位置的x方向、y方向和z方向的磁感应强度及该点位置的磁感应强度矢量的幅值和相位，磁感应强度计算公式为：

$\mathrm{Bx}=\frac{\mathrm{Ux}}{4.44\·f\·\mathrm{Cx}},T---\left(1\right)$

$\mathrm{By}=\frac{\mathrm{Uy}}{4.44\·f\·\mathrm{Cy}},T---\left(2\right)$

$\mathrm{Bz}=\frac{\mathrm{Uz}}{4.44\·f\·\mathrm{Cz}},T---\left(3\right)$

式中：

B_x——为x方向磁感应强度，(T)；

U_x——为x方向测磁线圈的感应电势，(V)；

f——为频率，(Hz)；

C_x——为x方向测磁线圈的标定常数，(m²)；

B_y——为y方向磁感应强度，(T)；

U_y——为y方向测磁线圈的感应电势，(V)；

C_y——为y方向测磁线圈的标定常数，(m²)；

B_z——为z方向磁感应强度，(T)；

U_z——为z方向测磁线圈的感应电势，(V)；

C_z——为z方向测磁线圈的标定常数，(m²)；

磁感应强度矢量的幅值和相位：

$B=\sqrt{{B_x}^2+{B_y}^2+{B_z}^2},T---\left(4\right)$

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_x=\arccos \left(\frac{B_x}{B}\right),T\\ {\mathrm{\φ}}_y=\arccos \left(\frac{B_y}{B}\right),T\end{array}\right\}---\left(5\right)$

${\mathrm{\φ}}_z=\arccos \left(\frac{B_z}{B}\right),T$

式中：

B——为磁感应强度矢量的幅值，(T)；

φ_x——为磁感应强度矢量与x轴的夹角，(°)；

φ_y——为磁感应强度矢量与y轴的夹角，(°)；

φ_z——为磁感应强度矢量与z轴的夹角，(°)。

三维磁场磁感应强度测磁元件的结构图，用绝缘胶木制做一个中心立方体，中心立方体的x、y和z方向中心位置分别设有定位锥孔，用绝缘胶木再制做三个绕制线圈带定位锥销的骨架，骨架设有定位锥销，用于定位x、y和z方向的三个测磁线圈，用Φ0.05mm的漆包线分别在三个骨架上绕制三个各400匝的线圈，既x方向、y方向和z方向测磁线圈，线圈绕制完成后对其进行标定，将测磁线圈放置到已知恒定标准磁场的标定区域，使用FM-1型磁通积分器对其进行标定，分别得到x方向、y方向和z方向的三个线圈标定常数(C_x，C_y，C_z)，线圈标定常数为匝数与等效面积的乘积，将标定好测磁线圈的三个骨架的定位锥销与中心立方体的定位锥孔对准，用J39胶分别粘接在中心立方体的x方向、y方向和z方向，在使用该测磁元件测量某点位置的磁感应强度时，通过测试x方向、y方向和z方向的三个测磁线圈的感应电势和频率，按公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)计算并最终确定该点位置的x方向、y方向和z方向的磁感应强度及该点位置的磁感应强度矢量的幅值和相位。

Claims (2)

1.一种测试三维磁场磁感应强度的方法，其特征是：中心立方体(1)、x方向骨架(2)、y方向骨架(3)、z方向骨架(4)、x方向线圈(5)、y方向线圈(6)和z方向线圈(7)，中心立方体和三个骨架分别设有定位锥孔锥销，用于定位x、y和z方向的三个测磁线圈，用绝缘胶木制做一个中心立方体和三个绕制线圈的骨架，采用Φ0.05mm的漆包线分别在三个骨架上绕制x方向、y方向和z方向的三个各400匝的线圈，线圈绕制完成后对其进行标定，得到x方向、y方向和z方向的三个线圈标定常数(C_x，C_y，C_z)，线圈标定常数为匝数与等效面积的乘积，将绕好测磁线圈的三个骨架用J39胶分别粘接在中心立方体的x方向、y方向和z方向，在使用该测磁元件测量某点位置的磁感应强度时，通过测试x方向、y方向和z方向的三个测磁线圈的感应电势和频率，按公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)计算并最终确定该点位置的x方向、y方向和z方向的磁感应强度及该点位置的磁感应强度矢量的幅值和相位，磁感应强度计算公式为：

$\mathrm{Bx}=\frac{\mathrm{Ux}}{4.44\·f\·\mathrm{Cx}},T---\left(1\right)$

$\mathrm{By}=\frac{\mathrm{Uy}}{4.44\·f\·\mathrm{Cy}},T---\left(2\right)$

$\mathrm{Bz}=\frac{\mathrm{Uz}}{4.44\·f\·\mathrm{Cz}},T---\left(3\right)$ 式中：

B_x——为x方向磁感应强度，(T)；

U_x——为x方向测磁线圈的感应电势，(V)；

f——为频率，(Hz)；

C_x——为x方向测磁线圈的标定常数，(m²)；

B_y——为y方向磁感应强度，(T)；

U_y——为y方向测磁线圈的感应电势，(V)；

C_y——为y方向测磁线圈的标定常数，(m²)；

B_z——为z方向磁感应强度，(T)；

U_z——为z方向测磁线圈的感应电势，(V)；

C_z——为z方向测磁线圈的标定常数，(m²)；

磁感应强度矢量的幅值和相位：

$B=\sqrt{{B_x}^2+{B_y}^2+{B_z}^2},T---\left(4\right)$

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_x=\arccos \left(\frac{B_x}{B}\right),T\\ {\mathrm{\φ}}_y=\arccos \left(\frac{B_y}{B}\right),T\end{array}\right\}---\left(5\right)$

${\mathrm{\φ}}_z=\arccos \left(\frac{B_z}{B}\right),T$

式中：

B——为磁感应强度矢量的幅值，(T)；

φ_x——为磁感应强度矢量与x轴的夹角，(°)；

φ_y——为磁感应强度矢量与y轴的夹角，(°)；

φ_z——为磁感应强度矢量与z轴的夹角，(°)。

2.根据权利要求1所述的一种测试三维磁场磁感应强度的方法，其特征是：测磁元件最大尺寸为6.5mm×6.5mm×6.5mm。