CN104569875A - 一种可控应力条件下的硅钢片二维磁特性测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种可控应力条件下的硅钢片二维磁特性测量系统，它包括硅钢片二维磁特性测试仪、加力执行装置、数据采集与控制系统、功率放大器和信号处理系统及控制计算机；控制计算机与数据采集与控制系统的数据采集卡连接，数据采集卡信号输出端依次通过两路功率放大器，隔离变压器分别与硅钢片二维磁特性测试仪的输入端连接，硅钢片二维磁特性测试仪又分别先连接两组B、H传感器线圈再通过多通道差分放大电路连入数据采集卡中，同时数据采集卡信号输出端还通过传动控制器与伺服电机及加力执行装置的部件连接，硅钢片立方体样品表面的压力传感器又与数据采集卡的输入端连接；其测量方法有六大步骤。本发明实现了在可控应力条件下的硅钢片二维磁特性测量。

Description

一种可控应力条件下的硅钢片二维磁特性测量系统及其测量方法

技术领域：本发明涉及硅钢片磁特性测量装备，具体指一种可控应力条件下的硅钢片二维磁特性测试系统及其测量方法。

背景技术：硅钢片二维磁特性测试系统主要是依据电磁感应定律，通过控制计算机对硅钢片的两个相互正交方向励磁，在被测样片中心区域产生磁场，再通过在样片中心放置的B线圈作为测量磁通密度波形的传感器，通过紧贴样片表面被测区域的H线圈作为测量磁场强度波形的传感器，从而完成各种磁特性的测量。

已有的硅钢片二维磁特性的测量系统，其测量方法都是以正弦磁通密度作为测量标准，通过反馈控制系统调整励磁电压，来保证被测样片中相互正交的两个方向上产生的磁通密度为正弦波形，然后通过两个正交方向上的磁通密度矢量合成，产生磁通密度矢量B末端为直线、椭圆、正圆的交变磁场。然而硅钢片在电磁设备中所表现出的复杂的非线性磁特性，除了与其材料内部的组织结构有关外，还与对其激励的电源有关。对此，沈阳工业大学的谢德馨等在其发明专利CN 101762797A中提出一种新型硅钢片二维磁特性测量方法，通过将被测样片裁剪为励磁方向与轧制方向成不同角度的样片，实现励磁方向的改变，并且测量时根据需要输入两相或单相任意波形的电压，通过改变励磁电压的波形，得到不同电压源激励下硅钢片的磁特性。然而实际情况中，硅钢片在电气设备中容易受到挤压而产生应力，已有的硅钢片二维磁特性测量系统并未考虑一定压力条件下硅钢片磁特性的测量。

已有的硅钢片二维磁特性测量系统所使用的样品，都是薄的正方形硅钢片。然而电气设备中的硅钢片都是叠压成各种立体形态。

已有的硅钢片二维磁特性测量系统，其磁通密度矢量B的测量线圈都是缠绕在硅钢片样品上，磁场强度矢量H的测量线圈则正交地缠绕在H线圈传感器上，再将H线圈传感器固定在待测样品表面，且H线圈传感器面积与硅钢片样品面积相等。然而由于退磁作用，仅在样品表面中心处磁场强度矢量H才相对均匀且与样品内部的磁场强度大致相等。而B线圈缠绕在样品表面所造成的间隙又对H线圈传感器的装配和卸载带来阻碍。

发明内容

1、发明目的：本发明为了克服上述已有技术的缺点，提出一种可控应力条件下的硅钢片二维磁特性测量系统及其测量方法。

2、技术方案：本发明是通过以下技术方案实施的：

1)一种可控应力条件下的硅钢片二维磁特性测量系统，包括硅钢片二维磁特性测试仪、加力执行装置、数据采集与控制系统、功率放大器和信号处理系统及控制计算机；它们之间的位置连接关系是：控制计算机与数据采集与控制系统的数据采集卡连接，数据采集卡信号输出端依次通过两路功率放大器，隔离变压器分别与硅钢片二维磁特性测试仪的输入端连接，硅钢片二维磁特性测试仪又分别先连接两组B、H传感器线圈再通过多通道差分放大电路连入数据采集卡中。同时数据采集卡信号输出端还通过传动控制器与伺服电机及加力执行装置的部件连接，控制压力及硅钢片二维磁特性测试仪的输出端，硅钢片立方体样品表面的压力传感器又与数据采集卡的输入端连接；

该硅钢片二维磁特性测试仪包括互相垂直的下磁轭、后磁轭，将2对励磁绕组分别串联且对称地缠绕在下磁轭和后磁轭的两个端部上，且位置需远离磁轭开口处。后磁轭通过后磁轭固定装置固定在后磁轭托板上，后磁轭托板又通过固定装置固定在加力装置支柱上，通过螺栓固定在后支柱上，由加力装置支柱与后支柱共同作用以支撑后磁轭及后磁轭托板，固定在底座上，下磁轭直接固定在底座上；

被测硅钢片立方体样品放置在立方体传感箱内，固定在后磁轭托板上。立方体传感箱的前后、左右四个侧面贴装B、H传感线圈；

加力执行装置在加力装置支柱的导槽中上下移动，从上方对立方体样品施加压力。

在立方体传感箱外表面的前后、左右四个方向与下磁轭、后磁轭极头之间夹有四个用与样品同种材料叠压而成、与立方体侧面积相同的薄硅钢片。

立方体传感箱共5面，上方空出，使加力执行装置与立方体样品上表面接触以施加压力。

双层结构的H传感线圈绕置在基板上，且在中心嵌入小圆环形B传感器线圈，基板紧贴立方体传感箱的前后、左右四个侧面。

硅钢片立方体样品置于下磁轭与后磁轭所形成的正交磁路的中心。

下磁轭、后磁轭均采用C形切口铁心，两个铁心尺寸完全相同，铁心除开口处外无缝隙，在铁心开口处端部加工成楔形。

用于叠压被测硅钢片立方体样品的硅钢片轧制方向与励磁方向成不同的剪裁角θc裁剪，0°≤θc≤90°。

下磁轭、后磁轭均采用单轭结构。

后磁轭托板位于后磁轭励磁绕组下方的部分挖出两对称的槽使后磁轭励磁绕组嵌入。

加力执行装置底面为面积略小于立方体样品上表面积的正方形，立方体样品产生的应变由贴在样品上表面的应变花测量，应变花导线由立方体传感箱上方引出。

2)一种可控应力条件下的硅钢片二维磁特性测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：在硅钢片立方体样品的两个正交方向上加载指定的励磁电压，电压波形根据具体电气设备和电源确定；

步骤二：通过B线圈传感器和H线圈传感器测量硅钢片中的磁通密度和磁场强度；

步骤三：改变电压波形幅值，重复步骤一、二，得到一组磁通密度幅值从小到大变化的磁化曲线；

步骤四：通过改变硅钢片的测量角度，改变被测磁场方向，重复步骤一、二、三，得到一组不同磁场方向、幅值从小到大变化的磁化曲线；

步骤五：根据需要输入两相或单相任意波形的电压，通过改变励磁电压的波形，得到不同电压源激励下硅钢片的磁特性，重复步骤一、二、三、四，得到一组不同电源励磁、不同磁场方向、幅值从小到大变化的磁化曲线；

步骤六：通过加力执行装置对立方体样品上表面施加压力，并改变压力大小，重复步骤一、二、三、四、五，得到不同应力条件下的磁化曲线；

其中，在信号采集过程中，B线圈传感器(13)和H线圈传感器(14)上的信号要同步采集，如果采用异步采集方式，时间延迟应小于10ns。

其中，在测试过程中，励磁电压先从小信号开始加载，逐渐升高，直到被测样品达到饱和。

3、优点及效果：本发明相较于现有技术的优点在于：

(1)本发明通过加力及装置使硅钢片在不同应力状态下受到励磁作用产生磁通密度及磁场强度矢量，实现在可控应力条件下的硅钢片二维磁特性测量。

(2)本发明采用叠压成立方体的硅钢片样品，可以更好地模拟电气设备中硅钢材料的情况。

(3)本发明的H传感器线圈缠绕在基板上，在H传感器线圈中心嵌入小圆环形B传感器线圈，且基板紧贴立方体传感箱四个侧面，位于立方体样品侧面的中心位置，使测量结果更接近立方体样品内部情况。

(4)本发明在立方体传感箱外表面的前后、左右四个方向与下磁轭、后磁轭极头之间夹有四个用与样品同种材料叠压而成、与立方体侧面积相同的薄硅钢片。夹入的硅钢片可使立方体样品表面的B、H矢量更加均匀，提高测量精度。

附图说明

图1为可控应力条件硅钢片二维磁特性测量系统示意图；

图2为可控应力条件硅钢片二维磁特性测量器立体结构示意图；

图3为立方体样品、传感箱及B、H线圈传感器局部放大示意图；

图4为立方体传感箱及外加硅钢片局部放大示意图；

图5为后磁轭托板、加力装置支柱及底座剖视示意图；

图6为应变花示意图；

附图标记说明：

1、下磁轭  2、后磁轭  3、后磁轭托板  4、加力装置支柱  5、后支柱  6、底座7、8、9、10、励磁绕组  11、被测电工钢片(硅钢片)立方体样品  12、立方体传感箱  13、B传感器线圈  14、H传感器线圈  16、加力执行装置  17、薄电工钢片  18、基板  19、应变花  20、后磁轭固定装置  21、螺栓  22、控制计算机  23、数据采集卡  24、25、功率放大器  26、27、隔离变压器  28、传动控制器。

具体实施方式：

见图1—图6，图1为本发明一种可控应力条件下的硅钢片二维磁特性测量系统示意图，如图1所示，通过控制计算机22产生控制信号、压力控制信号和电压控制信号，由数据采集卡23输出，将控制信号传送给加热器控制电路控制加热装置加热；将压力控制信号传送给传动控制器控制伺服电机施加应力；使电压控制信号经过功率放大器24、25得到足够大的励磁信号，经过隔离变压器26、27将测量器和功率放大器隔离，励磁信号被加到励磁绕组上，然后将应变花19上的压力信号送回到数据采集卡23，将B传感器线圈13和H传感器线圈14上的感应的电压信号通过功率放大24、25和隔离变压器26、27放大，送回到数据采集卡23，经过数据处理得到磁通密度和磁场强度的波形。图中箭头的方向代表数据的流向。

一种可控应力条件下的硅钢片二维磁特性测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：在电工钢片立方体样品的两个正交方向上加载指定的励磁电压，电压波形根据具体电气设备和电源确定；

步骤二：通过B传感器线圈14和传感器H线圈14测量电工钢片中的磁通密度和磁场强度；

步骤三：改变电压波形幅值，重复步骤一、二，得到一组磁通密度幅值从小到大变化的磁化曲线；

步骤四：通过改变电工钢片的测量角度，改变被测磁场方向，重复步骤一、二、三，得到一组不同磁场方向、幅值从小到大变化的磁化曲线；

步骤五：根据需要输入两相或单相任意波形的电压，通过改变励磁电压的波形，得到不同电压源激励下电工钢片的磁特性，重复步骤一、二，三、四，得到一组不同电源励磁、不同磁场方向、幅值从小到大变化的磁化曲线；

步骤六：通过加力装置对立方体样品上表面施加压力，并改变压力大小，重复步骤一、二，三、四、五，得到不同应力条件下的磁化曲线

传感器上的信号要同步采集，如果采取异步采集方式，时间延迟应小于10ns。在测量过程中，励磁电压先从小信号开始加载，逐渐升高，直到被测样片达到饱和。在对被测电工钢片(硅钢片)立方体样品11的一个方向测量完毕后，更换剪切角不同的被测电工钢片(硅钢片)立方体样品11，再重复上面的测量过程，直到所有被测方向的磁特性测完；然后改变励磁电压的波形，施加的压力，重复上述测量过程，得到不同应力状态和不同类型电压源励磁作用下，一种牌号的电工钢片(硅钢片)立方体样品11在不同方向上的二维磁特性。

一种可控应力条件下的硅钢片二维磁特性测量系统的组装过程如图2所示，用有机玻璃制成后磁轭托板3，将后磁轭2固定在后磁轭托板3上，将后磁轭托板3固定在加力装置支柱4上，通过螺栓21固定在后支柱5上。用有机玻璃或塑料制成底座6，由加力装置支柱4与后支柱5共同作用以支撑后磁轭2及后磁轭托板3，固定在底座6上。下磁轭1直接固定在底座6上，下磁轭1与后磁轭2相互垂直，形成立体机构。后磁轭托板3位于励磁绕组9、10下方的部分挖出两对称的槽使励磁绕组9、10嵌入。

使用非铁磁材料材料制成加力装置，与伺服电机相连。将伺服电机控制的加力执行装置16嵌入加力装置支柱4的导槽中可上下移动，从上方对立方体样品施加压力。

立方体传感箱12，共5面，上方空出，使加力执行装置16与立方体样品上表面接触以施加压力。立方体传感箱12固定在后磁轭托板3上。传感器附着在立方体样品下表面，导线由立方体传感箱12上方引出，与数据采集卡22的输入端连接。立方体传感箱12的前后、左右四个侧面贴装B、H传感器线圈13、14，H传感器线圈由0.03mm的漆包线绕制，缠绕在由环氧树脂制成的基板18上，且在中心覆盖由0.03mm的漆包线绕制成小圆环形的B传感器线圈13，基板18紧贴立方体传感箱12的前后、左右四个侧面。H传感器线圈14和B传感器线圈13的引线通过导线板引出。两对磁轭的极头将立方体传感箱12顶紧。

测试时在电工钢片(硅钢片)立方体样品11前后、左右四个侧面与立方体传感箱12内表面之间夹上四个用与样品同种材料叠压而成、与立方体侧面积相同的薄电工钢片17。

除构成磁路的后磁轭2、下磁轭1和被测电工钢片(硅钢片)立方体样品11外，其余机构件均为非铁磁材料；后磁轭2与下磁轭1均采用C型切口铁心，并采用单轭结构；两个磁路的铁心尺寸完全相同，铁心尺寸完全相同，铁心除开口处外无缝隙，在铁心开口处端部加工成楔形或尖角形或平面。铁心除与立方体传感箱12连接处外无其他缝隙，有利于励磁组的套装。

励磁绕组7、8、9、10缠绕在绕组支架上，且第一对励磁绕组7、8对称地缠绕在下磁轭1的两个端部，第二对励磁绕组9、10对称地缠绕在后磁轭2的两个端部，且位置远离铁轭开口处，其中第一对励磁绕组7和8串联，第二对励磁绕组9和10串联。

Claims (4)

1.一种可控应力条件下的硅钢片二维磁特性测量系统，其特征在于：它包括硅钢片二维磁特性测试仪、加力执行装置、数据采集与控制系统、功率放大器和信号处理系统及控制计算机；控制计算机与数据采集与控制系统的数据采集卡连接，数据采集卡信号输出端依次通过两路功率放大器，隔离变压器分别与硅钢片二维磁特性测试仪的输入端连接，硅钢片二维磁特性测试仪又分别先连接两组B、H传感器线圈再通过多通道差分放大电路连入数据采集卡中，同时数据采集卡信号输出端还通过传动控制器与伺服电机及加力执行装置的部件连接，控制压力及硅钢片二维磁特性测试仪的输出端，硅钢片立方体样品表面的压力传感器又与数据采集卡的输入端连接；

该硅钢片二维磁特性测试仪包括互相垂直的下磁轭、后磁轭，将2对励磁绕组分别串联且对称地缠绕在下磁轭和后磁轭的两个端部上，且位置需远离磁轭开口处；后磁轭通过后磁轭固定装置固定在后磁轭托板上，后磁轭托板又通过固定装置固定在加力装置支柱上，通过螺栓固定在后支柱上，由加力装置支柱与后支柱共同作用以支撑后磁轭及后磁轭托板，固定在底座上；下磁轭直接固定在底座上；

被测硅钢片立方体样品放置在立方体传感箱内，固定在后磁轭托板上，立方体传感箱的前后、左右四个侧面贴装B、H传感线圈；

加力执行装置在加力装置支柱的导槽中上下移动，从上方对立方体样品施加压力；

在立方体传感箱外表面的前后、左右四个方向与下磁轭、后磁轭极头之间夹有四个用与样品同种材料叠压而成与立方体侧面积相同的薄硅钢片；

立方体传感箱共5面，上方空出，使加力执行装置与立方体样品上表面接触以施加压力；

双层结构的H传感线圈绕置在基板上，且在中心嵌入小圆环形B传感器线圈，基板紧贴立方体传感箱的前后、左右四个侧面；

硅钢片立方体样品置于下磁轭与后磁轭所形成的正交磁路的中心；

下磁轭、后磁轭均采用C形切口铁心，两个铁心尺寸完全相同，铁心除开口处外无缝隙，在铁心开口处端部加工成楔形；

用于叠压被测硅钢片立方体样品的硅钢片轧制方向与励磁方向成不同的剪裁角θc裁剪，0°≤θc≤90°；

下磁轭、后磁轭均采用单轭结构；

后磁轭托板位于后磁轭励磁绕组下方的部分挖出两对称的槽使后磁轭励磁绕组嵌入；

加力执行装置底面为面积略小于立方体样品上表面积的正方形，立方体样品产生的应变由贴在样品上表面的应变花测量，应变花导线由立方体传感箱上方引出。

2.一种可控应力条件下的硅钢片二维磁特性测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：在硅钢片立方体样品的两个正交方向上加载指定的励磁电压，电压波形根据具体电气设备和电源确定；

步骤二：通过B线圈传感器和H线圈传感器测量硅钢片中的磁通密度和磁场强度；

步骤三：改变电压波形幅值，重复步骤一、二，得到一组磁通密度幅值从小到大变化的磁化曲线；

步骤四：通过改变硅钢片的测量角度，改变被测磁场方向，重复步骤一、二、三，得到一组不同磁场方向、幅值从小到大变化的磁化曲线；

步骤五：根据需要输入两相或单相任意波形的电压，通过改变励磁电压的波形，得到不同电压源激励下硅钢片的磁特性，重复步骤一、二、三、四，得到一组不同电源励磁、不同磁场方向、幅值从小到大变化的磁化曲线；

步骤六：通过加力执行装置对立方体样品上表面施加压力，并改变压力大小，重复步骤一、二、三、四、五，得到不同应力条件下的磁化曲线。

3.根据权利要求2所述的一种可控应力条件下的硅钢片二维磁特性测量方法，其特征在于：在信号采集过程中，B线圈传感器(13)和H线圈传感器(14)上的信号要同步采集，如果采用异步采集方式，时间延迟应小于10ns。

4.根据权利要求2所述的一种可控应力条件下的硅钢片二维磁特性测量方法，其特征在于：在测试过程中，励磁电压先从小信号开始加载，逐渐升高，直到被测样品达到饱和。