CN105842639B - 一种导磁材料磁特性的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导磁材料磁特性的测量装置，该装置包括两个U型铁芯单元和X形测试样片，所述U型单元包括底部铁芯、两个侧边铁芯、励磁绕组、感应绕组，励磁绕组和感应绕组分别设置在两个侧边铁芯上；两个U型单元开口处相对，安装在所述的X形测试样片的上层和下层；通过设置所述的测量装置的测量条件，实现了对偏置磁场下的导磁材料的磁化特性测量和在交变磁化和旋转磁化条件下的导磁材料磁化特性测量。本发明的一种导磁材料磁特性的测量装置，结构简单、操作方便、测量准确，并可以指导存在磁场偏置、交变磁化及旋转磁化等条件下的电工设备的设计与优化。

Description

一种导磁材料磁特性的测量装置

技术领域

本发明涉及一种导磁材料磁特性测量装置，尤其涉及一种在偏置磁场下测量导磁材料磁特性的装置。

背景技术

目前，高磁感导磁材料被广泛应用于工业生产、家用电器等领域；然而，由于导磁材料应用场合中存在多磁场耦合的情况，且多磁场耦合本身就很复杂，研究导磁材料在多磁场下的特性就显得比较困难，而对其的定量分析更是难上加难。因此，研究多磁场耦合情况下导磁材料的特性，能够为各种存在多磁场耦合的应用场合提供依据，并对解决多磁场耦合问题具有重要的理论和实际意义。

偏置磁化、旋转磁化、交变磁化等磁场，在变压器、旋转电机、电抗器等设备中有着广泛的应用。对正交偏置磁场情况下导磁材料特性的测量，需要测量两个方向的磁学量；然而磁学量多为导出量，需要对相应电流、电压等参数的检测，再利用电磁感应定律推算出相应的磁学量。因此，构建磁场场发生装置和明确装置工作原理成为定量分析不同磁场下导磁材料磁化特性的关键。

发明内容

发明目的：本发明要解决的技术问题在于提供一种可以测量导磁材料磁特性的装置，该装置不仅可以测量正交偏置磁场下导磁材料的磁特性，而且还可以测量导磁材料在交变和旋转磁化磁场下的磁特性。

技术方案：一种导磁材料磁特性的测量装置，包括两个U型单元和被测X形样片，U型单元包括底部铁芯、两个侧边铁芯、励磁绕组、感应绕组，励磁绕组和感应绕组分别设置在两个侧边铁芯上；两个U型单元开口处相对，安装在X形测试样片的上层和下层。

进一步的，U型单元还包括两个永磁体，两个永磁体分别设置在所述U型单元的底部铁芯和两个侧边铁芯的连接处，且两个永磁体与两个侧边铁芯的接触面极性相反。

进一步的，励磁绕组和感应绕组匝数相同，并采用多股漆包线绕制，绕制方向一致。

进一步的，X形测试样片的夹角角度为90°。

一种导磁材料特性的测量装置，包括两个U型单元和X形样片，、U型单元包括底部铁芯、两个侧边铁芯、励磁绕组、感应绕组，、励磁绕组和感应绕组分别设置在两个侧边铁芯上，且与、两个U型单元开口处相对，安装在、X形样片的上层和下层，上层U型单元还包括两个被测永磁体，两个被测永磁体分别设置在U型单元的底部铁芯和两个侧边铁芯的连接处，且两个被测永磁体与两个侧边铁芯的接触面极性相反。

进一步的，被测永磁体为稀土永磁材料。

有益效果：本发明提供的一种导磁材料磁特性的测量装置，该装置通过给相励磁绕组中通入不同的交流电，实现对导磁材料旋转磁化和交变磁化磁场下的特性测量；同时，通过高性能钕铁硼永磁体在测试样片中产生恒定的永磁偏置磁场，再给相励磁绕组中通入不同的交流电，得到偏置磁场下导磁材料的磁特性关系。本发明的导磁材料磁特性测量装置，结构简单、操作方便、测量准确，可以指导存在磁场偏置、交变磁化及旋转磁化等条件下的电工设备的设计与优化。

附图说明

图1为测试导磁材料特性的装置结构示意图；

图2为测试偏置磁场下导磁材料特性的装置结构示意图；

图3为测试样片中偏置磁场下磁场强度和磁感应强度矢量合成示意图；

图4为测量正交磁场下导磁材料特性测量装置的结构示意图；

图5为测试样片中正交偏置磁场下磁场强度和磁感应强度矢量合成示意图；

图6为测试永磁材料磁化特性的装置结构示意图；

图中，1-1为上层励磁绕组，1-2为上层感应绕组，3为测试样片，2-1为第一永磁体，2-2为第二永磁体，4-1为上层第一侧边铁芯，4-2为上层第二侧边铁芯，5为第一底部铁芯，6-1为下层励磁绕组，6-2为下层感应绕组，7-1为第三永磁体，7-2为第四永磁体，8-1为下层第一侧边铁芯，8-2为下层第二侧边铁芯，9为第二底部铁芯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1：如图1所示的一种导磁材料磁特性的测量装置，其特征在于，包括两个U型单元和测试样片，所述U型单元包括底部铁芯、两个侧边铁芯、励磁绕组和感应绕组，两个侧边铁芯上分别绕制励磁绕组和感应绕组，其绕制方向一致；测试样片为X形结构，X形结构的四个端点依顺时针方向依次为端点A，端点B，端点C和端点D，两个U型单元开口处相对的分别安装在X形测试样片的上层和下层。

具体的，上层U型单元包括第一底部铁芯5，上层第一侧边铁芯4-1和第二侧边铁芯4-2；所述第一底部铁芯5的一端与第一侧边铁芯4-1的一端粘接并垂直，第一侧边铁芯4-1的另一端与X形结构的端点A粘接；所述第一底部铁芯5的另一端与上层第二侧边铁芯4-2的一端粘接垂直，上层第二侧边铁芯4-2的另一端与X形结构的端点C粘接。下层U型单元包括第二底部铁芯9，下层第一侧边铁芯8-1和下层第二侧边铁芯8-2；第二底部铁芯9的一端与下层第一侧边铁芯8-1的一端粘接并垂直，下层第一侧边铁芯8-1的另一端与X形结构的端点B粘接；所述第二底部铁芯9的另一端与下层第二侧边铁芯8-2粘接并垂直，下层第二侧边铁芯8-2的另一端与X形结构的端点D粘接。在所述上层第一侧边铁芯单元4-1上绕制有上层励磁绕组1-1，所述上层第二侧边铁芯4-2上绕制有上层感应绕组1-2；所述下层第一侧边铁芯8-1上绕制有下层励磁绕组6-1，所述下层第二侧边铁芯8-2上绕制有下层感应绕组6-2。所述的上层和下层励磁绕组以及上层和下层感应绕组均采用多股漆包线并绕绕制。

如图1所示，测量X形导磁材料的磁化特性，将所述测试装置中的上层第一永磁体2-1、上层第二永磁体2-2、下层第一永磁体7-1和第二永磁体7-2取下，即可通过该装置。具体工作过程如下：

当向上层励磁绕组中通入交流电，下层励磁绕组不通电时，测试样片中将产生交变的磁场；此时，上层感应绕组中将产生感应电动势，通过检测该感应电动势及通入绕组中的电流，即可根据法拉第电磁感应定律和安培环路定律，可以计算得到相应的磁场强度和磁感应强度数据；通过调整励磁绕组中的电流的相位、幅值和频率可以得到不同交变磁化下的导磁材料的磁化特性。

当向上层励磁绕组和下层励磁绕组中通入同频率、同相位、同幅值的交流电时，测试样片中将产生旋转变化的磁场；此时，上层感应绕组和下层感应绕组中均将产生感应电动势，通过检测该感应电动势及通入绕组中的电流，即可根据法拉第电磁感应定律和安培环路定律，可以计算得到相应的磁场强度和磁感应强度数据；通过调整励磁绕组中的电流的相位、幅值和频率可以得到不同旋转变化磁化下的导磁材料的磁化特性。所述的导磁材料为硅钢片、碳钢、铁氧体、非晶合金等。

实施例2：一种导磁材料磁特性的测量装置，用于测量永磁偏置磁场下导磁材料磁特性，如图2所示，与实施例1的区别在于所述U形单元还包括两个永磁体，所述两个永磁体分别设置在所述U型单元的底部铁芯和两个侧边铁芯的连接处，且两个永磁体与两个侧边铁芯的接触面极性相反。

具体的，所述第一底部铁芯5的一端与第一永磁体2-1的S极粘接，上层第一侧边铁芯4-1与第一永磁体2-1的N极粘接，并与第一底部铁芯5垂直；所述第一底部铁芯5的另一端与第二永磁体2-2的N极粘接，上层第二侧边铁芯4-2与第二永磁体2-2的S极粘，接并与第一底部铁芯5垂直。下层U型单元包括第二底部铁芯9，下层第一侧边铁芯8-1和下层第二侧边铁芯8-2；第二底部铁芯9的一端与第三永磁体7-1的S极粘接，下层第一侧边铁芯8-1与第三永磁体7-1的N极粘接，并与第二底部铁芯9垂直；所述第二底部铁芯9的另一端与第四永磁体7-2的N极粘接，下层第二侧边铁芯8-2与第四永磁体7-2的S极粘接，并与第二底部铁芯9垂直。其工作过程如下：

当上层励磁绕组1-1和下层励磁绕组6-1中没有电流通过时，四块永磁体在X形测试样片3中产生恒定的偏置磁场；第一永磁体2-1和第二永磁体2-2产生的磁场强度为H_P1，第三永磁体7-1和第四永磁体7-2产生的磁场强度为H_P2。

当给上层励磁绕组1-1和下层励磁绕组6-1中通入交流电时，上层励磁绕组1-1线圈中产生电励磁磁场强度为H₁，其磁感应强度为B₁，下层励磁绕组6-1中产生的磁场强度为H₂，其磁感应强度为B₂。此时，在上层感应线圈1-2中产生反电动势E₁，磁场强度为H_t1，其磁感应强度为B_t1；下层感应线圈6-2中产生反电动势E₂，磁场强度为H_t2，其磁感应强度为B_t2。

根据安培环路定律：∮Hdl＝Ni和法拉第电磁感应定律实测得到反电动势E₁和E₂，可以计算出磁场强度H₁和H₂以及磁感应强度B_t1和B_t2，由于永磁体的磁特性已知，其磁场强度分别为H_P1和H_P2，磁感应强度为B_P1和B_P2。那么，在测试样片中某一方向上的磁场强度和感应强度合成矢量如图3所示。根据该合成矢量可以得到合成方向上的磁场强度H_i和磁感应强度值B_i。通过调整通入励磁绕组中的电流的幅值、相位和频率，可以绘制偏置磁场下导磁材料的磁化特性曲线；通过选用不同厚度不同材料的永磁体可以得到不同大小的偏置磁场，进而实现不同偏置磁场程度下导磁材料磁特性的测量。

X形测试样片还可为角度垂直的十字型样片，装置图与磁场强度和感应强度合成矢量分别如图4、图5所示，具体包括以下测试步骤：

1)上、下层励磁绕组和上、下层感应绕组匝数均为N，永磁体截面积为S_P，磁化方向长度为l_P长度，U型铁芯磁路平均长度为l，测试样片截面积S_t，测试样片平均磁路长度为l_t；同时，测量永磁体磁化特性曲线；

2)分别给所述上层励磁绕组和所述下层励磁绕组中通入幅值、相位或频率不同的交流电；上层励磁绕组线圈中产生电励磁磁场强度为H₁，其磁感应强度为B₁；下层励磁绕组线圈中产生电励磁磁场强度为H₂，其磁感应强度为B₂；此时，上层和下层感应线圈中将产生反电动势；采集上层励磁绕组电流和下层励磁绕组电流值，以及上层感应绕组的反电动势E₁和下层感应绕组的反电动势E₂；

3)根据安培环路定律：计算出电励磁磁场强度H₁和H₂；经过矢量合成得到测试样片中的磁场强度H_i以及H₁和H_i的夹角α₁；同时，根据和Φ＝B×S_t，得到的磁感应强度B₁和B₂，并根据矢量合成得到测试样片中的磁场强度B_i和角度α₂；

4)改变上层和下层励磁绕组电流的幅值相位频率，得到一系列(H_i，α₁)和(B_i，α₂)值，根据这一系列的值可以得到正交偏置下的磁化特性曲线。具体有下述几种改变上层和下层励磁绕组电流的幅值相位频率的方法

上层和下层励磁绕组通入的电流还可以为如下情形：

保持上层和下层励磁绕组电流的幅值相位、频率相同，使幅值变化；

保持上层和下层励磁绕组电流的幅值、相位相同，使频率变化；

保持上层和下层励磁绕组电流的幅值、频率相同，使相位变化；

保持上层和下层励磁绕组电流的幅值相同，使相位和频率变化；

保持上层和下层励磁绕组电流的相位相同，使幅值和频率变化；

保持上层和下层励磁绕组电流的频率相同，使相位和幅值变化。

交流电幅值范围为10V～280V，频率范围为20Hz～1000Hz，相位角范围0°～180°，并绘制此范围内正交磁场偏置条件下的导磁材料磁化特性曲线。

实施例3：一种导磁材料磁特性的测量装置，用于测量永磁材料磁特性，如图6所示；与实施例2的区别在于，将所述测试装置中的下层第一永磁体7-1和第二永磁体7-2取下，并将上层第一永磁体和上层第二永磁体换为被测永磁材料(包括稀土永磁材料等硬磁材料)，即可通过该装置测量稀土永磁磁性材料的磁化特性；具体工作过程如下：

当向上层励磁绕组中通入直流电，下层绕组不通电，并不断调整直流电的大小及方向，即可以在上层绕组中产生对测试永磁体去磁和增磁的磁场；在改变绕组电流大小的同时，在上层绕组中产生感应电动势，根据该感应电动势可以得到磁感应强度差值ΔB。再根据法拉第电磁感应定律和安培环路定律，可以计算得到磁场强度和磁感应强度数据，最后对测得的数据进行整理即可绘制出被测永磁材料的磁滞回线。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种导磁材料磁特性的测量装置，其特征在于，包括两个U型单元和被测X形样片，所述U型单元包括底部铁芯、两个侧边铁芯、励磁绕组、感应绕组，所述的励磁绕组和感应绕组分别设置在两个侧边铁芯上；所述的两个U型单元开口处相对，安装在所述的X形测试样片的上层和下层，其中上层U型单元的两个开头分别置于X形样片的非相邻的两脚上，下层U型单元的两个开头分别置于X形样片的另外的两脚上。

2.根据权利要求1所述的导磁材料磁特性的测量装置，其特征在于，所述U型单元还包括两个永磁体，所述的两个永磁体分别设置在所述U型单元的底部铁芯和两个侧边铁芯的连接处，且两个永磁体与两个侧边铁芯的接触面极性相反。

3.根据权利要求1所述的导磁材料磁特性的测量装置，其特征在于，所述的励磁绕组和感应绕组匝数相同，并采用多股漆包线绕制，绕制方向一致。

4.根据权利要求1所述的导磁材料磁特性的测量装置，其特征在于，所述的X形测试样片的夹角角度为90°。

5.一种导磁材料磁特性的测量装置，其特征在于，包括两个U型单元和X形样片，所述U型单元包括底部铁芯、两个侧边铁芯、励磁绕组、感应绕组，所述的励磁绕组和感应绕组分别设置在两个侧边铁芯上，且与所述的两个U型单元开口处相对，安装在所述X形样片的上层和下层，其中上层U型单元的两个开头分别置于X形样片的非相邻的两脚上，下层U型单元的两个开头分别置于X形样片的另外的两脚上，所述上层U型单元还包括两个被测永磁体，所述两个被测永磁体分别设置在U型单元的底部铁芯和两个侧边铁芯的连接处，且两个被测永磁体与两个侧边铁芯的接触面极性相反。

6.根据权利要求5所述的导磁材料磁特性的测量装置，其特征在于，所述被测永磁体为稀土永磁材料。