CN106932741B - 电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电工钢片磁特性的温度与应力效应测量装置，装置主要是由励磁磁路模块、温度加载模块、应力加载模块、信号检测模块和支撑模块构成。励磁磁路模块采用双U形磁轭，设置在支撑模块之间；被测样片选用十字形结构并插入到两磁轭之间；温度加载模块选择陶瓷加热片，安装在下托板的小凹槽中，紧贴被测电工钢片；压力加载模块采用电动推杆装置对样片进行拉伸与压缩；信号检测模块采用“探针法”进行B信号的测量，采用双H线圈法进行H信号的测量。支撑模块由主结构支撑模块和应力加载结构支撑模块组成。本发明首次实现温度与应力耦合作用下电工钢片矢量磁特性的测量，拓宽了电工钢片磁特性测量数据的维度。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种电工钢片磁特性测量领域，特别是涉及了一种测量温度与应力耦合作用下电工钢片矢量磁特性的装置。
背景技术
电工钢片广泛应用于电机、变压器等电工装备中以构成导磁通路。电工钢片的磁特性兼具磁滞、涡流、非线性以及各向异性等特点，同时依赖于温度、应力等。在求解含有电工钢片材料的多物理场耦合问题时，必须使用温度、应力等多物理因素影响下的磁特性数据。因此本专利涉及一种能够测量电工钢片在温度、应力共同作用下矢量磁特性的测量装置。
目前世界范围内关于多物理因素作用下电工钢片磁特性测量方法主要分为一维测量和二维测量。关于电工钢片一维磁特性的温度效应测量，文献1“使用环形样件法的磁性材料高温磁特性研究”和2“使用单片测量法的无取向电工钢片液氮温度下磁特性测量”分别采用改进的环形样件法和单片测量法测量电工钢片在高温和低温下的磁特性。温度加载方法分别采用将被测样片放置在恒温加热炉中以及液氮槽中实现温度的加载，装置比较笨重。关于电工钢片一维磁特性的应力效应测量，文献3“考虑电工钢片正交各向异性的应力依赖磁滞模型”中采用改进的单片测量法，应力的加载方法是通过向气缸中通入压缩空气实现应力的施加。此方法需要一台空气压缩机持续提供压缩空气，测量过程中噪声很大。关于电工钢片二维磁特性的应力效应测量，文献4中“旋转磁化下应力对矢量磁特性的影响”仅仅提到了应力造成的影响，并未说明如何进行应力加载。在专利“电工钢片及其组合结构不同应力方向的磁特性测量装置”中考虑到了对电工钢片施加不同方向的应力，研究其对电工钢片矢量磁特性的影响。但是该专利存在三个技术问题：第一，测量装置不能同时测量电工钢片矢量磁特性的温度效应；第二，其装置对应力加载结构的设计并不是太完善；第三，信号采集部分选择对样片打孔绕线法，容易造成测量区域应力集中影响磁通密度分布的均匀度，属破坏性测试。
关于电工钢片二维矢量磁特性的温度效应测量，就申请者目力所及，尚未发现相关报道。
本发明在原有电工钢片矢量磁特性测量装置基础上进一步改造升级，简化了温度与应力加载模块的结构，并使用“探针法”与“双H线圈法”对电磁信号进行拾取，提高了测量的可靠性。突出了结构简单、操作简便、一机多用等优点。
先行文献
文献1：N. Takahashi, M. Morishita, D. Miyaga, and M. Nakano.Examination of magnetic properties of magnetic materials at high temperatureusing a ring specimen. IEEE Trans. on Magn., 2010,46(2)：548-551.
文献2：D. Miyaga,D. Otome, M. Nakano, and N. Takahashi. Measurement ofmagnetic properties of nonoriented electrical steel sheet at liquid nitrogentemperature using single sheet tester. IEEE Trans. on Magn., 2010,46(2)：314-317.
文献3：P. Rasilo, S. Steentjes, A. Belahcen, R. Kouhia, and K.Hameyer. Model for stress-dependent hysteresis in electrical sheel sheetsincluding orthotropic anisotropy. IEEE Trans. on Magn., 2017, (99)：1-1.
文献4：Y. Kai, Y. Tsuchida, T. Todaka, and M.Enokizono. Influence ofStress on Vector magnetic Property Under Rotating Magnetic Flux Condition.IEEE Trans. on Magn.,2012,48(4):1421-1424。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种能够测量电工钢片在不同温度、不同应力下的矢量磁特性的装置，其目的是解决现有装置无法测量电工钢片在温度与应力耦合作用下矢量磁特性的缺陷。
技术方案：
电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：该装置包括由励磁磁路模块、温度加载模块和信号检测模块构成的主装置，还包括应力加载模块和支撑模块；
其中：
所述励磁磁路模块包括上下两个U形磁轭，所述两个磁轭互相正交；上磁轭两臂缠绕X方向上的励磁线圈，下磁轭两臂缠绕Y方向上的励磁线圈；
所述温度加载模块包括紧贴被测电工钢片的加热片和贴在被测电工钢片上的温度传感器；
所述信号检测模块包括探头；所述探头中的可伸缩探针接触被测电工钢片的上表面；双H线圈安装在探头内部；
所述应力加载模块包括用于支撑被测电工钢片自由端的导轨、与被测电工钢片自由端的活动夹件连接的电动推杆；所述电动推杆与活动夹件之间设置有力传感器；
所述支撑模块包括底座、通过升降支撑柱连接在底座上的支撑台、固定夹件支撑台、下托板、上托板和下托板支撑柱组成；所述支撑台下表面与上磁轭连接；所述下磁轭固定在底座上；所述固定夹件支撑台连接被测电工钢片的固定端。
上述技术方案所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：被测电工钢片为十字形，放置在上、下磁轭之间的下托板的凹槽中，上托板固定在被测电工钢片上方。
上述技术方案所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：所述下托板放置被测电工钢片的凹槽内铣有用于放置加热片的槽；上托板开有四个探针孔，所述探针孔所在方形区域铣有用于安装探头的凹槽，凹槽底面距被测电工钢片厚度为1mm。
上述技术方案所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：十字形的被测电工钢片相邻的两臂为固定端，用固定夹件夹紧，并通过固定夹件支撑台固定在底座上；对侧相邻的两臂为自由端，分别通过活动夹件夹紧，安装在导轨上，导轨安装在导轨支撑台上。
上述技术方案所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：两个电动推杆安装在电动推杆支撑台上，分别连接被测电工钢片的两个自由端；两个电动推杆互相垂直且与被测电工钢片共面。
上述技术方案所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：所述探头中有四根弹性可伸缩探针，探针穿过探针孔；探头内的两个H线圈上下水平放置。
上述技术方案所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：所述加热片为陶瓷加热片。
上述技术方案所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：所述X方向上的励磁线圈与Y方向上的励磁线圈串联。
上述技术方案所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：所述上托板和下托板分别在上下两个U形磁轭对应的位置开有通孔。
附图说明：
图1为本发明装置的整体结构示意图；
图2为本发明装置的主装置结构示意图；
图3为本发明装置的被测电工钢片支撑结构示意图；
图4为本发明装置的加热及探头结构主视图；
附图标记：
1、底座，2、支撑台，3、升降支撑柱，4、电动推杆支撑台，5、导轨支撑台，6、固定夹件支撑台，7、下托板支撑柱，8、下磁轭，9、上磁轭，10、X方向上的励磁线圈，11、Y方向上的励磁线圈，12、探头，13、活动夹件，14、固定夹件，15、被测样片，16、下托板，17、上托板，18、电动推杆，19、导轨，20、力传感器，21、加热片，22、双H线圈，23、探针，24、探针孔。
本发明的优点及有益效果是：
1．本发明装置实现了电工钢片在温度与应力耦合作用下矢量磁特性的测量。突破了原有矢量磁特性测量装置仅能单独测量应力或温度作用下电工钢片磁特性的限制。
2．本发明装置中采用陶瓷加热片实现样片测量区域内的局部温度加载，采用电动推杆结构实现样片正交方向上的应力的加载，装置结构简单，附属部件少，操作方便。
具体实施方式：
本发明是一种电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：该装置包括由励磁磁路模块、温度加载模块和信号检测模块构成的主装置，还包括应力加载模块和支撑模块；
其中：
所述励磁磁路模块包括上下两个U形磁轭，所述两个磁轭互相正交；上磁轭两臂缠绕X方向上的励磁线圈，下磁轭两臂缠绕Y方向上的励磁线圈；
所述温度加载模块包括紧贴被测电工钢片的加热片和贴在被测电工钢片上的温度传感器；
所述信号检测模块包括探头；所述探头中的可伸缩探针接触被测电工钢片的上表面；双H线圈安装在探头内部；
所述应力加载模块包括用于支撑被测电工钢片自由端的导轨、与被测电工钢片自由端的活动夹件连接的电动推杆；所述电动推杆与活动夹件之间设置有力传感器；
所述支撑模块包括底座、通过升降支撑柱连接在底座上的支撑台、固定夹件支撑台、下托板、上托板和下托板支撑柱组成；所述支撑台下表面与上磁轭连接；所述下磁轭固定在底座上；所述固定夹件支撑台连接被测电工钢片的固定端。
上述技术方案所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：被测电工钢片为十字形，放置在上、下磁轭之间的下托板的凹槽中，上托板固定在被测电工钢片上方。
上述技术方案所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：所述下托板放置被测电工钢片的凹槽内铣有用于放置加热片的槽；上托板开有四个探针孔，所述探针孔所在方形区域铣有用于安装探头的凹槽，凹槽底面距被测电工钢片厚度为1mm。
上述技术方案所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：十字形的被测电工钢片相邻的两臂为固定端，用固定夹件夹紧，并通过固定夹件支撑台固定在底座上；对侧相邻的两臂为自由端，分别通过活动夹件夹紧，安装在导轨上，导轨安装在导轨支撑台上。
上述技术方案所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：两个电动推杆安装在电动推杆支撑台上，分别连接被测电工钢片的两个自由端；两个电动推杆互相垂直且与被测电工钢片共面。
上述技术方案所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：所述探头中有四根弹性可伸缩探针，探针穿过探针孔；探头内的两个H线圈上下水平放置。
上述技术方案所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：所述加热片为陶瓷加热片。
上述技术方案所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：所述X方向上的励磁线圈与Y方向上的励磁线圈串联。
上述技术方案所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：所述上托板和下托板分别在上下两个U形磁轭对应的位置开有通孔。
结合附图对本发明作进一步说明：
1．本发明是一种电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，包括励磁磁路模块、温度加载模块、应力加载模块、信号检测模块、支撑模块构成。
2．图1是整体结构示意图，其中主要包括主装置结构示意图和应力加载装置结构示意图，主装置结构包括励磁装置、温度加载装置和信号采集装置。应力加载装置主要包括电动推杆4和导轨19组成。其中应力加载主要通过电动推杆实施，使用电动推杆在固定样片自由端的活动夹件13上施加拉力或压力以使样片在导轨19上收缩和伸长。力传感器20连接在活动夹件和电动推杆之间，通过导线连接测力仪器，能够准确地测量出电工钢片的拉压力的数值。
3．如图2、3所示，被测电工钢片15选择十字形结构，在被测电工钢片的四臂，各自设置有夹件能够夹紧固定被测电工钢片，样片下托板16中间做出比被测电工钢片稍大的凹槽，放进被测电工钢片，然后盖上相同材料的上托板17，四周用螺丝固定，主要是为了防止被测电工钢片在压缩的情况下发生弯曲变形。
4．图4中下半部分为温度加载模块，该模块是由陶瓷加热片21以及温度控制器组成。在样片下托板16的中心区域再铣出一个小凹槽，放入陶瓷加热片21并紧贴被测电工钢片的下表面。箔式温度传感器贴在被测样片测量区域附近，实时监测温度。通过与温度传感器相连的温度控制器实现测量温度的设定与控制。
5．图4中上半部分为探头结构，主要用于电磁信号的采集。探头被压在上托板中间凹槽中，探针23穿过探针孔24接触到被测电工钢片的上表面，通过探针的压缩旋转功能，能够轻易刺透样片表面的绝缘涂层，实现良好电接触。在交变磁场作用下，电工钢片表面两点会产生与磁通密度成正比的感应电压信号，通过检测这一电压即可实现电工钢片磁通密度的测量。双H线圈22安装在探头内部以检测被测样片上方所在位置的磁场强度信号，通过数据外插即可得到样片表面的磁场强度值。
6．图1中的支撑模块，主要是由主装置支撑模块和应力加载装置支撑模块组成。主装置支撑模块由底座1，支撑台2，升降支撑柱3、固定夹件支撑台6、下托板16、上托板17和下托板支撑柱7组成，应力加载支撑模块由导轨支撑台5、电动推杆支撑台4组成。所述上托板和下托板分别在相对的位置开有两个通孔，以便于上下两个U形磁轭与被测样片完全接触。
7．升降支撑柱3，可以按要求调整高度，以便与更换被测电工钢片。
使用本发明装置测量电工钢片在不同应力、温度下的磁特性时的步骤如下：
1.首先将升降支撑柱3调高，使上磁轭9的极面离开上托板17并移除上托板。将剪裁好的被测电工钢片15放置在下托板16的样片凹槽中，将上托板盖在被测样片上，并用螺丝连接固定上、下托板。
2.将测量探头12压在上托板的探头凹槽处。探头的四个探针23恰好深入四个探针孔24中。通过下压探头使四个探针产生旋转运动刺穿被测样片绝缘涂层，实现良好电接触。
3.再次调节升降支撑柱3，使上磁轭的极面穿过上托板的两个方孔实现与被测样片表面的充分接触。
4.使用温度控制器驱动陶瓷加热片21对被测区域加热，被测样片表面贴有箔式温度传感器实时检测被测区域的温度，通过与设定温度进行比较实现温度的反馈控制。
5.通过测力装置设定测量指定的拉（压）力，驱动和控制电动推杆18在两个方向上分别产生指定大小的力。
6.基于LabVIEW的计算机程序产生X和Y方向两路正弦电压信号，经数据采集卡输出并使用低通滤波器滤除其信号中的高次谐波。通过功率放大器将此信号放大并经由隔离变压器隔离掉直流成分，X方向励磁电流被加载到图1中X方向上的励磁线圈10上，Y方向励磁电流被加载到Y方向上的励磁线圈11上。两个方向的磁场在样片测量区域合成产生所需的旋转磁场。
7.通过探头12采集信号，经隔离放大器放大，然后送回数据采集卡。两个方向的磁通密度信号通过与标准信号进行比较，然后对励磁信号进行调节，直到误差达到1%范围内。然后测量此时的磁场强度信号，这样就分别得到了磁通密度和磁场强度的轨迹。
8.通过软件改变励磁电压的幅值大小，重复上述（6）、（7）过程，这样就得到一组磁通密度和磁场强度的轨迹。在整个测量过程中，激磁电压从小到大进行逐渐加载，直到样片达到饱和。
9.调节测力装置的设定值，重复上述（5）、（6）、（7）和（8）就能够得到指定温度不同应力下电工钢片的磁特性。
10.通过温度控制器调节设定值，重复（4）、（5）、（6）、（7）和（8）就能够得到不同温度下不同应力作用时电工钢片的矢量磁特性。
本发明既可测量电工钢片在温度与应力耦合作用下电工钢片的矢量磁特性也可测量温度或应力单独作用时电工钢片的矢量磁特性，实现了一机多用，简化了装置结构并便与操作。
Claims (8)
1.电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：该装置包括由励磁磁路模块、温度加载模块和信号检测模块构成的主装置，还包括应力加载模块和支撑模块；
其中：
所述励磁磁路模块包括上下两个U形磁轭，所述两个磁轭互相正交；上磁轭（9）两臂缠绕X方向上的励磁线圈（10），下磁轭（8）两臂缠绕Y方向上的励磁线圈（11）；
所述温度加载模块包括紧贴被测电工钢片（15）的加热片（21）和贴在被测电工钢片（15）上的温度传感器；
所述信号检测模块包括探头（12）；所述探头（12）中的可伸缩探针接触被测电工钢片（15）的上表面；双H线圈（22）安装在探头内部；
所述应力加载模块包括用于支撑被测电工钢片（15）自由端的导轨（19）、与被测电工钢片（15）自由端的活动夹件（13）连接的电动推杆（18）；所述电动推杆（18）与活动夹件（13）之间设置有力传感器（20）；
所述支撑模块包括底座（1）、通过升降支撑柱（3）连接在底座（1）上的支撑台（2）、固定夹件支撑台（6）、下托板（16）、上托板（17）和下托板支撑柱（7）组成；所述连接在底座（1）上的支撑台（2）下表面与上磁轭（9）连接；所述下磁轭（8）固定在底座（1）上；所述固定夹件支撑台（6）连接被测电 工钢片（15）的固定端；
被测电工钢片（15）为十字形，放置在上、下磁轭之间的下托板（16）的凹槽中，上托板（17）固定在被测电工钢片（15）上方。
2.根据权利要求1所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：所述下托板（16）放置被测电工钢片（15）的凹槽内铣有用于放置加热片（21）的槽；上托板（17）开有四个探针孔（24），所述探针孔（24）所在方形区域铣有用于安装探头（12）的凹槽，凹槽底面距被测电工钢片厚度为1mm。
3.根据权利要求1所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：十字形的被测电工钢片（15）相邻的两臂为固定端，用固定夹件（14）夹紧，并通过固定夹件支撑台（6）固定在底座（1）上；对侧相邻的两臂为自由端，分别通过活动夹件（13）夹紧，安装在导轨（19）上，导轨安装在导轨支撑台（5）上。
4.根据权利要求3所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：两个电动推杆（18）安装在电动推杆支撑台（4）上，分别连接被测电工钢片（15）的两个自由端；两个电动推杆（18）互相垂直且与被测电工钢片（15）共面。
5.根据权利要求2所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：所述探头（12）中有四根弹性可伸缩探针，探针穿过探针孔（24）；探头（12）内的两个H线圈（22）上下水平放置。
6.根据权利要求1所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：所述加热片（21）为陶瓷加热片。
7.根据权利要求1所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：所述X方向上的励磁线圈（10）与Y方向上的励磁线圈（11）串联。
8.根据权利要求1所述的电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置，其特征在于：所述上托板（17）和下托板（16）分别在上下两个U形磁轭对应的位置开有通孔。
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