CN107764860B - 一种叠片铁心纵向导热系数测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叠片铁心纵向导热系数测试装置，包括冷却水套、热防护板、实验样件、电加热器和测温传感器；所述的冷却水套由内套和外套组成，所述内套上布置有环形水道，所述的外套上布置有环形筋，环形筋两端分别连接进水管接头和出水管接头；所述的热防护板包括上防护板和下防护板，上防护板的内沟槽和外沟槽内分别开有电源线引出孔和传感器接线引出孔；所述的实验样件由中间的叠片铁心和两侧的环氧压板组成，所述的电加热器由安装在内孔中的铝制柱体和作为内芯的螺旋电加热管组成，所述的螺旋电加热管上连接有直流稳压电源；本发明原理简单，成本较低，且对测试者要求低，不需要很深的理论知识就能实现对叠片铁心纵向导热系数的准确测量。

Description

一种叠片铁心纵向导热系数测试装置

技术领域

本发明涉及导热系数测定技术领域，具体涉及一种可用于叠片铁心纵向导热系数的测试装置。

背景技术

导热系数是物质最基本的热物理性质之一，在建筑、能源、化工、制冷等行业有着广泛的应用。导热系数的测定有多种方法，从原理上来说大致可分为稳态法和非稳态法。所谓稳态法，就是对待测物质给一个恒定的温度差，然后再测量在给定温差下形成的热流，通过傅立叶导热定律即可求得该物质的导热系数；所谓非稳态法，一般采用一个瞬态的热源进行加热，然后测量待测物质的动态温度响应，通过分析温度变化速率与导热系数之间的关系从而求得该物质的导热系数。

叠片铁心常用于各类电工产品，如电机、变压器、电抗器等，通常由具有一定厚度的硅钢片叠压而成，用于叠压的硅钢片两侧喷涂有绝缘漆，因此叠片铁心的导热系数为各向异性，即纵向导热系数取决于硅钢片本身的含硅量和工艺方法（冷轧、热轧和取向压延），而叠压方向（轴向）导热系数一般较小，获得叠片铁心的导热系数尤其是纵向导热系数，对各类电工产品的热设计尤为重要，具有极大的应用价值。

目前，能准确测定叠片铁心导热系数的导热系数测试仪很少，经过实际使用测试，发现现有的稳态法导热系数测试仪受制于加热源功率等的限制，用于测试叠片铁心导热系数精确度很差；瞬态法目前仅有瞬态平面热源法能满足叠片铁心测试要求，但瞬态平面热源法导热系数测试仪对测试样件的加工要求很高，并要求测试样件体积热容已知，且一般为进口仪器，价格昂贵。

发明内容

本发明针对现有导热系数测试仪较难准确测定叠片铁心导热系数的不足，提供了一种叠片铁心纵向导热系数的测试装置，实现了对叠片铁心纵向导热系数的测定。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种叠片铁心纵向导热系数测试装置，包括冷却水套、热防护板、实验样件、电加热器和测温传感器；所述的冷却水套由焊接成一个整体的内套和外套组成，所述内套上布置有环形水道，所述的外套上布置有环形筋，环形筋两端分别连接进水管接头和出水管接头；所述的热防护板包括通过环形密封橡胶垫连接在冷却水套两端的上防护板和下防护板，所述的上防护板和下防护板的表面均开有环形沟槽，所述的环形沟槽由同心的内沟槽和外沟槽组成，位于上防护板的内沟槽和外沟槽内分别开有电源线引出孔和传感器接线引出孔；所述的实验样件由中间的叠片铁心和位于两侧的环氧压板组成，叠片铁心和环氧压板中央开设有内孔，叠片铁心和环氧压板上均设置有近热源测温孔、近冷源测温孔和固定孔，所述的叠片铁心和环氧压板由固定孔内的压紧螺栓连接为一个整体；所述的电加热器由安装在内孔中的铝制柱体和作为内芯的螺旋电加热管组成，所述的螺旋电加热管上连接有直流稳压电源；所述的测温传感器分别设置在近热源测温孔和近冷源测温孔内并穿过上防护板的传感器接线引出孔并引出。

所述的一种叠片铁心纵向导热系数测试装置，其冷却水套材质为T2Y紫铜，所述的环形水道中每条水道均设置有挡水块和出水口，将所有水道串联起来。

所述的一种叠片铁心纵向导热系数测试装置，其热防护板为耐温等级为200℃以下的耐温环氧板。

所述的一种叠片铁心纵向导热系数测试装置，其叠片铁心由硅钢片冲片叠压而成。

所述的一种叠片铁心纵向导热系数测试装置，其螺旋电加热管由金属的螺旋状电阻丝及结晶氧化镁粉组成。

所述的一种叠片铁心纵向导热系数测试装置，其环形密封橡胶垫为耐温等级为200℃以下的耐高温橡胶材质。

所述的一种叠片铁心纵向导热系数测试装置，其直流稳压电源为能稳定可靠输出0-500V的可调直流电压。

所述的一种叠片铁心纵向导热系数测试装置，其测温传感器为具有圆柱形头部的pt100传感器。

本发明的优点在于：本发明装置利用稳态平板法测试原理，采用直流稳压电源供电的电加热器加热，通过测量标准样件和实验样件的近冷热源温度，根据热传导定律，利用推导得到的标准样件与实验样件的导热系数、温差单调函数关系，从而计算得到被测叠片铁心材料的纵向导热系数，为了降低测试误差，作为最终结果的纵向导热系数，为多次测量的平均值。

本发明能够获得叠片铁心纵向导热系数，克服了目前导热系数测试仪对叠片铁心样件尺寸、导磁性等的各种限制，具有原理简单、样件制作容易、重复性好的优点，为电工产品的设计应用提供了技术支撑。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明冷却水套的结构示意图；

图3为本发明冷却水套内套水道截面展开图；

图4为本发明上防护板的示意图；

图5为本发明实验样件的示意图；

图6为本发明电加热器的结构示意图。

各附图标记为：1—冷却水套，1.1—内套，1.1.1—环形水道，1.2—外套，1.2.1—环形筋，1.2.2—进水管接头，1.2.3—出水管接头，1.2.4—固定孔，2.1—上防护板，2.2—下防护板，2.3—环形沟槽，2.3.1—内沟槽，2.3.2—外沟槽，2.4—电源线引出孔，2.5—传感器接线引出孔，3—实验样件，3.1—叠片铁心，3.2—环氧压板，3.3.1—近热源测温孔，3.3.2—近冷源测温孔，3.4—固定孔，3.5—压紧螺栓，4—电加热器，4.1—螺旋电加热管，4.2—铝制柱体，6—环形密封橡胶垫，7—直流稳压电源。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图1至图6详细说明本发明实施例的叠片铁心纵向导热系数测试装置的工作原理。

本发明测试装置使用前，先将下防护板2.2、环形密封橡胶垫6和冷却水套1通过螺栓固定在一起，然后将实验样件3放入冷却水套1内，环形密封橡胶垫6放置在冷却水套1上，再将电加热器4放入实验样件3的内孔中，将电源线和传感器引线分别穿上防护板2.1的电源线引出孔2.4和传感器接线引出孔2.5，将直流稳压电源7的输出电源线分别接在电加热器4的两根接线柱上，将测温传感器分别放置于实验样件3的近热源测温孔3.3.1和近冷源测温孔3.3.2内，上述工作完成后，将上防护板2.1盖上，并通过螺栓与冷却水套1连接固定，最后将进水管与进水管接头1.2.2连接，出水管与出水管接头1.2.3连接。

首先参考图1和图2，该图给出了本发明实施例的一种叠片铁心纵向导热系数测试装置的总体结构示意图，包括冷却水套1、热防护板、实验样件3、电加热器4和测温传感器；所述的冷却水套1由焊接固定成一个整体的内套1.1和外套1.2组成，所述内套1.1的外圆布置有多个具有一定宽度和深度的环形水道1.1.1，所述的外套1.2轴向两侧布置有环形筋1.2.1，环形筋1.2.1两端分别连接并布置有进水管接头1.2.2和出水管接头1.2.3，所述的环形筋上均布有固定孔1.2.4，用于安装螺栓；所述的热防护板包括通过环形密封橡胶垫6连接在冷却水套1两端的上防护板2.1和下防护板2.2，所述的上防护板2.1和下防护板2.2的表面均开有环形沟槽2.3，所述的环形沟槽2.3由同心的内沟槽2.3.1和外沟槽2.3.2组成，位于上防护板2.1的内沟槽2.3.1和外沟槽2.3.2内分别开有两个电源线引出孔2.4和三个传感器接线引出孔2.5；所述的实验样件3为“三明治”结构，由中间的叠片铁心3.1和位于两侧的环氧压板3.2组成，叠片铁心3.1和环氧压板3.2中央开设有内孔，叠片铁心3.1和环氧压板3.2的靠近内孔的内圆处和外圆上均设置有近热源测温孔3.3.1、近冷源测温孔3.3.2和固定孔3.4，所述的叠片铁心3.1和环氧压板3.2由固定孔3.4内的压紧螺栓3.5连接固定为一个整体；所述的电加热器4由安装在内孔中的铝制柱体4.2和作为内芯的螺旋电加热管4.1组成，所述的螺旋电加热管4.1上连接有直流稳压电源7；所述的测温传感器分别设置在近热源测温孔3.3.1和近冷源测温孔3.3.2内并穿过上防护板2.1的传感器接线引出孔2.5并引出。

其中，所述的冷却水套1材质为T2Y紫铜，所述的环形水道1.1.1中每条水道均设置有挡水块和出水口，将所有水道串联起来；所述的热防护板为耐温等级为200℃以下的耐温环氧板；所述的叠片铁心3.1由硅钢片冲片叠压而成。为测试的主要材料，其环氧压板为耐温材料，耐温等级为200℃以下；所述的螺旋电加热管4.1由金属的螺旋状电阻丝及结晶氧化镁粉等组成，螺旋电加热管4.1的设计根据测试样件的导热系数范围、输入电压和电流值等计算确定；所述的环形密封橡胶垫6为耐温等级为200℃以下的耐高温橡胶材质；所述的直流稳压电源7为能稳定可靠输出0-500V的可调直流电压；所述的测温传感器为具有圆柱形头部的pt100传感器。

本发明测试装置具有如下优点：

1，本发明原理简单，成本较低，且对测试者要求低，不需要掌握很深的基础理论知识就能实现对叠片铁心纵向导热系数的准确测量。

2，本发明采用电加热器进行加热，通过铸铝方式，将螺旋电加热管改造成柱体加热器，由于铝的良好的导热作用，提高了电加热器在圆周方向和高度方向上发热量的均匀性。电加热管产生的热量通过柱体加热器传给测试样件。由于测试样件纵向导热系数与轴向导热系数差别很大，热量主要沿测试样件纵向传导。测试样件温度轴向方向的均匀性，反映了通过测试样件的热流在轴向的均匀性。严格控制测试样件轴向方向的均匀性，可以提高测试样件纵向导热系数的测试精度。

3，本发明设置了上下热防护板，测试样件两侧也设置耐温环氧压板，且防护板与冷却水套之间还布置有环形密封橡胶垫，通过多种绝热保温材料的布置，降低了测试样件的轴向热流量。通过环形水道，在测试样件外壁面一侧实现了可控的低温环境，结合柱体加热器在测试样件内壁面一侧形成的高温环境，基本实现沿测试样件纵向方向的一维稳定热流。

4，本发明测试样件加工制作更容易，可实现对不同含硅量、厚度和叠压系数的叠片铁心纵向导热系数的测定，经济性较好。

5，采用本发明测试装置多次测试了50WW310、50WW400、50WW470、50WW600、50WW800等不同牌号的叠片铁心样件，并与采用瞬态平面热源法的Hot Disk导热系数测试仪获得的测量值进行了对比，其中采用50WW470硅钢片的叠片铁心样件的导热系数为27.8W/mK，HotDisk导热系数测试仪的测量值为26.53 W/mK，二者测量误差为4.8%，为多种牌号的叠片铁心样件的测量误差最大值。测试样件组最小导热系数为50WW300牌号的23.2W/mK，最大导热系数为50WW800的39.4 W/mK。

因此，本发明叠片铁心导热系数测试装置具有对硅钢片叠片铁心导热系数测量的重复性和稳定性高以及对叠片铁心样件适应性好，测试精度较高的特点。

该测试装置利用稳态平板法测试原理，通过测试标准样件和叠片铁心测试样件的冷热面温度来获得叠片铁心3.1材料的纵向导热系数。由于本方法属于稳态测试方法，需要测试装置的主要元件（冷却水套1、热防护板、实验样件3、电加热器4）的温度稳定后，在被测叠片铁心内部建立温度梯度才能获得准确数据。因此，本发明提供如下装置和步骤实现叠片铁心纵向导热系数的测量。

（1）测试样件和测试装置的准备

根据测试材料的不同，加工待测试叠片铁心3.1，将叠片铁心3.1与环氧压板3.2固定在一起形成实验样件3。在叠压的时候，需带压力叠压，叠压力由叠压系数来计算得到，确保叠压系数大于0.95。实验样件3与冷却水套1为间隙配合，以保证实验样件3能装配进冷却水套1内，实验样件3与电加热器4为间隙配合，以保证电加热器4能装配进实验样件3内。为了减少周向热流的不均匀性造成的测试误差，在实验样件3靠近内孔处均匀布置三组近热源测温孔3.3.1，在实验样件3远离内孔、靠近外缘处均匀布置六组近冷源测温孔3.3.2，九组测温传感器的引线对应穿过上防护板2.1的传感器接线引出孔2.5，测温传感器插入实验样件3的九组测温孔。直流稳压电源7的引线穿过上防护板2.1的电源线引出孔2.4。

（2）将下防护板2.2、环形密封橡胶垫6和冷却水套1通过螺栓固定在一起；

（3）将实验样件3放入冷却水套1内，环形密封橡胶垫6放置在冷却水套1上；

（4）电加热器4放入实验样件3的内孔中，并将电源线和测温传感器5引线分别穿过上防护板2.1的电源线引出孔2.4和传感器接线引出孔2.5，电源线分别接在电加热器4的两根接线柱上，将测温传感器5测温部分放置于近热源测温孔3.3.1和近冷源测温孔3.3.2内，传感器引线与温度巡检仪连接好；

（5）将上防护板2.1盖上，并通过螺栓与冷却水套1连接固定，组成封闭的空间。将直流稳压电源7引线与电加热器4连接，进水管与进水管接头连接，出水管与出水管接头连接。

（6）利用直流稳压电源，对电加热器4输入恒压直流电，并开启进出水阀门，待电压电流稳定后，记录输入直流电压U和电流值I；监测标准样件测温传感器的温度值t，稳定后记录标准样件的近冷源温度t1和近热源温度t2；

（7）断电，用待测的叠片铁心样件替换标准样件；然后重复（4）、（5）、（6）步骤，保持输入直流电压和电流值与（6）中一致，监测叠片铁心样件测温传感器的温度值t′，待稳定后记录叠片铁心样件的近冷源温度t1′和近热源温度t2′；

（8）待全部数据记录完毕后，停止实验，根据最终稳定记录的数据，按照下列的方法计算叠片铁心纵向导热系数；

叠片铁心纵向导热系数的计算方法：

根据热传导定律，推导得到标准样件导热系数、温差与实验样件导热系数、温差的单调函数关系式为

。

式中，λ为标准样件导热系数（为已知量），此处各温度值取值为各测温点的平均温度值，即标准样件的近冷源温度t1为六个测温孔3.3.2中测温传感器所测温度的平均值，标准样件的近热源温度t2为三个测温孔3.3.1中测温传感器所测温度的平均值，叠片铁心样件的近冷源温度t1′为六个测温孔3.3.2中测温传感器所测温度的平均值，叠片铁心样件的近热源温度t2′为三个测温孔3.3.1中测温传感器所测温度的平均值。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种叠片铁心纵向导热系数测试装置，其特征在于：包括冷却水套（1）、热防护板、实验样件（3）、电加热器（4）和测温传感器；

所述的冷却水套（1）用于放入实验样件（3），由焊接成一个整体的内套（1.1）和外套（1.2）组成，所述内套（1.1）上布置有环形水道（1.1.1），所述的环形水道（1.1.1）中每条水道均设置有挡水块和出水口，将所有水道串联起来，所述的外套（1.2）上布置有环形筋（1.2.1），环形筋（1.2.1）两端分别连接进水管接头（1.2.2）和出水管接头（1.2.3）；

所述的热防护板包括通过环形密封橡胶垫（6）连接在冷却水套（1）两端的上防护板（2.1）和下防护板（2.2），所述的上防护板（2.1）和下防护板（2.2）的表面均开有环形沟槽（2.3），所述的环形沟槽（2.3）由同心的内沟槽（2.3.1）和外沟槽（2.3.2）组成，位于上防护板（2.1）的内沟槽（2.3.1）和外沟槽（2.3.2）内分别开有电源线引出孔（2.4）和传感器接线引出孔（2.5）；

所述的实验样件（3）由中间的叠片铁心（3.1）和位于两侧的环氧压板（3.2）组成，叠片铁心（3.1）与环氧压板（3.2）之间的叠压系数大于0.95，叠片铁心（3.1）和环氧压板（3.2）中央开设有内孔，用于放入电加热器（4），叠片铁心（3.1）和环氧压板（3.2）上均匀设置有三组近热源测温孔（3.3.1）、六组近冷源测温孔（3.3.2）和固定孔（3.4），所述的叠片铁心（3.1）和环氧压板（3.2）由固定孔（3.4）内的压紧螺栓（3.5）连接为一个整体；

所述的电加热器（4）由安装在内孔中的铝制柱体（4.2）和作为内芯的螺旋电加热管（4.1）组成，所述的螺旋电加热管（4.1）由金属的螺旋状电阻丝及结晶氧化镁粉组成，所述的螺旋电加热管（4.1）上连接有直流稳压电源（7）；所述的九组测温传感器为具有圆柱形头部的pt100传感器，分别设置在近热源测温孔（3.3.1）和近冷源测温孔（3.3.2）内并穿过上防护板（2.1）的传感器接线引出孔（2.5）并引出，用于分别记录标准样件近冷源测温孔（3.3.2）中的平均温度t1和近热源测温孔（3.3.1）中的平均温度t2，以及待测叠片铁心样件替换标准样件后近冷源测温孔（3.3.2）中的平均温度t1′和近热源测温孔（3.3.1）中的平均温度t2′，按下列公式计算叠片铁心纵向导热系数：

，式中，λ为已知的标准样件的导热系数。

2.根据权利要求1所述的一种叠片铁心纵向导热系数测试装置，其特征在于，所述的冷却水套（1）材质为T2Y紫铜。

3.根据权利要求1所述的一种叠片铁心纵向导热系数测试装置，其特征在于，所述的热防护板为耐温等级为200℃以下的耐温环氧板。

4.根据权利要求1所述的一种叠片铁心纵向导热系数测试装置，其特征在于，所述的叠片铁心（3.1）由硅钢片冲片叠压而成。

5.根据权利要求1所述的一种叠片铁心纵向导热系数测试装置，其特征在于，所述的环形密封橡胶垫（6）为耐温等级为200℃以下的耐高温橡胶材质。

6.根据权利要求1所述的一种叠片铁心纵向导热系数测试装置，其特征在于，所述的直流稳压电源（7）为能稳定可靠输出0-500V的可调直流电压。

Images