CN108761359A - 一种永磁体涡流损耗的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁体涡流损耗的测量系统及方法，该系统包括检测装置、功率放大器、差分放大电路以及数字信号处理单元，所述检测装置包括两个正对的U型磁芯、在U型磁芯的磁极上缠绕的激磁绕组、用于固定磁芯的磁芯固定支架、位置固定支架、底部支撑台和样品固定支架，所述磁芯固定支架上部设有与磁芯形状相匹配的凹槽，缠绕激磁绕组后的磁芯恰好能固定在该凹槽内，磁芯固定支架的下部设有滑动槽；在两个正对的U型磁芯之间的底部支撑台上固定样品固定支架；多个激磁绕组串联后通过功率放大器连接数字信号处理单元。本发明能够模拟电机磁场的实际运行情况，精确反映永磁体整体的损耗情况，重复性好。

Description

一种永磁体涡流损耗的测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种新型的涡流损耗检测装置，具体涉及一种永磁体涡流损耗的测量系统及方法。

背景技术

目前对于永磁体涡流损耗检测的装置的研究还处于空白阶段，由于永磁体在发热的条件下会产生退磁，而永磁电机中的永磁体的发热现象是制约电机稳定运行的关键因素。Y.Aoyama等人(Y.Aoyama,K.Miyata andK.Ohashi,"Simulations and experiments oneddy current inNd-Fe-B magnet,"IEEE Trans.Magnetics,vol.10,pp.3790-3792,2005.)提出利用热电阻测试永磁体处在外加激磁条件下的温升变化，来推算出其损耗，但是热电偶只能反映某一点的热效应，而涡流的分布是不均匀的，热分布随测试位置的不同而有很大的不同。永磁体的损耗计算是基于整体的平均效应，某一点的温升测量无法反映出整体的效应，另外温升测试出的结果会随测试环境的不同，会有很大的误差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种永磁体涡流损耗的测量系统及方法。该测量系统针对永磁体这种硬磁材料进行设计，能够模拟电机的磁场的实际运行情况，并且测试出的结果精确的反映永磁体整体的损耗情况，而且在室温的测试环境下，测试结果可重复；该测量方法通过磁轭对永磁体样品进行激磁处理，使待测样品处于横向交变磁场中，然后通过缠绕在样品表面的B线圈和每个磁极上两个样品中间的H线圈，采集样品的B信号和表面H信号，经过数字信号处理过程生成样品的B-H曲线，从而得到样品的涡流特性。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种永磁体涡流损耗的测量系统，其特征在于该系统包括检测装置、功率放大器、差分放大电路以及数字信号处理单元，所述检测装置包括两个正对的U型磁芯、在U型磁芯的磁极上缠绕的激磁绕组、用于固定磁芯的磁芯固定支架、位置固定支架、底部支撑台和样品固定支架，所述磁芯固定支架上部设有与磁芯形状相匹配的凹槽，缠绕激磁绕组后的磁芯恰好能固定在该凹槽内，一个磁芯固定支架上固定一个磁芯，磁芯固定支架的下部设有滑动槽，该滑动槽与底部支撑台上的滑条相配合，能使磁芯固定支架沿滑条在底部支撑台上来回滑动；在磁芯固定支架侧边底部上安装位置固定支架，通过位置固定支架使相应磁芯固定支架固定在底部支撑台的特定位置；在两个正对的U型磁芯之间的底部支撑台上固定样品固定支架，所述样品固定支架上与磁芯的两个磁极相对的位置上均设有两个用于安放待测样品的孔洞，四个孔洞呈上下左右对称布置，四个待测样品上至少有一个缠绕B信号传感线圈；

所述激磁绕组的数量为偶数个，呈对称布置在两个磁芯上，所有激磁绕组逐个串联；多个激磁绕组串联后通过功率放大器连接数字信号处理单元，待测样品上的B信号传感线圈和H信号传感线圈通过差分放大电路连接数字信号处理单元。

一种永磁体涡流损耗的测量方法，该方法使用上述的测量系统，包括以下步骤：

步骤一：根据不同的频率需要选择某种激磁绕组的连接形式；

步骤二：在待测样品上缠绕B信号传感线圈，在位于该待测样品附近的上下两个孔洞之间的样品固定支架上安装H信号传感线圈，然后将四个待测样品安装在样品固定支架上，将样品固定支架放置两个磁芯之间，调节两个磁芯之间的距离，使两个磁芯与待测样品紧密接触；再通过位置固定支架利用螺丝固定磁芯的位置，夹紧待测样品；

步骤三：待测样品安装完成且固定磁芯的位置后，B信号传感线圈、H信号传感线圈连接差分放大电路；数字信号处理单元输出给定频率的激磁信号经功率放大器加载到激磁绕组上，两个磁芯在待测样品上施加横向的交变磁场；

步骤四：通过B信号传感线圈、H信号传感线圈获得B线圈的电压值和H线圈的电压值，计算出待测样品中的磁通密度和磁场强度，形成B-H曲线；

步骤五：通过对第四步所获得的B-H曲线的分析计算，得出永磁体涡流损耗值。

本发明填补了永磁体涡流损耗测量的空白，本发明具有以下优点：

1)本发明测量系统中待测样品放在两个磁芯中间，每一对磁极中间对称放置两个，这样两个待测样品中间区域可以形成相对均匀的磁场，测试此处磁场H值，就能代表永磁体表面的磁场H值。传统待测样品磁场的H是用紧贴样品表面的线圈来测试，而这样的测试线圈永远无法零距离贴近样品，会产生相应的测试误差。本装置的测试方法可以准确的测试出待测样品表面的磁场H。

2)本发明测量系统中通过左右滑动磁芯固定支架可以将样品夹紧、通过调节两个磁芯之间的宽度以适应不同尺寸样品。该系统结构单一，磁路清晰合理，磁芯制作加工简单，测试装置组装简单合理，大大提高的推广使用效率。

3)本发明测量系统中检测装置的结构尺寸经由有限元仿真优化后得以确定，在不失测试精确性的前提下，装置结构尺寸小，能达到更高的测试频率。

4)本发明中磁芯材料选用高频下具有高饱和磁密、高起始磁导率、低磁芯损耗、耐热性和耐磨性好的Fe-M-V系纳米晶材料，相比于普通的硅钢片，能够提高激磁频率和激磁磁密。在不失测试精确性的前提下，激磁频率可以达到50KHZ，可以准确地得到样品在中高频激磁情况下的涡流特性。选择纳米晶带材用量少，磁路结构对称性高，使其具有磁路损耗相对较小，高频下震动较小，磁场对称性较高等优点。磁芯由纳米晶带材绕制切割，经过退火、浸漆等工艺，提高了磁芯的机械性能，同时对切割面进行绝缘处理，避免了层间涡流的产生，提高了测量精度。激磁绕组由铜箔线绕制而成，相比于普通漆包线，铜箔线在高频下损耗小，不会产生严重的发热影响测量结果，确保在频率较高的情况下，损耗的合理性。

5)本发明测量方法中，外部激磁信号灵活，可以通过数字信号处理单元给出不同形式的激磁信号，能模拟永磁电机的真实谐波激磁，测试贴近实际工况情况下的永磁体的涡流损耗，通过数字信号处理单元和差分放大电路输出的检测信号能实时计算出涡流损耗值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明测量系统示意图。

图2是本发明检测装置立体结构示意图。

图3是本发明样品支架和样品示意图。

附图标记说明：

1、激磁绕组，2、磁芯，3、磁芯固定支架，4、检测装置，5、位置固定支架，6、底部支撑台，7、滑条，8、样品固定支架，9、待测样品，10、功率放大器，11、数字信号处理单元，12、差分放大电路。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。

如图1、2和3所示，本发明永磁体涡流损耗的测量系统，包括检测装置4、功率放大器10、差分放大电路12以及数字信号处理单元11，所述检测装置4包括两个正对的U型磁芯2、在U型磁芯的磁极上缠绕的激磁绕组1、用于固定磁芯的磁芯固定支架3、位置固定支架5、底部支撑台6和样品固定支架8，所述磁芯固定支架3上部设有与磁芯形状相匹配的凹槽，缠绕激磁绕组后的磁芯恰好能固定在该凹槽内，一个磁芯固定支架上固定一个磁芯，磁芯固定支架3的下部设有滑动槽，该滑动槽与底部支撑台上的滑条7相配合，能使磁芯固定支架沿滑条在底部支撑台上来回滑动；在磁芯固定支架3侧边底部上安装位置固定支架5，通过位置固定支架5使相应磁芯固定支架固定在底部支撑台的特定位置，通过移动磁芯固定支架可以将待测样品夹紧测试，并通过位置固定支架固定；在两个正对的U型磁芯2之间的底部支撑台上固定样品固定支架8，所述样品固定支架上与磁芯的两个磁极相对的位置上均设有两个用于安放待测样品的孔洞，四个孔洞呈上下左右对称布置，四个待测样品上至少有一个缠绕B信号传感线圈；

所述激磁绕组的数量为偶数个，呈对称布置在两个磁芯上，所有激磁绕组逐个串联；多个激磁绕组串联后通过功率放大器10连接数字信号处理单元11，待测样品上的B信号传感线圈和H信号传感线圈通过差分放大电路12连接数字信号处理单元11。

数字信号处理单元11发出激磁信号经功率放大器10放大后，接入激磁绕组串联后的输入端，这样就可以控制磁路气隙中的磁场，给待测样品进行激磁，测出样品上的B线圈信号和两个样品中间的H线圈信号，经差分放大电路12放大后接入到信号处理单元11，在信号处理单元11中完成数据的分析并且计算出涡流损耗。

所述磁芯由纳米晶带材绕制切割而成，两个磁芯的形状尺寸、制作工艺以及磁芯装配方式和样品安装方式完全相同。

在缠绕有B信号传感线圈的待测样品附近的样品固定支架上安装H信号传感线圈。

每个激磁绕组均包括第一层绕组、第二层绕组和第三层绕组，每层绕组匝数不同，匝数数量逐步递增、不同层的绕组之间进行绝缘处理，三层绕组之间可通过进出线选择性串联连接；所述第一层绕组、第二层绕组和第三层绕组分层绕制在磁芯的磁极上，第一层绕组紧密接触磁芯；第一层绕组、第二层绕组和第三层绕组上均安装有进出线端子，不同激磁绕组之间、同一激磁绕组不同层之间，均可以通过进出线端子连接；每个激磁绕组均具有七种连接方式，即：第一种，每个激磁绕组的第一、第二、第三层绕组的进出线端子依次串联起来；第二种，每个激磁绕组的第二、第三层绕组的进出线端子依次串联起来；第三种，每个激磁绕组的第一、第三层绕组的进出线端子依次串联起来；第四种，每个激磁绕组的第一、第二绕组的进出线端子依次串联起来；第五种，每个激磁绕组的第一层绕组直接引出；第六种，每个激磁绕组的第二层绕组直接引出；第七种，每个激磁绕组的第三层绕组直接引出。第一种(三层绕组)，低频段，为对应50Hz～1kHz；第二，三，四种(两层绕组)，中频段，对应1kHz～5kHz；第五，六，七种(一层绕组)，高频段，对应5kHz以上。

本发明一种永磁体涡流损耗的测量方法，该方法使用上述的测量系统，包括以下步骤

步骤一：根据不同的频率需要选择某种激磁绕组的连接形式；

步骤二：在一个待测样品上缠绕B信号传感线圈，在位于上下两个孔洞之间的样品固定支架8上安装H信号传感线圈，然后将缠绕B信号传感线圈后的待测样品安装在样品固定支架上，将样品固定支架放置两个磁芯之间，调节两个磁芯之间的距离，使两个磁芯与待测样品紧密接触；再通过位置固定支架利用螺丝固定磁芯的位置，夹紧待测样品；

步骤三：待测样品安装完成且固定磁芯的位置后，B信号传感线圈、H信号传感线圈连接差分放大电路12；数字信号处理单元输出给定频率的激磁信号经功率放大器加载到激磁绕组上，两个磁芯在待测样品上施加横向的交变磁场；

步骤四：通过B信号传感线圈、H信号传感线圈获得B线圈的电压值和H线圈的电压值，计算出待测样品中的磁通密度和磁场强度，形成B-H曲线；

步骤五：通过对第四步所获得的B-H曲线的分析计算，得出永磁体涡流损耗值。

本发明测量方法中可以选择在一个待测样品上缠绕B信号传感线圈，也可以在四个待测样品上均缠绕B信号传感线圈，缠绕B信号传感线圈后，在相应位置的两个上下孔洞之间的样品固定之间上要安装H信号传感线圈，多个待测样品缠绕B信号传感线圈时，所测得的相应电压值取均值。

本发明测量系统的工作原理是：数字信号处理单元发出激磁信号，信号通过功率放大器以后加入到检测装置的激磁绕组部分，通过激磁绕组对样品进行激磁，磁芯产生的横向交变磁场使检测样品中产生涡流。然后缠绕在样品表面的B信号传感线圈检测通过样品内部的B信号，在两个样品中间的H信号传感线圈检测样品表面的H信号，然后B-H信号经差分放大电路传送至数字信号处理单元，从而生成样品的B-H曲线，得到样品的涡流特性。

实施例1

本实施例永磁体涡流损耗的测量系统中激磁绕组的数量为四个，选择待测样品为立方体钕铁硼样品，样品尺寸10*10*10mm(长*宽*高)。激磁频率为50Hz。

功率放大器型号：BROCKHAUS PA50，电压信号放大10倍，输入电压峰值-10V～+10V，输出电压峰值-100V～+100V。输出电流值最大有效值50A。

数字信号处理单元型号：NI USB-7856R。

差分放大电路型号：STANFORD RESERCH SYSTEM MODEL SR560放大倍数10～50000倍，工作频率，DC～1MHz。

激磁绕组的匝数：90匝/个。

磁芯最大外部尺寸为150*100*100mm(长*宽*高)，厚度为25mm。

检测装置最大外围尺寸为400**400*200mm(长*宽*高)。

具体测量方法是：

步骤一：激磁绕组选择第一种连接方式(即激磁绕组的第一、第二、第三层绕组的进出线端子依次串联起来)，然后四个激磁绕组依次串联，串联方向应使每个激磁绕组产生的磁场方向一致；

步骤二：在一个待测样品上缠绕B信号传感线圈，在该待测样品附近的上下两个孔洞之间的样品固定支架8上安装H信号传感线圈，然后将缠绕B信号传感线圈后的待测样品安装在样品固定支架上，将样品固定支架放置两个磁芯之间，调节两个磁芯之间的距离，使两个磁芯与待测样品紧密接触；再通过位置固定支架利用螺丝固定磁芯的位置，夹紧待测样品；

步骤三：待测样品安装完成且固定磁芯的位置后，B信号传感线圈、H信号传感线圈连接至差分放大电路12的输入；差分放大电路的输出接至数字信号处理单元的输入I/O，同时数字信号处理单元的输出I/O接至功率放大器的输入，功率放大器的输出接至激磁绕组。数字信号处理单元给出激磁信号50Hz,1V Rms正弦交流电压，经功率放大器放大后变成50Hz，10VRms加载到激磁绕组上，使两个磁芯在待测样品上施加横向的交变磁场；

步骤四：通过B信号传感线圈、H信号传感线圈获得B线圈的电压值和H线圈的电压值，计算出样品中的磁通密度和磁场强度，形成B-H曲线；

步骤五：通过对第四步所获得的B-H曲线的分析计算，得出50Hz，10V Rms激励下永磁体涡流损耗值。

通过上述内容不难发现，本发明具有以下优点：

1)本实施例磁芯材料选用高频下具有高饱和磁密、高起始磁导率、低磁芯损耗、耐热性和耐磨性好的Fe-M-V系纳米晶材料。在不失测试精确性的前提下，激磁频率可以达到50KHZ，可以准确地得到样品在中高频激磁情况下的磁特性。

3)本发明检测装置的结构尺寸经由有限元仿真优化后得以确定，在不失测试精确性的前提下，缩小装置结构尺寸，以期达到更高的测试频率。纳米晶带材用量少，磁路结构对称性高，使其具有磁路损耗相对较小，高频下震动较小，磁场对称性较高等优点。

4)本实施例中激磁绕组由铜箔线绕制而成，确保在频率较高的情况下，损耗的合理性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种永磁体涡流损耗的测量系统，其特征在于该系统包括检测装置、功率放大器、差分放大电路以及数字信号处理单元，所述检测装置包括两个正对的U型磁芯、在U型磁芯的磁极上缠绕的激磁绕组、用于固定磁芯的磁芯固定支架、位置固定支架、底部支撑台和样品固定支架，所述磁芯固定支架上部设有与磁芯形状相匹配的凹槽，缠绕激磁绕组后的磁芯恰好能固定在该凹槽内，一个磁芯固定支架上固定一个磁芯，磁芯固定支架的下部设有滑动槽，该滑动槽与底部支撑台上的滑条相配合，能使磁芯固定支架沿滑条在底部支撑台上来回滑动；在磁芯固定支架侧边底部上安装位置固定支架，通过位置固定支架使相应磁芯固定支架固定在底部支撑台的特定位置；在两个正对的U型磁芯之间的底部支撑台上固定样品固定支架，所述样品固定支架上与磁芯的两个磁极相对的位置上均设有两个用于安放待测样品的孔洞，四个孔洞呈上下左右对称布置，四个待测样品上至少有一个缠绕B信号传感线圈；

所述激磁绕组的数量为偶数个，呈对称布置在两个磁芯上，所有激磁绕组逐个串联；多个激磁绕组串联后通过功率放大器连接数字信号处理单元，待测样品上的B信号传感线圈和H信号传感线圈通过差分放大电路连接数字信号处理单元。

2.根据权利要求1所述的永磁体涡流损耗的测量系统，其特征在于在缠绕有B信号传感线圈的待测样品附近的样品固定支架上安装H信号传感线圈。

3.根据权利要求1所述的永磁体涡流损耗的测量系统，其特征在于所述磁芯由纳米晶带材绕制切割而成，两个磁芯的形状尺寸、制作工艺以及磁芯装配方式和样品安装方式完全相同。

4.根据权利要求1所述的永磁体涡流损耗的测量系统，其特征在于每个激磁绕组均包括第一层绕组、第二层绕组和第三层绕组，每层绕组匝数不同，匝数数量逐步递增、不同层的绕组之间进行绝缘处理，三层绕组之间通过进出线选择性串联连接；所述第一层绕组、第二层绕组和第三层绕组分层绕制在磁芯的磁极上，第一层绕组紧密接触磁芯；每个激磁绕组均具有七种连接方式，即：第一种，每个激磁绕组的第一、第二、第三层绕组的进出线端子依次串联起来；第二种，每个激磁绕组的第二、第三层绕组的进出线端子依次串联起来；第三种，每个激磁绕组的第一、第三层绕组的进出线端子依次串联起来；第四种，每个激磁绕组的第一、第二绕组的进出线端子依次串联起来；第五种，每个激磁绕组的第一层绕组直接引出；第六种，每个激磁绕组的第二层绕组直接引出；第七种，每个激磁绕组的第三层绕组直接引出。

5.一种永磁体涡流损耗的测量方法，该方法使用权利要求1-4任一所述的测量系统，包括以下步骤：

步骤一：根据不同的频率需要选择某种激磁绕组的连接形式；

步骤二：在待测样品上缠绕B信号传感线圈，在位于该待测样品附近的上下两个孔洞之间的样品固定支架上安装H信号传感线圈，然后将四个待测样品安装在样品固定支架上，将样品固定支架放置两个磁芯之间，调节两个磁芯之间的距离，使两个磁芯与待测样品紧密接触；再通过位置固定支架利用螺丝固定磁芯的位置，夹紧待测样品；

步骤三：待测样品安装完成且固定磁芯的位置后，B信号传感线圈、H信号传感线圈连接差分放大电路；数字信号处理单元输出给定频率的激磁信号经功率放大器加载到激磁绕组上，两个磁芯在待测样品上施加横向的交变磁场；

步骤四：通过B信号传感线圈、H信号传感线圈获得B线圈的电压值和H线圈的电压值，计算出待测样品中的磁通密度和磁场强度，形成B-H曲线；

步骤五：通过对第四步所获得的B-H曲线的分析计算，得出永磁体涡流损耗值。