CN108919150B - 一种立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统及测量方法。该系统包括无感电容、LabVIEW测试平台、功率放大器和立式三相柔性宽频磁特性检测装置；装置包括铁心固定支架、铁心、B‑H磁信号传感线圈板、支柱、励磁绕组、B探针、内层H线圈和外层H线圈；LabVIEW测试平台与功率放大器连接，功率放大器与无感电容连接，无感电容与励磁绕组连接。铁心固定于铁心固定支架上；支柱固定到铁心固定支架上，支柱顶部放置有待测样片；四根B探针均匀地固定在B‑H磁信号传感线圈板上；内层H线圈和外层H线圈绕制在B‑H磁信号传感线圈板上；B‑H磁信号传感线圈板放置于待测样片的中心位置处；铁心极头处嵌套有一个励磁绕组。

Description

一种立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及宽频旋转磁特性检测领域，具体是一种立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统及测量方法。

背景技术

目前较为通用的电工装备中磁性材料磁特性的测量试样均为单片形状，一维磁特性测量装置中常用的是矩形单片试样结构，例如，用于一维爱泼斯坦方圈法的试样是由长条形硅钢片搭接而成；用于二维单片测量法的试样为正方形单层磁性材料。随着对磁性材料研究的逐步深入，需要对单片类磁性材料在实际工况中各个频率段的磁特性进行测试，而且在对待测试样进行测量时，待测试样中心的磁化均匀区域需要增大。所以，设计三相柔性宽频磁特性检测装置及测量方法成为磁特性测量领域必不可少的一环。

传统的一维磁特性测量如爱泼斯坦方圈法只考虑了平面内某一方向的磁特性，二维磁特性测量如二维方形单片测量法，采用的是正方形的待测样片，令处于平面内两个正交方向的激磁铁心对正方形待测样片进行磁化的方式。

已有的一维磁特性测量装置及方法只考虑了平面内某一方向的磁特性，但在实际工况中，如电机铁心动态磁特性、变压器拐角或“T”形结合处存在旋转磁特性，铁心材料的磁导率或磁阻率所体现的B、H关系不再是标量而是复杂的张量形式。因此，传统一维方法并不能测量旋转磁特性，会导致工程计算的不准确性，与实际产生较大的偏差，这种电磁计算的不准确性造成了电工装备的非最优化设计，从而引起附加损耗的增加或者造成局部过热等问题。

已有的二维磁特性测量装置及方法采用的是正方形样片，正方形样片相对于六边形样片来讲，样片磁化后的中心均匀区域不如六边形好，测量误差比六边形样片大。已有的二维磁特性测量装置采用六边形样片进行测量时，采用的是平面式激磁结构，用形状相同的样片叠放成激磁铁心，这样做的结果是在激磁铁心“T”形结合处存在旋转磁特性，当励磁绕组通过电流时，铁心会产生比较大的漏磁，样片的表面的感应电压信号本来就很微弱，还会引入更多的杂散信号和谐波。

已有技术的磁特性检测装置，励磁绕组采用矩形结构窗口利用率低，漏磁问题突出；磁路材料为硅钢片，高频下具有较高的铁心损耗，发热问题严重。已有技术的检测装置不能实现高频下旋转磁特性的模拟。

文献《张艳丽,何厚键,谢德馨,KOH Chang-seop.基于二维磁特性测量的电工钢片矢量磁滞模型[J].中国电机工程学报,2010,30(03):130-135》中的待测样片是方形的，方形样片相比于正六边形样片来说在样片被磁化时的均匀程度不如正六边形好。而且测量B传感信号采用的是在样片上打孔进行测试的方法，这种方法属于破坏性测量，打孔对待测样片上的测量区域会产生残留应力，对的磁特性的测量有较大影响。

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，提供一种立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统及测量方法。

本发明解决所述系统技术问题的技术方案是，提供一种立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统，其特征在于该系统包括无感电容、LabVIEW测试平台、功率放大器和立式三相柔性宽频磁特性检测装置；所述装置包括铁心固定支架、铁心、B-H磁信号传感线圈板、支柱、励磁绕组、B探针、内层H线圈和外层H线圈；所述LabVIEW测试平台与功率放大器连接，功率放大器与无感电容连接，无感电容与励磁绕组连接；

所述铁心固定于铁心固定支架上；铁心包括上铁心、下铁心和侧面铁心；固定好的上铁心、下铁心和侧面铁心的极头相互连接，连接处组成一个正六边形；所述支柱固定到铁心固定支架上，支柱顶部的正六边形结构与上铁心、下铁心和侧面铁心的极头围成的正六边形位置重合，支柱顶部的正六边形结构顶端放置有待测样片，待测样片与上铁心、下铁心和侧面铁心的极头处对齐并接触；四根B探针均匀地固定在B-H磁信号传感线圈板上；内层H线圈绕制在B-H磁信号传感线圈板上；外层H线圈绕制在B-H磁信号传感线圈板上，位于内层H线圈外侧且与内层H线圈垂直；所述B-H磁信号传感线圈板放置于待测样片的中心位置处；上铁心、下铁心和侧面铁心的每个极头处嵌套有一个励磁绕组。

本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种立式三相柔性宽频旋转磁特性测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一：将待测样片放置在支柱上，并调整待测样片的位置使得待测样片与上铁心、下铁心和侧面铁心的极头处对齐并接触；

步骤二：选择一种测试频率对应的励磁绕组连接方式，将对应的进线端子和出线端子进行连接；

步骤三：用电感电容电阻表测量仪测量此时频率和励磁绕组连接方式下的电感，根据谐振公式计算出此时需要的电容，采用耐高压的无感电容进行匹配，降低系统中的励磁电流；

步骤四：在三个方向的所有励磁绕组中分别通入三相正弦交流电，通过LabVIEW测试平台发出单一方向交变励磁信号，经过功率放大器放大后，控制励磁绕组中三相正弦交流电的幅值和相位，在待测样片所在平面中形成单一方向的交变磁场；

步骤五：观察磁通密度和磁场强度波形，检测距离较远的两根B探针之间的电压信号，检测内层H线圈和外层H线圈的感应电压信号，存储磁特性数据，提高励磁电压信号，直至待测样片饱和；

步骤六：观察到磁场饱和后，缓慢减小励磁信号，对待测样片进行退磁；

步骤七：通过LabVIEW测试平台发出另一个单一方向交变励磁信号，经过功率放大器放大后，控制励磁绕组中三相正弦交流电的幅值和相位，在待测样片所在平面中形成另一个单一方向的交变磁场，重复步骤五和步骤六；

步骤八：通过LabVIEW测试平台发出三路相位配合励磁信号，经过功率放大器放大后，控制励磁绕组中三相正弦交流电的幅值和相位，在待测样片形成旋转磁场，重复步骤五和步骤六，得到不同励磁电压作用下，样品的磁感应强度和磁场强度轨迹图；

步骤九：更换励磁绕组连接方式，重复步骤三、步骤四、步骤五、步骤六、步骤七和步骤八，直至完成所需频率和励磁方式下的磁特性检测，得到不同频率、不同励磁电流作用下，样品的磁感应强度和磁场强度轨迹图，进而可以计算损耗。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1、本发明的铁心采用0.05mm的超薄硅钢卷制而成，超薄硅钢相比于普通硅钢具有高饱和磁密、高起始磁导率、低磁芯损耗、耐热性和耐磨性好的特点，由于待测样片磁化至饱和状态时，励磁绕组通入的电流是比较大的，用超薄硅钢的铁心发热少，对样片的温升情况影响小，测试更为精确，测试频率可以从几赫兹到几十千赫兹。

2、本发明中的铁心可以在铁心围成的正六边形中心区域形成比正方形更加均匀的磁场，配合正六边形的待测样片，降低了励磁难度，提高了实验精度，而且测量B传感信号采用的是用探针进行测试的方法，这种方法属于非破坏性测量，相比打孔对待测样片上的测量区域会产生残留应力，对磁特性的测量有较大影响，这种非破坏性测量的测试方法能够测试更加真实的磁性材料的磁特性。

3、本发明采用分段层数逐次增加的梯形励磁绕组结构，可以根据不同的频率选择不同的连接方式，适用于更宽频率的磁特性测量，频率不再固定单一，而是可以通过不同的进线端子和出线端子进行柔性连接，每一层励磁绕组有进线端子和出线端子，方便实现不同层数励磁绕组的串并联，相比于传统的矩形励磁绕组连接方式，这种分段层数逐次增加的梯形励磁绕组结构增加了平面内的绕组体积利用率，降低了励磁难度，降低励磁难度在样片接近磁化到饱和状态的时候是非常重要的，因为样片越接近磁化饱和，需要的电流越大，测试中的实验设备无法承受过大的电流，所以降低励磁难度十分重要。

4、本发明的磁路采用立式三个铁心组成，相比平面叠放式三相铁心，三个铁心相互独立，磁路没有交叉，每个铁心产生的磁力线在铁心中相互独立，不会因为磁力线在铁心中相互交叉杂散信号和谐波，导致实验结果不准。

5、本发明用电感电容电阻表测量仪测量此时频率和绕组连接方式下的电感，根据谐振公式计算出此时需要的电容，采用无感电容进行匹配，这样做的优势是降低了励磁难度，使得电路中的电压不会因为随着频率的升高而增大的过快，导致测试实验进行困难。

6、该系统能够实现电工装备中的单片磁性材料的一维和二维动态磁特性的精确测量。

附图说明

图1本发明立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统及测量方法一种实施例的整体结构轴测示意图；

图2为本发明立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统及测量方法一种实施例的励磁绕组和铁心连接示意图；

图3为本发明立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统及测量方法一种实施例的上铁心、下铁心、侧面铁心和待测样片连接示意图；

图4为本发明立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统及测量方法一种实施例的励磁绕组轴测示意图；

图5为本发明立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统及测量方法一种实施例的待测样片、B-H磁信号传感线圈板、内层H线圈和外层H线圈安装示意图；

图6为本发明立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统及测量方法一种实施例的B-H磁信号传感线圈板、B探针、内层H线圈和外层H线圈安装示意图；

图7为本发明立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统及测量方法一种实施例的无感电容、LabVIEW测试平台、功率放大器和装置的连接示意图；

图8为本发明立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统及测量方法一种实施例的铁心固定支架示意图；

图9为本发明立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统及测量方法一种实施例的上铁心示意图；

图10为本发明立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统及测量方法一种实施例的侧面铁心示意图；

图11为本发明立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统及测量方法一种实施例的支柱示意图；

图12为本发明立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统及测量方法一种实施例的卡扣示意图；(图中：1、铁心固定支架；2、上铁心；3下铁心；4、侧面铁心；5、待测样片；6、B-H磁信号传感线圈板；7、卡扣；8、支柱；9、不导磁螺丝；10、励磁绕组；11、第一层励磁线圈；12、第二层励磁线圈；13、第三层励磁线圈；14、无感电容；15、LabVIEW测试平台；16、B探针；17、内层H线圈；18、外层H线圈；19、进线端子；20、出线端子；21、功率放大器)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统(简称系统，参见图1-12)，其特征在于该系统包括无感电容14、LabVIEW测试平台15、功率放大器21和立式三相柔性宽频磁特性检测装置(简称装置)；所述装置包括铁心固定支架1、铁心、B-H磁信号传感线圈板6、支柱8、励磁绕组10、B探针16、内层H线圈17和外层H线圈18；所述LabVIEW测试平台15与功率放大器21连接，功率放大器21与无感电容14连接，无感电容14与励磁绕组10连接；

所述铁心通过卡扣7和不导磁螺丝9配合固定于铁心固定支架1上；铁心包括上铁心2、下铁心3和侧面铁心4；上铁心2、下铁心3和侧面铁心4的极头加工成楔形；上铁心2与下铁心3相同，侧面铁心4的极头的楔形相对于上铁心2与下铁心3的极头旋转90°；固定好的上铁心2、下铁心3和侧面铁心4的极头相互连接，连接处组成一个正六边形；所述支柱8通过不导磁螺丝9固定到铁心固定支架1上，支柱8顶部的正六边形结构与上铁心2、下铁心3和侧面铁心4的极头围成的正六边形位置重合，支柱8顶部的正六边形结构顶端放置有正六边形的待测样片5，待测样片5与上铁心2、下铁心3和侧面铁心4的极头处对齐并接触；四根B探针16均匀地固定在B-H磁信号传感线圈板6上，，位于B-H磁信号传感线圈板6的边缘处；用于检测待测样片5被磁化时感应出来的B电压信号；内层H线圈17绕制在B-H磁信号传感线圈板6上；外层H线圈18绕制在B-H磁信号传感线圈板6上，位于内层H线圈17外侧且与内层H线圈17垂直，用于检测待测样片5被磁化时感应出来的H电压信号；所述B-H磁信号传感线圈板6放置于待测样片5的中心位置处；上铁心2、下铁心3和侧面铁心4的每个极头附近嵌套有一个励磁绕组10；励磁绕组10为梯形，使得待测样片5所在处平面能够放置更多的励磁线圈；

每个励磁绕组10均包括进线端子19、出线端子20、第一层励磁线圈11、第二层励磁线圈12和第三层励磁线圈13；第一层励磁线圈11、第二层励磁线圈12和第三层励磁线圈13中第一层励磁线圈11的匝数最少，第三层励磁线圈13的匝数最多，匝数逐层递增；相邻层励磁线圈之间进行绝缘处理；所述第一层励磁线圈11、第二层励磁线圈12和第三层励磁线圈13绕制在铁心上，紧密接触铁心；第一层励磁线圈11、第二层励磁线圈12和第三层励磁线圈13均安装有进线端子19和出线端子20，不同励磁绕组之间、同一励磁绕组不同励磁线圈之间均可以通过进线端子19和出线端子20进行串并连接；

励磁绕组10共有七种连接方式，即：连接每个励磁绕组的第一层励磁线圈11、第二层励磁线圈12、第三层励磁线圈13；连接每个励磁绕组的第二层励磁线圈12、第三层励磁线圈13；连接每个励磁绕组的第一层励磁线圈11、第三层励磁线圈13；连接每个励磁绕组的第一层励磁线圈11、第二层励磁线圈12；连接每个励磁绕组的第一层励磁线圈11；连接每个励磁绕组的第二层励磁线圈12；连接每个励磁绕组的第三层励磁线圈13。

所述铁心采用0.05mm的超薄硅钢卷制而成。

本发明同时提供了一种立式三相柔性宽频旋转磁特性测量方法(简称方法)，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一：将待测样片5放置在支柱8上，并调整待测样片5的位置使得待测样片5与上铁心2、下铁心3和侧面铁心4的极头处对齐并接触；

步骤二：选择一种测试频率对应的励磁绕组连接方式，将对应的进线端子19和出线端子20进行连接；

步骤三：用电感电容电阻表测量仪测量此时频率和励磁绕组连接方式下的电感，根据谐振公式计算出此时需要的电容，采用耐高压的无感电容14进行匹配，降低系统中的励磁电流；

步骤四：在三个方向的所有励磁绕组中分别通入三相正弦交流电，通过LabVIEW测试平台15发出单一方向交变励磁信号，经过功率放大器21放大后，控制励磁绕组10中三相正弦交流电的幅值和相位，在待测样片5所在平面中形成单一方向的交变磁场；

步骤五：观察磁通密度和磁场强度波形，检测距离较远的两根B探针16之间的电压信号，检测内层H线圈17和外层H线圈18的感应电压信号，存储磁特性数据，提高励磁电压信号，直至待测样片5饱和；

步骤六：观察到磁场饱和后，缓慢减小励磁信号，对待测样片5进行退磁；

步骤七：通过LabVIEW测试平台15发出另一个单一方向交变励磁信号，经过功率放大器21放大后，控制励磁绕组10中三相正弦交流电的幅值和相位，在待测样片5所在平面中形成另一个单一方向的交变磁场，重复步骤五和步骤六；

步骤八：通过LabVIEW测试平台15发出三路相位配合励磁信号，经过功率放大器21放大后，控制励磁绕组10中三相正弦交流电的幅值和相位，在待测样片5形成旋转磁场，重复步骤五和步骤六，得到不同励磁电压作用下，样品的磁感应强度和磁场强度轨迹图；

步骤九：更换励磁绕组连接方式，重复步骤三、步骤四、步骤五、步骤六、步骤七和步骤八，直至完成所需频率和励磁方式下的磁特性检测，得到不同频率、不同励磁电流作用下，样品的磁感应强度和磁场强度轨迹图，进而可以计算损耗。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统，其特征在于该系统包括无感电容、LabVIEW测试平台、功率放大器和立式三相柔性宽频磁特性检测装置；所述装置包括铁心固定支架、铁心、B-H磁信号传感线圈板、支柱、励磁绕组、B探针、内层H线圈和外层H线圈；所述LabVIEW测试平台与功率放大器连接，功率放大器与无感电容连接，无感电容与励磁绕组连接；

所述铁心固定于铁心固定支架上；铁心包括上铁心、下铁心和侧面铁心；固定好的上铁心、下铁心和侧面铁心的极头相互连接，连接处组成一个正六边形；所述支柱固定到铁心固定支架上，支柱顶部的正六边形结构与上铁心、下铁心和侧面铁心的极头围成的正六边形位置重合，支柱顶部的正六边形结构顶端放置有待测样片，待测样片与上铁心、下铁心和侧面铁心的极头处对齐并接触；四根B探针均匀地固定在B-H磁信号传感线圈板上；内层H线圈绕制在B-H磁信号传感线圈板上；外层H线圈绕制在B-H磁信号传感线圈板上，位于内层H线圈外侧且与内层H线圈垂直；所述B-H磁信号传感线圈板放置于待测样片的中心位置处；上铁心、下铁心和侧面铁心的每个极头处嵌套有一个励磁绕组。

2.根据权利要求1所述的立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统，其特征在于上铁心、下铁心和侧面铁心的极头加工成楔形；上铁心与下铁心相同，侧面铁心的极头的楔形相对于上铁心与下铁心的极头旋转90°。

3.根据权利要求1所述的立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统，其特征在于励磁绕组为梯形，使得待测样片所在处平面能够放置更多的励磁线圈。

4.根据权利要求1所述的立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统，其特征在于每个励磁绕组均包括进线端子、出线端子、第一层励磁线圈、第二层励磁线圈和第三层励磁线圈；第一层励磁线圈、第二层励磁线圈和第三层励磁线圈中第一层励磁线圈的匝数最少，第三层励磁线圈的匝数最多，匝数逐层递增；相邻层励磁线圈之间进行绝缘处理；所述第一层励磁线圈、第二层励磁线圈和第三层励磁线圈绕制在铁心上；第一层励磁线圈、第二层励磁线圈和第三层励磁线圈均安装有进线端子和出线端子，通过进线端子和出线端子进行串并连接。

5.根据权利要求1所述的立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统，其特征在于所述铁心采用0.05mm的超薄硅钢卷制而成。

6.一种基于权利要求1-5任一所述立式三相柔性宽频旋转磁特性测量系统的磁特性测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一：将待测样片放置在支柱上，并调整待测样片的位置使得待测样片与上铁心、下铁心和侧面铁心的极头处对齐并接触；

步骤二：选择一种测试频率对应的励磁绕组连接方式，将对应的进线端子和出线端子进行连接；

步骤三：用电感电容电阻表测量仪测量此时频率和励磁绕组连接方式下的电感，根据谐振公式计算出此时需要的电容，采用耐高压的无感电容进行匹配，降低系统中的励磁电流；

步骤四：在三个方向的所有励磁绕组中分别通入三相正弦交流电，通过LabVIEW测试平台发出单一方向交变励磁信号，经过功率放大器放大后，控制励磁绕组中三相正弦交流电的幅值和相位，在待测样片所在平面中形成单一方向的交变磁场；

步骤五：观察磁通密度和磁场强度波形，检测距离较远的两根B探针之间的电压信号，检测内层H线圈和外层H线圈的感应电压信号，存储磁特性数据，提高励磁电压信号，直至待测样片饱和；

步骤六：观察到磁场饱和后，缓慢减小励磁信号，对待测样片进行退磁；

步骤七：通过LabVIEW测试平台发出另一个单一方向交变励磁信号，经过功率放大器放大后，控制励磁绕组中三相正弦交流电的幅值和相位，在待测样片所在平面中形成另一个单一方向的交变磁场，重复步骤五和步骤六；

步骤八：通过LabVIEW测试平台发出三路相位配合励磁信号，经过功率放大器放大后，控制励磁绕组中三相正弦交流电的幅值和相位，在待测样片形成旋转磁场，重复步骤五和步骤六，得到不同励磁电压作用下，样品的磁感应强度和磁场强度轨迹图；

步骤九：更换励磁绕组连接方式，重复步骤三、步骤四、步骤五、步骤六、步骤七和步骤八，直至完成所需频率和励磁方式下的磁特性检测，得到不同频率、不同励磁电流作用下，样品的磁感应强度和磁场强度轨迹图，进而可以计算损耗。

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