CN110441720A - 一种在叠制方向施加应力的改进爱泼斯坦方圈 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在叠制方向施加应力的改进爱泼斯坦方圈包括顶板、加压杆上部、压力传感器、加压杆下部、圆盘、试样槽上盖、应变片、绝缘板、机架和试样槽。本发明在传统爱泼斯坦方圈的基础上加装加压杆，在叠制方向对叠片铁心施加应力即将加压杆和顶板之间的螺纹拧紧力矩转化为圆盘对铁心的压应力，并使用爱泼斯坦方圈法实现叠制方向应力加载条件下叠片铁心磁特性的测量。本发明叠片铁心采用斜接的方式，减小叠片间的气隙，防止叠片在叠制方向的应力作用下发生形变甚至断裂，起到保护铁心的作用。
Description
技术领域
本发明涉及磁特性测量领域，具体是一种在叠制方向施加应力的改进爱泼斯坦方圈。
背景技术
爱波斯坦方圈法是一种比较成熟的叠片电工材料磁特性测试方法，随着我国电气行业的快速发展，传统的爱泼斯坦方圈已经不能满足复杂工况下硅钢片磁特性的测量需求。对于现有的爱泼斯坦方圈，其叠片铁心常采用双搭接结构构成磁路，叠片铁心内部气隙较大且磁路复杂，若在叠制方向施加应力则会导致铁心损坏。在实验过程中，叠片铁心内的电磁、应力等多种物理因素交互作用会引起振动噪声。在工程中，变压器、电抗器等电力设备为了减小叠片铁心的振动和噪声，往往采取增大夹件的机械强度等措施。但是，夹件的机械强度增大，铁心损耗也会随之增大，因此，如何寻找两者的平衡点至关重要。
应力是影响电工材料磁特性的物理量之一，对铁心的绕制和切割都会导致铁心内部存在残余应力。电机运行时由于旋转而产生的离心力、变压器运行中的电磁力也会对铁心的磁特性造成一定程度的影响。虽然目前已有相关论文研究叠片铁心所受应力对其磁特性的影响，如《Energy-Based Magneto-Mechanical Model for Electrical SteelSheets》。该论文在传统爱泼斯坦方圈的基础上进行改进，通过加装应力传感器来测量叠片铁心在轧制方向所受应力对其磁特性的影响。但是，不同方向的机械应力对电工材料磁特性的影响也不尽相同，此文没有考虑铁心叠制方向所受应力对其磁特性的影响。因此，如何方便、准确地测量叠片铁心在叠制方向所受应力对其磁特性的影响这一问题应当引起关注。
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，提供一种在叠制方向施加应力的改进爱泼斯坦方圈。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种在叠制方向施加应力的改进爱泼斯坦方圈，其特征在于该方圈包括顶板、加压杆上部、压力传感器、加压杆下部、圆盘、试样槽上盖、应变片、绝缘板、机架和试样槽；
机架的底板开有机架底板通孔，试样槽的底部开有试样槽通孔；所述试样槽固定于机架的底板上；机架的底板与试样槽之间具有空间，用于缠绕初级线圈绕组和次级线圈绕组；试样槽的两侧壁均开有测量窗口；
顶板固定于机架的立柱上；顶板上开有顶板螺纹通孔；每个试样槽上盖上均开有试样槽上盖通孔，用于加压杆下部的穿入；试样槽上盖可拆卸地固定于试样槽顶部，组成绕组骨架；加压杆上部的上部螺纹连接于顶板螺纹通孔中，加压杆上部的下部与压力传感器的上部连接，压力传感器的下部与加压杆下部的上部连接，加压杆下部的底部可拆卸固定有圆盘，组成加压杆；绕组骨架内部从下至上依次放置有叠片铁心和绝缘板；叠片铁心的下表面与试样槽接触，上表面放置有应变片，应变片位于叠片铁心和绝缘板之间；初级线圈绕组和次级线圈绕组交替缠绕在绕组骨架上。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本发明在传统爱泼斯坦方圈的基础上加装加压杆，在叠制方向对叠片铁心施加应力即将加压杆和顶板之间的螺纹拧紧力矩转化为圆盘对铁心的压应力，并使用爱泼斯坦方圈法实现叠制方向应力加载条件下叠片铁心磁特性的测量。
(2)本发明在加压杆内部加装压力传感器，压力传感器与上位机相连，可以精准读取并记录叠片铁心在叠制方向所受应力的大小。
(3)与传统的爱泼斯坦方圈不同，本发明叠片铁心采用斜接的方式，减小叠片间的气隙，防止叠片在叠制方向的应力作用下发生形变甚至断裂，起到保护铁心的作用。在加压杆末端安装圆盘，使加压杆施加在铁心上的压应力更均匀，防止铁心因局部受力过大而破损。在叠片铁心和圆盘之间加装绝缘板，避免圆盘与铁心直接接触，防止圆盘在旋转过程中将铁心表面磨损。
(4)为了克服传统爱泼斯坦方圈不能局部测量的不足，本发明在绕组骨架两侧开设测量窗口，适用于各种测量仪器和传感器如：高斯计、热电偶等对铁心进行局部测量，并且测量仪器和传感器的安装与拆卸十分方便。
(5)本发明在叠片铁心表面均匀贴附多个应变片，可记录铁心整体的振动情况，进而分析叠制方向应力的大小对叠片铁心振动的影响。
(6)在试样槽上盖上开设试样槽上盖通孔以便加压杆可以伸入绕组骨架内部。
(7)在机架的底板开有机架底板通孔，试样槽的底部开有试样槽通孔，螺丝刀带着螺栓从通孔穿入到绕组骨架内部，便于易磨损件-圆盘的安装及更换。
附图说明
图1为本发明的整体结构的俯视角度立体示意图；
图2为本发明的整体结构的仰视角度立体示意图；
图3为本发明的绕组骨架的俯视角度爆炸示意图；
图4为本发明的绕组骨架的仰视角度爆炸示意图；
图5为本发明的加压杆的爆炸示意图；
图6为本发明的绕组安装的俯视示意图；
图7为本发明的应变片安装的俯视示意图。
图中：1、顶板；2、顶板螺纹通孔；3、加压杆上部；4、压力传感器；5、加压杆下部；6、圆盘；7、试样槽上盖；8、机架底板通孔；9、应变片；10、测量窗口；11、绝缘板；12、叠片铁心；13、机架；14、试样槽；15、试样槽上盖通孔；16、试样槽通孔。
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。
本发明提供了一种在叠制方向施加应力的改进爱泼斯坦方圈(简称方圈，参见图1-7)，其特征在于该方圈包括顶板1、加压杆上部3、压力传感器4、加压杆下部5、圆盘6、试样槽上盖7、应变片9、绝缘板11、机架13和试样槽14；
机架13的底板的四条边上均开有机架底板通孔8，试样槽14的底部的四条边上均开有试样槽通孔16，机架底板通孔8与试样槽通孔16的数量匹配且位置对应，装配时螺丝刀带着螺栓依次穿过机架底板通孔8和试样槽通孔16，用于位于试样槽14中的圆盘6的安装；所述试样槽14的四角通过螺栓固定于机架13的底板上；机架13的底板与试样槽14之间具有空间，用于缠绕初级线圈绕组和次级线圈绕组；试样槽14的两侧壁均开有测量窗口10；
顶板1通过螺栓固定于机架13的立柱上；顶板1上开有顶板螺纹通孔2，顶板螺纹通孔2的数量与加压杆的数量匹配，用于与加压杆上部3螺纹连接；每个试样槽上盖7上均开有试样槽上盖通孔15，试样槽上盖通孔15与试样槽通孔16的数量匹配且位置对应，用于加压杆下部5的穿入；试样槽上盖7通过螺栓可拆卸地固定于试样槽14顶部，组成绕组骨架；加压杆上部3的上部螺纹连接于顶板螺纹通孔2中，加压杆上部3的下部与压力传感器4的上部螺纹连接，压力传感器4的下部与加压杆下部5的上部螺纹连接，加压杆下部5的底部通过螺栓可拆卸固定有圆盘6，组成加压杆；绕组骨架内部从下至上依次放置有叠片铁心12和绝缘板11；叠片铁心12的下表面与试样槽14接触，上表面放置有应变片9，应变片9位于叠片铁心12和绝缘板11之间，其与测量窗口10的数量匹配且位置对应；初级线圈绕组和次级线圈绕组交替缠绕在绕组骨架上；
所述压力传感器4与上位机连接，用于保证每根加压杆施加在叠片铁心12上的应力大小相同；与应变片9相连的导线(优选漆包线，用于传送电流)从测量窗口10穿出，经采集卡(信号放大)与上位机相连，应变片9用于测量叠片铁心12的振动噪声大小；初级线圈绕组和次级线圈绕组与示波器连接，示波器测量初级线圈绕组的电流值和次级线圈绕组的电压值，示波器与上位机连接。
优选地，叠片铁心12之间相互接触，组成矩形环。
优选地，测量窗口10的位置与试样槽上盖通孔15的位置对应。
优选地，压力传感器4的型号是ZMLBM型压力传感器；采集卡型号为NI USB-6002；上位机为电脑、计算机等；
优选地，将初级线圈绕组和次级线圈绕组的缠绕位置与加压杆和测量窗口10的位置不同；绕组缠绕完成后，在绕组外包裹一层绝缘胶带，防止绕组受损。
本方圈的制作步骤是：
步骤一：机架13的底板的四条边上各自开有三个机架底板通孔8，试样槽14的底部的四条边上各自开有三个试样槽通孔16，机架底板通孔8与试样槽通孔16的位置对应，装配时螺丝刀带着螺栓依次穿过机架底板通孔8和试样槽通孔16，用于位于试样槽14中的圆盘6的安装；所述试样槽14的四角通过螺栓固定于机架13的底板上；机架13的底板与试样槽14之间具有空间，用于缠绕初级线圈绕组和次级线圈绕组；试样槽14的两侧壁均开有测量窗口10，位置可与试样槽通孔16的位置对应；
步骤二：顶板1通过螺栓固定于机架13的立柱上；顶板1上开有十六个顶板螺纹通孔2，用于与加压杆上部3螺纹连接；每个试样槽上盖7上均开有三个试样槽上盖通孔15，试样槽上盖通孔15与试样槽通孔16的位置对应，用于加压杆下部5的穿入；试样槽上盖7通过螺栓可拆卸地固定于试样槽14顶部，组成绕组骨架；
步骤三：将十六根加压杆分为两类，分布在四角的四根加压杆为第一类，其余的十二根为第二类；第一类加压杆的安装方法为：将圆盘6和加压杆下部5的下部螺纹盲孔对齐再通过螺栓固定；将加压杆上部3的上部旋入顶板螺纹通孔2中并旋至最高位置，为下面部件安装预留足够空间；将压力传感器4的上部旋入加压杆上部3的下部中，再将加压杆下部5的上部旋入压力传感器4的下部中，安装完毕。第二类加压杆的安装方法为：将加压杆上部3的上部旋入顶板螺纹通孔2中并旋至最高位置，为下面部件安装预留足够空间；将压力传感器4的上部旋入加压杆上部3的下部中，再将加压杆下部5的上部旋入压力传感器4的下部中，再旋转加压杆上部3使加压杆整体向下移动，加压杆下部5的下部插入试样槽上盖通孔15中，使加压杆下部5进入绕组骨架内；此时，可将方圈整体竖直放置，将圆盘6从试样槽14的侧端放入试样槽14内；调整圆盘6的位置，将圆盘6和加压杆下部5的下部螺纹盲孔对齐；螺丝刀带着螺栓依次穿过机架底板通孔8和试样槽通孔16后，转动螺丝刀将螺栓旋入加压杆下部5的螺纹盲孔中实现圆盘6与加压杆下部5的固定，安装完毕；
步骤四、加压杆全部安装完毕后，把方圈调整至水平放置，将十六个压力传感器4与上位机相连，方便数据显示与记录；
步骤五、将所有加压杆调节至最高高度，将多个应变片9均匀放置在叠片铁心12上表面，再将叠片铁心12放入试样槽14中；与应变片9相连的导线从测量窗口10穿出，经采集卡与上位机相连；再将绝缘板11放置在叠片铁心12上；
步骤六：将初级线圈绕组和次级线圈绕组交替缠绕在绕组骨架上，在缠绕绕组时应错开加压杆和测量窗口10；绕组缠绕完成后，在绕组外包裹一层绝缘胶带，防止绕组受损；整个方圈安装完毕。
本发明的工作原理和工作流程是：
在实验过程中，根据实验的不同需求可加装各种测量仪器(例如：高斯计探针插入测量窗口10中，与叠片铁心12接触，得到叠片铁心12表面局部的磁场强度；热电偶贴附在叠片铁心12上，与热电偶相连的导线从测量窗口10穿出，与上位机相连，记录叠片铁心12局部的温度变化)。
测量仪器安装完成后，使用扳手将所有加压杆拧紧，在拧紧的同时观察压力传感器4在上位机中的压力数据，将所有压力数据调节至相同数值，保证每根加压杆施加在叠片铁心12上的应力大小相同，方向为铁心叠制方向。之后的测量方法和传统爱波斯坦方圈法相同，利用法拉第电磁感应定律测试磁通密度。测量数据包括各种测量仪器的数据和示波器得到的原边电流和副边电压。
此次测量完成后，通过再次拧动加压杆来调节叠片铁心12所受应力，得到新的测量数据，从而研究在叠制方向不同压应力的作用下，叠片铁心12磁特性的变化。在研究叠片铁心12磁特性的同时，记录应变片9的数据变化，分析叠制方向施加应力对叠片铁心12振动的影响，研究叠片铁心12磁特性、叠制方向压应力和振动噪声三者的相关性。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (9)
1.一种在叠制方向施加应力的改进爱泼斯坦方圈，其特征在于该方圈包括顶板、加压杆上部、压力传感器、加压杆下部、圆盘、试样槽上盖、应变片、绝缘板、机架和试样槽；
机架的底板开有机架底板通孔，试样槽的底部开有试样槽通孔；所述试样槽固定于机架的底板上；机架的底板与试样槽之间具有空间，用于缠绕初级线圈绕组和次级线圈绕组；试样槽的两侧壁均开有测量窗口；
顶板固定于机架的立柱上；顶板上开有顶板螺纹通孔；每个试样槽上盖上均开有试样槽上盖通孔，用于加压杆下部的穿入；试样槽上盖可拆卸地固定于试样槽顶部，组成绕组骨架；加压杆上部的上部螺纹连接于顶板螺纹通孔中，加压杆上部的下部与压力传感器的上部连接，压力传感器的下部与加压杆下部的上部连接，加压杆下部的底部可拆卸固定有圆盘，组成加压杆；绕组骨架内部从下至上依次放置有叠片铁心和绝缘板；叠片铁心的下表面与试样槽接触，上表面放置有应变片，应变片位于叠片铁心和绝缘板之间；初级线圈绕组和次级线圈绕组交替缠绕在绕组骨架上。
2.根据权利要求1所述的在叠制方向施加应力的改进爱泼斯坦方圈，其特征在于所述压力传感器与上位机连接；与应变片相连的导线从测量窗口穿出，经采集卡与上位机相连；初级线圈绕组和次级线圈绕组与示波器连接，示波器与上位机连接。
3.根据权利要求1所述的在叠制方向施加应力的改进爱泼斯坦方圈，其特征在于机架底板通孔与试样槽通孔的数量匹配且位置对应，装配时螺丝刀带着螺栓依次穿过机架底板通孔和试样槽通孔，用于位于试样槽中的圆盘的安装。
4.根据权利要求1所述的在叠制方向施加应力的改进爱泼斯坦方圈，其特征在于顶板螺纹通孔的数量与加压杆的数量匹配，用于与加压杆上部螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的在叠制方向施加应力的改进爱泼斯坦方圈，其特征在于试样槽上盖通孔与试样槽通孔的数量匹配且位置对应。
6.根据权利要求1所述的在叠制方向施加应力的改进爱泼斯坦方圈，其特征在于应变片位于叠片铁心和绝缘板之间，其与测量窗口的数量匹配且位置对应。
7.根据权利要求1所述的在叠制方向施加应力的改进爱泼斯坦方圈，其特征在于叠片铁心之间相互接触，组成矩形环。
8.根据权利要求1所述的在叠制方向施加应力的改进爱泼斯坦方圈，其特征在于测量窗口的位置与试样槽上盖通孔的位置对应。
9.根据权利要求1所述的在叠制方向施加应力的改进爱泼斯坦方圈，其特征在于将初级线圈绕组和次级线圈绕组的缠绕位置与加压杆和测量窗口的位置不同；绕组缠绕完成后，在绕组外包裹绝缘胶带，防止绕组受损。
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|---|---|
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