CN111142054B - 一种适用于电工材料应力加载下的三维磁特性测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种适用于电工材料在应力加载条件下的三维磁特性测量装置。该装置包括测量台、控制模块和待测样品电磁模块；所述的控制模块的组成包括信号放大器、NI采集卡、功率放大器、水冷电阻、匹配电容箱和电脑，其中，信号放大器、NI采集卡、功率放大器、水冷电阻、匹配电容箱顺次相连，电脑与NI采集卡相连；匹配电容箱与测量装置的激磁线圈相连；样品内部的B‑H复合传感线圈与信号放大器相连。本发明适用于立方体样品在应力加载条件下进行磁特性测量实验的传感结构。

Description

一种适用于电工材料应力加载下的三维磁特性测量装置

技术领域

本发明涉及三维磁特性测量领域，具体是一种适用于电工材料在应力加载条件下的三维磁特性测量装置。

背景技术

磁性材料在电工装备中有着非常广泛的应用，磁特性测量是我们了解和应用磁性材料的前提，目前常用的磁特性测量方法有一维爱泼斯坦方圈法、环形样件法和二维单片测试法。

然而在设备制造和运行的实际工程中，电工材料会受到各种各样的力，比如材料的裁剪、冲压、装配，线圈的绕制和切割等工艺所造成的残余内应力，电机旋转过程中所受到离心力以及变压器在运行中受到的电磁力。这些应力都会对电工材料的磁特性有较大影响，并且不同方向的应力对其影响也不尽相同，这将会造成电力设备的实际运行指标偏离最初的设计值，影响设备的使用寿命。因此，要想精确有效地设计磁性材料在电工装备中的实际应用就必须测量不同方向、不同大小的应力对磁性材料磁特性的影响，以期能够更加贴近实际工况。

已有相关专利及文献研究在硅钢片的叠制方向施加应力的一维磁特性测量系统和硅钢片的轧制方向上施加应力的二维磁特性测量系统，随着三维动态磁特性测量技术的发展，研究电工材料在应力加载条件下的三维磁特性测量技术是未来发展过程中必不可少的一环，而该发明装置可以实现立方体样品在单轴、双轴和三轴施加应力时的三维磁特性测量。

在设计应力加载条件下的三维磁特性测量装置时，如何保证施加应力不会对B-H复合传感线圈的测量结果产生较大误差，并且能够更好的起到聚磁作用和减少涡流损耗也是要着重考虑的问题，因为这能有效地减少空气中的漏磁并提升效率，也在一定程度上提高了装置的测量精度。此外，随着我国电气和材料行业的快速发展，常用的电工材料已经不再局限于硅钢，所以在设计三维磁测量装置时还应该考虑到如何方便快捷的更换待测样品以节省人力和时间。

专利(丁晓峰，熊彦文，肖力豪，郭宏.一种可控应力条件下的硅钢片二维磁特性测量系统及其测量方法，CN104569875A。)中设计了一种装置可以测量立方体样品在二维激磁和单轴加力情况下的二维磁特性，该装置由两个C型磁轭与立方体的前、后、左、右四个面相连进行激磁，通过加力执行装置对立方体样品在竖直方向施加应力，且整体装置结构固定，所以只能进行二维激磁和单轴加力情况下的二维磁特性测量，无法研究应力加载条件下的三维磁特性测量。

发明内容

本发明的目的为针对现有技术的不足，提供了一种新型的极头段磁轭的叠制工艺和一种适用于立方体样品在应力加载条件下进行磁特性测量实验的传感结构。该结构通过拉动连结、把手、电缸、极头段磁轭等设计，不仅可以对立方体样品在三个轴上施加应力，还可以采取自动化的方式更换待测样品。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：

一种适用于电工材料在应力加载条件下的三维磁特性测量装置，该装置包括测量台、控制模块和待测样品电磁模块；

所述的控制模块的组成包括信号放大器、NI采集卡、功率放大器、水冷电阻、匹配电容箱和电脑，其中，信号放大器、NI采集卡、功率放大器、水冷电阻、匹配电容箱顺次相连，电脑与NI采集卡相连；匹配电容箱与测量装置的激磁线圈相连；样品内部的B-H复合传感线圈与信号放大器相连。

所述的测量台包括底座、电缸工作平台、结构支撑柱、电缸支架、磁轭外壳支撑柱、磁轭外壳、固定电缸夹件、电缸、装置放置底台、主磁轭、极头段磁轭、激磁线圈、把手、施加应力板、卡件螺母、应力传感器和拉动连结；

所述的底座的上面为装置放置底台，磁轭外壳位于装置放置底台的中部；装置放置底台的每个角上竖直固定有一个结构支撑柱；十字形的电缸支架的四个端部分别固定在一个结构支撑柱的顶端，其十字交叉中心位置固定有一套应力加载结构，电缸支架的四个支撑臂的下表面中间，均安装有一个磁轭外壳支撑柱，外壳支撑柱的下端分别位于磁轭外壳端面的四角；装置放置底台的每个边板上固定有一个电缸工作平台，每个电缸工作平台的端顶延伸至磁轭外壳的一个侧壁，每个电缸工作平台上都固定有一套应力加载结构；即本装置共有六套相同的应力加载结构，六套应力加载结构分别位于磁轭外壳的上、下、左、右、前、后六个面中心位置的外部；除去上、下两个方向，四周的每个应力加载结构中的电缸由固定电缸夹件来固定，固定电缸夹件固定在电缸工作平台上；

所述的底座在中心位置有一个与下电缸放置壳相通的加力通道，该加力通道为通孔型结构，其俯视图形状为正方形的每条边有一个相同的条状凸起，且通孔大小与把手尺寸相同；下电缸放置壳为四个方形分布的竖直的直角型角钢组成，四个直角型角钢(折角向内)通过电缸上挡板相连，电缸上挡板中心有通孔；电缸上挡板位于加力通道的正下方；

所述的磁轭外壳为六个相同的正方形板所围成的立方体中空结构，每个正方形板为镂空结构，其四条边均有一定宽度的边框，从这四个边框的中间位置分别向中心延伸出一条窄板，每个窄板的末端与一个正方形方框的一条边框的中部相连；窄板的内侧设置有卡槽，主磁轭通过固定磁轭夹件固定于窄板上，且该窄板形成十字形结构，十字形结构中心位置有一个与把手尺寸匹配的正方形挖孔，中心的正方形挖孔用于安装应力加载结构的把手，来放置极头段磁轭；

所述装置的磁路结构中，主磁轭由12个直角型磁轭构成，每个直角型磁轭固定在磁轭外壳中相邻的两个正方形板的中部；每四个直角型磁轭在一个维度上围成一个正方形框架结构，空间结构中则一共可构成三个正方形结构，这三个正方形结构在三个维度上成互相垂直的方向排列，6个极头段磁轭各自固定在磁轭外壳中正方形板的中部的正方形方框处；每个极头段磁轭的尾端与周围的4个主磁轭分别相连；极头段磁轭的主体是横截面为正方形的棱柱，顶部为梯台，其下部的横截面是十字形；极头段磁轭下部插入到应力加载结构中的把手中，中段用于缠绕激磁线圈，顶部梯台的端面贴合到待测立方体样品的一个侧面；

所述的应力加载结构，包含电缸、拉动连结、卡件螺母、应力传感器、施加应力板和把手组成；极头段磁轭下部插在把手中心的正方形通孔中，其下部端面固定有施加应力板，施加应力板的中心为一个连接杆，连接杆的末端中心有挖孔，应力传感器两端的两个螺纹杆中的一个插入连接杆的挖孔内，另一个与卡件螺母相连，拉动连接套在卡件螺母外部，其顶端的四角通过不导磁螺钉与把手相连；直连式高精度电缸的电缸杆穿过拉动连接的尾端中心，与卡件螺母的另一端相连；

其中，把手为一个中心有正方形通孔的筒状结构，该正方形的边长与极头段磁轭的尺寸匹配，把手的四角各焊接有一个横截面为正方形的长柱，长柱的长度与筒状结构的长度相同；每个长柱的底端的中心均设置有螺孔，通过螺钉和拉动连结相连；

所述的拉动连结的上表面为一个“井”字型的板，其中心处有一个与电缸杆尺寸相同的圆孔，“井”字型的四个直角为角钢形成的延伸的凹槽，每个凹槽底部为一个与把手的立方体长柱截面相同的平板，平板的中心有螺孔；应力传感器的另一端固定在卡件螺母内部，卡件螺母的另一端与电缸的杆相连。

所述的待测样品电磁模块包括6个相同B-H复合传感线圈结构；

所述的6个B-H复合传感线圈结构分别粘贴在正方体的待测样品的六个面的中心，每个B-H复合传感线圈结构的外部都设置有一个匀场极靴。

所述的B-H复合传感线圈结构包括线圈外套PCB板、线圈内套PCB板、B线圈和H线圈；线圈外套PCB板为与待测样品每面面积均相同的正方形结构，且中心有正方形挖孔，该挖孔边长与线圈内套PCB板的长边尺寸相同；圆形B线圈嵌在长方形的线圈内套PCB板内部，将H线圈缠绕在线圈内套PCB板上，再将该结构整体嵌入线圈外套PCB板中心的正方形挖孔内；所述的六个B-H复合传感线圈结构中共十二个线圈分别与一个信号放大器的十二个通道相连。

所述的极头段磁轭由完全相同的四个部分拼接而成，每一个部分垂直于磁轭运动方向的截面，包括一个直角等腰三角形；2个部分的等腰直角三角形顶角相抵，另外两个部分顶角相抵填充在90度方向，形成极头段磁轭；每一部分均由硅钢片叠片压制而成，硅钢片排列方向垂直于直角三角形的顶角指向方向。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本发明将六个极头段磁轭13与主磁轭12分离，而不是作为一个整体来进行激磁，该结构可以在主磁轭12位置固定的情况下通过利用电缸移动极头段磁轭结构13来对立方体样品施加应力，移动不同轴的极头段磁轭结构13可以实现立方体样品在三维激磁情况下单轴、双轴和三轴施加应力时的三维磁特性测量，充分考虑了不同方向、不同大小的应力对三维磁特性的影响。

(2)本发明对极头段磁轭结构13的制作工艺进行改进，该部分采用超薄硅钢通过如图14所示衔接的叠制方法，可有效提高三个轴向的激磁能力，避免由于来源于不同方向的磁场在叠制方向的磁轭表面产生严重的涡流，减小损耗的同时增大了整体装置的激磁能力，提高了样品周围外加磁场的均匀性，而且该制作工艺具有一定的聚磁能力，可减少空气中的漏磁，进而预计可增加约10％的效率。

(3)本发明设计了由卡件螺母19、拉动连结22和把手16组成的拉动结构，通过此结构可以利用电缸8拉动把手16从而拉出极头段磁轭13，利用此结构只需要拉出不同轴上的三个极头对应的磁轭部分即可更换样品，不需要将整个装置拆除。

(4)本发明设计了一种新型的适用于三维磁特性测量实验的B-H复合传感线圈结构，该结构如图21所示，将圆形B线圈25嵌套在线圈内套PCB板24内部，将H线圈缠绕在线圈内套PCB板24上，再将该结构整体嵌入具有方形孔的线圈外套PCB板23内部，这种结构的B-H复合传感线圈在受到外力时不会造成B线圈或H线圈的形变，所以也不会对测量结果产生影响，在一定程度上保证了测量结果的准确性。

(5)本发明采用三个轴上一共六个直连式高精度电缸21对立方体样品施加应力，可以提高样品的受力均匀性，在实验过程中使样品能够保持在六个极头中间而不发生偏移，在一定程度上保证了测量结果的可靠性；本发明设计了一种与电缸外形结构和尺寸相契合的固定电缸夹件7，并在电缸工作平台2的制作工艺上设置了凸起34以更好地固定电缸8，使电缸能够更为稳定的工作。

(6)本发明设计了一个与主磁轭12和极头段磁轭13结构相契合的磁轭外壳6，将磁轭结构通过如图12所示的固定磁轭夹件27将主磁轭12固定在磁轭外壳6上，减小了实验过程中磁轭结构的振动，进而减小了磁轭的磨损；该磁轭外壳6以及本发明中的底座1、电缸工作平台2、装置放置底台9、结构支撑柱3、电缸支架4、磁轭外壳支撑柱5、把手16、施加应力板18等非构成磁路的结构均采用不导磁的铝来制备，并进行氧化处理，具有较强的机械强度且不会对主磁路造成影响。

附图说明

图1为本发明一种实施例的测量装置整体示意图；

图2为本发明一种实施例的测量台整体结构示意图；

图3为本发明一种实施例的测量台整体结构正视图；

图4为本发明图1中去除主磁路、施加应力部分和磁轭外壳6后的外部框架示意图；

图5为本发明一种实施例的测量台底座1上表面示意图；

图6为本发明一种实施例的测量台底座1下表面示意图；

图7为本发明一种实施例的测量装置台1下表面局部放大图；

图8为本发明图3中去除底座1、电缸支架4和磁轭外壳支撑柱5后的示意图；

图9为本发明图7所示局部装置的俯视示意图；

图10为本发明一种实施例将主磁轭12、极头段磁轭13、和把手16安装在磁轭外壳6之后的内部结构示意图；

图11为本发明一种实施例的测量台中磁轭外壳6的示意图；

图12为本发明一种实施例的固定磁轭夹件27的示意图；

图13为本发明一种实施例的测量台的主磁路示意图；

图14为本发明一种实施例的测量台中极头段磁轭13的制作工艺中叠制方式示意图；

图15为本发明一种实施例的测量台中应力加载部分的结构示意图；

图16为本发明图16所示的应力加载部分加上拉动连结后的结构示意图；

图17为本发明一种实施例的把手16示意图；

图18为本发明一种实施例的测量台中把手16与极头段磁轭13匹配关系示意图；

图19为本发明一种实施例的测量台中施加应力板18与应力传感器20相连后的正视图；

图20为本发明一种实施例的固定电缸夹件7的示意图；

图21为本发明一种实施例改进后的B-H复合传感线圈的俯视图；

图22为本发明图18中的线圈内套PCB板24和B线圈25的嵌套关系俯视图；

图23为公知的待测样品电磁模块和样品的结构图；

图24为实施例中系统整体磁路；

图25为实施例中待测样品表面的磁感应强度B云图；

图26为实施例中待测样品表面的磁感应强度H云图。

图中：1、底座；2、电缸工作平台；3、结构支撑柱；4、电缸支架；5、磁轭外壳支撑柱；6、磁轭外壳；7、固定电缸夹件；8、电缸；9、装置放置底台；10、电缸下挡板；11、下电缸放置壳；12、主磁轭；13、极头段磁轭；14、待测样品；15、激磁线圈；16、把手；17、螺钉孔；18、施加应力板；19、卡件螺母；20、应力传感器；21、底座凹孔；22、拉动连结；23、线圈外套PCB板；24、线圈内套PCB板；25、B线圈；26、H线圈；27、固定磁轭夹件；28、信号放大器；29、NI采集卡；30、功率放大器；31、水冷电阻；32、匹配电容箱；33、电脑；34、凸起；35、螺钉；36、加力通道；37、装置放置底台卡件；38、电缸上挡板；39、叠压结构式样的匀场极靴；40、叠压结构式样的待测立方体；41、原始的B-H复合传感线圈；

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。

本发明提供了一种适用于电工材料在应力加载条件下的三维磁特性测量装置，包括测量台、控制模块、待测样品电磁模块；

所述的控制模块的组成如图1所示，包括信号放大器28、NI采集卡29、功率放大器30、水冷电阻31、匹配电容箱32和电脑33，其中，信号放大器28、NI采集卡29、功率放大器30、水冷电阻31、匹配电容箱32顺次相连，电脑33与NI采集卡29相连；匹配电容箱32与测量装置的激磁线圈15相连；样品内部的B-H复合传感线圈与信号放大器28相连。

所述的控制模块设置在测量台旁边的实验操作台上。

所述测量台如图2、图3所示，包括底座1、电缸工作平台2、结构支撑柱3、电缸支架4、磁轭外壳支撑柱5、磁轭外壳6、固定电缸夹件7、电缸8、装置放置底台9、主磁轭12、极头段磁轭13、激磁线圈15、把手16、施加应力板18、卡件螺母19、应力传感器20、拉动连结22；

所述的底座1的上面为装置放置底台9，装置放置底台9为四角有圆形挖孔的正方形结构，磁轭外壳6位于装置放置底台9的中部；装置放置底台9的每个角上竖直固定有一个结构支撑柱3；十字形的电缸支架4的四个端部分别固定在一个结构支撑柱3的顶端，其十字交叉中心位置固定有一套应力加载结构，电缸支架4的四个支撑臂的下表面中间，均安装有一个磁轭外壳支撑柱5，外壳支撑柱5的下端分别位于磁轭外壳6端面的四角；装置放置底台9的每个边板上固定有一个电缸工作平台2，每个电缸工作平台2的端顶延伸至磁轭外壳6的一个侧壁，每个电缸工作平台2上都固定有一套应力加载结构；即本装置共有六套相同的应力加载结构，六套应力加载结构分别位于磁轭外壳6的上、下、左、右、前、后六个面中心位置的外部；除去上、下两个方向，四周的每个应力加载结构中的电缸8由固定电缸夹件7来固定，固定电缸夹件7固定在电缸工作平台2上，电缸工作平台2固定在装置放置底台9的边框上；

所述的电缸支架4的十字形交叉中心位置具有与电缸8的外壳尺寸匹配的通孔，该通孔用于放置及固定电缸8，通孔下方即为一套应力加载结构；

所述的底座1为带有支撑腿的台面，其结构如图5所示，底座1的四角分别有四个圆形的底座凹孔21，在中心位置有一个与下电缸放置壳11相通的加力通道36，该加力通道为通孔型结构，其俯视图形状为正方形的每条边有一个相同的条状凸起，且通孔大小与把手16尺寸相同，用于应力加载结构在通道内拉动极头段磁轭13运动；底座1的表面上，加力通道36四周各有一个长方体状的放置底台卡件37；下电缸放置壳11为四个方形分布的竖直的直角型角钢组成，四个直角型角钢(折角向内)通过电缸上挡板38相连，电缸上挡板38中心有通孔(从侧面看电缸上挡板38与下电缸放置壳11形成了H型结构)；电缸上挡板38位于加力通道36的正下方；

其中，加力通道36四周的底台卡件37，用来固定装置放置底台9；加力通道36用于把手16带动极头段磁轭13在通道内运动；电缸8放置于下电缸放置壳11内部，电缸8上部的电缸上挡板38用于电缸8在运作时阻挡其前伸；

所述的装置放置底台9设计成四角有圆形挖孔的正方形结构，圆形挖孔与圆柱形结构支撑柱3尺寸相同，结构支撑柱3可间接起到固定装置放置底台9的作用，装置放置底台9的中心有一个与磁轭外壳6尺寸相同的正方形挖孔，正方形挖孔的四周均有一个梯形挖孔(参见图8、图9)；

所述的正方形挖孔用于放置磁轭外壳6，且将其设计成挖孔的形式可节省材料；

所述的磁轭外壳6如图10和图11所示，为六个相同的正方形板所围成的立方体中空结构，每个正方形板为镂空结构，其四条边均有一定宽度的边框，从这四个边框的中间位置分别向中心延伸出一条窄板，每个窄板的末端与一个正方形方框的一条边框的中部相连；窄板的内侧设置有卡槽，主磁轭12通过固定磁轭夹件27(参见图12)固定于窄板上，且该窄板形成十字形结构，十字形结构中心位置有一个与把手16尺寸匹配的正方形挖孔，中心的正方形挖孔用于安装应力加载结构的把手16，来放置极头段磁轭13；

所述装置的磁路结构如图13所示，主磁轭12由12个直角型磁轭构成，每个直角型磁轭固定在磁轭外壳6中相邻的两个正方形板的中部；每四个直角型磁轭在一个维度上围成一个正方形框架结构，空间结构中则一共可构成三个正方形结构，这三个正方形结构在三个维度上成互相垂直的方向排列，6个极头段磁轭13各自固定在磁轭外壳6中正方形板的中部的正方形方框处；每个极头段磁轭13的尾端与周围的4个主磁轭12分别相连；极头段磁轭13的结构如图18所示，中间主体是横截面为正方形的棱柱，顶部为梯台，其下部的横截面是十字形；极头段磁轭13下部插入到应力加载结构中的把手16中，中段用于缠绕激磁线圈15，顶部梯台的端面贴合到待测立方体样品的一个侧面；

所述的极头段磁轭13的制作工艺为采用GT-050型号，厚度为0.05mm的超薄硅钢在四个方向衔接的叠片压制方式，即所述的极头段磁轭13由完全相同的四个部分拼接而成，每一个部分垂直于磁轭运动方向的截面，为一个直角等腰三角形(截面处于下部的横截面是十字形时，直角等边三角形的底边方向还有延长部分)，所述的直角等腰三角形的底边边长等于该部分正方形截面的边长；每一部分均由硅钢片叠片压制而成；硅钢片排列方向垂直于直角三角形的顶角指向方向(每一片硅钢片自下而上排列，直角等腰三角形的顶角方向为右侧)；四个部分的拼接时，2个部分的等腰直角三角形顶角相抵，另外两个部分填充在90度方向，形成极头段磁轭13(参见图14)。所述的拼接为粘接或者轧制，本实施方式为粘接；

具体制作工艺为将长方形超薄硅钢片叠放后在竖直方向压制成立方体，将该立方体非压制方向的一侧切割为箭头型，另一侧切割至极头段磁轭13所要求的外观和尺寸，将四个切割后所得到的硅钢箭头处两两相对，其中两个水平放置，两个竖直放置，在箭头处通过粘结剂衔接；采用这种制作工艺是由于极头段磁轭13尾端的四条边均与主磁轭12相连，极头段磁轭会接收到来自不同方向的磁场，该磁场在叠制方向的极头段磁轭表面产生严重的涡流，而这种叠制工艺可有效避免来源于不同方向的磁场所产生的涡流，提高三个轴向的激磁能力及样品周围外加磁场的均匀性，而且该制作工艺具有一定的聚磁能力，可减少空气中的漏磁；极头段磁轭13和应力加载结构分别在上、下、左、右、前、后六个面均有，在每个极头段磁轭13的后方均有一套应力加载装置推动其向前运动或拉动其向后运动；

对于图15和图16所示的应力加载结构，包含直连式高精度电缸8、拉动连结22、卡件螺母19、应力传感器20、施加应力板18和把手16组成；极头段磁轭13下部插在把手16中心的正方形通孔中，其下部端面固定有施加应力板18，施加应力板18的中心为一个连接杆，连接杆的末端中心有挖孔，应力传感器20中间的主体圆柱两端的两个螺纹杆中的一个插入连接杆的挖孔内，另一个与卡件螺母19相连(参见图19)，拉动连接22套在卡件螺母19外部，其顶端的四角通过不导磁螺钉35与把手16相连；直连式高精度电缸8的电缸杆穿过拉动连接22的尾端中心，与卡件螺母19的另一端相连；

其中，把手16的主体如图17所示是一个中心有正方形通孔的筒状结构，该正方形的边长与极头段磁轭13的尺寸匹配，把手16的四角各焊接有一个横截面为正方形的长柱(四个长柱的中心也呈正方形分布)，长柱的长度与筒状结构的长度相同(即四块板材围成的“口”字形结构，相邻的两块板材围成的直角凹槽，焊接固定有一个长柱，长柱超出板材的部分朝向电缸，其超出的长度为极头段磁轭13下部(横截面为十字形部分)的长度)；每个长柱的底端的中心均设置有螺孔，通过螺钉和拉动连结22相连；

所述的把手16的侧视图为C型结构，将极头段磁轭13插在把手16中心的正方形通孔之后的示意图参见图18，由于极头段磁轭13的尾端设计为十字形且尺寸刚好与把手16匹配，故而把手16能拉动其移动；

所述的拉动连结22的上表面为一个“井”字型的板，其中心处有一个与电缸杆尺寸相同的圆孔，“井”字型的四个直角为角钢形成的延伸的凹槽，每个凹槽底部为一个与把手16的立方体长柱截面相同的平板，平板的中心有螺孔；应力传感器20的另一端固定在卡件螺母19内部，卡件螺母19的另一端与电缸8的杆相连。在实验过程中需要在该电缸后部接上电机使得电缸上的杆向前或向后伸缩，当电缸上的杆向前运动时会通过应力传感器20推动施加应力板18向前运动，进而给极头段磁轭13一个向前的应力，该应力将会被施加在待测样品上，当电缸上的杆向后运动时，卡件螺母19会带动拉动连结22向后运动，由于拉动连结22与把手通过不导磁的螺钉固定在一起，所以在拉动连结22向后运动时也会带动把手16和极头段磁轭13向后运动，进而拉出极头段磁轭13；

所述的待测样品电磁模块包括6个相同B-H复合传感线圈结构。

所述的6个B-H复合传感线圈结构分别粘贴在正方体的待测样品的六个面的中心，每个B-H复合传感线圈结构的外部都设置有一个匀场极靴；匀场极靴39的截面面积与待测样品40面积相同，且为方便更换待测样品应保证待测样品加上两个匀场极靴及两个线圈外套PCB板的总厚度不应超过磁轭外壳6的中心方孔的边长。

所述的B-H复合传感线圈结构如图21和22所示，该结构包括线圈外套PCB板23、线圈内套PCB板24、B线圈25和H线圈26；在待测样品内部共有六个B-H复合传感线圈结构，分别放置于待测样品的六个面；线圈外套PCB板23为与待测样品每面面积均相同的正方形结构，且中心有正方形挖孔，该挖孔边长与线圈内套PCB板24的长边尺寸相同；线圈内套PCB板24为一个长方形中心有圆形挖孔的板状结构，且厚度薄于线圈外套PCB板23；在该结构中，B线圈25缠绕成圆形，且外径与线圈内套PCB板中心的圆形挖孔半径相同；

所述的B线圈25和H线圈26用于对样品的B和H电压信号的测量，将圆形B线圈25嵌在长方形的线圈内套PCB板24内部，将H线圈缠绕在线圈内套PCB板24上，再将该结构整体嵌入线圈外套PCB板23中心的正方形挖孔内，其中线圈内套PCB板在H线圈26绕制方向的边比线圈外套PCB板23的方形孔长度要短，这是由于防止H线圈26与方形孔发生挤压而产生形变，一旦H线圈发生形变将会影响测量结果；

图23为公知的待测样品电磁模块和样品的结构图，为一个实心立方体结构，40为待测样品，该样品与极头段磁轭13的极头梯台的端面的尺寸相同，39为与待测样品材料相同的匀场极靴，可认为是待测样品的一部分，41即为B-H复合传感线圈，从待测样品内部的线圈分别引出导线与外部控制模块连接；

在图1所示的测量系统整体结构中，测量时，利用电脑33的labview软件控制NI采集卡29发出一个信号输入到功率放大器30，并从功率放大器30的正极性输出一个信号，该信号经过水冷电阻31和匹配电容箱32进入测量装置的激磁线圈15中，从激磁线圈15的另一端输出到功率放大器30的负极性；采集待测信号时，通过安装在待测样品内部的B-H复合传感线圈采集所需信号传到信号放大器28，信号放大器28将该信号放大之后再传回NI采集卡29，利用电脑33的labview软件控制NI采集卡29采出所需信号；每个应力加载结构中的应力传感器20与应力显示器连接用来显示电缸所施加的应力大小；该整体测量平台的特征在于该系统可以测量单轴、双轴和三轴施加应力时样品的三维磁特性；所述的六个B-H复合传感线圈结构中共十二个线圈分别与一个信号放大器28的十二个通道相连，可做到十二个通道的数据同步采集；

信号放大器28用于将B-H复合线圈30中的小信号进行放大；

NI采集卡29采用NI PXle-6368型号；用于发出小信号以及采集B-H复合传感线圈中所测量出的信号；

功率放大器30采用INSPECTION CERTIFICATE PA100-52A型号；用于将NI采集卡29发出的信号进行功率放大；

水冷电阻31用于对系统进行一定程度上的保护，防止电流过大；

匹配电容箱32用于对系统的电容匹配；

电脑33应安装有LabVIEW软件的电脑，用于控制NI采集卡29输出信号以及采集信号本发明的工作原理和工作流程是：

(1)装置安装：

步骤一：将装置放置底台9通过装置放置底台卡件37和不导磁螺钉固定在底座1上，其中电缸工作平台2与装置放置底台9为一体的结构；

步骤二：将12个直角磁轭所组成的主磁轭12通过固定磁轭夹件27固定在磁轭外壳6上，并将该固定好的整体结构放置在完成步骤一的底座1上，且装置放置底台9固定在底座1之后中间的空余面积大小与磁轭外壳6每个面的面积相同，所以能够更好地固定磁轭外壳6；

步骤三：将四个磁轭外壳支撑柱5固定在电缸支架4上，其中电缸支架4与结构支撑柱5为一体的结构，将结构支撑柱5通过底座1上的底座凹孔21固定在底座1上，此时磁轭外壳支撑柱能够从上方紧压住步骤二中所组装好的磁轭外壳6；

步骤四：把六个极头段磁轭13分别套上把手16和绕制好的激磁线圈15，再将应力传感器的两端分别插入施加应力板18和卡件螺母19中，将此结构放入拉动连结22内部，利用不导磁螺钉35将拉动连结22与把手16固定，把该步骤中所组装的结构分别放在已经固定好的磁轭外壳6的上、下、左、右、前、后六个面的中间掏孔中；

步骤五：用固定电缸夹件7分别将四个电缸8固定在四个电缸工作平台2上，上部的电缸8固定在电缸支架4上，下部的电缸放置在底座1下方的下电缸放置壳11内，用不导磁螺钉把电缸下挡板固定在下电缸放置壳11上，此时六个电缸8均已固定在相应位置，再将电缸8的活动杆拧入卡件螺母19将其固定。

(2)装置安装完成后，进行应力加载条件下的磁特性测量：

进行应力加载条件下的磁特性测量时，利用电缸8分别在每个轴上抽出一个极头段磁轭13，将待测样品14放置在极头中间后，再将刚才抽出的三个极头段磁轭13推到与待测样品14接触的位置，选取实验中所需要施加应力的轴并利用电缸8继续向前推动极头段磁轭13直到应力传感器20显示出实验所需施加应力的数值。此时参考图21所示的流程，利用电脑33的labview软件控制NI采集卡29发出一个信号输入到功率放大器30，并从功率放大器30的正极性输出一个信号，该信号经过水冷电阻31和匹配电容箱32进入测量装置的激磁线圈15中，从激磁线圈15的另一端输出到功率放大器30的负极性；采集待测信号时，通过安装在待测样品内部的B-H复合传感线圈采集所需信号传到信号放大器28，信号放大器28将该信号放大之后再传回NI采集卡29，利用电脑33的labview软件控制NI采集卡29采出所需信号。

图24-26分别为该实施例仿真在立方体的六个面同时施加20N的力，取时间为0.0044s时系统中的整体磁路、待测样品表面的磁感应强度B云图及待测样品表面的磁场强度H云图。

其中，仿真设置三个轴上的激磁绕组激励分别为：

从图24可看出系统整体的磁路合理，且在时间为0.0044s时三个方向的磁场合成后在Z轴上产生的磁场最大，此时待测样品在Z轴所对应的面上产生的磁感应强度也最大。从图25和图26可以看出在该装置中样品表面能够产生较为均匀的磁场，且在三个方向上产生的效果一致，因此可以用于应力加载条件下的三维磁特性测量。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种适用于电工材料在应力加载条件下的三维磁特性测量装置，其特征为，该装置包括测量台、控制模块和待测样品电磁模块；

所述的控制模块的组成包括信号放大器、NI采集卡、功率放大器、水冷电阻、匹配电容箱和电脑，其中，信号放大器、NI采集卡、功率放大器、水冷电阻、匹配电容箱顺次相连，电脑与NI采集卡相连；匹配电容箱与测量装置的激磁线圈相连；样品内部的B-H复合传感线圈与信号放大器相连；

所述的测量台包括底座、电缸工作平台、结构支撑柱、电缸支架、磁轭外壳支撑柱、磁轭外壳、固定电缸夹件、电缸、装置放置底台、主磁轭、极头段磁轭、激磁线圈、把手、施加应力板、卡件螺母、应力传感器和拉动连结；

所述的底座的上面为装置放置底台，磁轭外壳位于装置放置底台的中部；装置放置底台的每个角上竖直固定有一个结构支撑柱；十字形的电缸支架的四个端部分别固定在一个结构支撑柱的顶端，其十字交叉中心位置固定有一套应力加载结构，电缸支架的四个支撑臂的下表面中间，均安装有一个磁轭外壳支撑柱，外壳支撑柱的下端分别位于磁轭外壳端面的四角；装置放置底台的每个边板上固定有一个电缸工作平台，每个电缸工作平台的端顶延伸至磁轭外壳的一个侧壁，每个电缸工作平台上都固定有一套应力加载结构；即本装置共有六套相同的应力加载结构，六套应力加载结构分别位于磁轭外壳的上、下、左、右、前、后六个面中心位置的外部；除去上、下两个方向，四周的每个应力加载结构中的电缸由固定电缸夹件来固定，固定电缸夹件固定在电缸工作平台上；

所述的底座在中心位置有一个与下电缸放置壳相通的加力通道，该加力通道为通孔型结构，其俯视图形状为正方形的每条边有一个相同的条状凸起，且通孔大小与把手尺寸相同；下电缸放置壳为四个方形分布的竖直的直角型角钢组成，四个折角向内的直角型角钢通过电缸上挡板相连，电缸上挡板中心有通孔；电缸上挡板位于加力通道的正下方；

所述的磁轭外壳为六个相同的正方形板所围成的立方体中空结构，每个正方形板为镂空结构，其四条边均有一定宽度的边框，从这四个边框的中间位置分别向中心延伸出一条窄板，每个窄板的末端与一个正方形方框的一条边框的中部相连；窄板的内侧设置有卡槽，主磁轭通过固定磁轭夹件固定于窄板上，且该窄板形成十字形结构，十字形结构中心位置有一个与把手尺寸匹配的正方形挖孔，中心的正方形挖孔用于安装应力加载结构的把手，来放置极头段磁轭；

所述装置的磁路结构中，主磁轭由12个直角型磁轭构成，每个直角型磁轭固定在磁轭外壳中相邻的两个正方形板的中部；每四个直角型磁轭在一个维度上围成一个正方形框架结构，空间结构中则一共可构成三个正方形结构，这三个正方形结构在三个维度上成互相垂直的方向排列，6个极头段磁轭各自固定在磁轭外壳中正方形板的中部的正方形方框处；每个极头段磁轭的尾端与周围的4个主磁轭分别相连；极头段磁轭的主体是横截面为正方形的棱柱，顶部为梯台，其下部的横截面是十字形；极头段磁轭下部插入到应力加载结构中的把手中，中段用于缠绕激磁线圈，顶部梯台的端面贴合到待测立方体样品的一个侧面；

所述的应力加载结构，包含电缸、拉动连结、卡件螺母、应力传感器、施加应力板和把手组成；极头段磁轭下部插在把手中心的正方形通孔中，其下部端面固定有施加应力板，施加应力板的中心为一个连接杆，连接杆的末端中心有挖孔，应力传感器两端的两个螺纹杆中的一个插入连接杆的挖孔内，另一个与卡件螺母相连，拉动连接套在卡件螺母外部，其顶端的四角通过不导磁螺钉与把手相连；直连式高精度电缸的电缸杆穿过拉动连接的尾端中心，与卡件螺母的另一端相连；

其中，把手为一个中心有正方形通孔的筒状结构，该正方形的边长与极头段磁轭的尺寸匹配，把手的四角各焊接有一个横截面为正方形的长柱，长柱的长度与筒状结构的长度相同；每个长柱的底端的中心均设置有螺孔，通过螺钉和拉动连结相连；

所述的拉动连结的上表面为一个“井”字型的板，其中心处有一个与电缸杆尺寸相同的圆孔，“井”字型的四个直角为角钢形成的延伸的凹槽，每个凹槽底部为一个与把手的立方体长柱截面相同的平板，平板的中心有螺孔；应力传感器的另一端固定在卡件螺母内部，卡件螺母的另一端与电缸的杆相连；

所述的待测样品电磁模块包括6个相同的B-H复合传感线圈结构；

所述的6个相同的B-H复合传感线圈结构分别粘贴在正方体的待测样品的六个面的中心，每个B-H复合传感线圈结构的外部都设置有一个匀场极靴。

2.如权利要求1所述的适用于电工材料在应力加载条件下的三维磁特性测量装置，其特征为，所述的B-H复合传感线圈结构包括线圈外套PCB板、线圈内套PCB板、B线圈和H线圈；线圈外套PCB板为与待测样品每面面积均相同的正方形结构，且中心有正方形挖孔，该挖孔边长与线圈内套PCB板的长边尺寸相同；圆形B线圈嵌在长方形的线圈内套PCB板内部，将H线圈缠绕在线圈内套PCB板上，再将该结构整体嵌入线圈外套PCB板中心的正方形挖孔内；六个B-H复合传感线圈结构中共十二个线圈分别与一个信号放大器的十二个通道相连。

3.如权利要求1所述的适用于电工材料在应力加载条件下的三维磁特性测量装置，其特征为，所述的极头段磁轭由完全相同的四个部分拼接而成，每一个部分垂直于磁轭运动方向的截面，包括一个直角等腰三角形；2个部分的等腰直角三角形顶角相抵，另外两个部分顶角相抵填充在90度方向，形成极头段磁轭；每一部分均由硅钢片叠片压制而成，硅钢片排列方向垂直于直角三角形的顶角指向方向。

Images