CN116466277A - 复杂工况下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测试装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开复杂工况下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测试装置和方法，首先通过激光测试平台测试非晶/纳米晶合金铁心在常规环境下的几何尺寸，再将被测样件放置于三轴方形亥姆霍兹线圈中心或高低温箱或两者叠加的装置内，激光测试平台测试非晶/纳米晶合金铁心在复杂工况下的几何尺寸，根据非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性测试装置的测试结果，获得考虑温度影响与磁饱和效应的非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩曲线簇，然后对测试结果进行分析，使用非线性回归方法得出铁心对应的磁化特性曲线和磁致伸缩特性曲线，提出描述非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩的数学模型，对非晶/纳米晶合金铁心电机的分析和设计提供重要指导作用。
Description
技术领域
本发明涉及非晶/纳米晶合金铁心的测量技术领域，具体涉及磁场和温度等复杂工况下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测试装置和方法，适用于但不限于电机铁心常见牌号的非晶/纳米晶材料。
背景技术
铁心是电机实现能量转换的关键部件，电机的功率、转矩、效率和寿命与铁心材料密切相关。传统铁心材料以硅钢为代表，在高频下会产生较大的涡流损耗，随着使用频率的提高，应用逐步受到限制。非晶合金是一种兼具玻璃和金属双重特性的新型软磁材料，具有一系列优异性能，将非晶合金材料应用于电机定子铁心以替代传统硅钢片材料，能显著提高电机效率和功率密度。纳米晶是在非晶态合金制备工艺之后，再经过高度控制的退火环节，形成的具有纳米级微晶体和非晶混合组织结构的材料，相较于非晶合金，可具有更高的饱和磁感应强度和初始磁导率。
然而，非晶/纳米晶合金铁心也存在一定的性能缺陷，其中的主要缺陷是磁致伸缩(磁性材料在磁场中磁畴排列发生变化，导致材料的体积或长度发生伸长或缩短)系数大，其磁滞伸缩系数是硅钢片的数倍。非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩不仅与磁场之间有着复杂的非线性关系，还受到加工工艺、材料成分等多种因素的影响，而目前非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩系数多采用经验公式等效或带材磁致伸缩曲线，在计算铁心体的磁致伸缩系数时将产生很大的计算误差。
本发明复杂工况下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测试装置和方法，针对磁场和温度等复杂工况影响下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测试和分析，所提测试装置和方法可以获得复杂工况下的非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性，对非晶/纳米晶合金铁心电机的分析和设计有指导意义。
发明内容
本发明复杂工况下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测试装置和方法针对磁场和温度等复杂工况影响下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测试和分析，通过激光测试平台测试非晶/纳米晶合金铁心在常规环境下和复杂工况下的几何尺寸，测试复杂工况的磁致伸缩特性时：(1)通过三轴方形亥姆霍兹线圈为被测样件提供零直至饱和所需的环境磁场，量化磁场对非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性的影响规律；(2)通过高低温箱提供不同大小的环境温度，分析温度对非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性的影响；(2)利用高低温箱与线圈搭建结合环境温度与磁场的耦合环境，可实现磁场和温度共同作用下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测量。根据非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性测试装置的测试结果，获得考虑温度影响与磁饱和效应的非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩曲线簇，然后对测试结果进行分析，借助非线性回归方法得出铁心对应的磁化特性曲线和磁致伸缩特性曲线，提出描述非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩的数学模型，进一步，分析温度对非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性的影响规律，分离出温度影响项，基于分段拟合提出磁饱和效应函数以表征磁饱和影响，最终建立考虑温度影响与磁饱和效应的非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩模型。
本发明的具体内容为：
复杂工况下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测试装置，包括激光测试平台、变磁场环境装置和变温度环境装置；将变温度环境装置放置于变磁场环境装置中心，组成磁场与温度耦合环境装置，将激光测试平台放置于磁场与温度耦合环境装置中心，组成复杂工况下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测试装置。
具体地，复杂工况下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测试装置，包括激光测试平台，变磁场环境装置，变温度环境装置，磁场与温度耦合环境装置和被测样件等。
所述激光测试平台，包括底座、丝杠、伺服电机和激光传感器，用于确定被测样件的轮廓尺寸和高度。被测非晶/纳米晶合金铁心样件放置于测试平面上面，激光传感器安装于伺服电机上，传感器工作面朝下，用于测试被测非晶/纳米晶合金铁心样件；伺服电机安装于丝杠上，与丝杆相互作用进行移动。
所述变磁场环境装置，包括三轴方形亥姆霍兹线圈、磁通门磁强计及线圈控制装置，用于为被测样件提供零直至饱和所需的环境磁场。磁通门磁强计放置于三轴方形亥姆霍兹线圈中心，用于测试产生的磁场大小，线圈控制装置与三轴方形亥姆霍兹线圈连接，通过改变输出电流实现磁场变化。
所述变温度环境装置，包括高低温试验箱和温度传感器，用于为被测样件提供不同大小的环境温度。测量温度范围设定为-50℃～200℃，每隔10℃进行一次测量，当箱内温度达到设定温度后，维持稳定温度10分钟后再进行测量。
所述磁场与温度耦合环境装置，包括了三轴方形亥姆霍兹线圈、磁通门磁强计及线圈控制装置、高低温试验箱和温度传感器。三轴方形亥姆霍兹线圈为被测样件提供所需的环境磁场，同时高低温试验箱提供不同大小的环境温度。激光测试平台的测试平面安装于变温度环境装置内，为了避免了温度对激光传感器精度的影响，激光测试平台的激光传感器可通过通光缝对变温度环境装置内部的样环进行测量，激光传感器置于温箱外部；激光测试平台和变温度环境装置一直放置于底座上并放置于变磁场环境装置中心。
复杂工况下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测试方法，使用如上任一所述的装置，所述方法包括如下步骤：首先，基于激光测试平台测试样件的初始尺寸和在不同磁场环境下的轮廓尺寸，通过对比获得非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性；其次。通过高低温箱提供不同大小的环境温度，基于激光测试平台测试样件的初始尺寸和在不同温度与磁场环境下的轮廓尺寸，通过对比获得磁场和温度对非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性的影响规律。
根据非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性测试装置的测试结果，获得考虑温度影响与磁饱和效应的非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩曲线簇，然后对测试结果进行分析，借助非线性回归方法得出铁心对应的磁化特性曲线和磁致伸缩特性曲线，提出描述非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩的数学模型，进一步，分析温度对非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性的影响规律，分离出温度影响项，基于分段拟合提出磁饱和效应函数以表征磁饱和影响，最终建立考虑温度影响与磁饱和效应的非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩模型。
有益效果：
本发明复杂工况下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测试装置和方法，充分考虑非晶/纳米晶合金铁心内部的内部有效磁场、无磁滞磁化、可逆磁化、不可逆磁化、总磁化强度之间的关系，分析温度对微观磁畴转动和畴壁位移的影响，确定可逆和不可逆畴壁位移，讨论磁畴移动的温度依赖关系，分离出磁场强度对材料内部磁畴相互作用的影响，以非晶/纳米晶合金铁心的静磁能，磁弹性能，畴壁能等为基础，建立系统能量平衡方程，根据玻耳兹曼统计理论得出无磁滞磁化强度，分析磁饱和效应、温度影响下的非晶/纳米晶合金铁心磁化微观机制，探明其磁致伸缩模型的物理本质。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，以下将对所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明中非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性的激光测试平台；
图2是本发明中实现变磁场环境下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性的测试装置；
图3是本发明中实现不同温度环境下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性的测试装置；
图4是本发明复杂工况下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性的测试装置。
图中：1-三轴方形亥姆霍兹线圈、2-激光测试平台、3-被测非晶/纳米晶合金铁心样件、4-底座、5-温度控制装置、1-1-X轴线圈、1-2-Z轴线圈、1-3-Y轴线圈、1-4-磁通门磁强计、2-1-丝杠、2-2-伺服电机、2-3-激光传感器、2-4-测试平面、5-1-高低温箱、5-2-通光缝以及5-3-高低温箱盖。
具体实施方式
下面根据附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明复杂工况下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测试装置和方法，包括了磁场与温度耦合环境装置、变磁场环境装置以及变温度环境装置。
如图1所示，激光测试平台2包括：丝杠2-1、伺服电机2-2、激光传感器2-3以及测试平面2-4。激光传感器2-3安装于伺服电机2-2垂直下方，伺服电机2-2沿丝杠2-1方向移动，激光传感器2-3扫描确定被测非晶/纳米晶合金铁心样件3的轮廓尺寸和高度。被测非晶/纳米晶合金铁心样件3(简称被测样件)放置于测试平面2-4上面，激光传感器2-3安装于伺服电机2-2上，传感器工作面朝下，用于测试非晶/纳米晶合金铁心样件3。伺服电机2-2安装于丝杠2-1上，与丝杆相互作用进行移动。
所示被测非晶/纳米晶合金铁心样件3主要针对但不限于非晶/纳米晶材料，测试样件通过切割制成环形薄片，去除毛刺并进行热处理。
如图2所示，变磁场环境装置包括：X轴线圈1-1、Z轴线圈1-2、Y轴线圈1-3、磁通门磁强计1-4、激光测试平台2、被测非晶/纳米晶合金铁心样件3以及底座4。X轴线圈1-1、Z轴线圈1-2、Y轴线圈1-3构成三轴方形亥姆霍兹线圈1。其中X轴线圈1-1、Z轴线圈1-2、Y轴线圈1-3均有两组相同线圈，一组用于屏蔽地球磁场另一组用于产生特定的环境磁场，通过磁通门磁强计1-4测试磁场大小。激光测试平台2安装于底座4上面，底座4放置于三轴方形亥姆霍兹线圈1中间，保持激光测试平台2位于三轴方形亥姆霍兹线圈1中心。首先通过激光测试平台2测试被测非晶/纳米晶合金铁心样件3在常规环境下的尺寸值，然后通过三轴方形亥姆霍兹线圈1为被测非晶/纳米晶合金铁心样件3提供不同数值的环境磁场，待磁场稳定后，对受磁场影响后的轮廓尺寸进行测试，通过与初始尺寸对比，量化磁场对非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性的影响规律。线圈控制装置与三轴方形亥姆霍兹线圈1连接，通过改变输出电流实现磁场变化。
如图3所示，变温度环境装置包括：激光测试平台2、高低温箱温箱5-1、通光缝5-2以及高低温箱盖5-3。激光测试平台2的测试平面2-4安装于高低温箱温箱5-1内，为了避免温度对激光传感器2-3精度的影响，激光测试平台2的激光传感器可通过通光缝5-2对高低温箱温箱5-1内部的样环进行测量，激光传感器2-3置于温箱外部。首先通过激光测试平台2测试被测非晶/纳米晶合金铁心样件在常规环境下的尺寸值，测试完成后，通过高低温箱提供不同温度大小的环境，然后通过三轴方形亥姆霍兹线圈1为被测非晶/纳米晶合金铁心样件提供定值的环境磁场，通过激光测试平台1测试样件受温度影响后的尺寸，通过与之前的尺寸对比，确定温度对磁性材料的影响。高低温箱盖5-3用于盖住高低温箱温箱5-1。变温度环境装置，测量温度范围设定为-50℃～200℃，每隔10℃进行一次测量，当箱内温度达到设定温度后，维持稳定温度10分钟后再进行测量；温度传感器位于高低温箱内部，用于测量温度值。温度控制装置5连接温度传感器，用于控制高低温箱温箱5-1内部的温度。
如图4所示，磁场与温度耦合环境装置包括：三轴方形亥姆霍兹线圈1、激光测试平台2、被测非晶/纳米晶合金铁心样件3、底座4、温度控制装置5。将图3所示的装置放置于底座4上面，底座4放置于三轴方形亥姆霍兹线圈1中间，保持激光测试平台2位于三轴方形亥姆霍兹线圈1中心。三轴方形亥姆霍兹线圈1为被测非晶/纳米晶合金铁心样件3提供零直至饱和所需的环境磁场，高低温箱提供不同大小的环境温度，二者同时工作实现不同磁场环境和温度环境的测试条件，通过激光测试平台2测试样件受磁场影响后的轮廓尺寸，通过与初始尺寸对比，量化磁场和温度对非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性的影响规律。
本发明的测试过程为：基于激光测试平台测试样件的初始尺寸和在不同磁场环境下的轮廓尺寸，通过对比获得非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性。磁场由三轴方形亥姆霍兹线圈提供。通过高低温箱提供不同大小的环境温度，基于激光测试平台测试样件的初始尺寸和在不同温度与磁场环境下的轮廓尺寸，通过对比获得磁场和温度对非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性的影响规律。综上，本发明复杂工况下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测试装置和方法，提供了一种方便快捷的测试非晶/纳米晶合金铁心在复杂工况下的磁致伸缩特性测试装置和方法。根据非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性测试装置的测试结果，可获得考虑温度影响与磁饱和效应的非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩曲线簇，然后对测试结果进行分析，借助非线性回归方法得出铁心对应的磁化特性曲线和磁致伸缩特性曲线，提出描述非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩的数学模型。
进一步的，分析温度对非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性的影响规律，分离出温度影响项，基于分段拟合提出磁饱和效应函数以表征磁饱和影响，最终建立考虑温度影响与磁饱和效应的非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩模型。
进一步的，可充分考虑非晶/纳米晶合金铁心内部的内部有效磁场、无磁滞磁化、可逆磁化、不可逆磁化、总磁化强度之间的关系，分析温度对微观磁畴转动和畴壁位移的影响，确定可逆和不可逆畴壁位移，讨论磁畴移动的温度依赖关系，分离出磁场强度对材料内部磁畴相互作用的影响，以非晶/纳米晶合金铁心的静磁能，磁弹性能，畴壁能等为基础，建立系统能量平衡方程，根据玻耳兹曼统计理论得出无磁滞磁化强度，分析磁饱和效应、温度影响下的非晶/纳米晶合金铁心磁化微观机制，探明其磁致伸缩模型的物理本质。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例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。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.复杂工况下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测试装置，其特征在于，包括激光测试平台、变磁场环境装置和变温度环境装置；将变温度环境装置放置于变磁场环境装置中心，组成磁场与温度耦合环境装置，将激光测试平台放置于磁场与温度耦合环境装置中心，组成复杂工况下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测试装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光测试平台，包括底座、丝杠、伺服电机和激光传感器，用于确定被测样件的轮廓尺寸和高度；被测非晶/纳米晶合金铁心样件放置于测试平面上面，激光传感器安装于伺服电机上，传感器工作面朝下，用于测试被测非晶/纳米晶合金铁心样件；伺服电机安装于丝杠上，与丝杆相互作用进行移动。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变磁场环境装置，包括三轴方形亥姆霍兹线圈、磁通门磁强计及线圈控制装置，用于为被测非晶/纳米晶合金铁心样件提供零直至饱和所需的环境磁场；磁通门磁强计放置于三轴方形亥姆霍兹线圈中心，用于测试产生的磁场大小，线圈控制装置与三轴方形亥姆霍兹线圈连接，通过改变输出电流实现磁场变化。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变温度环境装置，包括高低温试验箱和温度传感器，用于为被测样件提供不同大小的环境温度；测量温度范围设定为-50℃～200℃，每隔10℃进行一次测量，当箱内温度达到设定温度后，维持稳定温度10分钟后再进行测量；温度传感器位于变温度环境装置内部，用于测量温度值。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁场与温度耦合环境装置，包括了三轴方形亥姆霍兹线圈、磁通门磁强计及线圈控制装置、高低温试验箱和温度传感器；三轴方形亥姆霍兹线圈为被测样件提供所需的环境磁场，同时高低温试验箱提供不同大小的环境温度；激光测试平台的测试平面安装于变温度环境装置内，为了避免了温度对激光传感器精度的影响，激光测试平台的激光传感器可通过通光缝对变温度环境装置内部的样环进行测量，激光传感器置于温箱外部；激光测试平台和变温度环境装置一直放置于底座上并放置于变磁场环境装置中心。
6.复杂工况下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测试方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的装置，所述方法包括如下步骤：首先，基于激光测试平台测试样件的初始尺寸和在不同磁场环境下的轮廓尺寸，通过对比获得非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性；其次，通过高低温箱提供不同大小的环境温度，基于激光测试平台测试样件的初始尺寸和在不同温度与磁场环境下的轮廓尺寸，通过对比获得磁场和温度对非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性的影响规律。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性测试装置的测试结果，获得考虑温度影响与磁饱和效应的非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩曲线簇，然后对测试结果进行分析，借助非线性回归方法得出铁心对应的磁化特性曲线和磁致伸缩特性曲线，提出描述非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩的数学模型，进一步，分析温度对非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩特性的影响规律，分离出温度影响项，基于分段拟合提出磁饱和效应函数以表征磁饱和影响，最终建立考虑温度影响与磁饱和效应的非晶/纳米晶合金铁心磁致伸缩模型。
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| CN117740681A (zh) * | 2024-02-19 | 2024-03-22 | 煤炭科学研究总院有限公司 | 观察磁性液体微观结构的检测装置 |
| CN117740681B (zh) * | 2024-02-19 | 2024-05-14 | 煤炭科学研究总院有限公司 | 观察磁性液体微观结构的检测装置 |
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