CN212229142U - 一种三向应力加载条件下的二维磁特性测量装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种三向应力加载条件下的二维磁特性测量装置及系统，包括底板、样品、第一应力加载组件、激磁线圈、B‑H复合线圈、四个方形磁轭和四个第二应力加载组件；样品呈正八棱柱形，固定在底板中心处；样品不相邻的四个侧面上分别紧贴有B‑H复合线圈；四个方形磁轭呈田字形环绕在样品的四周，相邻两个方形磁轭紧挨着的极头分别与设有B‑H复合线圈的样品的四个侧面接触；相邻两个方形磁轭的磁轭臂相互紧贴，共同套装有一个激磁线圈；四个第二应力加载组件的施力端分别对样品未安装B‑H复合线圈的四个侧面施加应力；第一应力加载组件设在样品的正上方，对样品的上表面施加应力。该测量装置能够可以研究任意外力对样品二维磁特性的影响。

Description

一种三向应力加载条件下的二维磁特性测量装置及系统

技术领域

本实用新型属于硅钢片二维磁特性测量技术领域，具体是一种三向应力加载条件下的二维磁特性测量装置及系统。

背景技术

目前通常采用爱泼斯坦方圈法和二维单片测试法分别对硅钢片样品进行一维磁特性以及二维磁特性测量，而在实际工况中硅钢片样品往往由硅钢片叠制而成，在加工与使用过程中容易受到机械外力的影响，磁特性变化较大。爱泼斯坦方圈法和二维单片测试法由于没有考虑这些力对硅钢片磁特性的影响，无法准确测量硅钢片在实际工况下的磁特性。

现有的硅钢片二维磁特性测量系统，通常都是对样品相互正交的两个方向上(二维方向) 激磁产生正弦波形的磁通密度，然后将两个正交方向上的磁通密度矢量合成；在二维方向上施加磁场后无法在该二维方向施加应力，从而忽略了样品轧制方向与切向方向受力对二维磁特性的影响。

申请号为201510005120.5的文献公开了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，包括硅钢片二维磁特性测试仪、加力执行装置、数据采集与控制系统，功率放大器和信号处理系统及控制计算机；该测量系统在垂直于样品轴线的平面上形成二维磁特性，加力执行装置设在样品的叠制方向，可以研究叠制方向的力对样品二维磁特性的影响；但是不能对样品施加轧制或切向方向的力，因此不能准确测量外力对硅钢片磁特性的影响。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种三向应力加载条件下的二维磁特性测量装置及系统，能够分别对样品施加X轴、Y轴和Z轴方向的力，样品受到任意方向上的力均可以分解成X轴、Y轴和Z轴方向的力，使该测量装置可以研究任意外力对样品二维磁特性的影响。

本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种三向应力加载条件下的二维磁特性测量装置，包括底板、样品、第一应力加载组件、激磁线圈、B-H复合线圈、四个方形磁轭和四个第二应力加载组件；其特征在于，

所述样品呈正八棱柱形，且固定在底板的中心处；样品不相邻的四个侧面上分别紧贴有 B-H复合线圈；四个方形磁轭呈田字形环绕在样品的四周，相邻两个方形磁轭紧挨着的极头构成一个极头组，即四个方形磁轭形成四个极头组，四个极头组分别与设有B-H复合线圈的样品的四个侧面接触；相邻两个方形磁轭的磁轭臂相互紧贴，共同套装有一个激磁线圈，B-H 复合线圈和激磁线圈接收外部控制设备的指令；

第一应力加载组件和四个第二应力加载组件分别设有施力端；四个第二应力加载组件以样品的轴线为中心排布在底板上，四个第二应力加载组件的施力端分别与样品未安装B-H复合线圈的四个侧面接触，对相应的侧面施加应力；第一应力加载组件设在样品的正上方，第一应力加载组件的施力端与样品的上表面接触，对样品的上表面施加应力。

所述第一应力加载组件包括支撑架、第一直线电机、第一压力传感器、第三连接块、第四连接块和压力柱；支撑架架设在底板上，下部与底板固连，上部悬在样品正上方；第一直线电机固定在支撑架上部，第一直线电机的输出轴的末端固定有第三连接块，第三连接块穿过支撑架与第一压力传感器相连，第三连接块能在支撑架上上下移动；第一压力传感器同时与第四连接块相连，第四连接块与压力柱的一端固连；压力柱的末端作为第一应力加载组件的施力端。

所述支撑架的上部设有两个凸起，两个凸起之间形成凹槽，凹槽内设有通孔；第一直线电机卡在支撑架的凹槽内，第三连接块穿过凹槽内的通孔与第一压力传感器相连，第三连接块能在通孔内上下移动。

所述第二应力加载组件包括第二直线电机、第一连接块、第二压力传感器、第二连接块、定位架、移动架和电机支柱；第二直线电机通过电机支柱固定底板靠近边缘的位置，第二直线电机输出轴的末端固定有第一连接块；第一连接块与第二压力传感器固连，第二压力传感器同时通过第二连接块与移动架的一端固连；移动架穿过相应的方形磁轭且中部可滑动地安装在定位架上，定位架固定在底板靠近样品的位置；移动架的另一端作为第二应力加载组件的施力端。

所述移动架设有内部空腔，内部空腔穿过相应的方形磁轭，使第二直线电机位于方形磁轭远离样品的一侧；移动架的另一端设有凸起，凸起作为第二应力加载组件的施力端。

该测量装置还包括呈八棱柱形的传感箱，传感箱不相邻的四个侧面分别与四个极头组接触，样品嵌在传感箱内。

所述方形磁轭厚度与样品的高度相同，极头组的端面尺寸与样品相应侧面的尺寸相同。

本实用新型还提供一种使用上述的三向应力加载条件下的二维磁特性测量装置的系统，其特征在于该系统包括信号放大器、功率放大器、水冷电阻、信号发生器、采集卡、控制器和上位机；所述上位机通过信号发生器分别连接信号放大器和功率放大器；功率放大器的正极与水冷电阻相连，负极与所有的激磁线圈相连；信号放大器与四个B-H复合线圈相连；采集卡获取B-H复合线圈的信号，同时将该信号传输给上位机；控制器分别与第一应力加载组件和四个第二应力加载组件的电机连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型采用五个应力加载组件，分别对样品叠制、轧制或切向方向施加不同的应力；而轧制和切向方向的四个应力加载组件相互作用，施加不同大小的力，可以合成垂直于样品轴线的平面内任意方向的力；叠制方向的应力加载组件施加不同大小的力与垂直于样品轴线的平面内任意方向的力可以合成任意三维方向上的力，使该测量装置可以准确测量不同外力对样品二维磁特性的影响，测量得到的二维磁特性更加接近硅钢片实际工况。此外该测量装置也可以用于测量样品受到单一方向的力时的二维磁特性，通用性强。

(2)被测样品呈八棱柱形，在样品不相邻的四个侧面分别设置应力加载组件，即在产生磁通的平面上同时设置应力加载组件，克服了现有的二维磁特性测量装置只能在样品叠制方向设置应力加载装置的缺陷，使该测量装置能全面、准确地测量不同方向的力对样品二维磁特性的影响。

(3)本实用新型的B-H复合线圈，H线圈呈双层均匀缠绕在线圈基板上，减小因气息导致的测量误差；将四个线圈基板紧贴八棱柱形的样品不相邻的四个侧面上，对样品其余的四个侧面施加力，使施加应力的侧面与安装B-H复合线圈的侧面不在同一侧面，避免了应力直接施加在B-H复合线圈上对测量结果的影响。

(4)本测量装置采用四个相同的方形磁轭，使磁路对称，减少漏磁，从而提高了测量的精确性。

(5)本测量装置与样品不相邻的四个侧面接触的应力加载组件采用连接架套装在方形磁轭上的方式，使直线电机位于方形磁轭的外侧，减小了方形磁轭的尺寸，避免了方形磁轭尺寸过大对磁路的影响。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的激磁线圈与方形磁轭以及方形磁轭与样品的安装示意图；

图3为本实用新型的方形磁轭与样品的位置关系图；

图4为本实用新型的第一应力加载组件的结构示意图；

图5为本实用新型的第二应力加载组件的结构示意图；

图6为本实用新型的磁轭夹具与支撑块的安装示意图；

图中：1、底板；2、样品支撑柱；3、样品；4、磁轭夹具；5、第一应力加载组件；6、激磁线圈；7、方形磁轭；8、第二应力加载组件；9、支撑块；

51、支撑架；52、第一直线电机；53、第一压力传感器；54、第三连接块；55、第四连接块；56、压力柱；71、极头；72、磁轭臂；81、第二直线电机；82、第一连接块；83、第二压力传感器；84、第二连接块；85、定位架；86、移动架；87、电机支柱。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。具体实施例仅用于进一步详细说明本实用新型，不限制本申请权利要求的保护范围。

本实用新型提供了一种三向应力加载条件下的二维磁特性测量装置(简称测量装置，参见图1-6)，包括底板1、样品3、第一应力加载组件5、激磁线圈6、测量单元(图中未画出)、 B-H复合线圈(图中未画出)、四个方形磁轭7、四个支撑块9和四个第二应力加载组件8；

所述底板1的中心处设有样品支撑柱2，样品3通过不导磁螺钉固定在样品支撑柱2上，样品3的轴线垂直于底板1，样品3采用硅钢片叠制而成且呈正八棱柱形；样品3不相邻的四个侧面上分别设有B-H复合线圈，相对的两个B-H复合线圈形成一条磁通路；四个支撑块9以样品3的轴线为中心呈圆周均匀排布在底板1上；四个方形磁轭7呈田字形环绕在样品3的四周，相邻两个方形磁轭7紧挨着的极头71构成一个极头组，即四个方形磁轭7形成四个极头组，四个极头组分别与安装有B-H复合线圈的样品3的四个侧面接触；相邻两个方形磁轭7的磁轭臂72相互紧贴且共同套装有一个激磁线圈6，即本测量装置包含以样品3的轴线为中心均匀排布的四个激磁线圈6；相邻两个方形磁轭之间位于激磁线圈6外侧的靠近磁轭臂72的位置均通过磁轭夹具4和不导磁螺钉固定在相应的支撑块9上，每个方形磁轭7同时固定在两个支撑块9上，即一个方形磁轭7与相邻的两个方形磁轭7接触的位置设置支撑块9；

第一应力加载组件5和四个第二应力加载组件8分别设有施力端；四个第二应力加载组件8以样品3的轴线为中心排布在底板1上，且均匀间隔在四个支撑块9之间；四个第二应力加载组件8的施力端分别与样品3未安装B-H复合线圈的四个侧面接触，对相应的侧面施加应力，即对样品3施加X轴(轧制方向)和Y轴(切向)方向的力；第一应力加载组件5 设在样品3的正上方，第一应力加载组件5的施力端与样品3的上表面接触，对样品3施加 Z轴(叠制)方向的力。

所述第一应力加载组件5包括支撑架51、第一直线电机52、第一压力传感器53、第三连接块54、第四连接块55和压力柱56；支撑架51的上部设有两个凸起，两个凸起之间形成凹槽，使支撑架51为呈凹字形的框架结构，凹槽内设有通孔；支撑架51架设在底板1上，下部与底板1固连，上部悬在样品3正上方；第一直线电机52卡在支撑架51的凹槽内，第一直线电机52的输出轴朝向底板1且垂直于底板1；第一直线电机52的输出轴的末端固定有第三连接块54，第三连接块54穿过支撑架51凹槽内的通孔与第一压力传感器53相连，第三连接块54能在通孔内竖直移动；第一压力传感器53同时与第四连接块55相连，第四连接块55与压力柱56的一端固连；压力柱56的末端作为第一应力加载组件5的施力端，与样品3的上表面接触；第一直线电机52与控制器通信连接，第一压力传感器53与上位机相连。所述第二应力加载组件8包括第二直线电机81、第一连接块82、第二压力传感器83、第二连接块84、定位架85、移动架86和电机支柱87；第二直线电机81通过电机支柱87固定在底板1靠近边缘的位置，第二直线电机81位于方形磁轭7远离样品3的一侧，第二直线电机 81的输出轴平行与底板1，第二直线电机81输出轴的末端固定有第一连接块82；第一连接块82与第二压力传感器83固连，第二压力传感器83同时通过第二连接块84与移动架86的一端固连；移动架86设有内部空腔，内部空腔的高度大于方形磁轭的高度，内部空腔穿过相应的方形磁轭7；移动架86的中部可滑动地安装在定位架85上，所述定位架85固定在底板 1靠近样品3的位置，且位于方形磁轭7与样品3围成的空间内；移动架86的另一端设有凸起，凸起作为第二应力加载组件8的施力端，与样品3相应的侧面接触；第二直线电机81与控制器相连，第二压力传感器83与上位机相连。

该测量装置还包括材质与样品3相同的呈正八棱柱的传感箱，样品3嵌在传感箱内；传感箱间隔的四个外侧面分别与四个极头组接触，且固定在样品支撑柱2上，用于保护B-H复合线圈。

所述压力柱56的末端与样品3的上部端面形状尺寸相同，保证样品3受力均匀；

所述样品支撑柱2安装样品3的一端呈方块形，样品3与样品支撑柱2同轴固定，方块形的面积大于样品3的下表面，使方块形露在样品3外一部分，用于第二应力加载组件8施力端的定位，移动架86的凸起下端面支撑在方块形上；

所述移动架86的凸起末端面积与样品3相应侧面面积大小相同，使样品3的侧面受力均匀；

所述方形磁轭7厚度与样品3的高度相同，极头组的端面尺寸与样品3相应侧面的尺寸相同，使极头组与样品3的侧面恰好完全接触，防止漏磁；支撑块9的高度与样品支撑柱2 的高度相同，保证方形磁轭7的极头71恰好与样品3的侧面接触，防止漏磁。

样品3采用35GQ120材料制成，样品3的高度为50mm，边长为30mm；激磁线圈6采用铜丝制成，方形磁轭7采用铁磁材料制成；其余部件采用不导磁材料制成，比如塑料；

该测量装置还包括信号放大器、功率放大器、水冷电阻、信号发生器、采集卡、控制器和上位机(在图中均未画出)；所述信号发生器分别与上位机、信号放大器和功率放大器相连；功率放大器的正极与水冷电阻相连，负极与所有的激磁线圈6相连；信号放大器和采集卡分别与四个B-H复合线圈相连，采集卡与上位机相连；

所述功率放大器的型号为QSCISA280；采集卡的型号为USB3105A；信号发生器的型号为LW1641；第一直线电机52和第二直线电机81的型号均为HEM-17D4402-14LC；信号放大器的型号为SKY77701-12；激磁线圈6的型号为YCT-280；第一压力传感器53和第二压力传感器83的型号均为T521；控制器的型号为MAX32660。

本实用新型的工作原理和工作流程是：

(1)制作B-H复合线圈

B-H复合线圈包括H线圈、线圈基板和呈圆环形的B线圈；将H线圈呈双层均匀缠绕在线圈基板上，以消除谐波干扰，用于测量样品表面的磁场强度；将B线圈嵌在线圈基板的中间，用于测量样品的磁感应强度；H线圈与B线圈呈空间垂直结构，对H线圈和B线圈的引出线分别进行双绞，以提高测量精度；进而获得B-H复合线圈；

(2)安装测量装置

将样品3固定在样品支撑柱2上，四个方形磁轭7呈田字形放置使相邻两个方形磁轭的磁轭臂紧贴，在相邻的两个磁轭臂上缠绕激磁线圈6，使四个激磁线圈6关于样品3均匀排布；方形磁轭的极头与样品相应的侧面接触，将每个方形磁轭固定在相应的支撑块9上，保证四个极头组恰好完全与样品不相邻的四个侧面接触；所有激磁线圈与采集卡和功率放大器相连；将四个B-H复合线圈的线圈基板紧贴于样品不相邻的四个侧面上，每个B-H复合线圈的引出线与信号放大器和采集卡相连；安装第一应力加载组件，使第一应力加载组件的施力端与样品的上表面接触；安装四个第二应力加载组件，每个第二应力加载组件的施力端分别与样品相应的侧面接触，通过上位机控制各个应力加载组件施加的应力；

(3)测量磁特性

信号发生器产生两路激磁信号，分别通过功率放大器将激磁信号放大并传递到四个激磁线圈6上，构成磁通路的两个激磁线圈6接收一路激磁信号；四个激磁线圈6通过相应的方形磁轭7将磁力线传递到样品3相应的侧面上，在垂直于样品3轴线的平面上形成二维磁场；采集卡通过四个B-H复合线圈采集样品3的B和H电压信号并传输至上位机，对B和H电压信号进行分析处理，获得样品初始的二维磁特性，即未施加应力时的二维磁特性；

通过控制器分别控制第一直线电机和四个第二直线电机，对样品的上表面和相应的侧面施加应力，通过第一压力传感器和四个第二压力传感器测量相应力的大小；采集卡再次采集样品的B和H电压信号，通过分析处理，获得样品施加应力后的二维磁特性；通过对比可以获得施加应力对样品二维磁特性的影响；控制器也可以控制单个直线电机工作，以研究单一方向力的作用对样品二维磁特性的影响；

其中四个第二压力传感器测得的力可以根据力的大小和方向合成垂直于样品轴线的平面内任意方向上的力，第一压力传感器施加的力与垂直于样品轴线的平面内任意方向的力可以合成任意三维方向上的力，使该测量装置可以测量不同方向的外力对样品二维磁特性的影响。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种三向应力加载条件下的二维磁特性测量装置，包括底板、样品、第一应力加载组件、激磁线圈、B-H复合线圈、四个方形磁轭和四个第二应力加载组件；其特征在于，

所述样品呈正八棱柱形，且固定在底板的中心处；样品不相邻的四个侧面上分别紧贴有B-H复合线圈；四个方形磁轭呈田字形环绕在样品的四周，相邻两个方形磁轭紧挨着的极头构成一个极头组，即四个方形磁轭形成四个极头组，四个极头组分别与设有B-H复合线圈的样品的四个侧面接触；相邻两个方形磁轭的磁轭臂相互紧贴，共同套装有一个激磁线圈，B-H复合线圈和激磁线圈接收外部控制设备的指令；

第一应力加载组件和四个第二应力加载组件分别设有施力端；四个第二应力加载组件以样品的轴线为中心排布在底板上，四个第二应力加载组件的施力端分别与样品未安装B-H复合线圈的四个侧面接触，对相应的侧面施加应力；第一应力加载组件设在样品的正上方，第一应力加载组件的施力端与样品的上表面接触，对样品的上表面施加应力。

2.根据权利要求1所述的三向应力加载条件下的二维磁特性测量装置，其特征在于，所述第一应力加载组件包括支撑架、第一直线电机、第一压力传感器、第三连接块、第四连接块和压力柱；支撑架架设在底板上，下部与底板固连，上部悬在样品正上方；第一直线电机固定在支撑架上部，第一直线电机的输出轴的末端固定有第三连接块，第三连接块穿过支撑架与第一压力传感器相连，第三连接块能在支撑架上上下移动；第一压力传感器同时与第四连接块相连，第四连接块与压力柱的一端固连；压力柱的末端作为第一应力加载组件的施力端。

3.根据权利要求2所述的三向应力加载条件下的二维磁特性测量装置，其特征在于，所述支撑架的上部设有两个凸起，两个凸起之间形成凹槽，凹槽内设有通孔；第一直线电机卡在支撑架的凹槽内，第三连接块穿过凹槽内的通孔与第一压力传感器相连，第三连接块能在通孔内上下移动。

4.根据权利要求1所述的三向应力加载条件下的二维磁特性测量装置，其特征在于，所述第二应力加载组件包括第二直线电机、第一连接块、第二压力传感器、第二连接块、定位架、移动架和电机支柱；第二直线电机通过电机支柱固定底板靠近边缘的位置，第二直线电机输出轴的末端固定有第一连接块；第一连接块与第二压力传感器固连，第二压力传感器同时通过第二连接块与移动架的一端固连；移动架穿过相应的方形磁轭且中部可滑动地安装在定位架上，定位架固定在底板靠近样品的位置；移动架的另一端作为第二应力加载组件的施力端。

5.根据权利要求4所述的三向应力加载条件下的二维磁特性测量装置，其特征在于，所述移动架设有内部空腔，内部空腔穿过相应的方形磁轭，使第二直线电机位于方形磁轭远离样品的一侧；移动架的另一端设有凸起，凸起作为第二应力加载组件的施力端。

6.根据权利要求1所述的三向应力加载条件下的二维磁特性测量装置，其特征在于，该测量装置还包括呈八棱柱形的传感箱，传感箱不相邻的四个侧面分别与四个极头组接触，样品嵌在传感箱内。

7.根据权利要求1所述的三向应力加载条件下的二维磁特性测量装置，其特征在于，所述方形磁轭厚度与样品的高度相同，极头组的端面尺寸与样品相应侧面的尺寸相同。

8.一种使用权利要求1-7任一所述的三向应力加载条件下的二维磁特性测量装置的系统，其特征在于该系统包括信号放大器、功率放大器、水冷电阻、信号发生器、采集卡、控制器和上位机；所述上位机通过信号发生器分别连接信号放大器和功率放大器；功率放大器的正极与水冷电阻相连，负极与所有的激磁线圈相连；信号放大器与四个B-H复合线圈相连；采集卡获取B-H复合线圈的信号，同时将该信号传输给上位机；控制器分别与第一应力加载组件和四个第二应力加载组件的电机连接。

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