一种取向硅钢磁性能测试装置、系统和方法与流程

1.本发明涉及磁性能测量技术领域，具体涉及一种取向硅钢磁性能测试装置、系统和方法。


背景技术：

2.准确获得取向硅钢全角度方向(含轧制方向、钢片横向以及0～360
°
任意方向)的磁性能数据对于开展高效节能电力变压器铁心结构精细化设计具有重要意义。
3.在变压器叠片铁心中“t”节点和90
°
转角位置处，实际磁场方向与取向硅钢《001》晶粒易磁化方向(或轧制方向)呈一定夹角，导致取向硅钢材料内部损耗增大(显著高于标称值)。变压器铁心结构设计过程中，若不考虑该部分损耗，将导致变压器空负载损耗的设计值与变压器制造完成后实测值之间存在较大偏差，严重时可导致产品不合格，影响生产效率和效益。实践中开展变压器铁心结构设计时，主要采取以下两种方式解决上述问题：第一种是基于轧制方向(角度为0
°
)上测试获得的取向硅钢磁化和损耗特性数据设计铁心，并适当增大工艺系数，提高设计富余量，确保制造的变压器出厂性能合格；第二种仍然是基于轧制方向上测试得到的磁化和损耗数据设计铁心，在仿真计算软件中采用磁各向异性对磁导率进行处理等方式，以降低变压器空负载损耗设计值和实测值之间的误差。
4.目标取向硅钢0
°
方向上(《001》易磁化方向)磁性能测量方法成熟且便捷，但对取向硅钢0～360
°
全角度磁性能测量工作量巨大且繁琐，测量效率较低。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种取向硅钢磁性能测试装置、系统和方法，提高了极大地提高了测量效率，该技术方案如下。
6.一方面，提供了一种取向硅钢磁性能测试装置，所述装置包括：叠片铁心、铁心极头端面、双励磁绕组、磁场强度线圈、磁通密度b探针、印制电路板；
7.所述叠片铁心包含两个铁心心柱；所述铁心心柱上包含有圆弧形的极头端面；所述双励磁绕组对称放置于两个所述铁心心柱上；
8.所述两个铁心心柱分别包含的圆弧形的极头端面构成检测区域；所述检测区域用于放置待测试的圆形取向硅钢；所述圆形取向硅钢的平面一侧用于放置所述印制电路板；
9.所述磁场强度线圈绕制于所述印制电路板上；所述磁通密度b探针置于所述印制电路板上。
10.在一种可能的实现方式中，所述装置还包括法向压应力构件；
11.所述法向压应力构件由至少两付长条形无磁钢条、两块圆形无磁钢板、以及至少4套螺栓螺母紧固件组成；
12.所述两块圆形无磁钢板对称放置于所述圆形取向硅钢的平面两侧，以构成法向压力区域；
13.所述至少两付长条形无磁钢条对称放置于所述法向压力区域两侧；所述长条形无
磁钢条中包含有所述螺栓螺母紧固件对应的螺孔。
14.在一种可能的实现方式中，所述圆形无磁钢板的尺寸与圆形取向硅钢一致。
15.在一种可能的实现方式中，所述圆形无磁钢板包含有中间矩形开槽；所述中间矩形开槽用于放置所述印制电路板。
16.在一种可能的实现方式中，述装置还包括绝缘固定端子；
17.所述绝缘固定端子放置于所述叠片铁心的顶角处。
18.在一种可能的实现方式中，所述叠片铁心为一体式叠片铁心；
19.所述叠片铁心采用0.18mm厚度极低损耗取向硅钢通过线切割方式加工成型，叠片高度为5～10mm；
20.所述铁心心柱和叠片铁心的左磁轭以及右磁轭的宽度相同，为被测圆形取向硅钢直径的1/2～1/3；前、后磁轭的宽度为心柱宽度的1/2；
21.所述铁心心柱方向平行于极低损耗取向硅钢的轧制方向。
22.在一种可能的实现方式中，所述铁心极头端面，心柱上的两个极头端面为圆弧形，直径为150～200mm，与待测圆形取向硅钢的直径一致。
23.再一方面，提供了一种取向硅钢磁性能测试系统，所述取向硅钢磁性能测试系统包括取向硅钢磁性能测试装置、磁场激励电源、信号采集器和计算机设备；
24.所述硅钢磁性能测试测试装置包括叠片铁心、铁心极头端面、双励磁绕组、磁场强度线圈、磁通密度b探针、印制电路板；
25.所述叠片铁心包含两个铁心心柱；所述铁心心柱上包含有圆弧形的极头端面；所述双励磁绕组对称放置于两个所述铁心心柱上；
26.所述两个铁心心柱分别包含的圆弧形的极头端面构成检测区域；所述检测区域用于放置待测试的圆形取向硅钢；所述圆形取向硅钢的平面一侧用于放置所述印制电路板；
27.所述磁场强度线圈绕制于所述印制电路板上；所述磁通密度b探针置于所述印制电路板上；
28.所述磁场激励电源与铁心心柱上的两个励磁绕组相连，产生激励磁场和退磁；
29.所述信号采集器分别与所述磁场强度线圈以及磁通密度b探针相连，以获得测量信号并传输至计算机设备中进行数据处理。
30.又一方面，提供了一种取向硅钢磁性能测试方法，所述方法包括：
31.将圆形取向硅钢置于硅钢磁性能测试测试装置的检测区域，且所述圆形取向硅钢的水平高度处于铁心极头的1/2高度；所述检测区域为叠片铁心的两个铁心心柱分别包含的圆弧形的极头端面构成的；
32.旋转所述圆形取向硅钢，使得所述圆形取向硅钢的轧制方向平行于主磁通方向；
33.采用磁场激励电源供电，同步接通两个对称放置的励磁绕组，由小到大逐步调节输出的励磁信号，形成交变磁场，磁通经过所述圆形取向硅钢，并在铁心中形成对称回路；
34.通磁场强度线圈、磁通密度b探针分别测量被测圆形取向硅钢中的磁通密度b波形和磁场强度h波形，并计算所述圆形取向硅钢的磁参量；
35.完成所述圆形取向硅钢平行于主磁通方向上的磁参量计算后，逐步降低励磁信号，对被测圆形取向硅钢进行退磁并旋转一定测试角度再次执行采用磁场激励电源供电，同步接通两个对称放置的励磁绕组，直至所述圆形取向硅钢的各个方向上的磁参量都测量
完成。
36.在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
37.通过法向压应力构件在所述圆形取向硅钢平面法向施加特定大小的压应力。
38.本技术提供的技术方案可以包括以下有益效果：
39.在本技术所提出的取向硅钢磁性能测试装置中，将叠片铁心设置为包含有圆弧形的极头端面，双励磁绕组对称放置于两个所述铁心心柱上，此时两个铁心心柱分别包含的圆弧形的极头端面构成检测区域，且检测区域用于放置待测试的圆形取向硅钢，印制电路板上的磁通密度探针以及磁场强度线圈用于测试圆形取向硅钢的磁性能；在上述装置中磁通在铁心中均匀对称分布，两个磁极为圆弧形，匹配创新设计的圆形取向硅钢的被测试样，被测试样可以实现0～360
°
任意旋转，且试样重量不发生改变，极头端面与试样的接触面积也不发生改变，进而实现圆形取向硅钢的被测试样0～360
°
全角度磁性能测量，极大地提高了测量效率。
附图说明
40.为了更清楚地说明本技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1是根据一示例性实施例示出的一种取向硅钢磁性能测试装置的结构示意图。
42.图2示出了本技术实施例涉及的一种叠片铁心结构示意图。
43.图3是根据一示例性实施例示出的一种取向硅钢磁性能测试系统的结构示意图。
44.图4示出了本技术实施例涉及的一种双线圈法测量磁场强度的线圈位置示意图。
45.图5是根据一示例性实施例示出的一种取向硅钢磁性能测试方法的方法流程图。
具体实施方式
46.下面将结合附图对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
47.应理解，在本技术的实施例中提到的“指示”可以是直接指示，也可以是间接指示，还可以是表示具有关联关系。举例说明，a指示b，可以表示a直接指示b，例如b可以通过a获取；也可以表示a间接指示b，例如a指示c，b可以通过c获取；还可以表示a和b之间具有关联关系。
48.在本技术实施例的描述中，术语“对应”可表示两者之间具有直接对应或间接对应的关系，也可以表示两者之间具有关联关系，也可以是指示与被指示、配置与被配置等关系。
49.图1是根据一示例性实施例示出的一种取向硅钢磁性能测试装置的结构示意图。该装置包括：叠片铁心101、铁心极头端面102、双励磁绕组103、磁场强度线圈104、磁通密度b探针105、印制电路板106；
50.请参考图2，其示出了本技术实施例涉及的一种叠片铁心结构示意图。如图2所示，
该叠片铁心包含两个铁心心柱201；该铁心心柱201上包含有圆弧形的极头端面202；该双励磁绕组对称放置于两个该铁心心柱上；
51.该两个铁心心柱201分别包含的圆弧形的极头端面202构成检测区域204；该检测区域用于放置待测试的圆形取向硅钢；该圆形取向硅钢的平面一侧用于放置该印制电路板；
52.该磁场强度线圈绕制于该印制电路板上；该磁通密度b探针置于该印制电路板上。
53.可选的，该叠片铁心采用0.18mm厚度极低损耗取向硅钢通过线切割方式加工成型，叠片高度为5～10mm；
54.该铁心心柱和叠片铁心的左磁轭以及右磁轭的宽度相同，为被测试样直径的1/2～1/3；前、后磁轭的宽度为心柱宽度的1/2；
55.该铁心心柱方向平行于极低损耗取向硅钢的轧制方向。
56.可选的，该铁心极头端面，也就是铁心心柱上的两个极头端面为圆弧形，直径为150～200mm，与待测的圆形取向硅钢试样的直径一致。
57.被测的圆形取向硅钢试样直径设计为150～200mm，降低了边部毛刺效应，被测试样无需进行去应力退火，同时适用于激光刻痕取向硅钢和非刻痕取向硅钢，提高了制样效率。
58.在一种可能的实现方式中，如图2所示，该叠片铁心为一体式叠片铁心，该一体式叠片铁心外部长、宽、高分别为500mm、300mm、10mm，心柱上两个极头的宽度均为50mm，左、右磁轭的宽度为50mm、前、后磁轭宽度为25mm，左右磁轭宽度是前后磁轭宽度的2倍，原因是一体式叠片铁心采用0.18mm极低损耗取向硅钢制成，取向硅钢的轧制方向平行于前、后磁轭方向，为易磁化方向，而左右磁轭方向为90
°
方向，相对不易磁化，因此通过增大左右磁轭宽度(截面积相应增大)的方式降低磁轭损耗，提高测量结果准确性。
59.在一种可能的实现方式中，极头端面的面积大于与之相接触的圆形被测试样的接触面积，确保了试样交变磁化过程中可达到深度饱和状态。被测圆形试样(也就是被测圆形取向硅钢)的直径为150mm，极头端面圆弧的曲率与之保持一致，方便旋转试样，测量全角度方向上的磁性能。
60.可选的，该装置还包括法向压应力构件；
61.该法向压应力构件由至少两付长条形无磁钢条、两块圆形无磁钢板、以及至少4套螺栓螺母紧固件组成；
62.该两块圆形无磁钢板对称放置于该圆形取向硅钢的平面两侧，以构成法向压力区域；
63.该至少两付长条形无磁钢条对称放置于该法向压力区域两侧；该长条形无磁钢条中包含有该螺栓螺母紧固件对应的螺孔。
64.在一种可能的实现方式中，可以通过法向压应力构件在被测取向硅钢试样平面法向施加特定大小的压应力，完成应力条件下磁性能测量。将被测取向硅钢试样放置在两块圆形无磁钢板中间，通过扭矩扳手调节安装在长条形无磁钢条上的螺母，定量施加法向压应力，完成后续测量。
65.可选的，该圆形无磁钢板的尺寸与取向硅钢试样一致。
66.可选的，该圆形无磁钢板包含有中间矩形开槽；该中间矩形开槽用于放置该印制
电路板。
67.可选的，如图1所示，该装置还包括绝缘固定端子107；
68.该绝缘固定端子107放置于该叠片铁心的顶角处。
69.通过本技术实施例所示出的装置，可以通过将叠片铁心设置为包含有圆弧形的极头端面，双励磁绕组对称放置于两个所述铁心心柱上，此时两个铁心心柱分别包含的圆弧形的极头端面构成检测区域，并将取向硅钢设置为圆形，放置在检测区域内进行检测，当测量完一个方向后，只需要将圆形取向硅钢进行旋转后，就可以再次测量不同方向的取向硅钢的磁性能，极大的提高了完成取向硅钢0-360
°
全角度性能测量的测量效率。
70.综上所述，在本技术所提出的取向硅钢磁性能测试装置中，将叠片铁心设置为包含有圆弧形的极头端面，双励磁绕组对称放置于两个所述铁心心柱上，此时两个铁心心柱分别包含的圆弧形的极头端面构成检测区域，且检测区域用于放置待测试的圆形取向硅钢，印制电路板上的磁通密度探针以及磁场强度线圈用于测试圆形取向硅钢的磁性能；在上述装置中磁通在铁心中均匀对称分布，两个磁极为圆弧形，匹配创新设计的圆形取向硅钢的被测试样，被测试样可以实现0～360
°
任意旋转，且试样重量不发生改变，极头端面与试样的接触面积也不发生改变，进而实现圆形取向硅钢的被测试样0～360
°
全角度磁性能测量，极大地提高了测量效率。
71.图3是根据一示例性实施例示出的一种取向硅钢磁性能测试系统的结构示意图。如图3所示，该取向硅钢磁性能测试系统包括：
72.硅钢磁性能测试装置301、磁场激励电源302、信号采集器303和计算机设备304；
73.可选的，该取向硅钢磁性能测试系统还包括波形控制器305；
74.该硅钢磁性能测试测试装置包括叠片铁心、铁心极头端面、双励磁绕组、磁场强度线圈(即h线圈)、磁通密度b探针(即b探测器)、印制电路板；
75.该叠片铁心包含两个铁心心柱；该铁心心柱上包含有圆弧形的极头端面；该双励磁绕组对称放置于两个该铁心心柱上；
76.该两个铁心心柱分别包含的圆弧形的极头端面构成检测区域；该检测区域用于放置待测试的圆形取向硅钢；该圆形取向硅钢的平面一侧用于放置该印制电路板；
77.该磁场强度线圈绕制于该印制电路板上；该磁通密度b探针置于该印制电路板上；
78.可选的，本技术实施例所示出的系统所包含的取向硅钢性能测试装置，可以是如图1所示实施例中的任意一种结构的取向硅钢性能测试装置，例如，该本技术实施例所示出的系统所包含的取向硅钢性能测试装置中可以包括法向压应力构件，在对圆形取向硅钢进行性能测试之前，可以通过法向压应力构件在被测圆形取向硅钢的试样平面法向施加特定大小的压应力，从而设置磁性能测量的压力条件。
79.该磁场激励电源与铁心心柱上的两个励磁绕组相连，产生激励磁场和退磁；
80.该信号采集器分别与该磁场强度线圈(以下简称h线圈)以及磁通密度b探针(以下简称b探针)相连，以获得测量信号并传输至计算机设备中进行数据处理。
81.测量过程中，由计算机控制任意波形磁场激励电源为测量装置的激励线圈提供励磁电压与励磁电流，通过与信号采集器相连的b探针测得感应电压，结合b探针中感应电压波形，通过波形控制得到下一次所需的激励电压波形，将该激励电压波形通过计算机控制波形控制器形成新的输出，从而形成波形的闭环控制。同时，通过与信号采集器相连的h线
圈，获得被测试样(也就是圆形取向硅钢)表面的磁场强度波形。通过工业控制计算机对数据进行处理、展示及存储。
82.具体地，在一实施例中，采用高性能可编程交直流电源(如最大输出功率为5.5kva)对测量装置供电。采用精密功率分析仪(如基本精度达0.01％)作为信号采集器，准确测量电压、电流以及功率等数据。
83.具体地，使用上述测试系统测量圆形取向硅钢试样磁性能时，数据处理过程和计算方法如下：
84.基于h线圈获得的数据，按照公式(1)计算t时刻的磁场强度h(t)：
[0085][0086]
式中：h(t)为t时刻的磁场强度(a/m)；μ0为常数，真空中的磁导率(h/m)；n
hah
为h线圈的匝面积(m2)；uh(t)为t时刻h线圈的感应电压(v)。
[0087]
在一种可能的实现方式中，使用双h线圈测量试样表面的磁场强度时，根据上、下两个h线圈的测量结果，通过外插值法计算得到表面的磁场强度。如图4所示，其示出了本技术实施例涉及的一种双线圈法测量磁场强度的线圈位置示意图。试样表面的磁场强度按下式(2)计算，
[0088][0089]
式中，h1与h2分别为1号测量线圈与2号测量线圈磁场强度的测量结果，d1与d2分别为两个h线圈距离被测试样表面的距离。采用双h线圈法可扣除紧贴试样表面处场强突变的干扰，提高了磁场强度测量的准确性。
[0090]
基于b探针获得的数据，按照公式(3)计算t时刻的磁极化强度j(t)：
[0091][0092]
式中：j(t)为t时刻的磁极化强度，单位为特斯拉(t)；n2为探测器中线圈匝数；u2(t)为t时刻探测器中的感应电压(v)；a为被测试样的横截面积，单位为平方米(m2)。
[0093]
被测试样的磁感应强度峰值bm通过公式(4)计算获得：
[0094]bm
＝jm+μ0hmꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0095]
式中：hm为磁感应强度峰值(t)；jm为磁极化强度峰值(t)；μ0为真空磁导率4π
×
10-7
。
[0096]
被测试样的比总损耗ps的大小为磁场强度h(t)和磁极化强度j(t)两者构成的磁滞回线的面积大小，按照公式(5)计算ps：
[0097][0098]
式中：ps试样的比总损耗(w/kg)；为f为频率(hz)；ρm为被测取向硅钢试样的密度(kg/m3)；as为圆形试样的有效横截面积(m2)，仅须考虑和极头端面接触段；t为周期，t＝1/f，单位为秒(s)；u
2`
(t)为扣除空气磁通补偿后探测器中的感应电压，单位为伏特(v)。
[0099]
通过上述过程，即可以计算出通过本技术实施例所涉及的系统，对待测圆形取向硅钢的各个磁性能的测量结果。
[0100]
综上所述，在本技术所提出的取向硅钢磁性能测试装置中，将叠片铁心设置为包含有圆弧形的极头端面，双励磁绕组对称放置于两个所述铁心心柱上，此时两个铁心心柱分别包含的圆弧形的极头端面构成检测区域，且检测区域用于放置待测试的圆形取向硅钢，印制电路板上的磁通密度探针以及磁场强度线圈用于测试圆形取向硅钢的磁性能；在上述装置中磁通在铁心中均匀对称分布，两个磁极为圆弧形，匹配创新设计的圆形取向硅钢的被测试样，被测试样可以实现0～360
°
任意旋转，且试样重量不发生改变，极头端面与试样的接触面积也不发生改变，进而实现圆形取向硅钢的被测试样0～360
°
全角度磁性能测量，极大地提高了测量效率。
[0101]
图5是根据一示例性实施例示出的一种取向硅钢磁性能测试方法的方法流程图。该取向硅钢磁性能测试方法用于控制如图3所示的取向硅钢磁性能测试系统，对圆形取向硅钢进行磁性能测试，如图5所示，该取向硅钢磁性能测试方法可以包括如下步骤：
[0102]
步骤501，将圆形取向硅钢置于硅钢磁性能测试测试装置的检测区域，且该圆形取向硅钢的水平高度处于铁心极头的1/2高度。
[0103]
该检测区域为叠片铁心的两个铁心心柱分别包含的圆弧形的极头端面构成的。
[0104]
可选的，在将待测量的圆形取向硅钢置于硅钢磁性能测试装置的检测区域之前，需要先对该待测量的圆形取向硅钢进行验证，判定该待测量的圆形取向硅钢符合实验标准，例如可以对待测量的圆形取向硅钢进行重量即尺寸的测量，具体地，上述待测测圆形取向硅钢试样的直径为150mm
±
0.1mm，公称厚度为0.23mm，采用线切割方式加工而成，然后再将上述待测试样用精度0.1g的电子天平称取质量，用记号笔标记圆形试样上与轧制方向平行的直径，并借助量角器在试样边部标记后续需要测量的全部角度，间隔为15
°
。
[0105]
步骤502，旋转该圆形取向硅钢，使得该圆形取向硅钢的轧制方向平行于主磁通方向。
[0106]
此时，圆形取向硅钢的轧制方向平行于主磁通方向可以被认为是初始方向，即此时的角度为0。
[0107]
步骤503，采用磁场激励电源供电，同步接通两个对称放置的励磁绕组，由小到大逐步调节输出的励磁信号，形成交变磁场，磁通经过该圆形取向硅钢，并在铁心中形成对称回路。
[0108]
步骤504，通过磁场强度线圈、磁通密度b探针分别测量被测试样中的磁通密度b波形和磁场强度h波形，并计算该圆形取向硅钢的磁参量。
[0109]
步骤505，完成该圆形取向硅钢平行于主磁通方向上的磁参量计算后，逐步降低励磁信号，对被测试样进行退磁并旋转一定测试角度再次执行采用磁场激励电源供电，同步接通两个对称放置的励磁绕组，直至该圆形取向硅钢的各个方向上的磁参量都测量完成。
[0110]
可选的，上述磁通密度b波形和磁场强度h波形采集完成后，根据如图3所示的实施例中的计算方式，计算被测取向硅钢试样在α＝0
°
方向上的比总损耗、磁感应强度等参数，旋转方向后重复完成步骤504，共开展了24次测量，获得被测取向硅钢试样0～360
°
全角度方向上的磁性能数据，全角度损耗曲线和磁化曲线用于后续变压器铁心结构精细化设计。
[0111]
综上所述，在本技术所提出的取向硅钢磁性能测试装置中，将叠片铁心设置为包
含有圆弧形的极头端面，双励磁绕组对称放置于两个所述铁心心柱上，此时两个铁心心柱分别包含的圆弧形的极头端面构成检测区域，且检测区域用于放置待测试的圆形取向硅钢，印制电路板上的磁通密度探针以及磁场强度线圈用于测试圆形取向硅钢的磁性能；在上述装置中磁通在铁心中均匀对称分布，两个磁极为圆弧形，匹配创新设计的圆形取向硅钢的被测试样，被测试样可以实现0～360
°
任意旋转，且试样重量不发生改变，极头端面与试样的接触面积也不发生改变，进而实现圆形取向硅钢的被测试样0～360
°
全角度磁性能测量，极大地提高了测量效率。
[0112]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本技术的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
[0113]
应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。