鐵損測(cè)試儀的原理 鐵損儀在硅鋼片的應(yīng)用

    硅鋼片是一種含碳極低的硅鐵軟磁合金,一般含硅量為0.5%~4.5%。加入硅可提高鐵的電阻率和zui大磁導(dǎo)率,降低矯頑力、鐵芯損耗（鐵損）和磁時(shí)效,硅鋼片主要用來(lái)制作各種變壓器、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的鐵芯,所以其性能的優(yōu)劣直接影響到以上產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。鐵損測(cè)試是硅鋼片生產(chǎn)、流通和使用中質(zhì)量管理的重要評(píng)價(jià)項(xiàng)目之一。通過(guò)對(duì)硅鋼片鐵損的測(cè)試,可以判別硅鋼片的好壞,及早發(fā)現(xiàn)材料的缺陷,給電機(jī)、變壓器及相關(guān)廠家的品質(zhì)管理帶來(lái)極大的方便。 依據(jù)我國(guó)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T5469-91,GB/T3655-92,GB/T3655-2000）,以愛(ài)潑斯坦方圈法作為檢測(cè)和評(píng)價(jià)硅鋼片鐵損值的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù),該方法是使用的方法。其基本原理是從多片長(zhǎng)方形的定形硅鋼片疊片中測(cè)出平均鐵損值。但在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),由于需要制作很多規(guī)則試樣,費(fèi)工費(fèi)時(shí),特別是在硅鋼片加工后,如變壓器、電機(jī)等沖壓后形成非規(guī)則復(fù)雜形狀,無(wú)法采樣。針對(duì)這種情況,目前已有硅鋼片鐵損測(cè)試儀面市,在數(shù)據(jù)信號(hào)采集、快速處理,以及測(cè)試電源 的自動(dòng)調(diào)節(jié)等方面已取得了一些成效,但是對(duì)測(cè)量電路中磁感應(yīng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)能力不夠,無(wú)法進(jìn)一步提高測(cè)量精度,而且具有測(cè)量范圍小和價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。 本研究介紹的鐵損測(cè)試儀采用智能芯片ARM7來(lái)測(cè)量U、I、P,能夠測(cè)試單片硅鋼片的鐵損值。 

鐵損測(cè)試儀的基本原理 

如圖1所示,鐵損測(cè)試儀的原理是利用繞有勵(lì)磁線圈Ne和感應(yīng)線圈Nb的U形疊片硅鋼片制成的探頭置于測(cè)試鋼片試樣上,在對(duì)勵(lì)磁線圈施加一定電流后,通過(guò)試樣斷面形成磁回路,由感應(yīng)線圈獲取感應(yīng)電 壓,經(jīng)計(jì)算測(cè)得通過(guò)試樣的電力損耗[1?2] 。

   測(cè)試時(shí)由測(cè)試探頭和試樣形成等效回路,當(dāng)對(duì)勵(lì)磁線圈Ne施加勵(lì)磁電流Ie時(shí),感應(yīng)線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電壓Eb。已知探頭的長(zhǎng)度為h,試樣的厚度為t,寬度為h,截?cái)嗝娣e為A（A=ht）,試樣的磁路長(zhǎng)為L(zhǎng)（平均磁路長(zhǎng)q+d/2）,試樣的比重為D,其質(zhì)量為:m=DAL。 設(shè)加在磁化線圈的電壓為正弦電壓Ee,磁化電流為Ie,則磁化線圈的電壓方程為: Ee=rie+Ne d? d

t （1） 式中?r?磁化線圈的電阻。 rie項(xiàng)比Ned?d

t 小得多,因此,式（1）變?yōu)? Ee=Ned? d

t （2） 當(dāng)電源電壓為正弦波時(shí):Ee=Emcos?t,則鐵心中磁通: ?=  EeN

edt=EmN

e  cos?tdt=Em 2 fN

e sin?t（3）式（3）表明當(dāng)電源電壓為正弦波時(shí),鐵心中的磁通也是正弦波,其zui大值: ?m= Em 2 fN

e （4） 因而鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度也是正弦波,其zui大值: Bm=?m

A=Em 2 fNe

A （5） 由式（4）可推導(dǎo)出電源電壓有效值: Ee= 2

2  fNe?m!4.14fNe?m（6）?m=BmA （7）由式（5）和式（6）得: Ee=4.44fNeBmA（8）試樣的鐵損值Wo的計(jì)算方程為:Wo=EeIecos! （9）由安培環(huán)路定律得: Ie= HLN

e （10） 將式（8）和式（10）代入式（9）中得:Wo=EeIecos!=4.44f（AL）（BH）cos!（11）式中?f?頻率;B?zui大磁通量;H?磁場(chǎng)強(qiáng)度;!?Ee（或Eb）和Ie之間的相位角。 單位重量的鐵損值為:

Wi=Wo/m=（4.44f/D）BHcos!=

數(shù)據(jù)處理電路 

   STM32F101RB型芯片使用高性能的ARMCortex?M332位的RISC內(nèi)核,工作頻率為36MHz,內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)128KB的閃存和16KB的SRAM）,豐富 的增強(qiáng)型外設(shè)和I/O端口連接到兩條APB總線[7] 。所有型號(hào)的器件都包含1個(gè)12位的ADC和3個(gè)通用 16位定時(shí)器,還包含標(biāo)準(zhǔn)的通信接口:2個(gè)I2 C、2個(gè)SPI和3個(gè)USART。 數(shù)據(jù)處理電路如圖4所示,將B放大后和H放大后的2路信號(hào)VB和VH連接到STM32F101RB自帶的A/D口,采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)整流濾波、比較和PI調(diào)節(jié)后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào),以調(diào)整壓控電路。待Bm達(dá)到預(yù)置值后,由軟件計(jì)算出測(cè)量結(jié)果,同時(shí)將測(cè)試結(jié)果保存并在LCD液晶屏中實(shí)時(shí)顯示出來(lái).

測(cè)量結(jié)果

 對(duì)一個(gè)厚度為50mm,密度為7.65g∀cm-3 的無(wú)取向硅鋼片樣品進(jìn)行測(cè)試,如表1所示。 

對(duì)一個(gè)厚度為35mm,密度為7.65g∀cm-3的有取向硅鋼片樣品進(jìn)行測(cè)試,如表2所示。

由上表可看出,鐵損的zui大誤差不超過(guò)2%,說(shuō)明本系統(tǒng)達(dá)到了測(cè)量鐵損值的要求。 

   本系統(tǒng)利用負(fù)反饋技術(shù)在勵(lì)磁電源中,不僅保持了磁感應(yīng)強(qiáng)度B波形為正弦波,還保證了磁感應(yīng)強(qiáng)度穩(wěn)定在設(shè)定值,大大提高了鐵損的測(cè)量精度。此外,本系統(tǒng)采用了探頭式直接讀取單片硅鋼片鐵損值方式,測(cè)量時(shí)無(wú)需破壞樣品,只要尺寸大于50mm（50mm的任意硅鋼片都可以測(cè)量,具有測(cè)試簡(jiǎn)單,精度高的特點(diǎn)