鐵損測試儀的原理 鐵損儀在硅鋼片的應用

    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大磁導率,降低矯頑力、鐵芯損耗（鐵損）和磁時效,硅鋼片主要用來制作各種變壓器、電動機和發(fā)電機的鐵芯,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。鐵損測試是硅鋼片生產(chǎn)、流通和使用中質(zhì)量管理的重要評價項目之一。通過對硅鋼片鐵損的測試,可以判別硅鋼片的好壞,及早發(fā)現(xiàn)材料的缺陷,給電機、變壓器及相關(guān)廠家的品質(zhì)管理帶來極大的方便。 依據(jù)我國的行業(yè)標準（JB/T5469-91,GB/T3655-92,GB/T3655-2000）,以愛潑斯坦方圈法作為檢測和評價硅鋼片鐵損值的標準依據(jù),該方法是使用的方法。其基本原理是從多片長方形的定形硅鋼片疊片中測出平均鐵損值。但在生產(chǎn)現(xiàn)場,由于需要制作很多規(guī)則試樣,費工費時,特別是在硅鋼片加工后,如變壓器、電機等沖壓后形成非規(guī)則復雜形狀,無法采樣。針對這種情況,目前已有硅鋼片鐵損測試儀面市,在數(shù)據(jù)信號采集、快速處理,以及測試電源 的自動調(diào)節(jié)等方面已取得了一些成效,但是對測量電路中磁感應強度調(diào)節(jié)能力不夠,無法進一步提高測量精度,而且具有測量范圍小和價格昂貴的缺點。 本研究介紹的鐵損測試儀采用智能芯片ARM7來測量U、I、P,能夠測試單片硅鋼片的鐵損值。 

鐵損測試儀的基本原理 

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

   測試時由測試探頭和試樣形成等效回路,當對勵磁線圈Ne施加勵磁電流Ie時,感應線圈將產(chǎn)生感應電壓Eb。已知探頭的長度為h,試樣的厚度為t,寬度為h,截斷面積為A（A=ht）,試樣的磁路長為L（平均磁路長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項比Ned?d

t 小得多,因此,式（1）變?yōu)? Ee=Ned? d

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

edt=EmN

e  cos?tdt=Em 2 fN

e sin?t（3）式（3）表明當電源電壓為正弦波時,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強度也是正弦波,其zui大值: Bm=?m

A=Em 2 fNe

A （5） 由式（4）可推導出電源電壓有效值: 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?磁場強度;!?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)置高速存儲器（高達128KB的閃存和16KB的SRAM）,豐富 的增強型外設(shè)和I/O端口連接到兩條APB總線[7] 。所有型號的器件都包含1個12位的ADC和3個通用 16位定時器,還包含標準的通信接口:2個I2 C、2個SPI和3個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VB和VH連接到STM32F101RB自帶的A/D口,采集到的信號經(jīng)過整流濾波、比較和PI調(diào)節(jié)后通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成模擬信號,以調(diào)整壓控電路。待Bm達到預置值后,由軟件計算出測量結(jié)果,同時將測試結(jié)果保存并在LCD液晶屏中實時顯示出來.

測量結(jié)果

 對一個厚度為50mm,密度為7.65g∀cm-3 的無取向硅鋼片樣品進行測試,如表1所示。 

對一個厚度為35mm,密度為7.65g∀cm-3的有取向硅鋼片樣品進行測試,如表2所示。

由上表可看出,鐵損的zui大誤差不超過2%,說明本系統(tǒng)達到了測量鐵損值的要求。 

   本系統(tǒng)利用負反饋技術(shù)在勵磁電源中,不僅保持了磁感應強度B波形為正弦波,還保證了磁感應強度穩(wěn)定在設(shè)定值,大大提高了鐵損的測量精度。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,測量時無需破壞樣品,只要尺寸大于50mm（50mm的任意硅鋼片都可以測量,具有測試簡單,精度高的特點