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隨著我國電工裝備的不斷升級，人們對其運行性能提出了更高的要求。這些電工裝備在設(shè)計、制造與運行過程中存在大量的磁、熱、應(yīng)力場問題，而且往往是多種物理量耦合在一起。大型多物理場耦合問題的精細分析十分困難，究其原因，除了問題的數(shù)學(xué)描述形式和數(shù)值實現(xiàn)方法復(fù)雜外，如何獲取求解域內(nèi)多物理量耦合作用下的導(dǎo)電、導(dǎo)磁、絕緣材料的物性參數(shù)，以及如何建立相應(yīng)的材料特性數(shù)學(xué)模型是核心問題。

旋轉(zhuǎn)電機、變壓器鐵心中廣泛使用的電工鋼片，其磁特性兼具磁滯、渦流、非線性、各向異性等特點，同時依賴于溫度、應(yīng)力等物理因素。在求解含有電工鋼片材料的多物理場耦合問題時就必然要考慮這些因素對磁特性的影響。

傳統(tǒng)電工鋼片磁特性測量方法如愛潑斯坦方圈法、單片測量法和環(huán)樣法只能獲取標(biāo)量磁特性。而電工裝備實際運行時鐵心內(nèi)磁化環(huán)境十分復(fù)雜，在設(shè)計和分析階段如果只考慮其標(biāo)量磁特性往往無法得到準(zhǔn)確的結(jié)果。電工鋼片矢量磁特性測量方法一直以來都是計算電磁學(xué)領(lǐng)域的研究熱點，到目前為止，世界各國研究人員提出了諸如平面式、立體式、圓形結(jié)構(gòu)、Halbach結(jié)構(gòu)等多種矢量磁特性測量裝置。采用這些裝置雖然能夠獲取電工鋼片交變磁化和旋轉(zhuǎn)磁化下的矢量磁特性，但是如何獲取應(yīng)力依賴下的矢量磁特性仍然是一個難點問題。

為研究電工鋼片在預(yù)應(yīng)力影響下的磁特性，德國Brockhaus公司在改進的一維單片測量裝置基礎(chǔ)上加裝了氣缸，采用空氣壓縮機施加預(yù)拉（壓）力，實現(xiàn)了磁特性的應(yīng)力效應(yīng)測量。該裝置只能測量電工鋼片標(biāo)量磁特性，同時需要空氣壓縮機等輔助設(shè)備，測量時噪聲很大。國內(nèi)學(xué)者石文敏、柳超等對單片測量儀和愛潑斯坦方圈進行改進，分別研究了在軋制和疊片方向施加應(yīng)力時電工鋼片的標(biāo)量磁特性。北航學(xué)者丁曉峰等設(shè)計了在疊片方向上施加壓應(yīng)力的二維磁特性測量裝置，討論了疊片方向不同壓力下電工鋼片矢量磁特性的變化規(guī)律。

日本學(xué)者M. Enokizono在電工鋼片矢量磁特性測量的研究方面起步較早，其實驗室開發(fā)了一種能夠在軋制和垂直軋制方向同時施加拉力、壓力的電工鋼片矢量磁特性測量裝置。從其發(fā)表的成果來看，主要討論了軋制和垂直軋制方向上應(yīng)力對電工鋼片磁特性的影響。

電機鐵心在制造和裝配過程中電工鋼片內(nèi)部的應(yīng)力方向雜亂無章，毫無規(guī)律可循。為此，沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員研究了應(yīng)力方向和磁化方向一致的情形。

研究人員提出，采用電動推桿實現(xiàn)同時在軋制與垂直于軋制方向?qū)﹄姽や撈┘永▔海┝Α?yōu)化設(shè)計勵磁磁軛的尺寸并合理布局以保證測量區(qū)域磁場分布的均勻性，提高測量精度。將B探針與雙復(fù)合H線圈統(tǒng)一裝配到電木框架內(nèi)構(gòu)成矢量B-H傳感器，達到同時測量電工鋼片磁通密度B和磁場強度H信號的目的。根據(jù)坡印亭定理計算不同磁化條件下電工鋼片比總損耗。

研究人員基于上述方法分別測量了無取向電工鋼樣品不同磁化角度、軸比以及磁通密度下的矢量磁特性，測量過程中將預(yù)拉（壓）力矢量的方向設(shè)置為與磁化角度一致。根據(jù)測量結(jié)果總結(jié)歸納出電工鋼片矢量磁特性的應(yīng)力依賴演化規(guī)律。

圖1 整體測量裝置

圖2 矢量B-H傳感器

圖3 長直螺線管的實物圖

研究人員所提出的測量系統(tǒng)完全可以測量任意應(yīng)力方向下的矢量磁特性，最后得出的結(jié)論如下：

• 1）磁化角度變化時，磁場強度在磁化角度為 0°和90°時，壓應(yīng)力使磁場強度沿磁化方向增加，拉應(yīng)力使磁場強度沿磁化方向的磁場強度略有降低。其余角度，壓應(yīng)力使磁場強度略有增加，拉應(yīng)力時幾乎沒有發(fā)生變化；壓應(yīng)力使比總損耗增加較為明顯，拉應(yīng)力使其降低。
• 2）軸比變化時，壓應(yīng)力使磁場強度沿著磁化方向增加。拉應(yīng)力時磁場強度變化不太明顯。隨著軸比的增大，磁場強度軌跡和RD方向的傾角也逐漸增大；壓應(yīng)力使損耗逐漸增大；拉應(yīng)力使低軸比時比總損耗略有降低，使高軸比的比總損耗略有升高。
• 3）磁通密度變化時，壓應(yīng)力使比總損耗增加；拉應(yīng)力使比總損耗略有下降。

以上研究成果已發(fā)表在2019年《電工技術(shù)學(xué)報》增刊2，論文標(biāo)題為“無取向電工鋼應(yīng)力依賴矢量磁特性測量研究”，作者為張殿海、賈夢凡、任自艷、張艷麗。