- 頭條一種依賴矢量磁特性的電工鋼片應力測量方法2021-03-14 作者：張殿海 賈夢凡 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語沈陽工業大學電氣工程學院的研究人員張殿海、賈夢凡、任自艷、張艷麗，在2019年《電工技術學報》增刊2上撰文，總結歸納出電工鋼片矢量磁特性的應力依賴演化規律。
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。這些電工裝備在設計、制造與運行過程中存在大量的磁、熱、應力場問題，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，除了問題的數學描述形式和數值實現方法復雜外，如何獲取求解域內多物理量耦合作用下的導電、導磁、絕緣材料的物性參數，以及如何建立相應的材料特性數學模型是核心問題。
旋轉電機、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、單片測量法和環樣法只能獲取標量磁特性。而電工裝備實際運行時鐵心內磁化環境十分復雜，在設計和分析階段如果只考慮其標量磁特性往往無法得到準確的結果。電工鋼片矢量磁特性測量方法一直以來都是計算電磁學領域的研究熱點，到目前為止，世界各國研究人員提出了諸如平面式、立體式、圓形結構、Halbach結構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磁化下的矢量磁特性，但是如何獲取應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應力影響下的磁特性，德國Brockhaus公司在改進的一維單片測量裝置基礎上加裝了氣缸，采用空氣壓縮機施加預拉（壓）力，實現了磁特性的應力效應測量。該裝置只能測量電工鋼片標量磁特性，同時需要空氣壓縮機等輔助設備，測量時噪聲很大。國內學者石文敏、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力時電工鋼片的標量磁特性。北航學者丁曉峰等設計了在疊片方向上施加壓應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律。
日本學者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。從其發表的成果來看，主要討論了軋制和垂直軋制方向上應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部的應力方向雜亂無章，毫無規律可循。為此，沈陽工業大學電氣工程學院的研究人員研究了應力方向和磁化方向一致的情形。
研究人員提出，采用電動推桿實現同時在軋制與垂直于軋制方向對電工鋼片施加拉（壓）力。優化設計勵磁磁軛的尺寸并合理布局以保證測量區域磁場分布的均勻性，提高測量精度。將B探針與雙復合H線圈統一裝配到電木框架內構成矢量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，測量過程中將預拉（壓）力矢量的方向設置為與磁化角度一致。根據測量結果總結歸納出電工鋼片矢量磁特性的應力依賴演化規律。
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完全可以測量任意應力方向下的矢量磁特性，最后得出的結論如下：
- 1）磁化角度變化時，磁場強度在磁化角度為 0°和90°時，壓應力使磁場強度沿磁化方向增加，拉應力使磁場強度沿磁化方向的磁場強度略有降低。其余角度，壓應力使磁場強度略有增加，拉應力時幾乎沒有發生變化；壓應力使比總損耗增加較為明顯，拉應力使其降低。
- 2）軸比變化時，壓應力使磁場強度沿著磁化方向增加。拉應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；壓應力使損耗逐漸增大；拉應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，壓應力使比總損耗增加；拉應力使比總損耗略有下降。
以上研究成果已發表在2019年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“無取向電工鋼應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。
