考慮溫度影響的硅鋼片磁致伸縮測(cè)試實(shí)驗(yàn)

劉行謀， 吳佳馨， 王 偉， 張晨陽(yáng)， 江 帆， 會(huì) 燕

（1.重慶郵電大學(xué)重慶市復(fù)雜系統(tǒng)與仿生控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065；2.國(guó)家電網(wǎng)重慶市綦南供電局，重慶401420；3.國(guó)家電網(wǎng)重慶市北碚供電局，重慶400700；4.國(guó)家電網(wǎng)重慶市檢修分公司，重慶400000）

0 引 言

電力設(shè)備的電磁振動(dòng)主要原因是內(nèi)部材料的磁致伸縮效應(yīng)，研究鐵磁材料的磁致伸縮特性對(duì)分析電力設(shè)備運(yùn)行狀況有著重要作用［1-3］。正常運(yùn)行時(shí)電力設(shè)備中內(nèi)部鐵磁材料工作在線性區(qū)域；然而當(dāng)電力設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，鐵磁材料可能工作在非線性飽和區(qū)［4-5］，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備振動(dòng)異常增大和噪聲加?。?-10］，同時(shí)設(shè)備運(yùn)行時(shí)必然產(chǎn)生不同的工作溫度，磁致伸縮隨溫度的變化情況直接影響了設(shè)備的振動(dòng)情況。因此應(yīng)考慮在不同溫度下的磁致伸縮現(xiàn)象情況［11］。

本文提出了一種可測(cè)量不同溫度對(duì)硅鋼片磁致伸縮影響的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以螺線管產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，主導(dǎo)內(nèi)部硅鋼片發(fā)生磁致伸縮。運(yùn)用陶瓷發(fā)熱片和溫度調(diào)節(jié)器對(duì)硅鋼片加熱，通過(guò)溫度傳感器采集了硅鋼片溫度。以高精度應(yīng)變電阻片測(cè)量硅鋼片微小應(yīng)變特性且擬合磁致伸縮變化曲線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硅鋼片中磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.68 T時(shí)達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)磁致伸縮率高達(dá)10.73 ×10-6。而后隨磁場(chǎng)繼續(xù)增加，磁致伸縮率會(huì)因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)磁疇的數(shù)量減少而有所減小。為研究溫度對(duì)飽和磁致伸縮的影響，對(duì)硅鋼片進(jìn)行加溫，測(cè)量從20 ～80 ℃間磁致伸縮率的變化情況，得出先增加后降低的非線性特性。實(shí)驗(yàn)證明了基于磁場(chǎng)、溫度和應(yīng)變傳感器的磁致伸縮測(cè)量裝置的有效性，為電磁設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確依據(jù)。

1 基于螺線管的磁場(chǎng)發(fā)生器

1.1 螺線管磁場(chǎng)計(jì)算

為得到簡(jiǎn)易的小范圍恒定磁場(chǎng)，本系統(tǒng)采用直流螺線管的方式實(shí)現(xiàn)。該方法對(duì)磁場(chǎng)大小易于調(diào)節(jié)，磁場(chǎng)分布波動(dòng)較小，其結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1 所示。

圖1 螺線管設(shè)計(jì)剖面圖

如圖1（a）表示單層結(jié)構(gòu)的螺線管，z 軸向?yàn)榇艌?chǎng)方向，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B0可表示為

當(dāng)l?r時(shí)，式（1）簡(jiǎn)化為

式中：I為勵(lì)磁電流；l為螺線管長(zhǎng)度；n1為螺線管單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)；r 為螺線管的半徑；z 為螺線管中心O至軸線上某點(diǎn)的距離。

要達(dá)到較強(qiáng)磁場(chǎng)，單層螺線管則需要更大電流，因此為節(jié)約實(shí)驗(yàn)室資源，采用多層螺線管。圖1（b）所示的多層螺線管外半徑為r1，內(nèi)半徑r0，線圈的厚度為r1-r0。每層單位長(zhǎng)度的上匝數(shù)為n1，單位厚度上的匝數(shù)為n2，可得到軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度為

當(dāng)z ＝0，即螺線管中心點(diǎn)處極小范圍內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度為

1.2 螺線管磁場(chǎng)仿真與測(cè)試

通過(guò)有限元軟件模擬并制作計(jì)算多層螺線管，其具體參數(shù)為：300 mm長(zhǎng)的耐溫PVC管構(gòu)成線圈基底，線圈為3 層共330 匝。內(nèi)徑44 mm，外徑70 mm，線圈長(zhǎng)260 mm。經(jīng)計(jì)算得出螺線管磁場(chǎng)分布仿真如圖2所示，可知螺線管內(nèi)磁通密度分布均勻，場(chǎng)強(qiáng)大小可達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

圖2 螺線管磁通密度分布仿真

為進(jìn)一步測(cè)試螺線管性能。采用CH-3600 高精度三維磁場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)螺線管內(nèi)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量和標(biāo)定，其測(cè)試實(shí)物圖如圖3 所示。通過(guò)霍爾傳感器對(duì)螺線管內(nèi)3 個(gè)方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量，將數(shù)據(jù)采集到DAS系統(tǒng)并由工控機(jī)IPC并進(jìn)行存儲(chǔ)。得到的結(jié)果擬合后與有限元仿真結(jié)果對(duì)比，如圖4（a）所示。

如圖4（a）所示，螺線管中磁場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)際測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果在軸線中段高度吻合，僅在管口兩端衰減速度不同，這是因?yàn)閷?shí)際螺線管繞制中兩端的緊密度難以保證的原因，但不影響硅鋼片局部區(qū)域內(nèi)的測(cè)量［12］。圖4（b）表示了螺線管內(nèi)中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度隨輸入直流電流變化的線性變化情況，該結(jié)果表現(xiàn)了非常好的線性度。當(dāng)直流電流為10 A時(shí)，管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到12. 91 mT，該強(qiáng)度已達(dá)到對(duì)硅鋼片測(cè)量的要求。

圖3 螺線管磁場(chǎng)測(cè)定系統(tǒng)

圖4 螺線管磁場(chǎng)分布仿真與測(cè)試結(jié)果比較

2 磁致伸縮測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮溫度的影響設(shè)計(jì)硅鋼片應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。以30Q120 型取向電工硅鋼片為例，其測(cè)量系統(tǒng)如圖5 所示。選擇XH-RJ404020 陶瓷發(fā)熱片為硅鋼片加熱，采用PT100 型溫敏電阻對(duì)溫度進(jìn)行反饋。采用BF120型高精度電阻應(yīng)變片分別貼于硅鋼片中心處。由溫控器（TC）調(diào)節(jié)發(fā)發(fā)熱片功率，以保持特定溫度。

圖5 硅鋼片磁致伸縮測(cè)量設(shè)計(jì)

2.1 硅鋼片磁場(chǎng)及溫度分布計(jì)算

由于硅鋼片磁導(dǎo)率相對(duì)空氣較高，因此實(shí)驗(yàn)中可不考慮漏磁的影響。計(jì)算本構(gòu)關(guān)系：

式中：μ為硅鋼片磁導(dǎo)率，其曲線如圖6 所示；μ0為空氣磁導(dǎo)率0.4πμH/m；B0為空氣中磁感應(yīng)強(qiáng)度，則可計(jì)算得硅鋼片中的磁場(chǎng)分布。

圖6 硅鋼片磁導(dǎo)率曲線

為保證準(zhǔn)確測(cè)量在溫度影響下的硅鋼片特性，要求對(duì)測(cè)量區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)和溫度分布均勻。運(yùn)用有限元軟件對(duì)硅鋼片在螺線管中的磁場(chǎng)進(jìn)行模擬。圖7 顯示了硅鋼片在螺線管中沿軋制方向的磁場(chǎng)分布，在硅鋼片兩端磁場(chǎng)衰減明顯，在中間區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)分布均勻穩(wěn)定。

圖7 硅鋼片磁場(chǎng)仿真分析

用COMSOL軟件對(duì)陶瓷發(fā)熱片和硅鋼片溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真。圖8 顯示了硅鋼片溫度分布情況，在硅鋼片兩端溫度下降明顯，相對(duì)于磁場(chǎng)，均勻溫度分布的區(qū)域明顯減小。但在中心處測(cè)試區(qū)的小范圍內(nèi)磁場(chǎng)和溫度均完全滿足試驗(yàn)要求，可用于對(duì)硅鋼片測(cè)試。

2.2 硅鋼片應(yīng)變測(cè)量

本文采用一種非電量的電測(cè)方法，以BF120 型應(yīng)變電阻作傳感器的非平衡電橋法來(lái)測(cè)量磁致伸縮系數(shù)

式中：C 為恒定值，由測(cè)量電路和應(yīng)變傳感器參數(shù)確定。故只需測(cè)出流過(guò)電橋的電流Ig即可得出磁致伸縮系數(shù)λ。建立不同的外磁場(chǎng)H，可計(jì)算出各種外磁場(chǎng)強(qiáng)度下的λ，然后以H作為橫坐標(biāo)，λ作為縱坐標(biāo)，畫出一條磁致伸縮系數(shù)隨外磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的曲線，根據(jù)曲線求得λ ＝f（H）的經(jīng)驗(yàn)公式［13-15］。

圖8 硅鋼片溫度仿真分析

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)傳感器安置如圖9 所示。將Hightemperature Co-fired Ceramics（MCH）作為熱源用高導(dǎo)熱硅膠粘于硅鋼片底部中心位置。實(shí)驗(yàn)中需設(shè)置同樣布置的硅鋼片作為對(duì)照組安置在室溫環(huán)境下，以平衡測(cè)量電橋的參數(shù)和消除誤差。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中調(diào)節(jié)直流電流大小和發(fā)熱片功率，測(cè)量并記錄硅鋼片應(yīng)變值。

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量過(guò)程

保持室溫20 ℃，調(diào)節(jié)螺線管的直流電流，使其螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度從0 變化到2 T。在該過(guò)程中對(duì)硅鋼片二維方向上的應(yīng)變量進(jìn)行讀取和記錄。將測(cè)量結(jié)果通過(guò)三次樣條插值擬合為單值曲線，其結(jié)果如圖10所示。從圖中可知，硅鋼片在軋制方向上的最大值達(dá)到10.73 ×10-6，此時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.68 T。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大于1.68 T時(shí)，硅鋼片在該方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度規(guī)律與前者一致，但最大應(yīng)變量約4.29 ×10-6。這現(xiàn)象表明了取向性硅鋼在磁化過(guò)程中具有方向性，軋制方向是磁化效率最高的方向。

圖10 磁致伸縮測(cè)量擬合曲線

通過(guò)對(duì)硅鋼片溫度的采集和發(fā)熱片功率的調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)不同硅鋼片溫度下的最大應(yīng)變測(cè)量。將溫度設(shè)置在20 ～80 ℃時(shí)，測(cè)量得到硅鋼片磁致伸縮如表1 所示。同樣從結(jié)果中可發(fā)現(xiàn)，在不同溫度下軋制方向上的應(yīng)變量始終是最大的。將數(shù)據(jù)結(jié)果擬合為曲線，如圖11 所示。

表1 磁致伸縮隨溫度變化率

圖11 硅鋼片磁致伸縮隨溫度變化測(cè)量結(jié)果

結(jié)果表明，磁致伸縮峰值具有十分明顯的非線性特性。當(dāng)溫度升高越快，磁致伸縮變化率卻越小。溫度為80 ℃時(shí)，硅鋼片軋制方向上的磁致伸縮率下降到室溫的93.36%，其垂直方向上的磁致伸縮率下降到室溫的93.65%。雖然磁致伸縮隨溫度的變化并不明顯，但在大型電磁設(shè)備中微小的應(yīng)變量仍然不能忽視。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于應(yīng)變傳感器和溫度傳感器設(shè)計(jì)了一種考慮溫度影響的硅鋼片磁致伸縮測(cè)量的裝置。從理論和仿真上分析了該設(shè)計(jì)的可行性。搭建該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)硅鋼片進(jìn)行了實(shí)測(cè)，測(cè)量結(jié)果表明硅鋼片的磁致伸縮變化與磁化過(guò)程具有同樣的規(guī)律特性，它們都隨著外磁場(chǎng)的增加，逐漸達(dá)到飽和，而飽和后磁致伸縮率后適應(yīng)降低。此時(shí)，硅鋼片磁致伸縮率還隨溫度增大而呈現(xiàn)非線性增大關(guān)系。結(jié)果表明，隨溫度的增加磁致伸縮呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，并溫度越高降低越快。證明了該測(cè)量系統(tǒng)可對(duì)鐵磁材料磁致伸縮進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。