铁损测试仪的原理 铁损仪在硅钢片的应用

    硅钢片是一种含碳极低的硅铁软磁合金,一般含硅量为0.5%~4.5%。加入硅可提高铁的电阻率和zui大磁导率,降低矫顽力、铁芯损耗（铁损）和磁时效,硅钢片主要用来制作各种变压器、电动机和发电机的铁芯,所以其性能的优劣直接影响到以上产品质量的好坏。铁损测试是硅钢片生产、流通和使用中质量管理的重要评价项目之一。通过对硅钢片铁损的测试,可以判别硅钢片的好坏,及早发现材料的缺陷,给电机、变压器及相关厂家的品质管理带来极大的方便。 依据我国的行业标准（JB/T5469-91,GB/T3655-92,GB/T3655-2000）,以爱泼斯坦方圈法作为检测和评价硅钢片铁损值的标准依据,该方法是使用的方法。其基本原理是从多片长方形的定形硅钢片叠片中测出平均铁损值。但在生产现场,由于需要制作很多规则试样,费工费时,特别是在硅钢片加工后,如变压器、电机等冲压后形成非规则复杂形状,无法采样。针对这种情况,目前已有硅钢片铁损测试仪面市,在数据信号采集、快速处理,以及测试电源 的自动调节等方面已取得了一些成效,但是对测量电路中磁感应强度调节能力不够,无法进一步提高测量精度,而且具有测量范围小和价格昂贵的缺点。 本研究介绍的铁损测试仪采用智能芯片ARM7来测量U、I、P,能够测试单片硅钢片的铁损值。 

铁损测试仪的基本原理 

如图1所示,铁损测试仪的原理是利用绕有励磁线圈Ne和感应线圈Nb的U形叠片硅钢片制成的探头置于测试钢片试样上,在对励磁线圈施加一定电流后,通过试样断面形成磁回路,由感应线圈获取感应电 压,经计算测得通过试样的电力损耗[1?2] 。

   测试时由测试探头和试样形成等效回路,当对励磁线圈Ne施加励磁电流Ie时,感应线圈将产生感应电压Eb。已知探头的长度为h,试样的厚度为t,宽度为h,截断面积为A（A=ht）,试样的磁路长为L（平均磁路长q+d/2）,试样的比重为D,其质量为:m=DAL。 设加在磁化线圈的电压为正弦电压Ee,磁化电流为Ie,则磁化线圈的电压方程为: Ee=rie+Ne d? d

t （1） 式中?r?磁化线圈的电阻。 rie项比Ned?d

t 小得多,因此,式（1）变为: Ee=Ned? d

t （2） 当电源电压为正弦波时:Ee=Emcos?t,则铁心中磁通: ?=  EeN

edt=EmN

e  cos?tdt=Em 2 fN

e sin?t（3）式（3）表明当电源电压为正弦波时,铁心中的磁通也是正弦波,其zui大值: ?m= Em 2 fN

e （4） 因而铁芯中的磁感应强度也是正弦波,其zui大值: Bm=?m

A=Em 2 fNe

A （5） 由式（4）可推导出电源电压有效值: Ee= 2

2  fNe?m!4.14fNe?m（6）?m=BmA （7）由式（5）和式（6）得: Ee=4.44fNeBmA（8）试样的铁损值Wo的计算方程为:Wo=EeIecos! （9）由安培环路定律得: Ie= HLN

e （10） 将式（8）和式（10）代入式（9）中得:Wo=EeIecos!=4.44f（AL）（BH）cos!（11）式中?f?频率;B?zui大磁通量;H?磁场强度;!?Ee（或Eb）和Ie之间的相位角。 单位重量的铁损值为:

Wi=Wo/m=（4.44f/D）BHcos!=

数据处理电路 

   STM32F101RB型芯片使用高性能的ARMCortex?M332位的RISC内核,工作频率为36MHz,内置高速存储器（高达128KB的闪存和16KB的SRAM）,丰富 的增强型外设和I/O端口连接到两条APB总线[7] 。所有型号的器件都包含1个12位的ADC和3个通用 16位定时器,还包含标准的通信接口:2个I2 C、2个SPI和3个USART。 数据处理电路如图4所示,将B放大后和H放大后的2路信号VB和VH连接到STM32F101RB自带的A/D口,采集到的信号经过整流滤波、比较和PI调节后通过D/A转换器转变成模拟信号,以调整压控电路。待Bm达到预置值后,由软件计算出测量结果,同时将测试结果保存并在LCD液晶屏中实时显示出来.

测量结果

 对一个厚度为50mm,密度为7.65g∀cm-3 的无取向硅钢片样品进行测试,如表1所示。 

对一个厚度为35mm,密度为7.65g∀cm-3的有取向硅钢片样品进行测试,如表2所示。

由上表可看出,铁损的zui大误差不超过2%,说明本系统达到了测量铁损值的要求。 

   本系统利用负反馈技术在励磁电源中,不仅保持了磁感应强度B波形为正弦波,还保证了磁感应强度稳定在设定值,大大提高了铁损的测量精度。此外,本系统采用了探头式直接读取单片硅钢片铁损值方式,测量时无需破坏样品,只要尺寸大于50mm（50mm的任意硅钢片都可以测量,具有测试简单,精度高的特点