（电机与电器专业论文）电机铁芯磁性能测试系统的研制.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o no fz h e i i a n gu n i v e r s i t y a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t a t o ri sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fam o t o r a n dt h em a g n e t i cp e r f o r m a n c e o ft h ec o r e ，w h i c hi st h e k e yp a r t o ft h es t a t o r ，h a sa s i g n i f i c a n t e f f e c to nt h e p e r f o r m a n c eo f am o t o rt h ec o r el o s si sa ni m p o r t a n tc r i t e r i o no fi t sp e r f o r m a n c e i f t h ec o r el o s si st o ol a r g e ，i tw i l lb eh e a t e da n dt h ee f f i c i e n c yw i l lb ed e c r e a s e dw h e n a d dt h e e x c i t i n g c u r r e n tt ot h es t a t o rc o i l ss ow es h o u l dc h e c kt h e m a g n e t i c p e r f o r m a n c eo f t h ec o r e t oe n s u r et h eq u a l i t yo f t h em o t o rd u r i n gi t sm a n u f a c t u r i n g t h i s p a p e rd e v e l o p sa t e s ts y s t e mf o rt h em a g n e t i cp e r f o r m a n c eo ft h ec o r eb a s e d o nt h et e s tt e c h n i q u e so fc o m p u t e r t h i st e s ts y s t e mc a nm a i n t a i nt h em a g n e t i cf l u x d e n s i t y ( b ) f o rs i n ew a v ea u t o m a t i c a l l y s ow en e e d n tr e v i s et h et e s t i n gd a t ab e c a u s e o ft h ed i s t o r t i o no ft h ew a v e f o r m a n di ta l s oi n c r e a s e st h ep r e c i s i o no ft h et e s t t h i s t e s ts y s t e mc a na l s oa d j u s tt h ea m p l i t u d eo ft h em a g n e t i cf l u xd e n s i t ys oi ti se a s yt o u s ea n di n c r e a s e st h ed e g r e eo f t h et e s ta u t o m a t i z a t i o n t h i st e s ts y s t e mc a r la p p l yt ot w ok i n d so fm e a s u r e m e n t so n ei st h ea u t o m a t i c m e a s u r e m e n to ft h ec o r el o s sf o rt h ed i f f e r e n tc o r eo ft h es a m et y p eu n d e rt h es a m e a m p l i t u d eo f t h em a g n e t i cf l u xd e n s i t y ；t h eo t h e ri st h ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n to ft h e a l t e r n a t em a g n e t i z a t i o nc u r v ea n dt h ec o r el o s sc u r v ef o rt h ec o r et h ee x p e r i m e n t s p r o v et h a ti th a sa d v a n t a g e ss u c ha sh i g hp r e c i s i o n ，g o o ds t a b i l i t ye t c t h e p a p e rp r e s e n t st h ep r i n c i p l e ，h a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ed e s i g no ft h et e s t s y s t e mf o r t h em a g n e t i cp e r f o r m a n c eo ft h ec o r ei nd e t a i l t h e nt h et e s td a t aa r c p r e s e n t e da n da n a l y z e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：c o r e ，w a v e f o r r n c o n t r o l ，a u t o m a t i ct e s t ，m a g n e t i cp e r f j r m a n c e 7 j 江人掌诎i 学位论史第二章 乜机铣芯磁性能铡试系统的原理设计 第一章绪论 测量是对被测对象的量值而进行的实验过程。在这个过程中常借助专门的设 备和方法，把被测对象直接或者间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和 单位共同表示的测量结果。测量是揭示客观规律，用数字语言描述周围世界，进 而改造世界的重要手段。广义地说，任何实验科学的结论，都是对实验数据统计 推断的结果。而数据的取得，就要靠测量。近代自然科学是自从有了实验科学以 后爿真正形成的。许多重大科学成果的获得，首先因为有了新的实验手段。在科 学发展史上，重要的实验数据可以把假说上升为理论，成为验证理论的客观标准。 同时，许多实验数据还成为发现新问题、提出新理论的线索和依据p l 。总之，测 量技术的发展对科学技术的进步起了重要的作用。 电机测试技术的发展与电机工业的发展密切相关的。近年来，随着经济的飞 速发展，各行各业兴旺发达，人民生活水平的也随之不断提高。这种现象导致的 一个可喜结果就是电机行业里电机的供需量大大增加。特别是这几年，随着家用 电器的普及率不断增加，各种中小型电机产量也大幅度提高；相应的电机性能行 业标准也跟着增加，而且日益完善。科学技术的发展对电机提出了越来越高的性 能与质量指标，对电机性能的精确测试也显得更为重要。 电机性能试验包括电机型式试验与电机出厂试验。电机型式试验是电机的制 造厂家或有关计量部门对某种型号的电机所做的一项全面的性能试验，其目的是 为了确保所生产电机的电气和机械性能均达到国家规定的技术标准。这种试验一 般只对各种类型电机中的第一台或首批中的几台进行，电机只有通过型式试验爿 能投产或继续生产。当电机的结构有所改变，或所采用的材料有变更，或制造工 艺有变化，或出厂试验结果与原来型式试验结果发生严重偏差时，就应该进行型 式试验。一般厂家为保证电机质量，还定期进行型式试验，因此电机型式试验是 产品质量保证体系中的重要环节。电机出厂试验是对将要出厂的电机所做的试验 ( 抽检或全检) ，它的试验要求没有型式试验严格，试验项目也没有型式试验多， 符合一般的性能要求即可以认为是合格的1 4 】i “。 电机定子铁芯作为电机的一个重要元件，它的性能的好坏与否对于电机性能 的影响也是非常大的。因此，在电机的制造过程中，应该在没有给电机定子绕制 线圈之前就该对电机铁芯进行磁性能测试，把不合格的铁芯挑出来，这样可以大 大节省劳力和成本，提高经济效益。在电机铁芯的磁特性测试过程中，我们主要 观测比铁损这个磁参数，因为如果铁芯的比铁损太大的话，对电机的运行性能影 响比较大。 因此，电机定子铁芯磁性能测试也可以作为电机型式试验和出产试验的一个 浙江人学硕学位论文第二章1 u 机铁芯磁性能测试系统的原理改i 十 组成部分。因为，如果铁损太大的话，在定子绕组中加励磁电流后会使定子发生 发热、振动和效率下降等现象，这些对电机的运行会产生不利的影响。因而，在 电机的生产过程中，应该及时对定子铁芯的磁性能进行测试，避免不合格的定子 影响了电机的质量。 近年来，微型计算机技术的迅速发展为自动测控系统开拓了新的思路和途 径。微机技术在电机性能测试中的应用主要有两个方面：一是用于控制：二是用 于数据采集和处理。前者有力地推动了电机测试装置的自动化和多功能化，操作 人员只要按动仪器面板上的功能键，仪器就可以在微机的控制下按程序自动进行 一系列的操作：后者可以用来进行数据的采集并对测量数据进行处理，并可以对 被测参数进行量纲转换和换算等【6 j 。 1 1 磁测量技术概述 1 1 1 磁测量及其发展 磁测量是一门历史悠久的技术科学。早在公元前三世纪，我们的祖先就已经 发现天热磁石可阱吸铁，随后又成功地把磁体的指向性用于罗盘上。然而，对磁 现象进行测量的历史不过二百年。1 7 8 5 年，法国人库仑发现电荷间和磁极问相 互作用力的库仑定律和磁库仑定律，揭开了磁测量历史的序幕。1 8 1 9 年l8 2 0 年奥斯特发现电流的磁效应以及安培等发现关于电流之间相互作用力的安培作 用力定律。1 8 3 1 年英国人法拉第发现关于变化磁通感生电动势的电磁感应定律， 表明电和磁是密切相关、相互转化、不可分割的统一体。1 8 6 4 年物理学家麦克 斯韦总结前人的成果，系统地从理论上总结出电磁相互作用、相互转化的普遍趣 律一一麦克斯韦电磁场理论，从而为磁测量奠定了理论基础。 磁测量的各种方法及其各种测试装置都是建立在与磁场有关的磁现象和物 理效应以及电工理论、电子技术、传感器技术等基础之上的。磁测量的主要内容 为：1 空间磁参数的测量，即测量与磁场有关的物理量。如磁感应强度b 、磁场 强度、磁通矽、磁势，等。2 磁性材料磁特性的测量，即磁性测量。分静态和 动态磁特性的测量，包括基本磁化曲线的测量、磁滞回线的测量、矫顽力与剩磁 的直接测量、磁性材料在交流磁场下的损耗测量、磁滞与涡流损耗的分开等。 随着现代科学技术的进步，磁测量技术有了很大的发展。新的科学理论的出 现、新的磁性材料的应用，发展了磁测量技术。特别是近几十年，由于计算机、 自动控制等技术的不断发展，磁测量技术也不断地得到更新和发展。同时，磁测 量技术还与不同的学科相结合形成了一些边缘科学，如地磁学、生物磁学、磁 法医疗等舯。 浙江人学坝l 学位论义 第一章l 钬芯磁性能测试系统的原理致汁 1 2 2 磁性测量技术 磁性测量主要是针对软磁材料的。软磁材料包括硅钢、电工用纯铁、铁镍合 金、铁铝合金等。这类材料的最大特点是矫顽力t t c 小( 一般h c n d q ) d t 。这样，在试验的时候，样品的重量尽可能取得轻 一些，使有较小的横截面积：激磁线圈要尽可能地少绕一些：样品初级回路中的 电阻和电感尽可能地大一些；所用的激励电源应有较高的输出阻抗，其输出电压 至少要比样品所需激磁电压高一百倍。并且与b 正弦的情形正好相反，在低频 下容易得到h 为正弦形【”。 2 、采用负反馈技术来保持磁感应强度召波形为正弦形 浙江大学硕卜学位论文第二帝l u 机铣，匕磁忡能测试系统的朦删设| 十 在一般情况下，上面介绍的方法基本上可以在软磁材料的磁化曲线膝点附近 的磁感应强度下保持b 波形为正弦形。随着向磁饱和的趋近，材料的磁导率猛 烈下降，激磁电流很快升高，这样，式( 2 - 1 ) 中的第项增加得很快，而第二项 由于b 已趋近饱和，故基本维持不变，保证四波形为正弦形的n a q ) d t i r 的 条件不再满足，波形明显畸变。另外，在有些情况下，样品的截面积不可能取得 很大，磁化线圈也因样品尺寸不能绕得很多，再则，绕很多线毕竟是件十分麻烦 的事情。而且匝数多了，传导电阻和线圈本身的电感也要升高，这样同样也不利 于保持占波形为正弦形。再加上试验条件所限，例如没有一台十分理想的交流 电源以适应不同场合的需要，所以必须寻求保持b 波形为正弦形的其他办法。 早先，有人想利用谐波电源来消除激磁电压中的高次谐波。其做法是把许多 不同频率的谐波电源串联在一起，例如5 0 赫兹是基波的话，则在电路中串入】5 0 ， 2 5 0 ，3 5 0 ，4 5 0 和5 5 0 赫兹等高次谐波电源，然后用基频激磁，再调节各个谐波 电源输出电压的相位和幅度，使样品上的激磁电压为正弦形，。显然，这样的方 法理论上是可行的，但是在实际应用中是行不通的。 较为实用的方法是把磁芯样品与交流电源组合在一起，形成负反馈闭环系 统，来保持b 波形为正弦形。具体的电路很多，原理性的如图2 - 3 所示。图2 - 3 ( a 1 代表r i b d r 反馈法，即把样品的次级感应电压通过放大器和移相电路直接接到交 流电源功率放大器的输入端进行负反馈控制波形的方法；图2 - 3 ( b ) 为b 反馈法， 即把次级感应电压积分得到磁感应强度b 的信号电压进行反馈的方法。至于何 时采用锄出反馈法，何时采用b 反馈，依赖于实际条件。一般讲，在样品截面 积比较大，线圈比较多，即磁芯线圈在整个频率中均呈电感性的话，所有的电路 元件均可设法调到0 。或1 8 0 。的相移，故多用d 8 西反馈法。 a ) d b d t 反馈泫b ) 跛馈泣 图2 - 3 保持b 波形为正弦形的两种原理示意图 但是这种闭环负反馈系统的实际构成是相当不容易的，因为任何实际电路都 不是理想的，反馈环中的某些参数设置的不当，负反馈就可能变成f 反馈，引起 电路自激振荡。另外，在一般的交流电源中，为了使输出稳定、失真度小，在电 压和功率放大电路中已经施加了足够深度的负反馈，若对电路不加任何改动，负 反馈电压己很难再加入。因此，如果把一般的交流电源改成可施加负反馈的测磁 浙江人学硕学位论文 第一帝l 也机铁芯替圭性能测试系统的燎删设计 用电源，必须降低原电路中的负反馈量，再把从被测样品次级线圈上的感应电压 经反馈电路送到原施加负反馈点即可。 而图2 - 3 ( b ) 所示的b 反馈法通常在低频和小样品时采用。这时，磁芯线圈的 电感很低，电路基本呈电阻性的状态，但当频率升高时，磁芯线圈不再呈纯的电 阻性，为此，在反馈电路中要加额外的移相器妒进行补偿。图2 - 3 ( b ) 中，样品次 级感应电压经积分得到磁通咖的信号，然后经放大器a 和移相器送到交流电源 电压和功率放大器的输入端以控制磁感应强度b 呈正弦形地变化。 事实上，对多数软磁材料，主要在低于几千赫兹的频率下要考虑b 波形为 正弦形的问题。这是因为在低的频率下，软磁材料有可能在接近饱和的磁感应强 度下工作，此时的铁损虽然较高，但是相对于高频下的数值来说还是很低的。所 以在软磁材料的实际使用中，要比较准确地测试低频高磁感应强度下的动态磁参 数。而在高频下，高磁感应强度下的铁损很大，无实用意义，故除了材料研究者 偶尔需要外，很少要求测量高频高磁感应强度下的动态磁参数l l j 。 3 、负反馈技术在电机铁芯磁性能测试系统中的应用 根据上文所述的原理，本实验室在研制电机铁芯磁性能测试系统的过程中， 针对磁测量中波形这一问题，专门研制了一个适用于此类动态磁性能测试的电 源。此测试电源的基本原理采用了将被测铁芯和交流电源组合在一起，形成 d b d t 负反馈闭环系统来保持磁感应强度b 波形为正弦形，箕具体的原理框图如 图2 4 所示。 图2 - 4d b d 2 负反馈闭环系统原理框图 此电路主要由正弦信号发生电路、功率放大电路、反相放大器和加法器等几 个部分构成。其中的正弦信号发生电路和功率放大电路组成了励磁电源，而反相 放大器和加法器组成了负反馈电路。由图2 4 可见，功率放大电路对电机铁芯上 的初级线圈励磁，被测铁芯次级线圈的感应电压e ，与d s d t 成正比关系，它先经 过反相敖大器放大，放大后的信号电压与从正弦发生电路输出电压信号一起送到 加法器的两个输入端，然后送到功率放大电路的输入端。 2 1 2 交流电源的自动稳幅原理 在有些应用场合，需要交流电源的输出电压具有足够高的稳定度和准确度 浙江人学f 哦 j 学位论义 第一帝f u 机钬芯_ ；f f 忡能测试系绩n 蟓胖碰汁 一般有两种基本的控制回路：一种是将输出电压锁定在一个直流给定电压上：另 一种将高稳定度信号源和高稳定度功率放大器都处于开环工作。 但是由于在后一种方法中，信号源产生的标准信号的幅度必须高度稳定，因 为它的任何波形都会百分之百地反应到输出端。同时对精密功率放大器也有严格 的要求，比如要具有足够的功率增益、良好的幅频特性和相频特性等。看起来虽 然后一种方法要比前一种方法要简单，但是对两个主要部分电路的要求更高，因 而具体实现起来要比前一种方法要更困难些。所以下面主要对前一种方法的原 理进行介绍。 1 基于负反馈技术的自动稳幅原理 此种方法的原理框图如图2 - 5 所示，下面以电压源为例进行说明。信号源发 出频率准确、稳定的标准电压信号，这个信号经乘法器和功率放大器后，向外输 出电压。输出电压圪在经过采样环节和精密整流后再送到减法器和积分器，去 控制乘法器的增益，从而构成个闭环负反馈系统，自动保持输出电压维持恒定 不变，并精确地受控于直流压控电压矿。 圈2 - 5 负反馈制动稳幅的原理框剀 该电路中的积分器实际上具有一下三个功能：差值减法器、构成无差电路和 对精密整流电路的输出信号起虑波作用。 对图进行拉氏变换，可以得到 堕茎! 竺k 一 m 。矗j s 互- - 8 2 百+ ( 0 2i - - 3 kk 磊s 2 ) l + j l 一 ，o ，1 式中，( j ) 、( s ) 一一输出电压、直流压控电压的拉氏变换； 足l 、丘、芷，一一乘法器、功率放大器和积分器的电压增益 矗一一采样环节的增益： ：一一精密整流器的增益。 根掘终值定理可以导出 浙江人学坝卜学位论文鹕二审1 u 村l 钛甚碱忡能测试系统的蟓则没汁 进一步又可以导出下式 v 匕2 赢 ( 2 3 ) 警：警一( 警+ 竽) ( 2 - 4 ) v ，v p、8 、$ ：。 从式( 2 - 2 ) 和式( 2 - 3 ) 不难看出，这是个无差系统，即输出电压圪严格 地跟踪( 或锁定) 在直流给定电压屹上，而与各个电压增益无关。进一步从式 ( 2 - 4 ) 又可以分析出，提高输出电压稳定度的措施是提高直流压控电压的稳定度 和反馈回路的稳定度。直流给定电压通常取自具有高稳定度的直流基准源或是 d a 转换器的输出，由于直流基准源的稳定度要比交流基准源高得多，达到1 0 5 很容易，所以输出电压的高稳定度是不难实现的。提高输出电压稳定度的令一个 措施是确保属、岛具有极高的稳定度，或在吃、崩和，之间实现温漂互补。 此方法的优点是输出电压的稳定度和信号源的稳定度基本无关，即信号源的 波动不会影响到输出电压的稳定度，因此该方法容易实现输出电压的高稳定度。 但是它在某些应用中有着突出的缺点，比如由于输出电压在采样环节之后、再经 过精密整流后变成直流，这样在转换中就会失去相位信息，即在反馈中丢失了输 出电压中的相位信息，因而对相位有要求时此方法就不适合【2 。 2 交流自动稳幅原理在本测试系统中的应用 在测试电机铁芯磁性能时，特别是在测铁芯的铁损时，是需在同一个幅值磁 感应强度日。下进行比较的。如果要使在测试同一种型号的电机铁芯的时候保持 幅值磁感应强度b 。始终为一个定值，假定为b 。，就必须要保证铁芯的次级感 应电压e ，也等于一个给定值e ，。，。 但是在实际测量的过程中，对某种型号的一个铁芯时已经调好使得 e ：。，= e 。，但在测同一种型号的另一个铁芯时，由于损耗功率的不同，可能e 。 不等于e ：。，需要重新调节初级的励磁电压，才能使e ：。= e 。显然这样每次 测一个定子铁芯就得重新调节初级的励磁电压，烦琐、速度慢，不能满足生产要 求。因此就要求此测试电源能满足在测同一电机铁芯磁性能时能调节次级线圈电 压，在测同种型号的不同铁芯时能自动稳定次级感应电压的幅值。 故从电机铁芯磁性能测试自动化的要求出发，将交流自动稳幅的原理应用到 电机铁芯磁性能测试中来，但是在这儿，要对铁芯上的次级线圈的感应电压的幅 值进行自动调节。其实现的原理框图如图2 - 6 所示。它主要由电压检测、精密整 流、减法器和p i 调节等几个部分组成。此反馈环的作用主要是实现次级感应电 压幅值的自动调节，满足在测同种型号的不同铁芯的测试自动化的要求。 浙江夫学硕j 学位论文第一二市电机铁甚磁件能测试系统的隙理设计 图2 6 交流自动调节次级电压的原理框图 2 2 系统磁参数测量方法的确定 对于软磁材料的磁参数进行测量一般有以下几种情况：一是磁性材料研究人 员通过测量材料动态磁性能的方法来探索各种工艺因数对磁性材料性能的影响； 二是磁性器件设计人员需要知道软磁材料在实际使用条件下的磁性能，只有这样 刁能设计出性能优良，重量、体积合适，成本低廉的磁性器件；最后一类就是在 一些磁性元器件( 比如定子铁芯、变压器铁芯等) 的生产过程中进行元器件合格 与否的测试中需要记性磁性能的测量。 上面三种情况中，第一类磁测试中需要测量的磁参数比较多，而且对于测试 的条件的要求也比较严格：第二类磁测试中与第一类相比，需要测量的磁参数要 少一些，因为此类磁测试只需要测量在某些具体使用条件下的磁参数就可以了； 而对于第三类磁测试，只需要根据实际的具体要求来确定所需要的磁参数就可以 了，同时，也没有必要像前面两种情况那样重视测试的条件，因为在此类测试中 的被测样品的外形尺寸、测试所用的仪器仪表基本相同，此种情况下只需根据实 际条件，规定一个合格点就可以进行对比性的测量。 本实验室所研制的电机铁芯磁性能测试系统主要是通过测试电机铁芯的磁 性能来判断定子铁芯是否合格。因为电机铁芯正常工作一般都是在交流条件_ f 运 行的，因此在电机铁芯磁性能测试中，主要是测量在交流磁化条件下的磁参数， 比如交流磁滞回线、交流磁化曲线和铁损等，而这些磁参数正是衡量个电机铁 芯磁性能好坏与否的重要参数。下面就对这些磁参数的测量方法进行介绍，然后 确定本测试系统中的磁参数的测量方法。 2 2 1 交流磁滞回线的测量方法 在交流磁化条件下，磁场强度h 和磁感应强度b 的关系曲线称为交流回线， 亦称交流磁滞回线。另外，出于受到了静态磁滞回线参数的影响，在软磁材料的 研究和使用中，还广泛流行着交流矫顽力、交流剩磁和幅值磁感应强度等交流回 线参数的概念，并用它们来同静态磁滞回线参数，例如矫顽力、剩磁和基本磁感 浙江人学硕 。学位论立 第二章电机铁芯磁州能测试系统的麒理设h 应强度日等相比较，以判别软磁材料性能的好坏。但是，在相当大的程度上， 这些定义只是对静态磁参数的一种形式上的仿照，它们并没有像静态磁滞回线参 数那么大的使用价值和确切的含义。 测量交流磁滞回线的方法很多，经常使用的有示波器法、铁磁仪法和采样法 等几种。但是这么多的测试方法的基本原理都是一样的，即都是在感应法原理的 基础上进行的。 示波器法使用于比较性的测量。它由初级线圈中的磁化电流得到磁场强度、 由次级线圈的感应电压通过积分器还原成磁感应强度，然后两者分别送到示波器 的两个通道，这样示波器的荧光屏上显示交流磁滞回线。因此，示波器法虽有简 单、可靠等优点，但是其读数的误差较大。 铁磁仪法有时也称之为矢量计法，它是把电工测量中通过相敏整流而测出电 压和电流的瞬时值和相位的方法应用于磁性测量而建立起来的一种交流磁滞回 线测量的方法，在交变磁场中，次级线圈的感应电势为： 印) - - 邺等 s ， 在t ，+ r 2 半个周期内，感应电势e ( f ) 的算术平均值为： u 2 。享j 2e (t)dt(2-6) 将式( 2 - 5 ) 代入上式中，经计算可得 u 2 = 2 n 2 s f b ( r ) 一b ( t + ) 】 ( 2 - 7 ) 而在交流磁化条件下，b f 曲线是周期反对称的，即有b ( t + ；) = 一b ( f ) ， 将此式代入式( 2 7 ) ，可得b 的瞬时值： 烈o 2 蒜 培 由上式可知，用平均值电压表测得被测样品次级线圈上感应电压的平均值 玩，便可由已知的频率、次级线圈的匝数n ，和样品磁路的横截面积s 等就可 咀算出被测样品的瞬时磁感应强度b 0 ) 的数值。 同样道理，磁场强度在，时刻的瞬时值h ( t ) 也可用上述的方法，即由励磁回 路上的互感器m 的次级线圈测得的t r + r 2 半个周期内感应电势的算术平均值 玩，得到h ( t ) 的计算表达式为 即) = 等玩 ( 2 _ 。) 式中，f 为被测样品磁路的平均长度，为初级线圈的匝数，为励磁频率和m 为标准互感器的互感量。 浙江大学颂l 学位论文第二章l 毡机钦芯碰件能测试系统的燎删设| + 于是通过式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 便可以得到交流磁滞回线。 采样法其实与示波器法类似，只是当得到正比于b 和圩的电压信号后，通 过个采样脉冲发生器、采样门电路等组成的采样变换装置再输入到显示屏。此 方法的关键在于把高速变化的信号转换成波形相同的慢速变化的信号，因此比较 适合测试在高频交流励磁下的交流磁滞回线f l 】【8 1 。 2 2 2 交流磁化曲线的测量方法 所谓交流磁化曲线，就是在周期对称磁化条件下，磁感应强度的幅值t 3 。，和磁 场强度幅值日。之间的关系曲线。它的测量，常 用如图2 7 所示的伏安法原理进行。图中，矿，为 磁通电压表；一为交流安培表。测量时，将励磁 电压加到预定的数值，读出对应的磁化电流和次 级线圈的感应电压，改变励磁电压，就可以得到 一系列的磁化电流和对应的次级线圈感应电压， 固2 - 7 伏安法原理圈 这样就a 以得至0 条伏安特性曲线。然后根据式和式就可以换算到交流磁化曲 线。 从磁通电压表y ，和交流安培表爿分别读出次级线圈感应电压u ，和磁化电 流，卅则有 以：华l ( 2 _ 1 0 ) b 。= 丽u 2 。 伏安法测量比较适合工业磁性测量，但并不适合作为测量软磁材料标准样品 交流磁化曲线的方法。现在，也发展了一些新的月，b 。，测量方法，比如互感器 法、电阻采样法等，但是它们的基本原理仍然是伏安法。在这些测量方法中，幅 值磁感应强度b ，的测量方法是完全相同的，唯一的差别在于测量幅值磁场强度 日。的方法不同，亦即磁化电流。的测量方法不同。 2 2 3 铁损的测量方法 铁损是值在交变磁化条件下，每磁化一周软磁材料所消耗的能量与磁化频率 厂的乘积。铁损按作用机理的不同可以分为磁滞、涡流和后效损耗三大部分。单 位质量的铁损，称之为比铁损。比铁损是软磁材料动态磁性能的主要参数，是衡 量软磁材料性能好坏的主要指标。因此，对比铁损的测量方法的研究非常广泛， 比如瓦特计法、电桥法、回线仪法等。 其中的回线仪法的原理比较简单、实现起来比较容易，比较适合工业磁性测 浙江人学硕十学位论文 第一帝i u 机铁芯磁性能删试系统的埭删改| + 量中对比铁损的测量，但是由于从交流磁滞回线计算得到的比铁损的误差较大， 因此不适合于对测量结果的准确度要求比较高的场合。下面对回线仪法的原理进 行简单的介绍。 因为，单位体积的被测磁性材料样品在磁化一周中所消耗的能量等于交流磁 滞回线的面积，现在假设回线的面积为a ，厘米2 ，h 坐标轴每厘米代表片。安米， b 坐标轴每厘米代表挽特斯拉，则在一个周期中被测样品所消耗的能量缈为 w = a ，b o h o ( 2 1 2 ) 的单位为焦耳( 米3 赫兹) 。如果要把它换算成单位质量的铁损即比铁损p 。， 只需要将乘以磁化频率厂，然后再除以被测样品的密度p 。即可： p 2 一f b o h o s p 。 ( 2 - 13 ) 式中的p l ，的单位为瓦特千克【1 】。 以前，回线面积4 一般用求积仪或在坐标纸上数格子的方式求得，近年来， 随着微型计算机技术的发展，它一般通过微机的计算功能来获取。 2 2 4 系统中的磁参数测量方法的确定 本测试系统的测试对象是电机铁芯，它是一种磁性器件，外形尺寸都是固定 的，而且在测试时只需要对电机铁芯进行合格与不合格的检验就可以了。因此， 对于此类磁性测量只要在相同的测试条件下( 比如采用相同的测试仪器等) ，根 据实际的要求，选定个主要磁参数，然后规定好合格点，就可以进行对比性的 测量了。 而衡量一个电机铁芯性能好坏与否的最重要的参数是比铁损，此外交流磁化 曲线、交流矫顽力、交流剩余磁感应强度和交流磁滞回线等也是反映电机铁芯磁 性能好坏的重要参数。这些参数测量中，最重要的是对电机铁芯比铁损的测量， 因而首先确定比铁损的测量方法。 在本测试系统中，我们从电机铁芯测试的实际要求出发，采用了交流回线仪 法。从前面的介绍知道通过交流回线的面积来计算比铁损的方法虽然具有一定的 误差，但具有原理简单、易于实现等优点。其他的参数比如交流矫顽力、幅值磁 感应强度等参数都可以通过交流磁滞回线来确定的：而交流磁化曲线是个交流磁 滞回线的项点( 日。，b 。) 的轨迹，因而只要改变励磁电流，得到一组( 片。b 。，) 的数 据便可以绘出。 因此，在电机铁芯磁性测试中，最为重要的就是如何获得交流磁滞回线，而 其他的磁参数都可以通过交流磁滞回线得到。在这儿，本系统采用了示波器法来 测量磁滞回线，因它具有简单可靠的优点，只不过，对磁滞回线的显示是由上位 机来实现的。 新江大学颂。i 学位论文第二帝l 也帆钱芯碰忡能测试系统的腺剧i 5 十 2 3 测试系统的磁参数计算 本测试系统中的所需要测的磁参数主要包括交流磁滞回线及其回线参数( 幅 值磁感应强度如、幅值磁场强度阮，、交流剩余磁感应强度b 。交流矫顽力也。 等) 、交流磁化曲线和比铁损等。 由前面的分析可以知道，这些磁参数归根结底都可以出磁感应强度b 和磁 场强度日这两个量得到。对于这两个参数的测量的示意图如图2 7 所示，其中的 回线参数可以直接从交流磁滞回线上得到，交流磁化曲线其实就是各个交流磁滞 回线的顶点( 风、风) 的轨迹，但是铁损大小是通过计算交流磁滞回线的面积 来得到的。因此这些磁参数中，只须对磁场强度日、磁感应强度b 和比铁损这三 卜主要参数的计算方法进行推导就可以了。 2 3 1 磁场强度的测量 如图所示，在电机铁芯上所绕的初级线圈中通以正弦交变电流i ，则根据安 培环路定律可以得到电机铁芯中的磁场强度为： h ：掣( a 朋) 协1 4 ) l o 式中，n 。为初级线圈的匝数、f 。为磁路的长度，i ，为初级线圈中旮勺电流。 由于电机铁芯是环形的，因此磁路的长度f 0 可以近似地用式f o = 硒计算得 到，式中的五为电机定子铁芯的平均直径，则上面的式子可以改为 h ：冬( a m ) ( 2 小) 加。 式中的n ，、西和均为常数，因此磁场强度h 可以由f ，来确定。 如果将式中的f ，用它的幅值，。来代替，便可得到幅值磁场强度。，的计算公 式为 也= 等k m ) ( 2 - 1 6 ) 2 3 2 磁感应强度口的计算 因为变化的磁场强度片将产生变化的磁感应强度b ，因而将在次级线圈中产 生感生电动势为 9 2 = ：塑= ：s 塑( 2 - 1 75 dtd t 则磁感应强度为 浙江大学顿卜学位论文 第一章, l 蠊jl 铁芯磁忡能测试系统n 勺蟓删吐汁 b = 熹卜：d t ( r ) ( 2 _ 】8 ) ，s j 、7 式中，e ：为次级线圈中的感应电压、n ：为次