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閱讀：98發(fā)布時間：2025-12-24
周新華 鄒學(xué)良 舒子奇
1.引言
電工鋼是最重要的軟磁材料之一，也是我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要原材料產(chǎn)品，因工藝技術(shù)復(fù)雜，生產(chǎn)難度大，被譽(yù)為鋼鐵產(chǎn)品中的工藝品，它具有鐵損低、磁感高以及節(jié)能降耗等特點(diǎn)，使其廣泛地用于變壓器、電機(jī)鐵芯的制造。其產(chǎn)品的鐵損值是電工鋼內(nèi)在性能的重要指標(biāo)，它的變化閾值的大小決定了電工鋼牌號的判級，同時也直接影響到變壓器或電機(jī)設(shè)計的功率損耗，因此測量鐵損值是電工鋼檢測的重要指標(biāo)。目前，檢測電工鋼鐵損的常用方法包括:愛潑斯坦方圈法、單片磁導(dǎo)計法、環(huán)樣法及在線測量法等。前三者分別是 IEC60404-2、IEC60404-3、IEC60404-6:2009中所描述的測量方法，在線檢測法目前仍沒有相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)，但已廣泛應(yīng)用于電工鋼廠家的生產(chǎn)線上，為企業(yè)在生產(chǎn)過程中，通過在線檢測、掌握質(zhì)量變化，提供了全新的、可靠的檢測手段。
2.現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法
檢測電工鋼的重點(diǎn)是測量其損耗等交流磁參量，現(xiàn)有的交流標(biāo)準(zhǔn)檢測方法包括:方圈法、單片法、環(huán)樣法等，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如表 1 所示。
方圈法和單片法是目前檢測電工鋼片磁性能的標(biāo)準(zhǔn)方法，分別需要使用愛潑斯坦方圈和單片磁導(dǎo)計作為磁化裝置，兩種方法的有效磁路長度 Le 均為約定值，均一定程度地偏離真實(shí)值，在測量時會引入誤差，尤其在高磁感情況下，產(chǎn)生的偏差更甚。環(huán)樣法的有效磁路長度 Le 雖接近于真實(shí)值，但制樣過程過于復(fù)雜。這三種方法所得的數(shù)據(jù)僅對當(dāng)前樣品有效，并不能代表整卷電工鋼的磁性能，有抽樣測量的風(fēng)險，僅適用于產(chǎn)品抽檢和數(shù)據(jù)比對。除此之外，以上方法均存在測量前須處理應(yīng)力，對鋼帶剪切加工造成材料的浪費(fèi)以及難以自動測量等問題。各種形狀的電工鋼樣品見圖 1。
3.電工鋼帶鐵損在線檢測儀
3.1 功能特點(diǎn)
上文提到的檢測方法的問題是不能反映整卷電工鋼的磁性能，有抽樣測量的風(fēng)險，僅適用于產(chǎn)品抽檢和數(shù)據(jù)比對。為滿足鋼廠想掌握所有產(chǎn)品磁性能的需求，儀器制造商研制了在線鐵損檢測儀。典型電工鋼帶鐵損在線測量裝置見圖 2。
電工鋼在線鐵損檢測儀可對損耗的某一個點(diǎn)，或磁感的某一個數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測，并將長度 L 與損耗對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)整卷鋼帶的鐵損檢測，分析其波動情況及一致性，避免抽樣檢測的失敗率。除此之外，在線檢測儀還具有無須制樣過程、避免材料浪費(fèi)和應(yīng)力影響、可全自動測量等優(yōu)點(diǎn)。與標(biāo)準(zhǔn)檢測方法相比，在線檢測儀的主要差異在于:被測樣品的動態(tài)變化、開磁路測量方式以及工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用環(huán)境等。
1)運(yùn)行中的電工鋼帶其厚度不斷變化，需實(shí)時測量厚度信號反饋至主控制單元，勵磁電源應(yīng)能實(shí)時響應(yīng)厚度變化而調(diào)整磁化電流，以鎖定磁通密度 B 測量損耗。
2)其次，運(yùn)行中的電工鋼帶處于開磁路測量狀態(tài)，有效磁路長度處于動態(tài)變化中，這將直接影響鐵損測量的準(zhǔn)確度和重復(fù)性。
3)電工鋼生產(chǎn)的現(xiàn)場環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜:存在大量的鐵磁物質(zhì)，連同地磁場會形成一個復(fù)雜的磁場干擾環(huán)境，溫度、張力、卷帶跑偏量均會對鐵損測量產(chǎn)生影響。
3.2 系統(tǒng)組成
電工鋼帶鐵損在線測量系統(tǒng)組成如圖 3 所示。
1)主控制系統(tǒng)，包含勵磁電源、磁測量裝置、相關(guān)信號處理單元、計算機(jī)及系統(tǒng)軟件等組成。土控系統(tǒng)采集所有信號進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)化為磁場強(qiáng)度、磁通密度、鐵損等測量結(jié)果，對損耗的某一個點(diǎn)，或磁感的某一個數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測。
2)測量線框，磁化線圈、感應(yīng)線圈等組成。
3)測厚儀、張力計，分別采集運(yùn)行中電工鋼帶的厚度、張力并將其傳輸至主控制單元，以修正測量結(jié)果。
4)測速器，通常采用光電旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行反饋數(shù)據(jù)，用于測量電工鋼帶運(yùn)行時的速度，結(jié)合測厚儀測量的厚度值，計算電工鋼帶的質(zhì)量。
5)標(biāo)準(zhǔn)愛潑斯坦方圈，用于日常核查損耗、磁場強(qiáng)度、磁通密度的準(zhǔn)確性。
3.3 基本原理
電工鋼帶在線鐵損的測量技術(shù)從單片法發(fā)展而來，二者均需要將被測樣品置于具有一定磁化場、封閉的磁導(dǎo)計中。不同的是，單片法僅測量面積固定的大單片電工鋼，而在線法測量的是具有一定運(yùn)行速度的電工鋼帶的連續(xù)損耗(圖 4)。
1)在線檢測儀的磁導(dǎo)計中包含初級線圈，磁化電源對初級線圈勵磁，產(chǎn)生一定的磁化場，當(dāng)電工鋼帶連續(xù)地通過磁導(dǎo)計，初級線圈也不間斷地對鋼帶進(jìn)行勵磁。
2)測量比總損耗根據(jù)如下公式:
P 為功率表測量的功率；N1 為初級繞組匝數(shù)，N2 為次級繞組匝數(shù)；Ri 為次級回路中儀表的總電阻；U2 為次級回路的感應(yīng)電壓；m 為被測某段鋼帶的質(zhì)量；L 為試樣的長度；Lm 為約定的磁路長度。
3)計算而得到的數(shù)據(jù)僅為一個點(diǎn)的鐵損值，生產(chǎn)線上的電工鋼帶不斷運(yùn)行，磁化一測量的周期循環(huán)往復(fù)，最終得到 N 個點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)。將 N 個測量點(diǎn)的鐵損值與電工鋼帶的長度 L 對應(yīng)，可繪制 P-L 損耗與長度關(guān)系曲線，通過觀察 P-L 曲線，可了解整張電工鋼帶的鐵損波動情況；而測量點(diǎn)的多少，體現(xiàn)了損耗在長度上的解析度，這取決于電工鋼帶的運(yùn)行速度以及儀器響應(yīng)速度，解析度越高，越能良好反映整張電工鋼帶的損耗水平。
3.4 主要應(yīng)用
目前主流的在線鐵損測試儀，可對 P1.0-P1.7 的某個點(diǎn)的損耗值，或者是 B8、B10 某點(diǎn)的磁感值進(jìn)行在線監(jiān)控，并能生成磁滯回線、P-L 損耗與長度關(guān)系曲線、δ-L 厚度與長度關(guān)系等曲線。
對于鋼廠而言，在線鐵損檢測儀是質(zhì)量控制的重要手段。一方面，可通過查看 P-L 曲線，了解整卷電工鋼帶的鐵損，分析其波動情況及一致性，對所有鋼卷的性能進(jìn)行有效評價，同時也適用于對高牌號電工鋼的篩選；另一方面，通過查看 δ-L 曲線，也可以了解自身生產(chǎn)工藝水平。
對于電工鋼使用單位，如變壓器、電機(jī)制造商來說，在線鐵損檢測儀是一種有效、快速進(jìn)行來料質(zhì)檢的手段，區(qū)別于以往使用方圈法和單片法進(jìn)行抽樣檢測而言，在線檢測可對所有鋼卷進(jìn)行品質(zhì)檢測，避免了抽樣檢測的失敗率。
3.5 發(fā)展
1)磁場線圈法(H-Coil 法)的應(yīng)用
目前國際主要的硅鋼檢測儀器生產(chǎn)廠家均使用電流法(M.C)，即根據(jù) H=N×I/L 公式計算磁場強(qiáng)度值，但有效磁路長度 Le 的真實(shí)值是隨著電工鋼磁性能的變化而改變，不同牌號的材料使用相同的方圈或磁導(dǎo)計，其 Le 值也不盡相同。而在線鐵損測量，屬于開磁路測量，很難精確計算其有效長度值。而采用愛潑斯坦方圈測量儀器進(jìn)行溯源亦是一件復(fù)雜的事。
針對 M.C 法的弊端，可使用磁場線圈法來解決。即在測量線框貼近電工鋼帶的位置，增加 H 線圈對磁場強(qiáng)度進(jìn)行直接實(shí)時測量，可避免電流法因磁路長度難以預(yù)設(shè)而帶來的難題，大大提高鐵損測量的準(zhǔn)確度；同時也不再需要愛潑斯坦方圈或單片磁導(dǎo)計對裝置進(jìn)行校準(zhǔn)(圖 5)。
但此方法的難點(diǎn)在于被測信號太小，而外磁場和地磁場的干擾過大導(dǎo)致被測信號常淹沒于噪聲之中，測量儀器難以從中抽取真實(shí)信號。隨著電子元器件性能的提高以及儀器儀表行業(yè)的發(fā)展，準(zhǔn)確測量微小信號的難題也得到解決，使得采用磁場線圈法來測量磁場強(qiáng)度成為可能。
2)電源的實(shí)時響應(yīng)性。
由于電工鋼帶的厚度是波動的，厚度波動 1%，比總損耗會波動 2%，故磁化電源須根據(jù)厚度變化實(shí)時變換輸出電流才能鎖定 J=1.7T。
目前，電工鋼帶運(yùn)行速度達(dá) 300m/min，若要求鐵損在長度上的解析度為 0.2m;采樣周期 T 為 40ms，故在選擇磁化電源時，其響應(yīng)時間應(yīng)遠(yuǎn)小于采樣周期 T。
3)面掃描測厚
鋼帶橫截面積 A=W×δ(W 為寬度，δ為厚度)，目前的測厚儀僅測量一個點(diǎn)的厚度，來代表一個面的厚度仍會帶來誤差，為了避免厚度信號引入的測量誤差，需通過面掃描的方式來實(shí)現(xiàn)(圖 6)。
4)靜態(tài)外磁場的主動補(bǔ)償
在線測量的現(xiàn)場，存在大量的鐵磁物質(zhì)，連同地磁場會形成一個復(fù)雜的磁場干擾環(huán)境，其對測量結(jié)果的影響不能忽略。因此需增加額外的靜態(tài)磁場補(bǔ)償線圈，通過土動可調(diào)節(jié)的恒流源勵磁，實(shí)時反饋從而去除外磁場的干擾。
5)大數(shù)據(jù)分析
在線測量涉及大量的數(shù)據(jù)計算處理。反映整張電工鋼帶鐵損的真實(shí)波動，需要損耗在長度上具有良好的解析度，而目前電工鋼在線運(yùn)行的速度為 300m/min，1s 即 5m 的長度，在如此快的速度上需要主控單元具有良好的數(shù)據(jù)處理能力和響應(yīng)速度。此外運(yùn)行中的電工鋼帶還受溫度、張力、橫向移動、高度方向振動、外磁場/地磁場等因素的影響，需要實(shí)時監(jiān)控這些干擾因素，并對測量的損耗值進(jìn)行修正，這對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力有進(jìn)一步的要求。
測量儀器可選用高性能的元器件，增大存儲空間和優(yōu)化軟件的算法來提升數(shù)據(jù)處理能力，使得 H-Coil 法不需要通過方圈或磁導(dǎo)計進(jìn)行比對，也能具有較高的測量準(zhǔn)確度。
6)數(shù)據(jù)安全
早期設(shè)備受限于存儲技術(shù)，測量數(shù)據(jù)僅存儲于上位機(jī)中，而工業(yè)現(xiàn)場惡劣的使用環(huán)境如高溫、
電磁干擾等易導(dǎo)致上位機(jī)異常等使數(shù)據(jù)丟失。為防止此類事情發(fā)生，的解決方案是在下位機(jī)中增加大容量存儲器，作為臨時存儲(至少可保存 60min 數(shù)據(jù))，同時增加 UPS 電源防止突然掉電；而上位機(jī)采取雙機(jī)熱備的方式，并使用大容量硬盤，即能保存數(shù)月的數(shù)據(jù)，又可保證測量數(shù)據(jù)的安全。
4. 電工鋼整卷在線鐵損自動測試
上文描述的在線鐵損測量，針對的是在生產(chǎn)線上運(yùn)行的整張電工鋼帶，而高牌號的電工鋼是通過測量手段精選而來，其性能是否達(dá)標(biāo)，可通過測量整卷電工鋼的平均磁感和損耗，進(jìn)一步地對精選后的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量把關(guān)，因此電工鋼整卷在線鐵損自動測試系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。圖 7 將整卷電工鋼視為一個大型的環(huán)形鐵芯，使用初級線圈勵磁和次級線圈測量磁感，可得到整卷電工鋼的平均磁感值和損耗值，為變壓器、電機(jī)等電工鋼應(yīng)用單位的產(chǎn)品設(shè)計的參數(shù)導(dǎo)入，提供了一種有效的手段。
1)主控制系統(tǒng)，包含勵磁電源、磁測量裝置、相關(guān)信號處理單元、計算機(jī)及系統(tǒng)軟件等組成。
主控系統(tǒng)采集所有信號進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)化為磁場強(qiáng)度、磁通密度、鐵損等測量結(jié)果。
2)大型測試夾具，內(nèi)置單匝勵磁線圈，通過勵磁電流 I 對鐵芯進(jìn)行勵磁；并配有單匝感應(yīng)線圈，以測量鐵芯的感應(yīng)電壓 U，通過 U 和 I 來計算鐵芯的損耗。勵磁線圈上半部分可通過電機(jī)控制上下移動(圖 7)。
3)傳動機(jī)構(gòu)，測試前，將待測的整卷電工鋼移動至測試位。測試完成后，將電工鋼卷移走，并傳入下一卷待測鋼卷。
5. 結(jié)語
本文介紹了幾種電工鋼磁特性的方法:運(yùn)行中電工鋼帶的在線鐵損測量裝置可獲取電工鋼任意位置的鐵損；電工鋼整卷在線鐵損自動測試系統(tǒng)可用于核查特定鋼卷的平均損耗；而離線測量(方圈法、單片法、環(huán)樣法)適用于對電工鋼進(jìn)行抽檢，對電工鋼的所有磁性能進(jìn)行出廠檢驗(yàn)。這幾種測量方法可互相搭配，形成有效且全面的產(chǎn)品質(zhì)量控制與保障手段，有利于電工鋼生產(chǎn)企業(yè)向用戶提供可靠的產(chǎn)品和提升企業(yè)的核心競爭力。
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