УДК 620.179.14
ИНДУКЦИОННЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ В ДВИЖУЩЕЙСЯ ЛЕНТЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ
В.Ф. Тиунов
Предложена конструкция накладного датчика с магнитопроводом из аморфной ленты для измерения магнитных потерь в отдельных участках ленты электротехнической стали и исследованы особенности его работы.
Одним из важнейших показателей качества электротехнической стали, применяемой для изготовления магнитопроводов трансформаторов и других электрических машин, является величина ее удельных магнитных потерь. В настоящее время, как и ранее, ведутся исследования, связанные с оптимизацией кристаллографической текстуры образцов, разработкой магнитоактивных покрытий, выбором химического состава электротехнической стали и т. д., направленные на снижение указанных потерь. Одним из способов уменьшения потерь, имеющим не только лабораторное, но и промышленное применение, является дополнительная лазерная обработка поверхности уже готового листа трансформаторной стали (см., напр., [1]). При указанной обработке на поверхности листа образуются структурные барьеры в виде узких протяженных участков, отличающихся от основного материала по химическому составу, текстуре, характеру распределения упругих напряжений [2]. На этих структурных барьерах возникают свободные магнитные заряды, приводящие к появлению замыкающих доменов, которые в процессе перемагничивания прорастают в новые полосовые домены, что и приводит к дроблению исходной доменной структуры. Последнее, в свою очередь, способствует снижению вихретоковых потерь материала, доля которых в анизотропной стали составляет 50—70 % от величины полных [3]. При этом уровень гистерезисных потерь практически не меняется [4]. Однако указанная обработка сопровождается ростом неоднородности смещения доменных границ, приводящей к снижению эффекта уменьшения вихретоковых потерь. Это отмечалось, например, в работе [5], в которой показано, что после лазерной обработки поверхности электротехнической стали увеличение числа доменных границ в 3 раза приводило к снижению магнитных потерь всего лишь на 10—15 %, а не соответственно в 3 раза. Такое расхождение авторы связывают с небольшим увеличением магнитоактивных границ после проведенной обработки, что свидетельствует о задержке некоторых из них на отдельных областях локально обработанных участков. Существенный рост неоднородности смещения доменных границ непосредственно наблюдался также в работе [6] на монокристалле Ре — 3 % после нанесения локально деформированных зон (то есть как и при лазерной обработке), создаваемых путем искусственного царапания его поверхности стальным шариком.
Таким образом, очевидно, что для максимального снижения уровня магнитных потерь при лазерной обработке ее режимы (частота посылки импульсов лазера, их скважность, мощность и т. д.) должны быть строго оптимальными. Для реализации этих оптимальных условий необходимо проведение непрерывного контроля их значений в процессе обработки поверхности листа электротехнической стали, что, в свою очередь, требует обеспечения постоянного контроля магнитных характеристик обрабатываемого материала.
Исходя из этого, в данной работе предпринята попытка разработки датчика для непрерывного измерения величины магнитных потерь движущейся ленты трансформаторной стали.
Для определения потерь в полосовых образцах электротехнической стали в настоящее время наиболее широко используются пермеаметры — устройства, состоящие из измерительной катушки, намотанной непосредственно на образец и намагничивающей, располагающейся поверх первой, а также пары замыкающих ярем (рис. 1). Исследуемый образец помещается внутри указанных катушек, а его концы с обеих сторон замыкаются ярмами с целью уменьшения полей рассеяния на указанных участках образца. Подобного рода датчик мало пригоден для решения задачи, поставленной в настоящей работе, поскольку при его использовании практически невозможно обеспечить отсутствие воздушного зазора между лентой и замыкающими ярмами или по крайней мере, сохранить его постоянство при движении ленты в процессе ее обработки. Наличие воздушного зазора, как известно, приводит к весьма большой погрешности измерений, а его непостоянство при измерениях делает проведение последних практически невозможным.
3 2 1
Рис. 1. Схема пермеаметра для измерения магнитных потерь:
/ — измерительная катушка; 2 — намагничивающая катушка; 3 ■— образец; 4 — замыкающие ярма.
4
Однако для калибровки показаний измерительного датчика, который предполагалось разработать, в настоящей работе был изготовлен небольшой пермеаметр длиной 25 мм, с помощью которого были измерены полные магнитные потери по всей длине ряда стандартных эпштейновских полос длиной 500 мм. Величина потерь регистрировалась электронным ваттметром типа Ф530. Все измерения проводились при синусоидальном изменении индукции. Максимальная погрешность измерений составляла порядка 6 %. Оказалось, что потери в различных участках некоторых из исследованных полос весьма заметно отличались друг от друга. На рис. 2 в качестве примера, приведены относительные изменения удельных потерь Р [Вт/кг], измеренные на одной из таких полос. Здесь Рп — их значение, определенное в «-участке полосы, а Рс — их средняя величина для всей полосы. Из рисунка видно, например, что на 4-м участке величина потерь меньше их среднего значения почти на 15 %, в то время как на другом участке б, величина его потерь, напротив, превышает среднее значение на 25 %. Аналогичное изменение потерь наблюдается, как видно из рисунка, и на других участках полосы. Подобная неоднородность распределения потерь, превышающая ошибку их измерения, проявлялась на всех исследованных полосах. Отмеченная неоднородность может быть обусловлена в первую очередь различной разориентацией оси легчайшего намагничивания кристаллитов исследованных участков относительно направления прокатки полосы, ее разнотолщинностью, неоднородностью химического состава и т. д. Детально этот вопрос будет обсуждаться ниже.
Проведенный в работе анализ показал, что датчик для непрерывного измерения потерь в движущейся полосе электротехнической стали наи-
более просто может быть выполнен в виде приставного П-образного электромагнита. Его конструкция приведена на рис. 3. Сердечник одного из подобных датчиков был набран из листовой электротехнической стали марки 3412 толщиной 0,30 мм. Масса магнитопровода составляла 8,0 г. После проклейки сердечника его торцы тщательно шлифовались и полировались с помощью алмазных паст, а на центральную часть были намотаны измерительная и намагничивающая катушки. С использованием указанного датчика и ваттметра Ф530 были проведены измерения потерь в различных участках исследованных эпштейновских полос. Оказалось,
130 120
о.
100
а.
80
2
4
6
8
10
12
14
16
18 п
Рис. 2. Относительное изменение полных магнитных потерь по длине эп-штейновской полосы электротехнической стали при/= 50 Гц и Вт = 1,5 Тл (подробности в тексте):
х—х — величина потерь, измеренная в пермюаметре; • — • — их значение, определенное накладным датчиком.
что между значениями потерь, определенных ранее с помощью небольшого пермеаметра (см. рис. 2), и их величиной, измеренной с помощью накладного датчика, отсутствовала сколько-нибудь значимая корреляция, — величина магнитных потерь, полученная с помощью накладного датчика в различных участках ранее исследованных полос, практически
не менялась. Такую "нечувствительность" датчика можно объяснить тем, что в магнитной цепи, приведенной на рис. 3, измеренные суммарные магнитные потери С1У) будут равны
IУ = ]У+\¥=Рт+Рт, (1)
м п м м п п' 4 '
где Ры, тм — удельные магнитные потери и масса магнитопровода; Р , тп — удельные магнитные потери и масса измеряемого участка эп-штейновской полосы. Поскольку Рм ~ Рп, а масса магнитопровода тм превышала массу измеряемого участка тп почти в 5 раз, то показания ваттметра будут равны IV ~ Рытм, иными словами, рассматриваемый датчик из-за больших суммарных потерь его магнитопровода не чувствителен к вариациям изменения потерь по длине исследованных эпштейновских полос.
Для преодоления указанного затруднения в работе был изготовлен другой датчик, по конструкции аналогичный изображенному на рис. 3, но с магнитопроводом, выполненным из аморфной ленты Ре80—шириной 30 мм и толщиной 20 мкм. Сердечник набирался из 10 пол ос,"проклеенных между собой и выгнутых на круглой оправке диаметром 25 мм, его масса составляла 1,6 г. После горячей сушки торцы магнитопровода тщательно шлифовались алмазными пастами на притирочной плите, а затем на сердечник равномерно наматывались измерительная и намагничивающая обмотки. С помощью указанного датчика и с использованием ваттметра Ф530 были измерены магнитные потери в различных участках исследованных эпштейновских полос. Погрешность измерения при этом не превышала 6—7 %. Сопоставление величины магнитных потерь, измеренных на одних и тех же участках образцов с помощью указанного датчика и ранее рассмотренного пермеаметра показало, что между ними имеется достаточно хорошая корреляция. Сказанное можно видеть из рис. 2, где приведены результаты указанного сопоставления. Относительно высокую чувствительность указанного накладного датчика можно качественно объяснить тем, что удельные магнитные потери его сердечника Р} 5/50 -0,14 Вт/кг были почти в 6 раз меньше их значений в измеряемых участках эпштейновской полосы (Рп ~ 0,85—0,92 Вт/кг), а поскольку при этом ты ~ тп, то из (1) действительно следует, что при Рм< Рп показания ваттметра будут равны \У ~ Рпт , то есть пропорциональны величине удельных магнитных потерь измеряемых участков эпштейновской полосы.
Отметим, что результаты измерений накладным датчиком, приведенные на рис. 2, достаточно хорошо воспроизводились лишь при неизменной степени его прижатия к измеряемому образцу, то есть при постоянной величине зазора между ними. Как показали наблюдения, искусственное введение зазора величиной около 50 мкм между эпштейновской полосой и полюсами датчика приводило к увеличению потерь, регистрируемых им, в среднем на 30—40 %, что делало п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.