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作者： 浏览量：4919 发布时间：2016-12-06
周新华，邹学良，舒子奇
摘要：电工钢的铁损是其最重要的磁性能参数，其大小决定了电工钢牌号的高低，本文详细分析了目前主流的几种电工钢铁损检测的标准方法的优劣，重点介绍了电工钢带在线铁损检测仪的功能特点、设备构成、基本原理、主要应用、及最新技术发展方向等；后续简单介绍了整卷电工钢在线铁损自动测试的方法。这几种测量方法可互相搭配，形成有效且全面的产品质量监控手段。
关键词：电工钢带；铁损；在线检测仪
the research and application of online tester
for iron loss of electrical steel strip
zhou xinhua, zou xueliang, shu ziqi
( tunkia co.,ltd，hunan, changsha, 410100, china)
abstract: iron loss is the most important magnetic property parameter of electrical steel strip and sheet, it determines the level of electrical steel grades. this paper introduced several iron loss testing methods of electrical steel strip and sheets, and focused on the online testing method. including, system composition, basic testing principle, applications, and the latest technology developments, etc. the following introduced the iron loss online testing method for entire roll of electrical steel strip.
keyword: electrical steel strip, iron loss, online tester
1. 引言
电工钢（硅钢）是最重要的软磁材料之一，因具有损耗低、饱和磁感大、性价比高等特点，使其广泛地用于变压器、电机铁心的制造。铁损是电工钢最重要的磁性能参数，其大小决定了电工钢牌号的高低，同时也直接决定了变压器或电机成品的功率损耗，因此测量铁损值是电工钢检测的重点之一。目前，检测电工钢铁损的常用方法包括：爱泼斯坦方圈法、单片磁导计法、环样法、及在线测量等；前三者分别是 iec 60404-2、iec 60404-3、iec60404-6:2009 中所描述的测量方法，在线检测法目前仍未有相关的国际标准，但已广泛应用于众多电工钢厂的生产线上。
2. 现有的标准检测方法
上文已提到，检测电工钢的重点是测量其损耗等交流磁参量，现有的交流标准检测方法包括：方圈法、单片法、环样法等，其相关标准如下表所示：
表1. 电工钢交流检测方法及相关标准
方圈法和单片法是目前检测电工钢片磁性能的标准方法，分别需要使用爱泼斯坦方圈和单片磁导计作为磁化装置，二种方法的有效磁路长度le均为约定值，均一定程度地偏离真实值，在测量时会引入误差，尤其在高磁感情况下，产生的偏差更甚。环样法的有效磁路长度le虽接近于真实值，但制样过程过于复杂。这三种方法所得的数据仅对当前样品有效，并不能完全代表整卷电工钢的磁性能，有抽样测量的风险，仅适用于产品抽检和数据比对。除此之外，以上方法均存在测量前须处理应力，对钢带剪切加工造成材料的浪费，难以自动测量等问题。
图1. 各种形状的电工钢样品
图2. 爱泼斯坦方圈
图3. 单片磁导计
3. 电工钢带铁损在线检测仪
3.1 功能特点
图4. 典型电工钢带铁损在线测量装置示意图
上文提到的检测方法最大的问题是不能完全反映整卷电工钢的磁性能，有抽样测量的风险，仅适用于产品抽检和数据比对。为满足钢厂想掌握所有产品磁性能的需求，仪器制造商研制了在线铁损检测仪。
电工钢在线铁损检测仪可对损耗的某一个点(如p1.7)，或磁感的某一个数据进行在线监测，并将长度l与损耗对应，实现整卷钢带的铁损检测，分析其波动情况及一致性，避免抽样检测的失败率。除此之外，在线检测仪还具有无须制样过程、避免材料浪费和应力影响、可全自动测量等优点。
与标准检测方法相比，在线检测仪的主要差异在于：被测样品的动态变化、开磁路测量方式、及工业现场的应用环境等：
1) 运行中的电工钢带其厚度不断变化，需实时测量厚度信号反馈至主控制单元，励磁电源应能实时响应厚度变化而调整磁化电流，以锁定磁通密度b测量损耗。
2) 其次，运行中的电工钢带处于开磁路测量状态，有效磁路长度处于动态变化中，这将直接影响铁损测量的准确度和重复性。
3) 电工钢生产的现场环境相当复杂：存在大量的铁磁物质，连同地磁场会形成一个复杂的磁场干扰环境，温度、张力、卷带跑偏量均会对铁损测量产生影响。
3.2 系统组成
图5. 电工钢带铁损在线测量装置结构示意图
1) 主控制系统，包含励磁电源、磁测量装置、相关信号处理单元、计算机及系统软件等组成。主控系统采集所有信号进行处理，并转化为磁场强度、磁通密度、铁损等测量结果，对损耗的某一个点，或磁感的某一个数据进行在线监测。
2) 测量线框，磁化线圈、感应线圈等组成。
3) 测厚仪、张力计，分别采集运行中电工钢带的厚度、张力并将其传输至主控制单元，以修正测量结果。
4) 测速器，通常采用光电旋转编码器进行反馈数据，用于测量电工钢带运行时的速度，结合测厚仪测量的厚度值，计算电工钢带的质量。
5) 标准爱泼斯坦方圈，用于日常核查损耗、磁场强度、磁通密度的准确性。
3.3 基本原理
电工钢带在线铁损的测量技术从单片法发展而来，二者均需要将被测样品置于具有一定磁化场、封闭的磁导计中；不同的是，单片法仅测量面积固定的大单片电工钢，而在线法测量的是具有一定运行速度的电工钢带的连续损耗。
图5. 磁导计及损耗测量示意图
1) 在线检测仪的磁导计中包含初级线圈，磁化电源对初级线圈励磁，产生一定的磁化场，当电工钢带连续地通过磁导计，初级线圈也不间断地对钢带进行励磁。
2) 测量比总损耗根据公式：。
l p：功率表测量的功率
l n1为初级绕组匝数，n2为次级绕组匝数
l ri为次级回路中仪表的总电阻
l u2为次级回路的感应电压
l m 为被测某段钢带的质量
l l为试样的长度，lm为约定的磁路长度
4) 计算而得到的数据仅为一个点的铁损值，生产线上的电工钢带不断运行，磁化-测量的周期循环往复，最终得到n个点的测量数据(如下图所示)。将n个测量点的铁损值与电工钢带的长度l对应，可绘制p-l损耗与长度关系曲线，通过观察p-l曲线，可了解整张电工钢带的铁损波动情况(如图6)；而测量点的多少，体现了损耗在长度上的解析度，这取决于电工钢带的运行速度及仪器响应速度，解析度越高，越能良好反映整张电工钢带的损耗水平。
图6. p-l损耗曲线
3.3 主要应用
目前主流的在线铁损测试仪，可对p1.0~p1.7 的某个点的损耗值，或者是b8、b10某点的磁感值进行在线监控，并能生成磁滞回线、p-l 损耗与长度关系曲线、δ-l 厚度与长度关系等曲线。
对于钢厂而言，在线铁损检测仪是质量控制的重要手段。一方面，可通过查看p-l曲线，了解整卷电工钢带的铁损，分析其波动情况及一致性，对所有钢卷的性能进行有效评价，同时也适用于对高牌号电工钢的筛选；另一方面，通过查看δ-l曲线，也可以了解自身生产工艺水平。
对于电工钢使用单位，如变压器、电机制造商来说，在线铁损检测仪是一种有效、快速进行来料质检的手段，区别于以往使用方圈法和单片法进行抽样检测而言，在线检测可对所有钢卷进行品质检测，避免了抽样检测的失败率。
图7. δ-l厚度长度关系曲线
3.4 最新技术发展
1) 磁场线圈法 (h-coil 法)的应用
目前国际主要的硅钢检测仪器生产厂家，均使用电流法 (m.c)，即根据h=n*i/l 公式计算磁场强度值，但有效磁路长度le的真实值是随着电工钢磁性能的变化而改变，不同牌号的材料使用相同的方圈或磁导计，其le值也不尽相同。而在线铁损测量，属于开磁路测量，很难精确计算其有效长度值。而采用爱泼斯坦方圈测量仪器进行溯源亦是一件复杂的事。
针对m.c法的弊端，可使用磁场线圈法来解决。即在测量线框贴近电工钢带的位置，增加h线圈对磁场强度进行直接实时测量，可完全避免电流法因磁路长度难以预设而带来的难题，大大提高铁损测量的准确度；同时也不再需要爱泼斯坦方圈或单片磁导计对装置进行校准。
图8 在线检测用磁导计结构示意图(含h线圈)
但此方法的难点在于被测信号太小，而外磁场和地磁场的干扰过大导致被测信号常淹没于噪声之中，测量仪器难以从中抽取真实信号。随着电子元器件性能的提高、及仪器仪表行业的发展，准确测量微小信号的难题也得到解决，使得采用磁场线圈法来测量磁场强度成为可能。
图9. h线圈的输出信号通常在mv级
2) 电源的实时响应性
由于电工钢带的厚度是波动的，厚度波动1%，比总损耗会波动2%；故磁化电源须根据厚度变化实时变换输出电流才能锁定 j = 1.7 t。
图10. δ-t、i-t变化曲线
目前，电工钢带运行最快速度达300m/min；若要求铁损在长度上的解析度为0.2 m；采样周期 t为40 ms，故在选择磁化电源时，其响应时间应远小于采样周期t。
3) 面扫描测厚
由3.3中的j(t)公式可知，j(t)与钢带横截面积a有关，而a =w* δ (w为宽度， δ为厚度)，目前的测厚仪仅测量一个点的厚度，来代表一个面的厚度仍会带来误差，为了避免厚度信号引入的测量误差，需通过面扫描的方式来实现。
图11. 单点测厚和面扫描测厚
4) 静态外磁场的主动补偿
在线测量的现场，存在大量的铁磁物质，连同地磁场会形成一个复杂的磁场干扰环境，其对测量结果的影响不能忽略。因此需增加额外的静态磁场补偿线圈，通过主动可调节的恒流源励磁，实时反馈从而去除外磁场的干扰。
5) 大数据分析
在线测量涉及大量的数据计算处理。完全反映整张电工钢带铁损的真实波动，需要损耗在长度上具有良好的解析度，而目前电工钢在线运行的最快速度为300 m/min，1秒钟即5m的长度，在如此快的速度上需要主控单元具有良好的数据处理能力和响应速度；此外运行中的电工钢带还受温度、张力、横向移动、高度方向振动、外磁场/地磁场等因素的影响，需要实时监控这些干扰因素，并对测量的损耗值进行修正，这对系统的数据处理能力有进一步的要求。
测量仪器可选用高性能的元器件，增大存储空间，和优化软件的算法来提升数据处理能力，使得h-coil法不在需要通过方圈或磁导计进行比对，也能具有较高的测量准确度。
6) 数据安全
早期设备受限于存储技术，测量数据仅存储于上位机中，而工业现场恶劣的使用环境如高温、电磁干扰等易导致上位机异常等使数据丢失。为防止此类事情发生，最新的凯发app的解决方案是在下位机中增加大容量存储器，作为临时存储（至少可保存60分钟数据），同时增加ups电源防止突然掉电；而上位机采取双机热备的方式，并使用大容量硬盘，即能保存数月的数据，又可保证测量数据的安全。
4. 电工钢整卷在线铁损自动测试
上文描述的在线铁损测量，针对的是在生产线上运行的整张电工钢带，而高牌号的电工钢是通过测量手段精选而来，其性能是否达标，可通过测量整卷电工钢的平均磁感和损耗，进一步地对精选后的产品进行质量把关，因此电工钢整卷在线铁损自动测试系统应运而生。
如下图所示的该系统，可将整卷电工钢视为一个大型的环形铁心，使用初级线圈励磁和次级线圈测量磁感，可得到整卷电工钢的平均磁感值和损耗值，为变压器、电机等电工钢应用单位的产品设计的参数导入，提供了一种有效的手段。
图12 整卷电工钢在线铁损自动测试系统示意图
1) 主控制系统，包含励磁电源、磁测量装置、相关信号处理单元、计算机及系统软件等组成。主控系统采集所有信号进行处理，并转化为磁场强度、磁通密度、铁损等测量结果
2) 大型测试夹具，内置单匝励磁线圈，通过励磁电流i对铁心进行励磁；并配有单匝感应线圈，以测量铁心的感应电压 u，通过 u 和 i来计算铁心的损耗。励磁线圈上半部分可通过电机控制上下移动，如图6所示。
3) 传动机构，测试前，将待测的整卷电工钢移动至测试位；测试完成后，将电工钢卷移走，并传入下一卷待测钢卷。
5. 总结
上文介绍了几种电工钢磁特性的方法：运行中电工钢带的在线铁损测量装置可获取电工钢任意位置的铁损；电工钢整卷在线铁损自动测试系统可用于核查特定钢卷的平均损耗；而离线测量(方圈法、单片法、环样法)适用于对电工钢进行抽检，对电工钢的所有磁性能进行出厂检验。
这几种测量方法可互相搭配，形成有效且全面的产品质量控制与保障手段，有利于电工钢生产企业提升品质、提高企业的核心竞争力。
参考文献
【1】gb/t 3655-2008, 用爱泼斯坦方圈测量电工钢片(带)磁性能的方法
【2】gb/t 13789-2008,用单片测试仪测量电工钢片(带)磁性能的方法
【3】slawomir tumanski (波兰)编著；赵书涛，葛玉敏译. 磁性测量手册. 北京：机械工业出版社， 2013.9