Современное развитие техники и увеличение производства электроэнергии расширяет область применения магнитомягких материалов и требует развития методов и устройств контроля параметров электротехнических изделий и их составляющих. Одним из важнейших составляющих любого электротехнического изделия является магнитопровод, представляющий собой пакет формированных пластин из электротехнической стали. Свойства стали определяют возможности готового изделия, такие как его электро- и энергоэффективность, габаритная мощность. Например, исходя из взаимосвязи габаритной мощности трансформатора P, частоты намагничивающего тока f, коэффициента заполнения магнитопровода kc, коэффициента заполнения окна изделия ko, плотности тока в обмотках j, максимальной Bm и остаточной Br магнитной индукции, площади поперечного сечения магнитопровода изделия Sc, площади поперечного сечения воздушного окна магнитопровода изделия Sc [1]:
получаем, что основным методом минимизации габаритов (уменьшения площади поперечного сечения магнитопровода Sс) при неизменной габаритной мощности является использование стали с лучшими магнитными свойствами (большим значением параметра Bm материала). При этом необходимо учитывать, что процесс формирования заготовок пластин существенно влияет на результирующие свойства изделия [2]. Определение магнитных свойств после операций механической и термической обработки является важным этапом вследствие появления у заготовки зоны наклепа с ухудшенными магнитными свойствами. Особенно важным является измерение магнитных свойств магнитопроводов в случае изготовления миниатюрных изделий, где зона наклепа по отношению к общей площади изделия является ощутимой и в большей степени влияет на интегральные свойства всего изделия. Знание магнитных свойств заготовки в условиях технологического процесса позволяет корректировать параметры технологического процесса [3], например, задавать температуру и продолжительность отжига в печи.
Большинство существующих в настоящее время устройств для испытания электротехнической стали либо не обеспечивают высокой скорости испытаний и возможности испытания заготовок произвольной формы, либо не обладают полным функционалом для определения как магнитных характеристик, так и важнейших магнитных параметров [4].
Ранее были разработаны накладной датчик и прибор на его основе, позволяющий контролировать магнитные свойства образцов [5]. Недостатком данного прибора является зависимость результатов измерений от формы изделия и от степени магнитного насыщения магнитопровода первичного преобразователя при испытании миниатюрных заготовок. Точность измерения магнитной характеристики материала образца не достаточна. Для решения данной проблемы предлагается использовать метод натурно-модельных испытаний [6]. Суть данного метода заключается в измерении магнитной, например, вебер-амперной характеристики системы «изделие – магнитопровод первичного преобразователя магнитного потока». Далее рассчитывается магнитная характеристика (кривая намагничивания) материала изделия в первом приближении. Для этого исходят из того, что магнитопровод первичного преобразователя магнитного потока не влияет на результат измерения вебер-амперной характеристики. Рассчитанную кривую намагничивания подставляют в математическую модель магнитной системы и производят расчеты. В результате получают так называемую «расчетную» вебер-амперную характеристику магнитной системы, которая отличается от экспериментальной. На следующих этапах производят последовательное изменение магнитной характеристики материала изделия до тех пор, пока вебер-амперная характеристика магнитной системы, полученная с помощью модели, не совпадет с вебер-амперной характеристикой магнитной системы, полученной экспериментально. В результате делается вывод, что подставленная при этом в модель кривая намагничивания материала изделия и есть истинная характеристика испытуемого материала.
Разработана информационно-измерительная система для измерения магнитных характеристик электротехнической стали (ИИС МХЭТС), обеспечивающая определение кривой намагничивания. В состав ИИС МХЭТС входят: намагничивающее устройства – дифференциальный преобразователь магнитного потока [7], обеспечивающий исключение влияния на результат измерения формы изделия, к трем нижним концам которого прижимается испытуемое изделие (ИИ); усилитель переменного напряжения; датчик тока; измерительные катушки; интерфейсная плата NI 6321[8], подключенная к персональному компьютеру.
Для управления процессом измерения, регистрации информации с сенсоров и преобразовании данной информации к виду зависимости B(H) (кривой намагничивания) реализована программа в среде LabVIEW 2012.
Информационно-измерительная система работает следующим образом. В соответствии с алгоритмом, заложенным в основу программы управления испытаниями для персонального компьютера, происходит последовательно: размагничивание изделия, затем его намагничивание нарастающим магнитным полем с параллельной фиксацией измерительной информации об ЭДС в измерительной катушке e(t) и токе в намагничивающих катушках i(t). Определяется магнитный поток в испытуемой области ИИ Φta(t), который связан с ЭДС, наводимой на выходе измерительной катушки, e(t) формулой:
.
По полученным зависимостям Φta(t) и i(t) строится характеристика Φta_max(imax) и затем проводится «восстановление» кривой намагничивания B(H) материала изделия и вывод этих значений на экран ПК.
Для «восстановления» характеристики применен метод натурно-модельных испытаний [6]. Для использования данного метода разработаны 3D и 2D модели магнитной системы. Проведены исследования разработанной 3D модели, реализованной в системе GMSH, и сравнение ее показаний с показаниями 2D модели, реализованной в системе Femm 4.2. При исследованиях параметр «глубина» модели был задан в соответствии с шириной испытуемой области образца. Полученные результаты расчетов показали, что разница показаний моделей не велика (до 3 %) и для увеличения скорости процесса «восстановления» магнитной характеристики материала предпочтительней использовать 2D моделирование.
Для обеспечения автоматизации процесса определения магнитной характеристики разработана подпрограмма на языке lua4.2, обеспечивающая автоматический поиск кривой намагничивания в программном пакете Femm 4.2, подходящей под результат физического эксперимента. Апробация разработанного алгоритма проводилась для образца толщиной 0,4 мм. На первом этапе была измерена вебер-амперная характеристика с количеством точек N=20. Измеренные значения магнитного потока и тока в намагничивающих катушках магнитной системы записаны в текстовые файлы. Далее управление передано подпрограмме расчета магнитных свойств образца. Данная подпрограмма запустила процесс “восстановления” кривой намагничивания материала образца B(H). Характеристика материала, удовлетворяющая заданным экспериментальным значениям Φta_max(imax), была получена за 6 шагов последовательного приближения. Процесс занял 10 минут, что меньше времени, необходимого для нанесения измерительной катушки на изделия произвольной сложной формы. Полученная в результате применения предложенного метода магнитная характеристика материала сравнивалась с известной. Максимальная относительная приведенная погрешность измерения в любой точке характеристики не превосходит 5 %.
Статья подготовлена по результатам работ, полученным в ходе выполнения проекта № СП-748.2012.1, реализуемого в рамках программы «Стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики». Статья подготовлена по результатам работ, полученным в СНИЛ «ТиММаг» ЮРГПУ(НПИ).