автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.05, диссертация на тему:Метод неразрушающего контроля магнитных свойств листовых сталей, его теоретическое и экспериментальное обоснование

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Волгоградский государственный технический университет

на правах рукописи

Кондратов Евгений Владимирович

МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ЛИСТОВЫХ СТАЛЕЙ, ЕГО ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ.

Специальность 05.09.05 — "Теоретическая электротехника"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук профессор Э.В.Колесников

Волгоград — 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение................................................................................................2

1. Состояние вопроса и задачи исследования.....................................3

1.1 Методы измерения магнитных характеристик ............................3

1.2 Разработка и создание макета измерительной установки для неразрушающего контроля магнитных свойств листовых изотропных сталей................................................................................9

2. Теоретическое обоснование метода ..............................................16

2.1 Расчет напряженности магнитного поля в стальном диске при кондукционном намагничивании......................................................16

2.3 Комплексная магнитная проницаемость листа и ее измерение............................................................................................22

2.4 Вычисление магнитной проницаемости стали по заданной магнитной проницаемости листа.......................................................27

3. Численное моделирование скин-эффекта в изотропном стальном диске при контактном намагничивании поперечным током............30

3.1 Постановка задачи........................................................................30

3.2 Конечно-разностные уравнения и эволюционный алгоритм......33

4. Экспериментальное исследование 1 / о установки..........41

4.1 Исследование возможности измерения индукции игольчатым датчиком.........................................................................................41

4.2 Исследование влияния растекания намагничивающего тока на результаты измерения индукции игольчатым датчиком..............47

4.3 Измерение комплексной магнитной проницаемости листа и материала........................................................................................50

4.4 Измерение удельной проводимости стали Э43.............................58

5. Заключение ......................................................................................61

Библиографический список ...............................................................63

Приложение 1......................................................................................6В

Приложение 2......................................................................................69

Приложение 3......................................................................................81

Введение

Листовые электротехнические стали являются основным материалом для изготовления магнитопроводов разнообразных электротехнических устройств. Для получения качественных изделий необходим контроль магнитных свойств сталей. Существующие методы контроля магнитных свойств обычно требуют изготовления специальных образцов, что связано со сложными подготовительными операциями, кроме того образцы для измерений, как правило, берутся с края листа. На практике это приводит к неоправданно заниженным гарантируемым магнитным свойствам электротехнических сталей, а при проектировании различных устройств приходится прибегать к применению различных поправочных коэффициентов [12, 25, 30, 33] . Все эти причины приводят к неоптимальным конструкциям электрических машин и аппаратов с точки зрения энергопотребления, габаритов и мощности.

Необходим неразрушающий контроль магнитных характеристик листовых электротехнических сталей, который позволил бы измерять магнитные характеристики в любой точке листа, оптимально подбирать материалы магнитопроводов электротехнических устройств [40, 41, 42]. Поэтому разработка методов неразрушающего контроля является актуальной задачей.

Разработка нового метода требует расчета и анализа распределения магнитного поля в листе с учетом основных эффектов для того, чтобы обоснованно выбрать параметры измерительной установки. Наряду с этим необходима экспериментальная проверка нового метода контроля магнитных характеристик сталей.

Современное состояние вопроса измерения магнитных характеристик и описание разработанного макета измерительной установки рассматривается в главе 1. Теоретическое обоснование метода проведено в главе 2. Разработке численной модели электромагнитного поля в изотропном стальном диске при намагничивании поперечным током с учетом вихревых токов, гистерезиса и магнитной вязкости посвящена глава 3. Экспериментальное обоснование и проверка работоспособности метода описано в главе 4.

1. Состояние вопроса и задачи исследования 1.1 Методы измерения магнитных характеристик

Электротехнические стали широко используются для изготовления магнитопроводов и магнитоактивных частей разнообразных устройств. Электротехнические стали являются дешевым и технологичным материалом, обладающим большим значением удельного электрического сопротивления и высокими магнитными свойствами, что обеспечивает им широкое применение.

Разнообразными технологическими приемами получают два вида сталей: анизотропные и изотропные [38].

Анизотропные стали применяются в трансформаторострое-нии и крупном электромашиностроении. Область применения изотропных сталей значительно шире. Это различные электродвигатели, генераторы, машинные преобразователи. Изотропные стали находят также применение в сварочных трансформаторах, некоторых видах реле и других изделиях, где магнитный поток охватывает все направления в плоскости листа. В работе рассматриваются изотропные электротехнические стали.

Существует большое число способов и методов измерения магнитных свойств, которые можно разделить на два класса: разрушающие и неразрушающие. К разрушающим относят способы требующие изготовления из исходного листа образцов для проведения измерений, например, аппарат Эпштейна. Соответственно неразрушающие способы позволяют проводить измерения непосредственно на испытуемом листе, например, листовой аппарат, пермеаметр [2 9].

Магнитные свойства изотропных электротехнических сталей определяют с помощью аппарата Эпштейна, пермеаметра и листового аппарата [8], кроме того, применяются и другие способы и измерительные установки.

Процессу измерения в аппарате Эпштейна предшествует длительный подготовительный период, заключающийся в том, что из испытуемого листа электротехнической стали изготавливаются пластины стандартных размеров. Из этих пластин набирается прямоугольный сердечник, магнитные свойства которого будут исследоваться.

Аппаратом Эпштейна можно измерить магнитную индукцию и напряженность постоянного магнитного поля в замкнутой магнитнои цепи и измерить амплитуды магнитнои индукции, удельные магнитные потери и эффективные значения напряженности магнитного поля.

Образцы для измерения магнитных величин в аппарате Эпштейна могут набираться из прямоугольных пластин, либо могут быть набраны из штампованных колец или навиты лентой из электротехнической стали.

р р

он

о—

—о

I—о

£ А

Рис. 1.1. Аппарат Зпша?ейна.

На сердечнике располагаются четыре каркаса с измерительной и намагничивающей катушками (рис. 1.1). Зная число витков №1 намагничивающей катушки и длину средней линии £ можно по намагничивающему току 1 определить- напряженность поля Я:

Я = 1 • / е.

Магнитную индукцию определяют по формуле

В =

(1,1)

сл • а

2 - Б • Шг

где ав — среднее значение отклонения указателя гальванометра, дел., Св — постоянная баллистического гальванометра .

Кроме катушек и И2 аппарат содержит катушку взаимной индуктивности Т2 и катушку Т4 компенсации напряжения, обусловленного потоком вне образца.

Листовой аппарат предназначен для определения магнитных свойств электротехнических сталей на частоте 50—60 Гц. Аппарат состоит из двух соленоидов содержащих намаг-

ничивающую и измерительную обмотки и двух боковых ярем, набранных из пластин анизотропной стали.

Рис. 1.2. Листовой аппарат:

1 — ярмо; 2 — каркас соленоида; 3 — намагничивающая обмотка; 4 -измерительная обмотка; 5 — испытуемые листы; б — изоляционная прокладка; 7 — держатель ярма.

Напряженность магнитного поля в листовом аппарате определяют по (1.1), а амплитуду магнитной индукции вычисляют по напряжению иср:

и

ср

4 • £ • Б • И, -Д.

1

г.

\

где 1 — частота перемагничивания; ~ число витков в измерительной обмотке; Вюах — амплитуда магнитной индукции; г2 — активное сопротивление измерительных обмоток аппарата и компенсационной катушки; гэ — эквивалентное сопротивление приборов, соединенных с измерительными обмотками .

Рис. 1.3. Конструкция пермеаметра: 1 — ярмо; 2 — испытуемый образец.

Пермеаметр (рис. 1.3} предназначен для испытания образцов в виде полос, цилиндров и параллелепипедов. Внутри намагничивающей катушки «1 располагается образец для испытаний . Снаружи катушку замыкают два ярма выполненных из магнитомягкого материала. Магнитная индукция и напряженность измеряется с помощью катушек Wз и

В работе [18] описан датчик измерения магнитного напряжения в поверхностном листе шихтованного магнитопрово-да. Он позволяет измерить магнитное напряжение ц между точками листа, лежащими в центре катушек. Датчик представляет собой стальной или ферритовый сердечник, имеющий форму полуокружности, с двумя измерительными катушками №и лежащими на поверхности листа и соединенными последовательно .

Магнитное напряжение измеряется на основании выражения: и = + Ч*2) /

где 4*1 и ^ - потокосцепление катушек, а кх -тивный коэффициент.

конструк-

Рис. 1.4. Датчик для измерения магнитного напряжения.

Известен способ [14] измерения магнитных свойств деталей сложной формы, при котором намагничивающий ток пропускают по проводнику, проходящему сквозь отверстие в детали, а о магнитной индукции судят по э.д.с. вихревых токов, возникающих в образце при его перемагничивании (рис. 1.5). Э.д.с. измеряют двухигольчатым датчиком.

Рис. 1.5 Измерение магнитных свойств деталей сложной формы.

При описании этого способа автор утверждает, что при контактном намагничивании детали поперечным осевым током нельзя производить измерение индукции игольчатыми электродами .

I «-1-5»

-ПТТ-

Таким образом отличительной особенностью большинства способов является необходимость изготовления специальных образцов, что связано со сложными, зачастую длительными технологическими операциями, предшествующими процессу измерения [37] .

1.2 Разработка и создание макета измерительной установки для нераз-рушающего контроля магнитных свойств листовых изотропных сталей.

Процесс измерения магнитных характеристик подразумевает, что будут измерены напряженность магнитного поля и магнитная индукция, и эти величины будут поставлены в соответствие. При измерении магнитных характеристик напряженность измеряется на поверхности листа, а магнитная индукция как средняя по толщине или сечению листа. Это также должно быть учтено при разработке конструкции установки.

Наиболее полно отвечает всем этим требованиям способ намагничивания одиночным проводом и измерение индукции игольчатыми электродами. Однако большие габариты системы при намагничивании одиночным проводом, необходимость расположения проводника строго перпендикулярно намагничивающему листу и отверстие в нем потребовали разработать специальную намагничивающую систему, лишенную этих недостатков (рис 1.6).

Она выполнена в виде двух латунных колец 3 с подпаянными к ним дискам 5 с токоподводящими электродами 6. Намагничивающий ток протекает от кольца 3, радиально по диску 5, к токоподводящему электроду 6, листу 4 и аналогично по симметричной части намагничивающего устройства. В силу осевой симметрии намагничивающего устройства и

различия сопротивлений проводящего кольца 3 и проводящего диска 5 создается осесимметричная радиальная система токов в диске 5.

1 3 5 6 4

Рис. 1.6. Намагничивающая система.

Такая система токов создает магнитное поле в листе изотропной электротехнической стали, силовые линии которого представляют собой концентрические окружности с центром в точке контакта токоподводящих электродов 6 и листа 4, а напряженность поля в точке, расположенной на расстоянии г от токоподводящих электродов с током 1, можно найти из закона полного тока:

Н = 1 / 2ет.

Таким образом разработанная намагничивающая система может заменить намагничивание одиночным проводом.

При измерении магнитной индукции в технике магнитных измерений получили широкое распространение игольчатые датчики [27, 28, 1, 2] .

В установке был применен двухигольчатый метод измерения магнитной индукции (рис. 1.7), поскольку трех- и че-

тырехигольчатые методы не имеют существенных преимуществ и приводят лишь к усложнению конструкции датчика,

а 1'

/ / / ,

'V

в

с!

Рис, 1.7 Измерение индукции двухигольчатым датчиком.

Этот способ измерения заключается в том, что на поверхности листа располагаются два электрода, по напряжению между которыми судят о магнитной индукции.

Напряжение, снимаемое с игольчатых электродов:

а__

и-Ыф- .

Ь

В силу симметрии имеет место равенство:

= (1*2) Согласно закону электромагнитной индукции имеем:

Ш ср

иаЬ + иЪс + исй ~

Используя выражение (1.2)получаем;

2иаЬ + Щс ~ иаа - Вер ' 3

иаЬ - 2 {иае1 иЬс) ^ &

Разность иа£ - щс быстро убывает до нуля при увеличении расстояния от токовых электродов и при сближении точек а и ю, поэтому можно записать:

иаЬ

Жпср 2

(1-3)

Так как измерительные провода пронизывает переменный магнитный поток, то в контуре аУЬ (рис.1.7) будет наводится ЭДС помехи.

Для борьбы с электромагнитными помехами [4 6] провода свиты и помещены в экран (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Схема измерения индукции 4

Рис. 1.9. Конструкция измерительного узла

1- лист электротехнической стали; 2- измерительные электроды; 3-изоляционная пластина; 4- упругий резиновый элемент; 5- металлическая скоба; б- крепежный винт.

Измерительные электроды должны обеспечивать надежный контакт с поверхностью листа сквозь слой защитного лака. С этой целью была разработана конструкция измерительного узла, показанная на рис. 1.9.

С листом электротехнической стали 1 контактируют два измерительных электрода 2, имеющие возможность свободно перемещаться в винипластовом основании 3. Для надежного прокалывания лака на поверхности листа измерительные

электроды выполнены из углеродистой стали, и поджимаются к изоляционному основанию металлической скобой 5 с помощью двух винтов 6 через упругий резиновый элемент 4. Электрический контакт с измерительными электродами осуществляется с помощью двух латунных упругих пластин, к которым припаиваются свитые проводники, помещенные в оплетку от экранированного провода (на рисунке не показаны).

На рис. 1.10 показана схема разработанного устройства .

Рис, 1.10 Устройство для неразрушающего контроля магнитных

свойств.

Устройство работает следующим образом. Игольчатые то-коподводящие электроды б намагничивающего устройства вводятся в соприкосновение с поверхностью листа 4 с противоположных сторон. К проводящим кольцам 3 подводится переменный ток от источника 1. Напряжение, пропорциональное току, снимается с резистора 2 и подается на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа 7. Игольчатые измерительные электроды 8 вводятся в соприкосновение с одной из поверхностей листа 4. Напряжение с игольчатых измерительных электродов 8 усиливается дифференциальным усилителем

11, интегрируется интегратором 12. Напряжение с выхода интегратора, пропорциональное магнитному потоку, подается на вертикально отклоняющие пластины осциллографа.

При подведении тока к намагничивающему устройству ток протекает по кольцу 3, диску 5, игольчатым токоподводящим электродам б, листу 4 и аналогично по симметричной части намагничивающего устройства.

При протекании намагничивающего тока на контактном сопротивлении между игольчатыми токоподводящими электродами 6 и листом 4 (рис. 1.6) выделяется тепло, что приводит к перегреву материала и изменению его магнитных характеристик. Для уменьшения нагрева ток пропускался через листовой материал кратковременно. Для этого было разработано устройство, позволяющее задавать определенные временные выдержки намагничивающего тока [6, 10, 39].

Для возможности проведения операции интегрирования и устранения гальванической связи токоподводящих и измерительных электродов, приводящей к протеканию намагничивающего тока по измерительной цепи, разработана специальная схема включения измерительных электродов с применением усилителя [2, 9, 36].

Усилитель содержит дифференциальный вход, соединенный с игольчатыми измерительными электродами свитыми проводами 9, помещенными в экран 10. Экран соединен с корпусом усилителя и одним из проводящих колец.

Исследование разработанного устройства предполагает решение следующих задач:

— создание линейной математической модели намагничивания стального листа поперечным синусоидальным током,

учитывающей магнитные потери с помощ�