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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(guó)國(guó)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(hào)的判級(jí)，同時(shí)也直接影響到變壓器或電機(jī)設(shè)計(jì)的功率損耗，因此測(cè)量鐵損值是電工鋼檢測(cè)的重要指標(biāo)。目前，檢測(cè)電工鋼鐵損的常用方法包括:愛(ài)潑斯坦方圈法、單片磁導(dǎo)計(jì)法、環(huán)樣法及在線(xiàn)測(cè)量法等。前三者分別是 IEC60404-2、IEC60404-3、IEC60404-6:2009中所描述的測(cè)量方法，在線(xiàn)檢測(cè)法目前仍沒(méi)有相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但已廣泛應(yīng)用于電工鋼廠(chǎng)家的生產(chǎn)線(xiàn)上，為企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)在線(xiàn)檢測(cè)、掌握質(zhì)量變化，提供了全新的、可靠的檢測(cè)手段。

2.現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法

檢測(cè)電工鋼的重點(diǎn)是測(cè)量其損耗等交流磁參量，現(xiàn)有的交流標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)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(cè)電工鋼片磁性能的標(biāo)準(zhǔn)方法，分別需要使用愛(ài)潑斯坦方圈和單片磁導(dǎo)計(jì)作為磁化裝置，兩種方法的有效磁路長(zhǎng)度 Le 均為約定值，均一定程度地偏離真實(shí)值，在測(cè)量時(shí)會(huì)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(zhǎng)度 Le 雖接近于真實(shí)值，但制樣過(guò)程過(guò)于復(fù)雜。這三種方法所得的數(shù)據(jù)僅對(duì)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(cè)量的風(fēng)險(xiǎn)，僅適用于產(chǎn)品抽檢和數(shù)據(jù)比對(duì)。除此之外，以上方法均存在測(cè)量前須處理應(yīng)力，對(duì)鋼帶剪切加工造成材料的浪費(fèi)以及難以自動(dòng)測(cè)量等問(wèn)題。各種形狀的電工鋼樣品見(jiàn)圖 1。

3.電工鋼帶鐵損在線(xiàn)檢測(cè)儀

3.1 功能特點(diǎn)

上文提到的檢測(cè)方法的問(wèn)題是不能反映整卷電工鋼的磁性能，有抽樣測(cè)量的風(fēng)險(xiǎn)，僅適用于產(chǎn)品抽檢和數(shù)據(jù)比對(duì)。為滿(mǎn)足鋼廠(chǎng)想掌握所有產(chǎn)品磁性能的需求，儀器制造商研制了在線(xiàn)鐵損檢測(cè)儀。典型電工鋼帶鐵損在線(xiàn)測(cè)量裝置見(jiàn)圖 2。

電工鋼在線(xiàn)鐵損檢測(cè)儀可對(duì)損耗的某一個(gè)點(diǎn)，或磁感的某一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，并將長(zhǎng)度 L 與損耗對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)整卷鋼帶的鐵損檢測(cè)，分析其波動(dòng)情況及一致性，避免抽樣檢測(cè)的失敗率。除此之外，在線(xiàn)檢測(cè)儀還具有無(wú)須制樣過(guò)程、避免材料浪費(fèi)和應(yīng)力影響、可全自動(dòng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。與標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法相比，在線(xiàn)檢測(cè)儀的主要差異在于:被測(cè)樣品的動(dòng)態(tài)變化、開(kāi)磁路測(cè)量方式以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)測(cè)量厚度信號(hào)反饋至主控制單元，勵(lì)磁電源應(yīng)能實(shí)時(shí)響應(yīng)厚度變化而調(diào)整磁化電流，以鎖定磁通密度 B 測(cè)量損耗。

2)其次，運(yùn)行中的電工鋼帶處于開(kāi)磁路測(cè)量狀態(tài)，有效磁路長(zhǎng)度處于動(dòng)態(tài)變化中，這將直接影響鐵損測(cè)量的準(zhǔn)確度和重復(fù)性。

3)電工鋼生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜:存在大量的鐵磁物質(zhì)，連同地磁場(chǎng)會(huì)形成一個(gè)復(fù)雜的磁場(chǎng)干擾環(huán)境，溫度、張力、卷帶跑偏量均會(huì)對(duì)鐵損測(cè)量產(chǎn)生影響。

3.2 系統(tǒng)組成

電工鋼帶鐵損在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)組成如圖 3 所示。

1)主控制系統(tǒng)，包含勵(lì)磁電源、磁測(cè)量裝置、相關(guān)信號(hào)處理單元、計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)軟件等組成。土控系統(tǒng)采集所有信號(hào)進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通密度、鐵損等測(cè)量結(jié)果，對(duì)損耗的某一個(gè)點(diǎn)，或磁感的某一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

2)測(cè)量線(xiàn)框，磁化線(xiàn)圈、感應(yīng)線(xiàn)圈等組成。

3)測(cè)厚儀、張力計(jì)，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(cè)量結(jié)果。

4)測(cè)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(cè)量電工鋼帶運(yùn)行時(shí)的速度，結(jié)合測(cè)厚儀測(cè)量的厚度值，計(jì)算電工鋼帶的質(zhì)量。

5)標(biāo)準(zhǔn)愛(ài)潑斯坦方圈，用于日常核查損耗、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通密度的準(zhǔn)確性。

3.3 基本原理

電工鋼帶在線(xiàn)鐵損的測(cè)量技術(shù)從單片法發(fā)展而來(lái)，二者均需要將被測(cè)樣品置于具有一定磁化場(chǎng)、封閉的磁導(dǎo)計(jì)中。不同的是，單片法僅測(cè)量面積固定的大單片電工鋼，而在線(xiàn)法測(cè)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(xiàn)檢測(cè)儀的磁導(dǎo)計(jì)中包含初級(jí)線(xiàn)圈，磁化電源對(duì)初級(jí)線(xiàn)圈勵(lì)磁，產(chǎn)生一定的磁化場(chǎng)，當(dāng)電工鋼帶連續(xù)地通過(guò)磁導(dǎo)計(jì)，初級(jí)線(xiàn)圈也不間斷地對(duì)鋼帶進(jìn)行勵(lì)磁。

2)測(cè)量比總損耗根據(jù)如下公式:

P 為功率表測(cè)量的功率；N1 為初級(jí)繞組匝數(shù)，N2 為次級(jí)繞組匝數(shù)；Ri 為次級(jí)回路中儀表的總電阻；U2 為次級(jí)回路的感應(yīng)電壓；m 為被測(cè)某段鋼帶的質(zhì)量；L 為試樣的長(zhǎng)度；Lm 為約定的磁路長(zhǎng)度。

3)計(jì)算而得到的數(shù)據(jù)僅為一個(gè)點(diǎn)的鐵損值，生產(chǎn)線(xiàn)上的電工鋼帶不斷運(yùn)行，磁化一測(cè)量的周期循環(huán)往復(fù)，最終得到 N 個(gè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)。將 N 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的鐵損值與電工鋼帶的長(zhǎng)度 L 對(duì)應(yīng)，可繪制 P-L 損耗與長(zhǎng)度關(guān)系曲線(xiàn)，通過(guò)觀察 P-L 曲線(xiàn)，可了解整張電工鋼帶的鐵損波動(dòng)情況；而測(cè)量點(diǎn)的多少，體現(xiàn)了損耗在長(zhǎng)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(xiàn)鐵損測(cè)試儀，可對(duì) P1.0-P1.7 的某個(gè)點(diǎn)的損耗值，或者是 B8、B10 某點(diǎn)的磁感值進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)控，并能生成磁滯回線(xiàn)、P-L 損耗與長(zhǎng)度關(guān)系曲線(xiàn)、δ-L 厚度與長(zhǎng)度關(guān)系等曲線(xiàn)。

對(duì)于鋼廠(chǎng)而言，在線(xiàn)鐵損檢測(cè)儀是質(zhì)量控制的重要手段。一方面，可通過(guò)查看 P-L 曲線(xiàn)，了解整卷電工鋼帶的鐵損，分析其波動(dòng)情況及一致性，對(duì)所有鋼卷的性能進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，同時(shí)也適用于對(duì)高牌號(hào)電工鋼的篩選；另一方面，通過(guò)查看 δ-L 曲線(xiàn)，也可以了解自身生產(chǎn)工藝水平。

對(duì)于電工鋼使用單位，如變壓器、電機(jī)制造商來(lái)說(shuō)，在線(xiàn)鐵損檢測(cè)儀是一種有效、快速進(jìn)行來(lái)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(cè)而言，在線(xiàn)檢測(cè)可對(duì)所有鋼卷進(jìn)行品質(zhì)檢測(cè)，避免了抽樣檢測(cè)的失敗率。

3.5 發(fā)展

1)磁場(chǎng)線(xiàn)圈法(H-Coil 法)的應(yīng)用

目前國(guó)際主要的硅鋼檢測(cè)儀器生產(chǎn)廠(chǎng)家均使用電流法(M.C)，即根據(jù) H=N×I/L 公式計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度值，但有效磁路長(zhǎng)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(hào)的材料使用相同的方圈或磁導(dǎo)計(jì)，其 Le 值也不盡相同。而在線(xiàn)鐵損測(cè)量，屬于開(kāi)磁路測(cè)量，很難精確計(jì)算其有效長(zhǎng)度值。而采用愛(ài)潑斯坦方圈測(cè)量?jī)x器進(jìn)行溯源亦是一件復(fù)雜的事。

針對(duì) M.C 法的弊端，可使用磁場(chǎng)線(xiàn)圈法來(lái)解決。即在測(cè)量線(xiàn)框貼近電工鋼帶的位置，增加 H 線(xiàn)圈對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行直接實(shí)時(shí)測(cè)量，可避免電流法因磁路長(zhǎng)度難以預(yù)設(shè)而帶來(lái)的難題，大大提高鐵損測(cè)量的準(zhǔn)確度；同時(shí)也不再需要愛(ài)潑斯坦方圈或單片磁導(dǎo)計(jì)對(duì)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)(圖 5)。

但此方法的難點(diǎn)在于被測(cè)信號(hào)太小，而外磁場(chǎng)和地磁場(chǎng)的干擾過(guò)大導(dǎo)致被測(cè)信號(hào)常淹沒(méi)于噪聲之中，測(cè)量?jī)x器難以從中抽取真實(shí)信號(hào)。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(cè)量微小信號(hào)的難題也得到解決，使得采用磁場(chǎng)線(xiàn)圈法來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度成為可能。

2)電源的實(shí)時(shí)響應(yīng)性。

由于電工鋼帶的厚度是波動(dòng)的，厚度波動(dòng) 1%，比總損耗會(huì)波動(dòng) 2%，故磁化電源須根據(jù)厚度變化實(shí)時(shí)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(zhǎng)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(shí)，其響應(yīng)時(shí)間應(yīng)遠(yuǎn)小于采樣周期 T。

3)面掃描測(cè)厚

鋼帶橫截面積 A=W×δ(W 為寬度，δ為厚度)，目前的測(cè)厚儀僅測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的厚度，來(lái)代表一個(gè)面的厚度仍會(huì)帶來(lái)誤差，為了避免厚度信號(hào)引入的測(cè)量誤差，需通過(guò)面掃描的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖 6)。

4)靜態(tài)外磁場(chǎng)的主動(dòng)補(bǔ)償

在線(xiàn)測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)，存在大量的鐵磁物質(zhì)，連同地磁場(chǎng)會(huì)形成一個(gè)復(fù)雜的磁場(chǎng)干擾環(huán)境，其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響不能忽略。因此需增加額外的靜態(tài)磁場(chǎng)補(bǔ)償線(xiàn)圈，通過(guò)土動(dòng)可調(diào)節(jié)的恒流源勵(lì)磁，實(shí)時(shí)反饋從而去除外磁場(chǎng)的干擾。

5)大數(shù)據(jù)分析

在線(xiàn)測(cè)量涉及大量的數(shù)據(jù)計(jì)算處理。反映整張電工鋼帶鐵損的真實(shí)波動(dòng)，需要損耗在長(zhǎng)度上具有良好的解析度，而目前電工鋼在線(xiàn)運(yùn)行的速度為 300m/min，1s 即 5m 的長(zhǎng)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(dòng)、高度方向振動(dòng)、外磁場(chǎng)/地磁場(chǎng)等因素的影響，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控這些干擾因素，并對(duì)測(cè)量的損耗值進(jìn)行修正，這對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力有進(jìn)一步的要求。

測(cè)量?jī)x器可選用高性能的元器件，增大存儲(chǔ)空間和優(yōu)化軟件的算法來(lái)提升數(shù)據(jù)處理能力，使得 H-Coil 法不需要通過(guò)方圈或磁導(dǎo)計(jì)進(jìn)行比對(duì)，也能具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度。

6)數(shù)據(jù)安全

早期設(shè)備受限于存儲(chǔ)技術(shù)，測(cè)量數(shù)據(jù)僅存儲(chǔ)于上位機(jī)中，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(lèi)事情發(fā)生，的解決方案是在下位機(jī)中增加大容量存儲(chǔ)器，作為臨時(shí)存儲(chǔ)(至少可保存 60min 數(shù)據(jù))，同時(shí)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(pán)，即能保存數(shù)月的數(shù)據(jù)，又可保證測(cè)量數(shù)據(jù)的安全。

4. 電工鋼整卷在線(xiàn)鐵損自動(dòng)測(cè)試

上文描述的在線(xiàn)鐵損測(cè)量，針對(duì)的是在生產(chǎn)線(xiàn)上運(yùn)行的整張電工鋼帶，而高牌號(hào)的電工鋼是通過(guò)測(cè)量手段精選而來(lái)，其性能是否達(dá)標(biāo)，可通過(guò)測(cè)量整卷電工鋼的平均磁感和損耗，進(jìn)一步地對(duì)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(xiàn)鐵損自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。圖 7 將整卷電工鋼視為一個(gè)大型的環(huán)形鐵芯，使用初級(jí)線(xiàn)圈勵(lì)磁和次級(jí)線(xiàn)圈測(cè)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(jì)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(lì)磁電源、磁測(cè)量裝置、相關(guān)信號(hào)處理單元、計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)軟件等組成。

主控系統(tǒng)采集所有信號(hào)進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通密度、鐵損等測(cè)量結(jié)果。

2)大型測(cè)試夾具，內(nèi)置單匝勵(lì)磁線(xiàn)圈，通過(guò)勵(lì)磁電流 I 對(duì)鐵芯進(jìn)行勵(lì)磁；并配有單匝感應(yīng)線(xiàn)圈，以測(cè)量鐵芯的感應(yīng)電壓 U，通過(guò) U 和 I 來(lái)計(jì)算鐵芯的損耗。勵(lì)磁線(xiàn)圈上半部分可通過(guò)電機(jī)控制上下移動(dòng)(圖 7)。

3)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，測(cè)試前，將待測(cè)的整卷電工鋼移動(dòng)至測(cè)試位。測(cè)試完成后，將電工鋼卷移走，并傳入下一卷待測(cè)鋼卷。

5. 結(jié)語(yǔ)

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(xiàn)鐵損測(cè)量裝置可獲取電工鋼任意位置的鐵損；電工鋼整卷在線(xiàn)鐵損自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可用于核查特定鋼卷的平均損耗；而離線(xiàn)測(cè)量(方圈法、單片法、環(huán)樣法)適用于對(duì)電工鋼進(jìn)行抽檢，對(duì)電工鋼的所有磁性能進(jìn)行出廠(chǎng)檢驗(yàn)。這幾種測(cè)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(hù)提供可靠的產(chǎn)品和提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。