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隨著我國(guó)電工裝備的不斷升級(jí)，人們對(duì)其運(yùn)行性能提出了更高的要求。這些電工裝備在設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行過(guò)程中存在大量的磁、熱、應(yīng)力場(chǎng)問(wèn)題，而且往往是多種物理量耦合在一起。大型多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題的精細(xì)分析十分困難，究其原因，除了問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述形式和數(shù)值實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜外，如何獲取求解域內(nèi)多物理量耦合作用下的導(dǎo)電、導(dǎo)磁、絕緣材料的物性參數(shù)，以及如何建立相應(yīng)的材料特性數(shù)學(xué)模型是核心問(wèn)題。

旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器鐵心中廣泛使用的電工鋼片，其磁特性兼具磁滯、渦流、非線性、各向異性等特點(diǎn)，同時(shí)依賴于溫度、應(yīng)力等物理因素。在求解含有電工鋼片材料的多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題時(shí)就必然要考慮這些因素對(duì)磁特性的影響。

傳統(tǒng)電工鋼片磁特性測(cè)量方法如愛(ài)潑斯坦方圈法、單片測(cè)量法和環(huán)樣法只能獲取標(biāo)量磁特性。而電工裝備實(shí)際運(yùn)行時(shí)鐵心內(nèi)磁化環(huán)境十分復(fù)雜，在設(shè)計(jì)和分析階段如果只考慮其標(biāo)量磁特性往往無(wú)法得到準(zhǔn)確的結(jié)果。電工鋼片矢量磁特性測(cè)量方法一直以來(lái)都是計(jì)算電磁學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，到目前為止，世界各國(guó)研究人員提出了諸如平面式、立體式、圓形結(jié)構(gòu)、Halbach結(jié)構(gòu)等多種矢量磁特性測(cè)量裝置。采用這些裝置雖然能夠獲取電工鋼片交變磁化和旋轉(zhuǎn)磁化下的矢量磁特性，但是如何獲取應(yīng)力依賴下的矢量磁特性仍然是一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。

為研究電工鋼片在預(yù)應(yīng)力影響下的磁特性，德國(guó)Brockhaus公司在改進(jìn)的一維單片測(cè)量裝置基礎(chǔ)上加裝了氣缸，采用空氣壓縮機(jī)施加預(yù)拉（壓）力，實(shí)現(xiàn)了磁特性的應(yīng)力效應(yīng)測(cè)量。該裝置只能測(cè)量電工鋼片標(biāo)量磁特性，同時(shí)需要空氣壓縮機(jī)等輔助設(shè)備，測(cè)量時(shí)噪聲很大。國(guó)內(nèi)學(xué)者石文敏、柳超等對(duì)單片測(cè)量?jī)x和愛(ài)潑斯坦方圈進(jìn)行改進(jìn)，分別研究了在軋制和疊片方向施加應(yīng)力時(shí)電工鋼片的標(biāo)量磁特性。北航學(xué)者丁曉峰等設(shè)計(jì)了在疊片方向上施加壓應(yīng)力的二維磁特性測(cè)量裝置，討論了疊片方向不同壓力下電工鋼片矢量磁特性的變化規(guī)律。

日本學(xué)者M(jìn). Enokizono在電工鋼片矢量磁特性測(cè)量的研究方面起步較早，其實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種能夠在軋制和垂直軋制方向同時(shí)施加拉力、壓力的電工鋼片矢量磁特性測(cè)量裝置。從其發(fā)表的成果來(lái)看，主要討論了軋制和垂直軋制方向上應(yīng)力對(duì)電工鋼片磁特性的影響。

電機(jī)鐵心在制造和裝配過(guò)程中電工鋼片內(nèi)部的應(yīng)力方向雜亂無(wú)章，毫無(wú)規(guī)律可循。為此，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員研究了應(yīng)力方向和磁化方向一致的情形。

研究人員提出，采用電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)同時(shí)在軋制與垂直于軋制方向?qū)﹄姽や撈┘永▔海┝Α?yōu)化設(shè)計(jì)勵(lì)磁磁軛的尺寸并合理布局以保證測(cè)量區(qū)域磁場(chǎng)分布的均勻性，提高測(cè)量精度。將B探針與雙復(fù)合H線圈統(tǒng)一裝配到電木框架內(nèi)構(gòu)成矢量B-H傳感器，達(dá)到同時(shí)測(cè)量電工鋼片磁通密度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H信號(hào)的目的。根據(jù)坡印亭定理計(jì)算不同磁化條件下電工鋼片比總損耗。

研究人員基于上述方法分別測(cè)量了無(wú)取向電工鋼樣品不同磁化角度、軸比以及磁通密度下的矢量磁特性，測(cè)量過(guò)程中將預(yù)拉（壓）力矢量的方向設(shè)置為與磁化角度一致。根據(jù)測(cè)量結(jié)果總結(jié)歸納出電工鋼片矢量磁特性的應(yīng)力依賴演化規(guī)律。

圖1 整體測(cè)量裝置

圖2 矢量B-H傳感器

圖3 長(zhǎng)直螺線管的實(shí)物圖

研究人員所提出的測(cè)量系統(tǒng)完全可以測(cè)量任意應(yīng)力方向下的矢量磁特性，最后得出的結(jié)論如下：

• 1）磁化角度變化時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度在磁化角度為 0°和90°時(shí)，壓應(yīng)力使磁場(chǎng)強(qiáng)度沿磁化方向增加，拉應(yīng)力使磁場(chǎng)強(qiáng)度沿磁化方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度略有降低。其余角度，壓應(yīng)力使磁場(chǎng)強(qiáng)度略有增加，拉應(yīng)力時(shí)幾乎沒(méi)有發(fā)生變化；壓應(yīng)力使比總損耗增加較為明顯，拉應(yīng)力使其降低。
• 2）軸比變化時(shí)，壓應(yīng)力使磁場(chǎng)強(qiáng)度沿著磁化方向增加。拉應(yīng)力時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化不太明顯。隨著軸比的增大，磁場(chǎng)強(qiáng)度軌跡和RD方向的傾角也逐漸增大；壓應(yīng)力使損耗逐漸增大；拉應(yīng)力使低軸比時(shí)比總損耗略有降低，使高軸比的比總損耗略有升高。
• 3）磁通密度變化時(shí)，壓應(yīng)力使比總損耗增加；拉應(yīng)力使比總損耗略有下降。

以上研究成果已發(fā)表在2019年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊2，論文標(biāo)題為“無(wú)取向電工鋼應(yīng)力依賴矢量磁特性測(cè)量研究”，作者為張殿海、賈夢(mèng)凡、任自艷、張艷麗。