Full Text - Politechnika Wrocławska

Nr 64
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 64
Studia i Materiały
Nr 30
2010
pomiary anizotropii właściwości magnetycznych, pola wirujące
Jerzy BAJOREK*, Dominika GAWORSKA-KONIAREK**
NOWA METODA POMIARU ANIZOTROPII
WŁAŚCIWOŚCI MAGNETYCZNYCH
BLACH ELEKTROTECHNICZNYCH I UKŁAD
DO WYZNACZANIA WŁAŚCIWOŚCI MAGNETYCZNYCH
W POLACH WIRUJĄCYCH
Przedstawiono dyskusję czynników wpływających na wyniki oceny anizotropii właściwości magnetycznych blach elektrotechnicznych metodą anizometru indukcyjnego. Zaproponowano sposób
eliminacji zasadniczej wady tej metody i przedstawiono propozycję nowej metody pomiaru anizotropii właściwości magnetycznych blach. Zaprezentowano również wyniki badań obu metod i ich ocenę
merytoryczną. Uzasadniono potrzebę stosowania zaproponowanej nowej metody pomiaru anizotropii
właściwości magnetycznych blach elektrotechnicznych.
1. WSTĘP
Postęp w zakresie jakości blach elektrotechnicznych stawia coraz większe a często
nowe wymagania w zakresie metrologii pomiaru ich właściwości magnetycznych. Dotyczą one zarówno pomiaru właściwości magnetycznych blach elektrotechnicznych dla
potrzeb projektowych optymalnych ekonomicznie magnetowodów jak i wpływu procesu
technologicznego na ich właściwości magnetyczne. Ponadto coraz częściej występuje
konieczność określenia właściwości blach elektrotechnicznych w głębokich nasyceniach.
Duży postęp w zakresie układów elektronicznych o wielkiej skali integracji oraz
możliwości przetwarzania analogowego i numerycznego nie rozwiązuje wyżej postawionych wymagań. Powodem jest nieliniowość, niejednoznaczność i niejednorodność
ferromagnetyków. Ponadto trudności zapewnienia poprawnych warunków magnesowania obiektu i poboru sygnałów pomiarowych w zasadniczy sposób wpływają na niepewność pomiaru właściwości magnetycznych blach elektrotechnicznych. Z tego powodu
_________
* Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych.
** Instytut Elektrotechniki, Oddział Wrocław.
424
parametry magnetyczne i warunki, w jakich powinny być badane, precyzują normy
techniczne. Jednakże warunki, w których wykonywane są pomiary, bardzo często odbiegają od warunków rzeczywistych w jakich pracują magnetowody. Wartości parametrów magnetycznych uzyskiwane w znormalizowanych aparatach probierczych (aparat
Epsteina, Single Sheet Tester) nie uwzględniają szeregu właściwości blach w zakresie
kształtu i wykrojów elementów np. dla maszyn wirujących [3]. Pomiary zazwyczaj wykonywane są wyłącznie dla próbek ciętych wzdłuż i w poprzek kierunku walcowania.
W praktyce konieczna jest znajomość parametrów magnetycznych blach elektrotechnicznych dla dowolnego kierunku magnesowania. Pomiary takie realizowane na kilka
sposobów. Najprostszym jest pomiar w standardowej ramie Epsteina próbek ciętych pod
różnymi kątami względem kierunku wyróżnionego. Takie postępowanie jest bardzo
pracochłonne i czasochłonne a tym samym kosztowne. Pozbawiony tych wad jest układ
anizometru indukcyjnego (rys. 1). Kierunek pomiaru właściwości magnetycznych badanego materiału ustawia się poprzez obrót próbki kołowej w polu magnetycznym. Odmianą tej metody jest zastosowanie obrotowego jarzma magnesującego nad powierzchnią badanego materiału [6]. Natężenie pola magnetycznego mierzone jest metodą
bezpośrednią a indukcja za pomocą cewek obejmujących przekrój poprzeczny obszaru
pomiarowego badanej próbki (rys. 2). Nie wdając się w warunki magnesowania obiektu
i pomiaru podstawowych wielkości magnetycznych (choć są bardzo istotne z punktu
widzenia niepewności pomiaru) podkreślić należy, że powyższe sposoby oceny anizotropii charakteryzują się bardzo istotną wadą. Wymagają bowiem mechanicznego pozycjonowania próbki względem układu magnesującego i czujników pomiarowych lub
układu magnesującego względem próbki i czujników pomiarowych. Powoduje to zmianę warunków magnesowania próbki wywołaną konsekwencją jej pozycjonowania
i w konsekwencji wzrost niepewności pomiaru. Wadę tą dodatkowo potęguje potrzeba
wyznaczanie anizotropii. Polega ona bowiem na określeniu różnic wartości mierzonych
wielkości. Konieczne jest więc stosowanie układu pomiarowego o dużej rozdzielczości
i dokładności pomiaru mierzonej wielkości. Podkreślić należy, że powyższe metody nie
zapewniają sinusoidalnego przebiegu indukcji w próbce co całkowicie dyskwalifikuje
ich przydatność do wyznaczenia anizotropii stratności. Mogą być stosowane wyłącznie
do wyznaczenia anizotropii indukcji (magnesowalności).
Rys. 1. Anizometr indukcyjny z obracaną próbką [5]
Fig. 1. Induction anisometer with revolved sample [5]
425
Rys. 2. Anizometr z obracanym jarzmem [6]
Fig. 2. Anisometer with rotated yoke [6]
Autorzy artykułu proponują nową metodę wyznaczenia anizotropii dowolnych wielkości magnetycznych blach elektrotechnicznych bez mechanicznej ingerencji w strukturę: układ magnesujący, próbka i czujniki pomiarowe.
2. ZASADA NOWEJ METODY WYTWARZANIA
POLA MAGNESUJĄCEGO O DOWOLNYM KIERUNKU
Wyeliminowanie zasadniczej wady klasycznych układów pomiarowych wymaga zapewnienia nastawy dowolnej wartości i kierunku pola magnesującego bez naruszania raz
ustawionej struktury: obwód magnesujący, próbka i czujniki pomiarowe. Takie rozwiązanie znacząco zwiększa dokładność pomiaru eliminując:
– niepowtarzalność pozycjonowania próbki względem układu magnesującego,
– niepowtarzalność pozycjonowania czujników pomiarowych względem próbki
i układu magnesującego,
– niepewność nastawy żądanego kierunku magnesowania próbki względem pola
magnesującego,
– zmiany warunków magnesowania próbki,
Postawiony cel można osiągnąć stosując dwa źródła pola magnesującego, ustawione
ortogonalnie względem siebie (rys. 3). Źródłami pól są magnetowody z odpowiednimi
uzwojeniami magnesującymi. Próbka badanej blachy elektrotechnicznej w postaci koła
lub kwadratu jest stabilnie mocowana w głowicy pomiarowej umieszczonej w szczelinie
magnetowodów układu magnesującego (rys. 5). Magnetowody zasilane są napięciem
sinusoidalnym z dwóch niezależnych wzmacniaczy mocy przy zerowym przesunięciu
fazowym. Zadając odpowiednie wartości indukcji w próbce dla każdego kanału oddzielnie, uzyskuje się żądaną wartość i odchylenie wektora indukcji względem osi
współrzędnych układu magnesującego. Wartości nastaw w poszczególnych kanałach
426
dla żądanej wartości wypadkowej wektora indukcji Bm i kąta jego odchylenia od osi Y
układu magnesującego można wyznaczyć z równań (rys. 3)
BmY = Bm cos Θ
(1)
Bm X = Bm sin Θ
(2)
gdzie: BmY wartość indukcji magnetycznej w torze Y, BmX wartość indukcji magnetycznej w torze X.
Rys. 3. Schemat wymuszenia położenia wektora magnetyzacji
przy przemagnesowaniu przemiennym w układzie do pomiaru w polach wirujących [5]
Fig. 3. Schematic showing magnetization vector position forcing
at alternating remagnetization in system for measurements in rotating fields
Przykładowo, zadanie w obu torach pomiarowych wartości indukcji przy której
ma być mierzona stratność, spowoduje odchylenie wypadkowego wektora indukcji
o tej samej wartości o kąt 45° od osi Y układu magnesującego. Dalsze zwiększanie
kąta do wartości 90° uzyskuje się przez zmniejszanie wartości indukcji w torze Y
przy stałej wartości indukcji w torze X. Przesuwając fazę napięcia toru Y o 180°
i zwiększając wartość indukcji przy stałej wartości indukcji toru X uzyskuje się
przesunięcie wektora indukcji do 135°. Dalsze zwiększanie kąta do 180° uzyskuje
się zmniejszając indukcję w torze X itd. [2]. Ortogonalny układ jarzm magnesujących zasilanych niezależnie napięciem o odpowiedniej fazie, pozwala więc precyzyjnie zadawać dowolny kierunek i wartość przemiennego pola magnesującego.
Podkreślić należy, że przedstawiony układ probierczy (jarzmo magnesujące) jest
ściśle zgodny z układem probierczym do pomiaru dynamicznych właściwości ma-
427
gnetycznych blach elektrotechnicznych w polach wirujących. Charakter wymuszanego pola magnesującego uwarunkowany jest jedynie przesunięciem fazowym napięć zasilających poszczególne jarzma układu probierczego zwanego również Rotational Single Sheet Tester (RSST).
3. POMIAR WIELKOŚCI MAGNETYCZNYCH
Poprawny pomiar podstawowych wielkości magnetycznych bezwzględnie wymaga
zapewnia jednorodnego rozkładu składowej stycznej natężenia pola magnetycznego
na powierzchni badanej próbki. Spełnienie tego warunku na całej powierzchni próbki
jest praktycznie nierealne. Znacznie korzystniejszym rozwiązaniem jest ograniczenie
pomiaru do obszaru obiektu na którym powyższy warunek jest praktycznie (najlepiej)
spełniony [1]. Z tego powodu w układzie zastosowano bezpośredni pomiar natężenia
pola magnetycznego i indukcji. Nieruchome zamocowanie próbki i czujników pola
przy zmiennym kierunku pola magnesującego, wymaga stosowania czujników pomiarowych w obu osiach współrzędnych układu magnesującego (rys. 3). Pozwalają one
zmierzyć składowe wektora mierzonej wielkości niezależnie od kierunku magnesowania próbki. Z tego powodu zastosowano dwie ortogonalnie ustawione płaskie cewki
składowej stycznej natężenia pola magnetycznego H o wymiarach (20 × 20)mm.
Rys. 4. Schematyczna zasada pomiaru właściwości magnetycznych
w systemie pomiarowym w polach wirujących [2]
Fig. 4. Schematic principle of measuring magnetic properties
in measuring system in rotating fields [2]
428
Umieszczono je centralnie w środku układu magnesującego (rys. 4) tak, że ich osie są
zgodne z kierunkami jarzm magnesujących. W celu pomiaru indukcji w każdej próbce
wywiercono, odległe o 10 mm od jej środka, cztery otwory o średnicy ∅ 0,7 mm.
Nawinięto przez nie również dwie ortogonalnie ustawione cewki do pomiaru siły
elektromotorycznej generowanej przez strumień magnetyczny objęty ich przekrojami
(rys. 4). Przedstawiony sposób pomiaru i ułożenia czujników wielkości magnetycznych jest również identyczny jak w przypadku pomiaru w polach wirujących. W tym
przypadku pole wiruje z określoną prędkością względem próbki. Stosuje się różne
stopnie przemagnesowywania eliptycznego próbki którego szczególnym przypadkiem
jest przemagnesowywanie kołowe (stała wartość wirującego wektora indukcji).
W przypadku anizotropii właściwości magnetycznych blach, pomiar wykonywany jest
przy przemagnesowywaniu polem przemiennym również o stałej wartości szczytowej
indukcji lub natężenia pola magnetycznego dla różnych kierunków magnesowana
próbki. Należy więc podkreślić, że układ probierczy do pomiaru dynamicznych właściwości magnetycznych blach elektrotechnicznych w polach wirujących jest bardzo
dobrze przystosowany również dla potrzeb pomiaru anizotropii w polach przemiennych. W obu przypadkach pomiar stratności bezwzględnie wymaga zapewnienia sinusoidalnego przebiegu pochodnej indukcji po czasie. Manualna realizacja powyższego
wymagania jest wręcz niemożliwa. Konieczne jest stosowanie wyspecjalizowanej
aparatury pomiarowej.
4. BADANIA MAGNETYCZNE
Celem wykonanych badań było określenie poprawności wyników otrzymanych
nową metodą pomiaru anizotropii polegającą na zmianie kierunku pola magnesującego z poziomu programu komputerowego systemu pomiarowego, poprzez porównanie z wynikami otrzymanymi metodą anizometru indukcyjnego. Obydwa badania
przeprowadzono za pomocą wyspecjalizowanego systemu pomiarowego MAG-TD200
firmy „R&J Measurement”. Przystosowany jest on do pomiarów w polach przemiennych i wirujących o dowolnej eliptyczności przy jednoczesnym zachowaniu sinusoidalnego przebiegu indukcji w badanej próbce. Umożliwia nastawę dowolnego
przesunięcia fazowego miedzy przebiegami wymuszającymi pole magnesujące.
MAG-TD200 w sposób automatyczny wymusza w próbce żądaną wartość indukcji
i zapewnia sinusoidalny jej przebiegu dla dowolnie wybranego kierunku pola magnesującego. Pozwala również na pracę w opcji jednokanałowej dla kanału X lub Y
(jeden tor magnesujący i pomiarowy) dla pól przemiennych oraz w opcji jednego
toru magnesującego i dwóch torów pomiarowych (X i Y). Ostatnia wymieniona
opcja pracy systemu pomiarowego bardzo dobrze nadaję się do pomiarów wielkości
magnetycznych metodą anizometru indukcyjnego.
429
Badania przyprowadzono na próbkach blach w kształcie koła o średnicy 60 mm,
wykonanych z blachy elektrotechnicznej anizotropowej oraz blachy elektrotechnicznej
izotropowej.
Główny nacisk nałożono na określenie właściwości magnetycznych próbek w ściśle określonym kierunku. Podstawowe pomiary w układzie anizometru wykonano
poprzez obrót próbki z krokiem 15° w zakresie 360°. W tym przypadku wykorzystano
system pomiarowy MAG-TD200 w opcji: jeden tor magnesujący i dwa tory pomiarowe. Przemienne pole magnesujące generowało jedno z jarzm, zapewniając żądaną
wartość szczytową indukcji przy sinusoidalnym jej przebiegu w badanej próbce.
Wielkości magnetyczne mierzone były przez dwa tory pomiarowe. Takie rozwiązanie
pozwalało na przemieszczanie się czujników do pomiaru indukcji w raz z obracaną
próbką blachy elektrotechnicznej. W obu torach mierzone były wielkości proporcjonalne do indukcji i natężenia pola magnetycznego. Jednakże stałe i właściwe ułożenie
czujnika natężenia pola magnetycznego w głowicy pomiarowej powodowało, że natężenie pola było mierzone tylko przez jeden tor pomiarowy. Drugi tor mierzył bardzo
małe, losowo zmieniające się wartości sygnału świadczące o bardzo dobrym ustawieniu czujników i symetrii jarzma magnesującego.
W przypadku nowej metody pomiaru anizotropii badania zostały wykonane dla zadanych kierunków i wartości maksymalnych indukcji lub natężenia pola magnetycznego próbki. Kierunek pola magnesującego próbkę zadawany był z poziomu programu komputerowego systemu. W celu jednoznacznej oceny wyników, pomiary
wykonano dla wyżej wskazanych kierunków magnesowania próbki
Obydwa rodzaje badań wykonano przy częstotliwości 50 Hz dla sinusoidalnego przebiegu indukcji o amplitudzie Bm = 1,20 T. Odchyłka kształtu pochodnej indukcji po czasie od
przebiegu sinusoidalnego nie przekraczała 0,3% a dokładność nastawy indukcji ≤0,1%.
W obu sposobach pomiaru anizotropii właściwości magnetycznych próbek, sygnały pomiarowe były zbierane z tego samego obszaru pomiarowego za pomocą tych samych czujników
i torów pomiarowych. Pozwala to przyjąć praktycznie taką samą niepewność przetwarzania
sygnału pomiarowego dla obu metod pomiarowych. Powtarzalność systemu dla pomiaru
stratności przy indukcji 1,2 T dla dwudziestu pomiarów nie przekracza 0,4%.
Układ probierczy wraz z cewkami natężenia pola magnetycznego systemu pomiarowego MAG-TD200 zastosowany w badaniach przedstawia rys. 5. Powyższe dane
techniczne wskazują, że zastosowany komputerowy system pomiarowy jest dokładniejszy niż określają to wymagania norm w zakresie pomiaru właściwości magnetycznych blach elektrotechnicznych. Ponadto system ten przed rozpoczęciem badań został
sprawdzony za pomocą wzorców materiałowych PTB.
Anizotropię stratności T badanych próbek wyznaczono na podstawie zależności dla
blach nieorientowanych zawartej w normie technicznej PN-EN 10106:2009 [4].
TA =
W1 − W2
⋅ 100 [%]
W1 + W2
(3)
430
gdzie: W1 – stratność próbek w kierunku prostopadłym do kierunku walcowania
[W·kg–1], W2 – stratność próbek w kierunku walcowania [W·kg–1].
Rys. 5. Jarzmo do pomiaru właściwości magnetycznych w polach wirujących
Fig. 5. Yoke for measuring magnetic properties in rotating fields
Na potrzeby badań stosowanych metod pomiaru równanie (3) zmodyfikowano do
postaci:
TA =
Δpmax − Δpmin
⋅ 100 [%]
Δpmax + Δpmin
(4)
gdzie: Δpmax – maksymalna stratność całkowita dla określonej wartości indukcji [W·kg–1],
Δpmin – minimalna stratność całkowita dla określonej wartości indukcji [W·kg–1].
5. WYNIKI POMIARÓW
Wyniki pomiarów stratności oraz natężenia pola magnetycznego badanych próbek
w zależności od wartości i kierunku pola magnesującego próbkę względem osi Y
układu magnesującego dla:
– układu anizometru indukcyjnego (obracana próbka),
– układu według nowej metody pomiaru anizotropii,
zestawione są w postaci tabelarycznej w tabelach 1–3 oraz graficznej na rys. 6–9.
431
Tabela 1. Anizotropia stratności całkowitej badanych blach
Table 1. Anisotropy of total loss of tested sheets
Anizometr
System pomiarowy
Δpmin
Δpmax
T
Δpmin
Δpmax
T
[W/kg]
[W/kg]
[%]
[W/kg]
[W/kg]
[%]
Izotropowa
1,40
0,97
18
1,41
0,96
19
Anizotropowa
1,37
0,61
38
1,41
0,58
42
Blacha
Tabela 2. Porównanie otrzymanych wartości natężenie pola dla obu metod pomiarowych
(μΑa – wartość natężenia pola otrzymana w układzie anizometru indukcyjnego,
μΑr – wartość natężenia pola otrzymana otrzymanych metodą sterowania systemem pomiarowym
z poziomu programu komputerowego)
Table 2. Comparison of magnetic field strength values for two methods
(μΑa – the field strength value obtained from the induction anisometer system,
μΑr – the field strength value obtained by the method of measuring system control through the software
Θ
o
[ ]
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
165
180
195
210
225
240
255
270
285
300
315
330
345
Blacha anizotropowa
μΑa
μΑr
δ
[-]
[-]
[%]
3349
2680
2543
2824
3396
3835
4325
5970
8809
9609
7251
4762
3511
3174
2691
2620
3000
3295
3662
5515
8607
9134
7210
4693
3322
2817
2567
2794
3528
4069
4586
6127
8698
9843
7059
4957
3699
3117
2926
2822
3068
3504
3699
5375
8596
8783
6904
4430
0,83
4,8
0,90
1,1
3,7
5,8
5,7
2,6
1,3
2,4
2,7
3,9
5,1
1,8
8,1
7,2
2,2
6,0
0,99
2,6
0,13
4,0
4,4
5,9
pa
pr
[W·kg-1] [W·kg-1]
1,02
1,03
1,06
1,16
1,35
1,39
1,38
1,26
1,23
1,16
1,08
1,02
1,01
0,98
1,10
1,23
1,35
1,39
1,40
1,27
1,07
1,01
1,01
0,97
1,02
1,03
1,13
1,23
1,40
1,38
1,33
1,28
1,31
1,28
1,16
1,06
1,02
1,02
1,12
1,32
1,41
1,38
1,34
1,28
1,11
1,08
0,96
0,96
Blacha izotropowa
δ
μΑa
μΑr
δ
[%]
[-]
[-]
[%]
0,47
0,10
5,9
6,3
3,7
0,51
3,7
1,7
5,8
9,5
7,1
4,2
1,1
4,5
1,9
7,3
3,8
0,80
4,5
0,67
3,6
5,9
5,2
0,68
8457
8297
7793
6147
5477
5508
5519
5908
6402
6961
7966
8215
8262
8128
8008
7176
6102
5612
4429
4559
5636
6692
7390
8548
8002
7792
7233
6538
5910
5435
5036
5701
6448
6794
7428
8842
7993
7905
7567
6585
6165
5457
4524
4846
6066
6794
7428
8842
5,7
6,5
7,7
6,0
7,3
1,3
9,6
3,6
0,72
2,5
7,2
7,1
3,4
2,8
5,8
9,0
1,0
2,8
2,1
5,9
7,1
1,5
0,51
3,3
pa
pr
[W·kg-1] [W·kg-1]
0,81
0,81
0,66
0,75
1,32
1,31
1,10
0,96
0,75
0,62
0,67
0,83
0,86
0,78
0,62
0,63
1,37
1,36
1,20
0,99
0,77
0,61
0,62
0,82
0,80
0,84
0,73
0,74
1,29
1,26
1,03
1,00
0,73
0,64
0,72
0,83
0,93
0,83
0,67
0,62
1,41
1,39
1,23
1,03
0,85
0,62
0,58
0,89
δ
[%]
1,3
3,9
8,8
1,4
2,5
3,7
6,7
3,4
2,6
2,8
6,8
0,12
7,8
7,0
6,3
0,81
2,8
2,6
2,0
4,1
8,8
0,81
6,3
7,3
432
μA = f(Θ)
system pomiarowy
0
anizometr
345
9000
15
8000
330
30
7000
315
45
μA [-]
6000
5000
300
4000
60
3000
285
75
2000
1000
0
270
90
255
105
Bm = 1,20 T
240
120
135
225
210
150
Blacha izotropowa
195
165
180
Rys. 6. Natężenie pola magnetycznego dla układu anizometru indukcyjnego
oraz dla nowej metody pomiaru anizotropii dla blachy izotropowej
Fig. 6. Magnetic field strength for induction anisometer system
and for new method of measuring anisotropy – isotropic steel sheet
μA = f(Θ)
system pomiarowy
anizometr
0
345 10000
315
300
285
270
15
30
μA [-]
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
330
45
60
75
90
105
255
Bm = 1,20 T
240
120
225
135
210
150
195
Blacha anizotropowa
165
180
Rys. 7. Natężenie pola magnetycznego dla układu anizometru indukcyjnego
oraz dla nowej metody pomiaru anizotropii dla blachy anizotropowej
Fig. 7. Magnetic field strength for anisometer induction system
and for new method of measuring anisotropy – anisotropic steel sheet
433
0
system pomiarowy
345
anizometr
330
1,6
Δp = f(Θ)
15
30
1,4
1,2
315
45
1,0
300
60
-1
Δp [W·kg ]
0,8
0,6
285
0,4
0,2
270
75
90
0,0
255
105
240
120
Bm = 1,20 T
225
210
135
150
Blacha anizotropowa
195
165
180
Rys. 8. Stratność dla układu anizometru indukcyjnego
oraz dla nowej metody pomiaru anizotropii dla blachy anizotropowej
Fig. 8. Loss for induction anisometer system
and for new method of measuring anisotropy – anisotropic steel sheet
system pomiarowy
anizometr
0
345
330
1,6
Δp = f(Θ)
15
30
1,4
1,2
315
45
1,0
0,8
0,6
285
0,4
60
-1
Δp [W·kg ]
300
75
0,2
0,0
270
90
255
105
240
120
225
135
Bm = 1,20 T
210
Blacha izotropowa
150
195
165
180
Rys. 9. Stratność dla układu anizometru indukcyjnego
oraz dla nowej metody pomiaru anizotropii dla blachy izotropowej
Fig. 9. Loss for induction anisometer system
and for new method of measuring anisotropy – isotropic steel sheet
434
6. WNIOSKI
Według opinii autorów pomiar indukcji z przekroju całej szerokości próbki (w przypadku anizometru indukcyjnego) jest mało wiarygodny ze względu na niejednorodny
rozkład składowej stycznej natężenia pola magnetycznego na jej powierzchni. Zasadnym
jest więc ograniczenie pomiarów do obszaru próbki gdzie powyższy warunek jest praktycznie spełniony. W przypadku metody anizometru indukcyjnego, konieczność obracania badanej próbki wymusza potrzebę stosowania dwóch ortogonalnie ułożonych czujników do pomiaru indukcji. Pociąga to za sobą konieczność stosowania dwóch torów
przetwarzania sygnału proporcjonalnego do indukcji, nie eliminując zasadniczej wady
tej metody. Eliminacja jej wymaga zastosowania jarzma magnesującego w układzie
ortogonalnym wraz z niezależnymi torami zasilającym. Wymusza to w efekcie użycia
wyżej opisanego jarzma probierczego i dwukanałowego systemu pomiarowego
z torami zasilania i przetwarzania sygnału proporcjonalnego do składowej stycznej natężenia pola magnetycznego i indukcji. Taka struktura układu pomiarowego odpowiada
ściśle strukturze aparatury do pomiaru dynamicznych właściwości magnetycznych
w polach wirujących. Według autorów jest to jedynie zasadna struktura układu pomiarowego z punktu widzenia poprawności oceny anizotropii właściwości magnetycznych
blach elektrotechnicznych. Jednocześnie podkreślić należy duże jej możliwości pomiarowe. Pozwala bowiem na wyznaczenie wszystkich właściwości magnetycznych blach
elektrotechnicznych w polach:
– przemiennych, nie tylko z znormalizowanych aparatach probierczych
– wirujących w wyżej przedstawionym aparacie probierczym.
Na podstawie przeprowadzonych badań anizotropii właściwości magnetycznych
próbek blach elektrotechnicznych za pomocą:
– nowej metody nie wymagającej przemieszczania próbki i
– metody anizometru indukcyjnego
stwierdzamy dużą zgodność otrzymanych wyników pomiarów. Podkreślić należy, że:
badane próbki, czujniki wielkości magnetycznych i sposób ich pomiaru, obszar pomiarowy próbki oraz tory pomiaru sygnałów były te same. Należy więc uznać, że
różnice wartości zmierzonych wielkości przy dużej dokładności i powtarzalności aparatury pomiarowej powodowane są wyłącznie przez naruszenia struktury: układ magnesujący, próbka, czujniki pola oraz manualną dokładność nastawy obrotu próbki
w anizometrze indukcyjnym. Niepewność nastawy kierunku pola magnesującego dla
nowej metody pomiaru anizotropii z poziomu programu komputerowego jest bowiem
pomijalnie mała w stosunku do nastawy manualnej próbki w przypadku anizometru
indukcyjnego.
Ponadto dla zwiększenia wiarygodności porównań obu metod pomiarowych wykonano bardziej rygorystyczne porównanie. Wyznaczono bowiem anizotropię natężenia pola magnesującego dla stałej wartości indukcji. Podkreślić należy, że szczytowe
435
wartości natężenia pola magnetycznego znacząco ulegają zmianie nawet dla bardzo
małych zmian wartości indukcji. Jednak i w tym przypadku otrzymano również dużą
zgodność wyników niezależnie od rodzaju badanej próbki. Badania porównawcze obu
metod pozwoliły wyznaczyć błąd powodowany metodą anizometru indukcyjnego. Na
podstawie otrzymanych wyników osiąga on praktycznie 10%.
Podsumowując wyniki badań należy stwierdzić, że zaproponowana nowa metoda
pomiaru anizotropii jest poprawna i najbardziej zasadna merytorycznie. Istotną jej
zaletą jest również sterowanie całą procedurą pomiaru z poziomu programu komputerowego systemem pomiarowego. Wszystkie procedury realizowane są automatycznie
bez wpływu obsługi na niepewność uzyskiwanych wyników pomiarów.
LITERATURA
[1] BAJOREK J., BAJOREK R., Computerized system designed to measure the magnetic properties of
the electrotechnical steel in rotational field, VI Krajowe Sympozjum Pomiarów Magnetycznych,
Kielce 2000.
[2] BAJOREK J, GAWORSKA D., KONIAREK J., WĘGLIŃSKI B., Estimation of material’s magnetic
anisotropy and properties using computerized system for measurements in rotational fields, Raport
PRE#11/2004 Instytutu Maszyn, Napędówi Pomiarów Elektrycznych, Politechnika Wrocławska,
Wrocław 2004.
[3] BAKOŃ T., Measuring of magnetic properties of non-oriented silicon steel to allocate for construction of rotating machines, VI Krajowe Sympozjum Pomiarów Magnetycznych, Kielce 2000.
[4] PN-EN 10106:2009 Cold rolled non-oriented steel sheet and strip delivered in the fully processed
state.
[5] SOIŃSKI M., Materiały magnetyczne w technice, COSiWSEP, 2002.
[6] TUMAŃSKI S., Measurement of the anisotropy of electrical steels, VI Krajowe Sympozjum Pomiarów Magnetycznych, Kielce 2000.
A NEW METHOD FOR MEASUREMENT THE ANISOTROPY OF THE MAGNETIC PROPERTIES
OF ELECTRICAL STEEL SHEETS AND THE ARRANGEMENT FOR MEASUREMENT
OF MAGNETIC PROPERTIES UNDER ROTATIONAL FIELDS
The factors affecting the evaluation of the anisotropy of the magnetic properties of electrical sheets
by the induction anisometer method are discussed. A way of eliminating the main drawback of the this
method is presented and a new method of measuring the anisotropy of the magnetic properties of electrical sheets is proposed. The two methods are compared and evaluated. The advantages of the new method
of measuring the anisotropy of the magnetic properties of electrical sheets are described.