线圈设计（共11篇）
线圈设计 篇1
0 引言
线圈整形是电机制造过程中一道重要工序, 其作用是对线圈进行轴向压紧整形, 从而提高线圈的紧密性和抗短路变形能力, 减小线圈的载流导线在工频交变磁场中的振动, 并保证线圈的轴向尺寸达到设计和工艺要求。线圈整形工艺流程并不繁琐, 是典型的顺序控制逻辑, 使用电液或电气控制反而会使设备复杂化, 开发成本高, 不易维护[1,2,3,4]。经研究设计了一种全气动控制的线圈整形机, 满足生产要求, 具有结构简单、维护方便、可靠性和安全性高等优点。
1 线圈整形机整体结构及动作过程
该设备主要由安全门、出力缸到位挡块、出力缸、整形模具、气液增压缸、下压固定机构等部件组成, 如图1所示。
其动作过程为:设备运行→所有机构退回、安全门打开→工人将工件 (电机) 放入整形模具中并手动关好安全门→安全门插销顶出并锁死→下压机构下降将工件固定→气液增压缸工作→推动出力缸前进→带动整形模具顶针伸出到位→保压→出力缸退回→下压机构退回→安全门插销退出→安全门打开。
2 气动系统组成
如图2所示, 该设备气动系统主要由4个部分组成, 分别是安全门开关控制部分、下压机构控制部分、出力缸控制部分和安全门锁死控制部分。各个部分之间的逻辑关系通过气控换向阀、气动延时阀以及单向阀的组合进行约束。出力缸采用气液增压缸将压力增大16倍后驱动, 整形模具顶针输出压力可以调节在4 000 kg~5 000 kg之间。通过调节各部分节流阀开度, 可以改变各工序时间, 工作节拍一般可以控制在20秒以内。
1、6、7.气动延时阀2、15、16.两位五通气控阀3、4、8、9、13、14.单向节流阀5.安全门气缸10.下压气缸11.气液增压缸12.出力液压缸17、20、25.两位三通气控阀18、21单向阀19.安全门插销气缸22.两位三通机控阀23.气源两连件24.两位手动阀
3 气动工作原理
3.1 初始复位过程
两位三通机控阀22由安全门关闭到位机械信号控制, 设备启动后, 阀22处于截止位, 气流从气源件23出来分别到达阀15和16, 此时由于这两个方向阀的气控信号无效而工作于右位, 从而推动下压缸10和出力缸12退回。同理, 从阀25出来的气压, 一路经阀21和2推动气缸5伸出, 将安全门打开, 另一路则经延时阀1延时后到达阀2的气控端, 推动阀2换位, 气缸5退回, 等待再次打开安全门, 初始复位过程完成。
3.2 工作过程
工作过程开始, 工人将工件放入整形模具, 关上安全门, 阀22接通, 气压分四路分别控制, 一路控制阀25关闭, 为工作完成后再次打开安全门做准备;一路经阀20到达针形气缸19将安全门锁住, 以确保安全;第三路经阀17到达15和16的气控端, 推动其换位, 下压缸和出力缸开始按预定速度前进;第四路达到延时阀7, 延时时间设定为工作气缸前进和保压的时间, 阀7接通后, 分别控制阀17和阀20换位, 工作气缸开始退回, 安全门插销复位。之后, 阀6继续延时, 等工作气缸完全退回后, 气压经单向阀18推动安全门打开, 工作过程结束。
4 结语
全气动线圈整形机的设计采用气控方向阀、气控延时阀以及单向阀的合理组合, 实现了一个典型的顺序控制逻辑, 对气动自动化设备的设计和改造具有一定的参考价值。同时, 设计方案考虑了工艺参数的可调节性, 通过改变下压机构尺寸、挡块位置、节流阀开度和溢流阀压力就可以实现不同型号电机的工艺要求, 具有较好的通用性。
参考文献
[1]张世亮.液压与气动传动[M].北京:机械工业出版社, 2006.
[2]刘勇军, 胡瑞玲.全气动自动步进送料器回路设计[J].液压与气动, 2011 (10) :38-39.
[3]杨海荣.全气动摩擦力可调粗糙打磨台设计[J].液压与气动, 2010 (8) :17-18.
[4]胡素云.汽车起动锁动铁芯顶杆专用压铆设备气动系统设计[J].液压与气动, 2012, (2) :56-58.
自主改良加热线圈形状尺寸 篇2
关键词： 热处理；加热线圈；焊缝；力学性能
中图分类号： TG457.11
Abstract： In order to improve the quality of welded joint， reducing temperature difference during the different parts of the welded joint as the head of rail， rail web and the rail flange is our target of grain？refining. We analyzed all kinds of factors about temperature difference as induction coil’s shape and dimension， heating temperature， frequency and power in this experiment. The test results indicate that the induction coil’s shape and dimension is the basis of process parameter optimization. Hong-hai Welding Rail Plant， according to the level of roller line and the actual situation of power control cabinet， the shape size proportion of the induction coil is improved by ourselves. The microstructure and grain size of the weld have been improved remarkably.
Key words： heat treatment；induction coil；weld；mechanical properties
1改良热处理加热线圈的背景
为了检测焊缝热处理加热效果，对钢轨焊接接头取样分析钢轨显微组织和晶粒度，取样部位和尺寸如图1所示，铁标TB/T 1632—2014针对接头力学性能有关规定：轨头和轨底脚晶粒度不低于8级；三角区晶粒度不低于6级。正火后的热影响区宽度应在60～80 mm之间。
红海焊轨厂现先后对热处理的加热温度、电源功率、频率、冷却温度和喷风压力5个参数进行多次不同程度的排列组合，均难以完成对焊缝热处理的工艺参数调试，实现接头力学性能达标的目的。逐渐摸索出：受热处理设备性能参数的影响，功率和频率以及加热温度等搭配的选择性不够，加热线圈的形状以及比例尺寸对参数调试和加热效果有很大的影响，容易导致整个断面的接头加热不均匀。主要表现在：①三角区温度过高，但轨底脚温度过低（测温位置为轨脚边缘10 mm以内），轨底脚温度停留在800 ℃后就难以提升，对操作者作业精度要求较高；②因为轨底脚温度不够而轨脚奥氏体化不完全，导致轨底脚组织晶粒粗大，可以通过焊缝超声波探伤检测出轨底脚晶粒度粗大而引起的粗晶波；③加热时间过长而引起的热影响区宽度过宽，容易使接头在线路上出现类似马鞍形的外观尺寸缺陷。
从多个厂商采购的加热线圈都有着不同程度的匹配差异，难以找到合乎焊轨基地实际工况的理想线圈。因此自主改良热处理加热线圈至关重要。
2热处理加热线圈优化措施
2.1加热线圈改良的依据
基地钢轨焊接采用中频感应加热的方式，加热时不同部位有各自特点： 轨头截面尺寸较大，容易使温度停留在表面，难以达到轨头心部与表面同温。轨底脚边缘处与空气对流强烈，到磁化温度（770 ℃） 以后升温慢。轨腰下部的三角区升温快，散热慢，往往是整个断面温度最高的部位，但温度过高，容易导致晶粒长大。因此保持接头各个部位加热温度相差不大，即接头加热均匀性是改良加热线圈尺寸的出发点。
2.2加热线圈改良细节
对加热的重要工装器具——热处理加热线圈进行改造，原有感应圈以及尺寸如图 2中右侧所示，经过不断的进行修改和尝试，通过试验的方法来验证，最终确定得出的感应圈尺寸如图2左侧所示，两个加热线圈的不同之处在于：加热线圈轨底板的形状变化，呈圆弧状代替直线。轨头、轨腰、轨底脚部位与待加热钢轨各个部位的间距，具体尺寸见表1。优化后的线圈，线圈与钢轨轨底表面的距离增大，减缓了轨底三角区的温度上升速度；轨头部位距离增大，增加了轨头导热时间；轨底脚部位距离减小，保证了加热速度，降低了热量对流，使接头在全断面范围内更加均匀地加热。
3结果检验
3.1为正火工艺参数调试打下基础
为了达到了钢轨全断面加热均匀的目标，改善了加热线圈形状尺寸之后，根据钢轨个各个部位截面尺寸的不同，加热间距不同，保障了接头各个部位心部温度基本相同，建立了参数调试统一性，如实际加热过程中，以轨头温度为测量基准，兼顾了轨腰和轨底等部位的温度值，表2是简单确定了加热温度和喷风压力后，就可确定正火工艺参数，跟之前相比，以轨头加热温度为设置值，为了补偿轨底脚温度而采用大幅提高轨头加热温度的方式，但为了降低轨底三角区温度又采取降低轨头加热温度措施，改良加热线圈尺寸解决了这一矛盾。
3.2宏观检验
利用焊接接头的纵断面硬度试件，对接头进行宏观检验：接头热处理后的热影响区已覆盖原焊接影响区，见图3，以焊缝两侧软化区的内边界硬度值确定的热影响区（图3中双箭头标识）宽度为70 mm，符合60～80 mm的标准。
焊缝处晶粒度检验结果如图4所示，可见焊缝和热影响区显微组织为珠光体和铁素体，未见异常组织，利用焊缝的铁素体网进行晶粒度评级，轨头晶粒度为9 级，轨底中为 7.5 级，轨底角1和轨底角2均为 10级。
3.4日常生产中效果检验
改良后的加热线圈配套工艺参数，样品送专业机构检验合格以后，在生产过程中，对接头轨头和轨底部位日常监控，温控正常，轨头温度设置成910 ℃为控制温度，轨底脚温度可以提高至830 ℃左右，大幅高于770 ℃，表3是改良加热线圈后的生产监控数据，加热温度误差小，加热时间稳定，从而保障了钢轨焊缝热处理质量稳定。
4总结
（1）合理的钢轨闪光焊接头热处理参数能够科学提高焊缝质量，仅进行热处理工艺参数的调试难以实现力学性能达标的目的。
（2）热处理工艺参数调试应该基于合理形状尺寸的加热线圈。（3）自主改良热处理加热線圈更能符合焊轨基地实际工况的要求。
线圈转角平面铣胎的设计 篇3
设计线圈转角平面铣胎, 主要是考虑如何保证胎具体上下平面的平面度, 如何解决工件的定位及夹紧, 以及加工完一件工件后, 如何快速地把工件卸下并快速地装夹下一个工件, 这是此次设计的难点。如果以上的过程在设计胎体时全部考虑充分, 设计出来的胎具就会简单适用、方便快捷。基于以上的设计理念及笔者在设计方面的工作经验, 经反复思考和论证, 成功完成了线圈转角平面铣胎的设计工作。
2 解决的难题
线圈的转角如图1所示。在设计的过程中, 定位和夹紧方式的确定是此次设计的重点。首先要了解加工工件的机床种类, 再次就是确认这个机床加工后的工件是否满足使用要求, 如果全部满足, 只需解决以下3个问题, 即可完成设计: (1) 解决工件的定位问题; (2) 解决工件的夹紧问题; (3) 解决快速装拆问题 (因加工的件数非常多) 。
2.1 定位
如图2所示, 把底板5与定位胎10按尺寸焊接在一起, 然后进行整体退火, 当退火消除所有的焊缝残余应力后, 加工底板5的下平面及F面, 在加工的过程中, 要保证下平面与F面的平面度及粗糙度, F面由于要与转角线圈接触 (转角线圈材质为紫铜) , 所以粗糙度要求很严, 为了满足粗糙度的要求, 需要进行磨削加工, 以保证与底面0.1mm的平行度, 平行度要求比较严格, 主要原因有两点:首先是因为转角线圈本身就很薄;其次, 由于转角线圈将来要与直段线圈一起焊接, 只有0.1mm平行度才能保证焊后线圈的平行度控制在图纸要求的范围内。另外, 为了让转角线圈与定位胎10的接触更加稳定, 在定位胎10上又开了一个腰形槽 (相当于一个空刀) , 这样, 转角线圈的大部分面积与定位胎10就完全接触了, 如果转角线圈全部接触, 平面度反而不易保证。减少了接触面积, 放置就平稳了, 这样, 两条直线段处压紧后, 整个转角线圈的定位就准确了。
2.2 夹紧
夹紧的时候, 采用了图2中的叉环9和顶紧弧形压板2及圆柱销3连接的结构, 叉环9与顶紧弧形压板2如图3、图4所示, 顶紧弧形压板2与叉环9是通过图4中尺寸24配合在一起的, 然后中间插一个φ13的圆柱销, 这样就形成一体了。形成一体后, 再把叉环9通过φ20的尺寸与底板5的φ20尺寸配合, 座在底板5上面, 然后通过2个圆螺母8拧紧固定。用2个圆螺母的目的主要是为了防松。然后再用顶紧螺钉4顶紧在垫片6上。垫片6为45钢淬火件, 镶在底板5上, 做成淬火件的目的是因为底板5的材质为Q235, 强度不高。综上所述, 定位夹紧全部都解决完成。
2.3 快速装拆
如图2所示, 弹簧1是用于拆卸的, 当夹紧力松开后, 弹簧向后一弹, 整体就松开了, 然后把另一件转角线圈快速放置上面, 进行下一件的加工。使用弹簧的另一优点是可以反复操作, 连续作业时, 可迅速压紧弹出, 提高了生产效率。
3 应用效果
此胎具已在很多水、火电站的产品加工中得到应用, 效果非常理想, 一次可以加工两件转角线圈, 而且装夹迅速。在加工过程中, 由于各个组件之间的配合相当好, 加工误差几乎为零, 平行度、平面度及尺寸公差都控制得非常精确, 从而保证了转角线圈的尺寸精确, 确保了整台机组的产品合格。
4 结语
防止开关合闸线圈烧毁的改进措施 篇4
摘要：分析了无人值班变电站内开关合闸不成使合闸线圈烧毁的原因，并介绍了线路保护合闸控制回路自动断开接线的原理及改进方法。
关键词：合闸线圈；烧毁；改进 中
为了使开关可靠合闸，线路保护合闸控制回路常考虑带有合闸自保回路，并没有考虑由于开关合不上，开关辅助接点不到位而解除该合闸自保。这一问题在有人值班变电所内早已存在，如果是就地操作，值班员一旦及时发现故障，可立即取下操作熔丝，避免合闸线圈烧坏。而在无人站，远方操作就无法发现，一旦有开关辅助接点转换不到位，就常现烧合闸线圈事件，这对电网的安全运行极为不利。为此笔者提出一种新的思路，一旦开关辅助接合不到位，经一定时限延时，启动闭锁继电器自动断开合闸回路。
下面就RCS－9611、RCS－9612保护与开关为电磁操作机构的配合为例，简要阐述该闭锁回路的原理接线及改进方法。合闸回路的动作原理
保护控制原理图如图1，其合闸操作回路有：保护合闸继电器BHJ、遥控合闸继电器YHJ、合闸自保继电器HBJ、防跳继电器TBJ、开关辅助接点DL、合闸接触器线圈HC等组成。一旦保护合闸或遥控合闸，正电源经HBJ1、TBJV、HBJ、DL、HC、负电源接通合闸自保，HC励磁后启动合闸线圈将开关合上，开关辅助接点DL转换，切断合闸自保回路。如此时当开关合不上，则开关辅助接点转不到位，合闸自保断不开，合闸线圈则因长期通电，通常电磁操作机构中，合闸线圈直流电阻为2Ω左右，在直流控制电压220 V下，稳态动作电流达100 A以上。轻者合闸熔丝熔断，重者合闸线圈烧坏，严重危及电网的安全运行。合闸回路改进后动作原理
如图1虚线框内，增加HBJ2常开接点、开关辅助接点DL3、时间继电器SJ、闭锁继电器BJ。动作过
程是一旦开关合闸自保，此时，经HBJ2，BJ2，DL3，使时间继电器SJ励磁（时间继电器时限3～5s，可灵活整定），达到时限定值，SJ常开接
点闭合，启动闭锁继电器BJ，其BJ1常闭接点打开，HBJ失磁，解除合闸闭锁回路，同时由于HBJ常开接点打开，时间继电器SJ分压很小而返回，恢复原样。BJ3的常开接点可接入远动遥信，发合闸闭锁遥信信号。为了提高BJ1接点断弧性能，可用闭锁继电器BJ2副常闭接点串联代替使用。阻值的配合
以上从原理上分析了回路的可靠性，而实际控制回路中，继电器的阻值上的配合及继电器实际动作情况如何呢？
RCS－9611，RCS－9612控制回路中，HBJ线圈阻值为9Ω，HC线圈阻值为220Ω，SJ线圈为10 kΩ，BJ线圈阻值为10 kΩ，TWJ阻值为20 kΩ。笔者通过参数的计算得出：在直流控制电压为220V的前提下，HBJ流过电流约1．0 A，压降约10V，而合闸接触器流过电流约1．0 A，压降约210V，同样TWJ继电器压降约10 V，SJ继电器压降约210 V。合闸自保时其直流等效电路如图2所示，实际测量结果也基本与上述相符。结束语
巧用线圈角色 速解自感问题 篇5
1 角色一：通电瞬间——线圈相当于无穷大电阻
【问题情境一】 如图1所示的电路，两灯泡规格相同，接通开关后调节电阻R，使两个灯泡亮度相同，然后断开电路，再次接通.
【现象】 再次接通的瞬间，A2先亮，A1逐渐亮起来.
【原因分析】 由于A2支路为纯电阻不产生自感现象，而线圈L中因为电流增大产生自感电动势，感应电流方向与原来电流方向相反，阻碍A1支路电流的增大.
【自感線圈角色分析】 自感线圈总是阻碍自身电流的变化即对变化电流有阻碍的作用，阻碍作用的大小叫感抗，类似于电路中的电阻.因此，在通电的瞬间，自感线圈就扮演了一个无穷大电阻的角色，阻碍电流的增大.但是只能暂时阻碍，不能阻止，线圈中的电流会从零逐渐增大到稳定值，所以A1支路的电流虽增大的慢一些，最终还是增大了，A1逐渐亮起来.
2 角色二：电路稳定后——线圈就是普通电阻
在【问题情境一】中，当电路再次稳定后，两个灯泡亮度仍然相等.
【自感线圈角色分析】 电流不再发生变化，自感线圈就不会再有自感电动势，这时候，线圈就是一个普通的电阻.具体的阻值以题目中交代的为准.通常有这几种情况：（1）导线，没有直流电阻.（2）阻值很小的电阻（3）与题目中某一个电阻阻值相等.
3 角色三：断电时——线圈充当电源角色
【问题情境二】 如图2所示的电路，灯泡与自感线圈并联在电路中，闭合开关稳定后，再断开开关.
【现象】 断开开关的瞬间，灯泡A逐渐变暗.有时灯泡A会闪亮一下，然后逐渐变暗.
【原因分析】 如图3所示，当电流处于稳定状态时，流过L的电流为I1=Er（电源内阻不计），方向由a→b；流过灯泡A的电流I2=ER，断开S的瞬间，I2立即消失，而由于线圈的自感，I1不会马上消失，线圈总力图维持I1的存在，所以线圈上产生一个b端为正、a端为负的自感电动势，与灯泡组成abcd回路，灯泡不会马上熄灭，甚至有时会闪一下再逐渐变暗.
【自感线圈角色分析】自感线圈总是阻碍自身电流的变化，因此，在断电的瞬间，自感线圈就产生了与原来方向相同的自感电动势，扮演了一个电源的角色，为灯泡供电.断电时，线圈中的电流方向不变，电流由原来稳定时的值逐渐减小，灯泡中的电流等于线圈中的电流，方向与线圈电流构成回路.
4 断电自感拓展分析
拓展一 断电前后灯泡中电流大小及方向的变化
【问题情境三】 如图3所示电路中，L为自感系数很大，电阻为RL的线圈，A为一阻值为RA的小灯泡，已知RL>RA，电源的电动势为E，内阻不计，某物理实验小组的同学们把S闭合一段时间后开始计时，记录各支路的电流，测得流过L的电流为i1，流过灯A的电流为i2，并在t1时刻将S断开，画出了通过灯泡A的电流随时间变化的图象（图4），你认为正确的是
解析 当S闭合时，由于RL>RA，故开始一段时间内，各支路电流之间的关系为i2>i1，流过灯A的电流方向从左向右，S断开时，由于L的自感作用，流经L的电流方向从左向右不变，大小由原来的i1逐渐减小，它与灯A构成闭合回路，由此可知灯A的电流方向与原来相反，大小与L中电流相同，即由i1逐渐减小，故A、B、C错，D对.
【情境说法】 断电瞬间，线圈充当电源，通过线圈的电流方向不变，大小由稳定时的值i1逐渐变小.通过A的电由线圈电流决定，大小与方向都发生了变化：大小i2变成i1，方向由从左向右变成从右向左.
拓展二 探讨灯泡“闪一下”的条件
【问题情境四】 如图5甲、乙电路中，电阻R和自感线圈L的电阻值都很小，接通S，使电路达到稳定，灯泡发光.下列判断正确的是
A.在电路甲中断开S，灯泡将渐渐变暗
B.在电路甲中断开S，灯泡将先变得更亮，然后渐渐变暗
C.在电路乙中断开S，灯泡将渐渐变暗
D.在电路乙中断开S，灯泡将先变得更亮，然后渐渐变暗
解析 选A、D.电路甲稳定时，IL=I灯，断开S时，线圈L与灯泡、电阻R组成临时回路，自感电动势阻碍电流减小，线圈及灯泡中电流逐渐减小，灯泡渐渐变暗，A正确，B错误.电路乙稳定时，IL>I灯，断开S时，线圈L与灯泡、电阻R组成临时回路，由于自感作用，线圈中电流逐渐减小，灯泡中电流与线圈中电流大小相等，先变为IL，后逐渐减小，所以灯泡先变得更亮，然后渐渐变暗，C错误，D正确.故选A、D.
【情境说法】
（1）关键点：断电前后灯泡中电流的比较.
（2）灯泡中的电流是突然变大还是变小（也就是说灯泡是否突然变得更亮一下），就取决于电路稳定时IL与I灯谁大谁小，也就是取决于灯泡电阻R和线圈直流电阻r谁大谁小.
①如果R>r，就有IL>I灯，灯泡会先变得更亮一下才熄灭.
②如果R=r，灯泡会由原亮度渐渐熄灭.
③如果R 5 巧用角色速解题 现在，可以用前面总结的方法，巧用线圈角色速解自感问题了. 【针对训练】 如图6所示的电路中，a、b、c为三盏完全相同的灯泡，L是一个自感系数很大、直流电阻为零的自感线圈，E为电源，S为开关.关于三盏灯泡，下列说法正确的是 A.合上开关，c、b先亮，a后亮 B.合上开关一会后，a、b一样亮 C.断开开关，b、c同时熄灭，a缓慢熄灭 D.断开开关，c马上熄灭，b闪一下后和a一起缓慢熄灭 【思路探究】 （1）闭合S时，电路中形成几个回路？哪个回路中含有自感线圈？ （2）断开S时，线圈与哪些灯泡组成回路？ （3）利用角色分析：当电路接通瞬间，自感线圈相当于断路；当电路稳定时，相当于电阻，如果线圈没有电阻，相当于导线（短路）；当电路断开瞬间，自感线圈相当于电源. （4）断电自感现象中，灯泡闪亮与否，要看断前L中的电流与灯泡中电流的关系. 解析 闭合开关S时，由于线圈L的自感作用，流过a灯的电流逐渐增大，所以a灯后亮，b、c灯与电源构成回路，所以b、c灯先亮.故A正确，合上开关一会后，电路稳定，L是一个直流电阻为零的自感线圈，可视为导线，a、b灯完全相同，并联电压相同，故a、b灯一样亮，故B正确.断开开关瞬间，a、b灯与线圈构成闭合回路.由于L的自感作用，a、b灯的电流要逐渐减小，故c灯马上熄灭，a、b灯缓慢熄灭，C错误.由于电路稳定时，a、b灯中电流相同，故b灯无闪亮现象，D错误. 1 Rogowski线圈带电压负反馈模拟积分器 Rogowski线圈配合电压并联型负反馈的模拟积分器构成的检测系统的等值电路[8,9,10],如图1所示。 图1中,R0是Rogowski线圈自身的电阻;L0为线圈的自感;C0为等效分布电容;Ra为取样电阻;LM为线圈与被测载流导体之间的互感,取决于线圈的结构参数。电阻R、电容C、反馈电阻Rf以及运放A构成电压负反馈的积分器,RL是积分器的负载电阻。 u(t)是理想Rogowski线圈的内电势,是被测电流的微分函数,即 u0(t)是Rogowski线圈输出,且Ra+R0垌jωL0,即 u1(t)是积分器的输出,且Rf垌R,可以导出 从式(3)可以看出,在理想状况下,只要合理选择电路参数,该电路就可以真实反映被测电流。 但在实际应用中,稳定性问题是影响模拟积分器应用的一个重要问题。由于运放存在失调电压、失调电流等非理想因素,这些直流量经过积分电容的不断累积,将在输出端产生叠加在有用信号上的斜坡输出,严重影响电路的精度。 考虑运放的失调电压、失调电流时,积分器的实际输出应表示为 其中,UIO为失调电压,IIO为失调电流;δ为失调引起的测量误差, 在Simulink中构建仿真电路模型。根据实际制作的Rogowski线圈,仿真计算用相关参数如下:R0=270Ω,L0=21.56 mH,C0=0.12 n F,Ra=10 kΩ。对照图1所示积分电路,选择参数R=10 kΩ,C=1μF,Rf=1 MΩ,运放A选用OP07。在常温时,OP07的失调电压为30μV,失调电流为0.4 nA,因此UIO》RIIO且则 仿真中在积分器输入端添加30μV直流信号,用于模拟OP07的失调电压UIO。 当i(t)=sin 5ω0t(ω0为基波角频率)时,被测电流i与积分器响应电流ir波形如图2所示。 当i(t)=sin10ω0t时,被测电流i与积分器响应电流ir波形如图3所示。 从仿真输出波形可见,随着被测电流信号频率的增加,图1所示积分器的响应电流畸变将越严重。 2 新型积分电路 一种Rogowski线圈用新型积分电路见图4。 选择漂移特性和精度一致的运放OP07和其他器件,则所构成积分器的漂移特性也大致相同。图4中采用A1、A2构成积分器组,A1对信号积分,A2对地积分,之后通过减法器1相减,可很好地消除零漂对积分电路造成的影响。同时,信号由OP07的正向输入,利用正向输入阻抗大的优点,使得Rogowski线圈不需提供大的信号电流就能驱动下级电路。 图4中,u0(t)为Rogowski线圈输出,u1(t)为积分电路的输出,有 由此可得积分器的输出为 为计算零漂对积分电路的影响,将减法器输入端均接地,如图5所示[11,12,13,14,15]。在失调电压UIO、失调电流IIO的作用下产生一个失调输出电压,记为U0,设运放的开环增益为无穷大。图中IB为输入扰动电流。 由电路图5可得: 整理式(8)可得: 显然,失调输出电压的大小受失调电压、失调电流的影响,为使减法器的零漂为零,可以得到减法器电阻参数的计算表达式为 将UIO=30μV,IIO=0.4 nA代入上式得R=150 kΩ。 在Simulink中构建图4所示新型积分电路的仿真模型,为了观测检测电路的稳态、暂态特性,可以加入一个模拟的故障电流和模拟的运放失调电压UIO来检验它的跟随特性。假设故障电流如下: 模拟的故障电流i(t)中含有工频、倍频分量以及非周期分量,可以较好地考核新型积分电路的响应性能,仿真结果如图6所示。为便于对比,图中的输入波形进行了上移。可见,输出信号能及时响应故障电流的变化,说明设计的新型积分电路具有较好的暂态、稳态响应特性。 3 结论 早在1980 年,Merton等人[1]通过表面电极,利用瞬时高压脉冲电流刺激人体大脑运动皮层,并在相应的部位几乎同步的检测到了运动诱发电位(moto evoked potential,MEP)。这种方法叫做经颅电刺激(transcranial electrical stimulation,TES),它存在一个很大的问题,就是这种瞬时大脉冲电流会让人体产生较强的不适感。1985 年,Barker和他的同事们[2]首次成功地利用瞬时大脉冲的外部磁场刺激人体大脑运动皮层和外围神经。这种非侵入性、无痛的磁场刺激方法叫做经颅磁刺激(transcranial magnetic stimula-tion,TMS)。相对于电刺激,经颅磁刺激更容易实现脑深部刺激,人体不适感很小且与人体无接触[3]。这种技术一经问世,便引起了强烈的反响,并迅速发展成为一种非侵入性的研究人体神经系统的强有力工具。经过三十余年的发展,经颅磁刺激已经被广泛地应用到科学研究和临床治疗领域,特别是重复经颅磁刺激(re-petitive transcranial magnetic stimulation,r TMS)在研究和治疗抑郁症、帕金森病、癫痫、神经性疼痛、脊髓损伤和脑卒中等临床疾病中发挥着重要的作用[4]。Ros-sini等人[5]总结了经颅磁刺激技术在未来临床应用中的3 个关键领域:在神经疾病的治疗中人为地改变大脑皮层的兴奋度,研究在认知任务中皮层区域的功能映射,治疗精神疾病。 经颅磁刺激仪有两个重要组成部分:提供大脉冲电流的能量发生装置和产生大脉冲磁场的刺激线圈。目前临床和科研中广泛使用的线圈有两种:圆形线圈和8 字型线圈。尽管这两种线圈具备很多的优点,但在需要精确刺激靶点神经区域的情况下,这两种线圈并不能提供良好的空间分辨率[5-6]。线圈产生的磁场在空间散布范围很大,这会刺激到目标区域以外的神经组织,产生无法预料的后果。而且线圈产生的磁场随着离开线圈表面距离的增加迅速衰减,所以无法对脑深部神经区域进行有效的刺激。为了提高磁场的聚焦性,并实现深部脑刺激,科学家们设计了多种线圈的结构。 本研究对不同的线圈结构进行分析研究,为以后磁刺激线圈的设计提供参照和依据。 1 经颅磁刺激线圈 1.1 圆形线圈 圆形线圈如图1所示,它是临床和实验中最常用的并已经实现商业化的线圈之一。它产生的磁场如图2(a)所示,围绕线圈的中心轴呈对称分布。线圈中心处电场强度为零,圆形线圈电场分布如图2(b)所示。电场强度的最大值出现在线圈的平均半径处。实验数据表明,随着线圈尺寸的增加,线圈的刺激深度增加,但磁场的聚焦性下降[7]。因此在线圈的设计中,应根据所需要的刺激深度和聚焦性要求,选择最优的线圈尺寸。 (线圈S结构:内径20 mm,外径62 mm,21匝) 1.2 “8”字形线圈 8字形线圈如图3所示,由两个共面的通有相反方向电流的圆形线圈组成。它所产生的磁场强度在空间的分布如图4 所示。它产生的电场分布如图5 所示。由图5可知,8字形线圈产生的电场有两类峰值:位于两线圈交界处的主峰和位于两侧的侧峰。主峰的幅值约为侧峰幅值的两倍。这一特性使得8字形线圈的聚焦性远优于圆形线圈。所以8字形线圈在实验和临床中的到了更广泛的应用[8-9]。陈勇等人[10]对8字形线圈的一些变形结构所产生的磁场进行了有限元分析,得到了适用于刺激平面区域和适用于精确刺激目标点的线圈结构。 (线圈D结构:内径56 mm(每环),外径87 mm,匝数9(×2)) 1.33D微分线圈 3D微分线圈如图6所示,由三部分组成:8字形线圈单元、2个侧翼单元、1个底部单元。底部单元位于8字形线圈单元中心处,两个侧翼单元分别位于8 字形线圈单元的两侧,且与底部单元共面。8 字形线圈单元和底部单元产生用于磁刺激的磁场。两个侧翼单元中通有方向相反的电流,产生的磁场相互叠加,用于阻止磁场在空间的散布,提高聚焦性。与圆形线圈和8字形线圈相比,3D微分线圈产生的磁场的空间分辨率得到了很大的提高[11]。 1.4Slinky线圈 Slinky线圈结构的设计灵感来源于Richard Jame发明的机灵鬼(Slinky)螺旋弹簧玩具。Ren等人[12]的研究结果表明,这种特殊的线圈结构所产生的磁场与传统的线圈相比,具有更好的聚焦性。并且这种线圈的电感很小,这使得磁刺激中线圈消耗的能量大大减小[13]。Ren及其同事对不同环数的Slinky线圈(如图所示)进行建模计算,结果发现随着环数的增加,线圈产生的电场(如图8 所示)主峰值不断增加,侧峰值相对减小,这使得线圈的聚焦性得到了加强。 1.5多信道磁刺激线圈 多信道磁刺激线圈由多个小线圈组合而成,每个线圈产生的磁场相互叠加,产生用于磁刺激的磁场。通过调节每个线圈中电流的强度和方向,多信道线圈使得磁刺激操作人员可以人为地调制磁场在空间的三维分布形态,并且在不移动线圈的情况下改变刺激位置。通过这种方法,操作人员可以借助计算机辅助设备得到期望的磁场分布形态,并且同时刺激多个目标区域。小线圈磁场的相互矢量叠加能够极大的提高磁场的聚焦性。但是多信道线圈存在的一个严重缺陷,就是能量的高消耗率和低利用率。大部分的能量或者转化成了热量或者储存在了放电电容中,只有很小一部分传递到了所要刺激的目标区域中[14-16]。 1.6带有屏蔽板的8字形线圈 为了提高磁场聚焦性,研究人员设计的带有屏蔽板的8字形线圈[17]如图9(a)所示。该屏蔽板如图9(b)所示,由中央带有矩形窗口的铜板制作而成。该屏蔽板能阻止在在空间散布的磁场刺激到非目标区域的神经组织,只允许磁场从矩形窗口通过(带有屏蔽板的线圈磁场分布如图10 所示),刺激靶区神经组织。通过改变矩形窗口的尺寸,便可以得到不同的磁场空间分辨率。屏蔽板的引入极大地提高了磁场的聚焦性。 2 深脑刺激线圈 大量的研究结果表明,大脑的深部区域对于研究治疗抑郁、运动障碍和强迫症等疾病有至关重要的作用[18-21]。普通的线圈产生的电场是距离的函数,随着距离的增加,电场强度迅速衰减[22-25]。这使得传统的经颅磁刺激只能局限于大脑皮层表层。虽然通过增加电流的强度能够提高刺激深度,但目前商业化的磁刺激器还无法提供如此高强度的电流。而且太高强度的电流会产生难以预料的副作用。因此非常有必要设计专门应用于深脑刺激的线圈结构。 Roth等人[26-28]设计了H型线圈,并通过理论计算和体模测量来评估其性能。他们的研究结果显示,H型线圈能够在不增加电场强度的前提下有效地刺激深脑区域。特殊的线圈结构和较大的线圈尺寸使得H型线圈产生的电场衰减比较慢,所以它能够刺激到大脑内部5 cm~7 cm的区域,而且不会产生不适感和其他的不良反应。 一些设计人员提出在线圈中加入高磁导率的铁芯,这样可以大大增加磁场的强度,有限元分析结果证实了这种方法的可行性[29]。 另一种深脑刺激线圈:双锥型线圈如图11 所示。在8 字形线圈中两个圆形线圈共面,而在双锥型线圈中两个圆形线圈呈95°。这种特殊的角度设计和较大的线圈尺寸使得双锥型线圈产生的电场在大脑3 cm~4 cm处仍然能够保持足够的刺激强度[30-31]。 在深脑磁刺激中,神经组织中磁场的强度和磁场强度的衰减率与线圈各部分相对于大脑目标区域表面的方向有很大关系。研究人员使用容积导体研究这种关系的时候,发现线圈结构中垂直目标组织表面的那部分结构会在组织表面产生电荷,这些电荷的积累反过来又会减弱线圈产生的电场[32,33,34]。因此在设计深脑刺激线圈的时候要尽量使线圈的各部分结构平行于组织表面,减少线圈中与组织垂直的结构。另外,研究人员在刺激外围神经系统的时候发现,当磁场沿着神经纤维的方向施加刺激时,刺激效果比沿着其他方向要好。 3结束语 目前道路车辆检测主要以视频检测器、红外检测器及磁感应式检测器为主[3]。视频检测器是以车辆检测技术、摄像机和计算机图像处理技术为基础,大范围地对车辆施行检测和识别,但在晚上以及恶劣气候环境下,检测的精度就显著降低,环境适应的能力较差。红外线检测器是悬挂式或路侧式车辆检测器,这种检测器具有快速准确、轮廓清晰的检测能力,其缺点是工作现场的灰尘、冰雾会影响系统的正常工作。而环形线圈检测器却能够避免天气和能见度的影响,夜间依然正常检测,具有其他检测器无法比拟的优势,但是由于大型车辆的线圈频率曲线不规则,以及遇到车流拥挤的路况时,线圈的检测准确度降低。为了降低对大型车的误检率,改善车流拥挤时的计数精度,设计了一种基于线圈的嵌入式车辆检测器,能够有效提高检测的准确度。 1系统设计原理 车检器由电磁感应原理实现,利用由环形地埋线圈构成回路的耦合电路对其振荡频率进行检测。 震荡频率的计算表达式为 式( 1) 中,L为线圈的电感量; C为震荡电路中的等效电容值。 当线圈上方有车辆经过时,车体内产生涡流反应占主导作用,减少线圈电感量,此时震荡频率增大,由此可判定是否有车辆通过[4]。 由于环境因素的变化,设计在运行中不断更新基准频率以增加检测的准确度。采用“求导法”解决大型车、拖挂车经过线圈时引起的车检器误触发问题。根据“队列数据结构”的思想,解决实际情况下路面遇 到车流密 度大的车 辆信号配 对的难题[5,6]。 2硬件设计 2.1主体构成 设计主要包括主控板,检测模块、供电模块等。 主控板是基于Cortex-M3内核的高性能LPC1778,通过CAN总线方式与检测模块通讯获得道路交通数据处理并存储,并配备RS232串口方便与其他设备通讯。通过以太网接口可将数据上传给数据中心, 供上位机查看工作 日志。系统整体 结构如图1所示。 2.2检测模块 检测模块采用STM32F103微控制器对外部的四路环形线圈进行检测,使用锁存器74HC14和三极管结合的方式来控制线圈震荡的开启和关闭, T1 ~ T8分别连接至八个线圈,原理图如图2所示。 同一通道内分为上游线圈和下游线圈,采用高速通道顺序扫描,10 ms完成四个通道车辆检测,实现单板二通道工作[7,8]。车道1和车道3同时工作,车道2和车道4同时工作,4个车道内的线圈分时段完成各路信号的采集,有效地避免通道之间的相互串扰问题,并同时增加数据采集速度,提高检测实时性。 2.3网络通信 主控板提供一个10 M/100 M自适应的RJ45以太网接口,用于与数据中心或便携式PC进行数据交换,上位机软件可以通过远程命令控制检测的工作以及及时查看检测工作日志。选用全硬件TCP/ IP嵌入式以太网控制器W5500芯片实现,W5500与控制器之间通过SPI串行通信,原理图如图3。 2.4信息存储 选用MX25L25635F大容量的存储芯片存储系统测量的交通数据,芯片与处理器之间通过SPI串行通信,通过4个IO口实现读写功能,电路原理图如图4所示。 3软件设计 3.1求导法 对车辆是否驶离线圈的判定是最易出错的环节,传统的单一阈值法[9]已经难以满足检测要求, 提出采用“求导法”来降低误检率。车辆引起线圈电感量变化根据车型的不同而变化,因此频率的变化也各不相同。小型车的线圈频率曲线相对规则, 根据不等式 式( 2) 中,fb为基准频率; Δt为设定的阈值。 不等式成立时,可判定此时无车,反之则有车。 然而大型车、拖挂车引起的频率变化曲线较为复杂, 曲线中间段易出现较大波动,此时如果依然根据不等式| f( t) - fb| < Δt来判定有无车辆经过,一辆车则会误检为多辆车,误检率增加。 令f( t) 为t时刻的频率值,f'( t) 表示频率曲线的斜率,f″( t) 表示曲线的凹向特性。如果|f( t) - fb| < Δt,| f' ( t) | = 0和| f″( t) | = 0三个条件有任一条件不满足,则可以判定此时有车经过,若三个条件同时满足,则此时频率曲线平坦,可判定没有车辆经过。 3.2信号配对 在实际道路中,假设车辆先经过上游线圈,后经过下游线圈,两个感应线圈之间的距离为D,D的值不能过小,否则当行驶车辆速度较快时,车速误差就会增大。因此应增加感应线圈的距离,但同时伴随出现了新的问题: 当路面上车流量较大且行驶速度慢时,下游线圈检测到一个有车的有效信号时,上游线圈可能已经检测出下一辆车的有效信号,而且如果D越大,上游线圈检测出来的信号会越多。为了解决此时的车流量计数问题,设计采用“队列数据结构”的思想,通过对上游线圈的信号进行存储,按照先进先出的原则使对列中的信号与下游线圈的信号进行配对,如果配对不成功,则判定为下游线圈为干扰信号,同时将干扰信号清除,具体流程图如图5所示。 3.3工作流程 3.3.1系统软件 内部通讯先由主控板模块发起检测模块进行执行或应答。主控板上电硬件自检完成后,检查配置文件,根据配置文件对检测模块完成设置后开始进入程序循环阶段,程序执行由外部时钟中断触发。 统计数据按照最小统计间隔进行更新,然后计算出相应数据进行上传,以保证上传的数据为最近的统计间隔内的数据。 3.3.2数据采集 检测模块首先进行初始化,然后进行对车辆的实时检测,检测模块程序流程图如图6所示。 4测试效果 借助使用某公司在路段内部埋设的2. 5 m × 1. 5 m线圈进行试验,如图7,随机抽取了3月23日下午测量的某个时间段内车流较拥挤时的交通数据,从表1可以看出,所测数据表明系统在车流密度大时,在速度和车流量检测方面能够保持较好的准确度。 线圈设计 篇6
经颅磁刺激线圈结构设计分析综述 篇7
线圈式车速及车流量检测器设计 篇8
分别选取了三天中的下午时段15: 00 ~ 16: 00, 对此处的车流数据进行统计,如表2,通过车辆检测器所测量的数据与人工统计的数据对比,验证了本系统设计的可行性,尤其对于大型车、拖挂车的检测精确度高。经过分析,所测数据的误差可能来源于车辆行驶经过线圈上方时突然变道等行车不规范行为,下游线圈未触发而导致车辆检测系统出现漏检。 由此可知,交通行驶规范程度也是影响系统检测准确度的因素之一。
5结语
系统在硬件方面采用目前流行的ARM微控制器,详细设计了各个模块的硬件电路,运行速度快, 性能稳定。系统采用四路双线圈输入,高速通道顺序扫描,单板二通道工作,不仅提高了扫描周期,保证了交通数据的实时性,又避免了串扰问题。利用队列数据结构方法提高了车流拥挤时的检测精度, 采用求导法弥补了环形线圈在检测大型车、拖挂车方面的不足,显著增加检测准确度。在接下来的研究中,可以进一步实现车型分类[10],使整个检测系统功能更加完善,为智能交通体系提供更加全面的数据。
摘要：为提高对车辆检测的准确度,设计了一种新型的基于线圈的车速及车流量检测系统。设计应用Cortex-M3内核的高性能ARM平台,选通工作模式实现分时段采集多路通道信号,系统可连接至数据中心,实现远程监控。在软件方面,利用队列数据结构,按照先进先出的原则对上游线圈与下游线圈的信号进行配对。此外,系统采用了求导法,可降低对于大型车、拖挂车的误检,弥补线圈检测技术上的缺陷。测试表明,车辆检测器具有良好的可靠性,检测精度高,具有很高的实用价值。
线圈设计 篇9
1 电流互感器的应用现状
电流互感器的准确度是电力系统计量、保护、检测的重要保证[2]。常规的检测方法是将运行中的电流互感器进行离线处理后, 再对其进行检测和校准。实际情况是, 有些重要的在线运行的电流互感器根本无法停电, 因此, 在线路不停电的情况下实现对电流互感器准确度的在线校准显得尤为重要。
电流互感器在线校准目前主要存在以下两个问题: (1) 现有的在线校准原理需要改进。随着数字化变电站的推广, 电子式电流互感器的应用, 传统的校验装置不能完全满足需要。针对数字量输出的电子式电流互感器, 因为其数字接口、校验装置的原理和结构都需要相应的改进。 (2) 校验方式需要改进。现有的离线定期预防性校验方式, 校验间隔时间较长, 大多只在产品出厂时和使用过程中定期检修, 检验需要停电, 造成巨大的经济、人力资源的损失。由于电子式电流互感器稳定性大大降低, 故障率增加, 校验间隔时间需要大幅缩短, 且离线检验时由于环境的不同, 电磁干扰小, 可能发现不了潜在的故障和隐患, 更不能及时发现故障。
2 基于PCB的电流互感器设计
2.1 磁芯材料的确定
目前所使用的电流互感器磁芯材料一般分为铁芯和空心磁芯两种。
空心线圈与铁芯线圈相比, 空心线圈不存在铁磁饱和、频率响应好、准确度高, 具有稳定的互感系数, 能够更为准确地检测被测电流。但空心线圈的结构、制造工艺、材料等对测量准确度影响很大[3]。
国内外研究表明, 当开口距离在0.1 mm以内时, 可以使得空心线圈准确度在0.05%以内, 而对于铁芯线圈, 随着气隙长度增加, 励磁阻抗急剧下降, 励磁电流上升, 误差增大。因此本文选择空心线圈作为磁芯材料, 并通过仿真分析了适用空心线圈大截面结构对电流测量性能的影响[4]。
对比分析目前使用的几种空心线圈的结构设计、制造工艺及其测量性能, 主要包括普通空心线圈、机制空心线圈及PCB空心线圈, 如图1所示。普通空心线圈是由人工或绕线机绕制, 使得松紧度不够、整齐性差, 准确度低;机制空心线圈采用激光刻蚀方法, 准确度高, 但缺点是制造复杂、灵活性差;PCB空心线圈是今年来兴起的一种新型的空心线圈, 可由CAD软件设计, 准确度高, 基材轻薄、体积小, 磁场分布均匀, 且设计制造灵活, 加工精度较高。综合上述特点, 本文选择PCB空心线圈作为标准传感器的线圈基材。
2.2 空心线圈材料和类型的选择
采用CAD设计软件设计结构形式, 保证PCB空心线圈结构的精确性, 一般采用双面刚性覆铜板 (基材) 制造, 孔位精度一般为50μm, 为了获得较大互感, 基材厚度通常选为3.2 mm左右, 厚度偏差可达±1%, PCB空心线圈测量准确度可达0.1%, PCB空心线圈的热膨胀误差主要由基材Z方向的线膨胀系数决定, 故选用Z方向线膨胀系数小的基材。
PCB空心线圈的结构特点:线圈截面积均匀一致性较好, 线匝规律离散分布并会产生位置误差, 线匝平面垂直于骨架, 线圈导线与骨架为约束耦合, 单层线圈结构。
2.3 电磁干扰的影响分析
空心线圈不含铁芯, 容易受到外界变化电磁场的干扰。将外界干扰磁场分解为与线圈平面垂直和平行的两个分量。
2.3.1 干扰磁场垂直分量的影响
如图2所示, 每一匝小线圈首尾相连, 沿空心线圈圆周形成一个额外的大线匝, 干扰磁场的垂直分量垂直于大线匝, 会在空心线圈的输出端产生感应电势, 从而影响线圈电流测量的准确度。
消除干扰的方法: (1) 绕制一圈与大线匝面积相等、方向相反的回线, 并和线圈输出端相连, 则干扰磁场垂直分量在大线匝和回线中产生的感应电动势大小相等、方向相反而互相抵消; (2) 两组线圈串联, 循行方向相反, 互相构成回线, 进行补偿。
2.3.2 干扰磁场平行分量的影响
如果干扰磁场的平行分量由远场干扰源产生, 则由于空心线圈是轴对称结构, 相互抵消, 不会对线圈产生影响, 如果干扰磁场的平行分量由近场干扰源产生, 则应采取屏蔽措施。
2.3.3 电场的干扰
为抵御电场干扰, 线圈应该装有接地的屏蔽层, 材料的导电性能良好如铜箔。试验证明, 实用空心线圈同样具有较好的抗外界干扰磁场的能力[4]。
2.4 载流导体形状和长度的影响
当载流导体有效长度大于5倍线圈直径时, 可以近似看作无限长直导线[5]。载流导体形状和线圈位置的变化以及空心线圈的磁场屏蔽结构会改变载流导体的有效长度, 从而影响到测量的准确度[4]。
2.5 温度影响
PCB基材厚度越大, 热膨胀系数越小, 所以, 选用厚度较大和热膨胀系数较小的基材来减小PCB空心线圈的温度误差。
2.6 气隙影响
由于空心线圈不存在铁磁饱和, 随着气隙长度增加, 不会产生像铁磁材料的励磁阻抗和励磁电流变化, 影响较小。国内外研究表明, 当空心线圈开口距离在0.1 mm以内时, 可以保证传感头准确度在0.05%以内。
3 基于PCB的电流互感器误差分析
3.1 在线校准系统设计
本文选择双通道同步校验方法, 即标准通道和被测通道, 将标准电流互感器和被校电流互感器的输出分别送到信号采集通道, 并转换为数字信号, 同时送入数字处理平台, 比较两路信号的幅值和相位的误差, 即比差和角差。
该系统主要包括标准通道、被校通道、校验平台3部分。标准通道主要包括标准电流互感器、信号调理电路、数据处理3部分。
标准电流传感器要求实现10 k V配网电压下, 对配网电流20~400 A范围的测量, 其准确度要求为0.1级, 结构类别属于开口钳式电流互感器。
信号调理电路包括放大电路、基准电压电路、去耦电容电路、外加直流电池以及电源接口电路。放大电路需要将标准电流传感器输出的小幅值电流信号放大至易于测量的幅值, 该放大电路性能可靠性和稳定性要求较高, 基准电源电路为放大器提供一个基准电平, 放大电路由一个外加直流电池提供电源, 典型的放大电路如图3所示。
直流电池同时连接到基准电源电路提供的基准电平以及作为接口电路提供的整个放大电路电压, 去耦电容作用于放大器, 滤除高次谐波。由于本文中测量的电流幅值较小, 极易出现噪声、谐波, 需要通过傅里叶变换, 将时域信号转换为频域信号, 将输出信号的高频分量滤除, 仅留下50 Hz以下的信号分量。
积分器采用傅里叶积分, 将放大电路输出后的合适幅值大小的电流信号积分成电压信号, 输送到信号处理部分继续进行比较运算。
3.2 空心线圈位置误差分析
理想空心线圈是将导线均匀密绕在截面积细小均匀的环形非导磁材料骨架上而形成的封闭空心螺线管, 不会产生磁饱和, 因此, 准确度、线性度、抗电磁干扰能力较强, 且频带较宽, 动态范围广[6]。影响实用空心线圈准确度的因素主要包括线匝分布的均匀性、线匝平面与骨架之间的垂直性以及截面积的一致性。
本文通过建模仿真, 研究了线圈性能与线圈截面积的均匀一致性、闲杂的均匀连续性、线圈的集合形状、被测导体位置等结构方面的依赖性, 对实用空心线圈影响因素进行分析研究[7]。
空心线圈和载流导体的理想相对位置是载流导体垂直于线圈平面且穿过线圈中心。当载流导体偏离理想位置时, 会引起输出信号的相对误差, 即位置误差。位置误差又分为:偏心位置误差和倾斜位置误差。其中, 偏心位置误差是当载流导体垂直于线圈平面但不位于线圈中心时造成的误差。倾斜位置误差是当载流导体和线圈平面不垂直, 即具有一定夹角时造成的误差。假设线圈截面高度为h、内径为a、外径为b、线圈匝数为N。
偏心位置误差:载流导体垂直于线圈平面, 载流导体中心Q点到线圈中心O点的距离, 即载流导体偏心距为λ。建立以O点为极点、OQ为极轴的极坐标系。设线圈截面上任一点P (ρ, θ) 到Q点的距离为k。偏心位置误差如图4所示。
k:线圈环径比, 即线圈外径与内径之比;
σ:线圈偏心度, 即载流导体偏心距与线圈内径之比。
当线匝均匀连续分布时, 矩形截面线圈宽度和载流导体偏心度的大小不影响偏心位置误差。
倾斜位置误差:载流导体通过线圈平面, 但并不垂直于线圈平面的情况, 即与线圈平面有一个倾斜角。载流导体与线圈平面的轴线成x角, 设载流导体与线圈轴线MN的交点为O, 在MN上距离O点h处, 考察高度为微元dh的线圈平面。设该线圈平面的中心为O', 载流导体与该平面上的交点为Q。建立以O'点为极点, O'Q为极轴的极坐标系。倾斜位置误差含义如图5所示。
当x=0时, 曲线是一条平坦的直线, 感应电动势沿圆周均匀分布;随着x增大, 曲线越来越不平坦, 说明分布越来越不均匀。
可以看出, 减小电流互感器位置误差的方法是:保证线圈截面积均匀一致, 线匝沿线圈圆周规律分布, 尽可能降低分布的离散性。
3.3 PCB空心线圈误差分析
3.3.1 偏心位置误差
仿真4组匝数N分别为10, 20, 30时, 偏心位置误差与偏心度、环径比之间的关系曲线, 如图6所示。
由以上仿真结果可以得出结论:偏心度在0~0.8之间变化, 环径比在1~3变化时, (1) 当匝数N越大, 偏心位置误差δ (σ) 越小, 当N>30匝后, 偏心位置误差可忽略; (2) 环径比κ越大, 偏心位置误差δ (σ) 越小; (3) 偏心度σ越大, 偏心位置误差δ (σ) 越大。
3.3.2 倾斜位置误差
建立模型内径a=0.025 m, 外径b=0.05 m, 倾斜度, 分别仿真该模型随匝数N变化、当倾斜度在0°~90°之间、环径比κ在1.2~2.8之间变化以及固定环径比k=2不变, 改变内径a、外径b扩大倍数时, 倾斜位置误差的变化曲线, 如图7—10所示。
综上所述, 能够改进位置误差的措施包括: (1) 将多个线圈串联, 在线圈叠放时, 将线圈相互错开一定角度, 以此平衡各个线圈造成的位置误差; (2) 增加线圈匝数, 线匝变密, 连续性增强; (3) 适当增大环径比, 即一定程度增大线圈骨架截面积; (4) 使用固定机构, 减小偏心度和倾斜度。
3.3.3 PCB空心线圈的结构误差
PCB空心线圈实际制造时, 影响几何精度的主要因素为孔位精度 (一般小于0.05 mm) 。它会造成线匝沿径向和圆周方向偏离理想位置, 导致线圈互感发生变化。为独立随机误差。孔位结构误差主要包括径向偏移误差和沿圆周偏移误差两种, 如图11所示。
当内圆上的孔位均向圆心而外圆周上的孔位均背离圆心沿线圈径向偏移相同距离时, 孔位径向偏移结构误差为最大值, 当内圆周上的孔位均背离圆心而外圆周上的孔位均向圆心沿线圈径向偏移相同距离时, 孔位径向偏移结构误差为最小值。如图12—13所示为仿真结果为孔位径向偏移误差极值随环径比和内径a变化的关系曲线。
可以看出, 当内径a在30~60 mm内变化、环径比k在1.5~3之间变化时, 随内径a和环径比k增大, 孔位径向偏移结构误差极值减小。
当内外圆上的孔位沿线圈圆周发生偏移α角时, 若载流导体和线圈处于理想相对位置, 即载流导体垂直于线圈平面且位于中心, 则所有线匝的感应电动势均相等, 不会产生孔位圆周方向偏移结构误差。但是当载流导线偏心或倾斜于线圈平面, 线匝分布的不规律性会产生孔位圆周方向偏移结构误差。
4 结语
本文分析了影响空心线圈准确度的一系列因素, 并建模对其仿真, 画出了包括位置误差、结构误差等在内的多种误差仿真曲线, 研究了干扰磁场等的影响, 设计了一个基于PCB空心线圈的标准电流互感器。该标准电流互感器由多组PCB空心线圈错开角度串联而成, 测量误差小、精度高, 克服了传统开口钳式电流互感器气隙误差大的弱点。
参考文献
[1]张志.电子式电流互感器在线校验关键技术及相关理论研究[D].武汉:华中科技大学, 2013.
[2]陈庆.电子式空芯电流互感器若干关键问题的研究[D].武汉:华中科技大学, 2004.
[3]李红斌, 陈庆, 张明明, 等.一种基于印刷电路板的高准确度Rogowski线圈[J].高电压技术, 2004 (4) :54-55.
[4]王程远.PCB空心线圈电子式电流互感器的理论建模及设计实现[D].武汉:华中科技大学, 2008.
[5]李维波.基于Rogowski线圈的大电流测量传感理论研究与实践[D].武汉:华中科技大学, 2005.
[6]童悦.电流互感器在线校验关键技术研究[D].武汉:华中科技大学, 2011.
线圈设计 篇10
【关键词】感应加热；涡流；ANSYS
Abstract：Research on induction coil heating device in eddy current problems.Through the ANSYS software to analyze the alternating current coil and check in the distribution of eddy current in the coil to produce metal parts.
Keyword： Induction heating； Eddy current； ANSYS
1、电磁感应加热原理
电磁感应加热是一种新的加热方式，其高效性、无污染等优点[1]决定了其在未来工业加热装置突出地位。感应加热装置利用线圈中交变电流产生的涡流对金属工件进行加热。线圈中通入特定的频率的交流电流时，线圈产生相同频率的交变磁场，由楞次定律可知交变的磁场作用到金属工件中，会在工件中产生涡流[2]，其涡流对工件进行加热。
2、ANSYS模拟感应线圈产生涡流
通过文献[2]可知加热装置中电流频率、线圈匝数、线圈和料筒尺寸对涡流的产生有着直接的影响，运用ANSYS有限元分析软件模拟感应加热装置中线圈产生的涡流。取一段机筒模型进行分析材料45钢：机筒外经φ120mm，机筒内径φ50mm；线圈尺寸：内径φ122mm，外径：φ140mm截面尺寸：50mmx20mm；电流频率f：10kHz，线圈电流密度Js：1×105A/m2，网格划分的好坏直接影响到分析的结果，网格划分过细得到及结果更加精确，但过细的网格占用大量的系统资源和分析时间。网格划分只需根据实际情况设定参数[3]。电磁场有限元分析中，材料的各种参数都是分线性的对分析结果具有一定的影响，选择准确的材料参数是得到准确结果的关键。线圈、机筒、空气单元类型为SOLID97，在常温下机筒材料属性[4]相对磁导率：200，电阻率为15.33E-8，保温棉以空气代替。将各材料参数加载到物理模型中对模型进行网格划分，得到有限元模型如图1
2.3线圈产生的涡流
通过加载给定的线圈电流密度Js、电流频率f载荷，然后求解。通过查看分析后处理得到线圈通入交变电流时产生的磁感应强度B的云图分布如图（2）。
线圈在機筒内产生的涡流密度分布如图（3）
3、结束语
本文主要研究了电磁感应加热装置中线圈产生涡流的问题。运用ANSYS有限元分析软件对线圈内涡流进行模拟分析，直观的反应出线圈产生的磁感应强度B、涡流的分布。
参考文献
[1]常士家，注射机料筒电磁感应加热温度数学模型及数值模拟的研究[D].北京：北京化工大学，2010：11-36.
[2]梁文林.感应加热装置[M].北京；机械工业出版社，1981：7-20.
[4]孙朝明，徐彦霖.有限元方法用于涡流电磁场计算的有效性分析[J].无损检测，2006， 28（11）：561-564.
线圈设计 篇11
定子线圈是电机制造的关键部位之一, 真空压力浸渍 (VPI) 技术应用于发电机定子线圈制造, 可以最低极限地降低定子线圈主绝缘内部的气隙率, 从而降低线圈的介质损耗, 增加主绝缘的电气强度, 提高主绝缘的导热性, 减少环境、化学等外因对主绝缘的损伤。目前在国外的大中型发电机制造业中, VPI技术的应用已经相当成熟。国内真空压力浸渍技术最早是在小型电机制造业上应用, 随后推广到了中型电机, 而将VPI技术应用到大型发电机的制造中的企业几乎寥寥无几。线圈在模具中固化或者连同模具一起在真空压力浸渍中固化, 这种VPI绝缘技术具有线圈绝缘机械损伤小、绕组绝缘密封性能和导热性能提高等显著优点。同时也就对模具提出了完全不同于传统模压的设计要求。传统制造的水轮发电机定子线圈多采用多胶热模压的绝缘体系, 每套模具只能压制一根线圈, 生产效率极低, 通过多方面分析VPI绝缘工艺的特点, 本模具摒弃原来一模一压的思路, 而立足于一模多压的基础, 自主设计开发了我公司自己的VPI绝缘压模, 大大提高了市场竞争力。
2 VPI绝缘压模的设计
2.1 该机组产品尺寸、形状分析
(1) 水发定子线圈槽部直线长3 600 mm, 下层长端端线长358.3 mm, 端直距503.25 mm;线棒槽部截面尺寸为:22.7 mm×96.21 mm;引线截面尺寸为:20 mm×116 mm。 (2) 在引线部分有黄铜材质的刚性、L形并头块, 且并头块位置尺寸复杂多样。 (3) 上、下层均含有引出线棒。其并头部分升高、节距与普通线棒均不相同。
综上分析, 整个线棒总长度在公司同类型产品中超长, 线棒本身较重。刚性、L形并头块对线棒在节距、升高等方面有严格要求。无刚性并头块的线棒在上、下层并头方向上公差为±3 mm, 而有刚性并头块的线棒在上、下层并头方向上公差为±1 mm。为提高模具的利用率, 不同位置尺寸的并头套线棒引出线棒需要在同一模具上压制。线圈VPI绝缘压模作为我公司自行开发的模具在设计最初考虑到VPI烘炉的内部宽度空间的限制, 采用将线棒的大面平行于地面的方式来作为设计的基本思路, 这样可在烘炉的内部空间相对有限的情况下可放置尽量多数量的线棒。在将液压设备功率、模具横梁卡子的强度以及线圈本身尺寸等诸多因素纳入考虑后, 我们初步考虑将一模设计成压制12～15根线棒的形式。这种放置方式的优点在于, 线棒压制成型后槽部截面尺寸公差可得到严格控制, 线圈返修率低;但缺点是在端部总是呈一端上、一端下的状态, 这给下一步的浸胶工序带来了不便, 为了解决这个问题, 只能将整副模具在装夹好线棒后做整体90°的翻转, 然后让两端部都朝上。由于模具本身外形尺寸较大, 重心高, 在频繁翻转过程中不仅对模具寿命有影响而且存在一定程度的安全隐患。加上使用单位吊装能力有限, 其极限重量约为5 t。就这一问题, 在该机组上经过计算机动态分析计算, 若采用传统方式设计, 整副模具连带线棒本身的重量约为7.6 t, 大大超过了模具使用单位的吊装能力, 在翻转大型产品时显而易见存在着巨大的困难。且传统的并头端定位设计操作繁琐, 定位基准不稳定, 也不能满足该机组对上、下层并头的严格要求。
2.2 模具结构设计
综上, 通过对产品要素分析, 沿用传统结构显然是不可行的。为了实现一模多压, 经过多方案的比较测试最终选定本模具直线部分采用活动止口组合型腔形式, 通过活动下止口和活动侧止口以及活动上止口的全封闭型腔, 依靠机加工件的精度和互换性来控制槽部线棒型腔尺寸的公差, 活动止口的设计实现了一模多压操作上的可行性。在设计思路上考虑采用线棒小面平行于地面的方式, 使其免于翻转, 而且全封闭的型腔也解决了由于线棒小面定位面小而产生的槽部截面公差合格率低的问题。通过计算, 一模能放置14根线棒, 且把整副模具的宽度控制在1 600 mm以内, 使VPI烘炉可同时放置上、下层两付模具。这样一炉可生产28根线棒, 可有效地提高生产率。
然而一付模具压制十几根线圈的要求又给压力机构提出了新的考验。本模具首次实验用压力机构为传统手动 (风动) 式, 由于操作工人的不稳定性导致首批试压件的直线部分横截面尺寸超差, 产品合格率相对较低, 且工人劳动强度过大, 操作时间较长, 因此我们考虑以液压压紧装置来代替手动压紧装置, 该结构利用液压装置通过螺杆将型腔顶紧, 在将锁紧螺母锁死后卸压, 通过弹簧和锁紧螺母来达到保压目的。经实验数据所得, 每个压紧螺钉在承载压力15 t时, 截面形状均到工艺要求而且操作极为方便, 工作环境无噪音, 由于操作效果非常好, 这种液压结构的卡子也大面积推广于其他类型的模具。实际操作中还出现由于压力过大使立柱、横梁、套筒及螺杆变形开裂, 铰销弯曲的情况, 经多次实验以及通过美国引进的大型结构件分析软件ANSYS有限元程序对VPI绝缘压模进行了详细的强度分析计算, 将结构整体作为分析对象, 选择了三维实体SOLID185单元建立有限元模型。通过3个方案的比较确定了液压系统所需立柱和横梁等结构件的尺寸和材料。本模具最终采用35CrMo和CrWMn等合金钢并施以适当的热处理, 以及控制液压系统的峰值, 有效地解决了上述问题。
端部的截面尺寸要求相对槽部要低一些, 因此模具上考虑放弃全封闭式型腔的方式而采用收缩带包扎夹板的方式来压制, 这样使端部的一模多压成为可能。但是线圈的节距和升高都靠模具精度来控制, 在引线部分压块的结构上最初采用上下块合压的方式, 在实验过程中发现虽然引线部分的半节距角、升高、端直距等主要几何控制目标的数据比较好, 但上下层在并头方向上超差严重。操作者在操作时需要将两层引线一层一层作叠压, 而且由于引线的截面尺寸有一定的松散量, 给线棒的装夹带来了困难, 其叠压过程相对较长, 操作较繁琐, 而且该机组引线高度在116 mm的情况下装夹异常困难。线棒的成功率与操作者的水平有关。因此在线棒小面作为定位基准的情况下如何保证并头尺寸的要求是问题的关键。在比较了多种方案, 并同多方协商研究后采取了如下引线结构:其主要部件由3块厚15 mm的钢板组成, 即:前板、中板、后板。设计原理是将前板和后板作为基准板来控制升高、节距, 中板作为活动板来夹紧线棒引线定位。在操作时先将中板拉开使各槽有足够空间来放置引线头, 将两层引线安放好后用液压压紧装置一次将中板压紧端部定位板定位。整个操作简便易行, 且一次操作即可压紧上下两层引线, 大大节省了操作时间, 同时减少了人为因素, 解决了以往难装夹的问题。在压制引出线棒时只需更换这部分夹紧装置即可实现在同一付模具上完成两种尺寸线棒的压制, 大大节约了成本。由于整个工件呈长齿梳形形状, 属于难加工部件, 为保证所压制各个线圈的一致性以防后序并头不准, 本模具在端头引线部分采用用线切割慢走丝一次成型的加工方式, 并严格控制层间公差减少累积误差, 然而在实际加工时常出现翘曲、变形的问题。在实验过程中发现各板若采用合金调质钢, 即可使零件获得良好综合机械性能, 达到既有高的强度和硬度, 又有足够的塑性和韧性相配合的机械性能, 并能有效延长其使用寿命, 且模具材料成本也较低。因为本模具立足于一模多压, 为保证最终两种成品线棒在升高、节距上的一致性, 并考虑到线棒本身的回弹以及加工工艺的可操作性, 将各槽间距公差控制在±0.2 mm以内。实验证明取得了良好效果。
考虑到模具在一定范围内的通用性, 模具的端部压紧装置可以通过两个方向的腰型槽来调节, 一方面装配时能够准确灵活地调节定子线圈的升高和端线长、端直距等几何尺寸, 另一方面也为后期模具维护、定期检查提供了方便。在机组定子铁芯长度差距不大的情况下, 只要通过仅更换直线部分的定位条和定位板及端部压块就能压制不同机组的定子线圈, 大大节省了模具的制造费用, 具有较好的通用性。
3 结语
该机组水发定子线圈VPI绝缘压模试压一次成功, 产品合格率达98.3%, 各项技术指标均达到国内外同行业先进水平。在充分保证操作安全性的前提下, 提高了产品主要指标的等级。据统计, 引线并头部分的装夹定位比以往节省约1/3的操作时间, 有效提高了生产效率。此结构已实际推广应用于我公司所有的大中型发电机定子线棒的生产上, 进一步提高了绕组的绝缘质量, 保证发电机稳定安全运行, 增强了我公司产品的市场竞争力, 创造了巨大的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]吴晓蕾.大型汽轮发电机定子线圈用真空压力浸渍树脂的应用及性能分析.上海交通大学, 2003
[2]全国大电机水轮机工装技术委员会.大电机水轮机工装设计手册, 1995
[3]付长禄, 杜敏娟, 丁国栋.国内外高电压少胶VPI绝缘的现状及发展方向.科技信息 (科学教研) , 2007 (13)