漏磁
關注創建者：梔夏_7197 創建時間：2021-04-02
漏磁的視頻教程
Comsol漏磁檢測仿真及原理講解
漏磁檢測的基本原理學習 2. 漏磁檢測的完全參數化建模 3. 非線性材料屬性的設置 4. 通過網格加密得到后處理平滑曲線 5. 后處理磁場分量曲線的提取及磁場云圖的生成 6. 提離值變化對輸出結果的影響
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Comsol漏磁檢測仿真-2D截面仿真模型+瞬態動網格
-2D截面仿真模型+瞬態動網格
漏磁檢測的基本原理學習 2D截面模型的參數化建模 材料非線性設置+動網格設置+求解器設置 通過網格加密使得更好收斂 后處理隨時間變化的磁場分量曲線的提取及云圖的生成 提離值變化對輸出結果的影響
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漏磁的實例教程
考慮霍爾元件YS3503量程±900mT以及靈敏度1.35mV/1GS,故提離值可設為2mm～3mm, 漏磁信號峰值在霍爾元件量程范圍內，且漏磁信號波峰與波谷有較高的區分度。
根據以上分析，霍爾元件相對于磁軛居中放置在距離鋼絲繩2mm～3mm的位置。考慮到鋼絲繩兩側對稱分布磁場，所以霍爾元件也對稱放置進行檢測。而在實際使用中，就需要按照以上位置信息圍繞鋼絲繩一圈放置霍爾元件，成圓周陣列型進行檢測，才能保證全方位到漏磁信號。
圖8 不同提離值下的漏磁信號曲線
4 漏磁檢測優化設計
根據以上仿真結果分析可知，提離值在2mm～3mm時，漏磁信號較好，但霍爾元件距離鋼絲繩很近，在實際測量過程中霍爾元件容易與鋼絲繩表面發生摩擦、震動、抖動等給檢測值帶來干擾。為了解決檢測元件提離值較小的問題，對以上仿真模型進行優化設計，在保證漏磁信號強度的同時，增大提離值。
4.1 聚磁裝置
由于鋼絲繩損傷處的漏磁場在空氣中比較發散，為了使霍爾元件盡可能檢測到更多的漏磁場，本文在原先的結構上相對磁軛居中的位置對稱放置聚磁裝置如圖9(a)所示。聚磁裝置結構如圖9(b)所示，聚磁材料選擇未退火的鑄鐵，其相對磁導率為240,遠大于空氣的相對磁導率1,這樣能夠有效將鋼絲繩損傷處空氣中的漏磁吸引過去。而霍爾元件居中放置在2個聚磁材料的缺口處，便于檢測聚磁后的漏磁場。
圖9 聚磁優化設計
4.2 優化仿真結果對比分析
通過COMSOL對增加聚磁裝置優化后的漏磁仿真模型進行計算，檢測探針提離值由3mm遞增到8mm, 所測得優化后的漏磁曲線如圖10 所示。由此可知，隨著提離值由3mm到5mm時，漏磁信號變小，但到6mm、7mm時，漏磁信號開始變大，最后到8mm時，漏磁信號回落。
展開 摘 要：變壓器的容量增加造成了漏磁的問題，對電能造成了較大的損耗，降低了變壓器的效率，基于此，針對油箱的磁通回路，設計了圓弧形屏蔽結構，采用ANSYS Maxwell軟件對圓弧形屏蔽結構及矩形屏蔽結構進行仿真分析。結果表明，圓弧形屏蔽結構相比矩形屏蔽結構可減小最大磁通密度達50%，降低最大電渦流密度達64%，且不存在邊緣磁通密度集中及電渦流聚集的現象。
關鍵詞：變壓器;漏磁;損耗;弧形屏蔽;矩形屏蔽;磁通密度;電渦流密度;
0 引言
我國各行業的發展離不開電力資源的使用，特別是在煤礦開采中，伴隨著自動化采煤技術的發展應用，對電力資源容量的需求不斷提高，且對電力供應的穩定性要求也逐漸提高。在電力資源的供應中，需要變壓器進行升降壓處理[1]，實現電力資源的高效穩定輸送。近幾年，隨著礦井對電力資源需求的增加，變壓器的容量需隨之不斷增加，造成了鐵芯繞組的磁通量密度增加，產生大量的漏磁[2]。由于漏磁現象的存在，對于變壓器的使用產生電磁波及電磁輻射，不僅危害設備的使用及安全，而且漏磁的存在引起變壓器電能的損耗，造成較大的升溫，不利于電能及設備的綜合利用[3]。采用仿真的形式對變壓器油箱的漏磁進行弧形屏蔽結構的分析，依據漏磁分布的規律改善變壓器的漏磁，提高變壓器的運行效率[4]，以及電能的利用率。
1 變壓器油箱弧形屏蔽結構的設計建模
變壓器容量的增加會造成漏磁增多，在大容量的變壓器中，造成雜散損耗，其中油箱產生的雜散損耗占據了絕大部分[5]，對變壓器的運行使用造成嚴重的影響。針對變壓器漏磁產生的影響，最簡單的方式是降低磁場的強度，這種方式無法滿足實際變壓器運行的需求。為此針對變壓器的內部結構進行優化改善[6]，從而改變漏磁磁場的方向，盡量減小漏磁磁通成為主要的方式。
展開 漏磁內檢測原理：檢測器在管道內部移動時，鐵磁性材料（管壁）在檢測器磁路系統造成的強磁作用下會被磁化接近于飽和，而鐵磁性材料的磁導率因材料缺失影響顯著。當磁性材料沒有任何缺陷時，所有磁通全部通過管體，不會產生磁場泄露；但如果材料中存在缺陷，如裂縫或針孔等，則會導致局部磁導率發生變化，進而導致磁場線的扭曲和磁通的泄露。這些泄露的磁通可以在材料表面或近表面使用適當的探測器檢測到，并經過上位機處理后得到相應缺陷信息。
漏磁檢測原理圖
針對各種管道檢測數據分析，目前面臨缺陷樣本庫尚未建立、缺陷診斷與評估困難等問題。為精準給出缺陷尺寸、位置和種類，亟需開展多種管道缺陷的漏磁內檢測有限元仿真模擬，建立仿真缺陷樣本庫，為缺陷診斷與評估提供依據。
二、管道漏磁內檢測仿真APP解決方案
本案例以管道裂紋缺陷為例，采用多物理場仿真PaaS平臺伏圖對管道漏磁內檢查過程進行仿真分析，并將仿真模型和流程封裝成仿真APP。本案例對漏磁單元的管壁尺寸、管材磁導率、管徑尺寸、永磁體材料系數、探頭位置（提離值）、軛鐵材料、缺陷位置尺寸進行參數化建模。用戶可以通過變化獲取不同壁厚、不同缺陷位置、尺寸下的漏磁信號，為評估管道缺陷診斷提供理論參考。歡迎在線體驗：管道漏磁內檢測仿真 – Simapps Store – 工業仿真APP商店
1、仿真模型構建
漏磁內檢測結構單元由基體、磁鐵、磁鐵蓋板、鋼刷、探測器組成，下圖為漏磁內檢測單元的簡化模型。
漏磁內檢測單元模型
漏磁內檢測全模型
2、仿真參數定義
管道厚度、長度、空氣域半徑、探測器尺寸、缺陷尺寸、缺陷位置均可參數化設置，詳細幾何參數見表。
展開 為深化軸向電磁力的產生機理分析，對一臺樣機運行于額定工況時的繞組端部漏磁和永磁轉子分段移位磁極間移位面漏磁引起的軸向電磁力進行仿真實驗，圖1和表1為樣機的結構示意圖和主要參數，假定水平方向為Z軸方向，坐標原點為電機中心點。
(a) 外形結構
(b) 永磁體拓撲結構
圖1 樣機結構示意圖
表1 樣機的主要參數
圖2為永磁轉子端部軸向電磁力仿真結果，當永磁轉子不分段移位斜極時，電機兩端繞組端部對應的軸向電磁力幅值相同，方向相反，合成軸向電磁力約為0.25 N，近似為零。當轉子分4段移位斜極后，不平衡軸向電磁力約為6.00 N。
(a) 轉子不斜極
(b) 轉子線性分4段移位斜極
圖2 繞組端部軸向電磁力仿真結果
為分析永磁轉子分段移位磁極間漏磁幅值對軸向電磁力的影響，以一個軸向分4段的永磁電機樣機為例，進行有限元仿真分析。假定第①段與第②段、第③段與第④段的磁極之間無移位，第②段與第③段的磁極之間移位一個3.75°的齒距角，仿真結果如圖3所示。
(a) 磁密分布
(b) 軸向電磁力
圖3 轉子分段移位磁極間的軸向電磁力仿真結果
仿真結果表明，由于①與②、③與④段間磁極之間無移位，磁密相互對稱，段間漏磁極少，幾乎不產生軸向電磁力；當②與③磁極發生移位后，導致磁極之間產生漏磁，磁密分布不再對稱，由此產生不平衡軸向電磁力，其仿真結果為95.78 N。
綜上分析，永磁轉子線性分段移位斜極產生的軸向電磁力主要由繞組端部漏磁和永磁轉子移位磁極間的移位漏磁引起，后者為不平衡軸向電磁力的主要部分。
展開 扭矩減小主要原因有兩方面：1）氣隙增加，空氣磁導率低，磁路磁阻增大，磁力線通過能力減弱；2）在切向結構的永磁同步電機中，轉軸側永磁體端部存在較大漏磁，氣隙長度增加，漏磁也增加。因此，單從輸出扭矩角度考慮，更傾向設計小氣隙電機。扭矩波動減少這是因為減小氣隙后，氣隙磁場諧波分量減小，也同時降低扭矩諧波分量，降低扭矩波動，這有利于改善車輛抖動。
表1 電機參數介紹
圖1 0.6mm氣隙值電機扭矩仿真值
圖2 0.9mm氣隙值電機扭矩仿真值
圖3 0.6mm氣隙值電機氣隙磁密
圖4 0.9mm氣隙值電機氣隙磁密
圖5 0.6mm氣隙電機氣隙磁密FFT分析
圖6 0.9mm氣隙電機氣隙磁密FFT分析
進一步對電機氣隙磁密進行了分析，仿真分析結果如下圖3和圖4所示，分析表明：0.9mm氣隙電機的氣隙磁密較0.6mm氣隙電機諧波分量小，有利于降低電機徑向力波動，減少電機徑向振動，從而改善電機NVH表現。為更直觀的說明氣隙磁密減小量，進行傅里葉分析，如下圖5和圖6所示：
對0.6mm氣隙電機和0.9mm氣隙電機的氣隙磁密FFT分析進行了對比分析，如下圖7所示，分析結果表明在對應階次的幅值，0.6mm氣隙高于0.9mm氣隙，這說明0.6mm氣隙磁密諧波幅值更大，會輻射出更明顯的噪音。
5 試驗驗證
考慮懸置系統對電機NVH的影響，本文的試驗全部在整車上進行，工況為全油門加速工況，即全油門將車速從0加速到整車最高車速。通過麥克風對0.6mm和0.9mm氣隙的電機進行了聲壓采集。聲壓瀑布圖如下圖8和圖9所示。在0.6mm氣隙的電機，聲壓瀑布圖存在明顯“亮點”，說明此處聲壓級較高，而在相同位置，0.9mm氣隙的電機，顏色變淺，說明此次聲壓級降低。
展開 
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但需注意，分段增加會導致軸向電磁力增大和磁漏增加，設計時需精細平衡諧波削弱效果與軸向力影響。</p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">5、核心趨勢與持續挑戰</strong></p><p>轉子設計技術持續演進。多目標協同優化（電磁、機械、熱、NVH、成本）借助AI算法成為主流。
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04 管道漏磁內檢測仿真APP
管道漏磁內檢測技術是一種新型且成熟的管道智能檢測手段。當管壁沒有缺陷時，磁力線被約束在管壁之內，幾乎沒有磁力線從表面穿出;當管壁存在缺陷或材料組織狀態發生變化，會使磁導率發生變化，缺陷處磁力線受排斥會穿出管壁產生漏磁。
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1、仿真模型構建
漏磁內檢測結構單元由基體、磁鐵、磁鐵蓋板、鋼刷、探測器組成，下圖為漏磁內檢測單元的簡化模型。
針對變壓器漏磁產生的影響，最簡單的方式是降低磁場的強度，這種方式無法滿足實際變壓器運行的需求。為此針對變壓器的內部結構進行優化改善[6]，從而改變漏磁磁場的方向，盡量減小漏磁磁通成為主要的方式。在結構的優化改善中，多采用屏蔽的方式進行設計，在變壓器的保護構件表面鋪設一層硅鋼片[7]，將漏磁磁通通過硅鋼片的導磁形成回路，減小對變壓器構件的影響，從而改善變壓器的漏磁現象。
圖4 靜態下電機磁力線分布
圖5 靜態下電機磁感應強度云圖
由于空氣的磁導率遠小于選用機殼材料的磁導率，故認為磁力線僅在于電機系統中流通，可以忽略流向空氣中的漏磁[5]。在設置仿真的邊界條件時，采用狄里克萊邊界條件。由圖6、圖7所示可看出，電機的內外邊界邊緣處沒有磁力線穿越。
圖9 聚磁優化設計
4.2 優化仿真結果對比分析
通過COMSOL對增加聚磁裝置優化后的漏磁仿真模型進行計算，檢測探針提離值由3mm遞增到8mm, 所測得優化后的漏磁曲線如圖10 所示。由此可知，隨著提離值由3mm到5mm時，漏磁信號變小，但到6mm、7mm時，漏磁信號開始變大，最后到8mm時，漏磁信號回落。
穩壓器使用注意事項有：
1.為防止漏磁干擾，穩壓器與使用設備之間放置距離不應少于2米。各種磁性記錄，碟，卡等應遠離本機2米之外，以防意外磁化。
2.穩壓器一般包括輸入端子（A，B，C），輸出端子（a，b，c，n），屏蔽，鐵芯殼接地端子。這些端子在穩壓系統已正確聯接。
3.如負載不平衡度超過20%時在輕載的一相并聯一個電阻性負載使之平衡。
考慮 到電磁鐵周圍漏磁的影響，需設置1個較大尺寸的空氣域模擬電磁鐵正常工作時的外部環境，最后建立1個求解域包圍所有部件。鐵芯、銜鐵和外殼通常采用電工純鐵 DT4 制造，因其磁導率高且易于磁化，剩磁也易消失。線圈采用 銅材料，其它非軟磁材料因導磁性能與空氣相近，可視為空氣。電磁閥的主要參數見表 1，對各部件進行網格劃 分，求解時間為210ms。
磁分路有氣隙存在，Φσ基本上按線性變化，與漏磁相似，其作用在于保證Φ1為正弦波。
