AT522475B1

AT522475B1 - Device for recording losses and inhomogeneities in electrical steel sheets without taking samples

Info

Publication number: AT522475B1
Application number: ATA177/2019A
Authority: AT
Inventors: Pfützner Dr Helmut; Shilyashki Dr Georgi
Original assignee: ViennaMagnetics GmbH
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2020-11-15
Also published as: AT522475A4

Abstract

Zu Bestimmungen magnetischer Verluste und lnhomogenitäten von Elektroblechen ohne Probennahme ist das Blech (1) durch eine einen Magnetisierungsabschnitt (3) umfassende, über Regelung mit einem Computer (11) angespeiste Magnetisierungsspule (3) einer regionalen Magnetisierung ausgesetzt. ln einem kurzen, zentralen Messabschnitt (5) praktisch konstanter Magnetisierung erfolgt eine Bestimmung der Induktion über eine B-Spule (6) und in konsistenter Weise eine der Feldstärke über in Serie geschaltete H-Spulen (8), (9) und (10). Die regionalen Verluste werden aus der Verknüpfung von Feld und Induktion berechnet. lnhomogenitäten in Blech-Querrichtung werden aus den Einzelsignalen der H-Spulen (8), (9) und (10) erkannt, solche in Längsrichtung aus Schwankungen von Feld bzw. Verlusten für nach Blechverschiebungen in verschiedenen Regionen vorgenommene Messungen.In order to determine magnetic losses and inhomogeneities in electrical steel sheets without sampling, the sheet metal (1) is subjected to a regional magnetization by a magnetization coil (3) comprising a magnetization section (3) and controlled by a computer (11). In a short, central measuring section (5) of practically constant magnetization, the induction is determined via a B-coil (6) and, in a consistent manner, the field strength is determined via H-coils (8), (9) and (10) connected in series. . The regional losses are calculated from the combination of field and induction. Inhomogeneities in the transverse direction of the sheet metal are recognized from the individual signals of the H-coils (8), (9) and (10), those in the longitudinal direction from fluctuations in the field or losses for measurements carried out after the sheet metal has been displaced in different regions.

Description

description

VORRICHTUNG ZUR ERFASSUNG VON VERLUSTEN UND INHOMOGENITÄTEN VON ELEKTROBLECHEN OHNE PROBENNAHME DEVICE FOR DETECTING LOSSES AND INHOMOGENITIES OF ELECTRICAL SHEETS WITHOUT SAMPLING

[0001] Weichmagnetische Elektrobleche werden in verschiedenen Breiten hergestellt, welche die Größenordnung von 1,5 Metern erreichen können. Die wichtigsten magnetischen Kenngrößen sind die Ummagnetisierungsverluste P und die Permeabilität u, als Verhältnis von Induktion B und der Feldstärke H. Für die industrielle Produktion und Anwendung ist von besonderer Bedeutung, dass das Elektroblech möglichst homogen aufgebaut ist, indem jeder Region unter anderem gleiche Verluste und auch gleiche Dicke zukommen. Alleine durch unvermeidbare Toleranzen von Walzvorgängen kann es zu relativ starken Dickenänderungen kommen, was sich in einer Inhomogenität auch der magnetischen Eigenschaften äußert. Die Folge sind Streuungen der Kennwerte innerhalb eines Bleches - als Rolle oder Tafel -, aber auch globale Unterschiede zwischen individuellen Blechen. Dies macht Qualitätskontrollen notwendig, die bedeutende Zeitaufwände und Kosten bedeuten können. Soft magnetic electrical sheets are produced in various widths, which can reach the order of 1.5 meters. The most important magnetic parameters are the magnetic reversal losses P and the permeability u, as the ratio of induction B and the field strength H. For industrial production and use, it is of particular importance that the electrical steel is constructed as homogeneously as possible, with each region having the same losses and also have the same thickness. The unavoidable tolerances of rolling processes alone can lead to relatively large changes in thickness, which is expressed in an inhomogeneity of the magnetic properties. The result is scattering of the characteristic values within a sheet - as a roll or sheet - but also global differences between individual sheets. This makes quality controls necessary, which can mean significant expenditure of time and money.

[0002] Qualitätskontrollen der typischerweise 0.2 mm bis 0.5 mm dicken Bleche geschehen unter Anwendung von zwei international standardisierten Messverfahren. Das ältere Verfahren ist der Epstein-Tester. Dabei werden vier Bündel von 0.28 m x0.03 m großen Materialstreifen zu einem quadratischen "Epsteinrahmen" geschlichtet. Er wird durch vier Magnetisierungsspulen (M-Spulen) magnetisiert. Durch vier Induktionsmessspulen (B-Spulen) wird der zeitliche Induktionsverlauf B(t) bestimmt. Der Verlauf H(t) der Feldstärke wird zum Magnetisierungsstrom i(t) linear proportional angenommen, was tatsächlich aber nur in Näherung gilt. Mit einem Wattmeter werden die gesamten magnetischen Energieverluste über die Verknüpfung von Induktionsspannung und Strom gemessen, und daraus die spezifischen Verluste P des Materials berechnet. Die erzielte Genauigkeit ist beschränkt, da die Verluste der Rahmenecken vom Materialtyp abhängen. Quality controls of the typically 0.2 mm to 0.5 mm thick sheets are done using two internationally standardized measuring methods. The older method is the Epstein tester. Four bundles of 0.28 mx0.03 m strips of material are stacked to form a square "Epstein frame". It is magnetized by four magnetizing coils (M coils). The induction curve B (t) over time is determined by four induction measuring coils (B coils). The course H (t) of the field strength is assumed to be linearly proportional to the magnetizing current i (t), which is actually only an approximation. With a wattmeter, the total magnetic energy losses are measured by linking the induction voltage and current, and the specific losses P of the material are calculated from this. The accuracy achieved is limited as the loss of the frame corners depends on the type of material.

[0003] Parallel zum Epstein-Tester wird der ebenfalls standardisierte Single Sheet Tester verwendet. Beim Letzteren wird eine 0.5 m x 0.5 m große Probe durch ein Magnetjoch magnetisiert, von dem angenommen wird, dass es einen verlustfreien, vollkommenen Rückschluss liefert. Die Verlustbestimmung erfolgt analog zum Fall des Epstein-Testers. Die absolute Genauigkeit ist auch hier unbekannt. Sie gilt allerdings als besser, da die Verluste des Joches durch seine äuBerst massive Ausführung - mit Massen von mehreren hundert Kilogramm - stark begrenzt werden. In parallel with the Epstein tester, the single sheet tester, which is also standardized, is used. In the latter case, a 0.5 m x 0.5 m sample is magnetized by a magnetic yoke, which is assumed to provide a loss-free, perfect inference. The loss is determined in the same way as the Epstein tester. The absolute accuracy is also unknown here. However, it is considered to be better, since the losses of the yoke are severely limited by its extremely massive design - with masses of several hundred kilograms.

[0004] Die beiden standardisierten Verfahren haben den Vorteil sehr hoher Reproduzierbarkeit der wattmetrischen Messung. Andererseits haben sie den Nachteil, dass das Eingehen der Ecken beziehungsweise des Joches vom untersuchten Materialtyp abhängt, was nicht korrigierbare systematische Fehler ergibt. Weitere Nachteile ergeben sich aus dem benötigten Schneiden der Proben, wobei Schnittkanten und mechanische Verspannungen zu veränderten lokalen Materialeigenschaften führen können. Letztlich verbleibt auch die Frage, ob die derartig bereitete Probe für das Produkt repräsentativ ist, und ob nicht weitere Proben zu nehmen sind. [0004] The two standardized methods have the advantage of very high reproducibility of the wattmetric measurement. On the other hand, they have the disadvantage that the penetration of the corners or the yoke depends on the type of material being examined, which results in uncorrectable systematic errors. Further disadvantages result from the need to cut the specimens, with cut edges and mechanical stresses can lead to changed local material properties. Ultimately, the question also remains whether the sample prepared in this way is representative of the product and whether further samples should not be taken.

[0005] Schon vor Jahrzehnten wurden so genannte Ganztafel-Messgeräte entwickelt (s. z.B. G.Wollweber: Ermittlung von Ummagnetisierungsverlusten an Elektroblechen mit einem Ganztafel-Messgerät, 1957). Es handelt sich um Versuche, Messungen der Verluste ohne Probennahme vorzunehmen - sowohl an großen Blechtafeln, als auch am laufenden Band, im Rahmen des Produktionsprozesses. Auch dabei werden wattmetrische Messungen eingesetzt, als Hauptgrund dafür, dass die Messergebnisse auf Zwecke des Vergleiches und der Erkennung von regionalen, in Längsrichtung auftretenden Abweichungen vom Sollverhalten eingeschränkt sind. Die absolute Genauigkeit hingegen ist noch schlechter als bei standardisierten Verfahren. So-called whole-sheet measuring devices were developed decades ago (see e.g. G.Wollweber: Determination of magnetic reversal losses on electrical steel sheets with a whole-sheet measuring device, 1957). These are attempts to measure the losses without taking samples - both on large metal sheets and on the running line, as part of the production process. Wattmetric measurements are also used here, as the main reason that the measurement results are limited to the purpose of comparison and the detection of regional, longitudinal deviations from the target behavior. The absolute accuracy, however, is even worse than with standardized procedures.

[0006] In neuerer Zeit wurde vor allem von japanischen Forschern erkannt, dass wattmetrische Messungen prinzipiell ungeeignet sind, korrekte Verlustwerte zu bestimmen. Als alternative, physikalisch korrekte Methode wurden Tangentialfeldspulen (sogenannte H-Spulen) zur direkten Bestimmung der Feldstärke H(t) eingeführt. Außerhalb Japans blieb diese Methode aber ohne [0006] Recently, it has been recognized by Japanese researchers in particular that wattmetric measurements are in principle unsuitable for determining correct loss values. As an alternative, physically correct method, tangential field coils (so-called H-coils) were introduced for the direct determination of the field strength H (t). Outside of Japan, however, this method remained without

Akzeptanz. Von Seiten der Standardisierung wird argumentiert, dass H-Spulen mechanische Beständigkeit fehlt und die Signale schwach und unverlässlich wären. Dagegen wurde schon vor langem in Pfützner et al.: IEEE Trans.Magn.27, 778-785 (1991) aufgezeigt, dass Single Sheet Tester mit 0.5 m breiten H-Spulen tatsächlich sehr stabile Resultate liefern. Auch hier verbleiben aber die Nachteile der Probennahme und die fragliche Repräsentativität einer Probe für das gegebene Blechprodukt. Acceptance. Standardization argues that H-coils lack mechanical durability and that the signals are weak and unreliable. On the other hand, it was shown long ago in Pfützner et al .: IEEE Trans. Magn. 27, 778-785 (1991) that single sheet testers with 0.5 m wide H-coils actually deliver very stable results. Here, too, the disadvantages of sampling and the questionable representativeness of a sample for the given sheet metal product remain.

[0007] Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, die alle oben erwähnten Nachteile bekannter Verfahren in weitgehender Weise vermeidet. Dies wird erzielt, indem das unzerteilte Blech ohne Probennahme über Verschieben in mehreren beschränkten Magnetisierungsabschnitten durch eine Magnetisierungsspule magnetisiert wird, in einem kurzen, zentralen Messbereich definierter sinusförmiger Induktionsverlauf eingeregelt wird, der entsprechende Feldstärkeverlauf in konsistenter Weise durch mehrere in Serie geschaltete H-Spulen bestimmt wird, und die Verluste aus der Verknüpfung von Induktion und Feld berechnet werden. The aim of the present invention is to provide a device which largely avoids all of the above-mentioned disadvantages of known methods. This is achieved in that the undivided sheet metal is magnetized by a magnetization coil without sampling by moving it in several restricted magnetization sections, a defined sinusoidal induction curve is regulated in a short, central measuring range, the corresponding field strength curve is determined consistently by several H-coils connected in series , and the losses are calculated from the combination of induction and field.

[0008] Das obige Konzept hat den Vorteil wenig aufwändiger Realisierbarkeit, nachdem die an den Magnetisierungsabschnitt zu beiden Seiten angrenzenden Blechregionen als "virtuelle" Joche fungieren, womit ein massives Rückschlussjoch entfallen kann. Voraussetzung ist aber, dass die Länge des Magnetisierungsabschnitts über der Breite des Bleches liegt. Um die Abmessungen der Vorrichtung zu verringern, ist für sehr hohe Blechbreiten als Option ein Rückschlussjoch vorgesehen, das die beiden den Magnetisierungsabschnitt begrenzenden Bandregionen außerhalb der Magnetisierungsspule miteinander verbindet. Bei Fertigung aus kristallinem oder amorphen Material liegt seine Dicke um eine Größenordnung über der Blechdicke. Anders als bei standardisierten SSTs hat es aber nur eine das "virtuelle Joch" unterstützende Funktion, ohne Forderung nach Verlustfreiheit. The above concept has the advantage that it can be implemented with little effort, since the sheet metal regions adjoining the magnetization section on both sides act as "virtual" yokes, so that a massive return yoke can be omitted. However, the prerequisite is that the length of the magnetization section is greater than the width of the sheet. In order to reduce the dimensions of the device, a return yoke is provided as an option for very high sheet metal widths, which connects the two band regions delimiting the magnetization section to one another outside the magnetization coil. When manufactured from crystalline or amorphous material, its thickness is an order of magnitude greater than the sheet thickness. In contrast to standardized SSTs, however, it only has a function that supports the "virtual yoke" without requiring any loss of information.

[0009] Inhomogenität des Produktes kann dazu führen, dass der kurze Messabschnitt für eine effektive Charakterisierung der Blechqualität zu kurz ist. Erfindungsgemäß wird dem begegnet, indem die Verluste über mehrere nach Blechverschiebungen vorgenommene Messungen gemittelt werden. Ohne großen Aufwand liefern unterschiedliche Resultate der Teilmessungen Hinweise auf eine Inhomogenität des Produktes in seiner Längsrichtung. Inhomogeneity of the product can lead to the short measuring section being too short for an effective characterization of the sheet metal quality. According to the invention, this is countered by averaging the losses over a number of measurements made after sheet displacements. Different results of the partial measurements provide indications of an inhomogeneity of the product in its longitudinal direction without great effort.

[0010] Um eine physikalisch korrekte Messung zu gewährleiten, sind B(t) und H(t) in für jeden Messabschnitt in konsistenter Weise zu erfassen. Dazu wird um den Messabschnitt eine Induktionsmessspule (B-Spule) angeordnet. Zur Erfassung des Feldes kann unmittelbar an der Blechdeckfläche eine einzige H-Spule angeordnet sein, welche exakt denselben Teilabschnitt der Probe bedeckt. Erfindungsgemäß werden aber vorzugsweise statt nur einer H-Spule mehrere in Serie geschaltete H-Spulen über die ganze Blechbreite so verteilt, dass sie de facto den gesamten Messabschnitt bedecken. Bezüglich der Verluste führt dies zum selben Resultat, ohne Voroder Nachteil. Die Aufteilung ermöglicht aber getrennte Bestimmungen des Feldes für die einzelnen H-Spulen und damit für die entsprechenden Unter-Teilabschnitte des Messabschnitts. Um direkte Vergleichbarkeit zu garantieren, werden vorzugsweise durch automatische Drucktechnik gefertigte Spulen eingesetzt, womit definierter konstanter Gesamtwindungsquerschnitt gegeben ist. Neben einer Kontrolle von Inhomogenität in Längsrichtung des Bleches wird somit auch eine in Querrichtung ermöglicht. Dazu sei vermerkt, dass sich Inhomogenitäten des Materials erfahrungsgemäß durch äußerst starke Inhomogenitäten des Feldes abzeichnen und somit aus ihm mit höchster Empfindlichkeit detektiert werden können. In order to ensure a physically correct measurement, B (t) and H (t) are to be recorded in a consistent manner for each measurement section. For this purpose, an induction measuring coil (B-coil) is arranged around the measuring section. To detect the field, a single H-coil can be arranged directly on the sheet metal cover surface, which H-coil covers exactly the same section of the sample. According to the invention, however, instead of just one H-coil, several series-connected H-coils are distributed over the entire width of the sheet in such a way that they de facto cover the entire measurement section. In terms of losses, this leads to the same result, with no advantage or disadvantage. The division, however, enables separate determinations of the field for the individual H-coils and thus for the corresponding subsections of the measurement section. In order to guarantee direct comparability, coils produced by automatic printing technology are preferably used, with which a defined constant total winding cross-section is given. In addition to checking for inhomogeneity in the longitudinal direction of the sheet, this also enables a control in the transverse direction. It should be noted that inhomogeneities in the material, experience has shown, are characterized by extremely strong inhomogeneities in the field and can therefore be detected from it with the highest sensitivity.

[0011] Die Bilder skizzieren eine mögliche Ausführung des Verfahrens für eine 1 m betragende Blechbreite. Abb.1 skizziert eine Ansicht des Testers, in Blech-Längsrichtung gesehen, Abb.2 eine in Querrichtung betrachtet. Das über Rollenführung eben gehaltene Blech 1 ist in eine auf einen Spulenkörper 2 gewickelte, etwa 1 m lange M-Spule 3 eingeführt. Als günstige Variante weist die Letztere eine lichte innere Weite von 1.01 m auf und eine lichte innere Höhe von 0.01 m. Abb.3 zeigt eine schematische Draufsicht, mit Andeutung des Bleches 1, sowie der verschiedenen an ihr anfallenden Spulen. The pictures sketch a possible implementation of the method for a sheet metal width of 1 m. Figure 1 outlines a view of the tester, seen in the longitudinal direction of the sheet, Figure 2 a view in the transverse direction. The sheet metal 1, which is held flat by means of a roller guide, is inserted into an approximately 1 m long M-coil 3 wound on a bobbin 2. As an inexpensive variant, the latter has a clear inner width of 1.01 m and a clear inner height of 0.01 m. Figure 3 shows a schematic plan view, with an indication of the sheet 1, as well as the various coils occurring on it.

[0012] Während der Magnetisierungsabschnitt 4 des Bleches 1 also 1 m beträgt, beschränkt sich die Bestimmung der Verluste P auf einen viel kürzeren Messabschnitt 5. Er ist mit einer Länge While the magnetization section 4 of the sheet 1 is 1 m, the determination of the losses P is limited to a much shorter measuring section 5. It has a length

von 0.2 m angesetzt, die einerseits klein genug ist, um praktisch homogene Induktion zu bieten, andererseits groß genug, um ausreichende Mittelung über die kristalline Struktur zu garantieren. Zur Erfassung des Induktionsverlaufes B(t) liegt hier unter der M-Spule 3 eine einlagig gewickelte B-Spule 6 mit Abmessungen von 0.2 m Länge, ca. 1.02 m Breite und 0.03 m mittlerer Höhe. Abb.2 skizziert die Option eines Rückschlussjoches 7, das eine schleifende magnetische Verbindung zwischen dem Anfang und dem Ende des Magnetisierungsabschnittes 4 herstellt. of 0.2 m, which is on the one hand small enough to offer practically homogeneous induction, on the other hand large enough to guarantee sufficient averaging over the crystalline structure. In order to detect the induction curve B (t), a single-layer wound B-coil 6 with dimensions of 0.2 m length, approx. 1.02 m width and 0.03 m average height is located below the M-coil 3. Fig.2 outlines the option of a return yoke 7, which creates a sliding magnetic connection between the beginning and the end of the magnetization section 4.

[0013] Abb.3 skizziert auch die Lage von drei H-Spulen 8, 9 und 10 mit jeweiligen Abmessungen von 0.2 m Länge, 0.3 m Breite und 0.002 m effektiver Höhe. Sie sind über die Blechbreite gleichmäßig mit Positionen links (L), Mitte (M) und Rechts (R) verteilt und liefern lokale Feldstärkeverläufe H_(t), Him(t) und HR(t). Figure 3 also outlines the position of three H-coils 8, 9 and 10 with respective dimensions of 0.2 m length, 0.3 m width and 0.002 m effective height. They are evenly distributed over the width of the sheet with positions left (L), middle (M) and right (R) and provide local field strength curves H_ (t), Him (t) and HR (t).

[0014] Den Größen B{(t), Hi(t), Hı(t) und HA(t) entsprechende Spannungssignale werden über ein Kabel einem Computer 11 zugeführt. In bekannter Funktionsweise einer Rückkopplung regelt er über einen Leistungsverstärker 12 die Spannung der M-Spule 3, entsprechend einer sinusförmigen Spannung der B-Spule 6 und somit auch sinusförmigen Induktionsverlaufes B(t) des Messabschnittes 5 des Bleches. Für diesen optimierten Zustand werden die Verluste P vom Computer 11 durch auf eine Periode erstreckte Mittelung über das Produkt H(t) dB/dt berechnet, mit H(t) = [Hi(t) + Hiu(t) + Ha(t)] / 3. Voltage signals corresponding to the quantities B {(t), Hi (t), Hı (t) and HA (t) are fed to a computer 11 via a cable. Using a known feedback function, it regulates the voltage of the M coil 3 via a power amplifier 12, corresponding to a sinusoidal voltage of the B coil 6 and thus also the sinusoidal induction curve B (t) of the measuring section 5 of the sheet metal. For this optimized state, the losses P are calculated by the computer 11 by averaging over a period over the product H (t) dB / dt, with H (t) = [Hi (t) + Hiu (t) + Ha (t) ] / 3.

[0015] Die Erkennung von Material-Inhomogenitäten in Längsrichtung erfolgt durch Messung in verschiedenen Teilabschnitten und Vergleich der entsprechenden Verlustwerte P und Feldstärkespitzenwerte Hs. Die Erkennung von Inhomogenitäten in Querrichtung für einen bestimmten Messabschnitt 5 erfolgt aus Vergleichen der Spitzenwerte His, Hus und HR,s der von den drei HSpulen 8, 9 und 10 für die Positionen L, M und R gelieferten Feldstärke. The detection of material inhomogeneities in the longitudinal direction is carried out by measuring in different subsections and comparing the corresponding loss values P and field strength peak values Hs the field strength supplied by the three H coils 8, 9 and 10 for positions L, M and R.

Claims

1. Device for determining the magnetic losses of electrical steel sheets without sampling, characterized in that the undivided sheet (1) is magnetized by moving it in several restricted magnetization sections (4) by a magnetization coil (3), in a short, central measuring section (5) defined sinusoidal induction curve is regulated, the corresponding field strength curve is determined in a consistent manner by several H-coils (8), (9) and (10) connected in series, and the losses by a computer (11) from the combination of induction and field be calculated.

2, device according to claim 1, characterized in that the sheet metal areas located at the beginning or at the end of the magnetization section (4) are optionally connected by a wiping contact yoke (7).

3. Device according to one of claims 1 and 2, characterized in that differences in the signals of the tangential field coils (8), (9) and (10) are displayed to detect inhomogeneities in the transverse direction and signals measured in the longitudinal direction for different measuring sections (5) are displayed.

1 sheet of drawings