CN102213753A - 一种快脉冲电压下磁芯磁化特性的测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁芯在快脉冲电压下的磁芯磁化性能的测试方法及装置，采用单位面积单匝馈入感应腔初级的脉冲电压陡度，即V_p/(n·S_e·t_r)作为表征磁芯磁化磁场强度特性的特征参数，通过改变快前沿脉冲电压发生器的充电电压或绕组匝数，测试获得不同特征参数快脉冲电压下的磁芯磁滞回线。本发明的测试装置，包括低电感电容器C、快响应电阻分压器RD1/RD2、短间隙气体开关Gap、初级绕组、次级绕组、电流线圈和外圆柱筒，测试装置能够产生前沿小于20ns、幅值20～80kV的快前沿脉冲电压，达到FLTD和IVA实际工作条件下的磁化磁场强度特征参数值。

Description

一种快脉冲电压下磁芯磁化特性的测试方法及装置

技术领域

本发明给出了一种磁芯在快脉冲电压下的磁芯磁化性能的测试方法及装置，采用单位面积单匝馈入感应腔初级的脉冲电压陡度，即V_p/(n·S_e·t_r)作为表征磁芯磁化磁场强度特性的特征参数，通过改变快前沿脉冲电压发生器的充电电压或绕组匝数，测试获得不同特征参数快脉冲电压下的磁芯磁滞回线。

技术背景

感应电压叠加器((Inductive Voltage Adder，简称IVA)和快放电直线型变压器(Fast Linear Transformer Driver，简称FLTD)在快Z箍缩、闪光照相、强激光、高功率微波和粒子束产生等领域具有广阔应用前景。IVA和LTD共同之处：它们本质上是变比为1∶1的快脉冲变压器，借助于磁芯，利用电磁感应，在次级实现多个初级并联输入电流的叠加和多级感应腔电压的叠加。磁芯为FLTD和IVA的关键部件，起到初次级间能量耦合、电压和能量叠加等作用，其性能直接影响能量传输效率和输出脉冲参数。要获得高的耦合效率，要求磁芯在传递脉冲期间不能饱和、具有高相对脉冲磁导率、低损耗和快时间响应。适于FLTD和IVA的高频磁芯材料主要有坡莫合金、变压器硅钢、非晶态合金等。

IVA磁芯一般采用厚度为25μm的2605Co非晶带材先热磁处理再夹绝缘膜绕制，层间绝缘大于140V，磁环直径约1m，制作工艺复杂，造价高昂，国外对大陆禁运。FLTD磁芯一般采用0.08～0.05mm硅钢先退火再夹绝缘膜绕制，为降低磁芯损耗，国内外正在研制非晶带夹膜或层间涂覆绝缘涂层的非晶磁芯。IVA和FLTD感应腔需要的磁芯尺寸大，如1MA LTD模块磁芯直径约2m、1.5MV IVA感应腔磁芯约1.2m。大尺寸磁芯在研制过程中需要通过试制小尺寸样品磁芯，确定磁芯带材的热磁处理条件、材料、制作工艺，测试其磁化特性，对小样品磁芯磁化性能测试时，要保证测试条件与大尺寸磁芯实际工作条件的磁化磁场强度特性相同。

目前缺乏表征快脉冲电压下磁芯磁化磁场强度特性的特征参数和测试装置， 磁芯性能测试时磁芯的几何参数、截面积、磁环个数和初级作用电压脉冲各不相同，没有表征磁芯磁化磁场强度特性的特征参数，导致无法通过小样品磁环的测试结果推知大尺寸同种材料和工艺磁环在相同工作条件下的脉冲磁化性能，不同测试条件下的磁芯的测试结果无法比较。

发明内容

本发明目的是给出一个表征磁芯磁化磁场强度特性的特征参数，即单位面积单匝馈入感应腔初级的脉冲电压陡度，即V_p/(n·S_e·t_r)，规范磁芯磁化性能的测试条件，建立了快脉冲电压下磁芯磁化性能的测试装置。

只要磁芯材料、热磁处理条件、制作工艺相同，测试时保证磁芯磁化性能测试条件的特征参数相同，则可由小样品磁芯的磁化性能推知同种工艺和材料大尺寸磁芯在相同特征参数的磁化性能。改变测试装置的充电电压或绕组匝数，可以测试同一磁芯在不同特征参数下的磁化性能，便于不同尺寸规格、材料和工艺磁芯磁化特性比较。

磁芯在不同前沿脉冲电压下的磁化特性与激磁脉冲电压的幅值、前沿以及磁芯几何参数、磁化特性参数等因素有关，定义参数α＝V_p/(n·S_e·t_r)，其中V_p为初级激磁电压峰值，n为初级匝数，S_e为磁芯有效截面积，t_r为激磁脉冲前沿。初级激磁电压V_p和次级感应电压V_s与磁芯参数之间有：

$V_p=V_s=\frac{d(n\·B\·S_e)}{\mathrm{dt}}$

对上式取导数可得：

$\mathrm{\α}\≈\frac{{\mathrm{dV}}_p}{n\·S_e\·\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{dV}}_s}{n\·S_e\·\mathrm{dt}}=\frac{d^{2}B}{{\mathrm{dt}}^2}$

可见，特征参数α只与磁芯带材和绕制工艺相关。

本发明的快脉冲电压下磁芯磁化特性的测试方法，包括以下步骤：

(1)被测磁芯装入测试腔体之前，测量得到磁芯的截面积Se、平均环长l，初级匝数n1；

(2)对磁芯绕组施加单极性反向电流使磁芯复位；

(3)给储能电容器充电，触发气体开关Gap，产生快前沿脉冲电压施加到初级绕组，利用电阻分压器RD1测量Vp，线圈Ip测量激磁电流，利用电阻分压器RD2测量Vs，从测量波形得到Vp的峰值、脉冲电压前沿tr，计算得到特征参数：α＝V_p/(n·S_e·t_r)；

(4)由安培环路定律 得到磁化磁场强度： 

(5)由法拉第电磁感应定律，得到磁感应强度： 

(6)以B为纵坐标、H为横坐标，即可获得磁芯在某一特征参数α＝V_p/(n·S_e·t_r)时的磁滞回线；

(7)从B-H曲线可以得到磁芯的反向剩余磁感应强度-B_r、饱和磁感应强度Bs、磁感应腔强度摆幅ΔB＝Bs+Br，平均相对有效脉冲磁导率：μ_Δr＝ΔB/ΔH。

上述的快脉冲电压下磁芯磁化特性的测试方法，可以改变充电电压，输出快脉冲电压幅值相应改变而前沿不变，即可以获得不同特征参数的电压脉冲，重复步骤1-7，完成不同特征参数磁化性能测试。

本发明的测试装置，包括电容器C、电阻分压器、气体开关、初级绕组、次级绕组、电流线圈和外圆柱筒，其特征在于气体开关为短间隙火花间隙触发开关Gap，其与电容器C构成快电压脉冲装置，电容器C、开关S与外圆柱筒为同轴低电感结构，电阻分压器为测量电压脉冲Vp的快响应电阻分压器RD1和测量次级感应电压Vs的电阻分压器RD2，电流线圈为测量初级绕组电流和测量激磁电流的电流线圈Ip。

上述的测试装置由短间隙火花间隙触发开关Gap与电容器C构成产生前沿20ns、幅值20～50kV快电压脉冲装置。

附图说明

图1磁芯磁化性能测试回路，

Vp、Ip-初级电压和电流；Vs-次级感应电压；RD1、RD2-电阻分压器

图2磁芯磁化特性测试装置结构

图3为实验测得的同种非晶带(2605TCA)两种尺寸的磁芯磁滞回线，左面为样品1，右面为样品2

图4为同种非晶带(2605TCA)两种尺寸磁芯相对磁导率

图5(a)为采用本发明方法测量得到的2605TCA非晶带在不同特征参数α下2605TCA小样品磁芯的磁滞回线，图5(b)为不同α下磁芯脉冲相对磁导率μ_r与磁化磁场强度的关系曲线。

图6(a)为2605SA1非晶磁芯不同特征参数下半周期磁滞回线；(b)为2605SA1非晶磁芯不同特征参数下相对脉冲磁导率μ_r。

具体实施方式

为了测试不同特征参数α的不同材料和工艺磁芯的磁化特性，建立了如图1所示的测试电路，电容器C和短间隙火花间隙触发气体开关Gap构成产生前沿20ns、幅值20～50kV快电压脉冲装置，快脉冲电压产生装置的特征为电容器C、开关S与外圆柱筒(粉色)为同轴低电感结构，磁芯测试装置布局如图2。黄色线段构成磁芯初级绕组，其电压脉冲Vp由快响应电阻分压器RD1测量，电流线圈Ip测量初级绕组电流，当次级开路时，Ip即为激磁电流；次级绕组为青色线段，次级感应电压Vs通过电阻分压器RD2测量。

本发明给出的快脉冲电压下磁芯磁化特性的测试方法如下：

1.被测磁芯装入测试腔体之前，测量得到磁芯的截面积Se、平均环长l，初级匝数n1；

2.对磁芯绕组施加单极性反向电流使磁芯复位；

3.给图2储能电容器充电，触发气体开关Gap，产生快前沿脉冲电压施加到初 级绕组，利用电阻分压器RD1测量Vp，线圈Ip测量激磁电流，利用电阻分压器RD2测量Vs，从测量波形得到Vp的峰值、脉冲电压前沿tr，计算得到特征参数：α＝V_p/(n·S_e·t_r)；

4.由安培环路定律 

得到磁化磁场强度： 

5.由法拉第电磁感应定律，得到磁感应强度： 

6.以B为纵坐标、H为横坐标，即可获得磁芯在某一特征参数α＝V_p/(n·S_e·t_r)时的磁滞回线；

7.从B-H曲线可以得到磁芯的反向剩余磁通密度-B_r、饱和磁感应强度Bs、磁感应腔强度摆幅ΔB＝Bs+Br，平均相对有效脉冲磁导率：μ_Δr＝ΔB/ΔH。

8.改变充电电压，输出快脉冲电压幅值相应改变而前沿不变，即可以获得不同特征参数的电压脉冲，重复步骤1-7，完成不同特征参数磁化性能测试。

采用上述方法和测试装置分别测试了同种材料和工艺两种尺寸磁芯在相同特征参数α下的磁化特性。表1为两种尺寸磁芯参数，表2为实验时施加到样品磁芯的脉冲电压及特征参数。

表1两种尺寸磁芯参数

表2施加到磁芯的电压及特征参数α

两种样品磁芯的B-H曲线如图3所示，两种样品磁芯相对脉冲磁导率与磁化磁场强度的曲线如图4所示。

由图3可得：大尺寸磁芯最大磁感应强度摆幅ΔBmax＝3.1T，小尺寸磁芯最大磁感应强度摆幅ΔBmax＝3.2T；由图4可以看出，相同材料与工艺的不同尺寸两种磁芯在相同特征参数电压下的相对磁导率变化一致。

改变电容器充电电压，使触发开关闭合，产生相同前沿不同幅值的激磁电压脉冲，来改变特征参数α，重复测试步骤1-7，获得不同特征参数α下2605TCA小样品磁芯的磁滞回线如图4(a)，不同α下磁芯脉冲相对磁导率μ_r与磁化磁场强度的关系曲线如图4(b)，参数α可以作为表征磁芯磁化磁场强度的特征参量。

图4给出的2605TCA非晶磁芯快脉冲磁化特性测试结果，α＝50.4和α＝67.5时磁芯未完全饱和。由左图可以看出磁芯饱和时ΔB为3.1T，随特征参数增加几乎没有变化；由右图可以看出相对脉冲磁导率μ_r随特征参数增加变化较大，最大脉冲磁导率由1600减小到400，磁芯饱和后μ_r小于50。

采用本发明的方法和装置还测试了不同特征参数下非晶带材2605SA1层间夹绝缘膜的磁芯在不同特征参数α时的磁滞回线如图5。由图5左图可以看出磁芯饱和时ΔB为2.4T，随特征参数增加几乎没有变化；从右图中可以看出，随着参数α增大，最大相对脉冲磁导率由2400减小至750。

具体实施列表明：作用在磁芯初级绕组单位面积、单匝和单位时间的电压：α＝V_p/(n·S_e·t_r)可以用来表征磁芯磁化磁场强度特性，在该参数相同时的磁芯磁化特性的测试结果可以相互比较，也可由小样品推知同种工艺与材料大尺寸磁芯的性能。测试方法和测试步骤可行。测试装置能够产生前沿小于20ns、幅值20～80kV的快前沿脉冲电压，达到FLTD和IVA实际工作条件下的磁化磁场强度特征参数值。

Claims (4)

1.一种快脉冲电压下磁芯磁化特性的测试方法，其特征包括以下步骤：

(1)被测磁芯装入测试腔体之前，测量得到磁芯的截面积Se、平均环长l，初级匝数n1；

(2)对磁芯绕组施加单极性反向电流使磁芯复位；

(3)给储能电容器充电，触发气体开关Gap，产生快前沿脉冲电压施加到初级绕组，利用电阻分压器RD1测量Vp，线圈Ip测量激磁电流，利用电阻分压器RD2测量Vs，从测量波形得到Vp的峰值、脉冲电压前沿tr，计算得到特征参数：α＝V_p/(n·S_e·t_r)；

(4)由安培环路定律□fH·dl＝n₁I得到磁化磁场强度： $H=\frac{n_1\·I_p}{l};$

(5)由法拉第电磁感应定律，得到磁感应强度： $B=\frac{1}{\mathrm{Se}}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}U\·\mathrm{dt};$

(6)以B为纵坐标、H为横坐标，即可获得磁芯在某一特征参数α＝V_p/(n·S_e·t_r)时的磁滞回线；

(7)从B-H曲线可以得到磁芯的反向剩余磁感应强度-B_r、饱和磁感应强度Bs、磁感应腔强度摆幅ΔB＝Bs+Br，平均相对有效脉冲磁导率：μ_Δr＝ΔB/ΔH。

2.如权利要求1所述的快脉冲电压下磁芯磁化特性的测试方法，其特征在于改变充电电压，输出快脉冲电压幅值相应改变而前沿不变，即可以获得不同特征参数的电压脉冲，重复步骤1-7，完成不同特征参数磁化性能测试。

3.一种磁芯磁化性能的测试装置，包括电容器C、电阻分压器、气体开关、初级绕组、次级绕组、电流线圈和外圆柱筒，其特征在于气体开关为短间隙火花间隙触发开关Gap，其与电容器C构成快电压脉冲装置，电容器C、开关S与外圆柱筒为同轴低电感结构，电阻分压器为测量电压脉冲Vp的快响应电阻分压器RD1和测量次级感应电压Vs的电阻分压器RD2，电流线圈为测量初级绕组电流和测量激磁电流的电流线圈Ip。

4.如权利要求3所述的磁芯磁化性能的测试装置，其特征在于短间隙火花间隙触发开关Gap与电容器C构成同轴低电感结构，可产生前沿20ns、幅值20～50kV快电压脉冲装置。

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