CN106021811B - 一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，通过测量阻抗特性、仿真建模、从仿真阻抗曲线得到等效并联电容，进而计算复数磁导率，实现磁性元件宽频复数磁导率的测量。本发明所提出的磁性材料宽频复数磁导率测定方法，通过将实验测量和仿真分析相结合，克服了分布电容无法直接测量的缺陷，通过仿真确定分布电容，通过仪器测试获得被测件阻抗特性，从而确定复数磁导率，提高了精度，方便易行，降低成本。

Description

一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法

技术领域

本发明涉及一种磁性材料宽频复数磁导率测量方法。

背景技术

磁性材料的宽频复数磁导率对磁性元件的电磁兼容特性具有重要的影响。精确的磁性材料宽频复数磁导率的测量对于磁性元件的产品设计选型及电磁兼容特性的研究具有重要的意义。现有的磁性材料复数磁导率获取方法均是基于实验测试，由于磁性元件分布参数的影响难以消除，因而难以直接通过测量获得磁性材料的宽频复数磁导率。

现有测量磁性材料复数磁导率的方法有：

方法一、终端短路同轴腔法：

低频条件下，通常是在环形样品上绕制测量线圈，即磁芯线圈，进行测量。当导线周围磁场发生变化，样品磁芯电感值也发生变化，由于磁环存在附加损耗，测试回路的能量损耗也会变化，这也导致被测磁芯电阻的变化。为了减少多匝线圈的分布电容，减小损耗，采用单匝线圈制作电感。为了隔离外界电磁场对被测磁环的影响，用单根导线做成一个同轴腔体，外导体作为屏蔽体接低电位端，内导体接高电位端，也同样可以使通电腔体电感和电阻变化。

固定长度的终端短路同轴腔是一个低损耗的集中参数电磁系统，它可以产生一个沿样品径向均匀磁化的环形交变磁场。将被测环形样品套在内导体上并紧贴短路端盖，将中心导体和腔体接到测试仪器后，短路同轴腔可以视为匝数等于l的线圈。当线圈外加交流电压U时，回路中流过交流电流I，根据电磁感应原理，此时产生平行样品表面的磁场。

如图1(a)是终端短路同轴腔测试连接示意图，图1(b)是剖面图，图1(c)是其等效电路，被测样品为圆环磁芯，高度h，外径D，内径d。图中L₀和R₀为空腔电感和损耗电阻，L_X和R_X为被测样品的电感和损耗电阻，它们组成串联等效电路，运用任意仪器测量得到L₀和R₀，L_X和R_X之后，就可计算复数磁导率实部μ'和虚部μ"了。复数磁导率实部复数磁导率虚部复数磁导率μ＝μ'-jμ"。ΔL为样品放入短路同轴腔前后自感之差；ΔR为样品放入短路同轴腔前后的损耗电阻之差，f为测试频率。

方法二、单匝线圈测量法

如图2(a)以及图2(b)，对单匝线圈磁芯建立串联等效模型，用仪器测量得串联等效模型为：

Z＝R_S+jωL_S

式中Rs、Ls分别为被测磁件损耗(包括磁芯损耗与绕组损耗)的等效串联电阻和电感，再从中计算复数磁导率参数。为了减小绕组分布参数以及绕组损耗对测量结果的影响，测试样品的匝数为1匝，因此可近似认为测试结果中的Rs仅由磁芯损耗产生，

从而根据复数磁导率的定义μ＝μ'-jμ"，可将磁芯阻抗的等效串联模型表示为：

式中N为绕组匝数、le为等效磁路长度、Ae为磁芯截面积、f为测试频率。

因而磁芯复数磁导率的实部和虚部可分别表示为：

此方法测试方法简单，但是，实际上线圈和磁芯以及线圈本身存在分布电容，用这种方法并未考虑分布电容的影响，测试所得的复数磁导率并不准确。

上述现有测定复数磁导率的技术实现可分为两部分，一是测量仪器，可采用各类测试仪表如阻抗分析仪，网络分析仪等直接测量电感值，电容值，电阻值，阻抗值，阻抗角等特性参数。第二部分则是被测样品的夹具或样品上绕制的线圈，一是放入短路同轴腔中进行测量，二是采用单匝线圈或绕制多匝线圈。

上述方法一使用同轴腔测量软磁材料磁导率的单匝电感模型，将整个同轴腔等效为一个集总电感具有一个隐含的限制条件，即试样加载的同轴腔尺寸必须远小于测量信号波长。这一隐含条件使得模型不够精确，也限制了同轴腔的可用频率上限，并且忽略了同轴腔外导体截面突变以及试样在同轴腔中位置的影响。

电感线圈分布电容对磁芯磁导率测量结果具有很大的影响，特别是在相对较高的频段。而方法二并未考虑分布电容的影响。

总的来说，现有电气法测试磁芯参数的局限性：

1.若采用多匝线圈绕制磁芯的方式来测量，磁芯线圈分布电容较大，导线铜损也会增大，在高频下有很大的寄生参数，难以得到真实的测量结果。

2.利用短路同轴腔虽然可以有效的屏蔽外界的电磁干扰，但是存在应用频率上限，且在高频下，比起单匝线圈寄生参数会更大。同样难以消除分布参数的影响。另外，需要购买专门的短路同轴腔夹具，成本高昂。

另外，现有磁性元件仿真存在以下局限：

1.磁芯材料的分散性：由于磁性材料制作工艺的限制等问题，材料内部分布可能不均匀。在仿真建模时，默认都是均匀分布的材料。

2.手工绕制线圈的分散性：绕制多匝线圈时，由于人工的不可控性，无法做到等间距绕制，仿真模型难以模拟。

3.磁材料的材料参数的局限性：厂家提供的数据手册中复数磁导率的频率范围通常在2MHz之内，对于工作频率是足够的，但是对于传导频率范围的EMI仿真分析则难以满足要求。

现有测试方法均采用实验设备或仪表来测定复数磁导率，难以消除高频段寄生参数带来的误差影响。而现有的磁性元件在传导EMI频段的仿真建模效果也无法很准确的拟合实际参数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁性材料宽频复数磁导率测量方法，以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，按照如下步骤实现：

步骤S1：在一被测磁芯绕设一绕组，构成一个被测电感样品，测量所述被测电感样品的测量阻抗频率特性曲线Z(f)；

步骤S2：通过电磁场分析软件，建立与所述被测电感样品结构一致的仿真模型，仿真获得仿真等效并联电容C_EPC；

步骤S3：通过所述测量阻抗频率特性曲线Z(f)和所述的仿真等效并联电容C_EPC获得被测磁芯材料导纳特性，其具体计算方式为：

步骤S4：根据所述被测环形电感样品的磁芯材料导纳进一步获得磁性材料的复数磁导率。

在本发明一实施例中，在所述步骤S1中，所述被测磁芯为环形磁芯。

在本发明一实施例中，在所述步骤S1中，所述绕组为单匝绕组。

在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，所述电磁场分析软件所建立的模型应与所述被测环形电感样品结构一致。

在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，所述电磁场分析软件为一能同时分析电场和磁场的分析软件。

在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，采用所述仿真模型获得的仿真阻抗特性曲线低频段计算电感。

在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，所述低频段为所述仿真阻抗特性曲线中第一个谐振点前的频段，该频段阻抗随频率呈现线性变化。

在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，采用所述仿真阻抗特性曲线的第一个谐振点计算所述仿真等效并联电容CEPC。

在本发明一实施例中，在所述步骤S4中，具体计算复数磁导率方法如下：根据环形磁芯电感计算公式：其中，μ₀为所述环形磁芯样品的真空磁导率，N为绕组匝数，le为等效磁路长度，Ae为磁芯截面积，f为测试频率；相对复数磁导率磁导率为：μ_r＝μ′-jμ″，通过相对复数磁导率定义分别计算出实部和虚部：

相对复数磁导率实部：

相对复数磁导率虚部：

则相对复数磁导率：

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明所提出的一种磁性材料宽频复数磁导率测量方法，通过仿真可以获得较为准确的等效并联电容，克服了现有技术中寄生电容无法直接测量的缺陷。并在一定程度上排除测试设备带来的寄生参数和外部环境中电磁干扰造成的误差。且采用单匝线圈测量阻抗时，制作简单，模型也简单，寄生参数少，不需要购买专用的短路同轴腔，极大地节约了成本，实验和仿真都很简单便捷，有很强的实用性。

附图说明

图1(a)为现有技术第一种测试方法中终端短路同轴腔连接示意图。

图1(b)为现有技术第一种测试方法中同轴腔剖面图。

图1(c)为现有技术第一种测试方法中等效电路。

图2(a)为现有技术第二种测试方法中设备连接图。

图2(b)为现有技术第二种测试方法中磁芯串联等效模型。

图3为本发明中单匝线圈电感的电感高频模型示意图。

图4为本发明中磁性材料宽频复数磁导率测量方法的流程图。

图5为本发明一实施例中磁性材料宽频复数磁导率测量方法的设备连接示意图。

图6为本发明一实施例中测试所得阻抗幅频特性曲线图。

图7为本发明一实施例中测试所得阻抗相频特性曲线图。

图8为本发明一实施例中单匝线圈电感仿真模型图。

图9为本发明一实施例中仿真所得阻抗频率特性曲线图

图10为本发明一实施例中磁导率随频率变化的特性曲线图。

图11为本发明一实施例中验证阻抗幅频特曲线示意图。

图12为本发明一实施例中验证阻抗相频特性曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

在本实施例中，对于单匝线圈电感，采用如图3高频模型。其中，L和ESR串联支路中，L为电感，代表储能，其大小影响复数磁导率实部；ESR为电感的等效并联电阻，体现高频损耗，包括磁芯损耗和绕组损耗。此处，由于绕组只有单匝，可近似认为测试结果中的ESR仅由磁芯损耗产生，其大小影响复数磁导率的虚部；EPC为电感的等效并联电容，此电容反映电感的分布电容。对于单匝线圈电感，此电容包括：

1)导线自身分布电容：

2)导线与磁芯之间分布电容；

3)磁芯与地之间分布电容。

由于无法直接测量得到EPC，所以采用用仿真方式确定EPC，结合测量实际电感的阻抗，即可计算复数磁导率。如图4所示，具体过程如下：

步骤S1、测量阻抗特性。单根导线穿过环形磁芯样品轴心，应保证导线与样品同轴。在本实施例中，该穿过轴心的导线为方框形状或矩形，如图5所示，其中一边穿过环形磁芯样品，且使该段导线与环形磁芯样品的中轴线重合，另外两边分别对应连接至测量仪器。用阻抗分析仪或网络分析仪等测试仪器连接导线，测量样品的阻抗频率特性曲线Z(f)。

步骤S2、仿真建模。采用综合考虑电场和磁场的有限元分析软件，建立与所述被测电感样品结构一致的仿真模型，仿真得到指定频段的阻抗特性曲线。

步骤S3、从阻抗曲线得到电感值。仿真所得阻抗特性曲线的低频段为线性特性，且在第一个谐振点前的频段为低频段，主要由电感决定。计算时忽略其余寄生参数，在曲线低频段取一个点的频率和阻抗值(f_L,Z_L)，计算电感值

步骤S4、利用仿真得到的阻抗特性曲线的谐振点值(f_R,Z_R)，计算等效并联电容。此处，等效并联电容即谐振电容。假定谐振时线圈电感与低频时相等，对整个扫频范围内的谐振点，其谐振电容由公式来计算。此等效并联电容受磁芯尺寸，形状等影响较大，但受磁导率变化的影响较小，仿真时可以忽略磁导率变化的影响。

步骤S5：计算被测磁芯材料导纳特性：

步骤S6、计算复数磁导率。根据环形磁芯电感计算公式：其中，μ₀为所述环形磁芯样品的真空磁导率，N为绕组匝数，le为等效磁路长度，Ae为磁芯截面积，f为测试频率；相对复数磁导率磁导率为：μ_r＝μ′-jμ″，通过相对复数磁导率定义分别计算出实部和虚部：

相对复数磁导率实部：

相对复数磁导率虚部：

则相对复数磁导率：

进一步的，在本实施例中，以上测定复数磁导率的实验设备，不局限用阻抗分析仪和网络分析仪，也可以采用其他测量阻抗特性的设备。对于被测磁芯，不论是采用单匝线圈、多匝线圈还是短路同轴腔进行测量，差别在于建立的仿真模型。不建议采用多匝线圈或短路同轴腔，这两种情况下寄生参数偏多，模型构成复杂。

为了让本领域技术人员进一步了解本发明所提出的磁性材料宽频复数磁导率测定方法，下面结合具体测试过程进行说明。

步骤S1：测量阻抗特性的方法如图5中的连接方式。

步骤S2：磁芯测试结果如表1，由于测试结果数据过多，本实施例中并未全部列出：

表1

频率	阻抗	幅角
			1.00E+03	0.031	53.2
1.05E+03	0.032	53.5
			1.11E+03	0.03455.	8
1.17E+03	0.035	56.8
			1.23E+03	0.037	58
1.29E+03	0.038	…

将获得的数据导入计算机并用软件Mathcad拟合，得到图6中幅频特性曲线Z_test(f)，以及图7中相频特性曲线θ_test(f)。图6以及图7中，圆点线为测试数据，实线为拟合结果。测量阻抗特性曲线为：Z(f)＝Z_test(f)cos(θ_test(f))+j·Z_test(f)sin(θ_test(f))。

步骤S3：利用综合考虑电磁场的有限元分析软件ANSYS HFSS建立如图8中单匝线圈电感仿真模型；对扫描的频率范围进行设置,在本实施例中，设置为1KHz到1GHz，相对磁导率设置为μ_r＝3000，并进行仿真，得到指定频段的阻抗特性曲线如图9。

步骤S4：在图9曲线低频段，取m2点的频率和阻抗值，计算电感；由谐振点m1频率，计算谐振电容即C_EPC。

步骤S5：通过测量阻抗频率特性曲线和仿真等效并联电容计算被测磁芯材料导纳特性：

步骤S6、计算复数磁导率。根据环形磁芯电感计算公式：其中，μ₀为所述环形磁芯样品的真空磁导率，N为绕组匝数，le为等效磁路长度，Ae为磁芯截面积，f为测试频率；相对复数磁导率磁导率为：μ_r＝μ′-jμ″，通过相对复数磁导率定义分别计算出实部和虚部：

相对复数磁导率实部：

相对复数磁导率虚部：

则相对复数磁导率：

进一步的，在本实施例中，图10中为磁导率随频率变化的特性曲线。μ11(f)实线为复数磁导率的实部即μ'(f)，μ21(f)圆点线为复数磁导率虚部即μ"(f)。通过仿真计算拟合的复数磁导率的模为点划线线μr1(f)。

进一步的，在本实施例中，通过计算阻抗特性与实测比较，对求得的复数磁导率结果进行验证。获取阻抗特性图，如图11和图12。横坐标为频率，纵坐标为阻抗幅值和相角。图11和图12中，实线为利用本实施例中确定的复数磁导率计算所得阻抗特性曲线，圆点为实际测量阻抗特性曲线，通过这两幅图可以看出测定的复数磁导率计算阻抗特性与实测的阻抗特性相吻合。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，其特征在于，按照如下步骤实现：

步骤S1：在一被测磁芯绕设一绕组，构成一个被测电感样品，测量所述被测电感样品的测量阻抗频率特性曲线Z(f)；

步骤S2：通过电磁场分析软件，建立与所述被测电感样品结构一致的仿真模型，仿真获得仿真等效并联电容C_EPC；

步骤S3：通过所述测量阻抗频率特性曲线Z(f)和所述仿真等效并联电容C_EPC获得被测磁芯材料导纳特性，其具体计算方式为：

步骤S4：根据所述被测环形电感样品的磁芯材料导纳进一步获得磁性材料的复数磁导率；

其中，在所述步骤S4中，具体计算复数磁导率方法如下：根据环形磁芯电感计算公式：其中，μ₀为所述环形电感样品的真空磁导率，N为绕组匝数，le为等效磁路长度，Ae为磁芯截面积，f为测试频率；相对复数磁导率为：μ_r＝μ’-jμ”，通过相对复数磁导率定义分别计算出实部和虚部：

相对复数磁导率实部：

相对复数磁导率虚部：

则相对复数磁导率：

2.根据权利要求1所述的一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述被测磁芯为环形磁芯。

3.根据权利要求1所述的一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述绕组为单匝绕组。

4.根据权利要求1所述的一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述电磁场分析软件所建立的模型与所述被测环形电感样品结构一致。

5.根据权利要求1所述的一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述电磁场分析软件为一能同时分析电场和磁场的分析软件。

6.根据权利要求1所述的一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，其特征在于，在所述步骤S2中，采用所述仿真模型获得的仿真阻抗特性曲线低频段计算电感。

7.根据权利要求6所述的一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述低频段为所述仿真阻抗特性曲线中第一个谐振点前的频段，该频段阻抗随频率呈现线性变化。

8.根据权利要求7所述的一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，其特征在于，在所述步骤S2中，采用所述仿真阻抗特性曲线的第一个谐振点计算所述仿真等效并联电容C_EPC。