CN107765199A - 磁性元件幅值磁导率和增量磁导率的直流励磁测量方法 - Google Patents

磁性元件幅值磁导率和增量磁导率的直流励磁测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种磁性元件幅值磁导率和增量磁导率的直流励磁测量方法。首先，在磁性元件两端施加直流激励源，磁性元件充电至所需幅值电流；而后，磁性元件中的电流通过二极管和电阻放电至零，同时采样磁性元件放电过程的电压波形u(t)和电流波形i(t)；最后，对电压波形u(t)和电流波形i(t)进行数据处理获得幅值磁导率和增量磁导率。本发明的直流励磁法中磁性元件两端直接施加直流激励源，完全避免了交流对直流磁导率测量的影响；测量方法简单可行，操作便捷，并且具有较高的测量精度。

Description

磁性元件幅值磁导率和增量磁导率的直流励磁测量方法
技术领域
本发明涉及一种磁性元件幅值磁导率和增量磁导率的直流励磁测量方法
背景技术
为了功率变换器中磁性元件的优化设计，需精确确定磁心的幅值磁导率和增量磁导率。金属磁粉心是由金属磁粉颗粒、绝缘包裹以及空气(粘合剂)的组合体，其饱和磁通密度高，磁导率低，阻抗角接近90度。因此测量磁粉心磁性元件的磁导率所需激磁源容量大(电压高，电流大)，导致测量非常困难。
现有测量磁导率的方法如下：
1、大信号交流法测量幅值磁导率(单绕组和双绕组)
在已知激励波形、频率和幅值的条件下测量试样的幅值磁导率，磁感应强度和磁场强度分别由激磁绕组上的激磁电压和激磁绕组上的激磁电流获得，测量电路如图1所示，计算公式见式(1)到(3)：
式中的u(t)对于单绕组是图1中的激磁电压u1，对于双绕组是感应电压u2；N2是感应绕组的匝数；N1是激磁绕组的匝数；Ae是磁心的有效截面积；le是磁心的有效磁路；Bm是幅值磁感应强度；Hm是幅值磁场强度；Im是激磁电流的幅值。μ0是真空中磁导率；μa是磁心幅值磁导率。
2、交流振荡法测量有效幅值磁导率
利用电感电容电阻二阶振荡产生相同频率不同幅值的正弦激励，得到不同幅值的磁感应强度和磁场强度。测量电路如图2所示。S1闭合，直流电源U0给电容C充电；而后S1断开且S2闭合，电容C通过电感L和电阻R振荡放电。用数字存储和处理示波器或采集处理仪器，测量感应绕组上的感应电压和采样电阻上电压或激磁绕组上的激磁电流。计算公式见式(4)至式(6)：
电路若满足式(7)条件下，激磁电流iL和uL的波形见图3。
3、脉冲测量法测量幅值磁导率和增量磁导率
利用电感和电阻产生大电流脉冲获取较大幅值磁感应强度和磁场强度。测量电路如图4所示，S1闭合，直流电源U0给电容C充电,而后S1断开且S2闭合，电容C通过电感L和电阻R非振荡放电。用数字存储和处理示波器或采集处理仪器，测量激磁电压和采样电阻上电压或激磁绕组上的激磁电流。激磁电压u(t)和激磁电流i(t)的波形见图5。计算公式如下：
4、阻抗测量法(LCR表)测量增量(偏磁)磁导率
利用阻抗分析仪测量增量磁导率，其中偏磁另外叠加。阻抗分析仪的原理图如图6所示，流过待测磁件的电流I和流过电阻Rr的电流Ir相等，待测磁件的阻抗计算见公式(13)，Z的虚部即待测磁件的感抗ωL，利用公式(14)计算μΔ：
上述测量磁导率的方法存在如下缺点：
1、大信号交流法测量有效幅值磁导率时的绕组有单绕组和双绕组，当磁性元件采用单绕组绕制时需要扣除绕组电阻。磁性元件采用双绕组绕制时，其分布电容和漏感将影响测量精度。大信号交流法测量幅值磁导率并且只能选择某个频率的激励来等效直流激励，但其涡流效应将影响测量结果。
2、利用交流振荡法测量有效幅值磁导率，由于磁性元件的电感值和电阻值受到频率和磁场强度的影响，因此在测量过程中振荡波形的频率不能保持一致，且包含谐波分量。
3、脉冲测量法测量大电流偏置的幅值磁导率和增量磁导率，必须扣除绕组损耗等效电阻对测量的影响。在伏秒积相等的条件下，给磁性元件施加不同脉宽的激磁电压时，激磁电流幅值一样但电流变化率不一样，如图7所示。而电流变化率将影响测量结果造成测量误差。
4、阻抗测量法增量磁导率中对阻抗分析仪精度的要求高。在施加直流偏置源时，要求偏置电流源的内阻足够大，频率特性好，频带宽。因此测量成本很高。
发明内容
本发明的目的在于针对目前已有的磁粉心磁性元件幅值磁导率和增量磁导率测量方法的局限性，提供一种磁性元件幅值磁导率和增量磁导率的直流励磁测量方法，该方法简单可行，操作便捷，并且具有较高的测量精度。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种磁性元件幅值磁导率和增量磁导率的直流励磁测量方法，首先，在磁性元件两端施加直流激励源，磁性元件充电至所需幅值电流；而后，磁性元件中的电流通过二极管和电阻放电至零，同时采样磁性元件放电过程中磁性元件上的电压波形u(t)和电流波形i(t)；最后，对电压波形u(t)和电流波形i(t)进行数据处理获得幅值磁导率和增量磁导率；该方法具体实现如下，
提供一直流励磁测量电路，包括直流激励源U0，开关S，电阻R1、R2，二极管D，电感L，直流激励源正极经开关S与电阻R2、电感L的一端连接，直流激励源负极经电阻R1与二极管D的阳极、电感L的另一端连接，二极管D的阴极与电阻R2的另一端连接；
开关S闭合，直流激励源给电感L充电，测量流过电感中的电流幅值Idc计算出幅值磁场强度Hm，计算公式如下：
开关S断开，电感L通过二极管D和电阻R2放电，利用示波器采样放电过程的电感电压u(t)，利用公式(2)计算出幅值磁通密度Bm；
而后，利用公式(3)和(4)分别计算直流偏磁下的幅值磁导率μa和增量磁导率μΔ；改变输入直流激励源的值，得到不同幅值磁场强度下的μa和μΔ；
上述公式(1)至(4)中，N为磁性元件的匝数；Ae为磁性元件的有效截面积；le为磁性元件的有效磁路长度；μ0为真空中磁导率。
在本发明一实施例中，所述直流激励源采用恒压源或恒流源。
在本发明一实施例中，所述磁性元件采用双绕组绕制，且感应绕组匝数等于激磁绕组匝数。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、直流励磁法中磁性元件两端直接施加直流激励源，完全避免了交流对直流磁导率测量的影响；
2、测量方法简单可行，操作便捷，并且具较高的测量精度。
附图说明
图1为交流法测量原理图。
图2为交流振荡法原理图。
图3为激磁电流iL和uL的波形图。
图4为脉冲法测量原理图。
图5为激磁电压u(t)和激磁电流i(t)的波形。
图6为阻抗测量法原理图。
图7为不同电压脉冲下电流的上升波形。
图8为本发明直流励磁法原理图。
图9为本发明直流励磁法电路图。
图10为I＝4.776A时磁性元件的电压和电流波形。
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。
本发明的一种磁性元件幅值磁导率和增量磁导率的直流励磁测量方法，首先，在磁性元件两端施加直流激励源，磁性元件充电至所需幅值电流；而后，磁性元件中的电流通过二极管和电阻放电至零，同时采样磁性元件放电过程中磁性元件上的电压波形u(t)和电流波形i(t)；最后，对电压波形u(t)和电流波形i(t)进行数据处理获得幅值磁导率和增量磁导率；该方法具体实现如下，
提供一直流励磁测量电路，包括直流激励源，开关S(开关可采用晶闸管)，电阻R1、R2，二极管D，电感L，直流激励源(本实例中采用恒压源，因此此处用U0来表示直流激励源)U0正极经开关S与电阻R2、电感L的一端连接，直流激励源U0负极经电阻R1与二极管D的阳极、电感L的另一端连接，二极管D的阴极与电阻R2的另一端连接；
开关S闭合，直流激励源U0给电感L充电，测量流过电感中的电流幅值Idc计算出幅值磁场强度Hm，计算公式如下：
开关S断开，电感L通过二极管D和电阻R2放电，利用示波器采样放电过程的电感电压u(t)，利用公式(2)计算出幅值磁通密度Bm；
而后，利用公式(3)和(4)分别计算直流偏磁下的幅值磁导率μa和增量磁导率μΔ；改变输入直流激励源U0的值，得到不同幅值磁场强度下的μa和μΔ；
上述公式(1)至(4)中，N为磁性元件的匝数；Ae为磁性元件的有效截面积；le为磁性元件的有效磁路长度；μ0为真空中磁导率。
所述直流激励源采用恒压源或恒流源。所述磁性元件采用双绕组绕制，且感应绕组匝数等于激磁绕组匝数。
以下为本发明一具体实例。
直流励磁法电路图如图9所示。直流电源可以采用图(a)中恒压源或者图(b)中的恒流源，开关选择电子开关MOSFET，二极管根据最大导通电流和耐压选择合适的肖特基二极管。电阻R1和电阻R2的阻值为1～10Ω，并且需满足功率要求。为了扣除磁性元件中绕组损耗的影响，磁性元件采用如图9所示双绕组绕制，N1为激磁绕组匝数，其大小和线径根据励磁电压和激磁电流设计，N2为感应绕组匝数，为了减小漏感采用双股并绕，感应绕组匝数等于激磁绕组匝数，感应绕组的线径可以很小。用数据采集和处理仪器或数字示波器，采样放电过程磁性元件上的感应电压u(t)和激磁电流i(t)。利用式(5)计算幅值磁通密度。
式中，Uk为示波器采样值；dt为示波器采样间隔时间,N2为感应绕组匝数；Ae为磁芯截面面积。
利用本发明测量铂科NPF184090为磁芯材料的磁性元件的幅值磁导率和增量磁导率，磁芯有效截面积1.99×10-4m2，有效磁路长度0.1074m，磁性元件采用双绕组绕制，N1＝N2＝36匝。理论电感值为271.6μH。二极管选用SR560肖特基二极管，其正向平均导通电流为5A。电阻R1＝0.5Ω，R2＝1Ω，功率均满足要求。开关S闭合，测得流过电感L中的电流幅值为Idc＝4.776A，由安培环路定律计算幅值磁场强度Hm＝1601(A/m)。开关S断开，电感L放电，数字示波器采样放电过程u(t)波形如图10所示，计算出Bm为0.196T。根据公式(5)得μ＝1.2242×10-4(H/m)，μr＝97.5，μΔ＝93.61。
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 (4)

1.一种磁性元件幅值磁导率和增量磁导率的直流励磁测量方法，其特征在于：首先，在磁性元件两端施加直流激励源，磁性元件充电至所需幅值电流；而后，磁性元件中的电流通过二极管和电阻放电至零，同时采样磁性元件放电过程的电压波形u(t)和电流波形i(t)；最后，对电压波形u(t)和电流波形i(t)进行数据处理获得幅值磁导率和增量磁导率。
2.根据权利要求1所述的磁性元件幅值磁导率和增量磁导率的直流励磁测量方法，其特征在于：该方法具体实现如下，
提供一直流励磁测量电路，包括直流激励源，开关S，电阻R1、R2，二极管D，电感L，直流激励源正极经开关S与电阻R2、电感L的一端连接，直流激励源负极经电阻R1与二极管D的阳极、电感L的另一端连接，二极管D的阴极与电阻R2的另一端连接；
开关S闭合，直流激励源给电感L充电，测量流过电感中的电流幅值Idc计算出幅值磁场强度Hm，计算公式如下：
<mrow> <msub> <mi>H</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>N</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> </mrow> <msub> <mi>l</mi> <mi>e</mi> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
开关S断开，电感L通过二极管D和电阻R2放电，利用示波器采样放电过程的电感电压u(t)，利用公式(2)计算出幅值磁通密度Bm；
<mrow> <msub> <mi>B</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <mi>&amp;infin;</mi> </msubsup> <mi>u</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>A</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>N</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
而后，利用公式(3)和(4)分别计算直流偏磁下的幅值磁导率μa和增量磁导率μΔ；改变输入直流激励源的值，得到不同幅值磁场强度下的μa和μΔ；
<mrow> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>B</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>H</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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上述公式(1)至(4)中，N为磁性元件的匝数；Ae为磁性元件的有效截面积；le为磁性元件的有效磁路长度；μ0为真空中磁导率。
3.根据权利要求1或2所述的磁性元件幅值磁导率和增量磁导率的直流励磁测量方法，其特征在于：所述直流激励源采用恒压源或恒流源。
4.根据权利要求1所述的磁性元件幅值磁导率和增量磁导率的直流励磁测量方法，其特征在于：所述磁性元件采用双绕组绕制，且感应绕组匝数等于激磁绕组匝数。
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