CN111458571A - 一种用于磁芯参数测量的环形线圈 - Google Patents

一种用于磁芯参数测量的环形线圈 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于磁芯参数测量的环形线圈，包括环形磁芯与绕组，其绕组包括围绕磁环径向截面绕制的第一部分以及沿着磁环圆周方向返绕一圈的第二部分。本发明提出的环形线圈绕制方式能够消除外部磁场以及环形电感线圈磁场自身泄露对空心电感或磁芯电感参数测量的影响，从而保证环形磁芯样品测量的准确性与可靠性。同时本发明还提供了另一种技术方案能够消除由于匝数增加而导致的寄生电容的增加。

Description

一种用于磁芯参数测量的环形线圈
技术领域
本发明涉及磁芯参数测量技术领域，特别是一种用于磁芯参数测量的环形线圈。
背景技术
磁芯参数测量一般采用环形磁芯线圈样品，有单线圈法和双线圈法。不含有铁磁成分的非铁磁材料具有几乎与真空相同的相对磁导率0和几乎为零的磁介质损耗，采用这类非铁磁材料作为磁芯绕制的线圈简称为空心线圈。所以采用单线圈法测量得到的损耗仅是绕组导体损耗，而绕组导体损耗具有线性特性(设温度恒定)，测量得到的磁导率可近似为真空磁导率；而采用双绕组法测量得到的磁芯损耗为零，测量得到的磁芯磁导率为真空磁导率。因此环形空心电感可以用于磁芯损耗和磁导率测量的校验和定标。
但是由于目前结构的环形空心线圈存在高频磁场的泄漏，造成外部邻近金属导体的涡流效应，带来附加损耗误差。同时外部存在的电磁场也会通过磁耦合在线圈上感应电压，干扰测量结果，从而影响空心电感作为校验和定标标准的精度。同样对有磁芯的环形磁芯线圈测试样品，也存在同样的问题。
现有空心电感结构采用横截面为矩形的环形非导磁材料为磁芯，绕线紧贴磁芯均匀密绕一层，如图1所示。电感的感值利用公式(1)计算：
Figure BDA0002503497690000011
式中的L是空心电感的感值，μ0是空气磁导率，N是空心电感的匝数，Ae是空心电感磁芯的有效截面积，le是空心电感磁芯的有效磁路长度。
若外部磁场平行于磁芯圆环面，如图2所示。其在上下之间产生感应电压，而上下导线连接其不会产生电压差。因此平行磁芯的外部磁场不会对空心电感产生影响。若外部磁场垂直于磁芯圆环面，如图3所示。磁场强度垂直磁芯(纸面)向里。由于绕组在沿着圆环径向截面绕制的同时也形成了围绕环形磁芯圆环周向一圈的等效回路，因此根据电磁感应定理，磁场将在这一圈上感应出电压，影响测量结果。
空心电感的磁导率为空气磁导率μ0，且绕组的稀疏程度都会使空心电感产生近磁场泄漏，如图4所示。绕组致密度越高，这部分的磁场泄露影响的范围也越小。同时，由于绕组存在围绕圆环周向的一圈等效回路，该回路也会产生磁场泄露，如图5所示。虽然该回路一般只有一圈(如绕组是多层绕制，则等效为多圈)，但面积较大，因此磁场泄露范围较大。磁场近场泄漏不仅使附近的金属物件产生涡流效应影响测量中空心电感的磁特性，同时也使空心电感本身特征难以准确控制。
因此，外部磁场以及环形电感线圈磁场的泄露会对空心电感或磁芯电感的参数测量产生影响，进而影响到测量的精度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种用于磁芯参数测量的环形线圈，能够减少样品本身励磁磁场的泄漏对外部邻近导体的附加损耗和外部磁场干扰等引起的测量误差，从而保证环形磁芯样品测量的准确性与可靠性。
本发明采用以下方案实现：
本发明提供的第一种用于磁芯参数测量的环形线圈，包括环形磁芯与绕组，其绕组包括围绕磁环径向截面绕制的第一部分以及沿着磁环圆周方向返绕一圈的第二部分。
进一步地，其磁芯为不含有铁磁成分的非铁磁材料、磁粉芯或空心。
进一步地，沿着磁环圆周方向返绕一圈的第二部分采用单根导线或多根并联的导线组；多根并联的导线组均匀分布与磁环的内径、外径、上表面和下表面。
进一步地，沿着磁环圆周方向返绕一圈的第二部分采用单圈铜箔，或多圈并联的铜箔组；多圈并联的铜箔组均匀分布与磁环的内径、外径、上表面和下表面。
采用第一种用于磁芯参数测量的环形线圈样品可以有效消除样品本身的磁场泄漏以及外部磁场对样品的影响。
本发明提供的第二种用于磁芯参数测量的环形线圈，包括环形磁芯与绕组，其绕组包括围绕磁环径向截面正向绕制的第一部分以及围绕磁环径向截面反向绕制的第二部分；第一部分与第二部分的匝数相等。
进一步地，其磁芯为不含有铁磁成分的非铁磁材料、磁粉芯或空心。
采用第二种用于磁芯参数测量的环形线圈样品可以有效消除样品本身的磁场泄漏以及外部磁场对样品的影响。
本发明提供的第三种用于磁芯参数测量的环形线圈，包括环形磁芯、绕组以及沿磁环外圆周设置的一圈短路匝。
进一步地，短路匝可以接环形线圈输入端的地。
采用第三种用于磁芯参数测量的环形线圈，可以消除寄生电容。
本发明提供的第四种用于磁芯参数测量的环形线圈，包括环形磁芯与绕组，其绕组包括围绕磁环径向截面绕制的第一部分以及沿着磁环圆周方向返绕一圈的第二部分，并且还包括沿磁环外圆周设置的一圈短路匝。
进一步地，其磁芯为不含有铁磁成分的非铁磁材料、磁粉芯或空心。
进一步地，沿着磁环圆周方向返绕一圈的第二部分采用单根导线或多根并联的导线组；多根并联的导线组均匀分布与磁环的内径、外径、上表面和下表面。
进一步地，沿着磁环圆周方向返绕一圈的第二部分采用单圈铜箔，或多圈并联的铜箔组；多圈并联的铜箔组均匀分布与磁环的内径、外径、上表面和下表面。
进一步地，短路匝可以接环形线圈输入端的地。
本发明提供的第五种用于磁芯参数测量的环形线圈，包括环形磁芯与绕组，其绕组包括围绕磁环径向截面正向绕制的第一部分以及围绕磁环径向截面反向绕制的第二部分；第一部分与第二部分的匝数相等，还包括沿磁环外圆周设置的一圈短路匝。
进一步地，其磁芯为不含有铁磁成分的非铁磁材料、磁粉芯或空心。
进一步地，短路匝接环形线圈输入端的地。
采用第四种与第五种用于磁芯参数测量的环形线圈，能够在减少自身漏磁的基础上进一步消减因为匝数的增多而导致的寄生电容的增加。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明提出的环形线圈绕制方式能够消除外部磁场以及环形电感线圈磁场自身泄露对空心电感或磁芯电感参数测量的影响，从而保证环形磁芯样品测量的准确性与可靠性。同时本发明还提供了另一种技术方案能够消除由于匝数增加而导致的寄生电容的增加。
附图说明
图1为现有技术中的空心电感绕制结构示意图。
图2为平行磁芯的外部磁场对空心电感的影响示意图。
图3为垂直磁芯的外部磁场对空心电感的影响示意图。
图4为现有技术中空心电感的近场泄露示意图。
图5为现有技术中的空心电感围绕圆环周向等效回路电流的近场泄漏示意图。
图6为本发明实施例一的结构示意图。
图7为本发明实施例一的原理示意图。
图8为本发明实施例二的结构示意图。
图9为本发明实施例二的原理示意图。
图10为本发明实施例三的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一。
如图6所示，本实施例提供了一种用于磁芯参数测量的环形线圈，包括环形磁芯与绕组，其绕组包括围绕磁环径向截面绕制的第一部分以及沿着磁环圆周方向返绕一圈的第二部分。
在本实施例中，其磁芯为不含有铁磁成分的非铁磁材料、磁粉芯或空心。其中，当磁芯为不含铁磁成分的非铁磁材料或者空心时，该环形线圈为空心电感。
在本实施例中，沿着磁环圆周方向返绕一圈的第二部分采用单根导线或多根并联的导线组；多根并联的导线组均匀分布与磁环的内径、外径、上表面和下表面。
在本实施例中，沿着磁环圆周方向返绕一圈的第二部分采用单圈铜箔，或多圈并联的铜箔组；多圈并联的铜箔组均匀分布与磁环的内径、外径、上表面和下表面。
采用本实施例的用于磁芯参数测量的环形线圈样品可以有效消除样品本身的磁场泄漏以及外部磁场对样品的影响。
其原理分析如下：
通以电流的环形空心电感示意图如图7中的(a)所示，每一匝绕组上的电流i都可以分成径向电流分量iR和切向电流分量iH，把其中一匝绕组电流放大如图7中的(b)所示。每一匝的切向电流分量总和就构成了绕磁芯圆环一周的顺时针或逆时针的电流(图7切向电流分量总和的参考方向为逆时针方向)，这一匝电流将带来磁场的泄漏。也就是说，实际绕制的环形电感的绕阻电流可以分成两部分，一是绕径向的各匝，二是绕环一周的一匝。而空心电感绕组在绕满一层后，再贴着磁芯回绕一圈，其电流参考方向与切向电流分量环形电流参考方向刚好相反，两者相互抵消。因此回绕一圈的空心电感结构可有效减小空心电感的近场泄漏。此外，可以证明，只要绕组均匀密绕，外部磁场在径向各匝上的总感应电动势为零，而在绕圆环一周那一圈上的感应电动势则与回绕一周的感应电动势抵消，从而消除了外部磁场的对环形电感线圈的干扰。
对于双绕组法测试样品，两个绕组并绕后，做同样处理。
实施例二。
如图8所示，本实施例提供的用于磁芯参数测量的环形线圈，包括环形磁芯与绕组，其绕组包括围绕磁环径向截面正向绕制的第一部分以及围绕磁环径向截面反向绕制的第二部分；第一部分与第二部分的匝数相等。
在本实施中，其磁芯为不含有铁磁成分的非铁磁材料、磁粉芯或空心。其中，当磁芯为不含铁磁成分的非铁磁材料或者空心时，该环形线圈为空心电感。
采用本实施例的用于磁芯参数测量的环形线圈样品可以有效消除样品本身的磁场泄漏以及外部磁场对样品的影响。
其原理如下：
通以电流的反方向绕一层的空心电感结构如图9所示，图9中的(a)中虚线框内的正向一匝和反向一匝结构图放大如图9中的(b)所示。正向一匝电流i可分成径向电流分量iR1和切向电流分量iH1，而反向一匝电流i也可分成径向电流分量iR2和切向电流分量iH2。空心电感近场泄漏的主要电流源的切向电流分量iH1和iH2方向相反幅值相近，其相互抵消。因此反方向绕一层的空心电感结构可有效减小环形空心电感的近场泄漏。
实施例三。
由于上述实施例中增加了绕组匝数，因此导致寄生电容的增加，为了消除寄生电容，本实施例提供一种用于磁芯参数测量的环形线圈，如图10所示，包括环形磁芯、绕组以及沿磁环外圆周设置的一圈短路匝。
在本实施例中，短路匝可以接环形线圈输入端的地。
由于短路匝是短路闭合的，闭合回路电压为零。根据电磁感应定律，通过该闭合面积的交流磁通为零，因此可以有效消除线圈本身的磁场泄露，同时也可以有效屏蔽外部磁场对环形样品的干扰。该短路匝可以采用较宽的铜箔沿圆环外圈设置，也可以采用短路导线(一匝或多匝)，但铜箔由于面积较大，会增大线圈的分布电容，而短路导线由于面积小，对分布电容的影响很小。为了同时进一步降低电场感应的影响，短路环可以接电感输入端的地。
采用本实施例的用于磁芯参数测量的环形线圈，可以消除寄生电容。
实施例四。
本实施提供的用于磁芯参数测量的环形线圈基于实施例一实现，包括环形磁芯与绕组，其绕组包括围绕磁环径向截面绕制的第一部分以及沿着磁环圆周方向返绕一圈的第二部分，并且还包括沿磁环外圆周设置的一圈短路匝。
在本实施例中，其磁芯为不含有铁磁成分的非铁磁材料、磁粉芯或空心。
在本实施例中，沿着磁环圆周方向返绕一圈的第二部分采用单根导线或多根并联的导线组；多根并联的导线组均匀分布与磁环的内径、外径、上表面和下表面。
在本实施例中，沿着磁环圆周方向返绕一圈的第二部分采用单圈铜箔，或多圈并联的铜箔组；多圈并联的铜箔组均匀分布与磁环的内径、外径、上表面和下表面。
在本实施例中，短路匝可以接环形线圈输入端的地。
实施例五。
本实施例提供的用于磁芯参数测量的环形线圈基于实施例二实现，包括环形磁芯与绕组，其绕组包括围绕磁环径向截面正向绕制的第一部分以及围绕磁环径向截面反向绕制的第二部分；第一部分与第二部分的匝数相等，还包括沿磁环外圆周设置的一圈短路匝。
在本实施例中，其磁芯为不含有铁磁成分的非铁磁材料、磁粉芯或空心。
在本实施例中，短路匝可以接环形线圈输入端的地。
采用实施例四与实施例五的用于磁芯参数测量的环形线圈，能够在减少自身漏磁的基础上进一步消减因为匝数的增多而导致的寄生电容的增加。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于磁芯参数测量的环形线圈，其特征在于，包括环形磁芯与绕组，其绕组包括围绕磁环径向截面绕制的第一部分以及沿着磁环圆周方向返绕一圈的第二部分。
2.根据权利要求1所述的一种用于磁芯参数测量的环形线圈，其特征在于，其磁芯为不含有铁磁成分的非铁磁材料、磁粉芯或空心。
3.根据权利要求1所述的一种用于磁芯参数测量的环形线圈，其特征在于，沿着磁环圆周方向返绕一圈的第二部分采用单根导线或多根并联的导线组；多根并联的导线组均匀分布与磁环的内径、外径、上表面和下表面。
4.根据权利要求1所述的一种用于磁芯参数测量的环形线圈，其特征在于，沿着磁环圆周方向返绕一圈的第二部分采用单圈铜箔，或多圈并联的铜箔组；多圈并联的铜箔组均匀分布与磁环的内径、外径、上表面和下表面。
5.一种用于磁芯参数测量的环形线圈，其特征在于，包括环形磁芯与绕组，其绕组包括围绕磁环径向截面正向绕制的第一部分以及围绕磁环径向截面反向绕制的第二部分；第一部分与第二部分的匝数相等。
6.根据权利要求5所述的一种用于磁芯参数测量的环形线圈，其特征在于，其磁芯为不含有铁磁成分的非铁磁材料、磁粉芯或空心。
7.一种用于磁芯参数测量的环形线圈，其特征在于，包括环形磁芯、绕组以及沿磁环外圆周设置的一圈短路匝。
8.根据权利要求7所述的一种用于磁芯参数测量的环形线圈，其特征在于，短路匝接环形线圈输入端的地。
9.一种基于权利要求1-4任一项所述的用于磁芯参数测量的环形线圈，其特征在于，还包括沿磁环外圆周设置的一圈短路匝。
10.一种基于权利要求5-6任一项所述的用于磁芯参数测量的环形线圈，其特征在于，还包括沿磁环外圆周设置的一圈短路匝。
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