CN114779138A - 一种叠置型磁性材料磁特性测试平台 - Google Patents

一种叠置型磁性材料磁特性测试平台 Download PDF

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CN114779138A CN202210366751.XA CN202210366751A CN114779138A CN 114779138 A CN114779138 A CN 114779138A CN 202210366751 A CN202210366751 A CN 202210366751A CN 114779138 A CN114779138 A CN 114779138A
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李永建
孙鹤
孟文斌
万振宇
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Abstract

本发明公开了一种叠置型磁性材料磁特性测试平台，包括基座、固定立板、样品放置板一、样品放置板二、夹持厚度调节装置、B线圈、H线圈、C型主激磁磁轭、主激磁线圈、样品平面激磁装置一、样品平面激磁装置二、叠置方向激磁装置、水平竖直移动机构和竖直移动机构。本发明能够准确测量薄带单片厚度为毫米级和微米级的不同叠置厚度的磁材料的不同方向的磁特性，且频率高达几十赫兹，并通过三个附加激磁装置与主激磁磁路配合实现了对磁性材料实际工况中的受激磁情况的模拟，具有实现功能丰富和准确度高的优点。

Description

一种叠置型磁性材料磁特性测试平台
技术领域
本发明涉及磁性材料磁特性测量领域，具体是一种叠置型磁性材料磁特性测试平台。
背景技术
为了提高电能利用率，发展低成本、高效率、高功率密度的大功率电力电子变换装置是必然趋势。高频变压器作为大功率电力电子装备的核心部件，直接决定了装备的性能。以纳米晶(晶粒颗粒尺寸小于100nm)为代表的新型铁心材料近些年在大功率高频变压器设计中逐渐成为主导材料。但对于纳米晶叠置材料的高频磁化磁特性的研究还十分欠缺，影响其在大功率电力电子装备中的设计精度、可靠性及使用寿命。
目前测试叠置型材料不同方向的磁特性通常采用爱波斯坦方圈组合附加激磁结构的方式，然而此种测试方式要求单片的厚度不宜过薄且激磁频率不高，无法研究不同叠置厚度的材料的磁特性。高频磁性材料由于其薄带厚度仅为18-30μm，无法制作成适用于爱泼斯坦方圈的样品，因而，高频磁性材料的一维叠置磁特性测量需要新的磁特性测量装置。另一方面，在高频变压器、电抗器纳米晶铁心的一部分区域的涡流损耗是不能忽略的，比如在线圈端部高度，将有一部分漏磁通垂直于叠片平面穿入铁心。在铁心式电抗器中，每个铁心之间存在一个气隙，在铁心靠近气隙的边缘部分会产生磁通的边缘效应，边缘磁通(fringing flux)将部分垂直进入铁心。垂直于叠片平面进入铁心引起的涡流在叠片平面内自由流动，涡流损耗是很可观的，会引局部过热，极端情况下会烧毁绝缘。因此同样需要对垂直进入高频叠片磁性材料的磁测性进行测量和分析。
综上所述，不同叠置厚度的磁材料的不同方向的磁特性测试是我们了解和应用铁心的前提，有助于揭示和解决电工装备高频化应用的核心科学问题，促进低耗能、高导磁电工新材料在高频电力电子装备中的应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种叠置型磁性材料磁特性测试平台。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种叠置型磁性材料磁特性测试平台，其特征在于，该平台包括基座、固定立板、样品放置板一、样品放置板二、夹持厚度调节装置、B线圈、H线圈、C型主激磁磁轭、主激磁线圈、样品平面激磁装置一、样品平面激磁装置二、叠置方向激磁装置、水平竖直移动机构和竖直移动机构；
两个固定立板固定在基座的两侧；C型主激磁磁轭的长边放置于基座中，两条短边分别固定于各自的固定立板上；C型主激磁磁轭的长边上缠绕有主激磁线圈；C型主激磁磁轭的两个极头分别贴近待测叠置样品的两端，给待测叠置样品施加在样品平面内的一个方向的主激磁；
两个样品放置板一分别固定于各自的固定立板上，两个样品放置板二分别固定于各自的固定立板上；样品放置板一与各自的样品放置板二的位置对应，用于固定待测叠置样品；样品放置板一和/或样品放置板二上设置有夹持厚度调节装置，用于夹持不同厚度的待测叠置样品；
样品平面激磁装置一和样品平面激磁装置二均通过水平竖直移动机构滑动设置于基座中，给待测叠置样品施加附加的样品平面内的两个方向的激磁，一个激磁的方向与C型主激磁磁轭的激磁方向相同，另一个激磁的方向与C型主激磁磁轭的激磁方向垂直；叠置方向激磁装置通过竖直移动机构设置于待测叠置样品的正上方，给待测叠置样品施加附加的样品叠置方向的激磁；
B线圈缠绕在待测叠置样品上，H线圈贴于待测叠置样品的表面；样品平面激磁装置一、样品平面激磁装置二和叠置方向激磁装置的设置位置既不靠近B线圈和H线圈，也不靠近C型主激磁磁轭的极头，避免主磁通被样品平面激磁装置一、样品平面激磁装置二和叠置方向激磁装置产生的附加磁通干扰。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1、本发明能够准确测量薄带单片厚度为毫米级和微米级的不同叠置厚度的磁材料的不同方向的磁特性，且频率高达几十千赫兹，并通过三个附加激磁装置与主激磁磁路配合实现了对磁性材料实际工况中的受激磁情况的模拟，具有实现功能丰富和准确度高的优点。
2、本发明的样品平面激磁装置，为样品附加垂直于样品叠置方向的激励，模拟了样品平面内漏磁对磁性材料的影响，并保证样品平面激磁装置的铁心在每一次实验时都在样品的同一位置激磁，并且通过结构设计实现了样品平面激磁装置的多方向移动，使得样品平面激磁装置的铁心与样品紧密贴合，提高实验的精度。
3、本发明设计的叠置方向激磁装置，为样品附加沿着样品叠置方向的激励，模拟了平行于样品叠置方向的漏磁对磁性材料的影响，并保证叠置方向激磁装置的铁心在每次实验时都在样品的同一位置激磁，另外可以使得叠置方向激磁装置的铁心与样品紧密贴合，提高实验的精度。叠置方向激磁装置的上下移动，同时方便了样品的取放。
4、本发明的夹持厚度调节装置，一方面可以固定样品的位置，保证样品测试结果的精度，另一方面通过夹持厚度调节螺丝实现不同叠置厚度的磁材料的固定。
附图说明
图1为本发明的整体结构立体示意图；
图2为本发明的另一角度的整体结构立体示意图；
图3为本发明的待测叠置样品的安装立体示意图；
图4为本发明的样品平面激磁装置一和样品平面激磁装置二的安装立体示意图；
图5为本发明的叠置方向激磁装置的安装立体示意图；
图6为本发明的三个附加激磁装置与待测叠置样品的配合示意图；
图7为本发明的待测叠置样品夹持处的立体示意图；
图8为本发明的样品平面激磁装置一的立体示意图；
图9为本发明的样品平面激磁装置二的立体示意图。
图中，1、基座；2、固定立板；3、样品支撑杆；4、样品放置板一；5、不导电不导磁柔性垫片；6、样品放置板二；7、夹持厚度调节螺丝；8、待测叠置样品；9、B线圈；10、H线圈；11、C型主激磁磁轭；12、磁轭固定板；13、主激磁线圈；14、Y向移动滑轨；15、样品平面激磁装置一；16、Y向移动调节螺丝；17、样品平面激磁装置二；18、顶板；19、竖直螺纹杆；20、螺纹杆连接座；21、把手底座；22、把手连接座；23、把手；24、竖直光滑杆；25；光滑杆连接座；26、同步带；27、叠置方向激磁装置；28、Z向移动调节螺丝；29、Z向移动滑板；30、Y向移动滑板；31、Y向移动滑板定位螺丝；
151、1/2圆水平铁心夹具；152、1/2圆水平激磁铁心；171、3/4圆水平铁心夹具；172、3/4圆水平激磁铁心；271、1/2圆垂直铁心夹具；272、1/2圆垂直激磁铁心。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种叠置型磁性材料磁特性测试平台(简称平台)，其特征在于，该平台包括基座1、固定立板2、样品放置板一4、样品放置板二6、夹持厚度调节装置、B线圈9、H线圈10、C型主激磁磁轭11、主激磁线圈13、样品平面激磁装置一15、样品平面激磁装置二17、叠置方向激磁装置27、水平竖直移动机构和竖直移动机构；
两个固定立板2固定在基座1的两侧；C型主激磁磁轭11的长边放置于基座1的中间的开槽中，两条短边均通过磁轭固定板12分别固定于各自的固定立板2上；C型主激磁磁轭11的长边上缠绕有主激磁线圈13；C型主激磁磁轭11的两个极头分别贴近待测叠置样品8的两端，给待测叠置样品8施加在样品平面内的一个方向的主激磁(本实施例为：给待测叠置样品8施加在样品平面内的沿着X方向流向的主激磁)；
两个样品放置板一4通过样品支撑杆3分别固定于各自的固定立板2上，两个样品放置板二6通过样品支撑杆3分别固定于各自的固定立板2上；样品放置板一4与各自的样品放置板二6的位置对应，用于固定待测叠置样品8的端部；样品放置板一4和/或样品放置板二6上设置有夹持厚度调节装置，用于夹持不同厚度的待测叠置样品8；待测叠置样品8的两端分别夹持于各自的样品放置板一4和样品放置板二6中，通过夹持厚度调节装置来夹持不同厚度的待测叠置样品8；
样品平面激磁装置一15和样品平面激磁装置二17均通过水平竖直移动机构滑动设置于基座1中，给待测叠置样品8施加附加的样品平面内(即垂直于样品叠置方向)的两个方向的激磁，一个激磁的方向与C型主激磁磁轭11的激磁方向相同，另一个激磁的方向与C型主激磁磁轭11的激磁方向垂直；叠置方向激磁装置27通过竖直移动机构设置于待测叠置样品8的正上方，给待测叠置样品8施加附加的沿待测叠置样品8中的薄带单片的叠置方向的激磁；
B线圈9缠绕在待测叠置样品8上，H线圈10贴于待测叠置样品8的表面；样品平面激磁装置一15、样品平面激磁装置二17和叠置方向激磁装置27的设置位置既不靠近B线圈9和H线圈10，也不靠近C型主激磁磁轭11的极头，避免主磁通被样品平面激磁装置一15、样品平面激磁装置二17和叠置方向激磁装置27产生的附加磁通干扰，影响对主激磁传感信号的采集，造成测量误差，因此本实施例中样品平面激磁装置一15、样品平面激磁装置二17和叠置方向激磁装置27均放置在正对待测叠置样品8中心的位置。
优选地，夹持厚度调节装置包括不导电不导磁柔性垫片5和夹持厚度调节螺丝7；样品放置板一4的下表面和/或样品放置板二6的上表面设置有不导电不导磁柔性垫片5；夹持厚度调节螺丝7穿过样品放置板一4和/或样品放置板二6并与其螺纹转动连接，端部与不导电不导磁柔性垫片5接触，夹持厚度调节螺丝7转动，用于固定不同厚度的待测叠置样品8。不导电不导磁柔性垫片5采用橡胶材质。
优选地，当C型主激磁磁轭11的长边沿X方向放置时，所述水平竖直移动机构为YZ向移动机构，包括Y向移动滑轨14、Y向移动调节螺丝16、Z向移动调节螺丝28、Z向移动滑板29、Y向移动滑板30和Y向移动滑板定位螺丝31；
基座1沿Y方向开有两个方形通槽；两条Y向移动滑轨14分别固定于各自的基座1的方形通槽中；Y向移动滑板30滑动设置于Y向移动滑轨14中；Y向移动滑板定位螺丝31螺纹连接于Y向移动滑板30中，与Y向移动滑轨14配合，用于Y向移动滑板30的定位，将Y向移动滑板30滑动或固定在Y向移动滑轨14上；Y向移动调节螺丝16的两端通过轴承转动安装于基座1中，中部的螺纹部分与Y向移动滑板30螺纹连接；Y向移动滑板30上沿Z向开有Z向移动滑轨，Z向移动滑板29滑动设置于Y向移动滑板30的Z向移动滑轨中；Z向移动调节螺丝28的两端通过轴承转动安装于Y向移动滑板30中，中部的螺纹部分与Z向移动滑板29螺纹连接；样品平面激磁装置一15和样品平面激磁装置二17分别固定于各自的Z向移动滑板29上，随Z向移动滑板29沿Z向上下移动，随Y向移动滑板30沿Y向前后移动。
优选地，竖直移动机构包括顶板18、Z向丝杠机构和把手23；叠置方向激磁装置27固定于顶板18的底部；顶板18固定安装于Z向丝杠机构的螺母或滑块上，把手23与Z向丝杠机构的螺杆固定连接，操作者转动把手23，顶板18通过Z向丝杠机构实现Z向的升降。
优选地，所述Z向丝杠机构包括竖直螺纹杆19、螺纹杆连接座20、把手底座21和把手连接座22；把手底座21固定于顶板18上，中间开有通孔；把手连接座22的一端与把手23固定连接，另一端与竖直螺纹杆19的一端同轴固定连接，中部通过轴承转动安装于把手底座21的通孔中；螺纹杆连接座20固定于基座1的通孔中；竖直螺纹杆19的另一端穿过螺纹杆连接座20，螺纹部分与螺纹杆连接座20螺纹连接。
优选地，竖直移动机构还包括同步带26；同步带26的两端分别与两组Z向丝杠机构的把手连接座22连接，通过同步带26连接两组Z向丝杠机构，便于顶板18平稳升降，防止顶板18向一侧倾斜。
优选地，竖直移动机构还包括竖直光滑杆24和光滑杆连接座25；光滑杆连接座25固定于基座1的通孔中，其中间开有光滑通孔；竖直光滑杆24的一端固定于顶板18的底部，另一端穿过光滑杆连接座25的光滑通孔，与光滑杆连接座25滑动连接。竖直光滑杆24用于进一步稳定顶板18。
优选地，所述样品平面激磁装置一15为1/2圆激磁装置，包括1/2圆水平铁心夹具151和1/2圆水平激磁铁心152；1/2圆水平铁心夹具151固定于Z向移动滑板29上；1/2圆水平激磁铁心152放置于1/2圆水平铁心夹具151中；1/2圆水平激磁铁心152的极头沿X方向放置，贴近待测叠置样品8，在激磁过程中，施加附加的样品平面内的激磁，激磁方向与C型主激磁磁轭11的激磁方向在样品平面内相同，即激磁流向为从待测叠置样品8的Y向进入，沿待测叠置样品8的X方向激磁，然后从待测叠置样品8的Y向流出。
优选地，所述样品平面激磁装置二17为3/4圆激磁装置，包括3/4圆水平铁心夹具171和3/4圆水平激磁铁心172；3/4圆水平铁心夹具171固定于Z向移动滑板29上；3/4圆水平激磁铁心172放置于3/4圆水平铁心夹具171中；3/4圆水平激磁铁心172的极头沿Y方向放置，贴近待测叠置样品8，在激磁过程中，施加附加的样品平面内的激磁，激磁方向与C型主激磁磁轭11的激磁方向在样品平面内垂直，即激磁流向为从待测叠置样品8的Y向进入，沿待测叠置样品8的Y方向激磁，然后从待测叠置样品8的Y向流出。
优选地，所述叠置方向激磁装置27为1/2圆激磁装置，包括1/2圆垂直铁心夹具271和1/2圆垂直激磁铁心272；1/2圆垂直铁心夹具271固定于顶板18的底部；1/2圆垂直激磁铁心272放置于1/2圆垂直铁心夹具271中；1/2圆垂直激磁铁心272的极头沿X方向放置，贴近待测叠置样品8，在激磁过程中，施加附加的样品叠置方向的激磁，即激磁流向为从待测叠置样品8的Z向进入，沿待测叠置样品8的X方向激磁，然后从待测叠置样品8的Z向流出。
该测试平台的测试方法包括以下步骤：
步骤1、将薄带单片沿Z方向叠置得到不同厚度的待测叠置样品8；确定主激磁线圈13的匝数N1、B线圈9的匝数N2和H线圈10的匝数N3，将主激磁线圈13缠绕在C型主激磁磁轭11上，将B线圈9缠绕在待测叠置样品8上，将H线圈10贴在待测叠置样品8的表面；
步骤2、通过夹持厚度调节装置将待测叠置样品8固定于样品放置板一4和样品放置板二6之间；
步骤3、通过水平竖直移动机构和竖直移动机构将样品平面激磁装置一15、样品平面激磁装置二17和叠置方向激磁装置27均远离待测叠置样品8；
步骤4、只施加主激磁磁通，在已知B线圈9的磁通密度B和H线圈10的有效窗口面积S的情况下，根据U＝4.44×f×N3×μ0×H×S(f为系统频率，μ0为真空磁导率，H为磁场强度)，可以求得B从0T至待测叠置样品8的磁通密度饱和，每升高0.1T对应的H的测量值，进而得到B-H磁滞回线，磁滞回线的面积为磁性材料的铁心损耗，记录此实验结果；
步骤5、通过水平竖直移动机构和竖直移动机构将样品平面激磁装置一15、样品平面激磁装置二17和叠置方向激磁装置27中的一个贴近待测叠置样品8，同时另外两个远离待测叠置样品8；
步骤6、施加主激磁磁通的同时，施加样品平面激磁装置一15、样品平面激磁装置二17或叠置方向激磁装置27中的一个的附加激磁，再改变附加激磁与主激磁的相角差，可以求得B从0T至待测叠置样品8的磁通密度饱和，每升高0.1T对应的H的测量值，进而得到B-H磁滞回线，磁滞回线的面积为磁性材料的铁心损耗，记录此实验结果；
步骤7、对比步骤4与步骤6的实验结果，通过实验结果分析单一附加激磁对主激磁磁特性的影响。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种叠置型磁性材料磁特性测试平台，其特征在于，该平台包括基座、固定立板、样品放置板一、样品放置板二、夹持厚度调节装置、B线圈、H线圈、C型主激磁磁轭、主激磁线圈、样品平面激磁装置一、样品平面激磁装置二、叠置方向激磁装置、水平竖直移动机构和竖直移动机构；
两个固定立板固定在基座的两侧；C型主激磁磁轭的长边放置于基座中，两条短边分别固定于各自的固定立板上；C型主激磁磁轭的长边上缠绕有主激磁线圈；C型主激磁磁轭的两个极头分别贴近待测叠置样品的两端，给待测叠置样品施加在样品平面内的一个方向的主激磁；
两个样品放置板一分别固定于各自的固定立板上，两个样品放置板二分别固定于各自的固定立板上；样品放置板一与各自的样品放置板二的位置对应，用于固定待测叠置样品；样品放置板一和/或样品放置板二上设置有夹持厚度调节装置，用于夹持不同厚度的待测叠置样品；
样品平面激磁装置一和样品平面激磁装置二均通过水平竖直移动机构滑动设置于基座中，给待测叠置样品施加附加的样品平面内的两个方向的激磁，一个激磁的方向与C型主激磁磁轭的激磁方向相同，另一个激磁的方向与C型主激磁磁轭的激磁方向垂直；叠置方向激磁装置通过竖直移动机构设置于待测叠置样品的正上方，给待测叠置样品施加附加的样品叠置方向的激磁；
B线圈缠绕在待测叠置样品上，H线圈贴于待测叠置样品的表面；样品平面激磁装置一、样品平面激磁装置二和叠置方向激磁装置的设置位置既不靠近B线圈和H线圈，也不靠近C型主激磁磁轭的极头，避免主磁通被样品平面激磁装置一、样品平面激磁装置二和叠置方向激磁装置产生的附加磁通干扰。
2.根据权利要求1所述的叠置型磁性材料磁特性测试平台，其特征在于，夹持厚度调节装置包括不导电不导磁柔性垫片和夹持厚度调节螺丝；样品放置板一和样品放置板二用于夹持的两个表面中的一个或两个上设置有不导电不导磁柔性垫片；夹持厚度调节螺丝穿过样品放置板一和/或样品放置板二并与其螺纹转动连接，端部与不导电不导磁柔性垫片接触，夹持厚度调节螺丝转动，用于固定不同厚度的待测叠置样品。
3.根据权利要求1所述的叠置型磁性材料磁特性测试平台，其特征在于，当C型主激磁磁轭的长边沿X方向放置时，所述水平竖直移动机构为YZ向移动机构，包括Y向移动滑轨、Y向移动调节螺丝、Z向移动调节螺丝、Z向移动滑板、Y向移动滑板和Y向移动滑板定位螺丝；
基座沿Y方向开有通槽；两条Y向移动滑轨固定于通槽中；Y向移动滑板滑动设置于Y向移动滑轨中；Y向移动滑板定位螺丝螺纹连接于Y向移动滑板中，与Y向移动滑轨配合，用于Y向移动滑板的定位；Y向移动调节螺丝的两端转动安装于基座中，中部的螺纹部分与Y向移动滑板螺纹连接；Y向移动滑板上沿Z向开有Z向移动滑轨，Z向移动滑板滑动设置于Y向移动滑板的Z向移动滑轨中；Z向移动调节螺丝的两端转动安装于Y向移动滑板中，中部的螺纹部分与Z向移动滑板螺纹连接；样品平面激磁装置一和样品平面激磁装置二分别固定于各自的Z向移动滑板上，随Z向移动滑板沿Z向上下移动，随Y向移动滑板沿Y向前后移动。
4.根据权利要求1所述的叠置型磁性材料磁特性测试平台，其特征在于，竖直移动机构包括顶板、Z向丝杠机构和把手；叠置方向激磁装置固定于顶板的底部；顶板固定安装于Z向丝杠机构的螺母或滑块上，把手与Z向丝杠机构的螺杆固定连接，操作者转动把手，顶板通过Z向丝杠机构实现Z向的升降。
5.根据权利要求4所述的叠置型磁性材料磁特性测试平台，其特征在于，所述Z向丝杠机构包括竖直螺纹杆、螺纹杆连接座、把手底座和把手连接座；把手底座固定于顶板上，中间开有通孔；把手连接座的一端与把手固定连接，另一端与竖直螺纹杆的一端同轴固定连接，中部转动安装于把手底座的通孔中；螺纹杆连接座固定于基座的通孔中；竖直螺纹杆的另一端穿过螺纹杆连接座，螺纹部分与螺纹杆连接座螺纹连接。
6.根据权利要求4所述的叠置型磁性材料磁特性测试平台，其特征在于，竖直移动机构还包括同步带；同步带的两端分别与两组Z向丝杠机构的把手连接座连接，通过同步带连接两组Z向丝杠机构，便于顶板平稳升降。
7.根据权利要求4所述的叠置型磁性材料磁特性测试平台，其特征在于，竖直移动机构还包括竖直光滑杆和光滑杆连接座；光滑杆连接座固定于基座的通孔中，其中间开有光滑通孔；竖直光滑杆的一端固定于顶板的底部，另一端穿过光滑杆连接座的光滑通孔，与光滑杆连接座滑动连接。
8.根据权利要求1所述的叠置型磁性材料磁特性测试平台，其特征在于，所述样品平面激磁装置一为1/2圆激磁装置，包括1/2圆水平铁心夹具和1/2圆水平激磁铁心；1/2圆水平铁心夹具固定于Z向移动滑板上；1/2圆水平激磁铁心放置于1/2圆水平铁心夹具中；1/2圆水平激磁铁心施加附加的样品平面内的激磁，激磁方向与C型主激磁磁轭的激磁方向在样品平面内相同。
9.根据权利要求1所述的叠置型磁性材料磁特性测试平台，其特征在于，所述样品平面激磁装置二为3/4圆激磁装置，包括3/4圆水平铁心夹具和3/4圆水平激磁铁心；3/4圆水平铁心夹具固定于Z向移动滑板上；3/4圆水平激磁铁心放置于3/4圆水平铁心夹具中；3/4圆水平激磁铁心施加附加的样品平面内的激磁，激磁方向与C型主激磁磁轭的激磁方向在样品平面内垂直。
10.根据权利要求1所述的叠置型磁性材料磁特性测试平台，其特征在于，所述叠置方向激磁装置为1/2圆激磁装置，包括1/2圆垂直铁心夹具和1/2圆垂直激磁铁心；1/2圆垂直铁心夹具固定于顶板的底部；1/2圆垂直激磁铁心放置于1/2圆垂直铁心夹具中；1/2圆垂直激磁铁心施加附加的样品叠置方向的激磁。
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