DD290720A5 - Verfahren und anordnung zur messung von verlustleistung und komplexer grundwellenpermeabilitaet an weichmagnetischen materialien, insbesondere leistungsferriten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnung zur Messung von Verlustleistung und komplexer Grundwellenpermeabilitaet an weichmagnetischen Materialien, insbesondere Leistungsferriten. Sie ist fuer die Untersuchung sowohl von polykristallinen und einkristallinen keramischen als auch von metallischen weichmagnetischen Proben in Form von geschlossenen magnetischen Kreisen anwendbar. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dasz die Probe in einem Parallelschwingkreis angeordnet und temperiert wird, das Material einer sinusfoermigen Induktion ausgesetzt wird und im Resonanzfall die Grundwellen von Schwingkreisspannung, Verluststrom und Magnetisierungsstrom gemessen werden.{weichmagnetische Materialien; Leistungsferrite; Verlustleistung; komplexe Grundwellenpermeabilitaet; Meszverfahren; Meszanordnung; hohe Frequenzen; weiter Induktionsbereich; Parallelschwingkreis; Schwingkreisspannung; Verluststrom; Magnetisierungsstrom}

Description

Hierzu 5 Seiten Zeicfc)»**ngen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnung zur Messung von Verlustleistung und komplexer Grundwellenpermeabilität an weichmagnetischen Materialien, insbesondere Leistungsferriten. Sie ist für die Untersuchung sowohl von polykristallinen und einkristallinen keramischen als auch von metallischen weichmagnetischen Proben in Form von geschlossenen magnetischen Kreisen anwendbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die Optimierung von magnetischen Werkstoffen für die Leistungselektronik setzt die Kenntnis der magnetischen Eigenschaften bis zu hohen Frequenzen in einem weiten Induktionsbereich voraus. So geht beispielsweise in Schaltnetzteilen für Stromversorgungen der Trend zu immer höheren Schaltfrequenzen (einige Hundert kHz bis in den MHz-Bereich). Zur Charakterisierung der verwendeten magnetischen Kernmaterialien ist die Bestimmung von Kernverlustleistung und Permeabilität in Abhängigkeit von Frequenz und Induktionsamplitude von besonderem Interesse.

Zur Bestimmung der Verlustleistung von magnetischen Kernen bei höheren Frequenzen sind nur wenige praktikable Verfahren bekannt, so daß u. a. eine modellmäßige theoretische Beschreibung der physikalischen Vorgänge in weichmagnetischen Kernen unter den Bedingungen der angewandten Werkstofforschung und in der physikalischen Grundlagenforschung gegenwärtig noch erschwert ist (Thottuvelil, V. J., T. G. Wilson und H. A. Owen: High-Frequency Measurement Techniques for Magnetic Cores, Proceedings of the 16th Annual Power Electronics Specialist Conference, Toulouse France, June 24-28,1985,412-425). Es sind Meßverfahren bekannt, die bei niedrigeren Frequenzen eingesetzt werden, deren Genauigkeit und Anwendbarkeit beim Übergang zu höheren Frequenzen aber in Frage gestellt ist. In lEC-Standard Publication 367-1 (2. Ausgabe 1982) werden für die Bestimmung der magnetischen Verluste (Gesamtkernverluste) entsprechend dem Anwendungszweck geeignete Verfahren bei hohen Aussteuerungen (Induktionsamplituden) vorgeschlagen:

- Verfahren mit multiplizierendem Voltmeter

- Brückenverfahren

- Verfahren mit einem Oszilloskop

Das Verfahren mit einem multiplizierenden Voltmeter beruht auf der Messung des zeitlichen Mittelwertes des Produktes der Momentanwerte zweier Spannungen (mittleres Spannungsprodukt), wobei in einem Kanal des Meßgerätes die Spannung über der Meßspule, im anderen Kanal der Spannungsabfall über einem kleinen ohmschen Widerstand in Reihe zur Meßspule anliegen. Bei Kenntnis dieses Widerstandes läßt sich die im Meßzweig umgesetzte sogenannte Kreuzleistung bestimmen. Wechselstrombrücken benötigen für ihren Abgleich in der Regel zwei einstellbare Elemente in Form von ohmschen und induktiven bzw. kapazitiven Normalen, da der komplexe Widerstand des Meßobjektes durch jeweils zwei Bestimmungsgrößen (Betrag und Phasenwinkel) eindeutig festgelegt ist. Die Verlustleistung ergibt sich im Brückenabgleich aus dem Wert des durch die Meßspule fließenden Stromes oder der anliegenden Spannung und dem aus den Abgleichbedingungen ermittelten Wert des Verlustwiderstandes des magnetischen Kerns.

Das oszillografische Verfahren beruht auf der Darstellung der Hystereseschleife des Meßobjektes, das als Übertrager ausgeführt ist. Die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung, die der Induktion B in der Probe proportional ist, wird nach Integration auf die Y-Platten des Ablenksystems gegeben. Der Spannungsabfall an einem kleinen ohmschen Widerstand in Reihe zur Primärwicklung, der proportional dem Magnetisierungsstrom und damit der Feldstärke ist, wird den X-Platten zugeführt. Bei entsprechender Kalibrierung beider Achsen ergibt sich aus dem Flächeninhalt der Hystereseschleife (z.B. durch Fotografieren der Schleife) die Verlustleistung des Kerns. Die Flächengröße kann bei digitaler Abtastung der Schleife (Transientenrecorder, digitales Speicheroszilloskop) in Verbindung mit einem Rechner direkt abgeleitet werden.

Bei dem Verfahren mit einem multiplizierenden Voltmeter verhindert die obere Frequenzgrenze des Gerätes die Erfassung der Oberwellen der Meßfrequenz, wenn diese im Bereich von 50OkHz bis 1 MHz liegt. Außerdem steigen die Phasenfehler zwischen den beiden Kanälen des Gerätes mit der Frequenz, so daß im Frequenzbereich oberhalb 20OkHz erhöhte Fehler bei der Messung der Kernverlustleistung auftreten (Mochizuki, I., I. Sasaki und K. Murakawa: IEEE Transactions on Magnetics 22/5 (1986), 668-670, A High Frequency Core Loss Automatic Measuring System).

Brückenmessungen werden bei höheren Frequenzen (f > 5OkHz) ungenauer, da infolge des mit zunehmender Frequenz wachsenden Einflusses der parasitären ohmschen bzw. Blindkomponenten die verwendeten Normale keine frequenzunabhängigen Größen mehr darstellen. Die für den Abgleich benötigten ohmschen Widerstände mit kleinem Fehlwinkel stehen kaum für die bei hohen Aussteuerungen auftretenden Wirkleistungen zur Verfugung. Es ist schwierig, bei Brückenverfahren eine definierte Wellenform der Spannung über der Meßprobe einzustellen, da sich entsprechend den wechselnden Abgleichbedingungen das Verhältnis von Innenwiderstand des Generators (Brücke) zum Widerstand des Meßobjekts ändert.

Bei Verfahren mit dem Oszilloskop müssen die Bandbreite von X- und Y-Verstärker sehr hoch und die zusätzliche Phasenverschiebung zwischen beiden Kanälen gering sein. Bei den meisten X-Verstärkern sind die Bandbreite und die Phasenkompensatton zu schlecht, um genauere Messungen zu ermöglichen. Die Oszilloskopverfahren erfordern das Aufbringen zweier Wicklungen (Primär- und Sekundärwicklung), wobei die Kapazität des Sekundärkreises verstärkt zu LC-Resonanzen führen kann, die in den Meßfrequenzbereich fallen.

Die durch Phasenfehler zwischen den Kanälen bedingten Meßfehler bei der Verwendung von multiplizierenden Voltmetern und Oszilloskopen führen insbesondere zu Schwierigkeiten bei der Messung der Kernverlustleistung an verlustarmen, niedrigpermeablen Kernen (Thottuvelil, V.J., T.G. Wilson und H.A. Owen: High-Frequency Measurement Techniques for Magnetic Cores, Proceedings of the 16th Annual Power Electronics Specialist Conference, Toulouse France, June 24-28,1985, 412—425). Verfahren mit einem multiplizierenden Voltmeter und Brückenverfahren messen die im Meßobjekt verbrauchte Gesamtverlustleistung. Bei verlustarmen Kernen und unter bestimmten Meßbedingungen (niedrige Meßfrequenz und/oder niedrige Induktion) ist es aber für genaue Messungen häufig erforderlich, den Kernverlust durch Berücksichtigung der Kupferverluste der Wicklung vom gemessenen Gesamtverlust zu trennen. Diese Korrektur setzt die Kenntnis des Reihenwirkwiderstandes im Meßzweig voraus, der aber herkömmlich nur mit Verfahren bestimmt werden kann, bei denen eine getrennte Ermittlung von Wirk- und Blindkomponenten möglich ist. Ein Nachteil gebräuchlicher Meßplätze zur Bestimmung der Verlustleistung besteht darin, daß der Generator neben der Verlustleistung auch die im Meßobjekt umgesetzte Blindleistung aufbringen muß, was erhöhte Anforderungen an die Dimensionierung des Leistungsverstärkers stellt. Neben der Bestimmung der Verlustleistung ist die Messung weiterer magnetischer Größen zur Charakterisierung des Werkstoffzustandes weichmagnetischer Materialien von Interesse. Eine wichtige Kenngröße stellt die komplexe Permeabilität des Kernmaterials dar. Allerdings gestatten es nur Brückenmessungen, Verlustleistung und die aus Wirk- und Blindwiderstand der Meßspule abgeleitete komplexe Permeabilität gleichzeitig zu messen, wobei die beschriebenen Nachteile der Brückenmessungen berücksichtigt werden müssen (Hund, A.: High-Frequency Measurements, McGraw-Hill Book Company Inc., New York/Toronto/London 1951).

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, sowohl die Verlustleistung als auch die komplexe Grundwellenpermeabilität von weichmagnetischen Materialien bis zu hohen Frequenzen in einem weiten Induktionsbereich mit hoher Genauigkeit der Meßwerte zu ermitteln. Das Meßverfahren soll einfach durchführbar sein. Die Meßwerte sollen mit ein und derselben Anordnung zu bestimmen sein.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung von Verlustleistung und komplexer Grundwellenpermeabilität an weichmagnetischen Materialien, insbesondere an verlustarmen Werkstoffen für die Leistungselektronik, zu schaffen, die Messungen in einem weiten Frequenz- und Aussteuerungsbereich unter Ausnutzung derselben Meßschaltung für beide Meßgrößen ohne den Einsatz von Geräten, bei denen Meßwerte phasenrichtig in zwei Kanälen verarbeitet werden müssen, ermöglichen, wobei der Generator nur die im Meßobjekt verbrauchte Wirkleistung aufbringen muß.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem die in Form eines geschlossenen magnetischen Kreises vorliegende, bewickelte weichmagnetische Probe in einem Parallelschwingkreis angeordnet wird. Nach Temperierung der Probe wird das Material einer sinusförmigen Induktion ausgesetzt. Nachdem der Parallelschwingkreis bei der Meßfrequenz auf Resonanz gebracht worden ist, werden die Grundwellen von Schwingkreisspannung, Verluststrom und Magnetisierungsstrom gemessen. Aus diesen Werten wird die Verlustleistung und die komplexe Grundwellenpermeabilität der Probe bestimmt. Weiterhin wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Anordnung gelöst, bei der ein Parallelschwingkreis zum Einsatz kommt, der über einen Meßwiderstand mit einem Pegelgenerator und einem nachgeschalteten Leistungsverstärker verbunden ist. Im Schwingkreis ist in Reihe mit einer Meßspule, deren Kern das auszumessende weichmagnetische Material bildet, ein

weiterer Meßwiderstand und parallel zu beiden ein einstellbarer Kondensator angeordnet. Parallel zu den Meßwiderständen und zu dem Schwingkreis sind AC-Millivoltmeter bzw. selektive Pegelmesser angeordnet. Eine Probenfassung mit Temperiereinrichtung nimmt die Meßspule auf.

Es ist vorteilhaft, wenn der Massepunkt (Bezugspotential) der Anordnung zwischen den Meßwiderständen liegt. Weiterhin ist es günstig, wenn der in Reihe zur Meßspule liegende Meßwiderstand sehr klein ist und die Meßwiderstände im Frequenzbereich sehr kleine Fehlwinkel besitzen.

Die für eine bestimmte Induktion in der Probe erforderliche Wechselspannung wird vom abstimmbaren Pegelgenerator und dem Leistungsverstärker erzeugt und über den Meßwiderstand an den Parallelschwingkreis, gebildet aus einem induktiven Zweig und dem einstellbaren Kondensator C, gelegt. Im induktiven Zweig des Schwingkreises befindet sich die Meßspule mit der Ringkernprobe in Reihe mit dem Meßwiderstand. Der Massepunkt wird vorteilhaft so gelegt, daß die Spannungsabfälle an den Meßwiderständen sowie die Schwingkreisspannung mit den Spannungsmeßgeräten unsymmetrisch gegen Erde gemessen werden können. Um die Verluste der Meßprobe nicht zu verfälschen, ist der in Reihe zu ihr liegende Meßwiderstand hinreichend klein zu wählen.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Anordnung lassen sich Verlustleistung und komplexe Grundwellenpermeabilität von weichmagnetischen Materialien in einem weiten Frequenzbereich, vorzugsweise für Frequenzen größer als 1 kHz, vorteilhaft messen. Bei sinusförmig eingestellter Induktion in der Probe ist die in der Probe umgesetzte Verlustleistung gleich dem Produkt aus den Grundwellen von Verluststrom und Spulenspannung, die für einen gewählten kleinen Meßwiderstand praktisch identisch mit der Schwingkreisspannung ist. Wenn der Parallelschwingkreis mit der Probe durch Abstimmung mit dem einstellbaren Kondensator bei der Meßfrequenz auf Resonanz gebracht wird, wird die Grundwellenleistung in einfacher Weise durch Messung der Grundwellen des durch den Meßwiderstand fließenden Verluststromes und der Schwingkreisspannung bestimmt. Wird noch zusätzlich die Grundwelle des durch den Meßwiderstand fließenden Magnetisierungsstromes gemessen, können im Resonanzfall auch Reiheninduktivität und Reihenverlustwiderstand im Meßzweig und daraus die komplexe Grundwellenpermeabilität der Meßprobe bestimmt werden. Die Bestimmung des Gesamtverlustwiderstandes im Meßzweig bietet außerdem eine einfache Möglichkeit zur Korrektur der gemessenen Verlustleistung bezüglich des Einflusses der Kupferverluste in der Spulenwicklung. Im Resonanzfall arbeitet der Verstärker auf rein ohmsche Last, was neben der günstigen Wirkung auf die Stabilität und Linearität des Verstärkers bedeutet, daß der Verstärker nur die in der Meßschaltung umgesetzte Wirkleistung aufbringen muß. Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und die Anordnung an einem Ausführungsbeispiel erläutert.

Ausführungsbeispiel

Die Figur 1 zeigt das Grundprinzip der Anordnung zur Durchführung des Meßverfahrens. Die Anordnung besteht aus dem abstimmbaren Pegelgenerator PG, dem Leistungsverstärker LV, der Probenfassung PH, der Meßspule mit Ringkernprobe Lx, dem abstimmbaren Kondensator C, den Meßwiderständen R1 und R2 und den Spannungsmeßgeräten MS1, MS2 und MS3. Die in Form eines Ringkernes vorliegende Probe wird bewickelt und in die Probenfassung PH eingebracht. Nach dem Einbringen der Probe in den Resonanzkreis wird die Probe temperiert und der Schwingkreis mit dem Pegelgenerator PG über den Leistungsverstärker LV periodisch ausgesteuert. Vorzugsweise erfolgt das mit einer Frequenz f> 1 kHz. Der Leistungsverstärker LV kann eine Ausgangsleistung von 25 W an einem minimalen Lastwiderstand Rl = 10Ohm im Frequenzbereich von 1 bis 45OkHz abgeben. Sein Ausgangswiderstand Ro < 0,5Ohm sichert sinusförmigen Verlauf der Spannung an der Meßspule. Zur Resonanzabestimmung wird der Kondensator C mit vier Dekaden von 10OpF bis 1 μΡ parallel mit einem Luftdrehkondensator von 10OpF verwendet. Nach dem Abgleich des Schwingkreises auf Resonanz bei der Meßfrequenz wird die in der Probe umgesetzte Verlustleistung und die komplexe Grundwellenpermeabilität der Probe gemessen. Nach Figur 2 besteht die Ersatzschaltung für den abstimmbaren Parallelschwingkreis aus der Reiheninduktivität L und dem Reihenverlustwiderstand R_v der Probe, dem Kupferwiderstand der Spulenwicklung R<, dem Meßwiderstand R2 und der veränderlichen Parallelkapazität C. In Reihe zum Meßkreis befindet sich der Meßwiderstand R1. Der Resonanzfall wird durch Abstimmung mit der Kapazität C realisiert, indem das Minimum der Grundwelle des in den Schwingkreis hineinfließenden Stromes І_і/Ш eingestellt wird. Die Messung von I₁^ erfolgt mit dem selektiven Pegelmesser MS1 über den Spannungsabfall am Meßwiderstand R1, der aus 5 parallel geschalteten 1 Ohm/0,5W Schichtwiderständen besteht, die reusenförmig angeordnet sind, um die induktive Komponente kleinzuhalten. Weiterhin wird die Grundwelle des Magnetisierungsstromes I₀, über den Spannungsabfall am Meßwiderstand R2 = 50mOhm mit dem selektiven Pegelmesser MS2 gemessen, der als Faltband aus Widerstandsmaterial WM 43 ausgeführt und bisf = 45OkHz als phasenrein zu betrachten ist.

Der geforderte Induktionswert B im Probenkern wird über die Schwingkreisspannung U₁, die.mit dem AC-Millivoltmeter MS3 gemessen wird, eingestellt. Da die Schwingkreisspannung sinusförmig vorgegeben ist und im Resonanzfall keine Phasenverschiebung zwischen der Schwingkreisspannung Ui und der Grundwelle des Verluststromes I_{1 ш} existiert, ist die verbrauchte Verlustleistung (Wirkleistung) P einfach gleich der Grundwellenleistung

Ρ = υ,Ι,,_ω (1)

Wie man sieht, entfallen für das erfindungsgemäße Meßverfahren bei der Bestimmung der Verlustleistung die Schwierigkeiten bei der Erfassung der Oberwellen, wie sie z.B. bei der Verwendung von multiplizierenden Voltmetern wegen der oberen Grenzfrequenzen dieser Geräte auftreten

Nach Figur 2 erhält man für den ohmschen Gesamtwiderstand im Magnetisierungszweig

Rg ⁼⁼ ^v ~f~ f^K ~f~ f^2 · (2)

Im Resonanzfall ist der Scheinwiderstand des Schwingkreises reell und die Reiheninduktivität L der Probe und R_G berechnen sich

ω _1ω * Μ_ω, ⁽³⁾

R_G = U₁ I^ (4)

•ω

mit ω als Kreisfrequenz. Mit (2) wird der Reihenverlustwiderstand des Kernes

Rv = Rg - (Rk + R₂) - (5)

Der Verlustwiderstand der Spulenwicklung R_Kkann bei nicht zu hohen Frequenzen mit einer Präzisions-Gleichstrommeßbrücke gemessen werden. Damit ergibt sich für Real-und Imaginärteil der komplexen Grundwellenpermeabilität μ_ω = Μω — H^'

Μω =	L 1 Mo' N2	- <	Rv	Μω'
ll"	Rv	1 le	ω-L	Μω
Μω	Mo- ω	N2 Αβ
und für den Verlustfaktor des Kernmaterials
tan δ

(8)

mit Mo als absolute Permeabilität des Vakuums, N als Windungszahl, I₈ und A₀ als effektive magnetische Weglänge bzw. effektiver magnetischer Querschnitt des Probenkerns.

Die gemessene Verlustleistung P wird durch die im Wicklungswiderstand R« und Meßwiderstand R₂ auftretenden Verluste verfälscht. Die tatsächliche Kernverlustleistung P_K erhält man durch Multiplikation der aus den Meßwerten von Ι_1>ω und U) bestimmten Werte von P mit dem Korrekturfaktor

1 + (R_G/((o · L))² R^₅₅₅ _Rv_ 1 + (R_v/((o · L))² R_G R_G '

d.h., es gilt für die Kernverlustleistung

Pk=K-P (10).

Die Abbildungen 3 beziehen sich auf Raumtemperatur-Messungen mit der Meßanordnung nach Figur 1:

Abb. 3 a: Spezifische Verlustleistung P_v eines verlustarmen Mn-Zn-Ferritringkerns in Abhängigkeit von der Frequenz bei

verschiedenen Induktionsamplituden B

Abb. 3 b: Auf f · B² bezogene spezifische Verlustleistung P_v des gleichen Kerns in Abhängigkeit von der Amplitude des

Induktionswertes B bei verschiedenen Frequenzen

Abb. 3c: Real und Imaginärteil der auf die reelle Anfangspermeabilität Ma bezogenen normierten komplexen Grundwellenpermeabilität μ_ω = M0> — Mi»Verlustfaktortan5undauf(f · B²) bezogene spezifische Verlustleistung Pv desgleichen Kernes in Abhäng igkeit von der Induktionsamplitude B bei der Frequenz f = 3kHz.

Aus den Abb. 3a und 3 b ist zu entnehmen, daß die Meßanordnung nach Figur 1 Messungen der Verlustleistung über einen weiten Frequenz- und Induktionsbereich gestattet, wobei wegen der erfindungsgemäßen Korrektur der Wicklungsverluste auch im MW-Bereich noch genaue Messungen möglich sind.

Abb.3c demonstriert, daß durch Messung von Schwingkreisspannung und der Grundwellen von Verlust-sowie Magnetisierungsstrom im Resonanzfall die simultane Bestimmung der Komponenten der komplexen Grundwellenpermeabilität, des Verlustfaktors und der kernspezifischen Verlustleistung in einem Meßvorgang unter Ausnutzung der Schaltungsanordnung in Figur 1 realisiert werden kann.

Claims (4)

1. Verfahren zur Messung von Verlustleistung und komplexer Grundwellenpermeabilität an weichmagnetischen Materialien, insbesondere Leistungsferriten, gekennzeichnet dadurch, daß die in Form eines geschlossenen magnetischen Kreises vorliegende, bewickelte weichmagnetische Probe in einem Parallelschwingkreis angeordnet und temperiert wird, das Material einer sinusförmigen Induktion ausgesetzt wird, der Parallelschwingkreis bei der Meßfrequenz auf Resonanz gebracht wird und im Resonanzfall die Grundwellen von Schwingkreisspannung, Verluststrom und Magnetisierungsstrom gemessen werden.

2. Anordnung zur Messung von Verlustleistung und komplexer Grundwellenpermeabilität an weichmagnetischen Materialien, insbesondere Leistungsferriten, gekennzeichnet durch einen Parallelschwingkreis, der über einen Meßwiderstand (R 1) mit einem Pegelgenerator (PG) und nachgeschaltetem Leistungsverstärker (LV) verbunden ist, wobei

- im Schwingkreis in Reihe mit einer Meßspule (Lx), deren Kern das auszumessende weichmagnetische Material bildet, ein weiterer Meßwiderstand (R2) und parallel zu beiden ein einstellbarer Kondensator (C) angeordnet ist, und

- parallel zu den Meßwiderständen (R 1; R2) und zu dem Schwingkreis AC-Millivoltmeter (MS) bzw. selektive Pegelmesser (MS) angeordnet sind und

- eine Probenfassung mit Temperiereinrichtung (PH) die Meßspule aufnimmt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen den Meßwiderständen (R 1; R2) ein Massepunkt (Bezugspotential) angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß der in Reihe zur Meßspule (Lx) liegende Meßwiderstand (R2) sehr klein ist und die Meßwiderstände (R 1; R2) im Frequenzbereich sehr kleine Fehlwinkel besitzen.