TWI383155B - Measurement device for non - sine wave electromagnetic properties - Google Patents

Description

非正弦波電磁特性之測量裝置

本發明是有關於一種測量裝置，特別是指一種非正弦波電磁特性之測量裝置。

參閱圖1及圖2，目前業界中對於電磁鋼片(即俗稱之矽鋼片)的電磁特性測試方式，通常是依據美國材料試驗協會(ASTM)所訂定之標準測試方法來進行，而該測試方式所配合使用之測試系統是利用一訊號產生裝置101來產生一正弦波信號，再搭配一線性功率放大器102來對該正弦波信號進行放大，並輸入至纏繞有一次側線圈N1與二次側線圈N2之待測試電磁鋼片103的一次側線圈N1(見圖1)，或是輸入至一其內放有待測電磁鋼片之標準測試模組200的一次側線圈N1(例如一25cm Epstein Frame，見圖2，因視角關係未顯示該電磁鋼片)，並在該一次側線圈N1上形成一激磁電流，此時該一次側線圈N1即會產生磁場，而藉由該磁場所衍生的磁通即會透過該電磁鋼片103於該二次側線圈N2上產生感應電壓，再透過一量測設備300(例如一瓦特計301及一示波器302)來對該激磁電流及該感應電壓進行測量與觀測，再對測量結果進行分析處理以推算出該電磁鋼片103對於正弦波之電磁特性。

由於上述之電磁鋼片103常被應用於馬達上，而目前業界中大多是採用脈波寬度調變(Pulse-Width Modulation,PWM)的切換技術作為馬達驅動訊號的來源，但由於電磁鋼片103的電磁性測試是以正弦波來進行，其測試結果並無法提供電磁鋼片103在實際應用時其對於PWM波形的電磁反應，而若是直接將PWM技術整合於習知的電磁鋼片測試架構中，當PWM波形經由線性功率放大器102放大後，其波形會嚴重失真，進而完全無法進行對應電流或電壓的量測；而若是捨棄習知的測試方式並改用PWM控制訊號來搭配PWM放大器進行測量，唯市面上能夠取得之PWM放大器均為針對特定之致動器(大多為特定規格之馬達等)所設計，鮮少有特別為測試各種不同規格之電磁鋼片103而設計的PWM放大器，進而使測試元件在整合上有著相當的難度，此外，現有之PWM放大器也鮮少有切換模式的選擇，其功能性也相對受到限制。

因此，本發明之目的，即在提供一種可對電磁鋼片進行各種不同之非正弦波電磁特性測試的非正弦波電磁特性測量裝置。

於是，本發明之非正弦波電磁特性之測量裝置，是配合一待測模組進行非正弦波電磁特性之測量，該待測模組具有至少一電磁鋼片，及能夠與該電磁鋼片產生電磁性反應之一個一次側線圈與一個二次側線圈，該測量裝置包含：一控制單元、一第一電源單元、一驅動單元、一功率輸出單元，及一量測單元。

該控制單元是產生一非正弦波控制訊號並輸出。

該第一電源單元是與該控制單元電連接，並產生一直流電壓。

該驅動單元是接收該控制單元所輸出之非正弦波控制訊號，並對該非正弦波控制訊號進行放大。

該功率輸出單元是與該驅動單元、該第一電源單元，及該待測模組之一次側線圈電連接，且是援引該第一電源單元之直流電壓作為電源，並依據經該驅動單元放大之非正弦波控制訊號而對應進行切換導通，以使該一次側線圈通電並形成一激磁電流，再透過形成於該電磁鋼片上的磁通反應而在該二次側線圈上產生一感應電壓。

該量測單元是與該控制單元、功率輸出單元，以及該待測模組之一次側線圈及二次側線圈電連接，並對該激磁電流及感應電壓進行測量，且是將其測量結果回授至該控制單元進行對應之非正弦波電磁特性運算。

本發明之功效在於，利用該控制單元所產生之非正弦波控制訊號，配合該驅動單元之放大並藉由該功率輸出單元輸至該待測模組以產生電磁反應，再藉由該量測單元進行激磁電流及感應電壓的測量並回授至該控制單元，以進行對應之電磁特性運算，且該控制單元可調整其所輸出之該非正弦波控制訊號的型態及參數，以配合測量各種不同之電磁鋼片的電磁特性。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖3，本發明非正弦波電磁特性之測量裝置之較佳實施例，是配合一待測模組400進行非正弦波電磁特性之測量，該待測模組400具有至少一待測試之電磁鋼片401，及能夠與該電磁鋼片401產生電磁性反應之一個一次側線圈N1與一個二次側線圈N2，該測量裝置包含：一控制單元1、一第一電源單元2、一切換式電源供應器3、一驅動單元4、一隔離單元9、一功率輸出單元5、一回授單元6，一量測單元7，及一保護單元8。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在本實施例中，所使用的該待測模組400為一纏繞有一次側線圈N1及二次側線圈N2之鐵芯(即一片或多數片相疊合之電磁鋼片401)，但也可為一用於電磁性測試的25公分標準試驗框架(25cm Epstein Frame)，其內可放置一片或多數片相疊合的待測試電磁鋼片401，或是其他等效之配置方式，在此並不加以設限。

該控制單元1是提供使用者一個操作介面，並依據使用者之輸入而產生一具有對應參數之非正弦波控制訊號，並可藉由該控制單元1而對整體裝置中的其他電路模組進行控制。在本實施例中，該控制單元1為一電腦，並透過一數位/類比轉換器(圖未示)而輸出一類比型式之非正弦波控制訊號，在本實施例中，該非正弦波控制訊號是採用雙極式的脈波寬度調變波(Bipolar switching PWM)來舉例說明，但也可為單極式脈波寬度調變波(Unipolar switching PWM)、脈波振幅調變波(PAM)、或是三角波、方波等等，端視實際實施時所配合使用之電磁鋼片401的種類或其他測試條件考量而定，並據此選擇/調整調變波及載波之種類或其振幅、頻率、切換模式等等，並不應侷限於本實施例所揭露之特定態樣。

該第一電源單元2是與該控制單元1電連接，並產生一直流電壓供予後級電路使用，且該第一電源單元2是受到該控制單元1所控制，藉此令使用者可透過該控制單元1調整該第一電源單元2所產生之直流電壓的幅度大小，以配合進行不同供應電壓規格之測試模式。

該切換式電源供應器3為一切換式電源(switching power supply)，並可產生一浮動式的直流電壓源供予後級電路使用。

參閱圖3，並配合參閱圖4，該驅動單元4是接收該控制單元1所輸出之非正弦波控制訊號，並源引該切換式電源供應器3所產生之浮動式直流電壓源作為電源來源，進而對該非正弦波控制訊號進行適合的放大。

該功率輸出單元5是與該驅動單元4、該第一電源單元2，及該待測模組400之一次側線圈N1電連接，且是援引該第一電源單元2之直流電壓作為電源，並依據經該驅動單元4放大之非正弦波控制訊號而對應進行切換導通，以使該一次側線圈N1通電並形成一激磁電流，再透過形成於該電磁鋼片401上的磁通反應而在該二次側線圈N2上產生一感應電壓。在本實施例中，該功率輸出單元5是採用四個功率開關51~54(例如MOSFET)所組成的全橋式換流器，而該四功率開關51~54是接受該驅動單元4之控制而相互對應切換地導通與關閉，進而形成切換式的輸出方式，以配合PWM切換技術的實施。當然，也可視情況需要而採用半橋式換流器來做為該功率輸出單元5的實施手段，並不應侷限本實施例所揭露之全橋式換流器架構。

該驅動單元4是以二個IR21844控制晶片41來據以實施，以對該等功率開關51~54進行閘極驅動，且該等晶片更能夠被設定為具有“互鎖”之功能，使該功率輸出單元5之功率開關51~54在切換導通時具有延遲性，以防止對應的功率開關51~54因同時開啟而造成的短路問題，藉此確保該等功率開關51~54之間交互切換導通、截止的作動正確性。此外，使用者亦可藉由該控制單元1來控制該驅動單元4所造成之延遲驅動時間長短，以更進一步控制該等功率開關51~54的切換作動精準性。另外要注意的是，圖4中之A、B兩示意點即是對應圖3中之A、B兩示意點，以藉此表示功率輸出單元5之功率輸出端的確切連接位置。

該回授單元6是感應該功率輸出單元5導通時之電流，並將感應結果回授至該控制單元1的回授單元6。在本實施例中，該回授單元6具有一霍爾元件61(Hall-effect sensor)，以及一與該霍爾元件61及該控制單元1電連接的濾波器62，以利用該霍爾元件61透過霍爾電磁效應來感應出導通於該功率輸出單元5之電流，並藉由該濾波器62將該等功率開關51~54切換時所產生之高頻諧波及雜訊濾除後再回授至該控制單元1。而藉由該霍爾元件61非接觸式的電流感應方式，可避免利用導線直接接觸偵測方式所會產生的干擾或壓降現象，並配合該濾波器62以防止高頻雜訊傳回至該控制單元1而影響量測結果。

藉由該回授單元6之霍爾元件61及濾波器62相配合地將該功率輸出單元5之電流狀態回授至該控制單元1，以隨時判斷該功率輸出單元5當下的電流量大小，進而得以確認整體系統是否有過載之情形。如果電流過大，該控制單元1則會停止其非正弦波控制訊號的輸出，以策安全。另外，此處回授之電流訊號也是量測鐵損(iron loss)所需要的參數之一。

該隔離單元9是電連接於該驅動單元4及該控制單元1之間，並進行高頻雜訊隔離，以避免該功率輸出單元5之功率開關51~54於切換時所產生的高頻諧波與雜訊透過導線而回傳至該控制單元1，藉此防止高頻諧波與雜訊對該控制單元1造成損害及干擾。在本實施例中，該隔離單元9是以一光耦合器來據以實施。

該保護單元8是對該功率輸出單元5進行高電流及高溫保護，以及對該第一電源單元2進行高電壓保護，以確保整體電路於作動時的安全性，使其電路元件不致受高溫、高電壓或高電流而損壞。

該量測單元7是與該控制單元1、功率輸出單元5，以及該待測模組400之一次側線圈N1及二次側線圈N2電連接，並對分別產生於該一次側線圈N1及二次側線圈N2上的該激磁電流及感應電壓進行測量，且是將其測量結果回授至該控制單元1進行對應之非正弦波電磁特性運算。在本實施例中，該量測單元7為一瓦特計(Wattmeter)。

在此要注意的是，上述之該第一電源單元2、切換式電源供應器3、驅動單元4、保護單元8，以及該控制單元1之相關操作設定與使用者互動軟體程式，應為所屬技術領域中具有通常知識者所熟知的功能性電路，在此即不對其細部電路結構及工作原理加以贅述。

參閱圖5，為實際測量該功率輸出單元5之各個功率開關51~54之開關訊號所得的波形，其結果證實同一臂上之功率開關51~54之開關訊號確呈與理論相符之互補模式。再配合參閱圖6，更可看出兩對應互補之功率開關51~54在交互開、關切換時確實具有一延遲時間D。

而在在實際配合待測模組400測試時，是以60Hz調變波、1kHz載波，以及調變指標為0.5的測試條件來對一50CS470電磁鋼片401進行進行測試，而所測得之激磁電流、感應電壓、磁通密度以及磁滯曲線即如圖7~圖10所示。

藉由上述設計，本發明非正弦波電磁特性之測量裝置，具有下列優點：

1.提供電磁鋼片401對於非正弦波的電磁特性量測：

利用該控制單元1所輸出之非正弦波控制訊號(例如PWM訊號)，配合該驅動單元4及該功率輸出單元5之放大及切換式功率輸出，以藉此對待測試之電磁鋼片401進行非正弦波電磁特性的相關測試，進而提供使用者特定之電磁鋼片401對於非正弦波之電磁特性的資料及數據，以改善習知測試設備僅能進行正弦波電磁特性測試的缺點。

2.測試彈性佳：

使用者可透過該控制單元1來對該非正弦波控制訊號之各種參數進行設定與調整，例如選擇該非正弦波控制訊號之調變波、載波種類，選擇其切換方式(單極式或雙極式)，以及調整其頻率及振幅大小等等，而除了上述之對於該非正弦波控制訊號的選擇及參數調整外，亦可藉由該控制單元1來控制該第一電源單元2所供應之直流電壓源的大小，以及該驅動單元4之切換延遲時間長短，以方便對同一待測試之電磁鋼片401進行各種不同條件之電磁性測試，亦可對不同規格之電磁鋼片401進行對應之電磁性測試，應用彈性甚佳。

綜上所述，本發明非正弦波電磁特性之測量裝置，利用該控制單元1所產生之非正弦波控制訊號，配合該驅動單元4放大後藉由該功率輸出單元5輸至該待測模組400以產生電磁反應，再藉由該量測單元7進行激磁電流及感應電壓的測量並回授至該控制單元1進行對應之電磁特性運算，且該控制單元1可調整其所輸出之該非正弦波控制訊號之型態及參數，以及控制輸入電壓源大小或切換延遲時間長短等等的測試條件，以配合進行各種不同之電磁鋼片401的電磁特性測量，應用彈性甚佳，故確實能夠達到本發明之目的。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1．．．控制單元

2．．．第一電源單元

3．．．切換式電源供應器

4．．．驅動單元

41．．．控制晶片

5．．．功率輸出單元

51~54．．．功率開關

6．．．回授單元

61．．．霍爾元件

62．．．濾波器

7．．．量測單元

8．．．保護單元

9．．．隔離單元

400．．．待測模組

401．．．電磁鋼片

N1．．．一次側線圈

N2．．．二次側線圈

D．．．延遲時間

圖1是一系統架構示意圖，說明習知電磁鋼片的測試系統；

圖2是一系統架構示意圖，說明習知電磁鋼片的測試系統配合一標準測試模組(Epstein frame)使用；

圖3是一系統架構示意圖，說明本發明非正弦波電磁特性之測量裝置之較佳實施例與一待測模組的配置情形；

圖4是一局部電路圖，說明圖3中之之一驅動單元及一功率輸出單元的細部電路組成；

圖5是一波形圖，說明該較佳實施例之一功率輸出單元之各功率開關的開關訊號波形示意；

圖6是一波形圖，說明圖4中對應之功率開關的延遲切換現象；

圖7是一波形圖，說明該較佳實施例對一50CS470電磁鋼片所測得之激磁電流狀態；

圖8是一波形圖，說明該較佳實施例對一50CS470電磁鋼片所測得之感應電壓狀態；

圖9是一磁通密度曲線圖，說明該較佳實施例對一50CS470電磁鋼片所測得之磁通密度狀態；及

圖10是一磁滯曲線圖，說明該較佳實施例對一50CS470電磁鋼片所測得之磁滯狀態。

1．．．控制單元

2．．．第一電源單元

3．．．切換式電源供應器

4．．．驅動單元

5．．．功率輸出單元

51~54．．．功率開關

6．．．回授單元

61．．．霍爾元件

62．．．濾波器

7．．．量測單元

8．．．保護單元

9．．．隔離單元

400．．．待測模組

401．．．電磁鋼片

N1．．．一次側線圈

N2．．．二次側線圈

A、B．．．示意點

Claims (14)

1. 一種非正弦波電磁特性之測量裝置，是配合一待測模組進行非正弦波電磁特性之測量，該待測模組具有至少一電磁鋼片，及能夠與該電磁鋼片產生電磁性反應之一個一次側線圈與一個二次側線圈，該測量裝置包含：一控制單元，是產生一非正弦波控制訊號並輸出；一第一電源單元，是與該控制單元電連接，並產生一直流電壓；一驅動單元，是接收該控制單元所輸出之非正弦波控制訊號，並對該非正弦波控制訊號進行放大；一功率輸出單元，是與該驅動單元、該第一電源單元，及該待測模組之一次側線圈電連接，且是援引該第一電源單元之直流電壓作為電源，並依據經該驅動單元放大之非正弦波控制訊號而對應進行切換導通，以使該一次側線圈通電並形成一激磁電流，再透過形成於該電磁鋼片上的磁通反應而在該二次側線圈上產生一感應電壓；及一量測單元，是與該控制單元、功率輸出單元，以及該待測模組之一次側線圈及二次側線圈電連接，並對該激磁電流及感應電壓進行測量，且是將其測量結果回授至該控制單元進行對應之非正弦波電磁特性運算。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之非正弦波電磁特性之測量裝置，其中，該控制單元所輸出之非正弦波控制訊號的是選自於下列所構成之群組：單極式脈波寬度調變波、雙極式脈波寬度調變波、脈波振幅調變波、脈波振幅調變波、三角波、方波。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之非正弦波電磁特性之測量裝置，更包含一感應該功率輸出單元導通時之電流，並將感應結果回授至該控制單元的回授單元。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之非正弦波電磁特性之測量裝置，其中，該回授單元具有一感應該功率輸出單元導通時之電流的霍爾元件。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之非正弦波電磁特性之測量裝置，其中，該回授單元更具有一與該霍爾元件以及該控制單元電連接的濾波器，以將該霍爾元件所感應得之電流進行濾波後再回授至該控制單元。
6. 依據申請專利範圍第2、3、4或5項所述之非正弦波電磁特性之測量裝置，其中，該驅動單元更是使該功率輸出單元在切換導通時具有延遲性。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之非正弦波電磁特性之測量裝置，更包含一與該驅動單元電連接的切換式電源供應器，以提供該驅動單元一個浮動式電壓。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之非正弦波電磁特性之測量裝置，更包含一電連接於該驅動單元及該控制單元之間，並進行高頻雜訊隔離的隔離單元。
9. 依據申請專利範圍第8項所述之非正弦波電磁特性之測量裝置，其中，該隔離單元為一光耦合器。
10. 依據申請專利範圍第9項所述之非正弦波電磁特性之測量裝置，其中，該控制單元更可控制該第一電源單元之直流電壓的幅度，以及控制該驅動單元對於該功率輸出單元在切換導通時的延遲時間。
11. 依據申請專利範圍第10項所述之非正弦波電磁特性之測量裝置，更包含一保護單元，是對該功率輸出單元進行高電流及高溫保護，以及對該第一電源單元進行高電壓保護。
12. 依據申請專利範圍第11項所述之非正弦波電磁特性之測量裝置，其中，該功率輸出單元為一全橋式換流器。
13. 依據申請專利範圍第12項所述之非正弦波電磁特性之測量裝置，其中，該功率輸出單元為一半橋式換流器。
14. 依據申請專利範圍第1項所述之非正弦波電磁特性之測量裝置，其中，該量測單元為一瓦特計。