張 琦

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高頻脈沖激勵(lì)下磁滯回線動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)及分析

張 琦

（揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127）

為測(cè)試鐵磁材料在高頻脈沖激勵(lì)下的磁滯回線和鐵磁特性，本文設(shè)計(jì)了一套高頻脈沖激勵(lì)的磁滯回線動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置。高頻脈沖激勵(lì)的磁滯回線測(cè)量是基于法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律，利用測(cè)量所得的放電電壓和放電電流分別計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)測(cè)量裝置的簡(jiǎn)易等效電路進(jìn)行了動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，給出了儲(chǔ)能電容的約束條件和放電電流的表達(dá)式。并對(duì)非晶鐵心進(jìn)行了磁滯回線的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，計(jì)算了其鐵磁特性。裝置采用高頻脈沖激勵(lì)電流，不但能夠動(dòng)態(tài)反映鐵磁材料在高頻條件下的鐵磁特性，而且提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度。

磁滯回線；脈沖激勵(lì)；動(dòng)態(tài)測(cè)量

一般而言，鐵磁材料的磁滯回線會(huì)由生產(chǎn)廠家給出。根據(jù)磁滯回線的使用場(chǎng)合，目前已有多種磁滯回線的測(cè)量方法[1-2]，比如示波器法[3]、沖擊法[4-5]、霍爾法[6]、電子積分法[7]等。其中，①示波器法測(cè)量雖簡(jiǎn)單迅速，但不易理解磁滯回線形成的過程；②沖擊法的測(cè)量原理復(fù)雜，裝置冗雜；③霍爾法直接使用霍爾元件進(jìn)行測(cè)量，容易受電磁干擾；④電子積分法的測(cè)量誤差較大，并且測(cè)量參數(shù)不全[5]。

當(dāng)鐵磁材料被應(yīng)用于高頻場(chǎng)合時(shí)，其磁滯損耗將大大增加，這是由于磁滯損耗與電流頻率成正比的原因。同時(shí)，每經(jīng)一次循環(huán)，單位體積鐵心中的磁滯損耗等于磁滯回線的面積，因此高頻情況下的磁滯回線也將發(fā)生較大變化。廠家給出的磁滯回線是在工頻情況下測(cè)得的，這時(shí)要了解其高頻鐵磁特性，則需在高頻條件下對(duì)其磁滯回線進(jìn)行重新測(cè)量。

因此，本文設(shè)計(jì)一套高頻脈沖激勵(lì)的磁滯回線動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置?；诜ɡ陔姶鸥袘?yīng)定律和安培環(huán)路定律，給出高頻脈沖激勵(lì)的磁滯回線測(cè)量原理以及裝置設(shè)計(jì)方案；分析測(cè)量裝置進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，給出儲(chǔ)能電容的約束條件和放電電流的表達(dá)式；在高頻脈沖電流的激勵(lì)下，對(duì)非晶鐵磁材料進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，繪制其高頻動(dòng)態(tài)磁滯回線，并根據(jù)平行四邊形磁滯回線的原理計(jì)算出其鐵磁特性，如剩磁、矯頑力等。

1 脈沖激勵(lì)下磁滯回線的測(cè)量原理

本文所述高頻脈沖激勵(lì)下磁滯回線的測(cè)量原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律。

1.1 非晶鐵心結(jié)構(gòu)及參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用非晶材料進(jìn)行高頻脈沖激勵(lì)下磁滯回線進(jìn)行測(cè)量。相對(duì)于硅鋼等鐵磁材料，非晶材料的磁化和退磁更加容易[8-10]，從而可以獲得更大的磁導(dǎo)率和更小的矯頑力，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 非晶鐵心的結(jié)構(gòu)示意圖

用于磁滯回線測(cè)量的非晶鐵心參數(shù)見表1。

表1 非晶鐵心的參數(shù)

1.2 測(cè)量原理

繞制線圈的感應(yīng)電壓可通過高壓分壓器進(jìn)行測(cè)量，激勵(lì)電流可通過霍爾電流傳感器進(jìn)行測(cè)量，然后通過數(shù)據(jù)采集卡將測(cè)量的數(shù)據(jù)送入測(cè)控上位機(jī)。在測(cè)控上位機(jī)中利用Labview或Matlab編程計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，并繪制鐵心的高頻動(dòng)態(tài)磁滯回線。

1.3 放電電流分析

由圖1可知，鐵心材料類似于變壓器的原邊，其等效電路可近似為非線性電阻與非線性電感并聯(lián)。若忽略繞制線圈的電阻和漏感，該磁滯回線動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置的等效電路可簡(jiǎn)化為RLC并聯(lián)電路。由于儲(chǔ)能電容具有初始電壓，所以測(cè)量裝置等效電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)類似于RLC電路的零輸入響應(yīng)，如圖2所示。

圖2 磁滯回線測(cè)量裝置的RLC等效響應(yīng)電路

根據(jù)RLC電路的分析原理[12]有

從而可得RLC并聯(lián)電路的自然響應(yīng)分區(qū)為

式中，

2 磁滯回線測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)方案

高頻脈沖激勵(lì)下磁滯回線的實(shí)驗(yàn)裝置主要包括儲(chǔ)能電容、高壓發(fā)生器、球隙開關(guān)、被測(cè)鐵心、偏置電源和測(cè)控上位機(jī)，其裝置示意圖如圖3所示。其中，①儲(chǔ)能電容用于儲(chǔ)存能量，產(chǎn)生高頻脈沖激勵(lì)；②高壓發(fā)生器用于為儲(chǔ)能電容充電；③球隙開關(guān)用于導(dǎo)通測(cè)量裝置主回路，產(chǎn)生短路放電；④偏置電源用于為被測(cè)鐵心提供反向偏置電流，使其處于反向飽和區(qū)；⑤測(cè)控上位機(jī)用于控制偏置電源，測(cè)量放電電流和放電電壓，并在上位機(jī)上使用Labview或Matlab繪制被測(cè)鐵心的高頻動(dòng)態(tài)磁滯回線。

圖3 磁滯回線測(cè)量裝置示意圖

高頻脈沖激勵(lì)下磁滯回線的測(cè)量裝置工作過程如下：

1）給被測(cè)鐵心繞制線圈，將線圈兩端接入測(cè)量裝置的主回路?？筛鶕?jù)測(cè)量的需要進(jìn)行調(diào)整繞制線圈的匝數(shù)。

2）偏置電源工作，對(duì)被測(cè)鐵心進(jìn)行反相電流偏置，使鐵心的磁滯回線處于反向深度飽和區(qū)。

3）利用高壓發(fā)生器給儲(chǔ)能電容充電至給定初始電壓，斷開充電開關(guān)。

4）遙控球隙開關(guān)使測(cè)量主回路通路，進(jìn)而儲(chǔ)能電容進(jìn)行短路放電，放電電流流過被測(cè)鐵心。

5）測(cè)控上位機(jī)通過電流傳感器和高壓分壓器分別被進(jìn)行放電電流與放電電壓的測(cè)量，并在上位機(jī)上使用Labview繪制鐵心材料的高頻磁滯回線。

3 非晶材料磁滯回線的測(cè)量實(shí)驗(yàn)及分析

按照高頻脈沖激勵(lì)下磁滯回線測(cè)量裝置的工作過程進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖4所示。其中，系統(tǒng)的儲(chǔ)能電容為43nF，儲(chǔ)能電容的初始電壓為3.6kV，高頻直流高壓發(fā)生器型號(hào)為F-300kV/2mA，電壓傳感器采用電壓傳感器，電流傳感器采用Pearson 101。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

測(cè)得的放電電壓及放電電流波形如圖5所示。

圖5 放電電壓及放電電流波形圖

將測(cè)得的放電電壓及放電電流數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送入測(cè)控上位機(jī)，在上位機(jī)中根據(jù)式（2）和式（4），分別計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，其波形如圖6所示。

圖6 磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度波形圖

放電電壓及放電電流的大小隨時(shí)間而衰減，此處僅選用第一個(gè)脈沖（從第一個(gè)波峰至第一個(gè)波谷）和第二個(gè)脈沖（從第二個(gè)波峰至第二個(gè)波谷）進(jìn)行磁滯回線的繪制。利用磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)強(qiáng)度第一個(gè)脈沖繪制的磁滯回線如圖7所示。

圖7 利用第一個(gè)脈沖繪制的部分磁滯回線

利用平行四邊形磁滯回線關(guān)于原點(diǎn)的對(duì)稱性，根據(jù)上述部分磁滯回線，可以繪制出完整的磁滯回線，如圖8所示。

圖8 利用第一個(gè)脈沖繪制的完整磁滯回線

利用磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)強(qiáng)度第二個(gè)脈沖繪制的磁滯回線如圖9所示。

圖9 利用第二個(gè)脈沖繪制的部分磁滯回線

利用磁滯回線關(guān)于原點(diǎn)的對(duì)稱性，根據(jù)上述部分磁滯回線，可以繪制出完整的磁滯回線，如圖10所示。

圖10 利用第二個(gè)脈沖繪制的完整磁滯回線

利用平行四邊形磁滯回線的基本原理[13]，可以計(jì)算出飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、剩磁、矯頑力，相對(duì)磁導(dǎo)率和，見表2。

表2 根脈沖計(jì)算的鐵磁特性

此處，底邊相對(duì)磁導(dǎo)率為平行四邊形磁滯回線底邊的相對(duì)磁導(dǎo)率；斜邊相對(duì)磁導(dǎo)率為平行四邊形磁滯回線斜邊的相對(duì)磁導(dǎo)率。

由表2可知，在放電電壓及放電電流衰減的情況下，磁滯回線變窄，其磁感應(yīng)強(qiáng)度、剩磁和矯頑力均減小，而且相對(duì)磁導(dǎo)率則變大。這是由于在測(cè)量動(dòng)態(tài)磁滯回線時(shí)，鐵心中不僅有磁滯損耗，還有渦流損耗，而磁滯損耗與磁滯回線的面積、電流頻率成正比。因此，在同一鐵心在相同大小磁化場(chǎng)強(qiáng)下，動(dòng)態(tài)磁滯回線隨著頻率的增高而橫向加寬，即封閉曲線內(nèi)面積大一些，這表明交變磁化的損耗加大。而脈沖1的頻率明顯高于脈沖2，因此其磁滯損耗較大，磁滯回線較寬。

4 結(jié)論

基于法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律，本文設(shè)計(jì)了一套磁滯回線動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置，并測(cè)量了非晶鐵心的動(dòng)態(tài)磁滯回線。由于對(duì)裝置采用高頻脈沖激勵(lì)電流，所以能夠動(dòng)態(tài)反映鐵磁材料在高頻條件下的鐵磁特性。

在下一步的工作中，將深入開展不同極性脈沖激勵(lì)對(duì)磁滯回線測(cè)量結(jié)果影響的研究。

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Analysis and Design of the Dynamic Measurement Device for the Hysteresis Loop Using the High-frequency Pulse Excitation

Zhang Qi

(Water Resources and Energy Engineering College, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu 225127)

In order to measure the hysteresis loop and the ferromagnetic characteristics of the ferromagnetic material under the high-frequency pulse excitation, a set of the dynamic measurement device for the hysteresis loop is designed. The magnetic induction and the magnetic field intensity of this device are calculated respectively by the measured discharge voltage and discharge current, which is based on the Faraday’s law of electromagnetic induction and the Ampere’s law. The dynamic response of the simple equivalent circuit of this device is analyzed, and the constraint of the energy-storage capacitor and the expression of the discharge current are given. Then the hysteresis loop of the amorphous iron core is measured and the ferromagnetic properties are calculated. Since the high-frequency pulse excitation current is adopted, not only can reflect the ferromagnetic properties at high frequencies dynamically, but also improve the accuracy of measurement.

hysteresis loop; pulse excitation; dynamic measurement