崔一帆， 楊慶新， 李永建

(1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室(河北工業(yè)大學電氣工程學院)， 天津 300130；2. 天津理工大學， 天津 300384)

1 引言

軟磁復合(Soft Magnetic Composite，SMC)材料[1]是一種新型的鐵基粉末狀的軟磁材料，它通常是由高純度的物化鐵粉和粘結劑充分混合后放入模具在高溫高壓環(huán)境下壓制而成的，具有造價低、利用率高、工作頻率范圍寬、渦流損耗小等優(yōu)點[2]，且具有較好的各向同性特征，主要用于復雜拓撲結構的電機設計中，如爪極/橫向電機[3]。

隨著電工裝備的廣泛應用，提高電工裝備效率成了當今熱點問題，而提高效率的關鍵在于對鐵心材料磁特性的精確模擬[4]。在磁特性測量系統(tǒng)中，為使磁性材料測量更加準確，精密的磁特性測量傳感器是不可或缺的。最初的愛波斯坦方圈法[5]的傳感線圈是根據變壓器原理，將H線圈作為原邊，B線圈作為副邊。但由于自身條件限制，方圈內的磁路長度不確定性使得在后期的二維、三維旋轉磁特性測量[6,7]時不再適用，因此，研究學者提出了獨立測量磁場的傳感器。傳統(tǒng)三維傳感器[8]是用H線圈和B線圈分別對磁場強度和磁通密度進行測量的，如圖1所示，該結構是將環(huán)形B線圈嵌入薄片型的環(huán)氧樹脂基板中心的通孔中，然后將H線圈上下兩層往返交叉地纏繞在環(huán)氧樹脂基板上。

圖1 傳統(tǒng)三維磁特性測量傳感器Fig.1 Traditional three-dimensional magnetic characteristic measurement sensor

隨著高壓直流輸電和電力電子技術的發(fā)展，在電機和變壓器運行過程中會產生大量諧波，而諧波會使得磁心中出現(xiàn)飽和以及不穩(wěn)定現(xiàn)象，導致?lián)p耗增加和局部發(fā)熱[9]。在電工裝備的設計過程中，通過考慮鐵心磁性能的變化可準確地計算出諧波條件下的鐵心損耗。因此諧波加載下的磁特性測量對電機和變壓器的設計和優(yōu)化有重要意義[10]。

本文提出了一種霍爾[11,12]-線圈復合式傳感結構，較傳統(tǒng)的三維磁特性測量傳感器有更強的抗應力和溫度干擾能力，提高了測量的準確性。以SOMALOYTM700HR為待測樣品測量了正弦激勵和諧波加載下SMC的磁特性，對比x、y、z軸向磁特性的差異，分析了軟磁復合材料z軸出現(xiàn)輕微各向異性特征的原因；研究了諧波次數、含量以及與基波相差對材料磁特性的影響。

2 磁特性測試系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結構

如圖2所示，三維磁特性測試系統(tǒng)[13]主要包括磁特性測試儀器，實現(xiàn)三方向勵磁和感應信號輸出功能；高性能的功率放大器，可保證對樣品充分磁化；多路差分放大電路，可實現(xiàn)對微小信號的放大，減小外界雜散信號的干擾；基于LabVIEW軟件驅動的NI模數/數模轉換的微控制器，實現(xiàn)激磁信號的輸出和B、H矢量信號的采集和處理。

圖2 磁特性測試系統(tǒng)結構框圖Fig.2 Diagram of magnetic property testing system

磁特性測試裝置是整個測試系統(tǒng)的核心，如圖3所示，主要包括三個空間正交的磁軛、三對繞制在磁極上的勵磁繞組以及放置在裝置中心的信號傳感箱。通過對勵磁繞組施加電流，可在中心樣品上產生一個較大的磁場以保證樣品充分磁化，通過傳感箱將樣品的B、H矢量信號采集到NI板卡中進行數據分析，得出材料的磁滯特性和損耗特性。

圖3 磁特性測試平臺Fig.3 Magnetic characteristics test platform

2.2 新型霍爾-線圈復合式傳感設計

傳統(tǒng)的B-H復合線圈在測量磁場時，H線圈會受到磁極擠壓和樣品振動的影響，且其不能緊貼于樣品表面，造成一定的測量誤差。為解決上述問題，提出一種新型霍爾-線圈復合式傳感器，結構如圖4所示，通過環(huán)形B線圈測量磁通密度，用雙軸霍爾元件測量平行于樣品表面的垂直雙方向磁場強度，傳感中所用的霍爾元件具有應力和溫度漂移補償功能，減弱了測量過程中由于磁極頭擠壓和樣品振動對測量精確度的影響；由于B線圈的窗口面積有效方向與擠壓和振動的方向一致且霍爾元件的測量范圍被限制在高斯級，因此B線圈不需要被替代。

圖4 霍爾-線圈復合式傳感器Fig.4 Hall-coil composite sensor

將六組上述霍爾-線圈復合式傳感器按照一定的方向構成一個如圖5所示的立方體傳感箱，在箱體中心放置一個立方體SMC樣品，將霍爾-線圈復合式傳感器分別緊貼到樣品的六個面上，為模擬在樣品內部進行磁特性測量，將六片與樣品同截面、同材料的勻場保護層放置在傳感器外部，與傳感器和樣品形成一種“三明治”結構。此外，為保證磁特性測量實驗的正確實施，在定義傳感器的測量方向時，應與x、y、z三個方向的激磁相對應。在同一組霍爾-線圈復合式傳感器中，B線圈的測量方向與霍爾元件的兩個測量方向是兩兩相互垂直的，三者定義不能沿同一方向，即x激磁方向上的傳感器是用來測量Bx、Hy、Hz；同理，y方向傳感器測量By、Hx、Hz，z方向傳感器測量Bz、Hx、Hy。

圖5 立方體傳感箱結構Fig.5 Structure of cubic sensing box

3 實驗驗證

本文以SOMALOYTM700HR為待測樣品分別進行了正弦激勵和諧波加載下的磁特性測量實驗，對比x、y、z三個正交軸向材料磁特性的差異，分析了SMC材料z軸顯現(xiàn)出的輕微各向異性特征機理，并研究了諧波次數、含量以及與基波相差對材料磁特性的影響。

3.1 正弦激勵下的磁特性分析

對待測樣品施加某單一方向的正弦激磁信號進行一維交變磁特性測量實驗。在三維磁特性測量裝置中，分別沿x，y，z三個方向對樣品進行磁化，通過引入諧波反饋控制補償算法，使得B矢量為標準的正弦信號，測量對應的B、H感應電動勢，通過給定的公式計算出B、H值，繪制相應的磁滯回線，改變激磁頻率重復上述過程，得到不同頻率下材料的磁化特性如圖6所示。

圖6 x、y、z三軸向交變磁滯回線Fig.6 x, y, z alternating hysteresis loop

從圖6中可以看出，三個方向的磁滯回線形狀基本一致。在x和y方向上，磁滯回線大致重合，具有相同的剩磁和矯頑力，而z軸較x、y兩方向有一定的區(qū)別，其表現(xiàn)出磁滯回線形狀扁長、剩磁小等特征，出現(xiàn)了輕微的各向異性特征。這種各向異性特征可能是由于材料制作和切割過程導致的，SMC樣品一般是從圓柱形的坯件上切割而成的，在坯件制作過程中，需要對圓柱形軸線方向進行壓制，因此會造成樣品中鐵基絕緣包覆顆粒在壓制方向上的半徑減小，從而加大了退磁因子而使得樣品z方向表現(xiàn)出更難磁化。

圖7為正弦激勵下樣品的損耗曲線，可以看出在同一激磁頻率下，三軸向的交變磁心損耗都隨著磁通密度增大而呈現(xiàn)出非線性增長。x、y的損耗大致相同，而z軸損耗要高于其他兩方向，這種現(xiàn)象也會隨著磁通密度的增大而變得更加明顯，這也說明z軸向為材料更難磁化的方向，存在一定的各向異性特征。此外，隨著頻率的增加，三軸向的磁心損耗都將增大，這是因為當頻率升高時，材料內部的磁疇運動加劇，使得損耗變大。

圖7 x、y、z三軸向磁心損耗Fig.7 x, y, z core loss

3.2 諧波加載下軟磁復合材料的磁特性分析

在實際工況中由于某些電氣元件存在非線性特征，即使通入標準的三相正弦電流，旋轉電機和電力變壓器等電工設備中的磁場也不會再是標準的正弦波形，而是疊加不同次序諧波的復雜波形，這將會影響電工裝備的性能，造成鐵心損耗加劇。為分析電工裝備中磁場的各次諧波含量，對SMC電機的磁場進行了傅里葉分解， 結果如圖8所示?？梢钥闯?，電機中奇次諧波含量要大于偶次諧波含量，且隨著諧波次數增大其含量將不斷減小，這也表明了奇次諧波是影響電機性能的關鍵。

圖8 SMC電機中各次諧波含量Fig.8 SMC motor harmonic content

為進一步分析諧波對電工裝備性能的影響，對SMC材料進行了復雜波形(基波疊加各次諧波)激勵下的磁特性模擬與測量，并分析了相應的損耗特征。本節(jié)主要從諧波次數、含量以及與諧波相角三個方面研究諧波對軟磁復合材料磁特性的影響?？紤]到電工裝備在實際工況下主要受到奇次諧波的影響以及實驗所用的功率放大器性能的限制，此次實驗僅考慮基波單獨疊加三次諧波和五次諧波后對材料磁特性的影響，其波形可表示為：

B=B1sin(ωt)+Bisin(ωit+θi)

(1)

式中，B1為基波幅值；ω為基波角頻率；i為諧波次數；Bi為諧波幅值；ωi為諧波角頻率；θi為諧波與基波的相差角度。通過對式(1)中ωi、θi等變量的控制實現(xiàn)不同諧波狀態(tài)下的磁特性測量。

3.2.1 諧波次數對材料磁特性的影響

實驗中設定諧波含量和諧波相角不變，通過調節(jié)LabVIEW程序中的諧波次數控件，對樣品分別進行三次諧波和五次諧波激勵。取基波頻率為30 Hz，幅值為0.2 T，諧波含量為50%，諧波相角為180°，不同次數下材料的磁特性如圖9所示。

圖9 不同諧波次數激勵下材料的磁特性Fig.9 Magnetic properties of materials under excitation of different harmonic orders

從圖9中可看出，無論是注入三次諧波還是五次諧波，材料所體現(xiàn)出的磁特性與正弦激勵下有一定的區(qū)別。在基波疊加三次諧波后，在原有的主磁滯回環(huán)中會出現(xiàn)一對關于原點對稱的小磁滯回環(huán)，而五次諧波疊加下則會出現(xiàn)兩對小磁滯回環(huán)，且其分別關于原點對稱。這是由于當疊加諧波后，B矢量波形不再是標準的正弦波形，會在某些時刻出現(xiàn)磁通翻轉現(xiàn)象，此時在主磁滯回線上會有逆向變化，因此在內部形成小環(huán)。如圖9(a)所示，在三次諧波疊加下，B矢量波形會出現(xiàn)兩次磁通翻轉現(xiàn)象，這與磁滯回線中兩個小環(huán)恰好相對應。實際中，小環(huán)的形成除了與磁通翻轉有關，也與諧波含量和諧波相角有一定的關系，當諧波含量較小或在某一個相差下時，沒有達到可形成磁通翻轉的臨界值，此時主磁滯回線上雖有逆向變化的趨勢，但并不能形成完整的小環(huán)。

3.2.2 諧波含量對材料磁特性的影響

實驗中設定諧波次數和諧波相角不變，通過改變LabVIEW程序中諧波含量控件來對材料進行不同諧波含量下的磁特性測量實驗。取諧波次數為三次，基波頻率30 Hz，幅值為0.2 T，相角180°，不同諧波含量激勵下材料的磁特性如圖10所示。

圖10 不同諧波含量激勵下材料的磁特性Fig.10 Magnetic properties of materials under excitation of different harmonic content

從圖10中可看出，當諧波含量變化時，主磁滯回線中小環(huán)也有所變化。當諧波含量逐漸從0%增加到100%時，小環(huán)的面積也將逐漸增大，這是由諧波含量增加使得磁通翻轉位置處B矢量波形峰值變大而導致的，此時材料的磁心損耗也將隨之變大。

3.2.3 諧波相角對材料磁特性的影響

實驗中設定諧波的次數和含量恒定，通過改變諧波與基波的相差來對比材料磁特性差異。取諧波次數為三次，基波頻率30 Hz，幅值0.2 T，諧波含量50%，不同諧波相角下材料的磁特性如圖11所示。

圖11 不同諧波相差激勵下材料的磁特性Fig.11 Magnetic properties of materials under different harmonic phase difference excitation

在諧波相角為0°時，主磁滯回環(huán)中兩個小環(huán)位于整個環(huán)的中心位置，且所圍面積最小。隨著諧波與基波相差的增大，兩小環(huán)逐漸向主磁滯回環(huán)的兩個尖端移動，當相差為180°時，兩環(huán)恰好移動到尖端位置處，當相差進一步增大時，兩小環(huán)又逐漸從主磁滯回環(huán)尖端移向中心位置處，即當諧波與基波相差在0°～360°變化時，兩個小環(huán)將圍繞主磁滯回環(huán)旋轉一周后回到原始位置處，在旋轉過程中兩小環(huán)時刻關于原點對稱。這是由于當諧波與基波進行疊加時，疊加后的波形磁通翻轉的位置會隨著相差的變化而變化，因此會對小環(huán)的位置產生一定的影響。此外，隨著諧波與基波相差的增加，小環(huán)的面積呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在180°時小環(huán)的面積達到最大值，這會對樣品的磁心損耗有一定的影響，詳細分析將在下文中呈現(xiàn)。

3.2.4 諧波加載下軟磁復合材料的損耗特性分析

為進一步定量分析不同諧波狀態(tài)下材料的磁特性，分別計算了不同情況下的磁心損耗并繪制成三維曲面圖。圖12中從上到下分別為z軸向施加五次諧波、z軸向施加三次諧波、x軸向施加五次諧波和x軸向施加三次諧波所對應的損耗?？梢钥闯?，當施加激勵軸向、諧波次數、諧波含量以及諧波相角改變時都會對磁心損耗有一定的影響，為更加直觀地分析獨立變量下材料的損耗特性，分別繪制了單一變量下材料的損耗曲線，如圖13所示。

圖12 諧波激勵下的損耗特性Fig.12 Loss characteristics under harmonic excitation

圖13 單變量諧波激勵下?lián)p耗特性曲線Fig.13 Loss characteristic curve under single variable harmonic excitation

如圖13(a)所示，將基波與諧波的相差設定為0°，對x方向施加諧波激勵，對比不同諧波次數和含量對材料損耗特性的影響?？梢钥闯?，在疊加三次諧波或五次諧波后，材料的磁心損耗都會隨著諧波含量的變大而增加，這是由于在疊加諧波后，磁通翻轉處的B矢量峰值隨含量的增加而變大，從而增大了材料的磁心損耗。此外，在各個諧波含量下疊加五次諧波產生的磁心損耗都要大于疊加三次諧波，且隨著諧波含量增加，二者的損耗差也將逐漸增大，這可能是由于五次諧波加載下所產生的磁通翻轉次數要多于三次諧波加載，因此導致了損耗的增加。

圖13(b)為在不同軸向施加諧波激勵下材料的損耗特性曲線，由于x和y兩方向磁特性大致相同，所以只對比了x方向和z方向的損耗特性。當固定諧波次數和諧波相角后，可以看出無論是x軸向還是z軸向，磁心損耗都將隨著諧波含量的增加而變大，而整體上看z軸向的損耗在任意諧波含量下都要大于x軸向，且隨著含量的增加，二者的損耗差值也將不斷增大，體現(xiàn)了軟磁復合材料輕微的各向異性特征，這與正弦激勵下實驗所得出的結論相一致。

圖13(c)為不同諧波相角差下的損耗特性曲線，隨著基波與諧波相差的增大，樣品的損耗呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，最低點出現(xiàn)在相差為180°的情況下，此時基波與諧波疊加后的波形為平頂波且幅值最小，因此損耗最小。對比不同諧波次數下材料損耗特性受相位差的影響，疊加五次諧波后所受到相位差影響要遠小于疊加三次諧波，這是由于在五次諧波加載下，相差為180°時磁通翻轉處B矢量幅值的變化程度要小于三次諧波，因此不同諧波相角下的磁心損耗相差不大。

4 結論

本文提出了一種新型霍爾-線圈復合式傳感結構，其通過元件自身的動態(tài)偏移特性消除了由溫度變化、外界應力等因素而造成的電壓偏移，提高了測量的精確性，為精確模擬材料的磁滯特性和損耗特性奠定基礎。

測量了正弦激勵下三軸向材料的磁特性，對比分析了軟磁復合材料樣品實驗中所顯現(xiàn)出的輕微各向異性特征；研究了不同諧波次數、含量以及諧波相差激勵下軟磁復合材料的磁滯特性，并計算了相應的損耗，指出了諧波激磁下軟磁復合材料的損耗特點和變化趨勢。