高頻脈沖激勵下磁滯回線動態測量裝置的設計及分析

張 琦

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高頻脈沖激勵下磁滯回線動態測量裝置的設計及分析

張 琦

（揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇揚州 225127）

為測試鐵磁材料在高頻脈沖激勵下的磁滯回線和鐵磁特性，本文設計了一套高頻脈沖激勵的磁滯回線動態測量裝置。高頻脈沖激勵的磁滯回線測量是基于法拉第電磁感應定律和安培環路定律，利用測量所得的放電電壓和放電電流分別計算磁感應強度和磁場強度。對測量裝置的簡易等效電路進行了動態響應分析，給出了儲能電容的約束條件和放電電流的表達式。并對非晶鐵心進行了磁滯回線的測量實驗，計算了其鐵磁特性。裝置采用高頻脈沖激勵電流，不但能夠動態反映鐵磁材料在高頻條件下的鐵磁特性，而且提高了測量的準確度。

磁滯回線；脈沖激勵；動態測量

一般而言，鐵磁材料的磁滯回線會由生產廠家給出。根據磁滯回線的使用場合，目前已有多種磁滯回線的測量方法[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示波器法測量雖簡單迅速，但不易理解磁滯回線形成的過程；②沖擊法的測量原理復雜，裝置冗雜；③霍爾法直接使用霍爾元件進行測量，容易受電磁干擾；④電子積分法的測量誤差較大，并且測量參數不全[5]。

當鐵磁材料被應用于高頻場合時，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，每經一次循環，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生較大變化。廠家給出的磁滯回線是在工頻情況下測得的，這時要了解其高頻鐵磁特性，則需在高頻條件下對其磁滯回線進行重新測量。

因此，本文設計一套高頻脈沖激勵的磁滯回線動態測量裝置。基于法拉第電磁感應定律和安培環路定律，給出高頻脈沖激勵的磁滯回線測量原理以及裝置設計方案；分析測量裝置進行放電實驗時的動態響應，給出儲能電容的約束條件和放電電流的表達式；在高頻脈沖電流的激勵下，對非晶鐵磁材料進行測量實驗，繪制其高頻動態磁滯回線，并根據平行四邊形磁滯回線的原理計算出其鐵磁特性，如剩磁、矯頑力等。

1 脈沖激勵下磁滯回線的測量原理

本文所述高頻脈沖激勵下磁滯回線的測量原理基于法拉第電磁感應定律和安培環路定律。

1.1 非晶鐵心結構及參數

實驗采用非晶材料進行高頻脈沖激勵下磁滯回線進行測量。相對于硅鋼等鐵磁材料，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率和更小的矯頑力，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 非晶鐵心的結構示意圖

用于磁滯回線測量的非晶鐵心參數見表1。

表1 非晶鐵心的參數

1.2 測量原理

繞制線圈的感應電壓可通過高壓分壓器進行測量，激勵電流可通過霍爾電流傳感器進行測量，然后通過數據采集卡將測量的數據送入測控上位機。在測控上位機中利用Labview或Matlab編程計算磁感應強度和磁場強度，并繪制鐵心的高頻動態磁滯回線。

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。若忽略繞制線圈的電阻和漏感，該磁滯回線動態測量裝置的等效電路可簡化為RLC并聯電路。由于儲能電容具有初始電壓，所以測量裝置等效電路的動態響應類似于RLC電路的零輸入響應，如圖2所示。

圖2 磁滯回線測量裝置的RLC等效響應電路

根據RLC電路的分析原理[12]有

從而可得RLC并聯電路的自然響應分區為

式中，

2 磁滯回線測量裝置的設計方案

高頻脈沖激勵下磁滯回線的實驗裝置主要包括儲能電容、高壓發生器、球隙開關、被測鐵心、偏置電源和測控上位機，其裝置示意圖如圖3所示。其中，①儲能電容用于儲存能量，產生高頻脈沖激勵；②高壓發生器用于為儲能電容充電；③球隙開關用于導通測量裝置主回路，產生短路放電；④偏置電源用于為被測鐵心提供反向偏置電流，使其處于反向飽和區；⑤測控上位機用于控制偏置電源，測量放電電流和放電電壓，并在上位機上使用Labview或Matlab繪制被測鐵心的高頻動態磁滯回線。

圖3 磁滯回線測量裝置示意圖

高頻脈沖激勵下磁滯回線的測量裝置工作過程如下：

1）給被測鐵心繞制線圈，將線圈兩端接入測量裝置的主回路。可根據測量的需要進行調整繞制線圈的匝數。

2）偏置電源工作，對被測鐵心進行反相電流偏置，使鐵心的磁滯回線處于反向深度飽和區。

3）利用高壓發生器給儲能電容充電至給定初始電壓，斷開充電開關。

4）遙控球隙開關使測量主回路通路，進而儲能電容進行短路放電，放電電流流過被測鐵心。

5）測控上位機通過電流傳感器和高壓分壓器分別被進行放電電流與放電電壓的測量，并在上位機上使用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量實驗及分析

按照高頻脈沖激勵下磁滯回線測量裝置的工作過程進行測量實驗，實驗系統實物圖如圖4所示。其中，系統的儲能電容為43nF，儲能電容的初始電壓為3.6kV，高頻直流高壓發生器型號為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 實驗系統實物圖

測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

將測得的放電電壓及放電電流數據經數據采集卡送入測控上位機，在上位機中根據式（2）和式（4），分別計算磁感應強度和磁場強度，其波形如圖6所示。

圖6 磁感應強度和磁場強度波形圖

放電電壓及放電電流的大小隨時間而衰減，此處僅選用第一個脈沖（從第一個波峰至第一個波谷）和第二個脈沖（從第二個波峰至第二個波谷）進行磁滯回線的繪制。利用磁感應強度及磁場強度第一個脈沖繪制的磁滯回線如圖7所示。

圖7 利用第一個脈沖繪制的部分磁滯回線

利用平行四邊形磁滯回線關于原點的對稱性，根據上述部分磁滯回線，可以繪制出完整的磁滯回線，如圖8所示。

圖8 利用第一個脈沖繪制的完整磁滯回線

利用磁感應強度及磁場強度第二個脈沖繪制的磁滯回線如圖9所示。

圖9 利用第二個脈沖繪制的部分磁滯回線

利用磁滯回線關于原點的對稱性，根據上述部分磁滯回線，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]，可以計算出飽和磁感應強度、剩磁、矯頑力，相對磁導率和，見表2。

表2 根脈沖計算的鐵磁特性

此處，底邊相對磁導率為平行四邊形磁滯回線底邊的相對磁導率；斜邊相對磁導率為平行四邊形磁滯回線斜邊的相對磁導率。

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，其磁感應強度、剩磁和矯頑力均減小，而且相對磁導率則變大。這是由于在測量動態磁滯回線時，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強下，動態磁滯回線隨著頻率的增高而橫向加寬，即封閉曲線內面積大一些，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 結論

基于法拉第電磁感應定律和安培環路定律，本文設計了一套磁滯回線動態測量裝置，并測量了非晶鐵心的動態磁滯回線。由于對裝置采用高頻脈沖激勵電流，所以能夠動態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對磁滯回線測量結果影響的研究。

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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