超低损耗角磁芯损耗测量的量热计法

汪晶慧，陈 为

(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108）

超低损耗角磁芯损耗测量的量热计法

汪晶慧，陈 为

(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108）

针对交流功率计法在测量超低损耗角磁芯损耗时有很大误差的问题，量热计法通过测量被测件损耗导致的温升间接获得损耗，不受被测件阻抗角大小的影响，从理论上可以精确地测量损耗。但是现有的量热计法无法完全规避测量过程中的误差，不适用于测量低损耗。本文详细分析了量热计法的测量误差来源，在此基础上提出分段定标消除误差。文章设计并建立了量热计法的装置，且实验验证了分段定标量热计法测量低损耗时具有较高的精度。

量热计法;磁芯损耗;分段定标

1 引言

在功率变换技术中，为获得高效率和高功率密度设计，有必要对磁性元件的损耗进行优化。则需数学模型计算磁芯损耗，为验证数学模型是否正确，需精确地测量磁芯损耗。磁芯损耗精确测量一直是功率变换技术的难题，特别是励磁频率提高和磁芯效率提高(损耗角降低），更加大了测量难度。

测量磁芯损耗的方法有交流功率计法和量热计法两大类方法。交流功率计法如图1所示，直接测量电感上的电压和电流计算损耗［1-2］。但是当测量低损耗角的磁芯损耗时，磁件的阻抗角接近90°，会产生很大的测量误差。文献［3-4］通过在磁件上并联或串联电容减小阻抗角，减小测量误差。却引入同样难以获得的电容附加损耗，且只适用正弦波激励下的磁芯损耗测量。为了在测量任意波形激励下的磁芯损耗时能减小阻抗角，文献［2］在被测件上串联高品质因数小感值电感或者空心变压器减小阻抗角。但高品质因数电感难以获得，且引入附加的磁芯损耗。空心变压器的寄生电容和漏感产生振荡，从而产生测量误差。

量热计法是传统的测试方法。由于被测件损耗最终将转化为热量，量热计法就是通过测量被测件损耗发热引起的温升得到损耗。测量时，被测磁件放在盛有导热良好热介质的隔热容器里。若知道热介质的比热容，则可通过温升来获得损耗，如下:

图1 交流功率计法原理图Fig.1 Schematic diagram of AC power meter

式中，W是焦耳能量;c是比热容;m是物体的质量;ΔT是温升。量热计法不受被测件阻抗角大小的影响，从理论上可以精确测量被测件的损耗。

本文针对现有量热计法测量误差很大，只适用测量大损耗的问题，提出可精确测量低损耗的分段定标量热计法。装置简单易操作，耗时较短。可测量任意波形激励下的磁芯损耗。

2 现有的量热计法

开放式量热计法结构最简单，热介质是气体，测量入口和出口气体的温度差以及气体流量就可计算损耗。气体性质不稳，流量不易控制，比热容小且难确定，因此测量精度最差。封闭式量热计法的热介质在闭合环内循环，被测件产生的热量先传给量热计里的空气，再通过热交换器和均热风扇传给热介质。热介质是液体，其性能较空气稳定，比热容比空气大，因此精度较开放式量热计法要高。但封闭式量热计法热量先通过空气再传给热介质，必然会造成热分布不均匀;且增加的均热风扇产生额外热量。这样的量热计法的相对误差测量1.2kW是3.8%，绝对误差 45.6W［6］。

间接测量引入参照热源，在与被测件测量环境一样的条件下，调整参照热源的输入功率，使其温升与被测件产生的温升相匹配，根据参照热源功率可得被测件功率。分为平衡式量热计法和串联式量热计法。

平衡量热计法［7］先测量被测件产生的温升，而后在同等条件下调整参照热源的输入功率使其温升与被测件产生的温升相等，参照热源的输入功率则等于被测件的功率。如此是为了减小误差，提高精度。然而，量热计法本身很耗时，平衡量热计法耗时翻了一番。串联量热计法［8］是平衡量热计法的改良。两个容器分别放被测件和参照热源。热介质先流经被测件所在容器，而后流过参照热源所在容器，调节参照热源的输入功率使两个容器的温升相等，从而得被测件的功率。既可减小误差，耗时也较短。但是其无法保证两个容器的散热环境和热介质的流速一样。据报道，测量5.5kW有4.7%的相对误差，绝对误差 258.5W［8］。

上述量热计法都是采用流动的热介质，测量流入和流出热介质的温度差得热量。当测量低至几瓦的低损耗时，因为热传导给热介质的速度慢，要求热介质流速尽量慢。温度测量精度受限于流速，对流速很敏感。因此流动的热介质不太适合测量低损耗。本文的量热计法采用固定热介质。下面分析固定热介质量热计法的误差来源。

3 误差分析

量热计法的测量误差来源有三种:热量散失、额外的热量、温度测量误差。

热量散失有传导、对流和辐射三种途径。采用定量热介质放置在隔热容器内，辐射散热可忽略。热等效电路图如图2所示。Rcv是液体热介质与气体之间的对流热阻，采用液体为热介质，则容器里剩余的气体与热介质的对流使热量不完全被热介质吸收。Rcd是传导散热热阻，包括被测件与激励的连接线散热热阻以及通过绝热容器的散热热阻，且后者与容器内外的温度差成正比。Rfre是磁芯与热介质之间的热阻，Rfan是风扇与热介质之间的热阻。

图2 量热计法热等效电路Fig.2 Equivalent circuit of calorimetric method

要减小误差，需增大 Rcv和 Rcd。为增大 Rcv，使绝热容器里空气比例少，但液体得适当，若太多，则在相同的热量下温升较小，对温度测量误差敏感。因此须选择合适容积的容器装适量的液体热介质。为增大Rcd，双夹套闭合式量热计［9］在绝热容器外面再加带加热器的容器，加热加热器使其温度等于里层绝热容器里的温度，理论上可消除因容器内外的温度差导致的散热。通过自动化控制可实现，不过响应延迟等问题使得它不能绝对消除这个误差。

图2的Pfre和Pfan是两个热源:被测件和均热风扇。Pfan导致的温升是额外的，风扇使液体热介质热均匀分布，但是风扇转动却带了额外的热量，其与转速成正比。

现代创造力研究表明，创造过程不是一个简单的、单一的心理过程．从发现问题、获得知识、收集相关信息，到酝酿、产生想法、组合想法、选择最优想法，最后外化想法，每一个步骤都离不开创造者的辛勤工作．在此过程中，创造性思维贯穿始终，它是产生创造的关键与核心；而创造性的人格和情感也不容忽视，它是激发学生创造热情并能坚持不懈的重要动力和源泉．林崇德教授曾提出创造性人才=创造性思维+创造性人格[61]，说明创造力的培养要兼顾思维和人格两方面．

温度测量误差是测量温度时的误差。选择测温点时应尽量远离被测件，否则会产生误差。测温的时间没掌握好也会造成测量误差，要待温度稳定后再测量。若液体热介质中无风扇使热分布均匀，测温时误差更大。

现有的量热计法都是想方设法降低某个方面的测量误差，但都不能绝对消除误差。本文提出的分段定标量热计法，全面考虑测量误差的基础上对其进行补偿，能有效消除误差。

4 建立测量装置

本文量热计法的测量原理图见图3，实际测量装置如图4所示。被测磁件放在500ml杜瓦瓶里，杜瓦瓶装有400ml(665.6g）的液体热介质甲基硅油201。硅油不挥发、惰性、绝缘性和导热性好、比热容适当，是较理想的测量热介质。用精度为0.1°的水银温度计测温。激励源给被测件供电。利用磁力搅拌器加快热传递使硅油热均匀，不产生热梯度。容器里的定标电阻是用来定标的，后面介绍。在理想状态下，被测磁件的损耗全部转化为热，使杜瓦瓶里的液体温度上升，测量温升可根据式(1）得到损耗。

图3 量热法测量装置原理图Fig.3 Schematic diagram of calorimetric equipment

图4 量热法测量装置Fig.4 Calorimetric equipment

理想状态是指隔热容器完全隔热，容器里没有额外热源。但无法完全实现理想状态。式(1）中比热容的确定是难点，因为除硅油外，其他部件也吸收热量，若采用硅油比热容，将产生误差。本文的定标可解决这些问题。

5 定标

容器或多或少会散热，散热多少与容器内外温度差成正比;且磁力搅拌器磁子的转动会产生额外的热量。因此定标公式修正为

式中，ΔT0为散热和额外热量的温升代数和，在固定的时间内是固定值;需拟合系数k1和k2。

定标的具体做法是:在与被测件测量环境相同的情况下(相同的环境温度，等量的热介质，相同的磁力搅拌器转速），将温度系数小的电阻置于绝热容器中做热源，给电阻通以直流电压一段时间后断电，待温度稳定后读出温升。直流电压、电流和通电时间之积即为电阻的焦耳热量。改变电压，重复实验，可得热量～温升曲线，用最小二乘法拟合热量与温升的函数关系。然后用磁件实验，在所需波形、频率、幅值等条件下测得温升，由热量与温升函数关系得磁件产生的热量，即其损耗。

需慎重考虑加热时间，若加热时间太长，散热过多;若太短温升过小，都会产生误差。一般温升在0.5～5°较合适，因此本文采用:测量2.5～10W 较大损耗时加热时间5min，测量0.5～3W较小损耗时加热时间为10min两种定标方式。5min定标数据及最小二乘法线性拟合得到曲线见图5。拟合式为

10min定标数据及最小二乘法线性拟合的曲线见图6。拟合公式为

图5 5min定标曲线Fig.5 Waveform of 5min calibration

图6 10min定标曲线Fig.6 Waveform of 10 min calibration

6 精度验证

为检验分段定标量热计法的精度，测量精密电阻(DALE RH-10 10W 16Ω 0.05%）在已知输入功率和加热时间下的温升。输入端直流电压和电流分别用固纬4位半高精度电压表和电流表测量，测量数据见表1。从表中的误差栏里可以看出:最大误差是 4.99%，测量 1.42W(851.8875J）的损耗有70mW的绝对误差;最小误差是 2.38328%，测量1.72W(1029.321J）的损耗有40mW的绝对误差。可见:用分段定标量热计法可以精确地测量低损耗。

表1 量热法的精度数据Tab.1 Accuracy data of calorimetric method

7 应用

利用分段定标量热计法测量低损耗角的磁芯损耗。MPP磁芯CM229173，有效面积0.133cm2，有效磁路5.67cm。用里兹线圈，匝数为24匝。方波激励的频率为300kHz、200kHz和100kHz。正弦波激励的频率是171.006kHz。表2和表3分别是用量热计法测得的正弦波激励和方波激励下的磁芯损耗。

表2 量热法测量的正弦波激励的磁芯损耗Tab.2 Core losses of sine wave excitation

8 结论

(1）交流功率计法通过测量被测件电压和电流来计算损耗，当测量大阻抗角磁芯损耗时，会带来很大的测量误差。而量热法通过测量被测件的损耗转化为热产生的温升获得损耗，与被测件的阻抗角大小无关，从理论上可精确地测量被测件的损耗。

表3 量热法测量的方波激励的磁芯损耗Tab.3 Core losses of square wave excitation

(2）对现有量热计法进行总结，详细分析量热计法误差来源。提出分段定标方法，可消除误差。

(3）设计并建立了量热计法的实验装置，损耗测量误差在5%以内，测量1.42W的损耗只有70mW的绝对误差。可以测量任何低损耗，如电容的损耗、高阻抗角磁芯损耗等。

(4）本文装置的测试范围是0.5～10W，适用测试几十瓦的电源适配器或一、两千瓦的通信电源磁件的磁芯损耗。

References）:

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［3］Zhang Ju，Skutt Glenn，Lee Fred C.Some practical issues related to core loss measurement using impedance analyzer approach［A］.APEC［C］.Dallas，1995.2:547-553.

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Study of calorimetric method to measure loss of super low loss angle core

WANG Jing-hui，CHEN Wei
(College of Engineering＆ Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China）

The calorimetric method indirectly measures the core loss by measuring the temperature rise of the magnetic component.The measurement process is not influenced by the impedance angle of the magnetic component，so it can measure the core loss more accurately.However，the existing calorimetric method can not evade the error in the measurement process，so it is not applicable to the measurement of low losses.The sources of measurement error are analysed in detail in this paper，and a novel calorimetric method by calibrating in section to eliminate the error is proposed.The calorimetric method equipment is put forward in this paper，and the results validate that it is more accurate to measure the low losses by the experiment.

calorimetric method;core losses;calibrating in section

TM572

A

1003-3076(2012）04-0006-04

2011-09-25

国家自然科学基金(50877010）和福建省教育厅资助项目(JA11028）

汪晶慧(1975-），女，江西籍，讲师，博士生，研究方向为电力电子高频磁技术;

陈 为(1958-），男，福建籍，教授/博导，研究方向为电力电子高频磁技术及电磁兼容。