超微晶合金高频磁特性检测中的波形调理

陈 龙，汪友华，赵争菡，张晓林，王 朝

（河北工业大学 电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130）

超微晶合金高频磁特性检测中的波形调理

陈 龙，汪友华，赵争菡，张晓林，王 朝

（河北工业大学 电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130）

针对超微晶合金高频磁特性检测时出现的波形非对称畸变问题进行分析与探讨，研究测量过程中由于磁饱和与非对称磁路引起的波形畸变原因。对测试系统进行建模，提出一种基于压缩映射原理的反馈控制算法。设计基于NI高速数据采集卡的全自动测控系统，实现超微晶合金高磁通密度下波形的控制与波形补偿。通过设计第三补偿绕组，补偿磁场强度的非对称分量，得到标准的磁滞回线。最后，测量日立金属所提供的FT-3M磁芯的磁滞回线与比损耗曲线，验证方法的可行性，对超微晶合金的高频磁特性测量对发展高频电力变压器具有参考价值。

超微晶合金；高频检测；磁特性测量；波形调理

0 引 言

在发电、输电以及变电的过程中，电磁装置扮演着重要的角色。磁芯作为其核心部件，其效率提高无论是对自然资源的保护还是对二氧化碳的排放以及全球变暖的抑制都有着至关重要的作用[1-3]。超微晶合金具有超高的磁导率、极低的损耗特性以及较高的饱和磁密（大约1.2T，相对应铁氧体0.4T）。在高功率密度、紧凑型高频电力变压器以及电力电子系统中都有着广泛的应用，例如：逆变系统中的高频高压变压器（HF-HV-transformer）、高频扼流圈、电流互感器等。但是对于超微晶磁芯磁特性高频测量的缺乏，限制了它在高频大功率场合的应用[4-5]。在智能电网与新能源发展迅速的今天，需要发展以超微晶材料为磁芯的更高功率的高频高压变压器来满足对能量变换的需求。对超微晶合金的高频磁特性的研究不仅对以超微晶合金作为磁芯材料的电工设备的优化设计有指导性帮助，而且可以将材料特性返回给生产厂家，帮助他们改善工艺，提供材料本身的磁化性能，进一步降低材料的损耗[6-8]。

为了更好地应用这种材料，需要对其磁特性进行更精确的测量。本文针对超微晶合金的高频磁特性进行了测量，在测量过程中发现电流波形不对称从而导致磁场强度波形是非对称的并且在较高磁通密度下磁通密度波形产生了畸变。重点探讨了这种波形畸变产生的原因并提出了一种解决方案，在此基础上完成了高频下超微晶合金磁滞回线的动态测量并对其损耗特性进行了分析。

1 超微晶高频磁特性测量过程中非对称波形畸变的产生原因

根据IEC-60404-10的建议，本文采用环形样件搭建了超微晶高频磁特性实验系统。最初的实验原理图如图1所示。功放的信号源由NI公司的多功能数据采集卡提供。初级电流与次级感应电压分别由示波器电流探头与电压探头获得。由于当磁场较小时，两个信号都非常弱，信号先由前置电压放大器SR560进行放大，然后由示波器进行采集。示波器采样率高达1GHz，保证了高频情况下也能得到足够多的采样点。样件中的磁通密度B与磁场强度H可以由下式获得：

图1 原始超微晶高频测量原理图

式中：N1、N2——初级与次级绕组的匝数；

S、lm——磁芯的截面积与磁路有效长度；

I1——励磁电流；

u2——次级感应电压。

如图2所示，在测试的过程中，在激磁电压保证正弦的条件下，超微晶合金的励磁电流出现了非对称分量，并且随着电压升高，次级电压波形也出现了不同程度的畸变。这一非对称分量反映到磁场量上就会形成一个非对称的磁滞回线，从而对损耗的计算产生一定的误差。然而，这一非对称的磁场分量并不是一成不变的，它随着磁通密度的大小而改变。在励磁电压保证正弦对称的条件下仍出现一个很小的直流磁场偏置。产生这种现象的原因十分复杂，归纳起来主要有3点：1）超微晶合金具有超高的磁导率，任何空间中微弱的偏置磁场都会对实验产生影响。2）虽然电压对称，但是超微晶磁化在测试过程中初级绕组浮地，信号源的地与超微晶测试系统的地有电压差，从而产生非对称电流，最终引起直流偏磁。3）超微晶合金本身对退火十分敏感，不同的退火条件对材料磁性能影响很大。在退火过程中，材料可能存在非对称的应力，从而导致正向磁化与负向磁化的磁导率不同，最终反映在激磁电感的非对称性上。

由于这种波形的非对称畸变影响因素较多，即使在实验电路中添加隔离变压器，也不能很好地滤除直流磁场的影响。

2 对超微晶合金高频实验系统的改进

2.1 硬件测试系统的改进

考虑到波形的非对称畸变实际上是一个直流偏磁，要消除这一现象需人为产生一个直流磁场来补偿掉材料本身不对称而产生的直流偏置。改进后的实验系统如图3所示。

为了更好地实现波形的控制，NI PXI控制器被应用到测控系统中，通过对采集来的信号在LabVIEW中进行处理，实现了全自动的测量。在整个系统中，额外添加了一套直流绕组，通过观察实际测试过程中波形的偏移量，调节直流电流的输出，产生一个相反的磁场，从而达到直流偏磁补偿的目的。图中L为阻尼电抗，对直流侧的电流分量起到抑制作用。在测试过程中，电流探头与电压探头需要加装前置放大以满足采集系统的输入范围。为了保证磁通密度B一直为正弦变化，基于时域的波形迭代算法被应用在整个测控系统中。

图2 超微晶合金在高频磁特性测试过程中波形出现的非对称畸变现象

图3 改进后的超微晶测控系统

2.2 磁通密度波形的反馈控制

由图2可以看到，当磁芯接近饱和时，由于磁路的非线性，导致电感非线性变化，磁通密度的波形发生了不同程度上的畸变。为了保证在测试过程中磁通密度一直为正弦变化，需要进行反馈波形调节。在改变磁通密度B的幅值时，人为给定想得到的理想波形B0，控制目标是缩小任意瞬时采集到的波形B与理想波形B0的差距，即：

通过更新下一次迭代的磁场强度H来实现对B的调节，即：

这里ν为磁阻率，而磁场强度正比于励磁电流，即：

其中K为一个转换系数，可用安培定律来确定。经过计算，由计算机产生一个输出波形信号e，经过放大倍数为G的线性功放放大，可以列写电压方程：

其中R、L分别为激磁电路的等效电阻和等效电感。对上述公式进行拉普拉斯变换，则有：

即存在一个传函：

可以证明存在这样一个压缩映射T[9]：

根据固定点迭代理论，如果上式是一个压缩映射，则一定存在一个固定点E*使得：

图4 不同频率下超微晶合金的磁滞回线

这样，式（10）的S域迭代形式为

其时域的迭代形式为

其中e是信号发生器的输出波形，u为初级绕组上的感应电压波形。测控系统以PXI6115多功能数据采集卡为核心，经过前置放大，滤波，采集到的信号在LabVIEW中进行数字化调节[10]，经过反复迭代就会得到收敛的结果。

2.3 测试结果与分析

为了验证本文提出的方法，对日本日立金属提供的FT-3KM磁芯进行了测量。图4给出了3～5 kHz下经过波形调理后的磁滞回线。可以看出，当磁通密度＞0.5T时，通过软硬件调节，可以得到标准对称的磁滞回线。但是，当磁通密度＜0.5T时，还会有一个很小的偏执磁场，并且在不同磁通密度下这个偏置磁场的大小还是不一样的，这主要是由于在不同磁通密度大小下，应力导致了不同的磁化曲线，从而引起磁导率的不同，微小的磁导率变化引起了一次绕组电感的变化，从而导致励磁电流的变化。

根据一个周期的磁滞回线数据，可以很容易得到磁芯比损耗：

其中ρ为超微晶合金的密度，T为一个磁化周期。FT-3KM的比损耗曲线如图5所示，可以看到，测得的损耗数据较好的吻合超微晶的损耗特性趋势。

图5 超微晶合金在高频下的比损耗

3 结束语

本文对超微晶高频磁特性测量过程中所产生的一些实验问题作了一些探讨。首先，分析了在测试过程中产生波形非对称畸变的原因；其次，在此基础上对整体实验系统的软硬件进行了重新设计，提出了第3绕组补偿以及一种基于时域反馈迭代算法，很好的补偿了波形；最后，测量了日立金属所提供的FT-3M磁芯的磁滞回线与损耗曲线，验证了方法的可行性。

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[4]LIU X J， WANG Y H， ZHU J G， et al.Calculation of core loss and copper loss in amorphous/nanocrystalline core-based high-frequency transformer[J].Aip Advances，2016，6（5）：4167-4182.

[5]赵争菡，汪友华，凌跃胜，等.大容量高频变压器绕组损耗的计算与分析[J].电工技术学报，2014，29（5）：261-264，270.

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[9]RAGUSA C，FIORILLO F.A three-phase single sheet tester with digital control of flux loci based on the contraction mapping principle[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2006（304）：568-570.

[10]薛刚，李永建，曹磊，等.磁性材料三维磁特性传感信号检测技术中关键问题的研究与分析[J].电工电能新技术，2016（5）：19-22，80.

（编辑：刘杨）

Waveform conditioning in high frequency magnetic properties testing of nanocrystalline alloys

CHEN Long， WANG Youhua， ZHAO Zhenghan， ZHANG Xiaolin， WANG Zhao
（Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

The paper analyzes and discusses the problem of waveform asymmetric distortion in high frequency magnetic properties measurement of nanocrystalline alloys and studies the waveform distortion caused by magnetic saturation and asymmetric magnetic circuit.By modeling the testing system，a feedback control algorithm based on the contracting mapping principle is proposed.The full-automatic measurement and control system based on the NI high speed data acquisition card is designed，which can realize the waveform control and waveform compensation of nanocrystalline alloys athigh flux densities.By designing a third compensation winding， the asymmetric component of the magnetic field strength can be compensated and a standard hysteresis loop is obtained.Finally，a hysteresis and specific loss curve of FT-3M cores provided by Hitachi is measured and the feasibility of the method is verified.The high frequency magnetic properties measurement of nanocrystalline alloys has reference value on the development of high frequency power transformers.

nanocrystalline alloys； high frequency testing； magnetic property measurement；waveform conditioning

A

：1674-5124（2017）07-0025-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.07.005

2017-01-08；

：2017-02-12

国家自然科学基金（51377042）

陈 龙（1989-），男，河北廊坊市人，博士研究生，研究方向为工程电磁场与磁技术，磁性材料特性测量。