高频脉冲激励下磁滞回线动态测量装置的设计及分析

张 琦



高频脉冲激励下磁滞回线动态测量装置的设计及分析

张 琦

（扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225127）

为测试铁磁材料在高频脉冲激励下的磁滞回线和铁磁特性，本文设计了一套高频脉冲激励的磁滞回线动态测量装置。高频脉冲激励的磁滞回线测量是基于法拉第电磁感应定律和安培环路定律，利用测量所得的放电电压和放电电流分别计算磁感应强度和磁场强度。对测量装置的简易等效电路进行了动态响应分析，给出了储能电容的约束条件和放电电流的表达式。并对非晶铁心进行了磁滞回线的测量实验，计算了其铁磁特性。装置采用高频脉冲激励电流，不但能够动态反映铁磁材料在高频条件下的铁磁特性，而且提高了测量的准确度。

磁滞回线；脉冲激励；动态测量

一般而言，铁磁材料的磁滞回线会由生产厂家给出。根据磁滞回线的使用场合，目前已有多种磁滞回线的测量方法[1-2]，比如示波器法[3]、冲击法[4-5]、霍尔法[6]、电子积分法[7]等。其中，①示波器法测量虽简单迅速，但不易理解磁滞回线形成的过程；②冲击法的测量原理复杂，装置冗杂；③霍尔法直接使用霍尔元件进行测量，容易受电磁干扰；④电子积分法的测量误差较大，并且测量参数不全[5]。

当铁磁材料被应用于高频场合时，其磁滞损耗将大大增加，这是由于磁滞损耗与电流频率成正比的原因。同时，每经一次循环，单位体积铁心中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积，因此高频情况下的磁滞回线也将发生较大变化。厂家给出的磁滞回线是在工频情况下测得的，这时要了解其高频铁磁特性，则需在高频条件下对其磁滞回线进行重新测量。

因此，本文设计一套高频脉冲激励的磁滞回线动态测量装置。基于法拉第电磁感应定律和安培环路定律，给出高频脉冲激励的磁滞回线测量原理以及装置设计方案；分析测量装置进行放电实验时的动态响应，给出储能电容的约束条件和放电电流的表达式；在高频脉冲电流的激励下，对非晶铁磁材料进行测量实验，绘制其高频动态磁滞回线，并根据平行四边形磁滞回线的原理计算出其铁磁特性，如剩磁、矫顽力等。

1 脉冲激励下磁滞回线的测量原理

本文所述高频脉冲激励下磁滞回线的测量原理基于法拉第电磁感应定律和安培环路定律。

1.1 非晶铁心结构及参数

实验采用非晶材料进行高频脉冲激励下磁滞回线进行测量。相对于硅钢等铁磁材料，非晶材料的磁化和退磁更加容易[8-10]，从而可以获得更大的磁导率和更小的矫顽力，其结构示意图如图1所示。

图1 非晶铁心的结构示意图

用于磁滞回线测量的非晶铁心参数见表1。

表1 非晶铁心的参数

1.2 测量原理

绕制线圈的感应电压可通过高压分压器进行测量，激励电流可通过霍尔电流传感器进行测量，然后通过数据采集卡将测量的数据送入测控上位机。在测控上位机中利用Labview或Matlab编程计算磁感应强度和磁场强度，并绘制铁心的高频动态磁滞回线。

1.3 放电电流分析

由图1可知，铁心材料类似于变压器的原边，其等效电路可近似为非线性电阻与非线性电感并联。若忽略绕制线圈的电阻和漏感，该磁滞回线动态测量装置的等效电路可简化为RLC并联电路。由于储能电容具有初始电压，所以测量装置等效电路的动态响应类似于RLC电路的零输入响应，如图2所示。

图2 磁滞回线测量装置的RLC等效响应电路

根据RLC电路的分析原理[12]有

从而可得RLC并联电路的自然响应分区为

式中，

2 磁滞回线测量装置的设计方案

高频脉冲激励下磁滞回线的实验装置主要包括储能电容、高压发生器、球隙开关、被测铁心、偏置电源和测控上位机，其装置示意图如图3所示。其中，①储能电容用于储存能量，产生高频脉冲激励；②高压发生器用于为储能电容充电；③球隙开关用于导通测量装置主回路，产生短路放电；④偏置电源用于为被测铁心提供反向偏置电流，使其处于反向饱和区；⑤测控上位机用于控制偏置电源，测量放电电流和放电电压，并在上位机上使用Labview或Matlab绘制被测铁心的高频动态磁滞回线。

图3 磁滞回线测量装置示意图

高频脉冲激励下磁滞回线的测量装置工作过程如下：

1）给被测铁心绕制线圈，将线圈两端接入测量装置的主回路。可根据测量的需要进行调整绕制线圈的匝数。

2）偏置电源工作，对被测铁心进行反相电流偏置，使铁心的磁滞回线处于反向深度饱和区。

3）利用高压发生器给储能电容充电至给定初始电压，断开充电开关。

4）遥控球隙开关使测量主回路通路，进而储能电容进行短路放电，放电电流流过被测铁心。

5）测控上位机通过电流传感器和高压分压器分别被进行放电电流与放电电压的测量，并在上位机上使用Labview绘制铁心材料的高频磁滞回线。

3 非晶材料磁滞回线的测量实验及分析

按照高频脉冲激励下磁滞回线测量装置的工作过程进行测量实验，实验系统实物图如图4所示。其中，系统的储能电容为43nF，储能电容的初始电压为3.6kV，高频直流高压发生器型号为F-300kV/2mA，电压传感器采用电压传感器，电流传感器采用Pearson 101。

图4 实验系统实物图

测得的放电电压及放电电流波形如图5所示。

图5 放电电压及放电电流波形图

将测得的放电电压及放电电流数据经数据采集卡送入测控上位机，在上位机中根据式（2）和式（4），分别计算磁感应强度和磁场强度，其波形如图6所示。

图6 磁感应强度和磁场强度波形图

放电电压及放电电流的大小随时间而衰减，此处仅选用第一个脉冲（从第一个波峰至第一个波谷）和第二个脉冲（从第二个波峰至第二个波谷）进行磁滞回线的绘制。利用磁感应强度及磁场强度第一个脉冲绘制的磁滞回线如图7所示。

图7 利用第一个脉冲绘制的部分磁滞回线

利用平行四边形磁滞回线关于原点的对称性，根据上述部分磁滞回线，可以绘制出完整的磁滞回线，如图8所示。

图8 利用第一个脉冲绘制的完整磁滞回线

利用磁感应强度及磁场强度第二个脉冲绘制的磁滞回线如图9所示。

图9 利用第二个脉冲绘制的部分磁滞回线

利用磁滞回线关于原点的对称性，根据上述部分磁滞回线，可以绘制出完整的磁滞回线，如图10所示。

图10 利用第二个脉冲绘制的完整磁滞回线

利用平行四边形磁滞回线的基本原理[13]，可以计算出饱和磁感应强度、剩磁、矫顽力，相对磁导率和，见表2。

表2 根脉冲计算的铁磁特性

此处，底边相对磁导率为平行四边形磁滞回线底边的相对磁导率；斜边相对磁导率为平行四边形磁滞回线斜边的相对磁导率。

由表2可知，在放电电压及放电电流衰减的情况下，磁滞回线变窄，其磁感应强度、剩磁和矫顽力均减小，而且相对磁导率则变大。这是由于在测量动态磁滞回线时，铁心中不仅有磁滞损耗，还有涡流损耗，而磁滞损耗与磁滞回线的面积、电流频率成正比。因此，在同一铁心在相同大小磁化场强下，动态磁滞回线随着频率的增高而横向加宽，即封闭曲线内面积大一些，这表明交变磁化的损耗加大。而脉冲1的频率明显高于脉冲2，因此其磁滞损耗较大，磁滞回线较宽。

4 结论

基于法拉第电磁感应定律和安培环路定律，本文设计了一套磁滞回线动态测量装置，并测量了非晶铁心的动态磁滞回线。由于对装置采用高频脉冲激励电流，所以能够动态反映铁磁材料在高频条件下的铁磁特性。

在下一步的工作中，将深入开展不同极性脉冲激励对磁滞回线测量结果影响的研究。

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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