高频旋转磁特性传感器设计及其应用方法

王利祥，李永建，张长庚，耿 鑫

(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)

0 引言

特高压交直流输电驱使电力电子技术朝着高压大功率方向发展，推动着纳米晶铁心大功率三相高频变压器的研发[1]。而在三相变压器的T形结合处存在着旋转磁场，该磁场为2个不同相位的正弦信号叠加而成[2]。近年来，电工钢片的旋转磁特性测试不断的发展，然而纳米晶在实际工况下的旋转磁特性的研究仍处于萌芽阶段[3-4]。然而纳米晶材料磁特性的测试方法仅限于环形样件法，该方法为一维测试方法，不能准确地反映材料的旋转磁特性，很大程度上限制了其在大功率三相高频变压器中的拓展和应用[5]。

磁传感器是实现旋转磁场精确测试的关键。实际上准确到某一点的磁特性测试尚未实现，常用的方法是测量磁场均匀区域的平均值来近似对点磁场的测试，这使得确保测试区域磁场的均匀性对提高测试精度具有十分重要的意义[6]。受边缘效应的影响，需要采用局部磁场测试方法测试样品。由分界面的衔接条件可知：忽略磁性材料样品表面涡流的影响，样品内部磁场强度与外部磁场强度切向分量是连续的。因此材料的局部磁场强度可以在不破坏材料物理结构的情况下利用感应线圈方便的获得。局部磁通密度的测试常采用对样品进行钻孔并绕置感应线圈或采用非破坏性探针法进行测试[7]。探针法相当于半匝感应线圈，工频下测试探针法的灵敏系数较低，而感应信号会随着磁场频率线性增长，这也使得其更适用于高频磁特性测试。受传感器安装工艺的影响，感应线圈的主窗口相对于磁场方向存在偏移，需要对其窗口系数进行矫正。随着频率的提高，H线圈寄生电容对测试结果的影响越来越大，因此必须建立测试回路的等效电路分析寄生电容的影响。

本文设计了用于二维高频旋转磁特性测试的复合B-H传感器，并提出线圈系数的矫正方法。提出了磁场测试区域的匀场方案，并利用有限元法验证了其有效性。建立考虑分布电容影响的磁场测试回路等效电路，对测试频率范围内分布电容的影响进行分析。

1 旋转磁特性测试系统

图1为二维高频旋转磁特性测试系统的结构示意图，该测试系统由励磁回路和信号采集回路构成。

图1 二维高频旋转磁特性测试系统

励磁回路主要包括基于LabVIEW驱动的励磁信号输出单元、2路高性能射频功率放大器和2对正交的励磁主磁路。信号采集回路主要包括复合B-H磁传感器，多通道差分放大电路和基于LabVIEW驱动的数据采集单元。二维磁特性测试仪是测试系统的核心部件，主要功能是实现磁场的模拟与感应信号的采集。

如图2所示，4个C环组成的高频旋转磁特性测试仪主体结构，2对轴向正交的励磁绕组对称地绕置在C型铁心上，测试样品及复合B-H磁传感器置于两对正交铁心磁路的方形中心区域。单方向磁路由2个完全相同的C环组成，相比于单C环结构，该磁路结构的磁路对称性高，漏磁较小。为了使样品更容易达到饱和，铁心极头处进行了聚磁优化设计，采用棱台形极头，极头倾斜角度为60°，此时磁场具有较高的强度和良好的均匀性。励磁绕组采用了新型的梯形分段式结构，有效地减少了分布电容的影响，提高了装置的槽满率。

图2 高频旋转磁特性测试仪

2 复合B-H传感器

二维测试仪的磁传感器是信号采集回路的重要组成部分。本文设计了一种结合探针法和感应线圈法的复合磁传感器，测试B和H沿2个方向的分量，如图3所示。线圈由2块PCB板组合而成，便于实现H线圈的绕制与组装。中心为H线圈基板，四角处带有缺口，用于2部分PCB板的组装和粘连，减少感应线圈的挤压磨损。

图3 复合B-H传感器

双层H感应线圈采用线径为0.05 mm的自粘直焊型漆包铜线绕置在厚度为0.4 mm的PCB基板上，上下两层各100匝，往返交叉绕制可消除杂散场的干扰，此外，对进线端和出线端进行重合双绞可有效地减少杂散场的干扰，也可提高测量精度[8]。对于磁场通密度B的测试，在整片被测样件上缠绕感应线圈将会增大气隙磁路长度，增加励磁难度，而且测试区域磁场很不均匀；采用打孔的方式又会影响材料磁特性，因此采用非破坏性的探针测试法，其本质上是半匝感应线圈。将4根探针对称地安装在复合磁传感器基板的四角处，用于测试B信号。与感应线圈法相比，该方法减小了边缘效应对测试精度的影响，使测试区域磁场更加均匀，而且可以避免因打孔造成的材料磁特性的破坏。

H感应线圈的基本原理是在忽略电流和电场影响的情况下，不同介质分界面处沿切线方向的磁场强度是连续的。在安装过程中H感应线圈应紧贴样品表面以减少测量误差，提高测量精度。根据法拉第电磁感应定律，可以计算矢量H沿2个方向的分量。

(1)

式中：μ0为真空磁导率；VH为H感应线圈的感应电压；KH为H感应线圈的线圈系数，该系数在长直螺线管中进行校准。

探针法的原理是利用时变磁场在磁性材料中产生的涡流效应。在测试的过程中要保证探针与样品之间具有良好的电接触，因此需要采用化学药品去除样品表面的绝缘漆并适当地施加一定的压力。

(2)

式中：S为两探针间样品的截面积；VB为B探针两端的电压。

3 复合B-H传感器误差分析与矫正

3.1 测试区域磁场均匀化

测试区域磁场均匀性是影响磁特性测试精确性的关键因素。如图4(a)所示，单片样品放置在极头中间时，测试区域磁场强度与样品内部磁场度相差较大，成为复合磁传感器测试误差的主要来源，因此必须采取匀场措施。如图4(b)所示，样品放置在二维测试仪的中心区域，匀场保护层对称地放置在样品两侧以起到均匀磁场的作用，复合磁传感器放置在匀场保护层和样品之间，并紧贴样品表面。样品表面部分去绝缘，以便采用探针法测试样品内部的磁通密度。匀场保护层的材料与设计尺寸均与样品相同，避免匀场保护层材料对磁场均匀性造成影响。

(a)无匀场保护层

(b)配置匀场保护层图4 不同结构布局下磁场分布对比图

对比图4(a)和图4(b)测试区域磁场强度分布可以看出，配置匀场保护层有效地提高了测试区域内磁场的均匀性，进而提高了测试精度。

为了量化匀场保护层的作用，提取了自样品中心向外延伸路径上的磁场强度在测试方向的分量，如图5所示。通过对比仿真数据可知单片样品放置在极间时，距离样品表面1 mm处磁场强度达到了样品内磁场强度的4倍左右，H线圈的总高度约为1 mm。设置匀场保护层后样品与匀场保护层之间的磁场强度分布取决于匀场保护层与样品内的磁场强度。经过优化匀场极靴与样品之间的距离最终得到设置样品与匀场保护层距离为4 mm，磁场强度不均匀性控制在2%以内。

图5 取样点处磁场强度对比

3.2 线圈系数矫正

3.2.1 线圈系数矫正方法

线圈系数实际上是线圈匝数N与窗口面积Aw的乘积，由于H感应线圈尺寸较小，通过测量线圈尺寸计算有效窗口面积难以保证精度。在测试线圈的安装过程中，会出现线圈主窗口法向与主磁场方向不平行的现象，而且另一个方向的磁场也将在线圈中感应出电压信号，因此需要对线圈系数进行矫正。由于两个方向的磁场都能够在测试线圈中产生感应信号，因此传感器在旋转磁特性测试时的实际感应电压可以表示为

(3)

线圈系数可以写成一个二维矩阵形式

(4)

长直螺线管可以在其内部一定范围内产生相对均匀的磁场作为标准磁场对线圈系数进行矫正。线圈系数矫正用螺线管长度2l=1 500 mm，直径2R=120 mm，双层绕线，匝数N=2 400。通入直流电流值分别为4、7、10 A时，螺线管内磁场分布如图6所示。从图6中可以看出，螺线管中心区域磁场具有良好的均匀性。除了采用理论计算以外，也可以采用高精度的高斯计进行测试，以作为理论计算的对比。

图6 不同励磁电流下螺线管内部磁通密度

B探针的主要误差来源于面积的计算误差，因此在计算时应精确地测量探针之间的距离，探针之间的距离设置为8 mm。除此之外，在选用样品时应选用厚度均匀的纳米晶材料。

3.2.2 线圈系数矫正实验平台搭建

如图7所示，搭建了线圈系数校准的实验系统。传感器放置于长直螺线管的中心区域。变压器用于将市电变换为0～220 V可调的激励源，给整个系统供电；大功率水冷电阻作为保护电阻；电流表用于监控系统电流，防止螺线管过热；高斯计对螺线管内部的磁场进行测量和记录，与理论计算值作对比；高精度万用表测量传感器两端的电压有效值，进而可以根据电压与磁场强度的关系计算得到线圈系数。由于线圈的系数不受频率影响，且在低频下电容效应可以忽略，因此通过长直螺线管中产生标准工频正弦交流磁场可以有效地矫正线圈系数。

图7 线圈系数矫正实验平台

复合磁传感器贴于模具表面随传送杆放置到螺线管中心，为了使得待测线圈的主窗口方向与螺线管轴向方向的平行度达到最高，可在实验前对传感箱的位置进行微调，即当测得的感应电动势的幅值达到最大时，平行度最高。实验设计从1～10 A对螺线管进行激磁，激磁电流每增加1 A对数据进行记录，取不同电流下实验结果的平均值作为线圈系数以减少人为误差。

3.3 感应线圈分布电容影响分析

考虑线圈及导线电容的等效电路如图8所示，图中下角标c代表感应线圈的电路参数，w代表铜导线，m代表测量仪表。

图8 感应线圈等效电路图

考虑到测量仪表内部具有矫正机制，则其测得的电压信号即为开路下的电压。即：

(5)

可以看出当频率较低时，分布电容对测量结果的影响较小，当频率提高到一定值时，测量结果与实际值的幅值和相位都将会出现偏差。该公式对较高频率下测试时，检测信号的修正具有重要意义。

感应线圈的电感可以直接通过LCR表进行测试。而由于电感和分布电容较小，电容值很难通过谐振法进行测试。为了近似计算感应线圈的谐振频率，可采用解析法对其进行计算。双层线圈的分布电容由式(6)计算：

(6)

式中：ε为导线绝缘材料的介电常数；l为每匝线圈的周长；R为导线的直径；N为每层导线的匝数；d为两层导线之间的等效距离。

根据感应线圈的尺寸可近似计算得Cc=100 pF。则可得到谐振频率约为100 MHz。可以看出，在频率为10～50 kHz频率范围内电容的影响可以忽略不计。

4 结束语

本文设计了一种结合感应线圈法和探针法的复合B-H传感器，用于纳米晶材料在频率范围为10～50 kHz的旋转磁特性测试。对传感器的误差来源进行了分析，从磁场均匀性和线圈偏移两个方向出发，提出了提高测量精度的方案。通过有限元分析可知在样品两侧设置与样品材料和大小均相同的匀场保护层有效地提高了测试区域磁场的均匀性。基于长直螺线管中形成的标准均匀磁场，搭建了线圈系数矫正实验平台。通过分析可知测试频率范围内分布电容的影响可以忽略不计。复合B-H磁传感器的设计与误差分析及矫正有助于纳米晶材料二维高频旋转磁特性测试以及旋转损耗的建模。