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磁性元件的特性

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Overview

资料来源: Bazzi, 康涅狄格州大学电气工程系, 斯托斯, CT。

本实验的目的是从设计和材料的角度实现不同磁性元件的手部经验。本实验通过识别未知的设计因素, 涵盖了磁材料和电感设计的 b-H 曲线。磁性元件的 b-H 曲线, 如电感器或变压器, 是形成绕缠绕的磁芯的磁性材料的特征。这一特性提供了关于磁通密度的信息, 核心可以处理有关电流在绕组中流动。它还提供了有关的限制之前, 核心是磁饱和的信息, 即当推动更多的电流通过线圈导致没有进一步的磁通量流动。

Principles

B-H 曲线可以用一个简单的电路来识别。利用安培定律, 磁通量强度 (H) 与线圈中的电流成正比;例如, 对于单个N-转线圈的电流 (i) 绕着平均长度 (l) 和横截面积 (a) 的核心, 安培定律

Equation 1(1)

此外, 整个线圈的电压 (v) 可以通过使用法拉第定律的变化的通量率来确定dφ/dt 。对于前面描述的线圈,

Equation 2(2)

通量密度 (B) 也被定义为,

Equation 3(3)

因此可以写成,

Equation 4(4)

因此, 要估计材料的 B H 曲线, 可以使用i和v的时间积分。当N、 l和已知时, 可以缩放到实际的B和H数量。

为了测量v的时间积分, 可以使用一个与线圈并联的简单 r-C 电路 (图 1)。r-c 分隔符应在工作频率上具有 r > > XC , 以便vr≈v。使用这种假设, 测量电容器电压vC 给出了v的时间积分的合理逼近,

Equation 5(5)

负号对于时域表示是有效的, 但在处理 RMS 和峰值量时应除去, 因此使用起来很普遍,

Equation 6(6)

Figure 1
图 1: 测试电路以确定电感器的 b-H 曲线.请单击此处查看此图的较大版本.

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Procedure

1. 相对渗透率识别

按照程序找出小电感的相对磁导率 (黄/白铁氧体磁芯)。核心尺寸如图2所示, 轮数为N= 75。

  1. 使用 LCR 表, 测量电感的电感在120赫兹和1000赫兹。
  2. 在原板上构建图1中的电路, 但使函数发生器输出与原板断开。
  3. 检查在通道1上连接的电流探头和连接在通道2上的电压探头上的差分电压探头和电流探头是否有偏移。
  4. 注意探针本身和作用域上的差分探针的缩放系数。将差分探头设置为1/20 以得到更好的分辨率。
  5. 将当前探头设置为探头本身的100毫伏/A, 并在示波器上1X。请记住, 在执行计算时需要使用这些缩放因子。
  6. 设置函数发生器输出 (50 Ω BNC 输出连接器) 在10伏峰值和 1000 Hz 正弦波形。使用差分电压探头观察波形。
  7. 即使断开连接, 也要使函数发生器保持不开, 但要避免短路其终端。关闭函数生成器将重置许多设置。
  8. 连接电流和电压探头以测量vC 和i。
  9. 检查电路是否理想, 并保持所有连接。
  10. 将函数发生器连接到电路。
  11. 在测量信号的峰值或 RMS 值之外, 以至少三周期显示的测量电流和电压的截屏。
  12. 从范围的 "显示" 菜单中, 将显示格式从 "," 更改为 "XY"。
  13. 通过调整通道1和通道2垂直调整旋钮来观察 B H 曲线, 直到曲线适应示波器屏幕。
  14. 为了看到一个稳定的曲线, 使用 "坚持" 选项从显示菜单在1或2秒的设置。
  15. 取一张测量的 b-H 曲线的截图。
  16. 调整功能发生器频率为120赫兹, 并重新夺回 B H 曲线截图后调整的曲线设置必要的。
  17. 断开函数发生器并卸下电感器。保持电路的其余部分完好无损。

Figure 2
图 2: 尺寸较小的电感器核心.请单击此处查看此图的较大版本.

2. 确定轮数

较大的黑色电感器 (境界 1140-472K-RC) 的匝数未知。为了简化计算, 假设核心是一个全空芯螺线管, 半径为1.5 厘米, 长度为2.5 厘米。如果不采取这种假设, 核心的几何将被考虑并且将复杂化演算。然而, 这种假设仍然是合理的, 因为与螺线管, 通量必须通过空气在设备的两边和空气是主导的通量通路媒介。

  1. 使用 LCR 表, 测量提供的电感在120赫兹和1000赫兹的电感。
  2. 将电感器放在图1所示的电路中, 这在实验的前一部分仍然是完整的。
  3. 检查在通道1上连接的电流探头和连接在通道2上的电压探头上的差分电压探头和电流探头是否有偏移。
  4. 注意探针本身和作用域上的差分探针的缩放系数。将差分探头设置为1/20 以得到更好的分辨率。
  5. 将当前探头设置为探头本身的100毫伏/A, 并在示波器上1X。请记住, 在使用任何测量或数据捕获进行进一步分析的计算时, 这些缩放因素都需要用到。
  6. 设置函数发生器输出 (50 Ω BNC 输出连接器) 在10伏峰值和 1000 Hz 正弦波形。使用差分电压探头观察波形。
  7. 即使断开连接, 也要使函数发生器保持不开, 但要避免短路其终端。关闭函数生成器将重置许多设置。
  8. 连接电流和电压探头以测量vC 和i。
  9. 检查电路, 并确保连接是理想的。
  10. 将函数发生器连接到电路。
  11. 在测量信号的峰值或 RMS 值之外, 以至少三周期显示的测量电流和电压的截屏。
  12. 从范围的 "显示" 菜单中, 将显示格式从 "," 更改为 "XY"。
  13. 通过调整通道1和通道2垂直调整旋钮来观察 B H 曲线, 直到曲线适应示波器屏幕。
  14. 为了看到一个稳定的曲线, 使用 "坚持" 选项从显示菜单在1或2秒的设置。
  15. 取一张测量的 b-H 曲线的截图。
  16. 调整功能发生器频率为120赫兹, 并重新夺回 B H 曲线截图后调整的曲线设置必要的。
  17. 关闭函数发生器并拆卸电路。

3. 60 Hz 变压器的 b-H 曲线

本演示中使用的变压器将 115 v rms 降低到 24 v rms, 但只能用于此实验中的 B H 曲线特性, 因此仅使用了 120 v rms 终端。变压器的尺寸如图3所示。

  1. 使用 LCR 计, 测量 115 V 边绕组在120赫兹 (接近额定 60 hz) 的电感。
  2. 确保三相断开开关处于关闭位置。
  3. 将三相电缆连接到调压器。
  4. 构建图4所示的电路。让变压器坐在原板的一侧。使用香蕉电缆连接 AC1 和 N 从调压器到原板。
  5. 确保调压器设置为0%。
  6. 检查在通道1上连接的电流探头和连接在通道2上的电压探头上的差分电压探头和电流探头是否有偏移。
  7. 记下探针本身和示波器上的差分探针的缩放系数。将差分探头缩放比例设置为1/200。
  8. 将当前探头设置为探头本身的100毫伏/A, 并在示波器上1X。请记住, 在进行计算时需要使用这些缩放因子。
  9. 连接电流和电压探头以测量vC 和i。
  10. 检查电路
  11. 打开三相断开开关, 并慢慢调整调压器直到达到90%。
  12. 在测量信号的峰值或 RMS 值之外, 以至少三周期显示的测量电流和电压的截屏。
  13. 从范围的 "显示" 菜单中, 将显示格式从 "," 更改为 "XY"。
  14. 通过调整通道1和通道2垂直调整旋钮来观察 B H 曲线, 直到曲线适应示波器屏幕。
  15. 为了看到一个稳定的曲线, 使用 "坚持" 选项从显示菜单在1或2秒的设置。
  16. 取一张测量的 b-H 曲线的截图。
  17. 将调压器恢复到 0%, 关闭断开连接开关, 然后拆卸电路。

Figure 3
图 3: 变压器铁心的尺寸.请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4: 测试电路以确定 60 Hz 变压器的 b-H 曲线.请单击此处查看此图的较大版本.

磁性元件, 如电感器或变压器, 具有特性, 是依赖于磁性材料形成核心内的线圈。当电流流过电感或变压器线圈时, 就会产生磁场。核心材料保持磁场的能力, 称为其渗透性, 决定了电场的强度, 称为其磁化力。磁化力在电感芯中产生磁通量。在电感和变压器中, 磁化力与磁通密度之间的关系定义为通过横截面积的磁通量, 并可以用 B H 曲线进行分析。B H 曲线描述的核心材料, 并确定其磁饱和极限。当通过绕组的附加电流不再增加磁通量时, 就会发生这种情况。该视频说明了电感和变压器 BH 曲线的测量以及核心材料和电感线圈的特性。

b h 曲线显示了磁通密度、b 和磁场强度的关系, h。最初, 随着磁场强度的增加, 通量密度也增加到一定的最大值。在这一点之后, 磁场强度的任何增加都不会导致磁通密度的显著增加, 而材料被认为是饱和的。当材料在正负方向上交替磁化时, 真正的磁性材料表现出迟滞效应。这意味着, 当磁场强度减少回零, 一些残余磁性仍然存在。B H 曲线内的区域与能量损耗成正比, 因为材料在正负方向上被磁化。由于这种特性, 在变压器铁心中通常使用的是具有较低滞后损耗的材料, 如钢。B H 曲线也可用于描述材料的磁导率, 计算为磁通密度与磁场强度的比值。它通常与自由空间的渗透性有关, 因而被称为相对渗透率。具有极低磁化率的材料, 如木材, 具有较低的相对渗透性。当材料具有高磁化率, 如铁, 具有较高的相对磁导率。为了创造一个 b H 曲线, 焊剂密度, b, 必须首先被确定。为此, 测量通量变化率, 这是相对于整个线圈的电压使用法拉第定律。这可以用一个简单的 RC 电路与线圈并联来识别。有关这些计算的详细信息, 请参阅文本协议。磁场强度, 或 H, 可以发现使用安培定律和可测量的变量, 在线圈的电流, 绕组数, 和平均长度的核心。材料的 b-H 曲线可以通过电流的测量和元件电压的时间积分来估计。当元素的匝数和尺寸也已知时, 这些可以缩放到实际数量。现在, 让我们来演示如何测量相对渗透率和计算 B H 曲线。

在这些实验中, 三磁性元件被测量, 一个小电感器与一个铁氧体磁芯, 一个更大的黑色电感器, 一个未知的轮数和一个60赫兹变压器。开始与尺寸的小电感, 如图所示, 绕组转数75。首先, 使用 LCR 表测量电感在120和1000赫兹的电感。第二, 建立电路如图所示, 保持功能发生器输出在50欧姆和 BNC 连接器电缆断开。接下来, 连接差分电压和电流探头, 并验证是否没有偏移。将差分探头设置为第120, 以便更好地解决。最后, 将当前探头设置为探头上的每安培100毫伏和示波器上的1x。并注意这些缩放系数以供以后计算。将函数发生器输出设置为一个10伏峰值的1000赫兹正弦波波形。测量 VC 和 I, 连接函数发生器并验证所有电路连接是否如图所示。然后, 记录测量电流和电压。最后, 将示波器显示格式从图中改为 xy, 以显示 B H 曲线。调整通道1和通道两个垂直调整旋钮, 直到曲线适合范围屏幕。接下来, 通过设置显示的 "持久" 选项来稳定曲线。然后, 把曲线的截图。最后, 调整函数发生器频率为120赫兹, 并重新夺回 B H 曲线截图后调整的曲线设置必要的。最后, 断开函数发生器并卸下电感器。保持电路的其余部分完好无损。

为了确定较大电感的匝数, 首先测量它的 b-H 曲线。为了简化计算, 假设核心是一个全空气核心。首先, 使用 LCR 表测量电感在120和1000赫兹的电感。然后, 将电感器置于 RC 电路中。使用与小电感相同的程序, 测量较大电感器的 b-H 曲线。观察并记录测量电流和电压。显示 B-H 曲线。将函数发生器频率调整为120赫兹, 并根据需要调整曲线设置。

单相变压器由磁芯耦合而成的两个绕组组成。在这里, 测量60赫兹变压器的 b-H 曲线。使用 LCR 计, 测量115伏侧绕组在120赫兹时的电感。然后, 通过使用香蕉电缆将 AC1 和 N 从调压器连接到变压器主侧, 通过 protoboard 电路组装电路。如前所述, 调整缩放因子和函数生成器参数。与调压器在 90%, 测量电流和电压。然后, 显示并记录 B-H 曲线。

如果线圈的匝数、平均芯长和横截面积已知, 则直接测量线圈的电感, 并计算其相对磁导率。另外, 测量的 B H 曲线可以用来确定一个元素的相对磁导率, 然后计算线圈的匝数。在 B H 曲线的线性区域中, 可以从斜率中找到相对渗透率。使用相对渗透率, 并考虑到电感和核心尺寸是已知的, 可以很容易地使用以下关系计算匝数。

电感器和其他电磁装置, 如变压器, 在许多电气、电子和机械系统中都很常见。电网通过输电线路长距离分布高压电力, 为消费者提供电能。高电压需要长距离的补偿能量损失。变压器是沿电源线, 以降低较高的输电电压, 以较低的水平, 在配电站和终端用户的供应。变压器通过电磁感应传递能量, 使交流电压的控制步下降。由于钢的高磁饱和点, 它们通常是用钢芯设计的。定子磁铁诱导转子旋转磁场, 导致转子转动。有效地, 定子是主绕组的一个变压器, 而松鼠笼, 二次绕组。交流感应电动机用于多种应用。电机由外固定的绕线磁铁和转子的内铁磁心组成。通常, 一个圆柱形排列的导电棒形成松鼠笼。

你刚刚看了朱庇特介绍磁性元件的特性。您现在应该了解如何测量电感和变压器的 B H 曲线, 同时识别未知的设计因素, 如相对渗透率和转数。谢谢收看

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Results

为了找到核心材料的相对磁导率, 可以采用两种方法。第一种方法是使用一个 LCR 表, 其中的电感 (L) 的线圈所用已知的轮数 (N) 是测量, 然后相对渗透率可以计算如下:

核心的不情愿: (7) Equation 7

因此, 相对磁导率 (µr) 是:

Equation 8(8)

如果µo 是真空的渗透性, 则l是 m 中的平均核心长度, A是 m2中的核心横截面区域。

例如, 如果圆环形核与内部半径r1= 1 厘米, 外部半径r2= 2 cm, 一个横截面积 1 cm2, 并且 LCR 米读1µH 为10轮, 然后:

l= 2 ( Equation 9 r2-r1) = 2 cm、和µr= 5万。

第二种方法使用实测的 b-H 曲线。在线性区域, 这是可见或接近, 相对渗透率可以找到从斜坡 (B = µrµoH) 的每一个频率。若要查找B和H值, 应使用以前的测量方法对探测因子、电路元素和核心维度执行适当的缩放。

在类似于寻找相对渗透率的方法中, 如果相对渗透率未知, 则可以找到匝数。这可以通过操作前面的等式来找到N来实现。

对于铁氧体, µr 的顺序为几千个, 而对于钢和钢合金, µr 的顺序为数十或数百。

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Applications and Summary

尽管电感器和其他电磁器件 (例如、变压器) 在许多电气、电子和机械系统中很常见, 但为特定应用购买电感器并不微不足道。即使在购买电感器时, 数据表信息仍可能对实际材料、转数和其他细节有歧义。本实验中的测试对那些计划建立自己的电感器或表征非货架的感应器的工程师和技术人员尤其有用。这是常见的电力电子应用 (如如, dc/dc 转换器) 以及电机驱动应用 (如, 交流滤波器电感), 其中更多的信息是需要的电感在手。

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Transcript

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