電感飽和及電感測(cè)量的研究

1、電感飽和及電感測(cè)量的研究一、 從物理特性上了解磁性材料的磁飽和1、磁性材料的磁化 (a) (b) 圖 1.1 鐵磁物質(zhì)的未磁化(a)和 被磁化(b)時(shí)的磁疇排列鐵磁物質(zhì)之所以能被磁化，是因?yàn)檫@類物質(zhì)不同于非磁物質(zhì)，在其內(nèi)部有許多自發(fā)磁化的小區(qū)域磁疇。在沒有外磁場(chǎng)作用時(shí)，這些磁疇排列的方向是雜亂無章的(圖1.1(a)，小磁疇間的磁場(chǎng)是相互抵消的，對(duì)外不呈現(xiàn)磁性。如給磁性材料加外磁場(chǎng)，例如將鐵磁材料放在一個(gè)載流線圈中，在電流產(chǎn)生的外磁場(chǎng)作用下，材料中的磁疇順著磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，加強(qiáng)了材料內(nèi)的磁場(chǎng)。隨著外磁場(chǎng)加強(qiáng)，轉(zhuǎn)到外磁場(chǎng)方向的磁疇就越來越多，與外磁場(chǎng)同向的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越強(qiáng)(1.1(b)。這就是說材料

2、被磁化了。2、磁材料的磁化曲線2.1 磁性物質(zhì)磁化過程和初始磁化曲線如將完全無磁狀態(tài)的鐵磁物質(zhì)進(jìn)行磁化，磁場(chǎng)強(qiáng)度從零逐漸增加，測(cè)量鐵磁物質(zhì)的磁通密度，得到磁通密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度之間關(guān)系，并用B-H曲線表示，該曲線稱為磁化曲線，如圖1.2(e)曲線C所示。沒有磁化的磁介質(zhì)中的磁疇完全是雜亂無章的，所以對(duì)外界不表現(xiàn)磁性（圖1.2(a)）。當(dāng)磁介質(zhì)置于磁場(chǎng)中，外磁場(chǎng)較弱時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，與外磁場(chǎng)方向相差不大的部分磁疇逐漸轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向(圖1.2(b)，磁感應(yīng)B隨外磁場(chǎng)增加而增加(圖1.2（e）中oa段)。如果將外磁場(chǎng)H逐漸減少到零時(shí)，B仍能沿ao回到零，即磁疇發(fā)生了“彈性”轉(zhuǎn)動(dòng)，故這一段磁化是可逆

3、的。當(dāng)從磁場(chǎng)繼續(xù)增大時(shí)，與外磁場(chǎng)方向相近的磁疇已經(jīng)趨向于外磁場(chǎng)方向，那些與磁場(chǎng)方向相差較大的磁疇克服“摩擦”，也開始轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向（圖1.2(c)），因此磁感應(yīng)B隨H增大急劇上升，如磁化曲線ab段。如果把a(bǔ)b段放大了看，曲線呈現(xiàn)階梯狀，說明磁化過程是跳躍式進(jìn)行的。如果這時(shí)減少外磁場(chǎng)，B將不再沿ba段回到零，過程是不可逆的。 B B B c H b C a B H H(a) (b) H B b B c a tg=0 A H o H H H (c) (d) (e) 圖 1.2 鐵磁物質(zhì)的磁化特性磁化曲線到達(dá)b點(diǎn)后，大部分磁疇已趨向了外磁場(chǎng)，從此再增加磁場(chǎng)強(qiáng)度，可轉(zhuǎn)動(dòng)的磁疇越來越少了，故B值增加的速

4、度變緩。這段磁化曲線附近稱為磁化曲線膝部。從b進(jìn)一步增大磁場(chǎng)強(qiáng)度，只有很少的磁疇可以轉(zhuǎn)向（圖1.2（d），因此磁化曲線緩慢上升，直至停止上升(c點(diǎn))，材料磁性能進(jìn)入所謂飽和狀態(tài)，隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加B增加很少，該段磁化曲線稱為飽和段。這段磁化過程也是不可逆的。 鐵磁材料的B和H的關(guān)系可表示為 (1.1) 式中m0真空磁導(dǎo)率；J磁化強(qiáng)度。上式表示磁芯中磁通密度是磁性介質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度J(也稱磁化強(qiáng)度)和介質(zhì)所占據(jù)的空間磁感應(yīng)強(qiáng)度之和。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度很大時(shí)，磁化強(qiáng)度達(dá)到最大值，即飽和(圖1.2(e)曲線B)，而空間的磁感應(yīng)強(qiáng)度不會(huì)飽和，仍繼續(xù)增大(圖1.2(e)中曲線A)。合成磁化曲線隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度H增大，B仍

5、稍有增加(圖1.2(e)曲線C)。從材料的零磁化狀態(tài)磁化到飽和的磁化曲線通常稱為初始磁化曲線。2.2 飽和磁滯回線和基本參數(shù)如果將鐵磁物質(zhì)沿磁化曲線OS由完全去磁狀態(tài)磁化到飽和Bs（如圖1.3所示），此時(shí)如將外磁場(chǎng)H減小，B值將不再按照原來的初始磁化曲線(OS)減小，而是更加緩慢地沿較高的B減小，這是因?yàn)榘l(fā)生剛性轉(zhuǎn)動(dòng)的磁疇保留了外磁場(chǎng)方向。即使外磁場(chǎng)H=0時(shí)，B¹0，即尚有剩余的磁感應(yīng)強(qiáng)度Br存在。這種磁化曲線與退磁曲線不重合性能稱為磁化的不可逆性。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的改變滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H的現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。如要使B減少，必須加一個(gè)與原磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)強(qiáng)度-H，當(dāng)這個(gè)反向磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到-

6、Hc時(shí)，才能使磁介質(zhì)中B=0。這并不意味著磁介質(zhì)恢復(fù)了雜亂無章狀態(tài)，而是一部分磁疇仍保留原磁化磁場(chǎng)方向，而另一部分在反向磁場(chǎng)作用下改變?yōu)橥獯艌?chǎng)方向，兩部分相等時(shí)，合成磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。如果再繼續(xù)增大反向磁場(chǎng)強(qiáng)度，鐵磁物質(zhì)中反轉(zhuǎn)的磁疇增多，反向磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，隨著-H值的增加，反向的B也增加。當(dāng)反向磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到-Hs時(shí)，則B=-Bs達(dá)到反向飽和。如果使-H=0,B= -Br，要使-Br為零，必須加正向HC。如H再增大到Hs時(shí)，B達(dá)到最大值Bs，磁介質(zhì)又達(dá)到正向飽和。這樣磁場(chǎng)強(qiáng)度由Hs0- HC- Hs0HCHs, 相應(yīng)地, 磁感應(yīng)強(qiáng)度由BsBr0- BS- Br0Bs，形成了一個(gè)對(duì)原點(diǎn)O對(duì)稱的回

7、線(圖1.3)，稱為飽和磁滯回線，或最大磁滯回線。在飽和磁滯回線上可確定的特征參數(shù)（圖1.3）為：1）飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS 是在指定溫度下，用足夠大的磁場(chǎng)強(qiáng)度磁化磁性物質(zhì)時(shí)，磁化曲線達(dá)到接近水平時(shí)，不再隨外磁場(chǎng)增大而明顯增大對(duì)應(yīng)的B值。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度與溫度有關(guān)。2）剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br 鐵磁物質(zhì)磁化到飽和后，又將磁場(chǎng)強(qiáng)度下降到零時(shí)，鐵磁物質(zhì)中殘留的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即為Br。稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱剩磁。3）矯頑力Hc 鐵磁物質(zhì)磁化到飽和后，由于磁滯現(xiàn)象，要使磁介質(zhì)中B為零，需有一定的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度-H，此磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為矯頑磁力Hc。如果用小于Hs的不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度磁化鐵磁材料時(shí)，此時(shí)B與H的關(guān)系在飽和磁滯回

8、線以內(nèi)的一族磁滯回線。各磁滯回線上的剩磁感應(yīng)和矯頑磁力將小于飽和時(shí)的Br和Hc。如果要使具有磁性的材料恢復(fù)到去磁狀態(tài)，用一個(gè)高頻磁場(chǎng)對(duì)材料磁化，并逐漸減少磁場(chǎng)強(qiáng)度H到0，或?qū)⒉牧霞拥骄永餃囟纫陨霞纯扇ゴ拧?yīng)當(dāng)指出的是材料的磁化曲線是環(huán)形等截面試樣特性，各種磁芯型號(hào)盡管磁芯材質(zhì)與試樣相同，但磁化特性因結(jié)構(gòu)形狀不同而不相同。 BS S BrHs -HC o +HC Hs -Br -BS 圖1.3 磁芯的磁滯回線如果磁滯回線很寬，即Hc很高，需要很大的磁場(chǎng)強(qiáng)度才能將磁材料磁化到飽和，同時(shí)需要很大的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度才能將材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度下降到零，也就是說這類材料磁化困難，去磁也困難，我們稱這類材料為硬磁材

9、料。如鋁鎳鈷永磁鐵等，常用于電機(jī)激磁和儀表產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。這類材料磁化曲線寬，矯頑磁力高。在開關(guān)電源中,為減少直流濾波電感的體積，有時(shí)用永磁硬磁材料產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)抵消直流偏置。另一類材料在較弱外磁場(chǎng)作用下，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到很高的數(shù)值，同時(shí)很低的矯頑磁力，即既容易磁化，又很容易退磁。我們稱這類材料為軟磁材料。開關(guān)電源主要應(yīng)用軟磁材料。屬于這類材料的有電工純鐵、電工硅鋼、鐵鎳軟磁合金、鐵鈷釩軟磁合金、鐵粉芯、鐵氧體等。某些特殊磁性材料，如恒導(dǎo)磁合金和非晶態(tài)合金也是軟磁材料?？梢姡^“軟磁”，不是材料的質(zhì)地柔軟，而是容易磁化而已。實(shí)際上，軟磁材料都是既硬又難加工的材料。如鐵氧體，既硬又脆，是開關(guān)電源中主

10、要應(yīng)用的軟磁材料。本次電感測(cè)試主要采用鐵粉芯和鐵氧體兩種材料。常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構(gòu)成。在粉芯中價(jià)格最低。其25時(shí)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在1.4T左右；磁導(dǎo)率范圍從22100；初始磁導(dǎo)率i隨頻率的變化穩(wěn)定性好；直流電流疊加性能好；但高頻下?lián)p耗高。鐵粉芯初始磁導(dǎo)率隨直流磁場(chǎng)強(qiáng)度和頻率的變化而變化。主要應(yīng)用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因素校正電路等。軟磁鐵氧體是以Fe2O3為主成分的亞鐵磁性氧化物，采用粉末冶金方法生產(chǎn)，有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等幾類。功率鐵氧體具有低損耗因子、高磁導(dǎo)率、高阻抗/頻率特性。其25時(shí)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約為0.40.5mT。另外具有低損耗

11、/頻率關(guān)系和低損耗/溫度關(guān)系。也就是說，隨頻率增大、損耗上升不大；隨溫度提高、損耗變化不大。廣泛應(yīng)用于功率扼流圈、并列式濾波器、開關(guān)電源變壓器、開關(guān)電源電感、功率因素校正電路。 本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試用環(huán)型電感主要參數(shù)如下： 電感參數(shù)R2KT10×6×3R7KT16×8×6KSTT94-52-52KST80-8-8BS（T）0430431411252OD（mm）1016239202ID（mm）6814126HT（mm）35792635A（mm2）620392042413二、從電氣特性上了解磁性材料的磁飽和。設(shè)被測(cè)環(huán)型電感的線圈匝數(shù)為N，磁芯有效截面積A，

12、磁路有效長(zhǎng)度l，測(cè)試輸入電壓為。由電磁感應(yīng)定律：，則磁芯中由于交流磁通產(chǎn)生得磁感應(yīng)強(qiáng)度為： 磁芯中直流磁感應(yīng)強(qiáng)度為：，式中由于無直流電壓，可認(rèn)為I=0。從而。則交流與直流磁感應(yīng)強(qiáng)度之和得到磁感應(yīng)強(qiáng)度得最大值：。若在特定溫度下，磁芯工作的磁感應(yīng)強(qiáng)度得最大值大于其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，則出現(xiàn)磁芯飽和。如果磁芯截面積是不均勻的，通常磁芯有一個(gè)最小截面積Amin，在此截面上磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度為最大。若此磁芯截面不飽和，整個(gè)磁芯就不飽和。由推導(dǎo)可知，外加的伏秒值、匝數(shù)和磁芯面積決定了B軸上的Bac值；直流的平均電流值、匝數(shù)和磁路長(zhǎng)度決定了H軸上Hdc值的位置。Bac值對(duì)應(yīng)了Hac值，另外，加氣隙式可以增大Hac

13、值?？傊?，必須有足夠的線圈數(shù)和磁芯面積來平衡外加伏秒值。對(duì)于同一線圈，若其工作電壓越高，工作頻率越低，則越易發(fā)生飽和；而對(duì)于固定的工作電壓和工作頻率，增加磁芯的匝數(shù)和磁芯的尺寸，或者增加氣隙，就能避免飽和。又設(shè)電感測(cè)試儀的測(cè)試輸入電壓為，測(cè)試電源內(nèi)阻為RS，被測(cè)電感得阻抗為。則被測(cè)電感上所加測(cè)試交流電壓為：，被測(cè)電感上所加得測(cè)試交流電流為：。由于被測(cè)電感直流電阻遠(yuǎn)小于、，故分析中可略去。則被測(cè)電感上所加測(cè)試交流電壓為，交流電流為。它們值的大小顯然會(huì)影響電感的飽和，若不飽和也會(huì)影響到電感的測(cè)量精度。對(duì)于3255B，若調(diào)到ALC OFF，則測(cè)試源不補(bǔ)償電壓，若L的乘積遠(yuǎn)小于Rs，特別是小電感時(shí)，則

14、被測(cè)電感上分得的測(cè)試電壓很小，也會(huì)影響測(cè)試準(zhǔn)確性（從R2KT10×6×3在1Vac，1kHz，ALC OFF條件下的測(cè)試波形；R7KT16×8×6在1Vac，1kHz，ALC OFF條件下的測(cè)試波形及KST80-8-8在1Vac，10kHz，ALC OFF條件下的測(cè)試結(jié)果可看出），我們也可以通過簡(jiǎn)單的串聯(lián)分壓原理計(jì)算出，此時(shí)H數(shù)量級(jí)與K數(shù)量級(jí)的乘積與50信號(hào)源內(nèi)阻相去甚遠(yuǎn)。此時(shí)它們的分壓很小很小，僅為幾十mV左右，此時(shí)測(cè)試結(jié)果與在誤差允許范圍內(nèi)的測(cè)試值相差甚遠(yuǎn)。對(duì)于這種小電感的測(cè)量，我們可以通過提高頻率，從而使其感抗變大，分壓變大，在不飽和的情況下，測(cè)試

15、結(jié)果更準(zhǔn)確，從提升測(cè)試頻率上述幾種磁環(huán)的測(cè)試結(jié)果上可以說明。對(duì)大電感量的測(cè)量，要好些，只要磁芯不飽和，在相對(duì)大頻率上測(cè)量的值相差也不大，這是因?yàn)樗麄兇?lián)分壓比較大的緣故。當(dāng)然，只要在測(cè)量量程內(nèi)，我們最好不要使用ALC OFF檔，采用ALC ON。這使得機(jī)器的信號(hào)源能夠根據(jù)加在被測(cè)電感下的電壓自動(dòng)補(bǔ)償，使其工作在合適狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確。所以，我認(rèn)為在測(cè)試小電感量時(shí)，尤其要注意其是否飽和，若不飽和，則最好選擇ALC ON測(cè)量，頻率可選高些。這樣更準(zhǔn)確。三、測(cè)試數(shù)據(jù)這里把對(duì)幾個(gè)不同材料的測(cè)試結(jié)果做成一個(gè)表格，如下： 電感測(cè)試條件R2KT10×6×3L1（8匝）R7KT16

16、15;8×6L2（31匝）KSTT94-52-52L3（35匝）KST80-8-8L4（31匝）1Vac，1kHz，ALC OFF561H149mH74625H-1Vac，1kHz，ALC ON17866H64735mH-1Vac，10kHz，ALC OFF347H66360 mH74320H28260H1Vac，10kHz，ALC ON194H64525 mH76320H21880H1Vac，100kHz，ALC OFF-73850H21620H1Vac，100kHz，ALC ON-75215H21508H100mVac，100kHz，ALC ON17918H-100mVac，10

17、0kHz，ALC OFF180H-我們可以看出鐵粉芯磁環(huán)35匝的KSTT94-52-52和31匝的KST80-8-8在上述測(cè)試條件下的值都相當(dāng)?shù)慕咏?，我們通過計(jì)算知其在最低工作頻率下，其工作磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到飽和時(shí)需要的最大的工作電壓為，在1kHz下，L3、L4不飽和允許的最大工作電壓通過計(jì)算分別為8.59V和4.16V，顯然在1Vac條件下，無論是ALC ON或者是OFF，磁芯都不會(huì)飽和，只不過在OFF時(shí)可能電感上實(shí)際加到的測(cè)試電壓會(huì)很小，影響到電感儀的測(cè)試讀數(shù)罷了。對(duì)更高頻率10kHz或100kHz就更不用說飽和了。1Vac，10kHz，ALC ON、1Vac，10kHz，ALC OFF時(shí)L3

18、的波形如下。為什么L4在1Vac，10kHz，ALC OFF條件測(cè)試時(shí)為28260H，我認(rèn)為是加在它上面的太小的原因，近為40mV左右。圖3.1 1Vac，10kHz，ALC ON時(shí)L3上測(cè)試電壓波形圖圖3.2 1Vac，10kHz，ALC OFF時(shí)L3上測(cè)試電壓波形圖下面我們著重研究?jī)煞N鐵氧體材料的電感的測(cè)試條件下的波形。由公式，在1Vac，1kH工作環(huán)境下，8匝R2KT10×6×3的最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bmax約為0.4692T，大于其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。故出現(xiàn)波形失真的情況。為什么波形會(huì)是這樣，而測(cè)試結(jié)果又與其他沒有飽和的測(cè)試結(jié)果相差不會(huì)太大呢？我認(rèn)為，波形在其工作電壓小

19、的時(shí)候，電感并沒有飽和，而只有在較大值處出現(xiàn)失真的原因是電感飽和，電流突然加大的原因。但機(jī)器從很多個(gè)采樣點(diǎn)中剔除掉了偏差較大的點(diǎn)，那些電壓較小還沒到飽和，但又足夠保證測(cè)試精度的點(diǎn)還是很多，它們依然保留，故測(cè)試結(jié)果與波形不失真相比并不是特別大，這些可以在軟件中實(shí)現(xiàn)的。圖3.3 1Vac，1kHz，ALC ON時(shí)R2KT10×6×3上測(cè)試電壓波形圖圖3.4 1Vac，1kHz，ALC OFF時(shí)R2KT10×6×3上測(cè)試電壓波形圖此時(shí)，波形也發(fā)生少許失真，主要原因我認(rèn)為是測(cè)試電壓太小的原因，從而造成測(cè)試電感與誤差允許范圍相差太大。我認(rèn)為此時(shí)電感沒有飽和，只是由

20、于電感上分得的電壓太小，但它對(duì)電感測(cè)試的結(jié)果卻是致命的“傷害”，測(cè)試結(jié)果并不準(zhǔn)備。圖3.5 1Vac，10kHz，ALC ON時(shí)R2KT10×6×3上測(cè)試電壓波形圖分析類似于在1Vac，1kH，ALC ON作環(huán)境下，8匝R2KT10×6×3的分析。圖3.6 1Vac，10Hz，ALC OFF時(shí)R2KT10×6×3上測(cè)試電壓波形圖分析類似于在1Vac，1kH工作環(huán)境下，8匝R2KT10×6×3的分析。圖3.7 100mVac，100kHz，ALC ON時(shí)R2KT10×6×3上測(cè)試電壓波形圖此時(shí)，磁芯工作的磁感應(yīng)強(qiáng)度