电感饱和及电感测量的研究.doc

电感饱和及电感测量的研究一、 从物理特性上了解磁性材料的磁饱和1、磁性材料的磁化 (a) (b) 图 1.1 铁磁物质的未磁化(a)和 被磁化(b)时的磁畴排列铁磁物质之所以能被磁化，是因为这类物质不同于非磁物质，在其内部有许多自发磁化的小区域磁畴。在没有外磁场作用时，这些磁畴排列的方向是杂乱无章的(图1.1(a)，小磁畴间的磁场是相互抵消的，对外不呈现磁性。如给磁性材料加外磁场，例如将铁磁材料放在一个载流线圈中，在电流产生的外磁场作用下，材料中的磁畴顺着磁场方向转动，加强了材料内的磁场。随着外磁场加强，转到外磁场方向的磁畴就越来越多，与外磁场同向的磁感应强度就越强(1.1(b)。这就是说材料被磁化了。2、磁材料的磁化曲线2.1 磁性物质磁化过程和初始磁化曲线如将完全无磁状态的铁磁物质进行磁化，磁场强度从零逐渐增加，测量铁磁物质的磁通密度，得到磁通密度和磁场强度之间关系，并用B-H曲线表示，该曲线称为磁化曲线，如图1.2(e)曲线C所示。没有磁化的磁介质中的磁畴完全是杂乱无章的，所以对外界不表现磁性（图1.2(a)）。当磁介质置于磁场中，外磁场较弱时，随着磁场强度的增加，与外磁场方向相差不大的部分磁畴逐渐转向外磁场方向(图1.2(b)，磁感应B随外磁场增加而增加(图1.2（e）中oa段)。如果将外磁场H逐渐减少到零时，B仍能沿ao回到零，即磁畴发生了“弹性”转动，故这一段磁化是可逆的。当从磁场继续增大时，与外磁场方向相近的磁畴已经趋向于外磁场方向，那些与磁场方向相差较大的磁畴克服“摩擦”，也开始转向外磁场方向（图1.2(c)），因此磁感应B随H增大急剧上升，如磁化曲线ab段。如果把ab段放大了看，曲线呈现阶梯状，说明磁化过程是跳跃式进行的。如果这时减少外磁场，B将不再沿ba段回到零，过程是不可逆的。 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) 图 1.2 铁磁物质的磁化特性磁化曲线到达b点后，大部分磁畴已趋向了外磁场，从此再增加磁场强度，可转动的磁畴越来越少了，故B值增加的速度变缓。这段磁化曲线附近称为磁化曲线膝部。从b进一步增大磁场强度，只有很少的磁畴可以转向（图1.2（d），因此磁化曲线缓慢上升，直至停止上升(c点)，材料磁性能进入所谓饱和状态，随磁场强度增加B增加很少，该段磁化曲线称为饱和段。这段磁化过程也是不可逆的。 铁磁材料的B和H的关系可表示为 (1.1) 式中m0真空磁导率；J磁化强度。上式表示磁芯中磁通密度是磁性介质的磁感应强度J(也称磁化强度)和介质所占据的空间磁感应强度之和。当磁场强度很大时，磁化强度达到最大值，即饱和(图1.2(e)曲线B)，而空间的磁感应强度不会饱和，仍继续增大(图1.2(e)中曲线A)。合成磁化曲线随着磁场强度H增大，B仍稍有增加(图1.2(e)曲线C)。从材料的零磁化状态磁化到饱和的磁化曲线通常称为初始磁化曲线。2.2 饱和磁滞回线和基本参数如果将铁磁物质沿磁化曲线OS由完全去磁状态磁化到饱和Bs（如图1.3所示），此时如将外磁场H减小，B值将不再按照原来的初始磁化曲线(OS)减小，而是更加缓慢地沿较高的B减小，这是因为发生刚性转动的磁畴保留了外磁场方向。即使外磁场H=0时，B0，即尚有剩余的磁感应强度Br存在。这种磁化曲线与退磁曲线不重合性能称为磁化的不可逆性。磁感应强度B的改变滞后于磁场强度H的现象称为磁滞现象。如要使B减少，必须加一个与原磁场方向相反的磁场强度-H，当这个反向磁场强度增加到-Hc时，才能使磁介质中B=0。这并不意味着磁介质恢复了杂乱无章状态，而是一部分磁畴仍保留原磁化磁场方向，而另一部分在反向磁场作用下改变为外磁场方向，两部分相等时，合成磁感应强度为零。如果再继续增大反向磁场强度，铁磁物质中反转的磁畴增多，反向磁感应强度增加，随着-H值的增加，反向的B也增加。当反向磁场强度增加到-Hs时，则B=-Bs达到反向饱和。如果使-H=0,B= -Br，要使-Br为零，必须加正向HC。如H再增大到Hs时，B达到最大值Bs，磁介质又达到正向饱和。这样磁场强度由Hs0- HC- Hs0HCHs, 相应地, 磁感应强度由BsBr0- BS- Br0Bs，形成了一个对原点O对称的回线(图1.3)，称为饱和磁滞回线，或最大磁滞回线。在饱和磁滞回线上可确定的特征参数（图1.3）为：1）饱和磁感应强度BS 是在指定温度下，用足够大的磁场强度磁化磁性物质时，磁化曲线达到接近水平时，不再随外磁场增大而明显增大对应的B值。饱和磁感应强度与温度有关。2）剩余磁感应强度Br 铁磁物质磁化到饱和后，又将磁场强度下降到零时，铁磁物质中残留的磁感应强度，即为Br。称为剩余磁感应强度，简称剩磁。3）矫顽力Hc 铁磁物质磁化到饱和后，由于磁滞现象，要使磁介质中B为零，需有一定的反向磁场强度-H，此磁场强度称为矫顽磁力Hc。如果用小于Hs的不同的磁场强度磁化铁磁材料时，此时B与H的关系在饱和磁滞回线以内的一族磁滞回线。各磁滞回线上的剩磁感应和矫顽磁力将小于饱和时的Br和Hc。如果要使具有磁性的材料恢复到去磁状态，用一个高频磁场对材料磁化，并逐渐减少磁场强度H到0，或将材料加到居里温度以上即可去磁。应当指出的是材料的磁化曲线是环形等截面试样特性，各种磁芯型号尽管磁芯材质与试样相同，但磁化特性因结构形状不同而不相同。 BS S BrHs -HC o +HC Hs -Br -BS 图1.3 磁芯的磁滞回线如果磁滞回线很宽，即Hc很高，需要很大的磁场强度才能将磁材料磁化到饱和，同时需要很大的反向磁场强度才能将材料中磁感应强度下降到零，也就是说这类材料磁化困难，去磁也困难，我们称这类材料为硬磁材料。如铝镍钴永磁铁等，常用于电机激磁和仪表产生恒定磁场。这类材料磁化曲线宽，矫顽磁力高。在开关电源中,为减少直流滤波电感的体积，有时用永磁硬磁材料产生恒定磁场抵消直流偏置。另一类材料在较弱外磁场作用下，磁感应强度达到很高的数值，同时很低的矫顽磁力，即既容易磁化，又很容易退磁。我们称这类材料为软磁材料。开关电源主要应用软磁材料。属于这类材料的有电工纯铁、电工硅钢、铁镍软磁合金、铁钴钒软磁合金、铁粉芯、铁氧体等。某些特殊磁性材料，如恒导磁合金和非晶态合金也是软磁材料。可见，所谓“软磁”，不是材料的质地柔软，而是容易磁化而已。实际上，软磁材料都是既硬又难加工的材料。如铁氧体，既硬又脆，是开关电源中主要应用的软磁材料。本次电感测试主要采用铁粉芯和铁氧体两种材料。常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成。在粉芯中价格最低。其25时饱和磁感应强度值在1.4T左右；磁导率范围从22100；初始磁导率i随频率的变化稳定性好；直流电流叠加性能好；但高频下损耗高。铁粉芯初始磁导率随直流磁场强度和频率的变化而变化。主要应用于线路滤波器、交流电感、输出电感、功率因素校正电路等。软磁铁氧体是以Fe2O3为主成分的亚铁磁性氧化物，采用粉末冶金方法生产，有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等几类。功率铁氧体具有低损耗因子、高磁导率、高阻抗/频率特性。其25时饱和磁感应强度约为0.40.5mT。另外具有低损耗/频率关系和低损耗/温度关系。也就是说，随频率增大、损耗上升不大；随温度提高、损耗变化不大。广泛应用于功率扼流圈、并列式滤波器、开关电源变压器、开关电源电感、功率因素校正电路。本次实验测试用环型电感主要参数如下： 电感参数R2KT1063R7KT1686KSTT94-52-52KST80-8-8BS（T）0430431411252OD（mm）1016239202ID（mm）6814126HT（mm）35792635A（mm2）620392042413二、从电气特性上了解磁性材料的磁饱和。设被测环型电感的线圈匝数为N，磁芯有效截面积A，磁路有效长度l，测试输入电压为。由电磁感应定律：，则磁芯中由于交流磁通产生得磁感应强度为： 磁芯中直流磁感应强度为：，式中由于无直流电压，可认为I=0。从而。则交流与直流磁感应强度之和得到磁感应强度得最大值：。若在特定温度下，磁芯工作的磁感应强度得最大值大于其饱和磁感应强度，则出现磁芯饱和。如果磁芯截面积是不均匀的，通常磁芯有一个最小截面积Amin，在此截面上磁芯的磁感应强度为最大。若此磁芯截面不饱和，整个磁芯就不饱和。由推导可知，外加的伏秒值、匝数和磁芯面积决定了B轴上的Bac值；直流的平均电流值、匝数和磁路长度决定了H轴上Hdc值的位置。Bac值对应了Hac值，另外，加气隙式可以增大Hac值。总之，必须有足够的线圈数和磁芯面积来平衡外加伏秒值。对于同一线圈，若其工作电压越高，工作频率越低，则越易发生饱和；而对于固定的工作电压和工作频率，增加磁芯的匝数和磁芯的尺寸，或者增加气隙，就能避免饱和。又设电感测试仪的测试输入电压为，测试电源内阻为RS，被测电感得阻抗为。则被测电感上所加测试交流电压为：，被测电感上所加得测试交流电流为：。由于被测电感直流电阻远小于、，故分析中可略去。则被测电感上所加测试交流电压为，交流电流为。它们值的大小显然会影响电感的饱和，若不饱和也会影响到电感的测量精度。对于3255B，若调到ALC OFF，则测试源不补偿电压，若L的乘积远小于Rs，特别是小电感时，则被测电感上分得的测试电压很小，也会影响测试准确性（从R2KT1063在1Vac，1kHz，ALC OFF条件下的测试波形；R7KT1686在1Vac，1kHz，ALC OFF条件下的测试波形及KST80-8-8在1Vac，10kHz，ALC OFF条件下的测试结果可看出），我们也可以通过简单的串联分压原理计算出，此时H数量级与K数量级的乘积与50信号源内阻相去甚远。此时它们的分压很小很小，仅为几十mV左右，此时测试结果与在误差允许范围内的测试值相差甚远。对于这种小电感的测量，我们可以通过提高频率，从而使其感抗变大，分压变大，在不饱和的情况下，测试结果更准确，从提升测试频率上述几种磁环的测试结果上可以说明。对大电感量的测量，要好些，只要磁芯不饱和，在相对大频率上测量的值相差也不大，这是因为他们串联分压比较大的缘故。当然，只要在测量量程内，我们最好不要使用ALC OFF档，采用ALC ON。这使得机器的信号源能够根据加在被测电感下的电压自动补偿，使其工作在合适状态，测试结果更准确。所以，我认为在测试小电感量时，尤其要注意其是否饱和，若不饱和，则最好选择ALC ON测量，频率可选高些。这样更准确。三、测试数据这里把对几个不同材料的测试结果做成一个表格，如下： 电感测试条件R2KT1063L1（8匝）R7KT1686L2（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，100kHz，ALC OFF180H-我们可以看出铁粉芯磁环35匝的KSTT94-52-52和31匝的KST80-8-8在上述测试条件下的值都相当的接近，我们通过计算知其在最低工作频率下，其工作磁感应强度达到饱和时需要的最大的工作电压为，在1kHz下，L3、L4不饱和允许的最大工作电压通过计算分别为8.59V和4.16V，显然在1Vac条件下，无论是ALC ON或者是OFF，磁芯都不会饱和，只不过在OFF时可能电感上实际加到的测试电压会很小，影响到电感仪的测试读数罢了。对更高频率10kHz或100kHz就更不用说饱和了。1Vac，10kHz，ALC ON、1Vac，10kHz，ALC OFF时L3的波形如下。为什么L4在1Vac，10kHz，ALC OFF条件测试时为28260H，我认为是加在它上面的太小的原因，近为40mV左右。图3.1 1Vac，10kHz，ALC ON时L3上测试电压波形图图3.2 1Vac，10kHz，ALC OFF时L3上测试电压波形图下面我们着重研究两种铁氧体材料的电感的测试条件下的波形。由公式，在1Vac，1kH工作环境下，8匝R2KT1063的最大工作磁感应强度为Bmax约为0.4692T，大于其饱和磁感应强度。故出现波形失真的情况。为什么波形会是这样，而测试结果又与其他没有饱和的测试结果相差不会太大呢？我认为，波形在其工作电压小的时候，电感并没有饱和，而只有在较大值处出现失真的原因是电感饱和，电流突然加大的原因。但机器从很多个采样点中剔除掉了偏差较大的点，那些电压较小还没到饱和，但又足够保证测试精度的点还是很多，它们依然保留，故测试结果与波形不失真相比并不是特别大，这些可以在软件中实现的。图3.3 1Vac，1kHz，ALC ON时R2KT1063上测试电压波形图图3.4 1Vac，1kHz，ALC OFF时R2KT1063上测试电压波形图此时，波形也发生少许失真，主要原因我认为是测试电压太小的原因，从而造成测试电感与误差允许范围相差太大。我认为此时电感没有饱和，只是由于电感上分得的电压太小，但它对电感测试的结果却是致命的“伤害”，测试结果并不准备。图3.5 1Vac，10kHz，ALC ON时R2KT1063上测试电压波形图分析类似于在1Vac，1kH，ALC ON作环境下，8匝R2KT1063的分析。图3.6 1Vac，10Hz，ALC OFF时R2KT1063上测试电压波形图分析类似于在1Vac，1kH工作环境下，8匝R2KT1063的分析。图3.7 100mVac，100kHz，ALC ON时R2KT1063上测试电压波形图此时，磁芯工作的磁