一种基于磁感原理的磁性材料B-H曲线测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于磁感原理的磁性材料B‑H曲线测量方法，涉及电工技术应用领域。测量所用装置包括爱泼斯坦方圈、交流电源、功率分析仪和示波器。本发明专利技术的核心内容是基于一种磁路矢量模型对爱泼斯坦方圈进行电磁耦合建模，爱泼斯坦方圈的铁心由被测硅钢片叠压而成，铁心上缠绕匝数相等的励磁线圈和探测线圈，测量过程是首先得到仅考虑铁心非线性磁阻的基准

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁感原理的磁性材料B-H曲线测量方法
本专利技术涉及电工技术应用领域，尤其涉及一种磁性材料B-H曲线的测量方法。
技术介绍
有限元法是电磁装置设计分析过程中经常应用的方法，如果希望求解结果与真实情况一致，一方面需要设定合适的求解域，施加合理的边界条件，另一方面则需要准确模拟材料的真实特性。硅钢片是电磁装置中经常使用的一种软磁性材料，它具有非线性、磁滞、导电等特性。在常规的电磁场有限元计算中，通常仅用一条B-H曲线去模拟硅钢片的非线性特性，而忽略硅钢片的磁滞特性和涡流特性，即不考虑直流偏磁和涡流反作用对外部磁场的影响。这样的硅钢片模拟方式通常导致计算结果与真实情况有偏差，尤其一些在中高频率下工作的电磁装置，涡流反作用非常明显，结果误差更大。因此，更加准确的磁性材料测量和模拟方式仍是当前的研究热点。围绕硅钢片的测量和模拟有许多研究工作。美国阿克伦大学的TekgunBurak等人测量了硅钢片同时存在过饱和和直流偏磁情况下的铁耗和B-H曲线。瑞典皇家理工大学的A.J.Bergqvist提出了矢量JA模型描述硅钢片在旋转磁化情况下的磁滞特性。巴西的LeiteJ.V.等人在矢量JA模型的基础上开发了自励感应发电机的起动过程仿真模型，可以仿真硅钢片的磁滞和涡流效应对电机输出特性的影响。中国东南大学的朱洒等人采用多项式外推与饱和磁化强度相结合的方法模拟了硅钢片饱和区域的B-H曲线，得到了较好的计算结果。但是，目前关于硅钢片不同频率下B-H曲线测定和模拟方法的研究较少，如果要得到不同频率下的B-H曲线，需要逐频率依次测量，费时而且需要专门的高频实验设备。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，针对
技术介绍
的缺陷，提出了一种只需要测定某一频率下的B-H曲线就可以推导出任一频率下B-H曲线的测量和模拟方法，该方法应用于中高频率B-H曲线的测量可获得较高的准确性。本专利技术提出一种磁性材料B-H曲线的测量方法，基于磁路矢量模型对爱泼斯坦方圈进行电磁耦合建模，爱泼斯坦方圈的铁心由被测硅钢片叠压而成，铁心上缠绕匝数相等的励磁线圈和探测线圈；所述测量方法包括：(一)、基准B-H曲线测量过程：S1、在励磁线圈上接入基准频率为f的电压将产生励磁电流在探测线圈上将出现感应电压爱泼斯坦方圈铁心中的磁通表示为其中N2为探测线圈的匝数；S2、去除励磁绕组铜耗后，通过功率分析仪测得通入励磁绕组的有功功率，根据有功功率与磁感的关系求得磁感Lmc，ω为磁路中磁通变化的角频率；S3、通过示波器观测每一个感应电压对应的励磁电流的最大值，由此可得出爱泼斯坦方圈铁心磁路的磁势和磁通进而可求得整个铁心的磁阻抗通过磁阻抗大小的计算公式和磁感Lmc，可得出在励磁电流作用下铁心的磁阻Rmc；S4、由磁通除以铁心的截面积s可得到铁心磁密通过磁阻Rmc的计算公式Rmc＝l/(μs)，可得出铁心的磁导率μ，进而可得到与磁密相对应的磁场强度其中l为铁心磁路的平均长度；调节励磁电流重复测试流程，得到仅考虑铁心非线性磁阻的基准B-H曲线；(二)由基准B-H曲线推导获得任意频率磁场下包含涡流影响的B-H曲线，具体过程是：已知任一磁密值在基准B-H曲线上求得磁阻Rmc，如果已知该频率下涡流反作用对应的磁感Lmc，得到磁路的磁阻抗通过求得此时的磁势接着求得磁场强度得到包含涡流影响的B-H曲线。进一步的，本专利技术所提出的一种磁性材料B-H曲线的测量方法，所述的磁感Lmc在不同频率f1和f2下的数值满足关系通过基准频率下的磁感Lmc求得任一频率下的磁感值。进一步的，本专利技术所提出的一种磁性材料B-H曲线的测量方法，将磁感Lmc等效为表征爱泼斯坦方圈铁心中的涡流反作用的一个集总参数，磁阻Rmc等效为表征铁心的非线性作用的一个集总参数，则铁心的磁路矢量模型为：其中，j表示虚数单位。进一步的，本专利技术所提出的一种磁性材料B-H曲线的测量方法，基于磁路矢量模型的虚拟磁功率采用磁势和磁通求得，具体是：进一步的，本专利技术所提出的一种磁性材料B-H曲线的测量方法，虚拟磁功率和电功率可相互转换，关系为其中，实部为通过励磁绕组输入的有功功率，虚部为输入的无功功率。本专利技术采用以上技术方案，与现有技术相比所具有的有益效果：本专利技术考虑了涡流反作用对B-H曲线测试的影响，既可排除涡流反作用影响得到一条基准B-H曲线，仅用于描述磁性材料的非线性特性，也可通过基准频率下包含涡流反作用的一条B-H曲线得到任一频率下包含涡流反作用的一族B-H曲线。同时，本专利技术可简化B-H曲线的测试过程，节省测试时间，降低对测试设备的要求，尤其在中高频B-H曲线的测试中，其有益效果更加明显。附图说明图1为本专利技术的磁性材料B-H曲线测试平台示意图。图2为本专利技术的磁性材料B-H曲线测试流程图。图3为应用本专利技术所测量获得的排除涡流影响的基准B-H曲线。图4为应用本专利技术所推导获得的200HzB-H曲线与实测曲线的对比图。图5为应用本专利技术所推导获得的800HzB-H曲线与实测曲线的对比图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的技术方案做进一步详细说明。本专利技术提出了一种磁性材料B-H曲线的测量方法。测量所用装置包括爱泼斯坦方圈、交流电源、功率分析仪和示波器。本专利技术的核心内容是基于一种磁路矢量模型对爱泼斯坦方圈进行电磁耦合建模。爱泼斯坦方圈的铁心由被测硅钢片叠压而成，铁心上缠绕匝数相等的励磁线圈和探测线圈。磁路矢量模型包括磁势磁阻Rmc和磁感Lmc三个“磁元件”，三者相互作用，可表示出磁路中流过的磁通其中磁势和磁通是矢量，具体关系是磁势和磁通的夹角是磁路中的虚拟磁功率可通过磁势和磁通计算而来，表示为根据能量守恒定律和电磁能量转换关系可知，磁路中的虚拟磁功率是由励磁绕组输入的电功率转换来的，两种形式的功率满足关系其中，实部表示由磁路参数表示的电路中的有功功率，虚部表示由磁路参数表示的电路中的无功功率。所述的磁感Lmc在爱泼斯坦方圈的磁路矢量模型中表示铁心涡流的反作用，它与铁心的电阻R和磁通的频率f有关，与磁通的大小无关；进一步，所述的磁感Lmc可以改变磁通的大小和相位，它对磁通改变作用的大小，可用磁抗表示，所述的磁阻Rmc在爱泼斯坦方圈的磁路矢量模型中表示铁心的非线性，它与磁通饱和程度有关；磁阻Rmc可以改变磁通的大小，但不改变其相位。进一步，所述的爱泼斯坦方圈中的磁通是由磁感Lmc和磁阻Rmc共同决定的，即是由铁心的涡流反作用和铁心的非线性共同决定的；磁感Lmc和磁阻Rmc的共同作用称之为磁阻抗，用表示，为矢量，其大小为其与磁势和磁通的关系为进一步，所述的虚拟磁功率和电功率的数值关系可解释为通过励磁绕组输入的有功功率除以ω即是磁路中磁感消耗的功率，通过励磁绕组输入的无功功率除以ω即是磁路中磁阻消耗的功率；所述的磁路中磁感消耗的功率即为铁心涡流消耗的功率，磁阻消耗的功率即为铁心存储的功率。基于磁路矢量模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性材料B-H曲线的测量方法，其特征在于，基于磁路矢量模型对爱泼斯坦方圈进行电磁耦合建模，爱泼斯坦方圈的铁心由被测硅钢片叠压而成，铁心上缠绕匝数相等的励磁线圈和探测线圈；所述测量方法包括：/n(一)、基准B-H曲线测量过程：/nS1、在励磁线圈上接入基准频率为f的电压

【技术特征摘要】
1.一种磁性材料B-H曲线的测量方法，其特征在于，基于磁路矢量模型对爱泼斯坦方圈进行电磁耦合建模，爱泼斯坦方圈的铁心由被测硅钢片叠压而成，铁心上缠绕匝数相等的励磁线圈和探测线圈；所述测量方法包括：
(一)、基准B-H曲线测量过程：
S1、在励磁线圈上接入基准频率为f的电压将产生励磁电流在探测线圈上将出现感应电压爱泼斯坦方圈铁心中的磁通表示为其中N2为探测线圈的匝数；
S2、去除励磁绕组铜耗后，通过功率分析仪测得通入励磁绕组的有功功率，根据有功功率与磁感的关系求得磁感Lmc，ω为磁路中磁通变化的角频率；
S3、通过示波器观测每一个感应电压对应的励磁电流的最大值，由此可得出爱泼斯坦方圈铁心磁路的磁势和磁通进而可求得整个铁心的磁阻抗通过磁阻抗大小的计算公式和磁感Lmc，可得出在励磁电流作用下铁心的磁阻Rmc；
S4、由磁通除以铁心的截面积s可得到铁心磁密通过磁阻Rmc的计算公式Rmc＝l/(μs)，可得出铁心的磁导率μ，进而可得到与磁密相对应的磁场强度其中l为铁心磁路的平均长度；
调节励磁电流重复测试流程，得到仅考虑铁心非线性磁阻的基准B-H曲线；
(二)由基准B-H曲线推导获得任意频率磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：程明，朱新凯，秦伟，王政，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32