測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)程序

最常用于磁損耗測(cè)量的兩種程序需要正弦場強(qiáng)或正弦磁通密度。從電源的角度來看，這是一個(gè)有點(diǎn)具有挑戰(zhàn)性的需求，因?yàn)檫@些信號(hào)源的生成非常復(fù)雜。特別是，很難獲得場強(qiáng)和磁通密度的正弦形狀。圖 1 中給出了一個(gè)示例，其中場強(qiáng)具有接近正弦的形狀，而磁通密度明顯偏離所需的行為。

可以使用以下替代方法來克服該問題。我們沒有在信號(hào)源上投入大量金錢和精力，而是采用了很多不太復(fù)雜的信號(hào)源，并在測(cè)量設(shè)備中加入了更多的智能。換句話說，我們將復(fù)雜性從信號(hào)源轉(zhuǎn)移到測(cè)量設(shè)備。該方法基于使用功率分析儀和簡單的信號(hào)源。甚至可以使用電源電壓，但在許多情況下，由于頻率有限，它是不夠的。該程序基于測(cè)量初級(jí)側(cè)的峰值電流和磁芯次級(jí)側(cè)的電壓整流值。

磁滯回線

圖 2 顯示了磁場的增加如何意味著流量的增加；一切都發(fā)生到飽和發(fā)生的某個(gè)點(diǎn)。因此，如果場強(qiáng)減小，磁通量也會(huì)減小，但不會(huì)立即減小，也不會(huì)完全減小。這就是所謂的滯后循環(huán)，即表征材料的曲線。磁滯循環(huán)曲線與磁芯損耗之間存在密切關(guān)系：實(shí)際上，這條曲線下的面積與損耗成正比。如果我們可以計(jì)算或測(cè)量該區(qū)域，我們就能夠量化損失。

損耗受一些參數(shù)的影響，例如：頻率、溫度、材料特性、幾何形狀（例如橫截面）和流動(dòng)密度。

測(cè)量電路

圖 3 描繪了一個(gè)非常簡化的測(cè)量電路原理圖。在初級(jí)側(cè)，我們可以使用任何類型的信號(hào)來提供激勵(lì)。示波器測(cè)量初級(jí)側(cè)的電流和次級(jí)側(cè)的電壓。后者是開路電壓，因?yàn)榇渭?jí)側(cè)沒有電流流動(dòng)。如下圖所示，總損耗由四個(gè)部分組成：磁滯損耗、渦流損耗（由于磁場在材料中感應(yīng)出的電流）、繞組損耗（它們是繞線芯中的銅損耗），然后是一小部分由于一些非常復(fù)雜的物理效應(yīng)而造成的損失。

P _loss = P_滯后 + P _{eddy_currents} + P_繞組+ P _rest

圖 4 顯示了測(cè)量電路的設(shè)置。它包括一個(gè) Zimmer Zes 功率分析儀，它具有顯示相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)的特殊功能。可以通過測(cè)量次級(jí)側(cè)的電壓、初級(jí)側(cè)的電流和功率因數(shù)來計(jì)算損耗。為簡單起見，功率因數(shù)由余弦 phi 給出，這對(duì)于正弦和非正弦信號(hào)都是正確的。初級(jí)和次級(jí)側(cè)的繞組數(shù)分別為n ₁和n ₂。

P _loss = U _trms · I _trms · cos? · n ₁ /n ₂

建議使用質(zhì)量好的功率分析儀，而應(yīng)避免使用萬用表，因?yàn)樾枰娏骱碗妷壕龋⑶倚枰己玫南辔魂P(guān)系。此外，相位誤差應(yīng)以高精度進(jìn)行評(píng)估。損耗功率誤差由三部分組成：電壓幅度誤差、電流幅度誤差和相位誤差。

相位誤差尤其重要，應(yīng)盡可能保持低。功率分析儀是一種經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化以降低此相位誤差的儀器。

仔細(xì)觀察相位誤差分量，我們指的是電壓和電流之間相移幾乎為 90 度的電感分量。這意味著余弦 phi 是一個(gè)最小值：在 90 度時(shí)它將完全為零。因此，我們將某個(gè)值除以非常接近于零的值：這意味著任何小的變化都會(huì)導(dǎo)致與實(shí)際值的相當(dāng)大的偏差。根據(jù)設(shè)置，將在次級(jí)側(cè)測(cè)量電壓，在初級(jí)側(cè)測(cè)量電流。在測(cè)試設(shè)備中，這兩個(gè)信號(hào)采用不同的路徑。如果儀器的模擬架構(gòu)沒有以完全同步或盡可能同步的方式進(jìn)行優(yōu)化，則會(huì)引入延遲，從而在測(cè)量過程中產(chǎn)生較大的相位。

為了更好地理解相位誤差的重要性，我們可以考慮一個(gè)真實(shí)的場景。例如，假設(shè)電壓和電流之間的時(shí)間延遲為 3.8 納秒（實(shí)際上非??常?。?，頻率為 50 kHz，余弦 phi 為 0.06，我們的測(cè)量將受到額外 2% 誤差的影響。比較兩個(gè)核心或兩個(gè)扼流圈時(shí)，2% 的錯(cuò)誤可能會(huì)產(chǎn)生破壞性影響。

實(shí)際設(shè)置如圖 5 所示。它包括 Zes Zimmer LMG610 功率分析儀、一個(gè) 115 VAC 電源、一個(gè)電流傳感器以及帶有初級(jí)和次級(jí)繞組的磁芯。在這種情況下，初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的繞組數(shù)相同（僅為 2），因此它們的比率為 1。

磁場強(qiáng)度的峰值可以根據(jù)麥克斯韋-安培方程計(jì)算，表明磁場的峰值直接取決于初級(jí)的峰值電流、初級(jí)繞組的數(shù)量和磁路長度：

假設(shè)準(zhǔn)平穩(wěn)場和對(duì)稱電流（峰值電流需要是峰峰值電流的一半），上述公式可以簡化為：

在哪里：

H _pk : 磁場強(qiáng)度的峰值

I _pk : 初級(jí)電流峰值

n ₁ : 初級(jí)繞組數(shù)

l _magn：磁路長度

由于電流是對(duì)稱的，我們有：

因此，H _pk的結(jié)果公式為：

該表達(dá)式很容易計(jì)算，因?yàn)榉逯惦娏魇枪β史治鰞x可以進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量之一。

磁通密度峰值的計(jì)算可以采用類似的方法。我們從以下麥克斯韋-法拉第方程開始：

對(duì)準(zhǔn)平穩(wěn)場做出與之前相同的假設(shè)，我們得到：

在哪里：

B(t)：磁通密度

u(t)：感應(yīng)二次電壓

n ₂ : 次級(jí)繞組數(shù)

A：芯截面

對(duì)兩個(gè)零交叉點(diǎn)之間的次級(jí)電壓進(jìn)行積分，磁通密度 (B _pp )的峰峰值可以計(jì)算如下：

由于感應(yīng)電壓沒有直流成分：

從修正值的定義我們知道：

最后，我們可以通過將電壓整流值除以頻率、次級(jí)繞組數(shù)和截面積的四倍來計(jì)算磁通密度的峰值：

計(jì)算完全獨(dú)立于信號(hào)形狀：它只取決于整流值。

在圖 6 中，我們可以觀察測(cè)量值如何出現(xiàn)在功率分析儀上。它不顯示功率，而是顯示所有相關(guān)的測(cè)量參數(shù)：初級(jí)電流、次級(jí)電壓、場強(qiáng)、磁通密度，當(dāng)然還有最重要的磁芯損耗。

我們還可以從已有的數(shù)據(jù)中推導(dǎo)出其他測(cè)量值。無需任何額外工作，即可直接計(jì)算能量 (E)、電荷流動(dòng) (Q)、磁通量 (Φ) 和焦耳熱積分 (I ² t)。

結(jié)論

我們已經(jīng)看到，通過直接測(cè)量初級(jí)的頻率、峰值電流值和次級(jí)的整流感應(yīng)電壓，我們可以以極高的精度計(jì)算施加到初級(jí)側(cè)的任何類型的激勵(lì)信號(hào)的磁芯損耗。這使我們能夠比較不同的磁芯材料和不同的磁芯架構(gòu)。作為功??率分析儀的儀器不僅在電源頻率 (50-60 Hz) 下而且在更高頻率下都應(yīng)具有高準(zhǔn)確度（尤其是與功率因數(shù)相關(guān)的準(zhǔn)確度）。測(cè)量設(shè)置也是必不可少的。對(duì)稱性具有主要相關(guān)性：應(yīng)避免電壓和電流測(cè)量的不同路徑長度。