带磁芯励磁线圈的阻抗匹配*

翁 玲,曹晓宁,徐 行,梁淑智,黄文美,孙 英,王博文

(河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室,天津 300130)

带磁芯励磁线圈的阻抗匹配*

翁 玲*,曹晓宁,徐 行,梁淑智,黄文美,孙 英,王博文

(河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室,天津 300130)

带磁芯励磁线圈的阻抗匹配是磁致伸缩器件设计和应用的基础。为使励磁线圈产生较大磁场,利用AMH-1M-S型磁特性测试系统,测试了在不同频率下线圈磁芯材料硅钢片的B-H和u-H曲线,同时计算了带磁芯励磁线圈的复阻抗。根据串联谐振电路原理,理论上计算了电路谐振时的电容值。搭建了实验平台,利用示波器采集电源电压和串接在电路中采样电阻电压的数值,计算了串接匹配电容前后电路的阻抗变化。实验结果表明:串接匹配电容后,在励磁电流频率为50 Hz、100 Hz、150 Hz时,励磁线圈总阻抗下降了48.95%、61.34%、60.06%,励磁电流分别增加了95.88%、158.62、150.38%。

带磁芯励磁线圈;复数磁导率;串联谐振;阻抗匹配

带磁芯的励磁线圈是磁致伸缩换能器和致动器重要部分,为磁致伸缩材料提供交变的磁场,是磁致伸缩材料产生应变的基础[1-2]。而励磁线圈产生磁场强度的大小,与励磁线圈中的电流大小成正比,故励磁线圈中电流幅值越大,磁致伸缩材料产生的应变越大,电磁能向机械能转化的效率越高[3-5]。因此带磁芯励磁线圈的阻抗匹配成为磁致伸缩器件设计的基础,对于提高磁致伸缩器件的工作效率具有重大意义[6-8]。

众多科研人员对励磁线圈的阻抗匹配进行了大量的研究,文献[9]介绍了铁氧体材料线圈阻抗的测量,从理论方面分析了线圈阻抗各方面的影响因素,但缺乏实验上的验证。文献[10]研究了电磁超声换能器线圈阻抗的匹配问题,从线圈结构方面计算出匹配电容,而忽略了线圈磁芯对线圈阻抗的影响。文献[11]考虑磁芯磁导率对电感线圈阻抗的影响,介绍了两种测量功率电感线圈的方法:额定功率法和参考补差法。文献[12]针对磁谐振式无线电能传输效率问题,分析了系统传输效率与线圈谐振频率和线圈阻抗之间的关系,不足之处在于没有对线圈进行优化匹配。文献[13]研究了RLC串联谐振电路中电感值在理论与实验上的偏差,说明了线圈的阻抗匹配需要进行大量实验的验证。

由于磁芯磁导率测试的复杂性,目前对带磁芯励磁线圈的阻抗匹配研究较少。本文首先利用AMH-1M-S型磁特性测试系统对励磁线圈的磁芯材料硅钢片的磁导率进行了测试,然后引入复数磁导率,计算了不同频率下励磁线圈的复阻抗,根据串联谐振原理对励磁线圈进行阻抗匹配,得出需要串接的电容值。最后,通过实验的方法验证了阻抗匹配的效果。

1 测量原理和方法

带磁芯的励磁线圈中通入正弦交流电时,磁芯中产生正弦交变的磁场,且随着电流的幅值增大而增大。但随着电流频率的增加,带磁芯励磁线圈的阻抗越来越大,在外接电路电压一定时,其励磁电流的幅值不断减小,产生的正弦交变磁场也迅速减小。为了在高频励磁电流激励下,带磁芯的励磁线圈仍然能产生较大的交变磁场,需要在电路中添加电容器,来抵消带磁芯励磁线圈的感性阻抗,使得电路中的励磁电流保持较大的幅值,这样在励磁线圈中就会产生幅值较大的交变磁场。

带磁芯的励磁线圈一般用于磁致伸缩换能器和致动器上,激磁电流频率一般在20 Hz～30 kHz,处于低频工作状态,故可以忽略励磁线圈的分布电容,将带磁芯的励磁线圈等效成一个电阻和一个电感串联的模型[14]。等效电阻的阻值对于特定的线圈而言是恒定不变的,表示励磁线圈总的电阻值;而等效电感的值是随磁芯的磁导率和电流的频率不断变化的,所以需要根据电感的定义引出复数电感的概念。

假定磁化电流i=Imcos(ωt+φ),则磁化电流产生的磁场H=Hmcos(ωt+φ),磁感应强度B比磁场强度H滞后一个相角δ,所以磁感应强度B可以表示为:

B=Bmcos(ωt+φ-δ)

用相量形式表示:

(1)

(2)

(3)

由此得复数磁导率:

=(Bm/u0Hm)(cosδ-jsinδ)

(4)

u′=(Bm/u0Hm)cosδ

(5)

u″=(Bm/u0Hm)sinδ

(6)

式中:μm=Bm/u0Hm称为振幅磁导率,μ0为真空磁导率,u′为复数磁导率的实部,u″为复数磁导率的虚部。

复数电感:

(7)

式中:N为磁芯励磁线圈的匝数,S为磁芯的有效截面积,l为有效磁路长度,C=l/S称为磁芯常数,与励磁线圈的结构有关。

把式(4)代入式(7)可得[15]:

(8)

L′=N2u0u′/C

L″=N2u0u″/C

(9)

式中:L′为复数电感的实部,L″为复数电感的虚部。

从式(8)和式(9)可以看出,带磁芯的励磁线圈的等效电感是随复数磁导率的改变而不断变化的,而B与H是非线性关系,所以磁芯的磁导率不是常数。对于同一个带磁芯的励磁线圈,施加不同的励磁电流而激励出不同磁场强度时,由于磁芯的磁导率是不同的,所以等效电感值也不同。

对于空心电感线圈而言,不考虑其铜损耗时,它的磁通φ与励磁电流产生的磁化场H同相,B与H没有相位差,其等效总电感就是L′,因为L″等于零。对于带磁芯的励磁线圈,即使不考虑其铜损耗,其等效电感也是复数。

带磁芯励磁线圈的复阻抗:

(10)

将式(9)代入式(10)得:

(11)

为了抵消复阻抗中虚部的影响,需要给励磁线圈串接一个可变电容C0,其电容的阻抗为-j/ωC0。当-jωN2u0u′/C=-j/ωC0时,电路发生串联谐振,此时带磁芯的励磁线圈总阻抗最小,励磁线圈中的电流最大,产生的励磁磁场也最大。此时的可变电容C0:

(12)

从式(12)可以看出:可变电容C0的大小不仅和励磁电流的频率有关,而且也与磁芯的磁导率有关。

2 实验平台搭建

本实验关键是测出不同频率下磁芯的u-H曲线,通过u-H曲线得到磁芯复数磁导率的实部,然后将其代入到式(12),即可计算出可变电容器的数值,实现带磁芯励磁线圈的阻抗匹配,使得励磁线圈的电流最大,产生足够大的交变的磁场,满足磁致伸缩换能器和致动器的需要。

由于硅钢片的导磁能力强、损耗小,故带磁芯励磁线圈的磁芯由硅钢片叠加而成。测量硅钢片的复数磁导率,采用AMH-1M-S型磁特性测试系统完成,整个系统由函数信号发生器、功率放大器、爱泼斯坦方圈、硅钢片(长300 mm,宽30 mm,厚1 mm)、采样电阻、示波器等组成。本测试系统工作原理如图1所示。首先由函数信号发生器产生一定频率的正弦交流的小信号,经过功率放大器将信号进行放大,放大后的信号加到爱泼斯坦方圈的初级绕组和采样电阻上,在初级绕组及其周围产生一个交变磁场,该磁场的频率与励磁电流频率相同,强度与励磁电流的强度成正比,通过初级绕组与次级绕组产生电磁耦合作用,将会在次级绕组两端产生感应电动势,将其传入到示波器,同时通过采样电阻将初级绕组的信号也传入示波器,将示波器中的数据导出到计算机中,可以绘制相应的B-H曲线,在通过式(4)得到对应的u-H曲线,最后由式(5)计算出复数磁导率的实部。

图1 AMH-1M-S型磁特性测试系统工作原理图

图2 阻抗匹配电路的构成

阻抗匹配电路由带磁芯励磁线圈、函数信号发生器、功率放大器、匹配电容和示波器组成。其实物连接图如图2所示。首先由信号发生器产生一个正弦交流电,经过功率放大器的放大作用,将放大后的正弦交流信号加在带磁芯励磁线圈与匹配电容串联的闭合回路上,用示波器采集该串联电路的电压和电流数值,通过计算得出串接匹配电容前后的阻抗值,阻抗越小匹配效果越好。示波器一般无法采集电流信号,本实验在电路中串接一个1 Ω采样电阻,通过采集采样电阻电压信号来等效电流信号。

该带磁芯的励磁线圈结构如图3所示。由上(下)不锈钢帽,上(下)导磁体(硅钢片叠加而成),线圈(采用AWG19型号漆包线绕制而成,线径0.912 mm。每个线圈有525匝,内径30 mm,外径100 mm)和铁镓材料放置区构成。导磁回路部分由40片厚度0.5 mm的硅钢片叠加而成,是励磁线圈磁路的主要部分。为了使得励磁线圈产生的励磁磁场,尽可能多的分布在导磁回路上,减少漏磁,采用螺栓和铝板将上下导磁回路模块连成一个整体的回路。左右两个线圈套将套在铝板上,产生方向相同的磁场,磁力线在铁镓合金棒处汇集。通过预先的切割使得叠加后的上、下回路模块中部各有一个直径15 mm的孔洞,以便上不锈钢帽和下不锈钢帽伸入导磁回路模块直径15 mm的孔中与铁镓合金棒粘接,形成一个完整的磁路。导磁回路的长度为320 mm,导磁回路的横截面积为200 mm2。

图3 带磁芯的励磁线圈结构图

3 实验结果及分析

本实验首先利用AMH-1M-S型磁特性测试系统测出的磁芯硅钢片的B-H曲线,可以定量地测出硅钢片在不同频率下的饱和磁感应强度、饱和磁场强度、剩磁、矫顽力和磁滞损耗等重要的磁性能参数。然后利用式(4)得出在不同频率下的u-H曲线,可以观察出随着励磁磁场频率的改变,得到磁导率的变化情况。利用不同频率下的励磁磁场幅值、磁感应强度幅值以及两者相位差,由式(5)可以计算出相应的复数磁导率的实部。再利用式(12)计算出不同频率下的匹配电容。最后将不同频率下的匹配电容串接到带磁芯的励磁线圈上,通过示波器采集电路中电压与电流数值,计算出电路的总阻抗,比较串接匹配电容前后的阻抗值。

3.1 磁芯硅钢片的B-H曲线

图4为最大饱和磁感应强度为1.2 T,交变励磁磁场分别为50 Hz、100 Hz、150 Hz情况下测得的一组动态B-H曲线。由图4可以测得在交变励磁磁场频率分别为50 Hz、100 Hz、150 Hz时,对应的剩磁分别为0.972 T、1.027 T、1.072 T,对应的矫顽力分别为76.44 A/m、104.38 A/m、141.47 A/m,对应的磁滞损耗分别为2.12 W/kg、5.759 W/kg、11.5 W/kg。从图4可见,硅钢片的动态磁滞曲线为不规则的椭圆形,当励磁磁场频率增加,磁滞曲线横向变宽,面积不断增大。说明随着励磁磁场频率的增加,硅钢片的磁滞损耗增加。随着励磁磁场频率的增加,剩磁和矫顽力近似线性增大,磁滞损耗则迅速增加,表明频率改变对磁滞损耗影响较大。

图4 不同频率磁芯硅钢片的磁滞曲线

3.2 磁芯硅钢片的u-H曲线

图5为最大饱和磁感应强度为1.2 T,交变励磁磁场分别为50 Hz、100 Hz、150 Hz情况下测得的一组动态u-H曲线。由图5可见,随着励磁磁场强度的增加,硅钢片的磁导率先增加,达到最大值后又不断减小。说明硅钢片的磁感应强度随励磁磁场频率的增加,增长率先增大后减小,当磁导率趋于零时,相应的磁感应强度达到饱和。随着励磁磁场频率的增加,相应的u-H曲线图形在下降,最大磁导率的幅值也在降低。利用式(5)分别计算出励磁磁场频率为50 Hz、100 Hz、150 Hz情况下的复数磁导率的实部为132.109、527.36、1185.34。

图5 不同频率磁芯硅钢片的磁导率曲线

3.3 串接匹配电容前后电压、电流和电路总阻抗

利用式(12),分别计算出励磁磁场频率为50 Hz、100 Hz、150 Hz时的匹配电容大小为97.8 μF,24.5 μF,10.9 μF。为了检验匹配电容的效果,通过示波器采集带磁芯励磁线圈中的电流以及电源两端的电压数值,计算串接匹配电容前后电路的阻抗值。实验测得的数据如表1所示。

表1

由表1可知:随着励磁电流频率的增加,带磁芯的励磁线圈的阻抗值不断增大。在励磁电流频率分别为50 Hz、100 Hz、150 Hz时,串接匹配电容后,励磁线圈的总阻抗分别减小了48.95%、61.34%、60.06%;励磁电流分别增加了95.88%、158.62、150.38%。当电路中通入正弦交流电时,复阻抗的实部值与电流频率无关,一般是固定不变的。其虚部是随电流频率不断发生变化的,由感抗和容抗两部分构成,感抗值为正,容抗值为负,相加后即为复阻抗虚部的值,添加匹配电容的目的在于增加电路容抗来抵消感抗,使得复阻抗的虚部尽可能的小,这样总电路的总阻抗就越小。在电源电压幅值一定时,总阻抗越小,电路中的电流幅值也就越大,励磁线圈产生的磁场也就越大。

4 结论

①利用AMH-1M-S型磁特性测试系统,在频率50 Hz、100 Hz、150 Hz条件下,测试了线圈磁芯材料硅钢片的磁滞和磁导率曲线。研究发现:硅钢片在交变磁场下磁滞回线是不规则椭圆形,矫顽力、剩磁和磁滞损耗都较低。随着励磁磁场频率增加,硅钢片磁滞曲线面积越来越大,磁滞损耗相应增加,相应最大磁导率的幅值下降。

②对带磁芯的励磁线圈进行阻抗匹配时,既要考虑电路的谐振频率,也要考虑励磁线圈磁芯的磁导率。综合上述两个方面,在励磁电流频率50 Hz、100 Hz、150 Hz时,励磁线圈总阻抗下降了48.95%、61.34%、60.06%,励磁电流分别增加了95.88%、158.62、150.38%。

[1] 翁玲,罗柠,张露予,等. Fe-Ga合金磁特性测试装置的设计与实验[J]. 电工技术学报,2015,30(2):237-241.

[2] 孙英,靳辉,郑奕,等. 磁致伸缩液位传感器检测信号影响因素分析及实验研究[J]. 传感技术学报,2015,28(11):1607-1613.

[3] Atulasimha J,Flatau A B. A Review of Magnetostrictive Iron-Gallium Alloys[J]. Smart Materials and Structures,2011,20(4):4462-4473.

[4] Wun-Fogle M,Restorff J B,Clark A E. Magnetomechanical Coupling in Stress-Annealed Fe-Ga(Galfenol)Alloys[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2006,42(10):3120-3122.

[5] Lu Quanguo,Nie Qin,Xu Bin. Research on Giant Magnetostrictive Wireless Inertial Drive Mechanism[J]. Journal of Nanchang Institute of Technology,2016,35(1):11-16.

[6] 温殿忠. 电磁谐振式微泵电感线圈组件的研究[J]. 传感技术学报,2007,20(5):1034-1037.

[7] 闫荣格,王博文,曹淑瑛,等. 超磁致伸缩致动器的磁-机械强耦合模型[J]. 中国电机工程学报,2003,23(7):107-111.

[8] 陈士广,陈华宾,程恩,等. 水声换能器功放与匹配电路的设计与实现[J]. 传感技术学报,2014,27(8):1065-1069.

[9] 张忠仕,汪伟,陈文,等. 铁氧体材料标准化阻抗的测量方法与原理[J]. 磁性材料及器件,2010,41(6):55-59.

[10] 郝宽胜,黄松岭,赵伟,等. 电磁超声换能器新型线圈阻抗及匹配电容的计算[J]. 高技术通讯,2010,20(8):845-849.

[11] 郝杰,李彦钢,季彩瑞. 大功率工业磁芯电感测量方法探讨[J]. 电源世界,2008(11):44-45.

[12] 郝宏刚,张春生. 磁谐振式无线电能传输效率研究[J]. 电力电子技术,2015,49(10):102-104.

[13] 赵平华,贺晓华. RLC串联谐振电路的研究[J]. 大学物理实验,2012,25(6):69-72.

[14] 王博文. 超磁致伸缩材料制备与器件设计[M]. 北京:冶金工业出版社,2003:75-200.

[15] 张忠仕,汪伟,陈文,等. 线圈阻抗、磁心阻抗及材料的标准化阻抗[J]. 磁性材料及器件,2010,41(5):73-75.

翁玲(1978-),女,河南信阳人,副教授,硕士生导师,2008年在河北工业大学获博士学位,主要从事磁性材料与器件的研究,llweng@hebut.edu.cn;

曹晓宁(1989-),男,河北张家口人,硕士研究生,2013年于河北工程大学获得学士学位,研究方向为新型磁性材料与器件,296195735@qq.com。

ImpedanceMatchingofMagneticCoreExcitationCoil*

WENGLing*,CAOXiaoning,XUHang,LIANGShuzhi,HUANGWenmei,SUNYing,WANGBowen

(Key Laboratory of Electro-Magnetic Field and Electrical Apparatus Reliability of Hebei Province,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

Impedance matching of magnetic core excitation coil is the basis for the design and application of magnetostrictive devices. In order to make the excitation coil produce a larger magnetic field,theB-Handu-Hcurves of the silicon steel sheet of the coil core material are tested at different frequencies using the AMH-1M-S magnetic characteristic test system. At the same time,the complex impedance of the magnetic field coil is calculated. According to the principle of series resonant circuit,the capacitance value of circuit resonance is calculated theoretically. The experimental platform is set up. The impedance of the circuit before and after the series matching capacitor is calculated by using the oscilloscope to collect the power supply voltage and the value of the series resistance voltage in the circuit. The experimental results show that the total impedance of the excitation coil decreases by 48.95%,61.34% and 60.06% respectively,and the excitation current increases by 95.88% and 158.62,150.38% respectively when the excitation current is 50 Hz,100 Hz and 150 Hz.

magnetic core excitation coil;complex permeability;series resonant circuit;impedance matching

项目来源:国家自然科学基金项目(51201055);河北省高等学校科学技术研究重点项目(ZD2015085);天津市高等学校科技发展基金项目(20140421);教育部留学归国人员启动基金和河北省引进留学人员项目(CG2013003001)

2017-03-05修改日期:2017-04-21

TP212.9

:A

:1004-1699(2017)09-1330-05

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.09.005