高頻旋轉(zhuǎn)磁特性傳感器設(shè)計及其應(yīng)用方法

王利祥，李永建，張長庚，耿 鑫

(河北工業(yè)大學(xué)，電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津 300130)

0 引言

特高壓交直流輸電驅(qū)使電力電子技術(shù)朝著高壓大功率方向發(fā)展，推動著納米晶鐵心大功率三相高頻變壓器的研發(fā)[1]。而在三相變壓器的T形結(jié)合處存在著旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場為2個不同相位的正弦信號疊加而成[2]。近年來，電工鋼片的旋轉(zhuǎn)磁特性測試不斷的發(fā)展，然而納米晶在實際工況下的旋轉(zhuǎn)磁特性的研究仍處于萌芽階段[3-4]。然而納米晶材料磁特性的測試方法僅限于環(huán)形樣件法，該方法為一維測試方法，不能準確地反映材料的旋轉(zhuǎn)磁特性，很大程度上限制了其在大功率三相高頻變壓器中的拓展和應(yīng)用[5]。

磁傳感器是實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁場精確測試的關(guān)鍵。實際上準確到某一點的磁特性測試尚未實現(xiàn)，常用的方法是測量磁場均勻區(qū)域的平均值來近似對點磁場的測試，這使得確保測試區(qū)域磁場的均勻性對提高測試精度具有十分重要的意義[6]。受邊緣效應(yīng)的影響，需要采用局部磁場測試方法測試樣品。由分界面的銜接條件可知：忽略磁性材料樣品表面渦流的影響，樣品內(nèi)部磁場強度與外部磁場強度切向分量是連續(xù)的。因此材料的局部磁場強度可以在不破壞材料物理結(jié)構(gòu)的情況下利用感應(yīng)線圈方便的獲得。局部磁通密度的測試常采用對樣品進行鉆孔并繞置感應(yīng)線圈或采用非破壞性探針法進行測試[7]。探針法相當于半匝感應(yīng)線圈，工頻下測試探針法的靈敏系數(shù)較低，而感應(yīng)信號會隨著磁場頻率線性增長，這也使得其更適用于高頻磁特性測試。受傳感器安裝工藝的影響，感應(yīng)線圈的主窗口相對于磁場方向存在偏移，需要對其窗口系數(shù)進行矯正。隨著頻率的提高，H線圈寄生電容對測試結(jié)果的影響越來越大，因此必須建立測試回路的等效電路分析寄生電容的影響。

本文設(shè)計了用于二維高頻旋轉(zhuǎn)磁特性測試的復(fù)合B-H傳感器，并提出線圈系數(shù)的矯正方法。提出了磁場測試區(qū)域的勻場方案，并利用有限元法驗證了其有效性。建立考慮分布電容影響的磁場測試回路等效電路，對測試頻率范圍內(nèi)分布電容的影響進行分析。

1 旋轉(zhuǎn)磁特性測試系統(tǒng)

圖1為二維高頻旋轉(zhuǎn)磁特性測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，該測試系統(tǒng)由勵磁回路和信號采集回路構(gòu)成。

圖1 二維高頻旋轉(zhuǎn)磁特性測試系統(tǒng)

勵磁回路主要包括基于LabVIEW驅(qū)動的勵磁信號輸出單元、2路高性能射頻功率放大器和2對正交的勵磁主磁路。信號采集回路主要包括復(fù)合B-H磁傳感器，多通道差分放大電路和基于LabVIEW驅(qū)動的數(shù)據(jù)采集單元。二維磁特性測試儀是測試系統(tǒng)的核心部件，主要功能是實現(xiàn)磁場的模擬與感應(yīng)信號的采集。

如圖2所示，4個C環(huán)組成的高頻旋轉(zhuǎn)磁特性測試儀主體結(jié)構(gòu)，2對軸向正交的勵磁繞組對稱地繞置在C型鐵心上，測試樣品及復(fù)合B-H磁傳感器置于兩對正交鐵心磁路的方形中心區(qū)域。單方向磁路由2個完全相同的C環(huán)組成，相比于單C環(huán)結(jié)構(gòu)，該磁路結(jié)構(gòu)的磁路對稱性高，漏磁較小。為了使樣品更容易達到飽和，鐵心極頭處進行了聚磁優(yōu)化設(shè)計，采用棱臺形極頭，極頭傾斜角度為60°，此時磁場具有較高的強度和良好的均勻性。勵磁繞組采用了新型的梯形分段式結(jié)構(gòu)，有效地減少了分布電容的影響，提高了裝置的槽滿率。

圖2 高頻旋轉(zhuǎn)磁特性測試儀

2 復(fù)合B-H傳感器

二維測試儀的磁傳感器是信號采集回路的重要組成部分。本文設(shè)計了一種結(jié)合探針法和感應(yīng)線圈法的復(fù)合磁傳感器，測試B和H沿2個方向的分量，如圖3所示。線圈由2塊PCB板組合而成，便于實現(xiàn)H線圈的繞制與組裝。中心為H線圈基板，四角處帶有缺口，用于2部分PCB板的組裝和粘連，減少感應(yīng)線圈的擠壓磨損。

圖3 復(fù)合B-H傳感器

雙層H感應(yīng)線圈采用線徑為0.05 mm的自粘直焊型漆包銅線繞置在厚度為0.4 mm的PCB基板上，上下兩層各100匝，往返交叉繞制可消除雜散場的干擾，此外，對進線端和出線端進行重合雙絞可有效地減少雜散場的干擾，也可提高測量精度[8]。對于磁場通密度B的測試，在整片被測樣件上纏繞感應(yīng)線圈將會增大氣隙磁路長度，增加勵磁難度，而且測試區(qū)域磁場很不均勻；采用打孔的方式又會影響材料磁特性，因此采用非破壞性的探針測試法，其本質(zhì)上是半匝感應(yīng)線圈。將4根探針對稱地安裝在復(fù)合磁傳感器基板的四角處，用于測試B信號。與感應(yīng)線圈法相比，該方法減小了邊緣效應(yīng)對測試精度的影響，使測試區(qū)域磁場更加均勻，而且可以避免因打孔造成的材料磁特性的破壞。

H感應(yīng)線圈的基本原理是在忽略電流和電場影響的情況下，不同介質(zhì)分界面處沿切線方向的磁場強度是連續(xù)的。在安裝過程中H感應(yīng)線圈應(yīng)緊貼樣品表面以減少測量誤差，提高測量精度。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，可以計算矢量H沿2個方向的分量。

(1)

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；VH為H感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓；KH為H感應(yīng)線圈的線圈系數(shù)，該系數(shù)在長直螺線管中進行校準。

探針法的原理是利用時變磁場在磁性材料中產(chǎn)生的渦流效應(yīng)。在測試的過程中要保證探針與樣品之間具有良好的電接觸，因此需要采用化學(xué)藥品去除樣品表面的絕緣漆并適當?shù)厥┘右欢ǖ膲毫Α?/p>

(2)

式中：S為兩探針間樣品的截面積；VB為B探針兩端的電壓。

3 復(fù)合B-H傳感器誤差分析與矯正

3.1 測試區(qū)域磁場均勻化

測試區(qū)域磁場均勻性是影響磁特性測試精確性的關(guān)鍵因素。如圖4(a)所示，單片樣品放置在極頭中間時，測試區(qū)域磁場強度與樣品內(nèi)部磁場度相差較大，成為復(fù)合磁傳感器測試誤差的主要來源，因此必須采取勻場措施。如圖4(b)所示，樣品放置在二維測試儀的中心區(qū)域，勻場保護層對稱地放置在樣品兩側(cè)以起到均勻磁場的作用，復(fù)合磁傳感器放置在勻場保護層和樣品之間，并緊貼樣品表面。樣品表面部分去絕緣，以便采用探針法測試樣品內(nèi)部的磁通密度。勻場保護層的材料與設(shè)計尺寸均與樣品相同，避免勻場保護層材料對磁場均勻性造成影響。

(a)無勻場保護層

(b)配置勻場保護層圖4 不同結(jié)構(gòu)布局下磁場分布對比圖

對比圖4(a)和圖4(b)測試區(qū)域磁場強度分布可以看出，配置勻場保護層有效地提高了測試區(qū)域內(nèi)磁場的均勻性，進而提高了測試精度。

為了量化勻場保護層的作用，提取了自樣品中心向外延伸路徑上的磁場強度在測試方向的分量，如圖5所示。通過對比仿真數(shù)據(jù)可知單片樣品放置在極間時，距離樣品表面1 mm處磁場強度達到了樣品內(nèi)磁場強度的4倍左右，H線圈的總高度約為1 mm。設(shè)置勻場保護層后樣品與勻場保護層之間的磁場強度分布取決于勻場保護層與樣品內(nèi)的磁場強度。經(jīng)過優(yōu)化勻場極靴與樣品之間的距離最終得到設(shè)置樣品與勻場保護層距離為4 mm，磁場強度不均勻性控制在2%以內(nèi)。

圖5 取樣點處磁場強度對比

3.2 線圈系數(shù)矯正

3.2.1 線圈系數(shù)矯正方法

線圈系數(shù)實際上是線圈匝數(shù)N與窗口面積Aw的乘積，由于H感應(yīng)線圈尺寸較小，通過測量線圈尺寸計算有效窗口面積難以保證精度。在測試線圈的安裝過程中，會出現(xiàn)線圈主窗口法向與主磁場方向不平行的現(xiàn)象，而且另一個方向的磁場也將在線圈中感應(yīng)出電壓信號，因此需要對線圈系數(shù)進行矯正。由于兩個方向的磁場都能夠在測試線圈中產(chǎn)生感應(yīng)信號，因此傳感器在旋轉(zhuǎn)磁特性測試時的實際感應(yīng)電壓可以表示為

(3)

線圈系數(shù)可以寫成一個二維矩陣形式

(4)

長直螺線管可以在其內(nèi)部一定范圍內(nèi)產(chǎn)生相對均勻的磁場作為標準磁場對線圈系數(shù)進行矯正。線圈系數(shù)矯正用螺線管長度2l=1 500 mm，直徑2R=120 mm，雙層繞線，匝數(shù)N=2 400。通入直流電流值分別為4、7、10 A時，螺線管內(nèi)磁場分布如圖6所示。從圖6中可以看出，螺線管中心區(qū)域磁場具有良好的均勻性。除了采用理論計算以外，也可以采用高精度的高斯計進行測試，以作為理論計算的對比。

圖6 不同勵磁電流下螺線管內(nèi)部磁通密度

B探針的主要誤差來源于面積的計算誤差，因此在計算時應(yīng)精確地測量探針之間的距離，探針之間的距離設(shè)置為8 mm。除此之外，在選用樣品時應(yīng)選用厚度均勻的納米晶材料。

3.2.2 線圈系數(shù)矯正實驗平臺搭建

如圖7所示，搭建了線圈系數(shù)校準的實驗系統(tǒng)。傳感器放置于長直螺線管的中心區(qū)域。變壓器用于將市電變換為0～220 V可調(diào)的激勵源，給整個系統(tǒng)供電；大功率水冷電阻作為保護電阻；電流表用于監(jiān)控系統(tǒng)電流，防止螺線管過熱；高斯計對螺線管內(nèi)部的磁場進行測量和記錄，與理論計算值作對比；高精度萬用表測量傳感器兩端的電壓有效值，進而可以根據(jù)電壓與磁場強度的關(guān)系計算得到線圈系數(shù)。由于線圈的系數(shù)不受頻率影響，且在低頻下電容效應(yīng)可以忽略，因此通過長直螺線管中產(chǎn)生標準工頻正弦交流磁場可以有效地矯正線圈系數(shù)。

圖7 線圈系數(shù)矯正實驗平臺

復(fù)合磁傳感器貼于模具表面隨傳送桿放置到螺線管中心，為了使得待測線圈的主窗口方向與螺線管軸向方向的平行度達到最高，可在實驗前對傳感箱的位置進行微調(diào)，即當測得的感應(yīng)電動勢的幅值達到最大時，平行度最高。實驗設(shè)計從1～10 A對螺線管進行激磁，激磁電流每增加1 A對數(shù)據(jù)進行記錄，取不同電流下實驗結(jié)果的平均值作為線圈系數(shù)以減少人為誤差。

3.3 感應(yīng)線圈分布電容影響分析

考慮線圈及導(dǎo)線電容的等效電路如圖8所示，圖中下角標c代表感應(yīng)線圈的電路參數(shù)，w代表銅導(dǎo)線，m代表測量儀表。

圖8 感應(yīng)線圈等效電路圖

考慮到測量儀表內(nèi)部具有矯正機制，則其測得的電壓信號即為開路下的電壓。即：

(5)

可以看出當頻率較低時，分布電容對測量結(jié)果的影響較小，當頻率提高到一定值時，測量結(jié)果與實際值的幅值和相位都將會出現(xiàn)偏差。該公式對較高頻率下測試時，檢測信號的修正具有重要意義。

感應(yīng)線圈的電感可以直接通過LCR表進行測試。而由于電感和分布電容較小，電容值很難通過諧振法進行測試。為了近似計算感應(yīng)線圈的諧振頻率，可采用解析法對其進行計算。雙層線圈的分布電容由式(6)計算：

(6)

式中：ε為導(dǎo)線絕緣材料的介電常數(shù)；l為每匝線圈的周長；R為導(dǎo)線的直徑；N為每層導(dǎo)線的匝數(shù)；d為兩層導(dǎo)線之間的等效距離。

根據(jù)感應(yīng)線圈的尺寸可近似計算得Cc=100 pF。則可得到諧振頻率約為100 MHz?？梢钥闯?，在頻率為10～50 kHz頻率范圍內(nèi)電容的影響可以忽略不計。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種結(jié)合感應(yīng)線圈法和探針法的復(fù)合B-H傳感器，用于納米晶材料在頻率范圍為10～50 kHz的旋轉(zhuǎn)磁特性測試。對傳感器的誤差來源進行了分析，從磁場均勻性和線圈偏移兩個方向出發(fā)，提出了提高測量精度的方案。通過有限元分析可知在樣品兩側(cè)設(shè)置與樣品材料和大小均相同的勻場保護層有效地提高了測試區(qū)域磁場的均勻性。基于長直螺線管中形成的標準均勻磁場，搭建了線圈系數(shù)矯正實驗平臺。通過分析可知測試頻率范圍內(nèi)分布電容的影響可以忽略不計。復(fù)合B-H磁傳感器的設(shè)計與誤差分析及矯正有助于納米晶材料二維高頻旋轉(zhuǎn)磁特性測試以及旋轉(zhuǎn)損耗的建模。