復(fù)雜電流波形下軟磁復(fù)合材料磁特性的測試

崔一帆， 楊慶新， 李永建

(1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院)， 天津 300130；2. 天津理工大學(xué)， 天津 300384)

1 引言

軟磁復(fù)合(Soft Magnetic Composite，SMC)材料[1]是一種新型的鐵基粉末狀的軟磁材料，它通常是由高純度的物化鐵粉和粘結(jié)劑充分混合后放入模具在高溫高壓環(huán)境下壓制而成的，具有造價(jià)低、利用率高、工作頻率范圍寬、渦流損耗小等優(yōu)點(diǎn)[2]，且具有較好的各向同性特征，主要用于復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電機(jī)設(shè)計(jì)中，如爪極/橫向電機(jī)[3]。

隨著電工裝備的廣泛應(yīng)用，提高電工裝備效率成了當(dāng)今熱點(diǎn)問題，而提高效率的關(guān)鍵在于對鐵心材料磁特性的精確模擬[4]。在磁特性測量系統(tǒng)中，為使磁性材料測量更加準(zhǔn)確，精密的磁特性測量傳感器是不可或缺的。最初的愛波斯坦方圈法[5]的傳感線圈是根據(jù)變壓器原理，將H線圈作為原邊，B線圈作為副邊。但由于自身?xiàng)l件限制，方圈內(nèi)的磁路長度不確定性使得在后期的二維、三維旋轉(zhuǎn)磁特性測量[6,7]時(shí)不再適用，因此，研究學(xué)者提出了獨(dú)立測量磁場的傳感器。傳統(tǒng)三維傳感器[8]是用H線圈和B線圈分別對磁場強(qiáng)度和磁通密度進(jìn)行測量的，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)是將環(huán)形B線圈嵌入薄片型的環(huán)氧樹脂基板中心的通孔中，然后將H線圈上下兩層往返交叉地纏繞在環(huán)氧樹脂基板上。

圖1 傳統(tǒng)三維磁特性測量傳感器Fig.1 Traditional three-dimensional magnetic characteristic measurement sensor

隨著高壓直流輸電和電力電子技術(shù)的發(fā)展，在電機(jī)和變壓器運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波，而諧波會(huì)使得磁心中出現(xiàn)飽和以及不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致?lián)p耗增加和局部發(fā)熱[9]。在電工裝備的設(shè)計(jì)過程中，通過考慮鐵心磁性能的變化可準(zhǔn)確地計(jì)算出諧波條件下的鐵心損耗。因此諧波加載下的磁特性測量對電機(jī)和變壓器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有重要意義[10]。

本文提出了一種霍爾[11,12]-線圈復(fù)合式傳感結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)的三維磁特性測量傳感器有更強(qiáng)的抗應(yīng)力和溫度干擾能力，提高了測量的準(zhǔn)確性。以SOMALOYTM700HR為待測樣品測量了正弦激勵(lì)和諧波加載下SMC的磁特性，對比x、y、z軸向磁特性的差異，分析了軟磁復(fù)合材料z軸出現(xiàn)輕微各向異性特征的原因；研究了諧波次數(shù)、含量以及與基波相差對材料磁特性的影響。

2 磁特性測試系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，三維磁特性測試系統(tǒng)[13]主要包括磁特性測試儀器，實(shí)現(xiàn)三方向勵(lì)磁和感應(yīng)信號輸出功能；高性能的功率放大器，可保證對樣品充分磁化；多路差分放大電路，可實(shí)現(xiàn)對微小信號的放大，減小外界雜散信號的干擾；基于LabVIEW軟件驅(qū)動(dòng)的NI模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換的微控制器，實(shí)現(xiàn)激磁信號的輸出和B、H矢量信號的采集和處理。

圖2 磁特性測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Diagram of magnetic property testing system

磁特性測試裝置是整個(gè)測試系統(tǒng)的核心，如圖3所示，主要包括三個(gè)空間正交的磁軛、三對繞制在磁極上的勵(lì)磁繞組以及放置在裝置中心的信號傳感箱。通過對勵(lì)磁繞組施加電流，可在中心樣品上產(chǎn)生一個(gè)較大的磁場以保證樣品充分磁化，通過傳感箱將樣品的B、H矢量信號采集到NI板卡中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出材料的磁滯特性和損耗特性。

圖3 磁特性測試平臺(tái)Fig.3 Magnetic characteristics test platform

2.2 新型霍爾-線圈復(fù)合式傳感設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的B-H復(fù)合線圈在測量磁場時(shí)，H線圈會(huì)受到磁極擠壓和樣品振動(dòng)的影響，且其不能緊貼于樣品表面，造成一定的測量誤差。為解決上述問題，提出一種新型霍爾-線圈復(fù)合式傳感器，結(jié)構(gòu)如圖4所示，通過環(huán)形B線圈測量磁通密度，用雙軸霍爾元件測量平行于樣品表面的垂直雙方向磁場強(qiáng)度，傳感中所用的霍爾元件具有應(yīng)力和溫度漂移補(bǔ)償功能，減弱了測量過程中由于磁極頭擠壓和樣品振動(dòng)對測量精確度的影響；由于B線圈的窗口面積有效方向與擠壓和振動(dòng)的方向一致且霍爾元件的測量范圍被限制在高斯級，因此B線圈不需要被替代。

圖4 霍爾-線圈復(fù)合式傳感器Fig.4 Hall-coil composite sensor

將六組上述霍爾-線圈復(fù)合式傳感器按照一定的方向構(gòu)成一個(gè)如圖5所示的立方體傳感箱，在箱體中心放置一個(gè)立方體SMC樣品，將霍爾-線圈復(fù)合式傳感器分別緊貼到樣品的六個(gè)面上，為模擬在樣品內(nèi)部進(jìn)行磁特性測量，將六片與樣品同截面、同材料的勻場保護(hù)層放置在傳感器外部，與傳感器和樣品形成一種“三明治”結(jié)構(gòu)。此外，為保證磁特性測量實(shí)驗(yàn)的正確實(shí)施，在定義傳感器的測量方向時(shí)，應(yīng)與x、y、z三個(gè)方向的激磁相對應(yīng)。在同一組霍爾-線圈復(fù)合式傳感器中，B線圈的測量方向與霍爾元件的兩個(gè)測量方向是兩兩相互垂直的，三者定義不能沿同一方向，即x激磁方向上的傳感器是用來測量Bx、Hy、Hz；同理，y方向傳感器測量By、Hx、Hz，z方向傳感器測量Bz、Hx、Hy。

圖5 立方體傳感箱結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of cubic sensing box

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文以SOMALOYTM700HR為待測樣品分別進(jìn)行了正弦激勵(lì)和諧波加載下的磁特性測量實(shí)驗(yàn)，對比x、y、z三個(gè)正交軸向材料磁特性的差異，分析了SMC材料z軸顯現(xiàn)出的輕微各向異性特征機(jī)理，并研究了諧波次數(shù)、含量以及與基波相差對材料磁特性的影響。

3.1 正弦激勵(lì)下的磁特性分析

對待測樣品施加某單一方向的正弦激磁信號進(jìn)行一維交變磁特性測量實(shí)驗(yàn)。在三維磁特性測量裝置中，分別沿x，y，z三個(gè)方向?qū)悠愤M(jìn)行磁化，通過引入諧波反饋控制補(bǔ)償算法，使得B矢量為標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號，測量對應(yīng)的B、H感應(yīng)電動(dòng)勢，通過給定的公式計(jì)算出B、H值，繪制相應(yīng)的磁滯回線，改變激磁頻率重復(fù)上述過程，得到不同頻率下材料的磁化特性如圖6所示。

圖6 x、y、z三軸向交變磁滯回線Fig.6 x, y, z alternating hysteresis loop

從圖6中可以看出，三個(gè)方向的磁滯回線形狀基本一致。在x和y方向上，磁滯回線大致重合，具有相同的剩磁和矯頑力，而z軸較x、y兩方向有一定的區(qū)別，其表現(xiàn)出磁滯回線形狀扁長、剩磁小等特征，出現(xiàn)了輕微的各向異性特征。這種各向異性特征可能是由于材料制作和切割過程導(dǎo)致的，SMC樣品一般是從圓柱形的坯件上切割而成的，在坯件制作過程中，需要對圓柱形軸線方向進(jìn)行壓制，因此會(huì)造成樣品中鐵基絕緣包覆顆粒在壓制方向上的半徑減小，從而加大了退磁因子而使得樣品z方向表現(xiàn)出更難磁化。

圖7為正弦激勵(lì)下樣品的損耗曲線，可以看出在同一激磁頻率下，三軸向的交變磁心損耗都隨著磁通密度增大而呈現(xiàn)出非線性增長。x、y的損耗大致相同，而z軸損耗要高于其他兩方向，這種現(xiàn)象也會(huì)隨著磁通密度的增大而變得更加明顯，這也說明z軸向?yàn)椴牧细y磁化的方向，存在一定的各向異性特征。此外，隨著頻率的增加，三軸向的磁心損耗都將增大，這是因?yàn)楫?dāng)頻率升高時(shí)，材料內(nèi)部的磁疇運(yùn)動(dòng)加劇，使得損耗變大。

圖7 x、y、z三軸向磁心損耗Fig.7 x, y, z core loss

3.2 諧波加載下軟磁復(fù)合材料的磁特性分析

在實(shí)際工況中由于某些電氣元件存在非線性特征，即使通入標(biāo)準(zhǔn)的三相正弦電流，旋轉(zhuǎn)電機(jī)和電力變壓器等電工設(shè)備中的磁場也不會(huì)再是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形，而是疊加不同次序諧波的復(fù)雜波形，這將會(huì)影響電工裝備的性能，造成鐵心損耗加劇。為分析電工裝備中磁場的各次諧波含量，對SMC電機(jī)的磁場進(jìn)行了傅里葉分解， 結(jié)果如圖8所示。可以看出，電機(jī)中奇次諧波含量要大于偶次諧波含量，且隨著諧波次數(shù)增大其含量將不斷減小，這也表明了奇次諧波是影響電機(jī)性能的關(guān)鍵。

圖8 SMC電機(jī)中各次諧波含量Fig.8 SMC motor harmonic content

為進(jìn)一步分析諧波對電工裝備性能的影響，對SMC材料進(jìn)行了復(fù)雜波形(基波疊加各次諧波)激勵(lì)下的磁特性模擬與測量，并分析了相應(yīng)的損耗特征。本節(jié)主要從諧波次數(shù)、含量以及與諧波相角三個(gè)方面研究諧波對軟磁復(fù)合材料磁特性的影響?？紤]到電工裝備在實(shí)際工況下主要受到奇次諧波的影響以及實(shí)驗(yàn)所用的功率放大器性能的限制，此次實(shí)驗(yàn)僅考慮基波單獨(dú)疊加三次諧波和五次諧波后對材料磁特性的影響，其波形可表示為：

B=B1sin(ωt)+Bisin(ωit+θi)

(1)

式中，B1為基波幅值；ω為基波角頻率；i為諧波次數(shù)；Bi為諧波幅值；ωi為諧波角頻率；θi為諧波與基波的相差角度。通過對式(1)中ωi、θi等變量的控制實(shí)現(xiàn)不同諧波狀態(tài)下的磁特性測量。

3.2.1 諧波次數(shù)對材料磁特性的影響

實(shí)驗(yàn)中設(shè)定諧波含量和諧波相角不變，通過調(diào)節(jié)LabVIEW程序中的諧波次數(shù)控件，對樣品分別進(jìn)行三次諧波和五次諧波激勵(lì)。取基波頻率為30 Hz，幅值為0.2 T，諧波含量為50%，諧波相角為180°，不同次數(shù)下材料的磁特性如圖9所示。

圖9 不同諧波次數(shù)激勵(lì)下材料的磁特性Fig.9 Magnetic properties of materials under excitation of different harmonic orders

從圖9中可看出，無論是注入三次諧波還是五次諧波，材料所體現(xiàn)出的磁特性與正弦激勵(lì)下有一定的區(qū)別。在基波疊加三次諧波后，在原有的主磁滯回環(huán)中會(huì)出現(xiàn)一對關(guān)于原點(diǎn)對稱的小磁滯回環(huán)，而五次諧波疊加下則會(huì)出現(xiàn)兩對小磁滯回環(huán)，且其分別關(guān)于原點(diǎn)對稱。這是由于當(dāng)疊加諧波后，B矢量波形不再是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形，會(huì)在某些時(shí)刻出現(xiàn)磁通翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，此時(shí)在主磁滯回線上會(huì)有逆向變化，因此在內(nèi)部形成小環(huán)。如圖9(a)所示，在三次諧波疊加下，B矢量波形會(huì)出現(xiàn)兩次磁通翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這與磁滯回線中兩個(gè)小環(huán)恰好相對應(yīng)。實(shí)際中，小環(huán)的形成除了與磁通翻轉(zhuǎn)有關(guān)，也與諧波含量和諧波相角有一定的關(guān)系，當(dāng)諧波含量較小或在某一個(gè)相差下時(shí)，沒有達(dá)到可形成磁通翻轉(zhuǎn)的臨界值，此時(shí)主磁滯回線上雖有逆向變化的趨勢，但并不能形成完整的小環(huán)。

3.2.2 諧波含量對材料磁特性的影響

實(shí)驗(yàn)中設(shè)定諧波次數(shù)和諧波相角不變，通過改變LabVIEW程序中諧波含量控件來對材料進(jìn)行不同諧波含量下的磁特性測量實(shí)驗(yàn)。取諧波次數(shù)為三次，基波頻率30 Hz，幅值為0.2 T，相角180°，不同諧波含量激勵(lì)下材料的磁特性如圖10所示。

圖10 不同諧波含量激勵(lì)下材料的磁特性Fig.10 Magnetic properties of materials under excitation of different harmonic content

從圖10中可看出，當(dāng)諧波含量變化時(shí)，主磁滯回線中小環(huán)也有所變化。當(dāng)諧波含量逐漸從0%增加到100%時(shí)，小環(huán)的面積也將逐漸增大，這是由諧波含量增加使得磁通翻轉(zhuǎn)位置處B矢量波形峰值變大而導(dǎo)致的，此時(shí)材料的磁心損耗也將隨之變大。

3.2.3 諧波相角對材料磁特性的影響

實(shí)驗(yàn)中設(shè)定諧波的次數(shù)和含量恒定，通過改變諧波與基波的相差來對比材料磁特性差異。取諧波次數(shù)為三次，基波頻率30 Hz，幅值0.2 T，諧波含量50%，不同諧波相角下材料的磁特性如圖11所示。

圖11 不同諧波相差激勵(lì)下材料的磁特性Fig.11 Magnetic properties of materials under different harmonic phase difference excitation

在諧波相角為0°時(shí)，主磁滯回環(huán)中兩個(gè)小環(huán)位于整個(gè)環(huán)的中心位置，且所圍面積最小。隨著諧波與基波相差的增大，兩小環(huán)逐漸向主磁滯回環(huán)的兩個(gè)尖端移動(dòng)，當(dāng)相差為180°時(shí)，兩環(huán)恰好移動(dòng)到尖端位置處，當(dāng)相差進(jìn)一步增大時(shí)，兩小環(huán)又逐漸從主磁滯回環(huán)尖端移向中心位置處，即當(dāng)諧波與基波相差在0°～360°變化時(shí)，兩個(gè)小環(huán)將圍繞主磁滯回環(huán)旋轉(zhuǎn)一周后回到原始位置處，在旋轉(zhuǎn)過程中兩小環(huán)時(shí)刻關(guān)于原點(diǎn)對稱。這是由于當(dāng)諧波與基波進(jìn)行疊加時(shí)，疊加后的波形磁通翻轉(zhuǎn)的位置會(huì)隨著相差的變化而變化，因此會(huì)對小環(huán)的位置產(chǎn)生一定的影響。此外，隨著諧波與基波相差的增加，小環(huán)的面積呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在180°時(shí)小環(huán)的面積達(dá)到最大值，這會(huì)對樣品的磁心損耗有一定的影響，詳細(xì)分析將在下文中呈現(xiàn)。

3.2.4 諧波加載下軟磁復(fù)合材料的損耗特性分析

為進(jìn)一步定量分析不同諧波狀態(tài)下材料的磁特性，分別計(jì)算了不同情況下的磁心損耗并繪制成三維曲面圖。圖12中從上到下分別為z軸向施加五次諧波、z軸向施加三次諧波、x軸向施加五次諧波和x軸向施加三次諧波所對應(yīng)的損耗?？梢钥闯?，當(dāng)施加激勵(lì)軸向、諧波次數(shù)、諧波含量以及諧波相角改變時(shí)都會(huì)對磁心損耗有一定的影響，為更加直觀地分析獨(dú)立變量下材料的損耗特性，分別繪制了單一變量下材料的損耗曲線，如圖13所示。

圖12 諧波激勵(lì)下的損耗特性Fig.12 Loss characteristics under harmonic excitation

圖13 單變量諧波激勵(lì)下?lián)p耗特性曲線Fig.13 Loss characteristic curve under single variable harmonic excitation

如圖13(a)所示，將基波與諧波的相差設(shè)定為0°，對x方向施加諧波激勵(lì)，對比不同諧波次數(shù)和含量對材料損耗特性的影響。可以看出，在疊加三次諧波或五次諧波后，材料的磁心損耗都會(huì)隨著諧波含量的變大而增加，這是由于在疊加諧波后，磁通翻轉(zhuǎn)處的B矢量峰值隨含量的增加而變大，從而增大了材料的磁心損耗。此外，在各個(gè)諧波含量下疊加五次諧波產(chǎn)生的磁心損耗都要大于疊加三次諧波，且隨著諧波含量增加，二者的損耗差也將逐漸增大，這可能是由于五次諧波加載下所產(chǎn)生的磁通翻轉(zhuǎn)次數(shù)要多于三次諧波加載，因此導(dǎo)致了損耗的增加。

圖13(b)為在不同軸向施加諧波激勵(lì)下材料的損耗特性曲線，由于x和y兩方向磁特性大致相同，所以只對比了x方向和z方向的損耗特性。當(dāng)固定諧波次數(shù)和諧波相角后，可以看出無論是x軸向還是z軸向，磁心損耗都將隨著諧波含量的增加而變大，而整體上看z軸向的損耗在任意諧波含量下都要大于x軸向，且隨著含量的增加，二者的損耗差值也將不斷增大，體現(xiàn)了軟磁復(fù)合材料輕微的各向異性特征，這與正弦激勵(lì)下實(shí)驗(yàn)所得出的結(jié)論相一致。

圖13(c)為不同諧波相角差下的損耗特性曲線，隨著基波與諧波相差的增大，樣品的損耗呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，最低點(diǎn)出現(xiàn)在相差為180°的情況下，此時(shí)基波與諧波疊加后的波形為平頂波且幅值最小，因此損耗最小。對比不同諧波次數(shù)下材料損耗特性受相位差的影響，疊加五次諧波后所受到相位差影響要遠(yuǎn)小于疊加三次諧波，這是由于在五次諧波加載下，相差為180°時(shí)磁通翻轉(zhuǎn)處B矢量幅值的變化程度要小于三次諧波，因此不同諧波相角下的磁心損耗相差不大。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型霍爾-線圈復(fù)合式傳感結(jié)構(gòu)，其通過元件自身的動(dòng)態(tài)偏移特性消除了由溫度變化、外界應(yīng)力等因素而造成的電壓偏移，提高了測量的精確性，為精確模擬材料的磁滯特性和損耗特性奠定基礎(chǔ)。

測量了正弦激勵(lì)下三軸向材料的磁特性，對比分析了軟磁復(fù)合材料樣品實(shí)驗(yàn)中所顯現(xiàn)出的輕微各向異性特征；研究了不同諧波次數(shù)、含量以及諧波相差激勵(lì)下軟磁復(fù)合材料的磁滯特性，并計(jì)算了相應(yīng)的損耗，指出了諧波激磁下軟磁復(fù)合材料的損耗特點(diǎn)和變化趨勢。