ソース: アリ バッツィ、電気工学科大学コネチカット州ストーズ、ct 検査
この実験の目的は、デザインと素材の観点からさまざまな磁気コンポーネントの使用経験を達成するためにです。この実験は、磁性材料と不明な設計要因を識別してインダクタ設計の B-H 曲線をカバーしています。インダクタやトランスなどの…
1. 比透磁率の同定
小型のインダクタ (イエロー/ホワイト フェライトコア) 比透磁率を検索する手順に従います。コア寸法は、図 2 に示すように、ターン数はN= 75。

図 2: 小さいインダクタのコアの寸法します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
2. 回転数を識別します。
大きな黒いインダクタ (Bourns 1140 472 K RC) は回転数が不明。計算を簡素化するには、半径 1.5 cm と 2.5 cm の長さすべて空芯ソレノイドをコアを想定してください。この仮定が取られなかった場合コアのジオメトリは考慮する必要が、計算が複雑になります。しかし、この仮定はまだ合理的なことを考えると、ソレノイドのフラックスは、デバイスの両側に空気を通過して空気が支配的なフラックス パス中。
3 60 Hz トランスの B-H 曲線
トランス 24 V RMS、115 V RMS をこのデモの手順で使用されるが、この実験では B-H 曲線特性のためのみ使用できます、ため 120 V RMS 端末のみが使用されます。トランスの寸法は、図 3 のとおりです。

図 3: トランス コアの寸法します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 4: 60 Hz トランスの B-H 曲線を決定するための回路をテストします。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
インダクタやトランスなどの磁気要素は、コイル内部のコアを形成する磁性材料に依存する特性を持っています。インダクタやトランスコイルに電流が流れると、磁場が発生します。コア材料が磁場を保持する能力(透過性)は、磁化力と呼ばれる磁場の強度を決定します。次に、磁化力によってインダクタコアに磁束が生成されます。インダクタやトランスでは、磁化力と磁束密度の関係は断面積を通る磁束として定義され、B-H曲線を使用して分析できます。B-H曲線は、コア材料を表し、その磁気飽和限界を識別します。これは、巻線を流れる追加の電流が磁束を増加させなくなったときに発生します。このビデオでは、インダクタとトランスのBH曲線の測定と、コア材料とインダクタ巻線の特性評価について説明します。
A:B-H曲線は、磁束密度Bと磁界強度Hの関係を示しています。最初に、磁場強度が増加すると、磁束密度も特定の最大値まで増加します。この時点以降、磁場強度が増加しても磁束密度の大幅な増加はなく、材料は飽和していると見なされます。実際の磁性材料は、材料が正と負の方向に交互に磁化されるため、ヒステリシスを示します。これは、磁場強度がゼロに戻ると、残留磁気がいくらか残ることを意味します。B-H曲線の内側の面積は、材料が正と負の方向に磁化されるため、エネルギー損失に比例します。この特性により、鋼などのヒステリシス損失の少ない材料がトランスコアに一般的に使用されます。B-H曲線は、磁束密度と磁場強度の比として計算される材料の透磁率を表すためにも使用できます。これは多くの場合、自由空間の透過性に関連しているため、相対透過性と呼ばれます。木材のように磁化率が非常に低い材料は、比透磁率が低くなります。一方、鉄のように磁化率の高い材料は、比透磁率が高くなります。B-H曲線を作成するには、まず磁束密度Bを決定する必要があります。このために、ファラデーの法則を使用してコイルの両端の電圧に相対的な変化磁束率が測定されます。これは、コイルと並列に接続された単純なRC回路を使用して識別できます。これらの計算の詳細については、テキストプロトコルを参照してください。磁場強度(H)は、アンペアの法則と測定可能な変数、コイル内の電流、巻線の巻数、およびコアの平均長さを使用して見つけることができます。材料のB-H曲線は、電流の測定と要素全体の電圧の時間積分から推定できます。要素のターン数と寸法もわかっている場合は、これらを実際の量にスケーリングできます。それでは、相対透磁率の測定方法とB-H曲線の計算方法を示しましょう。
これらの実験では、フェライトコアを持つ小さなインダクタ、巻数が不明な大きな黒いインダクタ、60Hzのトランスの3つの磁気成分を測定します。図のような寸法の小さなインダクタから始め、巻線の回転数は75です。まず、LCRメータを使用して120Hzと1,000Hzでのインダクタンスを測定します。次に、図のように回路を構築し、関数発生器の出力を50Ωにし、BNCコネクタケーブルを切断します。次に、差動電圧プローブと差動電流プローブを接続し、オフセットがないことを確認します。差動プローブを120thに設定すると、分解能が向上します。最後に、電流プローブをプローブでアンペアあたり100ミリボルト、スコープで1xに設定します。また、これらのスケーリング係数は、後で計算するために注意してください。関数発生器の出力を、ピークが 10 ボルトの 1,000 Hz の正弦波に設定します。VCとIを測定し、ファンクションジェネレータを接続して、すべての回路接続が図の通りであることを確認します。次に、測定した電流と電圧を記録します。最後に、オシロスコープの表示形式をytからxyに変更して、B-H曲線を表示します。チャンネル1とチャンネル2の垂直調整ノブを、カーブがスコープスクリーンに合うまで調整します。次に、ディスプレイのpersistオプションを設定して曲線を安定させます。そして、曲線のスクリーンショットを撮ります。最後に、ファンクションジェネレータの周波数を120 Hzに調整し、必要に応じてカーブ設定を調整した後、BHカーブのスクリーンショットを撮り直します。最後に、ファンクションジェネレータを切断し、インダクタを取り外します。回路の残りの部分をそのままにしてください。
大きい方のインダクタの巻数を決定するために、まずそのB-H曲線を測定しましょう。計算を簡単にするために、コアが全気力コアであると仮定します。まず、LCRメータを使用して、120Hzと1,000Hzでのインダクタンスを測定します。次に、インダクタをRC回路に配置します。大きい方のインダクタのB-H曲線を、小さい方のインダクタの場合と同じ手順で測定します。測定した電流と電圧を観察し、記録します。B-H カーブを表示します。ファンクションジェネレータの周波数を120 Hzに調整し、必要に応じてカーブ設定を調整します。
単相変圧器は、磁気コアによって結合された2つの巻線で構成されています。ここでは、60HzトランスのB-H曲線を測定します。LCRメータを使用して、120Hzでの115ボルトの側巻線のインダクタンスを測定します。次に、バリアックからAC1とNをバナナケーブルを使用してプロトボード回路を介してトランスの1次側に接続して回路を組み立てます。スケーリング係数と関数ジェネレータのパラメータを前述のように調整します。バリアックを90%にして、電流と電圧を測定します。次に、B-Hカーブを表示して記録します。
コイルの巻数、平均コア長、断面積がわかっている場合は、コイルのインダクタンスを直接測定し、相対透磁率を計算できます。あるいは、測定されたB-H曲線を使用して、要素の相対透磁率を決定し、コイルの巻数を計算することもできます。B-H曲線の線形領域では、相対透磁率は傾きから求められます。相対透磁率を使用し、インダクタンスとコアの寸法がわかっていることを考えると、次の関係を使用して巻数を簡単に計算できます。
インダクタやトランスなどの電磁デバイスは、多くの電気、電子、機械システムで一般的です。電力網は、送電線を介して高電圧の電力を長距離に分配することにより、消費者に電力を供給します。エネルギー損失を補償するために、長距離にわたって高電圧が必要です。変圧器は、配電所やエンドユーザーの供給に必要な高い送電電圧を低いレベルに降圧するために、電力線に沿って使用されます。トランスは電磁誘導によってエネルギーを伝達し、AC電圧の制御された降圧を可能にします。それらは鋼鉄の高い磁気飽和点のために鋼鉄中心と一般に設計されている。固定子磁石は、回転子に回転磁場を誘導し、回転子を回転させます。事実上、固定子は変圧器の一次巻線であり、リスケージは二次巻線です。AC誘導電動機は、さまざまな用途で使用されています。モーターは、外側の固定巻線磁石とローターの内側の強磁性コアで構成されています。典型的には、リスケージを形成する導電性バーの円筒形の配置。
JoVEのIntroduction to the Characterization of Magnetic Componentsをご覧になりました。これで、インダクタとトランスのB-H曲線を測定する方法を理解しながら、相対透磁率や巻数などの未知の設計要素を特定する方法を理解する必要があります。ご覧いただきありがとうございます。
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Q1: What does a B-H curve tell you about magnetic material?
A B-H curve shows the relationship between magnetic flux density (B) and magnetic field strength (H) for a core material. It identifies the magnetic saturation limit, where additional current no longer increases magnetic flux. The curve also reveals hysteresis loss, which is the energy dissipated as the material is magnetized in positive and negative directions.
Q2: Why is steel commonly used in transformer cores?
Steel is preferred for transformer cores because it exhibits lower hysteresis loss compared to other magnetic materials. This property reduces energy dissipation during magnetization cycles. Steel also has a high magnetic saturation point, making it suitable for handling the magnetic flux demands in transformers used throughout power distribution systems.
Q3: How is relative permeability calculated from a B-H curve?
Relative permeability is calculated as the ratio of magnetic flux density to magnetic field strength. In the linear region of the B-H curve, relative permeability can be found directly from the slope. Once relative permeability is determined, it can be used to calculate unknown design factors like the number of turns in a coil when inductance and core dimensions are known.
Q4: What causes magnetic hysteresis in core materials?
Magnetic hysteresis occurs because residual magnetism remains in the material even after the magnetic field is reduced to zero. As the material is alternately magnetized in positive and negative directions, this residual magnetism creates a lag between applied field strength and resulting flux density. The area enclosed by the B-H curve is proportional to the energy lost during this cyclic magnetization process.
Q5: How do you measure magnetic flux density in an inductor or transformer?
Magnetic flux density is determined by measuring the flux rate of change using Faraday's Law, which relates it to the voltage across the coil. An RC circuit in parallel with the coil is used to measure this voltage. Combined with the number of winding turns and core dimensions, these measurements can be scaled to calculate actual flux density values for creating B-H curves.
Q6: What is magnetic saturation and why does it matter?
Magnetic saturation occurs when additional current through the windings no longer increases magnetic flux in the core. At this point, the material reaches its maximum flux density capacity. Understanding saturation limits is critical for inductor and transformer design, as exceeding saturation can cause core heating, reduced efficiency, and potential device failure in electrical systems.
Q7: How does permeability differ between materials like iron and wood?
Materials with high magnetic susceptibility, such as iron, have high relative permeability and strongly support magnetic field formation. Conversely, materials with low magnetic susceptibility, like wood, have low relative permeability and provide minimal magnetic field support. This difference determines how effectively a material can be used as a core in inductors and transformers.