마그네틱 부품 특성
출처: 알리 바지, 코네티컷 대학교 전기 공학학과, 스토스, CT.
이 실험의 목적은 설계 및 재료 관점에서 다른 자기 구성 요소로 실습 경험을 달성하는 것입니다. 이 실험은 알 수 없는 설계 요소를 식별하여 자기 물질 및 인덕터 설계의 B-H 곡선을 다룹니다. 인덕터…
1. 상대적 투과성 식별
절차를 따라 작은 인덕터 (노란색 / 흰색 페릿 코어)의 상대적 투과성을 찾습니다. 코어 치수는 도 2에 표시되며 회전 수는 N=75입니다.
- LCR 미터를 사용하여 120Hz와 1000Hz 모두에서 인덕터의 유도를 측정합니다.
- 프로토 보드에서 도 1에서 회로를 구축하지만, 프로토 보드에서 분리 기능 생성기 출력을 유지합니다.
- 채널 1에 연결된 전류 프로브와 채널 2에 연결된 전압 프로브를 통해 오프셋이 없는 차동 전압 프로브와 전류 프로브를 확인합니다.
- 프로브 자체및 범위에 대한 차동 프로브의 배율 조정 계수에 유의하십시오. 더 나은 해상도를 위해 차동 프로브를 1/20으로 설정합니다.
- 프로브 자체에 현재 프로브를 100mV/A로 설정하고 범위에서 1X로 설정합니다. 계산을 수행할 때 이러한 배율 조정 요소를 사용해야 합니다.
- 기능 생성기 출력(50 Ω BNC 출력 커넥터)를 10V 피크와 1000Hz 시동성 파형으로 설정합니다. 차동 전압 프로브를 사용하여 파형을 관찰한다.
- 연결이 끊어진 경우에도 함수 생성기를 켜두지만 터미널을 단락하지 마십시오. 함수 생성기를 끄면 많은 설정이 재설정됩니다.
- 전류 및 전압 프로브를 연결하여 vC및 i를측정합니다.
- 회로가 원하는대로 유지되고 모든 연결이 유지관리되는지 확인합니다.
- 함수 생성기를 회로에 연결합니다.
- 측정된 신호의 피크 또는 RMS 값 외에 적어도 3개의 기간이 표시된 측정된 전류 및 전압의 스크린샷을 찍습니다.
- 범위의 "디스플레이" 메뉴에서 디스플레이 형식을 "YT"에서 "XY"로 변경합니다.
- 곡선이 스코프 스크린에 맞을 때까지 채널 1 및 채널 2 수직 조정 노브를 조정하여 B-H 곡선을 관찰합니다.
- 곡선을 원더볼 수 있도록 1 또는 2s의 설정에서 디스플레이 메뉴에서 "지속" 옵션을 사용합니다.
- 측정된 B-H 곡선의 스크린샷을 찍습니다.
- 함수 생성기 주파수를 120Hz로 조정하고 필요에 따라 곡선 설정을 조정한 후 B-H 곡선 스크린샷을 다시 수행합니다.
- 함수 생성기를 분리하고 인덕터를 제거합니다. 회로의 나머지 부분을 그대로 유지합니다.
그림 2: 작은 인덕터 코어의 치수입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
2. 회전 수 식별
더 큰 검은 색 인덕터 (Bourns 1140-472K-RC)는 회전의 알 수없는 수를 가지고있다. 계산을 단순화하려면 코어를 반경이 1.5cm, 길이 2.5cm의 모든 공기 코어 솔레노이드로 가정합니다. 이 가정을 취하지 않으면 코어의 형상을 고려해야 하며 계산이 복잡해집니다. 그러나, 이 가정은 솔레노이드를 사용하면 플럭스가 장치의 양쪽에 공기를 통과해야 하며 공기가 지배적인 플럭스 경로 매체라는 점을 감안할 때 여전히 합리적이다.
- LCR 미터를 사용하여 제공된 인덕터의 인덕터를 120Hz와 1000Hz 모두에서 측정합니다.
- 도 1에 표시된 회로에 인덕터를 배치하여 실험의 이전 부분에서 온전해야 합니다.
- 채널 1에 연결된 전류 프로브와 채널 2에 연결된 전압 프로브를 통해 오프셋이 없는 차동 전압 프로브와 전류 프로브를 확인합니다.
- 프로브 자체및 범위에 대한 차동 프로브의 배율 조정 계수에 유의하십시오. 더 나은 해상도를 위해 차동 프로브를 1/20으로 설정합니다.
- 프로브 자체에 현재 프로브를 100mV/A로 설정하고 범위에서 1X로 설정합니다. 추가 분석을 위해 측정 또는 데이터 캡처를 사용하여 계산을 수행할 때 이러한 배율 조정 요소를 사용해야 합니다.
- 기능 생성기 출력(50 Ω BNC 출력 커넥터)를 10V 피크와 1000Hz 시동성 파형으로 설정합니다. 차동 전압 프로브를 사용하여 파형을 관찰한다.
- 연결이 끊어진 경우에도 함수 생성기를 켜두지만 터미널을 단락하지 마십시오. 함수 생성기를 끄면 많은 설정이 재설정됩니다.
- 전류 및 전압 프로브를 연결하여 vC및 i를측정합니다.
- 회로를 확인하고 연결이 원하는대로 있는지 확인합니다.
- 함수 생성기를 회로에 연결합니다.
- 측정된 신호의 피크 또는 RMS 값 외에 적어도 3개의 기간이 표시된 측정된 전류 및 전압의 스크린샷을 찍습니다.
- 범위의 "디스플레이" 메뉴에서 디스플레이 형식을 "YT"에서 "XY"로 변경합니다.
- 곡선이 스코프 스크린에 맞을 때까지 채널 1 및 채널 2 수직 조정 노브를 조정하여 B-H 곡선을 관찰합니다.
- 곡선을 원더볼 수 있도록 1 또는 2s의 설정에서 디스플레이 메뉴에서 "지속" 옵션을 사용합니다.
- 측정된 B-H 곡선의 스크린샷을 찍습니다.
- 함수 생성기 주파수를 120Hz로 조정하고 필요에 따라 곡선 설정을 조정한 후 B-H 곡선 스크린샷을 다시 수행합니다.
- 함수 생성기를 끄고 회로를 분해합니다.
60Hz 변압기의 3.B-H 곡선
이 데모에 사용되는 변압기는 115 V RMS에서 24V RMS로 단계아래로 단계이지만 이 실험에서 B-H 곡선 특성화에만 사용할 수 있으므로 120V RMS 단자만 사용됩니다. 변압기 치수는 도 3에 표시됩니다.
- LCR 미터를 사용하여 120Hz에서 115 V 측 권선(정격 60Hz에 가깝음)의 인덕팅을 측정합니다.
- 3단계 분리 스위치가 꺼져 있는지 확인합니다.
- 3상 케이블을 VARIAC에 연결합니다.
- 도 4에 표시된 회로를 구축합니다. 변압기가 프로토 보드 의 측면에 앉아 있다. 바나나 케이블을 사용하여 VARIAC에서 프로토 보드에 AC1과 N을 연결합니다.
- VARIAC가 0%로 설정되어 있는지 확인합니다.
- 채널 1에 연결된 전류 프로브와 채널 2에 연결된 전압 프로브를 통해 오프셋이 없는 차동 전압 프로브와 전류 프로브를 확인합니다.
- 프로브 자체및 범위에 대한 차동 프로브의 배율 조정 계수에 유의하십시오. 차동 프로브 스케일링을 1/200으로 설정합니다.
- 프로브 자체에 현재 프로브를 100mV/A로 설정하고 범위에서 1X로 설정합니다. 계산을 수행할 때 이러한 배율 조정 요소를 사용해야 합니다.
- 전류 및 전압 프로브를 연결하여 vC및 i를측정합니다.
- 회로를 확인합니다.
- 3단계 분리 스위치를 켜고 90%에 도달할 때까지 VARIAC를 천천히 조정합니다.
- 측정된 신호의 피크 또는 RMS 값 외에 적어도 3개의 기간이 표시된 측정된 전류 및 전압의 스크린샷을 찍습니다.
- 범위의 "디스플레이" 메뉴에서 디스플레이 형식을 "YT"에서 "XY"로 변경합니다.
- 곡선이 스코프 스크린에 맞을 때까지 채널 1 및 채널 2 수직 조정 노브를 조정하여 B-H 곡선을 관찰합니다.
- 곡선을 원더볼 수 있도록 1 또는 2s의 설정에서 디스플레이 메뉴에서 "지속" 옵션을 사용합니다.
- 측정된 B-H 곡선의 스크린샷을 찍습니다.
- VARIAC를 0으로 복원하고 분리 스위치를 끄고 회로를 분해합니다.
그림 3: 변압기 코어의 치수입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
인덕터 또는 변압기와 같은 자기 요소는 코일 내부의 코어를 형성하는 자성 재료에 따라 달라지는 특성적인 특성을 가지고 있습니다. 인덕터 또는 변압기 코일에 전류가 흐르면 자기장이 생성됩니다. 투과성이라고 하는 자기장을 유지하는 코어 물질의 능력은 자력이라고 하는 자기장의 강도를 결정합니다. 그런 다음 자화력은 인덕터 코어에 자속을 생성합니다. 인덕터와 변압기에서 자화력과 자속 밀도 사이의 관계는 단면적을 통한 자속으로 정의되며 BH 곡선을 사용하여 분석할 수 있습니다. B-H 곡선은 코어 재료를 설명하고 자기 포화 한계를 식별합니다. 이것은 권선을 통한 추가 전류가 더 이상 자속을 증가시키지 않을 때 발생합니다. 이 비디오는 인덕터 및 변압기의 BH 곡선 측정과 코어 재료 및 인덕터 권선의 특성화를 보여줍니다.
B-H 곡선은 자속 밀도 B와 자기장 강도 H 사이의 관계를 보여줍니다. 처음에는 자기장 강도가 증가함에 따라 자속 밀도도 특정 최대값까지 증가합니다. 이 시점 이후에는 자기장 강도가 증가해도 자속 밀도가 크게 증가하지 않으며 재료는 포화 상태로 간주됩니다. 실제 자성 재료는 재료가 양의 방향과 음의 방향으로 교대로 자화되기 때문에 히스테리시스를 나타냅니다. 이것은 자기장 강도가 다시 0으로 감소함에 따라 일부 잔류 자기가 남는다는 것을 의미합니다. B-H 곡선 내부 영역은 재료가 양의 방향과 음의 방향으로 자화됨에 따라 에너지 손실에 비례합니다. 강철과 같이 히스테리시스 손실이 낮은 재료는 이러한 특성으로 인해 변압기 코어에 일반적으로 사용됩니다. B-H 곡선은 자기장 강도에 대한 자속 밀도의 비율로 계산되는 재료의 투과성을 설명하는 데에도 사용할 수 있습니다. 그것은 종종 여유 공간의 투과성과 관련이 있으므로 상대 투과성이라고 합니다. 나무와 같이 자기 감수성이 매우 낮은 재료는 상대 투과성이 낮습니다. 철과 같이 높은 자기 감수성을 가진 물질은 높은 상대 투과성을 갖습니다. B-H 곡선을 만들려면 먼저 플럭스 밀도 B를 결정해야 합니다. 이를 위해 변화의 플럭스 속도가 측정되며, 이는 패러데이의 법칙을 사용하여 코일 양단의 전압에 상대적입니다. 이것은 코일과 병렬로 간단한 RC 회로를 사용하여 식별할 수 있습니다. 이러한 계산에 대한 자세한 내용은 텍스트 프로토콜을 참조하십시오. 자기장 강도 또는 H는 암페어의 법칙과 측정 가능한 변수, 코일의 전류, 권선 회전 수 및 코어의 평균 길이를 사용하여 찾을 수 있습니다. 재료의 BH 곡선은 전류 및 요소 전체의 전압 적분 측정에서 추정 할 수 있습니다. 요소의 회전 수와 치수도 알고 있으면 실제 수량으로 확장할 수 있습니다. 이제 상대 투과성을 측정하고 BH 곡선을 계산하는 방법을 보여드리겠습니다.
이 실험에서는 페라이트 코어가 있는 작은 인덕터, 권선 수를 알 수 없는 더 큰 검은색 인덕터, 60Hz 변압기의 세 가지 자기 구성 요소를 측정합니다. 그림과 같은 치수와 권선 회전 수가 75인 작은 인덕터로 시작합니다. 먼저 LCR 미터를 사용하여 120 및 1,000Hz에서 인덕터의 인덕턴스를 측정합니다. 둘째, 그림과 같이 회로를 구축하여 함수 발생기 출력을 50옴으로 유지하고 BNC 커넥터 케이블을 분리합니다. 다음으로, 차동 전압 및 전류 프로브를 연결하고 오프셋이 없는지 확인합니다. 더 나은 해상도를 위해 차동 프로브를 120도로 설정하십시오. 마지막으로 전류 프로브를 프로브에서 암페어당 100밀리볼트로 설정하고 스코프에서 1x로 설정합니다. 그리고 나중에 계산할 수 있도록 이러한 배율 인수를 기록해 둡니다. 함수 생성기 출력을 10V 피크를 갖는 1,000Hz 사인 소토 파형으로 설정합니다. VC 및 I를 측정하고 함수 발생기를 연결하고 모든 회로 연결이 그림과 같은지 확인합니다. 그런 다음 측정된 전류와 전압을 기록합니다. 마지막으로 오실로스코프 표시 형식을 yt에서 xy로 변경하여 BH 곡선을 표시합니다. 곡선이 스코프 화면에 맞을 때까지 채널 1 및 채널 2 수직 조정 노브를 조정합니다. 다음으로, 디스플레이에 대한 persist 옵션을 설정하여 곡선을 안정화합니다. 그런 다음 곡선의 스크린샷을 찍습니다. 마지막으로 함수 발생기 주파수를 120Hz로 조정하고 필요에 따라 곡선 설정을 조정한 후 BH 곡선 스크린샷을 다시 찍습니다. 마지막으로 함수 발생기를 분리하고 인덕터를 제거합니다. 회로의 나머지 부분을 그대로 유지하십시오.
더 큰 인덕터의 회전 수를 결정하기 위해 먼저 BH 곡선을 측정해 보겠습니다. 계산을 단순화하기 위해 코어가 모든 공기 코어라고 가정합니다. 먼저 LCR 미터를 사용하여 120 및 1,000Hz에서 인덕터의 인덕턴스를 측정합니다. 그런 다음 인덕터를 RC 회로에 배치합니다. 작은 인덕터에 대해 설명된 것과 동일한 절차를 사용하여 더 큰 인덕터에 대한 BH 곡선을 측정합니다. 측정된 전류와 전압을 관찰하고 기록합니다. B-H 곡선을 표시합니다. 함수 발생기 주파수를 120Hz로 조정하고 필요에 따라 곡선 설정을 조정합니다.
단상 변압기는 자기 코어로 연결된 두 개의 권선으로 구성됩니다. 여기에서 60Hz 변압기에 대한 BH 곡선을 측정합니다. LCR 미터를 사용하여 120Hz에서 115볼트 측 권선의 인덕턴스를 측정합니다. 그런 다음 바나나 케이블을 사용하여 프로토보드 회로를 통해 variac에서 변압기 1차측으로 AC1 및 N을 연결하여 회로를 조립합니다. 스케일링 계수와 함수 생성기 파라미터를 앞에서 설명한 대로 조정합니다. variac을 90%로 하여 전류와 전압을 측정합니다. 그런 다음 BH 곡선을 표시하고 기록합니다.
코일의 회전 수, 평균 코어 길이 및 단면적을 알고 있으면 코일의 인덕턴스를 직접 측정하고 상대 투자율을 계산할 수 있습니다. 또는 측정된 BH 곡선을 사용하여 요소의 상대 투과성을 결정한 다음 코일의 회전 수를 계산할 수 있습니다. B-H 곡선의 선형 영역에서, 상대 투과성은 기울기에서 찾을 수 있습니다. 상대 투과성을 사용하고 인덕턴스와 코어 치수를 알고 있다고 가정하면 다음 관계를 사용하여 회전 수를 쉽게 계산할 수 있습니다.
인덕터 및 변압기와 같은 기타 전자기 장치는 많은 전기, 전자 및 기계 시스템에서 일반적입니다. 전력망은 송전선을 통해 고전압 전기를 장거리로 분배하여 소비자에게 전기를 공급합니다. 에너지 손실을 보상하기 위해 장거리에서 고전압이 필요합니다. 변압기는 전력선을 따라 사용되어 더 높은 전송 전압을 배전소 및 최종 사용자 공급에 필요한 더 낮은 수준으로 낮추는 데 사용됩니다. 변압기는 전자기 유도를 통해 에너지를 전달하여 AC 전압의 제어된 강압을 가능하게 합니다. 그들은 일반적으로 강철의 높은 자기 포화점 때문에 강철 코어로 설계되었습니다. 고정자 자석은 회전자에 회전 자기장을 유도하여 회전자를 회전시킵니다. 실질적으로 고정자는 변압기의 1차 권선이고 다람쥐 케이지는 2차 권선입니다. AC 유도 전동기는 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 모터는 외부 고정 권선 자석과 회전자의 내부 강자성 코어로 구성됩니다. 전형적으로, 다람쥐 케이지를 형성하는 전도성 막대의 원통형 배열.
방금 JoVE의 Introduction to the Characterization of Magnetic Components를 시청하셨습니다. 이제 인덕터와 변압기의 B-H 곡선을 측정하는 동시에 상대 투과성 및 턴 수와 같은 알려지지 않은 설계 요소를 식별하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
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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.