Karakterisering van magnetische componenten
Bron: Ali Bazzi, Afdeling Elektrotechniek, Universiteit van Connecticut, Storrs, CT.
Het doel van dit experiment is om praktische ervaring op te doen…
1. Relatieve permeabiliteit identificatie
Volg de procedure om de relatieve permeabiliteit van de kleine inductor (gele/witte ferrietkern) te bepalen. De kernafmetingen worden getoond in Fig. 2, en het aantal windingen is N=75.
- Gebruik een LCR-meter om de inductantie van de inductor te meten bij zowel 120 Hz als 1000 Hz.
- Bouw het circuit in Fig. 1 op een protoboard, maar houd de uitgang van de functiegenerator los van het protoboard.
- Controleer een differentiële spanningssonde en een stroomsensor op offsetwaarden met de stroomsensor aangesloten op kanaal 1 en de spanningssonde aangesloten op kanaal 2.
- Noteer de schaalfactoren voor de differentiële sonde op de sonde zelf en op de oscilloscoop. Zet de differentiële sonde op 1/20 voor een betere resolutie.
- Stel de stroomsensor in op 100 mV/A op de sensor zelf en 1X op de oscilloscoop. Onthoud dat deze schaalfactoren moeten worden gebruikt bij berekeningen.
- Stel de uitgang van de functiegenerator (50 Ω BNC-uitgangsconnector) in op 10 V piek en 1000 Hz sinusvormige golfvorm. Observeer de golfvorm met behulp van de differentiële spanningssonde.
- Laat de functiegenerator aan staan, zelfs als deze losgekoppeld is, maar vermijd het kortsluiten van de aansluitingen. Het uitschakelen van de functiegenerator reset veel instellingen.
- Sluit de stroom- en spanningssondes aan om vC en i te meten.
- Controleer of de circuit zoals gewenst is en of alle verbindingen correct zijn.
- Sluit de functiegenerator aan op het circuit.
- Neem een screenshot van de gemeten stroom en spanning met minimaal drie perioden, naast de piek- of RMS-waarden van de gemeten signalen.
- Verander vanuit het "Weergave" menu op de oscilloscoop het weergaveformaat van "YT" naar "XY".
- Observeer de B-H-curve door de verticale afstelknoppen van kanaal 1 en kanaal 2 aan te passen tot de curve op het scherm van de oscilloscoop past.
- Gebruik de "persist" optie in het weergavemenu met een instelling van 1 of 2 s om een stabielere curve te zien.
- Neem een screenshot van de gemeten B-H-curve.
- Stel de frequentie van de functiegenerator in op 120 Hz en neem de B-H-curve screenshot opnieuw na het aanpassen van de curve-instellingen indien nodig.
- Ontkoppel de functiegenerator en verwijder de inductor. Laat de rest van het circuit intact.
Figuur 2: Afmetingen van de kleinere inductorkern. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
2. Identificatie van het aantal windingen
De grotere zwarte inductor (Bourns 1140-472K-RC) heeft een onbekend aantal windingen. Om de berekeningen te vereenvoudigen, veronderstel dat de kern een geheel luchtkern-solenaoïde is met een straal van 1,5 cm en een lengte van 2,5 cm. Als deze veronderstelling niet wordt genomen, moet de geometrie van de kern worden overwogen en zullen de berekeningen gecompliceerd worden. Deze veronderstelling is echter redelijk omdat bij een solenaoïde het flux door lucht aan beide zijden van het apparaat moet gaan en lucht de dominante fluxbaan is.
- Gebruik de LCR-meter om de inductantie van de geleverde inductor te meten bij zowel 120 Hz als 1000 Hz.
- Plaats de inductor in het circuit zoals getoond in Fig. 1, dat nog intact zou moeten zijn van het vorige deel van het experiment.
- Controleer een differentiële spanningssonde en een stroomsensor op offsetwaarden met de stroomsensor aangesloten op kanaal 1 en de spanningssonde aangesloten op kanaal 2.
- Noteer de schaalfactoren voor de differentiële sonde op de sonde zelf en op de oscilloscoop. Zet de differentiële sonde op 1/20 voor een betere resolutie.
- Stel de stroomsensor in op 100 mV/A op de sensor zelf en 1X op de oscilloscoop. Onthoud dat deze schaalfactoren moeten worden gebruikt bij berekeningen die gebruik maken van eventuele metingen of gegevensopnamen voor verdere analyse.
- Stel de uitgang van de functiegenerator (50 Ω BNC-uitgangsconnector) in op 10 V piek en 1000 Hz sinusvormige golfvorm. Observeer de golfvorm met behulp van de differentiële spanningssonde.
- Laat de functiegenerator aan staan, zelfs als deze losgekoppeld is, maar vermijd het kortsluiten van de aansluitingen. Het uitschakelen van de functiegenerator reset veel instellingen.
- Sluit de stroom- en spanningssondes aan om vC en i te meten.
- Controleer het circuit en zorg ervoor dat de verbindingen zoals gewenst zijn.
- Sluit de functiegenerator aan op het circuit.
- Neem een screenshot van de gemeten stroom en spanning met minimaal drie perioden, naast de piek- of RMS-waarden van de gemeten signalen.
- Verander vanuit het "display" menu op de oscilloscoop het weergaveformaat van "YT" naar "XY".
- Observeer de B-H-curve door de verticale afstelknoppen van kanaal 1 en kanaal 2 aan te passen tot de curve op het
Magnetische elementen, zoals inductoren of transformatoren, hebben karakteristieke eigenschappen die afhankelijk zijn van het magnetische materiaal dat de kern vormt binnen de spoel. Wanneer er stroom door een inductor of transformatorspoel stroomt, creëert dit een magnetisch veld. Het vermogen van het kernmateriaal om het magnetische veld vast te houden, genoemd zijn permeabiliteit, bepaalt de sterkte van het veld, genoemd zijn magnetiseringskracht. De magnetiseringskracht produceert vervolgens magnetische flux in de inductorkern. Bij inductoren en transformatoren wordt de relatie tussen magnetiseringskracht en fluxdichtheid gedefinieerd als de magnetische flux door een dwarsdoorsnede en kan worden geanalyseerd met behulp van een B-H-curve. De B-H-curve beschrijft het kernmateriaal en identificeert de magnetische verzadigingsgrens. Dit gebeurt wanneer extra stroom door de wikkelingen geen toename van magnetische flux meer veroorzaakt. Deze video illustreert de meting van BH-curven voor inductoren en transformatoren en de karakterisering van het kernmateriaal en de inductorwikkelingen.
Een B-H-curve toont de relatie tussen magnetische fluxdichtheid, B, en magnetische veldsterkte, H. Aanvankelijk neemt, als de magnetische veldsterkte wordt verhoogd, de fluxdichtheid ook toe tot een bepaalde maximale waarde. Na dit punt resulteert elke toename van de magnetische veldsterkte in geen significante toename van de magnetische fluxdichtheid en wordt het materiaal als verzadigd beschouwd. Echte magnetische materialen vertonen hysterese omdat het materiaal afwisselend in positieve en negatieve richting wordt gemagnetiseerd. Dit impliceert dat wanneer de magnetische veldsterkte weer teruggebracht wordt naar nul, enige restmagnetisme achterblijft. Het gebied binnen de B-H-curve is evenredig met het energieverlies wanneer het materiaal in positieve en negatieve richting wordt gemagnetiseerd. Een materiaal met minder hysterese-verlies, zoals staal, wordt vanwege deze eigenschap vaak gebruikt in transformatorkernen. De B-H-curve kan ook worden gebruikt om de permeabiliteit van een materiaal te beschrijven, berekend als de verhouding van magnetische fluxdichtheid tot magnetische veldsterkte. Het wordt vaak in verband gebracht met de permeabiliteit van de vrije ruimte en wordt daarom relatieve permeabiliteit genoemd. Materialen met zeer lage magnetische susceptibiliteit, zoals hout, hebben een lage relatieve permeabiliteit. Terwijl materialen met hoge magnetische susceptibiliteit, zoals ijzer, een hoge relatieve permeabiliteit hebben. Om een B-H-curve te creëren, moet eerst de fluxdichtheid, B, worden bepaald. Hiervoor wordt de fluxveranderingssnelheid gemeten, die relatief is ten opzichte van de spanning over de spoel volgens de Wet van Faraday. Dit kan worden geïdentificeerd met behulp van een eenvoudige RC-circuit in parallel met de spoel. Raadpleeg het tekstprotocol voor meer gedetailleerde informatie over deze berekeningen. De magnetische veldsterkte, of H, kan worden gevonden met behulp van de Wet van Ampère en meetbare variabelen, de stroom in de spoel, het aantal wikkelingsomwentelingen en de gemiddelde lengte van de kern. De B-H-curve van een materiaal kan worden geschat aan de hand van metingen van stroom en het tijdsintegraal van de spanning over het element. Wanneer het aantal omwentelingen en de afmetingen van de elementen ook bekend zijn, kunnen deze worden geschaald naar werkelijke hoeveelheden. Laten we nu demonstreren hoe relatieve permeabiliteit wordt gemeten en B-H-curven worden berekend.
In deze experimenten worden drie magnetische componenten gemeten, een kleine inductor met een ferrietkeern, een grotere zwarte inductor met een onbekend aantal windingen en een 60 Hz-transformator. Begin met de kleine inductor met de afmetingen zoals getoond, en een aantal windingen van 75. Meet eerst de inductantie van de inductor bij 120 en 1.000 Hz met behulp van een LCR-meter. Ten tweede, bouw de circuit zoals getoond, houd de uitgang van de functiegenerator op 50 ohm en de BNC-connectorkabel losgekoppeld. Verbind vervolgens de differentiële spannings- en stroomklemmen en controleer of er geen offset is. Stel de differentiële sonde in op 120 voor een betere resolutie. Stel ten slotte de stroom sonde in op 100 millivolt per ampère op de sonde en 1x op de oscilloscoop. Noteer deze schaalfactoren voor latere berekeningen. Stel de uitgang van de functiegenerator in op een 1.000 Hz sinusgolfvorm met een piek van 10 volt. Meet VC en I, sluit de functiegenerator aan en controleer of alle circuitverbindingen zijn zoals getoond. Noteer vervolgens de gemeten stroom en spanning. Wijzig ten slotte het weergaveformaat van de oscilloscoop van yt naar xy om de B-H-curve weer te geven. Pas de verticale aanpassingsknoppen van kanaal een en kanaal twee aan tot de curve past op het scherm van de oscilloscoop. Stabiliseer vervolgens de curve door de persist-optie voor de weergave in te stellen. Neem vervolgens een screenshot van de curve. Pas ten slotte de frequentie van de functiegenerator aan op 120 Hz en maak na het aanpassen van de curve-instellingen opnieuw een screenshot van de B-H-curve. Koppel ten slotte de functiegenerator los en verwijder de inductor. Houd de rest van het circuit intact.
Om het aantal windingen voor de grotere inductor te bepalen, meten we eerst zijn B-H-curve. Om de berekeningen te vereenvoudigen, veronderstel dat de kern een volledige luchtkern is. Meet eerst de inductantie van de inductor bij 120 en 1.000 Hz met behulp van de LCR-meter. Plaats vervolgens de inductor in de RC-circuit. Meet de B-H-curve voor de grotere inductor met behulp van dezelfde procedure die voor de kleine inductor is beschreven. Observeer en noteer de gemeten stroom en spanning. Toon de B-H-curve. Stel de frequentie van de functiegenerator in op 120 Hz en pas de curve-instellingen aan naar behoefte.
Eenfasige transformatoren bestaan uit twee windingen die gekoppeld zijn door een magnetische kern. Hier wordt de B-H-curve voor de 60 Hz-transformator gemeten. Meet met behulp van de LCR-meter de inductantie van de 115-volt zijwinding bij 120 Hz. Vervolgens assembleer je het circuit door AC1 en N van de variac aan te sluiten op de primaire zijde van de transformator via de protoboard-circuit met behulp van bananenkabels. Pas de schaalfactoren en functiegenerator
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
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.