Определение характеристик магнитных компонентов

Магнитные элементы, такие как катушки индуктивности или трансформаторы, обладают характерными свойствами, которые зависят от магнитного материала, из которого состоит сердечник внутри катушки. Когда ток протекает в катушке индуктивности или трансформатора, он создает магнитное поле. Способность материала сердечника удерживать магнитное поле, называемая его проницаемостью, определяет силу поля, называемую его силой намагничивания. Затем сила намагничивания создает магнитный поток в сердечнике индуктора. В катушках индуктивности и трансформаторах соотношение между силой намагничивания и плотностью потока определяется как магнитный поток через площадь поперечного сечения и может быть проанализировано с помощью кривой B-H. Кривая B-H описывает материал сердцевины и определяет предел ее магнитного насыщения. Это происходит, когда дополнительный ток через обмотки больше не увеличивает магнитный поток. В этом видеоролике показано измерение кривых BH для индукторов и трансформаторов, а также определение характеристик материала сердечника и обмоток индукторов.

Кривая B-H показывает взаимосвязь между плотностью магнитного потока, B, и напряженностью магнитного поля, H. Изначально, по мере увеличения напряженности магнитного поля, плотность потока также увеличивается до некоторого максимального значения. После этого любое увеличение напряженности магнитного поля не приводит к значительному увеличению плотности магнитного потока, и материал считается насыщенным. Реальные магнитные материалы проявляют гистерезис, так как материал попеременно намагничивается в положительном и отрицательном направлениях. Это означает, что когда напряженность магнитного поля уменьшается до нуля, некоторый остаточный магнетизм остается. Площадь внутри B-H кривой пропорциональна потерям энергии, так как материал намагничивается в положительном и отрицательном направлениях. Материал с меньшими потерями на гистерезис, такой как сталь, обычно используется в сердечниках трансформаторов из-за этого свойства. Кривая B-H также может быть использована для описания проницаемости материала, рассчитанной как отношение плотности магнитной индукции к напряженности магнитного поля. Она часто связана с проницаемостью свободного пространства и поэтому называется относительной проницаемостью. Материалы с очень низкой магнитной восприимчивостью, такие как дерево, имеют низкую относительную проницаемость. В то время как материалы с высокой магнитной восприимчивостью, такие как железо, имеют высокую относительную проницаемость. Чтобы создать кривую B-H, сначала необходимо определить плотность потока, B. Для этого измеряется скорость изменения потока, которая определяется относительно напряжения на катушке с использованием закона Фарадея. Это можно определить с помощью простой RC-цепи, расположенной параллельно катушке. Более подробную информацию об этих расчетах можно найти в текстовом протоколе. Напряженность магнитного поля, или H, может быть найдена с помощью закона Ампера и измеряемых переменных, тока в катушке, количества витков обмотки и средней длины сердечника. Кривая B-H материала может быть оценена по измерениям тока и интеграла по времени напряжения на элементе. Когда количество витков и размеры элементов также известны, их можно масштабировать до фактических величин. Теперь давайте покажем, как измерить относительную проницаемость и рассчитать B-H кривые.

В этих экспериментах измеряются три магнитные составляющие: маленькая катушка индуктивности с ферритовым сердечником, большая черная катушка индуктивности с неизвестным числом витков и трансформатор с частотой 60 Гц. Начните с маленького индуктора с размерами, как показано на рисунке, и числом витков обмотки 75. Во-первых, измерьте индуктивность индуктора на частотах 120 и 1000 Гц с помощью измерителя LCR. Во-вторых, постройте схему, как показано на рисунке, сохраняя выходное напряжение генератора функций на уровне 50 Ом и отсоединив кабель разъема BNC. Затем подключите щупы дифференциального напряжения и тока и убедитесь в отсутствии смещений. Установите дифференциальный пробник на 120-ю для лучшего разрешения. Наконец, установите пробник тока на 100 милливольт на ампер на пробнике и 1x на осциллографе. И обратите внимание на эти коэффициенты масштабирования для последующих расчетов. Установите выходной сигнал генератора функций на синусоидальную форму волны 1 000 Гц с пиковым напряжением 10 вольт. Измерьте VC и I, подключите генератор функций и убедитесь, что все цепные соединения соответствуют показанным на рисунке. Затем запишите измеренный ток и напряжение. Наконец, измените формат отображения осциллографа с yt на xy, чтобы отобразить кривую B-H. Отрегулируйте ручки вертикальной регулировки первого и второго каналов до тех пор, пока кривая не войдет в экран прицела. Затем стабилизируйте кривую, установив опцию сохранения для дисплея. А затем сделайте скриншот кривой. Наконец, отрегулируйте частоту генератора функций на 120 Гц и повторно сделайте скриншот кривой B-H после корректировки параметров кривой по мере необходимости. Наконец, отсоедините генератор функций и снимите индуктор. Оставьте остальную часть цепи нетронутой.

Чтобы определить количество витков для большего индуктора, давайте сначала измерим его B-H кривую. Чтобы упростить расчеты, предположим, что активная зона является полностью воздушной. Сначала измерьте индуктивность индуктора на частотах 120 и 1000 Гц с помощью измерителя LCR. Затем поместите катушку индуктивности в RC-цепь. Измерьте кривую B-H для большего индуктора, используя ту же процедуру, что и для маленького индуктора. Наблюдайте и записывайте измеренный ток и напряжение. Отобразите кривую B-H. Отрегулируйте частоту генератора функций на частоту 120 Гц и при необходимости отрегулируйте параметры кривой.

Однофазные трансформаторы состоят из двух обмоток, соединенных магнитопроводом. Здесь измеряется кривая B-H для трансформатора с частотой 60 Гц. С помощью измерителя LCR измерьте индуктивность 115-вольтовой боковой обмотки с частотой 120 Гц. Затем соберите схему, подключив AC1 и N от вариака к первичной стороне трансформатора через протоплатную схему с помощью банановых кабелей. Настройте коэффициенты масштабирования и параметры генератора функций, как описано выше. При значении вариака на 90 процентов измерьте ток и напряжение. Затем отобразите и запишите кривую B-H.

Если известно количество витков катушки, средняя длина сердечника и площадь поперечного сечения, то индуктивность катушки измеряется напрямую, и можно рассчитать относительную проницаемость. В качестве альтернативы измеренная кривая B-H может быть использована для определения относительной проницаемости элемента и последующего расчета количества витков в катушке. В линейной области кривой B-H относительная проницаемость может быть найдена по наклону. Используя относительную магнитную проницаемость, а также учитывая, что размеры индуктивности и ядра известны, количество витков можно легко рассчитать с использованием следующего соотношения.

Катушки индуктивности и другие электромагнитные устройства, такие как трансформаторы, широко распространены во многих электрических, электронных и механических системах. Электросеть обеспечивает электроэнергией потребителей за счет распределения электроэнергии высокого напряжения на большие расстояния по линиям электропередачи. Для компенсации потерь энергии требуется высокое напряжение на больших расстояниях. Трансформаторы используются вдоль линий электропередач для понижения более высоких напряжений передачи до более низких уровней, необходимых на распределительных станциях и для снабжения конечных потребителей. Трансформаторы передают энергию с помощью электромагнитной индукции, что обеспечивает контролируемое понижение напряжения переменного тока. Они обычно проектируются со стальными сердечниками из-за высокой точки магнитного насыщения стали. Магнит статора индуцирует вращающееся магнитное поле в роторе, заставляя ротор вращаться. По сути, статор является первичной обмоткой трансформатора, а беличья клетка — вторичной обмоткой. Асинхронные двигатели переменного тока используются в самых разных областях применения. Двигатель состоит из наружного неподвижного намоточного магнита и внутреннего ферромагнитного сердечника ротора. Как правило, используется цилиндрическое расположение токопроводящих стержней, образующих беличью клетку.

Вы только что посмотрели статью JoVE «Введение в определение характеристик магнитных компонентов». Теперь вы должны понять, как измерять B-H кривые индукторов и трансформаторов, определяя при этом неизвестные конструктивные факторы, такие как относительная магнитная проницаемость и число витков. Спасибо за просмотр.