Overview
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磁気要素の B-H 曲線包まれている巻線をコアを形成する磁性材料の特徴であります。この特徴は、コアは、巻線に流れる電流について扱うことができる磁気磁束密度についての情報を提供します。また、コアが磁気飽和、すなわちないさらに磁束流れにつながるよりコイルを流れる電流を押す前に制限に関する情報を提供します。
Principles
B-H 曲線は、単純な回路を使用して識別できます。アンペールの法則は、磁束の強さを使用して (H) は; コイルの電流に比例たとえば、単一のN-の平均の長さ (l) と断面積 (A) アンペアの法律利回り、コアを包んだ (私) 電流を運ぶコイルをオンに
(1)
また、コイル (v) を渡る電圧は、ファラデーの法則を使用して変更dφ/dtのフラックス率によって決定できます。前に説明した同じコイル用
(2)
磁束密度 (B) はまたように定義されます。
(3)
したがって、を書き込まれる
(4)
したがって、材料、私とvの時間積分の B-H 曲線を推定する使用できます。実際BとHの量に戻るスケーリングは、 N l、およびAが知られている場合に可能です。
Vの時間積分を測定するためにコイルと並列に単純な RC 回路をすることができます (図 1) を使用します。R C 区分線は R を持つ必要があります >>、動作周波数でCを X vR≒v。この仮定を使用して、以来、 vの時間積分の適度な近似を与えるコンデンサー電圧vCを測定
(5)
負の符号は時間領域表現に有効であるが、RMS を扱うときに削除する必要があるため、ピークの量を使用して、一般的な
(6)
図 1: インダクタの 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。
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Procedure
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。
- LCR メータを使用すると、120 Hz と 1000 Hz の両方インダクタのインダクタンスを測定します。
- 試作基板の図 1 の回路を構築が、プロト ボードから切断関数ジェネレーター出力を保ちます。
- チャネル 1 に接続されている差動電圧プローブと電流プローブとのオフセットの電流プローブと電圧プローブは、チャンネル 2 に接続されているを確認します。
- 差動プローブ プローブ自体とスコープの倍率に注意してください。1/20 より良い解決のために差動プローブを設定します。
- 現在のプローブを 100 に設定 mV/プローブ自体と 1 X 範囲に。これらのスケーリング係数が計算を実行するときに使用する必要があることに注意してください。
- 関数を設定して 10 V ピークで 1000 Hz 正弦波波形ジェネレーター出力 (50 Ω BNC 出力コネクタ)。差動電圧プローブを用いた波形を観察します。
- 関数発生器をつけっぱなしにして、切断されている場合でも、その端子をショートしないように。関数発生器をオフにすると、多くの設定がリセットされます。
- 現在の接続や電圧プローブvCとiを測定します。
- チェック回路が、望まれ、すべての接続が保持されます。
- 関数発生器を回路に接続します。
- ピークまたは測定信号の RMS 値に加えて、表示期間の少なくとも 3 つの測定電流と電圧のスクリーン ショットを取る。
- スコープの「表示」のメニューから"YT"から"XY"の表示形式を変更します。
- カーブ スコープ画面に収まるチャネル 1 とチャネル 2 の垂直調整ノブを調整することによって B-H 曲線を確認します。
- 安定した曲線を確認するために 1 または 2 秒の設定で、[表示] メニューから「保持」オプションを使用します。
- 測定の B-H 曲線のスクリーン ショットを取る。
- 曲線設定を必要に応じて調整した後 B-H カーブ スクリーン ショットを取り戻すし、120 hz 関数発生器周波数を調整します。
- 関数発生器を外し、インダクタ。回路の残りの部分はそのまま維持します。
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。
- LCR メータを使用すると、120 Hz と 1000 Hz の両方で提供されているインダクタのインダクタンスを測定します。
- これはまだ実験の前の部分からそのままする必要があります図 1 に示す回路のインダクタを配置します。
- チャネル 1 に接続されている差動電圧プローブと電流プローブとのオフセットの電流プローブと電圧プローブは、チャンネル 2 に接続されているを確認します。
- 差動プローブ プローブ自体とスコープの倍率に注意してください。1/20 より良い解決のために差動プローブを設定します。
- 現在のプローブを 100 に設定 mV/プローブ自体と 1 X 範囲に。これらスケール係数がさらなる分析のためキャプチャの測定やデータを利用した計算を行うときに使用する必要があることに注意してください。
- 関数を設定して 10 V ピークで 1000 Hz 正弦波波形ジェネレーター出力 (50 Ω BNC 出力コネクタ)。差動電圧プローブを用いた波形を観察します。
- 関数発生器をつけっぱなしにして、切断されている場合でも、その端子をショートしないように。関数発生器をオフにすると、多くの設定がリセットされます。
- 現在の接続や電圧プローブvCとiを測定します。
- 回路として接続されるかどうかを確認して希望。
- 関数発生器を回路に接続します。
- ピークまたは測定信号の RMS 値に加えて、表示期間の少なくとも 3 つの測定電流と電圧のスクリーン ショットを取る。
- スコープの「表示」のメニューから"YT"から"XY"の表示形式を変更します。
- カーブ スコープ画面に収まるチャネル 1 とチャネル 2 の垂直調整ノブを調整することによって B-H 曲線を確認します。
- 安定した曲線を確認するために 1 または 2 秒の設定で、[表示] メニューから「保持」オプションを使用します。
- 測定の B-H 曲線のスクリーン ショットを取る。
- 曲線設定を必要に応じて調整した後 B-H カーブ スクリーン ショットを取り戻すし、120 hz 関数発生器周波数を調整します。
- 関数発生器の電源を切り、回路を逆アセンブルします。
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。
- 115 V 側の 120 Hz で巻線のインダクタンス LCR メーターを用いた測定 (60 Hz の定格に近い)。
- 三相切断スイッチがオフの位置にことを確認します。
- 三相ケーブルを変圧器に接続します。
- 図 4 に示す回路を構築します。試作基板の側に座っている変圧器があります。AC1 と N を変圧器からプロト ボードに接続するのにバナナ ケーブルを使用します。
- 変圧器が 0% に設定されていることを確認します。
- チャネル 1 に接続されている差動電圧プローブと電流プローブとのオフセットの電流プローブと電圧プローブは、チャンネル 2 に接続されているを確認します。
- 差動プローブ プローブ自体とスコープの倍率を書き留めます。1/200 スケール差動プローブを設定します。
- 現在のプローブを 100 に設定 mV/プローブ自体と 1 X 範囲に。これらスケール係数が計算を行うときに使用する必要があることに注意してください。
- 現在の接続や電圧プローブvCとiを測定します。
- 回路をチェックします。
- 三相切断スイッチをオンにし、90% に到達するまでゆっくりと、変圧器を調整します。
- ピークまたは測定信号の RMS 値に加えて、表示期間の少なくとも 3 つの測定電流と電圧のスクリーン ショットを取る。
- スコープの「表示」のメニューから"YT"から"XY"の表示形式を変更します。
- カーブ スコープ画面に収まるチャネル 1 とチャネル 2 の垂直調整ノブを調整することによって B-H 曲線を確認します。
- 安定した曲線を確認するために 1 または 2 秒の設定で、[表示] メニューから「保持」オプションを使用します。
- 測定の B-H 曲線のスクリーン ショットを取る。
- 0% に、変圧器を復元、切断スイッチをオフし、回路を逆アセンブルします。
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性元素特性コイル内部コアを形成する磁性材料に依存しているがあります。インダクタやトランスのコイルに電流が流れると磁場が作成されます。機能コア材の透磁率と呼ばれる磁場を保持するためには、その磁化力と呼ばれる、磁場の強さを決定します。磁化力は、インダクタのコアの磁束を生成します。インダクタ、トランス、磁化力と磁束密度の関係は横断面積を貫く磁束として定義され、B-H 曲線を使用して分析することができます。B-H 曲線は芯材をについて説明し、その磁気飽和制限値を識別します。これは、追加、巻線電流が磁束を向上しなくに発生します。このビデオでは、インダクタ、変圧器の BH 曲線の測定とコア材、コイル巻線の特性を示しています。
B-H 曲線は、磁束密度、B、および磁場の強さ、h. 間の関係を示します最初に、磁場強度が増加すると、磁束密度も特定の最大値に増加します。この時点で、磁束密度と材料で有意な増加で磁場強度結果の増加を考慮した飽和。実際の磁性材料は材料は正と負の方向に磁化された交互にヒステリシスを展示します。これは、バックに、磁場の強さを縮小、ゼロ、いくつかの残留磁気が残っているを意味します。B-H 曲線の内側の領域は、正と負の方向に材料を磁化エネルギー損失に比例。鋼などの低いヒステリシス損失と材料、トランスコアこのプロパティのために使用されます。B-H 曲線は材料の透磁率、磁場強度に磁束密度の比として計算を記述する使用もできます。それは頻繁に自由空間の透磁率に関連は、比透磁率をこのように呼ぶ。木のような磁気感受性の非常に低い材料がある低いの相対的な透磁率。鉄のような磁気感受性の高い材料として高の相対的な透磁率があります。B-H 曲線を作成するためには、磁束密度 B が決定しなければなりません。このため、ファラデーの法則を使用してコイルを渡る電圧を基準にして、磁束変化率が測定されます。これはコイルと並列に単純な 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。アンペアの法律および測定可能な変数、現在のコイル、巻線のターン数、コアの平均の長さを使用して、磁場の強さ、または H を見つけることが。材料の B-H 曲線を要素上に通過電流の測定、電圧の時間積分から推定できます。とき、回転数および要素の寸法も知られて、これらを実際の数値をスケールできます。今、比透磁率を測定、B-H 曲線を計算するやり方を説明しましょう。
これらの実験で 3 つの磁気成分を測定、フェライト ・ コアを持つ小型のインダクタ、ターンと 60 Hz トランスの数が不明な大きな黒いインダクタ。示すように、ディメンションを持つ小型のインダクタと 75 の巻線のターン数を開始します。まず、LCR メーターを使用して 120、1,000 Hz でインダクタのインダクタンスを測定します。示すように、第二に、回路を構築、50 オームで BNC 出力関数発生器を維持するコネクタ ケーブルが接続されていません。次に、差動電圧と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。差動プローブをより良い解像度を 120 に設定します。最後に、スコープのプローブにアンプあたり 100 ミリ ボルトに電流プローブと 1 x を設定します。後の計算これらのスケーリングの要因に注意してください。10 ボルト ピークで 1,000 Hz 正弦ソト ウェーブ形式に関数ジェネレーターの出力を設定します。VC と私を測定、関数発生器を接続し、すべての回路接続が示すように、ことを確認します。その後、測定電流と電圧を記録します。最後に、B-H 曲線を表示する xy に yt からオシロ スコープ表示形式を変更します。カーブ スコープ画面に収まる、チャンネル 1、チャンネル 2 垂直調整ノブを調整します。次に、表示の保持オプションを設定することにより曲線を安定させます。そして、曲線のスクリーン ショット。最後に、120 Hz 関数発生器周波数を調整し、必要に応じて曲線設定を調整した後の B-H カーブ スクリーン ショットを取り戻します。最後に、関数発生器を外し、インダクタ。回路の残りの部分はそのまま維持します。
大きいコイルのターン数を決定するには、最初の B-H 曲線を します。計算を簡素化するために、コアはすべて空気コアと仮定します。まず、LCR メーターを使用して 120、1,000 Hz でインダクタのインダクタンスを測定します。次に、RC 回路のインダクタを置きます。小型のインダクタを説明する同じ手順を使用して大きいインダクタの B-H 曲線を測定します。観察し、測定電流と電圧を記録します。B-H 曲線を表示します。120 Hz 関数発生器周波数を調整し、必要に応じて曲線設定を調整します。
単相変圧器は、磁気コアで結合された 2 つの巻線で構成されます。ここでは、60 Hz の変圧器の B-H 曲線を測定します。LCR メータを使用すると、120 Hz で巻き 115 ボルト側のインダクタンスを測定します。その後、バナナ ケーブルを使用しての試作ボードの回路を介してトランスの一次側に、variac から AC1 と N を接続して回路を組み立てます。スケール ファクターを調整し、関数発生器パラメーターの前述のようします。Variac 90% で電流と電圧を測定します。表示し、B-H 曲線を記録します。
コイル、平均的なコアの長さと断面積はターン数がわかっている場合、コイルのインダクタンスは、直接測定、比透磁率を計算することができます。また、要素の相対的な透磁率を決定し、コイルのターン数を計算する測定の B-H 曲線を使用できます。B-H 曲線の線形領域、斜面から相対的な透磁率を見つけることができます。比透磁率を用いたインダクタンスとコアの寸法は知られていることを考えれば回転数計算できます。 簡単に次の関係を使用して。
インダクタと他の電磁機器、変圧器のような多くの電気、電子および機械システムで共通です。電力グリッドは、送電線を介して長距離高電圧の電気を分散することによって消費者に電気を提供します。長距離エネルギー損失を補うために高電圧が必要です。送電線に沿って分布地点とエンド ・ ユーザーの供給のために必要な下位レベルの階段より高い伝達電圧を変圧器されます。変圧器は、電磁誘導、ダウン、AC 電圧の制御手順を有効にするを介してエネルギーを転送します。彼らは鋼の磁気飽和点が高いため一般鋼のコアを持つ設計されています。固定子の磁石は回転するローターを引き起こしているローターの回転磁界を誘導します。効果的に、ステータは、変圧器、かご、二次巻線の一次巻線です。AC 誘導電動機は、多種多様なアプリケーションで使用されます。モーターは、外側の固定傷磁石、およびローターの内側の強磁性コアで構成されます。リスの檻を形成する導電性バーの通常、円筒配置。
ちょうど磁気コンポーネントの特性評価にゼウスの導入を見た。今、インダクタ、変圧器、同定中の曲線比透磁率などの要因を設計し、ターン番号、B H を測定する方法を理解しておくべき。見ていただきありがとうございます。
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Results
芯物質の比透磁率を見つけるために 2 つのアプローチを使用できます。最初のアプローチは、LCR メータ、どこターン (N) の知られている数で作られたコイルのインダクタンス (L) を測定し、比透磁率を次のように計算できますしを使用することです。
コアの不本意: 
(7)
つまり、相対的な透磁率 (μr)。
(8)
どこμoは真空の透磁率、 lは m、平均コア長さ、 m2のコアの断面積は。
たとえば、内部半径r1・ トロイダル ・ コアを使用する場合 = 1 cm、外的な半径r2= 2 cm、1 cm2の断面積と LCR メーター読み取り 1 μ 10 ターン、次の。
l= 2 π (r2-r1) = 2 π cm、 
、およびμr= 50,000。
2 番目の方法は、測定の B-H 曲線を使用します。つまり目に見えるまたは近似線形領域の比透磁率は斜面から見つけることができます (B = μrμoH) 周波数毎に。BとHの値を検索するには、プローブの要因、回路要素、および以前の計測結果を使用してコア寸法の適切なスケーリングを実行する必要があります。
比透磁率を見つけることと同様のアプローチ、比透磁率が不明な場合、回転数を見つけることが。これは、 Nの前式を操作することによって実現できます。
フェライト、 μr鋼及び鋼合金の中の数千の順序μrは数十または数百の順序は。
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Applications and Summary
インダクタと他の電気磁気デバイス (例えばトランスフォーマー) は多くの電気、電子および機械システムで非常に共通が、特定のアプリケーション用のインダクタを購入は簡単ではありません。インダクタを買ったときにも、データシート情報のあいまいさ実際の材料、回転数、およびその他の詳細に場合があります。この実験でテスト、エンジニアおよび独自のインダクタを構築したり、既製のものを特徴付ける計画技術者の特に便利です。これはより多くの情報が手にインダクタについて望まれるパワー エレクトロニクス用途 (例えばDC/DC コンバーター) として電気モーター駆動のアプリケーション (例えば、AC フィルター インダクタ) と共通です。
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