环形磁芯快脉冲动态参数测量方法

　第16卷　第10期强激光与粒子束Vol.16,No.10 2004年10月HIGH POWER LASER AND PARTIC LE BE AMS Oct.,2004　

文章编号:　100124322(2004)1021345204

环形磁芯快脉冲动态参数测量方法X

丁臻捷,　苏建仓,　丁永忠,　俞建国

(西北核技术研究所,陕西西安710024)

摘　要:　磁开关压缩脉冲过程中,磁芯磁参数需历经非饱和与饱和两个阶段,磁滞回线变化经历半个周

期,通过测量这一变化过程中通过磁开关绕组的电流和磁通量变化率,可以计算出磁芯的磁滞回线,确定饱和

磁通密度、剩磁等动态参数。讨论了基于高电压放电和脉冲压缩方法测量磁芯动态参数的原理,给出了测试装

置的电路原理和电路元件参数的选择方法,测量了大型磁开关磁芯快脉冲条件下的电参数,计算了相关的磁参

数,给出了实验结果。

关键词:　磁开关;　磁滞回线;　饱和磁通密度;　剩磁;　磁脉冲压缩法

中图分类号:　T N78 文献标识码:　A

随着材料科学和脉冲功率技术的发展,磁开关技术在铜蒸气激光产生装置[1～3]及全固态高重频脉冲发生器[5]等重复频率脉冲功率技术领域得到了普遍的应用。

磁开关工作时,磁芯需在饱和与非饱和两种状态间来回转化。因此设计磁开关时,不仅要考虑磁芯饱和和非饱和时的磁参数,而且要关心两者之间的转变过程。随着磁芯磁化时间的缩短,变化的磁场会在构成磁芯的薄带之间产生一定的感应电压,因此必须在薄带之间加上适当的涂层用以减小涡流损耗。这样,磁开关磁芯表现的不仅是磁芯的材料性能,还间接反映了磁芯的制造工艺。由于工艺条件的限制,较大体积的磁芯与同种磁性材料小样环的性能有相当大的差别。因此,不能用小样环的性能来表征较大磁芯的整体性能水平。

一般实验室和工厂所用磁芯性能测试设备,由于电源功率的限制,励磁磁场强度在几百A/m到几千A/m 之间,这样的励磁磁场强度对于测试小样环静态、动态特性或较大磁芯的静态特性是足够了,而对于大型磁开关磁芯在快脉冲磁化条件下的性能测试就无能为力了。

本文讨论了基于脉冲压缩方法测量磁芯动态参数的原理,给出了测试装置电路原理和电路元件参数的选择方法,测量了大型磁开关磁芯快脉冲磁化条件下的电参数,计算了相关的磁参数,给出了实测结果。

1　测量原理

1.1　磁性参数测量原理

环形磁芯磁开关的截面如图1所示[5]。图中R i和R o分别为磁开关绕组的内外半径,H为高,r i和r o分别为磁开关磁芯的内外半径,h为高,磁开关绕组匝数为N,通过绕组的电流为i。考虑环形磁芯的对称性,根据安培环路定律,磁芯截面上的平均磁场强度为

H m=

Ni

2π(r o-r i)

ln(

r o

r i

)(1)

Fig.1　Illustration of magnetic switch

图1　磁开关截面图

则磁开关绕组截面上的磁通量

<=μ0M m S m+μ0H t S t(2)式中:M m为磁芯截面上磁化强度的平均值;S m为磁芯的截面积;S t为绕组的截面积;μ0为真空磁导率;H t为磁开关绕组内不含磁芯时的平均磁场强度

H t=

Ni

2π(R o-R i)

ln(

R o

R i

)(3)

利用公式(2)可以求得与磁开关绕组面积相等的感应线圈

上的感应电压

X收稿日期:2003212226; 修订日期:2004204215

基金项目:国家863计划项目资助课题

作者简介:丁臻捷(1974—),男,硕士,工程师,主要从事脉冲功率技术研究;西安市69226信箱;E2mail:ding family@。

εb =d <

d t

(4)

结合(1～4)式,就可求出磁芯横截面上的平均磁化强度和磁感应强度

M m =M 0+

1

μ0S m

∫

εb d t -

H t S t

S m

(5)B m =μ0(H m +M m )

(6)

式中:M 0为起始时刻磁芯的磁化强度。

因此,测得流过磁开关绕组的电流i 和感应线圈上的感应电压εb ,就可计算出磁芯材料内的平均磁场强度和磁感应强度,进而作出磁芯中磁性材料的磁滞回线,读取饱和磁通密度、剩磁等磁性参数并计算磁芯的单位质量总损耗等其它动态参数。1.2　测量装置 图2是测试磁开关参数的电路原理图。其工作过程如下:高压电源给电容器C 0充电至U 0闭合开关SW ,储能电容C 0通过电感L 1向电容C 1谐振充电(C 0=C 1=C 2)。充电过程中,磁开关MS 处于非饱和状态,其电感值L 远大于L 1(L ≥20L 1),电容C 1通过磁开关MS 向电容C 2漏电流与回路1电流相比可以忽略,这样回路1和回路2相对独立,回路1的谐振脉冲宽度仅由C 0,C 1和L 1来决定。当电容C 1的电压达到最大或规定值时,使MS 正好饱和,C 1通过MS 向C 2谐振充电,MS 的饱和电感值L 远小于L 1(L sat ≤0.05L 1),回路2谐振周

期将由C 1,,C 2和MS 的饱和电感值来决定

。

Fig.2　Experimental circuit 图2　

测量电路Fig.3　Hysteresis cycle of magnetic core

图3　磁性材料磁滞回线

从MS 的磁滞回线(图3)来看,回路1放电过程中,随着C 1电压的升高,通过磁开关绕组的电流缓慢增加,磁通密度从-B r 变化到+B sat ,其中B r 为剩余磁感应强度,B sat 为饱和磁感应强度;当磁芯饱和后,回路2放电,磁通密度近似正比于回路2的电流变化,当放电电流降到0时,磁通密度回到+B r 点,磁滞回线完成了整半周的变化。测得上述过程中流过磁开关绕组的电流i 和感应线圈上的感应电压εb ,依据式(1)和式(6),就可计算出磁芯截面上的平均磁场强度和磁通密度,从而作出磁滞回线。1.3　测量回路元件参数选择 对图1所示尺寸的磁开关,设磁化时间为T 0,励磁电压计算公式为[3]

U 0T 0

2

=N ΔBS m α

(7)

式中:S m 为磁芯的截面积;α为磁芯的叠片系数。 确定磁芯励磁时间时,首先考虑磁开关的饱和和未饱和电感值。磁开关未饱和时,由于μr 较大,磁场主要集中在磁性材料内部,磁开关的近似电感为

L ≈μ0μr N

2

2πh ln (r o r i )

(8) 当磁开关处于饱和状态时,根据经验μr ,sat 约为1.2～1.5,在误差范围内可利用下式估算磁开关饱和电感

L sat ≈μ0μr ,sat N

22πh ln (r o r i

)

(9)

根据谐振回路的特性,不难得到

6431强激光与粒子束 第16卷