直流偏置下高频磁性材料铁芯损耗的研究_范莉

＊基金项目:南昌工程学院青年基金(No .2006KJ021)

收稿日期:2008-08-01　第一作者　范莉　女　31岁　讲师　硕士

直流偏置下高频磁性材料铁芯损耗的研究

＊

范莉　夏非

(南昌工程学院电气与电子工程系,江西南昌330099)

摘　要:对具有直流偏置、正弦电压激磁的功率铁氧体铁芯损耗进行有效测量的基础上,分析了直流偏置对铁氧体材料的性能的影响和磁损与交直流磁感应强度的关系,在一定的交流激磁范围内,为磁性元件的设计提供了一定的参考。

关键词:铁芯损耗;直流偏置中图分类号:T M 4 文献标识码:A

0　引言

Bozor th 、Brockmeyer [1-4]证明了关于直流偏置磁场与铁磁材料特性的关系,即铁磁材料的损耗功率随着偏置场的增大而增大。在此基础上,我们进一步分析直流偏置对铁氧体损耗的影响。

1　试验电路

为了研究直流偏置磁场对铁氧体材料特性的影响,我们采用图1所示的测试电路,对NC -2H 材料的环形功率铁氧体铁芯进行了一系列的测试,铁芯规格为FR Υ30/13×9

。

图1　铁氧体材料特性测试电路图

图1中,被测铁芯上有三个绕组N 1(7匝)、N 2(7匝)和N b (1匝)。其中,N b 是直流偏置绕组,与可调整流稳压电源相连。N 1是激磁绕组,接高频正弦交流电源,N 2是测试绕组,接测试探针,用于测量铁芯中磁感应强度的变化。分别在50kHz 、100kHz 、150kHz ,温度T =20℃时,对应50mT 、75m T 和100m T 的交流磁感应强度,分别叠加直流偏置磁场,测量铁芯的反复磁化损耗。测得的结果如表1所示:

2　结果分析

以直流磁感应强度(mT )为横坐标,损耗(W )为纵坐标,将测量到的损耗与直流偏置画成PDC -BDC 关系图,如图2所示。其中,图2a 为测试频率50kHz 下测得的对应不同交直流磁密激磁下的铁芯损耗,图2b 为测试频率150kHz 下测得的对应不同交直流磁密激磁下的铁芯损耗:

为了更好的看出有直流偏置的损耗P DC 与B AC 、B DC 的关系,我们引入变量K :

表1　不同的交直流激磁下的磁损的测量值(单位:w )

f (kHz )BAC (mT )

BDC (mT )

025507510012515050

50

0.090.10.10.110.140.170.21750.230.240.270.310.380.460.541000.470.490.560.640.740.881100

50

0.210.230.230.260.330.410.5175

0.57

0.6

0.66

0.79

0.94

1.13

1.29

1001.141.21.351.591.892.142.33150

50

0.380.410.450.540.70.91.09751.051.121.291.581.92.142.51100

2.06

2.14

2.44

2.84

3.25

3.73

4.1

图2　50kHz (a )和150kHz (b )时,对应不同的B AC 的P DC -B DC 关系图

K =P DC /P AC (1)

山西电子技术2008年第5期

研究探讨

其中,P AC 为相同频率和磁通密度下没有直流偏置时的铁芯损耗。

将表1中的直流偏置损耗值改为不同的交直流偏置下的K 值,见表2:

表2　对应不同的交直流磁感应强度的K 值

f (kHz )BAC (mT )

BDC (m T )

25507510012515050

50

1.111

1.111

1.222

1.556

1.889

2.333751.0431.17391.3481.6522

2

2.3478

1001.0431.19141.36171.57451.87232.1277100

50

1.09521.09521.23811.57141.9524

2.4286751.05261.15791.396

1.6491.9826

2.2632

1001.0531.18421.39471.65791.87722.0439150

50

1.07891.18421.42111.8421

2.36842.8684751.06671.22861.5048

1.81

2.03812.3905

100

1.03881.1846 51.37861.57771.81071.9903

从表2中,我们可以发现以下规律:

1)当交流激磁恒定时,铁氧体的铁芯损耗随着直流偏置的增大而增大,并且,随着B AC 的增大,B DC 的影响越来越明显。即P DC 是B DC 的增函数。

2)当直流偏置恒定时,铁氧体材料的铁芯损耗随着交流激磁的增大而减小。即P DC 是B AC 的减函数。

结合图2a 、b 和表2,我们推测有直流偏置的铁损的关系式可以写成:

P DC =P AC (1+B m DC ·B n AC )αB

A C

(2)

其中,m ,n 为待定系数,m >1,n <0,α>0。

根据试验数据,拟合求得系数:m =1.8144,n =-2.0703,α=0.01622。代入式(2),P DC 与P AC 的关系为:

P DC =P AC (1+B 1.81144DC ·B -2.0703AC

)0.

01622B AC (3)

按照式(3),重新计算实验中中的不同频率下有直流偏置时的磁损值,并计算它与测量值之间的误差,误差见表3。

分析表3数据,大部分数据的误差值在±10%之间。并且,在B AC =75mT 和100mT 的情况下,计算数据与测试数据之间的误差很小。式(3)中只有B DC 和B AC 两个待测量,P AC 可通过Steinmetz 方程求出,计算简便。因此,当B AC 在75m T 到100mT 之间时,式(3)对磁性元件设计具有一定的

的指导意义。

表3　测量值与拟合公式(3)计算值的误差(单位:%)

f (kHz )BAC (mT )

BDC (mT )

25

50

75

100125

150

50

502.4516.0129.8225.9926.8723.76751.11

1.92

5.093.814.89.01100-0.18-3.84-3.6-1.85-1.175.0910050-1.0317.6928.1624.7222.7418.91750.233.332.1945.7313.09100-1.14-3.25-5.88-

6.79-1.439.4150

50

0.468.84

11.66

6.39

1.180.6775-1.09-

2.61-5.87-5.22

2.847.07100

0.18

-3.27-4.78-2.05

2.19

12.35

3　小结

当交流激磁不变时,铁氧体的铁芯损耗随着直流偏置的增大而增大,并且,随着交流激磁的增大,直流偏置的影响越来越明显;当直流偏置不变时,铁氧体材料的铁芯损耗也随着交流激磁的增大而减小。

根据试验数据拟合,得到在直流偏置下铁芯磁损与交直流磁感应强度的关系。经试验验证,式(3)虽然存在一定的误差,但是计算简便,在交流磁感应强度为75mT ～100mT 时,它的计算精度在工程允许的范围之内,因此对磁性元件设计有一定的指导意义。

参考文献

[1]　Richard M .Bozorth :Ferromagne tism [M ].I EEE Press

Reprint ,Piscataway ,NJ ,USA ,1993.

[2]　Brockmeyer A ,Schulting L .Modelling of Dynamic Lo ss -es in M agne tic M aterial [J ].T he European Power Elec -tronics A ssociation ,1993.

[3]　Ansgar Brockmeyer .F requency Dependence of the Fer -rite -Loss Increase Caused by P remagnetization [J ].AP EC '97,1997.

[4]　Brockmeyer A ,Reinert J .A No vel M ethod for the Pre -diction of Remagnetization Losses in F erro -and Ferro -magnetic M aterial [J ].EP E '99.

The Research on Core Loss of High -Frequency Magnetic Component in DC Bias

Fan Li Xia Fei

(Nanchang Institute of Technology ,N anchang ,Jiangxi 330099,China )

A bstract :On the basis of effective measurement of po wer ferrite core loss with DC bias and sine -w av e excitation ,the paper g oes deep into the influence o f pow er ferrite with DC bias .A ratio named K is introduced and defined in this paper as the ratio of co re loss of sinusoidal waveform ex citation with DC bias to that of without DC bias ,and supposed that bo th under the same frequency and flux density .A formula to calcula te PDC is given in this dissertation .

Key words :core loss ;DC bias

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第5期 范莉,等:直流偏置下高频磁性材料铁芯损耗的研究