陳 龍 汪友華 趙浛宇 戈文祺 王 苗

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超微晶合金旋轉(zhuǎn)磁特性測(cè)量用勵(lì)磁裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

陳 龍 汪友華 趙浛宇 戈文祺 王 苗

（河北工業(yè)大學(xué)電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300130）

旋轉(zhuǎn)磁心損耗廣泛存在于高頻變壓器T形連接點(diǎn)處與高速電機(jī)的定子上。為了對(duì)二者進(jìn)行更好的分析，需要將高頻下的旋轉(zhuǎn)磁心損耗進(jìn)行精確測(cè)量。本文就四種不同的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，闡述了勵(lì)磁結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)確度的影響。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)超微晶物理特性提出一種立體式二維高頻勵(lì)磁裝置，對(duì)勵(lì)磁繞組進(jìn)行計(jì)算，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了磁軛結(jié)構(gòu)，將測(cè)試頻率提高到10kHz。

超微晶合金 二維旋轉(zhuǎn)磁特性 高頻勵(lì)磁裝置 優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

高速電機(jī)與高頻電工設(shè)備由于其較高的功率密度，而具有廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。超微晶合金與非晶合金等新興材料被廣泛應(yīng)用于各種高頻領(lǐng)域[5]。但是，目前僅限于一維超微晶磁特性的測(cè)量[6]。日本學(xué)者測(cè)試了二維非晶合金，但頻率最高只達(dá)到750Hz[7]。為了在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中更有效地分析材料在高頻下的損耗，有必要對(duì)超微晶合金的高頻旋轉(zhuǎn)磁特性進(jìn)行精確測(cè)量。

當(dāng)頻率達(dá)到1kHz以上時(shí)，二維磁化問(wèn)題變得十分復(fù)雜，相比一維，其對(duì)勵(lì)磁電源提出了更高要求。在保證樣片磁化均勻的前提下，選擇合適的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。

目前世界上對(duì)二維旋轉(zhuǎn)磁化問(wèn)題的研究已有三十多年[8]，早期的旋轉(zhuǎn)磁特性主要是通過(guò)測(cè)量樣片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中受到的轉(zhuǎn)矩，計(jì)算其旋轉(zhuǎn)一周的平均損耗[6]。但這種方法校準(zhǔn)十分困難，很難分離出在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中因摩擦力等因素帶來(lái)的誤差。自1965年起，有學(xué)者開始研究用溫度傳感法測(cè)量旋轉(zhuǎn)磁心損耗，其表達(dá)式為

式中，p、()分別為被測(cè)樣片的比熱和溫度。該方法在磁通密度較高時(shí)有較好的準(zhǔn)確度和靈敏度，但磁通密度較低時(shí)靈敏性較差，并且對(duì)樣片絕熱十分困難，因此，限制了該方法的廣泛應(yīng)用。磁場(chǎng)計(jì)算測(cè)量法由于實(shí)施簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高、可重復(fù)性好，得到了國(guó)際上的廣泛認(rèn)可。在磁場(chǎng)計(jì)算測(cè)量法中，通過(guò)樣片磁化后測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通密度可得到磁心損耗，由坡印亭定理經(jīng)過(guò)一系列推導(dǎo)可得旋轉(zhuǎn)磁心比損耗t為

（2）

為了在樣片中模擬變壓器T形連接點(diǎn)與電機(jī)齒部所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，德國(guó)、意大利、奧地利和日本學(xué)者分別建立了不同的勵(lì)磁裝置[9-14]。這些裝置大體上可按樣片形狀分為三類：基于方形樣片的十字形單片測(cè)量?jī)x（Square Rotational Single Sheet Tester, SRSST）、基于六邊形樣片的單片測(cè)量?jī)x（Hexagonal Rotational Single Sheet Tester, HRSST）和基于圓形樣片的類感應(yīng)電機(jī)式單片測(cè)量?jī)x（Round Rotational Single Sheet Tester, RRSST）。但這些裝置都只適合低頻情況下的勵(lì)磁（幾百Hz）。為了測(cè)試更高頻率，意大利國(guó)家計(jì)量學(xué)院研制了基于三相勵(lì)磁的二維高頻勵(lì)磁裝置（3 Phase-RRSST, 3P-RRSST）[15]，其是在原類電機(jī)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，采用集中繞組，減小了每相繞組的磁通，從而將測(cè)試頻率提高到5kHz。然而國(guó)際上還沒有形成統(tǒng)一的二維磁特性測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，其中一部分原因是二維磁特性測(cè)量的可重復(fù)性較差，各種測(cè)量裝置測(cè)量結(jié)果有一定偏差[16]。

本文分別建立上述四種主要?jiǎng)?lì)磁裝置的有限元模型，以15°為步長(zhǎng)分析了樣片的磁化性能。首先，對(duì)比了不同裝置磁化對(duì)樣片均勻性的影響；其次，分析了不同結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁性能；最后，根據(jù)分析結(jié)論，考慮超微晶合金本身的物理特性[17]，提出一種適合超微晶二維高頻磁特性測(cè)量的立體式勵(lì)磁裝置。

1 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)對(duì)樣片磁化均勻性的影響

樣片形狀與其對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)對(duì)樣片磁化的均勻性有重要影響。四種不同的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)如圖1所示。SRSST結(jié)構(gòu)最早由W. Brix提出[18]，之后有很多改進(jìn)版本[19-24]。其主要原理是在空間相對(duì)正交的兩個(gè)磁極上纏繞繞組，通有相位正交的兩相電流，在樣片中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。HRSST由H. Pfützner于1996年提出[25]，由于該結(jié)構(gòu)采用多對(duì)磁極的三相勵(lì)磁系統(tǒng)，使矢量的軌跡更接近圓形。RRSST將傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子替換為圓形樣片，如圖1c所示，在定子中纏繞正交分布的兩相分布式繞組，在較低磁通密度下無(wú)反饋控制也可以達(dá)到圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。3P- RRSST[26]結(jié)構(gòu)如圖1d所示，此結(jié)構(gòu)由于是三相勵(lì)磁，在波形上更容易實(shí)現(xiàn)圓形控制。

（a）SRSST???（b）HRSST

（c）RRSST???（d）3P-RRSS

圖1 四種不同的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)

Fig.1 Four different structure of magnetizer

測(cè)量過(guò)程中，樣片中央位置分別在方向和方向上垂直放置兩組H線圈與B線圈。從而用一定區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)的均值來(lái)模擬中心點(diǎn)處磁場(chǎng)的大小和方向。磁場(chǎng)矢量計(jì)算式為

（4）

為了得到更精確的結(jié)果，樣片磁化的均勻性對(duì)測(cè)量結(jié)果起著重要的影響。氣隙作為樣片磁化中非常關(guān)鍵的參數(shù)，對(duì)磁化的均勻度影響很大。這主要是由于不同氣隙條件下樣片中退磁場(chǎng)分布不均，而退磁場(chǎng)隨氣隙的減小而減小?？紤]到實(shí)際加工的準(zhǔn)確度，這個(gè)值并不能無(wú)限減小。而文獻(xiàn)[27]未提及氣隙的影響，為了說(shuō)明勵(lì)磁結(jié)構(gòu)對(duì)樣片均勻性的單一影響，本文所分析的四種結(jié)構(gòu)使用統(tǒng)一的參數(shù)：氣隙大小=0.5mm，樣片內(nèi)切圓直徑。

計(jì)算過(guò)程中，不考慮樣片材料的各向異性，認(rèn)為樣片在不同方向上具有相同的磁化曲線。為了得到更精確的結(jié)果，樣片部分網(wǎng)格剖分采用極端細(xì)化網(wǎng)格，樣片被磁化到1T左右。當(dāng)磁化角度為45°時(shí)，四種結(jié)構(gòu)中樣片的磁力線分布與磁通密度分布分別如圖2和圖3所示。

（a）SRSST

（b）HRSST

（c）RRSST

（d）3P-RRSST

圖2 不同勵(lì)磁裝置的磁力線分布

Fig.2 Flux lines distribution of differnet magnetizers

（a）SRSST

（b）HRSST

（c）RRSST

（d）3P-RRSST

圖3 不同勵(lì)磁裝置的磁通密度分布

Fig.3 Magnetic flux density distribution of different magnetizers

由圖2和圖3可知，方形樣片和六邊形樣片所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)在頂角處磁通密度較高，但樣片整體磁通密度分布比較均勻。而圓形樣片對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，由于存在齒槽效應(yīng)，樣片邊緣的磁通密度變化劇烈，縮小了樣片的可測(cè)量范圍，對(duì)于兩相感應(yīng)電機(jī)式勵(lì)磁裝置，存在明顯的弱磁區(qū)，磁力線在對(duì)應(yīng)磁化角度45°與135°的區(qū)域向兩邊分散，導(dǎo)致這部分的磁通密度較低。而對(duì)三相勵(lì)磁結(jié)構(gòu)各相磁通進(jìn)行了補(bǔ)償，沒有出現(xiàn)明顯的弱磁區(qū)，但是齒槽磁阻周期性變化劇烈，導(dǎo)致了磁通密度隨圓周振蕩劇烈。在方形樣片與六邊形樣片的勵(lì)磁裝置中，由于微小氣隙的存在（=0.5mm），減小了磁極間的相互吸引，使磁力線大部分從樣片中經(jīng)過(guò)，減小了漏磁，因此導(dǎo)致樣片的磁通密度分布相對(duì)均勻。

為了進(jìn)一步定量分析樣片的均勻性，將樣片上各點(diǎn)磁通密度標(biāo)準(zhǔn)差作為定量分析樣片均勻性的標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)算式為

式中，x為樣片區(qū)域內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的磁通密度大?。粸檎麄€(gè)樣片磁通密度的均值。

圖4和圖5分別給出了半個(gè)周期內(nèi)樣片磁通密度分布的標(biāo)準(zhǔn)差與均值隨著角度變化的分布。如圖4所示，在相同氣隙條件下，四種結(jié)構(gòu)中方形樣片所對(duì)應(yīng)的SRSST具有最小的標(biāo)準(zhǔn)差，磁通密度分布在整個(gè)樣片的變化最小，六邊形樣片次之。這與圖3磁通密度三維云圖的結(jié)果是吻合的。圓形樣片所對(duì)應(yīng)的RRSST與3P-RRSST的標(biāo)準(zhǔn)差較高，反映出弱磁區(qū)與齒槽效應(yīng)對(duì)樣片均勻性的影響。方形樣片與六邊形樣片在不同磁化角度上的標(biāo)準(zhǔn)差出現(xiàn)不同程度的振蕩，而圓形樣片在不同角度上變化很小，說(shuō)明圓形樣片在不同磁化角度上的磁化狀態(tài)是一致的。圖5進(jìn)一步驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)。圓形樣片在一個(gè)磁化周期內(nèi)樣片內(nèi)的磁通密度基本保持不變，而方形樣片和六邊形樣片由于磁路不對(duì)稱，在不同角度上表現(xiàn)出不同的磁化能力。對(duì)于方形樣片SRSST在45°、135°等方向上，在氣隙中磁力線長(zhǎng)度大于0°、90°與180°的情況，相對(duì)磁阻較大，從而在相同的磁動(dòng)勢(shì)下這些角度上的磁通密度相對(duì)較低。類似的結(jié)論也可以從六邊形樣片的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)中得到。而圓形樣片由于磁路對(duì)稱，在不同磁化角度上磁阻處處相等，磁通密度大小保持恒定，可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)圓形磁化。

圖4 磁通密度標(biāo)準(zhǔn)差隨磁化角度的分布

圖5 磁通密度均值隨磁化角度的分布

由上面分析可知，在不考慮材料各向異性的情況下，從樣片均勻度的角度考慮，方形樣片具有更低的磁通密度變化；從實(shí)現(xiàn)圓形控制角度考慮，圓形樣片更容易達(dá)到開環(huán)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而降低了對(duì)控制程序的要求。但是超微晶合金材料不是完全的各向同性，所以無(wú)論哪種結(jié)構(gòu)都需要反饋的調(diào)節(jié)。對(duì)于方形樣片和六邊形樣片，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中需要更強(qiáng)的反饋算法才能保證圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)考察整體的標(biāo)準(zhǔn)差和圖3的磁通密度云圖，可為傳感器的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，從而進(jìn)一步提高高頻磁場(chǎng)測(cè)量的傳感器靈敏度。

2 超微晶磁心勵(lì)磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由勵(lì)磁結(jié)構(gòu)對(duì)樣片磁化均勻性的分析可知，當(dāng)樣片被磁化到1T時(shí)，基于方形樣片的SRSST在一個(gè)周期內(nèi)的各個(gè)角度上均具有最好的均勻性。超微晶磁心的飽和磁通密度在1.23T左右，完全滿足測(cè)量需求?？紤]到超微晶帶材寬度一般為50mm且易碎，圓形樣片的加工成本遠(yuǎn)超過(guò)方形樣片。在均勻度滿足要求的前提下，綜合考慮，本文設(shè)計(jì)了基于方形樣片的超微晶高頻旋轉(zhuǎn)測(cè)量裝置。由于超微晶合金通常應(yīng)用在高頻領(lǐng)域，而傳統(tǒng)的SRSST只能工作在幾百Hz的頻率下，所以需要在傳統(tǒng)的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)。本文提出的超微晶高頻旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁裝置如圖6所示，可將測(cè)試頻率提高到10kHz。

（a）模型?????（b）實(shí)物

2.1 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的磁路設(shè)計(jì)

當(dāng)頻率達(dá)到1kHz以上時(shí)，磁心的發(fā)熱問(wèn)題及磁場(chǎng)的建立都變得十分困難。若用傳統(tǒng)的硅鋼疊制成磁心，在10kHz時(shí)磁心發(fā)熱十分嚴(yán)重，容易破壞繞組絕緣，引起安全問(wèn)題。超微晶帶材擁有超高的磁導(dǎo)率及在高頻下接近硅鋼1/10的損耗[28]，非常適合在頻率1～20kHz的頻段內(nèi)工作。所以本文以超微晶材料作為制作磁心的帶材。對(duì)于傳統(tǒng)的平面式SRSST[29]，采用四個(gè)磁極與四個(gè)L形磁軛構(gòu)成閉合磁路，在磁極與L形磁軛連接處，磁通垂直傳入帶材表面，引起較大渦流損耗，并且絕緣介質(zhì)增大了磁動(dòng)勢(shì)降落，導(dǎo)致需要更大的電流才能將樣片磁化到飽和，這樣提高了對(duì)電源的要求。本文提出的雙C形立體式勵(lì)磁結(jié)構(gòu)有效地避免了這一問(wèn)題，并且兩條相互垂直的磁路相互獨(dú)立，可以分開計(jì)算。若忽略漏磁場(chǎng)，由安培環(huán)路定律得

式中，y、s分別為磁心截面積與樣片截面積；ys分別為磁心磁通密度與樣片磁通密度。實(shí)際情況下，由于漏磁通的存在，樣片磁通并不完全等于磁心磁通。由于被測(cè)樣片極薄，空氣中的漏磁通a可由不放樣片時(shí)測(cè)得，從而計(jì)算得到考慮漏磁場(chǎng)下的修正系數(shù)a，則式（7）可修正為

（8）

由式（6）可知，為了避免磁心過(guò)熱，應(yīng)降低磁心磁通密度y，因而磁心應(yīng)保證一定的厚度。

2.2 幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

本文為了減小高頻的電容效應(yīng)，將繞組分別纏繞在了兩只磁心的磁軛上，而這樣會(huì)增加磁極雜散磁場(chǎng)的分布，這部分磁場(chǎng)會(huì)縮小樣片均勻區(qū)域的大小，影響樣片的均勻性。磁屏蔽層對(duì)樣片均勻性的影響如圖7a和圖7b所示。由圖7可見，在沒有屏蔽層的情況下，通過(guò)三維有限元計(jì)算可發(fā)現(xiàn)，磁極中的一部分磁通在空氣中與另一邊磁極閉合，導(dǎo)致在樣片邊緣處的磁場(chǎng)要小于中心部位。而增加了屏蔽層后，外部磁場(chǎng)在屏蔽層處閉合，屏蔽層內(nèi)部沒有雜散磁場(chǎng)，樣片的均勻區(qū)域幾乎擴(kuò)大到整個(gè)樣片。此外，在高頻測(cè)量時(shí)，如何有效去除與測(cè)量頻率接近的空間諧波是一大難題。由于屏蔽層的存在，屏蔽層內(nèi)部空間可避免外界磁場(chǎng)的干擾，這對(duì)高頻測(cè)量十分重要，可有效分離出有效信號(hào)，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

（a）磁力線分布（未加屏蔽層）?（b）磁通密度分布（未加屏蔽層）

（c）磁力線分布（加屏蔽層）?（d）磁通密度分布（加屏蔽層）

圖7 磁屏蔽層對(duì)樣片均勻性的影響

Fig.7 Influence of the magnetic shielding on sample uniformity

在考慮屏蔽層后，屏蔽層與樣片的距離、磁極間各部分的尺寸也顯得尤為重要。文獻(xiàn)[30,31]分析了當(dāng)磁極形狀為楔形時(shí)，具有較好的聚磁效果；當(dāng)楔角為54.5°時(shí)，中心獲得最大磁場(chǎng)。但實(shí)際氣隙存在樣片時(shí)，磁路接近閉合磁路的情況，樣片的存在將影響周圍空間磁場(chǎng)的分布，最優(yōu)的楔角還需要進(jìn)一步修正。由于在考慮樣片時(shí)，不能得到精確的解析表達(dá)式，本文以當(dāng)樣片被磁化到1T時(shí)所需的功率為優(yōu)化目標(biāo)，以自適應(yīng)模擬退火法[32]作為優(yōu)化算法，對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化。磁極尺寸的設(shè)計(jì)參數(shù)如圖8所示。

圖8 磁極尺寸的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖8中，1為磁心磁軛厚度，2為磁極高度，3為磁極長(zhǎng)度，4為屏蔽層到樣片的距離。氣隙大小沒有作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量，氣隙越小，所需磁動(dòng)勢(shì)越小，樣片均勻性的退磁磁場(chǎng)越小。由于機(jī)械加工準(zhǔn)確度的原因，本文設(shè)計(jì)的超微晶磁心樣片與磁極的距離設(shè)定為0.3mm。由于=[1234]這一組變量，并不是相互獨(dú)立的，所以不能通過(guò)參數(shù)化掃描的方式來(lái)確定最終的尺寸，需要進(jìn)行全局優(yōu)化。本文通過(guò)Comsol與Matlab聯(lián)合仿真，在Matlab中編寫優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)參數(shù)的優(yōu)化。優(yōu)化問(wèn)題可總結(jié)為

（11）

式中，coil()、p()分別為當(dāng)樣片磁通密度為1T時(shí)繞組的電壓和電流，可通過(guò)對(duì)磁心有限元模型進(jìn)行頻域分析得到；為設(shè)計(jì)變量，=[1,2,3,4]，下限min為幾何尺寸的約束，min[2, 0.2, 0.2, 0.2]，上限max[25, 25, 25, 5]。考慮楔角的極限情況，為保證磁極的楔形，有

（1）初始化。設(shè)定可行域，最大溫度max，下降速率，步長(zhǎng)，初始min及每一代的個(gè)體數(shù)rp。

（2）在T溫度下，按一定規(guī)律隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)步長(zhǎng)，生成rp個(gè)個(gè)體，通過(guò)有限元計(jì)算，計(jì)算每個(gè)個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)值S。

（3）每個(gè)S與min作比較，若S≤min則接受，并更新min；若S＞min則按式（13）進(jìn)行判斷。

式中，為[0,1]上的偽隨機(jī)數(shù)；為玻耳茲曼概率。在整個(gè)過(guò)程中，統(tǒng)計(jì)T下S＞min的次數(shù)1與被接受的次數(shù)2。

（4）降低溫度T并回到步驟（2）迭代。若2/1偏大，則優(yōu)化過(guò)程中限制了下山性，加大下降速率；若2/1偏小，則限制了上山性，此時(shí)T下降速率應(yīng)比原來(lái)小一些。

這樣，經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代，得到磁極初始與優(yōu)化后的尺寸見表1。由表1可看出，最終的優(yōu)化尺寸對(duì)電源功率的需求降低了36%，提高了高頻勵(lì)磁裝置的勵(lì)磁能力。

表1 磁極初始與優(yōu)化后的尺寸

Tab.1 Initial and optimal size of the magnetic pole

2.3 勵(lì)磁繞組的設(shè)計(jì)

當(dāng)頻率升高時(shí)，導(dǎo)體之間的電容效應(yīng)、趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)不能忽略。為減小高頻時(shí)兩相繞組的電容效應(yīng)，將單層繞組纏繞在磁心的軛部上，由于磁心厚度遠(yuǎn)大于樣片厚度，即使樣片飽和，磁心磁通密度仍然較低，具有較高的磁導(dǎo)率，因此漏磁較小，可忽略不計(jì)。為了減小高頻時(shí)繞組的趨膚效應(yīng)與鄰近效應(yīng)帶來(lái)的損耗，用litz線制作了單層繞組，litz線單根導(dǎo)體半徑為

式中，Cu為銅的電阻率；0為真空磁導(dǎo)率；max為最高實(shí)驗(yàn)頻率。由于litz線采用ETFE絕緣，極限溫升可達(dá)155℃，最大電流密度為5A/mm2，因此，繞組最大電流為

（15）

式中，Cu為單根導(dǎo)線截面積；max為導(dǎo)體能承受的最大電流密度。最終匝數(shù)為

式中，為磁動(dòng)勢(shì)。通過(guò)三維有限元計(jì)算可得到，當(dāng)樣片被磁化到1T時(shí)，litz線電流為8.9A，對(duì)應(yīng)繞組的匝數(shù)為12匝、繞組長(zhǎng)度為37.5mm。最終繞組的電感可由計(jì)算磁場(chǎng)能量得到，直流電阻由LCR分析儀測(cè)得為0.061W。為減小高頻的損耗，本文采用的litz繞組線徑為0.01mm，分5股，每股60匝，共300根漆包線。在10kHz時(shí)，交流電阻為直流電阻的5倍，相較電抗的變化，整體阻抗主要由電抗決定。為了減小電抗以適應(yīng)更高頻率的測(cè)試，須減小最終設(shè)計(jì)的勵(lì)磁電感。本文設(shè)計(jì)的litz繞組實(shí)際上是增大了單位通流能力，從而在保證安匝數(shù)不變的情況下，減小了匝數(shù)，進(jìn)而減小了勵(lì)磁電感。勵(lì)磁繞組電壓為

（17）

式中，ac為繞組等效交流電阻；為繞組等效電感；為繞組電流。

當(dāng)頻率為10kHz時(shí)，繞組上的勵(lì)磁電壓為65.52V，對(duì)應(yīng)電感為0.116mH，由此得到視在功率=589V·A。為了將樣片磁化到更接近飽和，在10kHz條件下，兩相繞組分別加載10A電流，可由實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買的功放AE 7548安全提供。

3 實(shí)驗(yàn)裝置的可行性

高頻旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁裝置的勵(lì)磁實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖9所示，主要包括以下幾部分：美國(guó)NI公司提供的PXI測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)高性能的多功能DAQ卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)的產(chǎn)生并采集；兩臺(tái)高性能的線性功放，可以實(shí)現(xiàn)DC～50kHz的功率放大，為超微晶高頻勵(lì)磁裝置提供勵(lì)磁電流；超微晶二維高頻勵(lì)磁裝置及復(fù)合式B&H傳感器。當(dāng)磁通密度較小時(shí)，傳感器產(chǎn)生的信號(hào)較小，且周圍空間中存在一些干擾磁場(chǎng)。對(duì)傳感器信號(hào)的前置處理如圖10所示，本課題組通過(guò)SR560得到了較好的結(jié)果。圖11給出了當(dāng)p=1.0T、= 10kHz時(shí)兩相繞組上的電壓和電流波形，可看出電流波形基本符合計(jì)算結(jié)果，而電壓略高于計(jì)算值，這主要是因?yàn)閘itz線在高頻時(shí)交流電阻的上升，但并不影響整體實(shí)驗(yàn)。

（a）實(shí)驗(yàn)框圖

（b）實(shí)物圖

圖9 高頻旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁裝置的勵(lì)磁實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

Fig.9 Exciting experiment system of the high frequency rotational magnetizer

（a）處理前

（b）處理后

圖10 對(duì)傳感器信號(hào)的前置處理

Fig.10 Preprocessing of the sensor signal

圖11 兩相繞組上的電壓和電流波形

4 結(jié)論

本文對(duì)四種主要的二維磁特性測(cè)量裝置進(jìn)行了有限元分析。通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)方形樣片及其所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)在不同磁化角度上都具有最好的均勻性，但是不同方向的磁化能力不同，產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)需要結(jié)合適當(dāng)?shù)姆答佀惴ā６鴪A形樣片對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)由于齒槽效應(yīng)，影響了樣片的均勻性。基于分析比較，本文以方形樣片為基礎(chǔ)，提出了一種立體式高頻旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁裝置，針對(duì)高頻繞組電容效應(yīng)、趨膚效應(yīng)對(duì)繞組進(jìn)行了改進(jìn)，然后分析了磁極雜散磁場(chǎng)對(duì)樣片均勻性的影響，提出了添加屏蔽層的方案，使樣片均勻的區(qū)域幾乎擴(kuò)大到整個(gè)樣片，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。最后，在考慮磁屏蔽層的情況下，對(duì)磁極尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，采用優(yōu)化后的勵(lì)磁裝置，勵(lì)磁效果提高了36%，明顯降低了對(duì)電源的要求，采用超微晶磁心的勵(lì)磁裝置可以將測(cè)量頻率擴(kuò)展到10kHz。

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Design and Optimization of a Magnetizer for High Frequency Rotational Magnetic Characterization for Nanocrystalline Alloy

（Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability Hebei University of Technology Tianjin 300130 China）

Rotational core loss is widely distributed in the T-joint of high frequency transformer and the stator of high speed motor. In order to have a better understanding of such properties, rotational core loss need to be characterized accurately in high frequencies. In this paper, four different magnetizing structures have been analyzed through the finite element method. The influence of the structures on the accuracy has been discussed. A new type magnetizer for high frequency two-dimensional magnetization is developed considering the physical characteristics of nanocrystalline alloy. The yoke geometric structure is optimized, which can extend the measuring frequency up to 10kHz.

Nanocrystalline alloy, 2D rotational magnetic property, high frequency magnetizer, optimization design

TM936

國(guó)家自然科學(xué)基金（51377042），河北省高等學(xué)校自然科學(xué)青年基金（QN2016200），河北省高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)領(lǐng)軍人才培育計(jì)劃(LJRC003)和新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（LAPS16002）資助項(xiàng)目。

2016-03-30 改稿日期 2016-06-26

陳 龍 男，1989年生，博士研究生，研究方向?yàn)榇判圆牧咸匦浴-mail: zhouhuoxuan@sina.com

汪友華 男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)數(shù)值計(jì)算和全局優(yōu)化設(shè)計(jì)。E-mail: wangyi@hebut.edu.cn（通信作者）