CN109425840A - 一种纳米晶旋转磁特性测试***及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米晶旋转磁特性测试***及测量方法，属于纳米晶材料磁特性测量设备，涉及纳米晶材料旋转磁特性测量装置和测量方法。包括NI工控机、LabVIEW信号发生和采集板卡、旋转磁特性测试仪、功率放大器、阻抗匹配电容箱、B‑H复合磁传感器及差分放大电路；本发明两正交磁路采用对称式双轭结构，两磁路独立励磁，可根据实际工况进行圆形、椭圆形和平面内任意方向上的交变励磁。B‑H复合磁传感器由两个H线圈以及四根探针组成，两窗口方向垂直的H线圈绕制在可拆卸的方形内环PCB基板上用于测试两个正交方向上的磁场强度H，四根钢针安装于外PCB基板上，两个探针为一组，测试两个方向的磁通密度B。外PCB基板设计焊点和导线固定孔。测试样品两侧设置匀场保护层，保证测试区域的均匀性，提高测试精度。

Description

一种纳米晶旋转磁特性测试***及测量方法

技术领域

本发明涉及一种纳米晶旋转磁特性检测装置，具体涉及一种纳米晶旋转磁特性测试***及测量方法。

背景技术

纳米晶铁心三相高频变压器的T型结合处存在旋转磁场，产生旋转损耗，采用已有的环形样件测试方法不能测试旋转磁场，难以实现纳米晶铁心三相高频变压器损耗的精确计算，因此需要搭建纳米晶旋转磁特性测试装置。纳米晶旋转磁特性检测基于法拉第电磁感应定律及交变磁场下的涡流效应获取样品中的磁场信号。通过两对轴向正交的励磁绕组对样品进行励磁，通过LabVIEW反馈控制程序可以精确的控制磁场空间轨迹；通过紧贴于样品表面的结合探针和感应线圈的B-H复合磁传感器对样品中磁场信号进行检测。

已有技术的磁特性检测装置，磁路结构采用单C环结构，磁路对称性差；励磁绕组采用矩形结构窗口利用率低，漏磁问题突出；磁路材料为硅钢片，高频下具有较高的铁心损耗，发热问题严重。已有技术的检测装置不能实现高频下旋转磁特性的模拟。

已有技术的磁特性检测装置，B和H传感器集成度低，需要较大的磁场均匀区域，B传感器采用打孔的方式，容易破坏样品的磁特性；在导线穿孔的过程中容易造成导线绝缘的破坏，造成匝间短路，影响测试结果；H传感器置于B传感器上方，将导致H传感器与样品表面的距离增大，增加测试误差，不置于H线圈上方又会增加磁场均匀区域面积需求。

发明内容

1、发明目的：

针对现有技术的上述缺陷和问题，本发明提供了一种纳米晶旋转磁特性测试***，以及样品在圆形旋转磁场，椭圆形旋转磁场以及平面任意方向交变磁场下的磁特性检测方法。

2、技术方案：本发明提供如下技术方案：

一种纳米晶旋转磁特性测试***，包括NI工控机，与工控机相连LabVIEW信号发生和采集板卡，LabVIEW板卡的信号输出端依次连接功率放大器，旋转磁特性测试仪，阻抗匹配电容箱，大功率水冷电阻作为***的励磁回路；植入测试仪中的B-H复合磁传感器经屏蔽线分别经过差分放大电路，LabVIEW板卡的信号输入端作为***的采集回路；NI工控机设置励磁信号，励磁信号经过功率放大器放大后驱动两对轴向正交的励磁绕组，阻抗匹配电容箱用于与励磁电感发生谐振，提高励磁电流以更易实现样品充分磁化。植入到测试样品表面的B-H复合磁传感器检测磁场信号，经屏蔽线输入到差分放大电路中进行微小信号的放大，信号放大后输入到LabVIEW信号采集端，通过工控机进行数据的处理与存储。

纳米晶旋转磁特性测试仪励磁磁路包括铁心、铁轭、铁心极头以及极头端面。铁轭处与固定装置相连；

两对梯形分段式励磁绕组绕置在励磁铁心处，分段式励磁绕组采用litz线进行绕制；第一段、第二段和第三段分别具有1、2和3个抽头，每个抽头之间的绕组匝数相同，励磁绕组绕制完成后进行环氧树脂浇筑，绕组与铁心间进行浇筑固定；

立方体传感箱与极头间方形区域面积相同，便于实现极头端面与样品的紧密接触。四根方形柱位于底座的四角，支撑定位板、匀场保护层和样品。样品和匀场保护层由四角带有缺口的纳米晶薄片制成。传感箱上顶盖采用螺丝固定可拆卸，定位板与定位板之间放置样品，定位板与底座、顶盖之间放置匀场保护层。定位板中心掏空以嵌入B-H复合磁传感器。

B-H复合磁传感器由两个H线圈以及四根探针组成，两窗口方向垂直的H线圈采用直焊自粘型漆包铜线绕制在可拆卸的方形内PCB基板上，四个钢针安装于外PCB基板上，两个探针为一组，探针高度略高于H线圈。外PCB基板设置焊点和导线固定孔。内外PCB基板用非导电粘胶进行粘连，B-H复合磁传感器引出线重合双绞减小干扰信号的影响。

一种纳米晶旋转磁特性测试***及测量方法，包括以下步骤：

步骤一：将内置样品、匀场极靴与传感器的样品箱放置在两对极头之间，调整样品箱位置使其与极头面对齐并紧密接触；

步骤二：根据励磁频率查表选择一种绕组连接方式；

步骤三：查表得到电容箱的电容值，确定电容箱的连接方式；

步骤四：通过LabVIEW程序发出单方向交变励磁信号，加载到励磁绕组上，在样品形成交变磁场；

步骤五：观察磁通密度和磁场强度波形，存储磁特性数据，判断样品是否达到饱和；如果样品未达到饱和，提高励磁电压信号；

步骤六：重复步骤五，直至样品饱和；

步骤七：观察到磁场饱和后，缓慢减小励磁信号，对样品进行退磁；

步骤八：通过LabVIEW程序发出另一方向交变励磁信号，重复步骤五、六、七，完成样品的退磁；

步骤九：通过LabVIEW程序控制生成两路相位配合的独立励磁信号，加载到轴向正交的两对励磁绕组上，在样品形成所需磁场，重复步骤五；

步骤十：更换绕组连接方式，重复步骤四、五、六、七、八、九，直至检测完成所需频率和励磁方式下的磁特性检测。

3、优点及效果：本发明相对于现有技术而言，本发明具有以下优点：

1)本发明磁路材料选用高频下具有高饱和磁密、高起始磁导率、低磁芯损耗、耐热性和耐磨性好的Fe-M-V系纳米晶材料。励磁频率范围为10k-50kHz，可以精确地模拟纳米晶材料实际工况下的磁特性。

2)本发明磁路结构采用双轭结构，且两个磁轭长度相同，磁路对称性高，漏磁小；励磁绕组采用梯形分段式结构，提高测试仪的窗口利用率，降低励磁难度，段间设置抽头，且两抽头间的绕组匝数相同，便于实现绕组的灵活串并联。

3)立方体样品箱，便于样品的更换和准确定位，设置匀场保护层使测试区域磁场更加均匀。

4)本发明B-H复合磁传感器具有较高的集成度，降低了磁场均匀区域的面积需求；引出线采用固定孔以及固定漆进行固定防止引出线振动带来的干扰以及安装过程中导线受力导致导线损坏；两焊点之间形成的线圈窗口与测试方向平行，有效地减少了另一方向磁场的干扰；引出线采用重合双绞减小杂散场的干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图

图1是本发明测量***示意图。

图2是本发明检测装置主体结构示意图。

图3是本发明B-H复合磁传感器示意图。

图4是本发明样品箱示意图。

附图标记说明：

1、NI工控机 2、LabVIEW信号发生与采集板卡 3、功率放大器 4、阻抗匹配电容箱5、大功率电阻 6、纳米晶旋转磁特性测试仪 7、差分放大电路 8、上下磁轭 9、左右磁轭10、梯形分段式励磁绕组 11、样品箱 12、铁心 13、铁心极头端面 14、H线圈 15、内PCB基板16、外PCB基板 17、与H线圈相连屏蔽线的焊点1 18、与H线圈相连屏蔽线的焊点2 19、H线圈焊点1 20、H线圈焊点2 21、过板孔 22、与探针25相连的焊点 23、与探针相连屏蔽线的焊点1 24、与探针相连屏蔽线的焊点2 25、与26为一组测某一方向的磁通密度信号的探针 26、分别与25和27为一组测两垂直方向磁通密度信号的探针 27、与26为一组测另一方向的磁通密度信号的探针 28、起支撑作用的探针 29、与探针26相连的焊点 30、与探针相连屏蔽线的焊点1 31、与探针相连屏蔽线的焊点2 32、底座 33、顶盖 34、匀场保护层 35、测试样品 36、定位板 37、嵌入B-H复合磁传感器的定位板 38、B-H复合磁传感器

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为纳米晶旋转磁特性测试***，NI工控机1发出励磁信号，励磁信号从LabVIEW板卡2的输出端输出经过功率放大器3放大后驱动两对轴向正交的励磁绕组10，分别经过与励磁电感发生谐振的阻抗匹配电容箱4和用于短路保护的大功率电阻5。植入到测试样品35表面的B-H复合磁传感器38检测磁场信号，经屏蔽线输入到差分放大电路7中进行微小信号的放大，信号放大后输入到LabVIEW板卡的信号采集端，通过工控机进行数据的处理与存储。图中箭头代表信号走向。

具体测量方法为：

步骤一：将内置样品、匀场保护层34与B-H复合磁传感器的样品箱11放置在两对极头之间，调整样品箱位置使其与极头端面13对齐并紧密接触；

步骤二：根据励磁频率查表选择一种绕组连接方式；

步骤三：查表得到电容箱的电容值，确定电容箱的连接方式；

步骤四：通过LabVIEW程序发出单方向交变励磁信号，加载到励磁绕组上，在样品形成交变磁场；

步骤五：观察磁通密度和磁场强度波形，存储磁特性数据，判断样品是否达到饱和；如果样品未达到饱和，提高励磁电压信号；

步骤六：重复步骤五，直至样品饱和；

步骤七：观察到磁场饱和后，缓慢减小励磁信号，对样品进行退磁；

步骤八：通过LabVIEW程序发出另一方向交变励磁信号，重复步骤五、六、七，完成样品的退磁；

步骤九：通过LabVIEW程序控制生成两路相位配合的独立励磁信号，加载到轴向正交的两对励磁绕组上，在样品中形成所需磁场，重复步骤五；

步骤十：更换励磁绕组连接方式，重复步骤四、五、六、七、八、九，直至检测完成所需频率和励磁方式下的磁特性检测。

本发明在励磁回路中增加了阻抗匹配电容箱，可以根据励磁频率和励磁绕组连接方式灵活调节匹配电容值。

图2、3和4为纳米晶旋转磁特性测试仪6的结构，磁路结构采用双轭结构，且两个磁轭8、9长度相同。励磁绕组采用梯形分段式结构，段间设置抽头，且两抽头间的绕组匝数相同，对称地绕制在两对正交铁心12上。

立方体样品箱置于两对铁心极头端面形成的方形区域，顶盖33经螺丝与底座32相连便于更换样品，两片匀场保护层置于定位板36、37和样品箱底座、顶盖之间，定位板之间放置测试样品，测试样品与探针接触处去除表面绝缘，其中一个定位板37内嵌B-H复合磁传感器，定位板与样品的总厚度略高于样品箱底座与顶盖之间的距离，便于施加一定的压力。底座四角设置方形孔，可将B-H复合磁传感器的信号线从中引出。

B-H复合磁传感器由两个H线圈14以及四根探针25、26、27、28组成，两窗口方向垂直的H线圈绕制在可拆卸的方形内PCB基板15上用于测试两个正交方向上的磁场强度H，四根探针安装于外PCB基板16上，两个探针为一组，测试两个方向的磁通密度B。外PCB基板设计焊点和导线固定孔，与屏蔽线相连焊点17、18、23、24、30、31窗口方向与被测磁场方向一致，焊点19、20、22、29用于分别H线圈或者探针25、26的引出线的固定，过板孔21用于将引线从PCB板反面引导正面进行焊接。

***的工作原理为：NI工控机设置励磁信号，励磁信号经过功率放大器放大后驱动两对轴向正交的励磁绕组，阻抗匹配电容箱用于与励磁电感发生谐振，提高励磁电流以更易实现样品充分磁化。植入到测试样品表面的B-H复合磁传感器检测磁场信号，经屏蔽线输入到差分放大电路中进行微小信号的放大，信号放大后输入到LabVIEW信号采集端，通过工控机进行数据的处理与存储。

通过上述内容不难发现，本发明具有以下优点：

1)测量***的励磁回路中加入阻抗匹配电容箱，降低了励磁难度。

2)本发明磁路结构采用双轭结构，且两个磁轭长度相同，磁路对称性高，漏磁小；励磁绕组采用梯形分段式结构，提高测试仪的窗口利用率，降低励磁难度，段间设置抽头，且两抽头间的绕组匝数相同，便于实现绕组的灵活串并联。

3)立方体样品箱，便于样品的更换和准确定位，设置匀场保护层使测试区域磁场更加均匀。

4)本发明B-H复合磁传感器具有较高的集成度，降低了磁场均匀区域的面积需求；引出线采用固定孔以及固定漆进行固定防止引出线振动带来的干扰以及安装过程中导线受力导致导线损坏；两焊点之间形成的线圈窗口与测试方向平行，有效地减少了另一方向磁场的干扰；引出线采用重合双绞减小杂散场的干扰。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种纳米晶旋转磁特性测试***，包括NI工控机，与工控机相连LabVIEW信号发生和采集板卡，LabVIEW板卡的信号输出端依次连接功率放大器，梯形分段式励磁绕组，阻抗匹配电容箱，大功率水冷电阻作为***的励磁回路；B-H复合磁传感器经屏蔽线分别经过差分放大电路，LabVIEW板卡的信号输入端作为***的采集回路；其特征在于：励磁回路采用匹配电容箱，利用串联谐振，提高励磁电流。

2.根据权利要求1所述的纳米晶旋转磁特性测试***，其特征在于，旋转磁特性测试仪的主磁路由四个尺寸完全相同的C环组成，两个为一组形成一个励磁回路，励磁回路包括铁心和铁轭，铁心切口处为平面或锥台形结构，分段式梯形励磁绕组绕制在绕组骨架上，然后组装于铁心位置，铁心中心形成的正方形区域放置立方体传感箱。

3.根据权利要求2所述的纳米晶旋转磁特性测试***，其特征在于，立方体传感箱包括底座，顶盖，两块定位板，作为样品和匀场保护层的三块四角带有缺口的纳米晶薄片；传感箱上顶盖采用螺丝固定可拆卸，定位板与定位板之间放置样品，定位板与底座、顶盖之间放置匀场保护层；定位板中心区域掏空用于镶嵌B-H复合磁传感器。

4.根据权利要求3所述的纳米晶旋转磁特性测试***，其特征在于，匀场保护层与样品均为纳米晶薄片，且材料、尺寸及形状均相同，样品表面安装探针处去绝缘。四角位置设计四个方形缺口，保证有效边长与铁心极头边长相同。

5.根据权利要求1所述的纳米晶旋转磁特性测试***，其特征在于，B-H复合磁传感器由内外两个基板组成，两窗口方向垂直的H线圈绕制在可拆卸的方形内PCB基板上用于测试两个正交方向上的磁场强度H，四个钢针安装于外PCB基板上，两个探针为一组，测试两个方向的磁通密度B，由三根探针用于磁场检测，一根探针作为支撑结构；外PCB基板设计焊点和导线过板孔；B-H复合磁传感器引出线重合双绞减小干扰信号的影响。

6.一种纳米晶旋转磁特性测试***及测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：将内置样品、匀场极靴与传感器的样品箱放置在两对极头之间，调整样品箱位置使其与极头面对齐并紧密接触；

步骤二：根据励磁频率查表选择一种绕组连接方式；

步骤三：查表得到电容箱的电容值，确定电容箱的连接方式；

步骤四：通过LabVIEW程序发出单方向交变励磁信号，加载到励磁绕组上，在样品形成交变磁场；

步骤五：观察磁通密度和磁场强度波形，存储磁特性数据，判断样品是否达到饱和；如果样品未达到饱和，提高励磁电压信号；

步骤六：重复步骤五，直至样品饱和；

步骤七：观察到磁场饱和后，缓慢减小励磁信号，对样品进行退磁；

步骤八：通过LabVIEW程序发出另一方向交变励磁信号，重复步骤五、六、七，完成样品的退磁；

步骤九：通过LabVIEW程序控制生成两路相位配合的独立励磁信号，加载到轴向正交的两对励磁绕组上，在样品形成所需磁场，重复步骤五；

步骤十：更换绕组连接方式，重复步骤四、五、六、七、八、九，直至检测完成所需频率和励磁方式下的磁特性检测。