一種測量和評估有氣隙磁元件繞組交流電阻的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種測量和評估有氣隙磁元件繞組交流電阻的方法。將氣隙去除，構(gòu)成無氣隙磁元件，沿原氣隙位置繞制氣隙等效繞組，氣隙等效繞組的寬度等于對應(yīng)氣隙的寬度，根據(jù)氣隙等效繞組的磁動勢可以等效替代氣隙磁壓降作用的原理，以保持等效前、后的磁元件繞組窗口內(nèi)的磁場分布不變，將氣隙等效繞組的端口短路，采用兩端交流阻抗測量儀器測得無氣隙磁元件勵(lì)磁繞組兩端的交流電阻，然后按一定規(guī)律扣除氣隙等效繞組折算反射到勵(lì)磁繞組側(cè)的電阻，得到所述有氣隙磁元件勵(lì)磁繞組的交流電阻。該方法不僅可以方便、有效地評估對比不同氣隙設(shè)計(jì)方案對勵(lì)磁繞組交流電阻的影響，也可以準(zhǔn)確地測量有氣隙磁元件的繞組交流電阻，測量方便、快捷、成本低。
【專利說明】一種測量和評估有氣隙磁元件繞組交流電阻的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高頻磁元件繞組損耗【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種有氣隙高頻磁性元件繞組交流電阻的測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]磁元件擔(dān)負(fù)著磁能的傳遞、存儲、濾波等功能，在功率變換器中起著極其重要的作用，隨著功率變換器往高頻和高功率密度趨勢發(fā)展，其磁元件損耗成制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。磁元件繞組損耗的測量技術(shù)作為研究磁元件損耗的基礎(chǔ)，一直備受國內(nèi)外研究者的關(guān)注，其測量精度影響著磁元件損耗的分析以及模型的建立，而對于磁元件繞組損耗的測量可以通過測量磁元件繞組的交流電阻計(jì)算得到。
[0003]現(xiàn)有磁元件繞組交流電阻的測量方法中，對于變壓器，一般采用繞組短路測量法。由于繞組短路，磁芯磁通基本為零，因此測量得到的總交流電阻就是繞組交流電阻。但對于有氣隙的磁元件，如電感器，目前還沒有有效的方法從測量得到的總交流電阻中分離出繞組交流電阻和磁芯電阻。對于氣隙磁元件，繞組窗口的磁場十分復(fù)雜，影響因素很多，如氣隙位置、大小、個(gè)數(shù)、繞組窗口形狀以及繞組線規(guī)和布置方式等，研究表明不同的氣隙參數(shù)設(shè)計(jì)對繞組交流電阻影響很大。國內(nèi)外目前還沒有一種有效的磁元件繞組交流阻抗測量評估方法，因此研究有氣隙磁元件繞組交流電阻的測量技術(shù)具有重要的理論分析和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有測量技術(shù)無法對有氣隙磁元件高頻繞組的交流電阻進(jìn)行有效測量的問題，本發(fā)明提供一種磁元件繞組交流電阻的測量評估方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種測量和評估有氣隙磁元件勵(lì)磁繞組交流電阻的方法，其特征在于:所述有氣隙磁元件由磁芯、各氣隙和勵(lì)磁繞組組成；將所述有氣隙磁元件的各氣隙部分去除，形成一個(gè)無氣隙磁元件，沿所述各氣隙位置繞制繞組以形成氣隙等效繞組，并進(jìn)行短路或連接，以代替各氣隙的作用，測量所述無氣隙磁元件勵(lì)磁繞組兩端的交流電阻，并從所述交流電阻中扣除各氣隙等效繞組折算反射到勵(lì)磁繞組側(cè)的電阻，從而得到所述有氣隙磁元件勵(lì)磁繞組的交流電阻，更進(jìn)一步根據(jù)勵(lì)磁繞組的工作電流得到勵(lì)磁繞組損耗。
[0006]在本發(fā)明一實(shí)施例中，該方法能用于測量不同氣隙設(shè)計(jì)參數(shù)(如不同的氣隙位置、個(gè)數(shù)和大小)的交流電阻和評估不同氣隙設(shè)計(jì)方案對繞組交流電阻的影響。
[0007]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述各氣隙等效繞組位于各氣隙的位置，且其寬度與有氣隙磁元件的對應(yīng)的各氣隙寬度相同。
[0008]在本發(fā)明一實(shí)施例中，氣隙等效繞組采用相對于測量頻率下渦流透入深度來說線徑盡量細(xì)的導(dǎo)線(如0.0lmm)或厘茲線繞制，以保證氣隙等效繞組的交流電阻基本等于其直流電阻。[0009]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述短路的方式是將各氣隙等效繞組短路，實(shí)現(xiàn)對勵(lì)磁繞組交流電阻的測量。
[0010]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述短路的方式是將各氣隙等效繞組的異名端連接串聯(lián)起來之后短路，實(shí)現(xiàn)對勵(lì)磁繞組交流電阻的測量，其中各氣隙等效繞組的匝數(shù)比例等于各氣隙長度的比例。
[0011]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述連接的方式是將磁元件勵(lì)磁繞組與氣隙等效繞組同名端連接串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對勵(lì)磁繞組交流電阻的測量，各氣隙等效繞組的總匝數(shù)等于勵(lì)磁繞組的匝數(shù)。
[0012]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述連接的方式是將磁元件各氣隙等效繞組異名端連接串聯(lián)組成一總的氣隙等效繞組，再將該總的氣隙等效繞組與勵(lì)磁繞組同名端連接串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對勵(lì)磁繞組交流電阻的測量，其中各氣隙等效繞組的總匝數(shù)等于勵(lì)磁繞組的匝數(shù)，且各氣隙等效繞組的匝數(shù)比例等于各氣隙長度的比例。
[0013]在本發(fā)明一實(shí)施例中，采用兩端交流阻抗測量儀器，測量所述被測磁元件勵(lì)磁
繞組端口的交流電阻 進(jìn)而根據(jù)=為.-Λ1-黽算出勵(lì)磁繞組電阻&，其中Jls為
氣隙等效繞組的直流電阻，》為勵(lì)磁繞組與氣隙等效繞組的匝數(shù)比值，進(jìn)一步通過公式
Pr=計(jì)算獲得勵(lì)磁繞組的交流損耗。嚴(yán)格上說，如上測量方法得到的有氣隙磁元件
的交流電阻還包括本發(fā)明所述的無氣隙磁元件的磁芯電阻，但由于本發(fā)明所述的無氣隙磁元件的勵(lì)磁繞組安匝磁勢與氣隙等效繞組的安匝磁勢大小相等方向相反，兩者產(chǎn)生的磁場相互抵消，此時(shí)磁芯中的磁通密度很小，只存在于氣隙等效繞組靠近的很小一部分磁芯，因此相對于本發(fā)明所述的氣隙電感磁芯電阻，等效氣隙電感的磁芯電阻完全可以忽略不計(jì)。
[0014]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明適`用于不同氣隙設(shè)計(jì)參數(shù)下的有氣隙磁元件繞組交流電阻的測量，解決了有氣隙磁元件高頻繞組交流電阻難以測量評估的問題；并可方便地對比評估不同磁元件設(shè)計(jì)，尤其是不同氣隙布置下的繞組交流電阻；也能用于現(xiàn)有磁芯損耗測量技術(shù)中從總損耗中扣除繞組損耗，從而分離出磁芯損耗。此外，本發(fā)明可以采用一般的阻抗測量儀器，如LCR測量儀、阻抗分析儀等，測量方便、快捷、準(zhǔn)確。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是單氣隙電感氣隙等效繞組短路法的原理圖。
[0016]圖2是單氣隙電感勵(lì)磁繞組與氣隙等效繞組同名端串聯(lián)連接法的原理圖。
[0017]圖3是分布式氣隙電感各氣隙等效繞組短路的原理圖。
[0018]圖4是分布式氣隙電感各氣隙等效繞組的異名端串聯(lián)連接并短路的原理圖。
[0019]圖5是分布式電感氣隙電感勵(lì)磁繞組與總的氣隙等效繞組同名端串聯(lián)連接法的原理圖。
[0020]圖6是有氣隙電感模型圖。
[0021]圖中，1-被測磁元件氣隙等效繞組，2-短路，3-氣隙等效繞組寬度(即實(shí)際氣隙寬度)，4-有氣隙磁元件的氣隙位置，5-被測磁元件磁芯，6-被測磁元件勵(lì)磁繞組，7-交流阻抗測量儀器端口，8-被測磁元件氣隙等效繞組，9-有氣隙磁元件的氣隙位置，10-氣隙等效繞組寬度(即實(shí)際氣隙寬度)，11-被測磁元件勵(lì)磁繞組，12-被測磁元件磁芯，13-交流阻抗測量儀器端口，14-勵(lì)磁繞組與氣隙等效繞組同名端連接串聯(lián)，15-短路，16-短路，17-被測磁元件的第一個(gè)氣隙等效繞組，18-有氣隙磁元件第一個(gè)氣隙的位置，19-有氣隙磁元件第二個(gè)氣隙的位置，20-被測磁元件的第二個(gè)氣隙等效繞組，21-第一個(gè)氣隙等效繞組寬度，22-第二個(gè)氣隙等效繞組寬度，23-被測磁元件磁芯，24-被測磁元件勵(lì)磁繞組，25-交流阻抗測量儀器端口，26-兩個(gè)氣隙等效繞組的一組異名端相連接，27-兩個(gè)氣隙等效繞組的另一組異名端相連接，28-被測磁元件的第一個(gè)氣隙等效繞組，29-有氣隙磁元件第一個(gè)氣隙的位置，30-有氣隙磁元件第二個(gè)氣隙的位置，31-被測磁元件的第二個(gè)氣隙等效繞組，32-第一個(gè)氣隙等效繞組寬度，33-第二個(gè)氣隙等效繞組寬，34-被測磁元件磁芯，35-被測磁元件勵(lì)磁繞組，36-交流阻抗測量儀器端口，37-兩個(gè)氣隙等效繞組的一組異名端相連接，38-被測磁元件的第一個(gè)氣隙等效繞組，39-有氣隙磁元件第一個(gè)氣隙的位置，40-有氣隙磁元件第二個(gè)氣隙的位置，41-被測磁元件的第二個(gè)氣隙等效繞組，42-勵(lì)磁繞組與兩個(gè)氣隙等效繞組組成的總氣隙等效繞組同名端連接串聯(lián)，43-第一個(gè)氣隙等效繞組寬度，44-第2個(gè)氣隙等效繞組寬，45-被測磁元件磁芯，46-被測磁元件勵(lì)磁繞組，47-交流阻抗測量儀器端口，48-有氣隙電感的氣隙，49-氣隙寬度，50-有氣隙電感磁芯，51有氣隙電感的勵(lì)磁繞組。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明所述的有氣隙電感高頻繞組交流電阻的測量方法中，有氣隙電感由磁芯50，氣隙48以及勵(lì)磁繞組51組成。本發(fā)明將去除氣隙48，沿氣隙48的位置繞制氣隙等效繞組1，氣隙等效繞組的寬度3等于對應(yīng)氣隙的寬度49，構(gòu)造一個(gè)無氣隙電感，并將所述無氣隙電感作為測試對象。
[0023]為了所述被測電感磁芯窗口的磁場分布與實(shí)際氣隙電感的磁場分布保持一致，從而使得所述被測電感繞組的交流電阻與實(shí)際氣隙電感的繞組交流電阻相等，上述被測電感氣隙等效繞組的寬度要等于有氣隙電感的氣隙寬度。
[0024]為了便于扣除或可以忽略所述氣隙等效繞組的交流電阻，所述氣隙等效繞組采用相對于測量頻率下渦流透入深度來說線徑盡量細(xì)的導(dǎo)線(如0.0lmm),由于細(xì)導(dǎo)線在一定頻率范圍內(nèi)其渦流效應(yīng)影響很小，所述氣隙等效繞組的交流電阻基本等于直流電阻。
[0025]對于單氣隙電感氣隙等效繞組短路的測量方案，如圖1。將氣隙等效繞組I固定在無氣隙磁芯5的對應(yīng)氣隙48位置并短路，從所述被測電感勵(lì)磁繞組6的兩端口用交流阻抗測量儀器7測量被測電感繞組的總交流電阻，進(jìn)而扣除氣隙等效繞組I折算反射到勵(lì)磁繞組6側(cè)的電阻，即為所述被測電感的繞組交流電阻。
[0026]對于單氣隙電感勵(lì)磁繞組與氣隙等效繞同名端串聯(lián)連接法的測量方案，如圖2。將氣隙等效繞組8固定在無氣隙磁芯12的對應(yīng)氣隙48位置，并將勵(lì)磁繞組11與氣隙等效繞組8反接串聯(lián)，即將勵(lì)磁繞組11與氣隙等效繞組8中的一組兩個(gè)同名端連接，從另外一組同名端的兩端點(diǎn)用交流阻抗測量儀器13測量被測電感繞組的總交流電阻，進(jìn)而將測量得到的交流電阻扣除氣隙等效繞組8的直流電阻，即為所述被測電感的繞組交流電阻。
[0027]對分布式氣隙電感氣隙等效繞組短路法的測量方案，如圖3。將氣隙等效繞組17、20固定在無氣隙磁芯23的對應(yīng)各氣隙位置，并將氣隙等效繞組17、20各自短路，從所述被測電感勵(lì)磁繞組24的兩端口用交流阻抗測量儀器25測量被測電感繞組的總交流電阻，進(jìn)而扣除各氣隙等效繞組折算反射到勵(lì)磁繞組24側(cè)的總電阻，即為所述被測電感的繞組交流電阻。
[0028]對于分布式氣隙電感各氣隙等效繞組的異名端連接串聯(lián)并短路的測量方案，如圖
4。將氣隙等效繞組28、31固定在無氣隙磁芯34的對應(yīng)各氣隙位置，并將氣隙等效繞組28、31的異名端連接串聯(lián)組成一個(gè)總的氣隙等效繞組，再將該總的氣隙等效繞組的兩端短路，從所述被測電感勵(lì)磁繞組35的兩端口用交流阻抗測量儀器36測量被測電感繞組的總交流電阻，進(jìn)而扣除各氣隙等效繞組折算反射到勵(lì)磁繞組35側(cè)的總電阻，即為所述被測電感的繞組交流電阻。
[0029]對于分布式氣隙電感勵(lì)磁繞組與總的氣隙等效繞組同名端串聯(lián)連接的測量方案，如圖5。氣隙等效繞組38、41的異名端連接串聯(lián)組成一個(gè)總的氣隙等效繞組，再將勵(lì)磁繞組46與總的氣隙等效繞組反接串聯(lián)，即將勵(lì)磁繞組46與總的氣隙等效繞組中的一組兩個(gè)同名端連接，從另外一組同名端的兩端點(diǎn)用交流阻抗測量儀器47測量被測電感繞組的總交流電阻，進(jìn)而將測量得到的交流電阻扣除各氣隙等效繞組38、41的直流電阻，即為所述被測電感的繞組交流電阻。
[0030]對于多于兩個(gè)氣隙的分布式氣隙電感，所述原理和方案同樣適用。
[0031]進(jìn)一步將交流電阻乘以所述電感的工作電流的平方，可以得到所述電感的繞組損耗，本實(shí)施例中，采用兩端交流阻抗測量儀器，測量所述被測磁元件勵(lì)磁繞組端口的交流電
阻為RT，進(jìn)而根據(jù)Rw=RT-N2-RS 算出勵(lì)磁繞組電阻Rw，其中RS為氣隙等效繞組的直流電
阻?力勵(lì)磁繞組與氣隙等效繞組的匝數(shù)比值，進(jìn)一步通過公式Pw=Iw2-Rw計(jì)算獲得勵(lì)磁繞組的交流損耗。
[0032]以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種測量和評估有氣隙磁元件勵(lì)磁繞組交流電阻的方法，其特征在于:所述有氣隙磁元件由磁芯、各氣隙和勵(lì)磁繞組組成；將所述有氣隙磁元件的各氣隙部分去除，形成一個(gè)無氣隙磁元件，沿所述各氣隙位置繞制繞組以形成氣隙等效繞組，并進(jìn)行短路或連接，以代替各氣隙的作用，測量所述無氣隙磁元件勵(lì)磁繞組兩端的交流電阻，并從所述交流電阻中扣除各氣隙等效繞組折算反射到勵(lì)磁繞組側(cè)的電阻，從而得到所述有氣隙磁元件勵(lì)磁繞組的交流電阻，更進(jìn)一步根據(jù)勵(lì)磁繞組的工作電流得到勵(lì)磁繞組損耗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量和評估有氣隙磁元件繞組交流電阻的方法，其特征在于:該方法能用于測量不同氣隙設(shè)計(jì)參數(shù)的交流電阻和評估不同氣隙設(shè)計(jì)方案對繞組交流電阻的影響。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量和評估有氣隙磁元件繞組交流電阻的方法，其特征在于:所述各氣隙等效繞組位于各氣隙的位置，且其寬度與有氣隙磁元件的對應(yīng)的各氣隙覽度相問。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量和評估有氣隙磁元件繞組交流電阻的方法，其特征在于:氣隙等效繞組采用相對于測量頻率下渦流透入深度來說線徑盡量細(xì)的導(dǎo)線或厘茲線繞制，以保證氣隙等效繞組的交流電阻基本等于其直流電阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量和評估有氣隙磁元件繞組交流電阻的方法，其特征在于:所述短路的方式是將各氣隙等效繞組短路，實(shí)現(xiàn)對勵(lì)磁繞組交流電阻的測量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量和評估有氣隙磁元件繞組交流電阻的方法，其特征在于:所述短路的方式是將各氣隙等效繞組的異名端連接串聯(lián)起來之后短路，實(shí)現(xiàn)對勵(lì)磁繞組交流電阻的測量，其中各氣隙等效繞組的匝數(shù)比例等于各氣隙長度的比例。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量和評估有氣隙磁元件繞組交流電阻的方法，其特征在于:所述連接的方式是將磁元件勵(lì)磁繞組與氣隙等效繞組同名端連接串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對勵(lì)磁繞組交流電阻的測量，各氣隙等效繞組的總匝數(shù)等于勵(lì)磁繞組的匝數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量和評估有氣隙磁元件繞組交流電阻的方法，其特征在于:所述連接的方式是將磁元件各氣隙等效繞組異名端連接串聯(lián)組成一總的氣隙等效繞組，再將該總的氣隙等效繞組與勵(lì)磁繞組同名端連接串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對勵(lì)磁繞組交流電阻的測量，其中各氣隙等效繞組的總匝數(shù)等于勵(lì)磁繞組的匝數(shù)，且各氣隙等效繞組的匝數(shù)比例等于各氣隙長度的比例。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量和評估有氣隙磁元件繞組交流電阻的方法，其特征在于:采用兩端交流阻抗測量儀器，測量所述被測磁元件勵(lì)磁繞組端口的交流電阻Rr，進(jìn)而根據(jù)為為RW=Rr-n2-Rs算出勵(lì)磁繞組電阻為Rw，其中Rs馬為氣隙等效繞組的直流電阻，n為勵(lì)磁繞組與氣隙等效繞組的匝數(shù)比值，進(jìn)一步通過公式pw=IW2-RW計(jì)算獲得勵(lì)磁繞組的交流損耗。
【文檔編號】G01R27/02GK103630746SQ201310641871
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】陳為, 葉建盈, 汪晶慧 申請人:福州大學(xué)