一种高频磁元件绕组损耗的测量方法与流程

本发明涉及绕组损耗测量领域，特别是一种高频磁元件绕组损耗的测量方法。

背景技术：

磁元件作为电器设备、电力系统和电力电子功率变换器中的重要元件，可实现磁能的传递、存储、滤波等功能，随着电力电子功率变换器往高频和高功率密度趋势发展，磁元件损耗在磁元件设计和功率变换器效率中起到极其重要作用，同时，也成为制约其发展的关键因素之一，因此研究磁元件损耗具有重要意义。

磁元件绕组损耗通常采用两种技术进行评估，一种是采用理论计算和电磁场有限元分析软件对磁元件的绕组损耗进行计算评估，这种评估方法是根据绕组损耗模型或电磁场理论对磁元件绕组损耗进行理论计算，无法体现磁场、温度以及实际工况等因素对绕组损耗的影响。另一种是采用测量技术对绕组损耗进行测量评估，磁元件绕组损耗的测量技术作为研究磁元件损耗的基础，其测量精度影响着磁元件损耗的分析以及模型的建立。目前国内外研究者基本都是对磁元件绕组损耗理论计算方法和有限元仿真技术的研究，对绕组损耗测量技术的研究比较少，测量技术是获得实验数据最直接和有效的手段。因此，有必要对绕组损耗的测量技术进行深入研究。

现有磁元件绕组损耗的间接测量方法中，一般通过测量磁元件绕组的交流电阻而间接得到磁元件的绕组损耗。间接测量方法无法体现电磁场、温度以及实际工况对绕组损耗的影响；另外，对于多绕组情况的磁元件，这种测量方法得到的是初次级绕组的总损耗，无法得到其中的某个绕组损耗。

另外，现有磁元件绕组损耗的测量通常是通过阻抗分析设备测量磁元件绕组的等效电阻，再根据电阻和电流与功率的关系间接得到绕组损耗，这种间接方法获得的绕组损耗并没有考虑到实际工况对绕组损耗的影响。而实际的磁元件绕组损耗都会受到工况下温度和磁场等影响，因此研究磁元件绕组损耗的直接测量方法具有重要的理论分析和实际应用价值。

磁芯和绕组组成的磁元件作为一个元件在电路中使用，其损耗包含了绕组损耗和磁芯损耗，以目前的测量技术这两部分损耗难以分离，特别在高频应用领域，由于磁元件的高频特性，使得绕组损耗和磁芯损耗分离的测量技术面临艰难挑战。现有国内外测量技术的研究主要是针对磁元件中磁芯损耗的测量研究，绕组损耗测量技术的研究却鲜有涉及。对磁元件绕组损耗的评估通常采用有限元仿真技术对其计算，而测量技术方面通常将一绕组短路使得磁芯中的磁场为零，从而磁芯损耗为零，再通过测量磁元件绕组的交流电阻而间接得到磁元件的绕组损耗，这种绕组损耗的间接测量方法无法体现磁场、温度以及实际工况对绕组损耗的影响；同时，这种测量方法也无法对所有类型磁元件的绕组损耗进行测量评估；另外，对于多绕组的磁元件，该方法无法单独测量每个绕组的损耗。磁元件绕组损耗的直接测量方法在个别文献中有介绍过，但也只针对某种类型的磁元件，其测量精度受测量频率、测量电路或者引入的元器件影响。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提出一种高频磁元件绕组损耗的测量方法，能够实现对励磁波形工况下高频磁元件的绕组损耗进行测量，并能提高测量的精度。

本发明采用以下方案实现：一种高频磁元件绕组损耗的测量方法，采用励磁源分别施加于并联的被测磁元件和参考磁元件的两端，使得两个磁元件两端施加的励磁源电压相同；所述被测磁元件由磁芯和绕组组成；所述参考磁元件采用与被测磁元件具有相同规格和材料的磁芯和绕组，并在此基础上增加一个辅助绕组；测量时所述参考磁元件辅助绕组开路，通过损耗测量仪器测量电参数，根据测量出的电参数与损耗的关系，获得所述被测磁元件的绕组损耗。

进一步地，所述被测磁元件为电感或变压器；所述参考磁元件为变压器。

进一步地，所述励磁源由信号源和功率放大器组成。

进一步地，所述励磁源还能够由信号源、功率放大器以及带抽头隔离变压器电路组成。

进一步地，所述损耗测量仪器采用高精度示波器或功率测量仪器。

进一步地，所述通过电参数获得所述被测磁元件的绕组损耗为：所述参考磁元件的绕组和辅助绕组匝比n为1时，将所述参考磁元件即参考变压器的一对同名端c-e短接，测量所述被测磁元件的被测绕组输入端a和所述辅助绕组下端d之间的电压ueut(t)和流经所述被测磁元件被测绕组的电流ieut(t)，获得被测磁元件的绕组损耗ts表示励磁源电压和电流的周期。。

进一步地，所述通过电参数获得所述被测磁元件的绕组损耗还为：当所述参考磁元件的绕组和辅助绕组匝比n为非1时，测量所述被测磁元件被测绕组两端电压ue(t)、参考磁元件辅助绕组两端电压ura(t)和流经所述被测磁元件被测绕组的电流ieut(t)，获得所述被测磁元件的绕组损耗

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明可以直接测量任意励磁波形工况下磁元件的绕组损耗，尤其高频励磁下的绕组损耗；本发明不仅能体现磁元件中磁场、温度以及实际工况对绕组损耗的影响，还可测量多绕组磁元件中每个绕组的损耗；为磁元件的优化设计提供了一种有效的直接测量评估方法，测量方便、快捷、成本低。

附图说明

图1为本发明实施例的采用励磁源情况下被测磁元件绕组损耗的测量电路图。

图2为本发明实施例的未采用中间抽头高频变压器进行隔离情况下被测电感绕组损耗的测量电路图。

图3为本发明实施例的采用中间抽头高频变压器进行隔离情况下被测电感绕组损耗的测量电路图。

图4为本发明实施例的未采用中间抽头高频变压器进行隔离情况下被测变压器一次侧绕组损耗的测量电路图。

图5为本发明实施例的采用中间抽头高频变压器进行隔离情况下被测变压器一次侧绕组损耗的测量电路图。

图6为本发明实施例的未采用中间抽头高频变压器进行隔离情况下被测变压器二次侧绕组损耗的测量电路图。

图7为本发明实施例的采用中间抽头高频变压器进行隔离情况下被测变压器二次侧绕组损耗的测量电路图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了一种高频磁元件绕组损耗的测量方法，采用励磁源分别施加于并联的被测磁元件和参考磁元件的两端，使得两个磁元件两端施加的励磁源电压相同；所述被测磁元件由磁芯和绕组组成；所述参考磁元件采用与被测磁元件具有相同规格和材料的磁芯和绕组，并在此基础上增加一个辅助绕组；测量时所述参考磁元件辅助绕组开路，通过损耗测量仪器测量电参数，根据测量出的电参数与损耗的关系，获得所述被测磁元件的绕组损耗。

在本实施例中，所述被测磁元件为电感或变压器；所述参考磁元件为变压器。

在本实施例中，所述励磁源由信号源和功率放大器组成。

在本实施例中，所述励磁源还能够由信号源、功率放大器以及带抽头隔离变压器电路组成。

在本实施例中，所述损耗测量仪器采用高精度示波器或功率测量仪器。

在本实施例中，所述通过电参数获得所述被测磁元件的绕组损耗为：所述参考磁元件的绕组和辅助绕组匝比n为1时，将所述参考磁元件即参考变压器的一对同名端c-e短接，测量所述被测磁元件的被测绕组输入端a和所述辅助绕组下端d之间的电压ueut(t)和流经所述被测磁元件被测绕组的电流ieut(t)，获得被测磁元件的绕组损耗ts表示励磁源电压和电流的周期。

在本实施例中，所述通过电参数获得所述被测磁元件的绕组损耗还为：当所述参考磁元件的绕组和辅助绕组匝比n为非1时，测量所述被测磁元件被测绕组两端电压ue(t)、参考磁元件辅助绕组两端电压ura(t)和流经所述被测磁元件被测绕组的电流ieut(t)，获得所述被测磁元件的绕组损耗

在本实施例中，参考磁元件中与被测绕组相同的绕组和辅助绕组匝比为n。

如图2所示为本实施例的一个应用案例，测量原理是针对励磁源与被测磁元件未隔离，以及参考磁元件绕组和辅助绕组匝比n为1时被测电感绕组损耗的测量。励磁源由信号发生器和功率放大器组成；l为被测电感，其中rw为被测电感绕组的等效电阻，体现了电感的绕组损耗，rc为体现被测电感磁芯损耗的等效电阻；tr为参考变压器，lm为参考变压器的励磁绕组，lra为参考变压器的辅助绕组，参考变压器tr采用与被测电感l相同的磁芯和绕组，不同之处仅为在被测电感的基础上增加一个二次侧绕组lra，称之为辅助绕组，且辅助绕组与励磁绕组并联绕制，测量时参考变压器的辅助绕组lra开路；测量仪器可以采用示波器测量电压、电流或功率，也可以采用功率测量仪器。测量原理为将在被测电感和参考变压器励磁绕组并联，通过信号源和功率放大器将激励源电压直接施加在并联磁元件两端，通过测量仪器测量电路中的电压ueut(t)和流过被测绕组的电流ieut(t)，根据公式(1)即可获得被测电感l的绕组损耗。

对于参考磁元件励磁绕组和辅助绕组匝比n为非1的情况，可以通过测量电路原理图中ue(t)、ura(t)和被测绕组的电流ieut(t)，根据公式(2)即可获得被测电感l的绕组损耗。

如图3所示为本实施例的一个应用案例，测量原理是针对励磁源与被测磁元件间采用中间抽头高频变压器进行隔离，以及参考磁元件tr中励磁绕组和辅助绕组匝比n为1时被测电感绕组损耗的测量。励磁源由信号发生器、功率放大器和带中间抽头的高频变压器组成；ts为带中间抽头的高频变压器；l为被测电感，其中rw为被测电感绕组的等效电阻，体现了电感的绕组损耗，rc为体现被测电感磁芯损耗的等效电阻；tr为参考变压器，lm为参考变压器的励磁绕组，lra为参考变压器的辅助绕组，参考变压器tr采用与被测电感l相同的磁芯和绕组，不同之处仅为在被测电感l的基础上增加一个辅助绕组lra，且参考磁元件tr励磁绕组与辅助绕组匝比为n，测量时参考变压器的辅助绕组lra开路；测量仪器可以采用示波器测量电压、电流或功率，也可以采用功率测量仪器。测量原理为信号源和功率放大器通过中间抽头高频变压器施加励磁电压于被测电感和参考变压器励磁绕组两端，使得两磁元件两端励磁电压相同，通过测量仪器测量电路中的电压ueut(t)，以及流过被测绕组的电流ieut(t)，根据公式(1)即可获得被测电感l的绕组损耗。

对于参考磁元件tr中励磁绕组和辅助绕组匝比n为非1的情况，可以通过测量电路原理图中ue(t)、ura(t)和被测绕组的电流ieut(t)，根据公式(2)即可获得被测电感l的绕组损耗。

如图4所示为本实施例的一个应用案例，测量原理是针对励磁源与被测变压器间未隔离，以及参考变压器tr中一次侧绕组和辅助绕组匝比n为1时被测变压器t一次侧绕组损耗的测量。励磁源由信号发生器和功率放大器组成；t为被测变压器，其中rw1为被测变压器一次侧绕组的等效电阻，体现了被测变压器一次侧绕组的绕组损耗，rc为体现被测变压器磁芯损耗的等效电阻，rw2为被测变压器二次侧绕组l2的等效电阻，zload变压器的负载；tr为参考变压器，lra为参考变压器的辅助绕组，参考变压器tr采用与被测变压器t相同的磁芯和绕组，不同之处仅为在被测变压器的基础上增加一个辅助绕组lra，且辅助绕组lra与参考变压器tr一侧绕组并联绕制，测量时参考变压器的辅助绕组lra开路，二次侧绕组l2带正常负载；测量仪器可以采用示波器测量电压、电流或功率，也可以采用功率测量仪器。测量原理为将在被测变压器t一次侧绕组和参考变压器励磁绕组并联，励磁源直接施加在两并联磁元件两端，通过测量仪器测量电路中的电压ueut(t)，以及流过被测绕组的电流ieut(t)，根据公式(1)即可获得被测变压器一次侧绕组的损耗。

对于参考磁元件tr中一次侧绕组和辅助绕组匝比n为非1的情况，可以通过测量电路原理图中ue(t)、ura(t)和被测绕组的电流ieut(t)；根据公式(2)即可获得被测变压器一次侧绕组的损耗。

如图5所示为本实施例的一个应用案例，测量原理是针对励磁源与被测磁元件间采用带中间抽头高频变压器进行隔离，以及参考变压器tr中一次侧绕组和辅助绕组匝比n为1时被测变压器t一次侧绕组损耗的测量。励磁源由信号发生器、功率放大器和带中间抽头高频变压器组成；ts为带中间抽头的高频变压器；t为被测变压器，其中rw1为被测变压器一次侧绕组的等效电阻，体现了被测变压器一次侧绕组的绕组损耗，rc为体现被测变压器磁芯损耗的等效电阻，rw2为被测变压器二次侧绕组l2的等效电阻，zload变压器的负载；tr为参考变压器，lra为参考变压器的辅助绕组，参考变压器tr采用与被测变压器t相同的磁芯和绕组，不同之处仅为在被测变压器t的基础上增加一个辅助绕组lra，且参考变压器一侧绕组与辅助绕组lra的匝比为n，测量时参考变压器的辅助绕组lra开路，二次侧绕组l2带正常负载；测量仪器可以采用示波器测量电压、电流或功率，也可以采用功率测量仪器。测量原理为信号源和功率放大器通过中间抽头高频变压器施加励磁电压于被测变压器t励磁绕组和参考变压器tr励磁绕组两端，使得两磁元件两端励磁电压相同，通过测量仪器测量电路中的电压ueut(t)，以及流过被测绕组的电流ieut(t)，根据公式(1)即可获得被测变压器t一次侧绕组的损耗。

对于参考变压器tr中一次侧绕组和辅助绕组匝比n为非1的情况，可以通过测量电路原理图中ue(t)、ura(t)和被测绕组的电流ieut(t)，根据公式(2)即可获得被测变压器t一次侧绕组的损耗。

如图6所示为本实施例的一个应用案例，测量原理是针对励磁源与被测变压器间未隔离，参考变压器tr中二次侧绕组和辅助绕组匝比n为1时被测变压器t二次侧绕组损耗的测量。励磁源由信号发生器和功率放大器组成；t为被测变压器,其中rw1为被测变压器一次侧绕组的等效电阻，体现了被测变压器一次侧绕组的绕组损耗，rc为体现被测变压器磁芯损耗的等效电阻，rw2为被测变压器二次侧绕组l2的等效电阻，体现了二次侧绕组的损耗，zload变压器的负载；tr为参考变压器，lra为参考变压器的辅助绕组，参考变压器tra采用与被测变压器t相同的磁芯和绕组，不同之处仅为在被测变压器的基础上增加一个辅助绕组lra，且参考变压器二次侧绕组与辅助绕组的匝比为n，测量时参考变压器的辅助绕组lra开路，二次侧绕组l2带正常负载；测量仪器可以采用示波器测量电压、电流或功率，也可以采用功率测量仪器。测量原理为将在被测变压器励磁绕组和参考变压器一次侧并联，励磁源直接施加在两并联磁元件两端，通过测量仪器测量电路中的电压ueut(t)以及流过被测绕组的电流ieut(t)；根据公式(1)即可获得被测变压器t二次侧绕组的损耗。

对于参考磁元件tr中二次侧绕组和辅助绕组匝比n为非1的情况，可以通过测量电路原理图中ue(t)、ura(t)和被测绕组的电流ieut(t)，根据公式(2)即可获得被测变压器t二次侧绕组的损耗。

如图7所示为本实施例的一个应用案例，测量原理是针对励磁源与被测变压器间采用带中间抽头高频变压器进行隔离，参考变压器二次侧绕组和辅助绕组匝比n为1时被测变压器t二次侧绕组损耗的测量。励磁源由信号发生器、功率放大器和带中间抽头高频变压器ts组成；ts为带中间抽头的高频变压器；t为被测变压器,其中rw1为被测变压器一次侧绕组的等效电阻，体现了被测变压器一次侧绕组的绕组损耗，rc为体现被测变压器磁芯损耗的等效电阻，rw2为被测变压器二次侧绕组l2的等效电阻，体现了二次侧绕组的损耗，zload变压器的负载；tr为参考变压器，lra为参考变压器的辅助绕组，参考变压器tr采用与被测变压器t相同的磁芯和绕组，不同之处仅为在被测变压器的基础上增加一个辅助绕组lra，且参考变压器二次侧绕组与辅助绕组的匝比为n，测量时参考变压器的辅助绕组lra开路，二次侧绕组l2带正常负载；测量仪器可以采用示波器测量电压、电流或功率，也可以采用功率测量仪器。测量原理为将在被测变压器励磁绕组和参考变压器一次侧并联，励磁源直接施加在两并联磁元件两端，通过测量仪器测量电路中的电压ueut(t)以及流过被测绕组的电流ieut(t)；根据公式(1)即可获得被测变压器t二次侧绕组的损耗。

对于参考变压器二次侧绕组和辅助绕组匝比n为非1的情况，可以通过测量电路原理图中ue(t)、ura(t)和被测电感的电流ieut(t)，根据公式(2)即可获得被测变压器二次侧绕组的损耗。

较佳的，在本实施例中，测量方法的电路中元器件包含信号源、功率放大器、抽头高频变压器、损耗测量仪器、被测磁元件和参考磁元件，被测磁元件一般由磁芯和绕组组成，参考磁元件采用与被测磁元件具有相同规格和材料的磁芯和绕组，并在此基础上增加一个辅助绕组。图1中励磁源分别施加于被测磁元件和参考磁元件的励磁绕组两端，使得两个磁元件两端施加的励磁源相同，参考磁元件辅助绕组开路，通过损耗测量仪器测量被测绕组电压、辅助绕组电压和流经被测绕组电流，通过电路分析可得到被测绕组等效电阻与被测绕组电压和辅助绕组电压呈现一定函数关系，根据测量出的三个电参数与损耗的关系，进而获得被测绕组损耗。

较佳的，本实施例提出的测量方法即可实现直接测量磁元件的绕组损耗，其测量精度不受磁芯损耗的影响；还可实现对任意励磁波形工况下磁元件的绕组损耗进行测量，特别在高频应用领域，如功率变换器中的磁元件；同时还可以实现任何磁元件包括单绕组或多绕组中每个绕组损耗的测量。

较佳的，在本实施例中，可以实现任意波形励磁下磁元件绕组损耗的直接测量；可实现对变压器每个绕组损耗的测量，也可以实现对于电感绕组损耗的测量；不仅适合用于低频励磁下绕组损耗的测量，也适合用在高频励磁下绕组损耗的测量；对磁元件绕组损耗测量的结果均有体现磁场、温度以及实际工况对绕组损耗的影响。另外，本实施例的测量方法只需在在电路中增加一个参考磁元件，测量电路相对比较简单，测量方便、快捷、成本低。不仅适合用于低频励磁下绕组损耗的测量，也适合用在高频励磁下绕组损耗的测量。

较佳的，本实施例通过在测量电路中引入一个参考磁元件，参考磁元件采用与被测磁元件相同规格和材料的磁芯和绕组，并在此基础上增加一个辅助绕组，辅助绕组在测量过程开路。被测磁元件和参考变压器的励磁绕组两端施加的励磁源相同，根据被测磁元件被测绕组和参考磁元件辅助绕组的端口之间的关系，测量只体现被测绕组损耗的相关电参数并采用交流功率法以获得被测绕组的损耗。这种直接测量绕组损耗的方法可以适用于测量任意励磁波形和高频工况下任何磁元件的绕组损耗，还可测量多绕组磁元件中每个绕组的损耗。且该测量方法的结果体现了磁元件中磁场、温度以及实际工况对绕组损耗的影响。因此该方法实现了磁元件中绕组损耗的独立测量；结合磁芯损耗测量技术，提出的测量技术实现了磁元件总损耗中绕组损耗和磁芯损耗的分离，为磁元件的优化设计提供了一种有效的直接测量评估方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。