一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法
【专利摘要】本发明涉及一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，通过测量阻抗特性、仿真建模、从仿真阻抗曲线得到等效并联电容，进而计算复数磁导率，实现磁性元件宽频复数磁导率的测量。本发明所提出的磁性材料宽频复数磁导率测定方法，通过将实验测量和仿真分析相结合，克服了分布电容无法直接测量的缺陷，通过仿真确定分布电容，通过仪器测试获得被测件阻抗特性，从而确定复数磁导率，提高了精度，方便易行，降低成本。
【专利说明】
-种磁性材料宽频复数磁导率测定方法
技术领域
[0001 ]本发明设及一种磁性材料宽频复数磁导率测量方法。
【背景技术】
[0002] 磁性材料的宽频复数磁导率对磁性元件的电磁兼容特性具有重要的影响。精确的 磁性材料宽频复数磁导率的测量对于磁性元件的产品设计选型及电磁兼容特性的研究具 有重要的意义。现有的磁性材料复数磁导率获取方法均是基于实验测试，由于磁性元件分 布参数的影响难W消除，因而难W直接通过测量获得磁性材料的宽频复数磁导率。
[0003] 现有测量磁性材料复数磁导率的方法有：
[0004] 方法一、终端短路同轴腔法：
[0005] 低频条件下，通常是在环形样品上绕制测量线圈，即磁忍线圈，进行测量。当导线 周围磁场发生变化，样品磁忍电感值也发生变化，由于磁环存在附加损耗，测试回路的能量 损耗也会变化，运也导致被测磁忍电阻的变化。为了减少多应线圈的分布电容，减小损耗， 采用单应线圈制作电感。为了隔离外界电磁场对被测磁环的影响，用单根导线做成一个同 轴腔体，外导体作为屏蔽体接低电位端，内导体接高电位端，也同样可W使通电腔体电感和 电阻变化。
[0006] 固定长度的终端短路同轴腔是一个低损耗的集中参数电磁系统，它可W产生一个 沿样品径向均匀磁化的环形交变磁场。将被测环形样品套在内导体上并紧贴短路端盖，将 中屯、导体和腔体接到测试仪器后，短路同轴腔可W视为应数等于1的线圈。当线圈外加交流 电压U时，回路中流过交流电流I，根据电磁感应原理，此时产生平行样品表面的磁场。
[0007] 如图1(a)是终端短路同轴腔测试连接示意图，图1(b)是剖面图，图I(C)是其等效 电路，被测样品为圆环磁忍，高度h，外径D，内径d。图中Lo和Ro为空腔电感和损耗电阻，Lx和 Rx为被测样品的电感和损耗电阻，它们组成串联等效电路，运用任意仪器测量得到Lo和Ro, Lx和Rx之后，就可计算复数磁导率实部y '和虚部y"了。复数磁导率实奇
'复 数磁导率虚却
复数磁导率y = y'-jy"。A L为样品放入短路同轴腔前后自感 之差；AR为样品放入短路同轴腔前后的损耗电阻之差，f为测试频率。
[000引方法二、单应线圈测量法
[0009] 如图2(a) W及图2(b)，对单应线圈磁忍建立串联等效模型，用仪器测量得串联等 效模型为：
[0010] Z = Rs+j?Ls
[0011] 式中Rs、Ls分别为被测磁件损耗(包括磁忍损耗与绕组损耗)的等效串联电阻和电 感，再从中计算复数磁导率参数。为了减小绕组分布参数W及绕组损耗对测量结果的影响， 测试样品的应数为1应，因此可近似认为测试结果中的Rs仅由磁忍损耗产生，
[0012] 从而根据复数磁导率的定义可将磁忍阻抗的等效串联模型表示为：
[0013]
[0014] 式中N为绕组应数、Ie为等效磁路长度、Ae为磁忍截面积、f为测试频率。
[0015] 因而磁忍复数磁导率的实部和虚部可分别表示为：
[0016]
[0017]
[0018] 此方法测试方法简单，但是，实际上线圈和磁忍W及线圈本身存在分布电容，用运 种方法并未考虑分布电容的影响，测试所得的复数磁导率并不准确。
[0019] 上述现有测定复数磁导率的技术实现可分为两部分，一是测量仪器，可采用各类 测试仪表如阻抗分析仪，网络分析仪等直接测量电感值，电容值，电阻值，阻抗值，阻抗角等 特性参数。第二部分则是被测样品的夹具或样品上绕制的线圈，一是放入短路同轴腔中进 行测量，二是采用单应线圈或绕制多应线圈。
[0020] 上述方法一使用同轴腔测量软磁材料磁导率的单应电感模型，将整个同轴腔等效 为一个集总电感具有一个隐含的限制条件，即试样加载的同轴腔尺寸必须远小于测量信号 波长。运一隐含条件使得模型不够精确，也限制了同轴腔的可用频率上限，并且忽略了同轴 腔外导体截面突变W及试样在同轴腔中位置的影响。
[0021] 电感线圈分布电容对磁忍磁导率测量结果具有很大的影响，特别是在相对较高的 频段。而方法二并未考虑分布电容的影响。
[0022] 总的来说，现有电气法测试磁忍参数的局限性：
[0023] 1.若采用多应线圈绕制磁忍的方式来测量，磁忍线圈分布电容较大，导线铜损也 会增大，在高频下有很大的寄生参数，难W得到真实的测量结果。
[0024] 2.利用短路同轴腔虽然可W有效的屏蔽外界的电磁干扰，但是存在应用频率上 限，且在高频下，比起单应线圈寄生参数会更大。同样难W消除分布参数的影响。另外，需要 购买专口的短路同轴腔夹具，成本高昂。
[0025] 另外，现有磁性元件仿真存在W下局限：
[00%] 1.磁忍材料的分散性：由于磁性材料制作工艺的限制等问题，材料内部分布可能 不均匀。在仿真建模时，默认都是均匀分布的材料。
[0027] 2.手工绕制线圈的分散性:绕制多应线圈时，由于人工的不可控性，无法做到等间 距绕制，仿真模型难W模拟。
[0028] 3.磁材料的材料参数的局限性:厂家提供的数据手册中复数磁导率的频率范围通 常在2MHz之内，对于工作频率是足够的，但是对于传导频率范围的EMI仿真分析则难W满足 要求。
[0029] 现有测试方法均采用实验设备或仪表来测定复数磁导率，难W消除高频段寄生参 数带来的误差影响。而现有的磁性元件在传导EMI频段的仿真建模效果也无法很准确的拟 合实际参数。
【发明内容】
[0030] 本发明的目的在于提供一种磁性材料宽频复数磁导率测量方法，W克服现有技术 中存在的缺陷。
[0031] 为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法， 按照如下步骤实现：
[0032] 步骤SI:在一被测磁忍绕设一绕组，构成一个被测电感样品，测量所述被测电感样 品的测量阻抗频率特性曲线Z(f);
[0033] 步骤S2:通过电磁场分析软件，建立与所述被测电感样品结构一致的仿真模型，仿 真获得仿真等效并联电容Cepc;
[0034] 步骤S3:通过所述测量阻抗频率特性曲线Z(f)和所述的仿真等效并联电容Cepc获 得被测磁忍材料导纳特性，其具体计算方式为：
[0035] 步骤S4:根据所述被测环形电感样品的磁路材料导纳进一步获得磁性材料的复数 磁导率。
[0036] 在本发明一实施例中，在所述步骤Sl中，所述被测磁忍为环形磁忍。
[0037] 在本发明一实施例中，在所述步骤Sl中，所述绕组为单应绕组。
[0038] 在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，所述电磁场分析软件所建立的模型应与 所述被测环形电感样品结构一致。
[0039] 在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，所述电磁场分析软件为一能同时分析电 场和磁场的分析软件。
[0040] 在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，采用所述仿真模型获得的仿真阻抗特性 曲线低频段计算电感。
[0041] 在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，所述低频段为所述仿真阻抗特性曲线中 第一个谐振点前的频段，该频段阻抗随频率呈现线性变化。
[0042] 在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，采用所述仿真阻抗特性曲线的第一个谐 振点计算所述仿真等效并联电容CEPC。
[0043] 在本发明一实施例中，在所述步骤S4中，具体计算复数磁导率方法如下:根据环形 磁忍电感计算公式
其中，y〇为所述环形磁忍样品的真空磁导率，N为绕 组应数，Ie为等效磁路长度，Ae为磁忍截面积，f为测试频率;相对复数磁导率磁导率为:iir -化"，通过相对复数磁导率定义分别计算出实部和虚部：
[0044] 相对复数磁导率实部
[0045] 相对复数磁导率虚部
[0046] 则相对复数磁导率：
[0047]
[0048] 相较于现有技术，本发明具有W下有益效果:本发明所提出的一种磁性材料宽频 复数磁导率测量方法，通过仿真可W获得较为准确的等效并联电容，克服了现有技术中寄 生电容无法直接测量的缺陷。并在一定程度上排除测试设备带来的寄生参数和外部环境中 电磁干扰造成的误差。且采用单应线圈测量阻抗时，制作简单，模型也简单，寄生参数少，不 需要购买专用的短路同轴腔，极大地节约了成本，实验和仿真都很简单便捷，有很强的实用 性。
【附图说明】
[0049] 图1(a)为现有技术第一种测试方法中终端短路同轴腔连接示意图。
[0050] 图1(b)为现有技术第一种测试方法中同轴腔剖面图。
[0051] 图I(C)为现有技术第一种测试方法中等效电路。
[0052] 图2(a)为现有技术第二种测试方法中设备连接图。
[0053] 图2(b)为现有技术第二种测试方法中磁忍串联等效模型。
[0054] 图3为本发明中单应线圈电感的电感高频模型示意图。
[0055] 图4为本发明中磁性材料宽频复数磁导率测量方法的流程图。
[0056] 图5为本发明一实施例中磁性材料宽频复数磁导率测量方法的设备连接示意图。
[0057] 图6为本发明一实施例中测试所得阻抗幅频特性曲线图。
[0058] 图7为本发明一实施例中测试所得阻抗相频特性曲线图。
[0059] 图8为本发明一实施例中单应线圈电感仿真模型图。
[0060] 图9为本发明一实施例中仿真所得阻抗频率特性曲线图
[0061] 图10为本发明一实施例中磁导率随频率变化的特性曲线图。
[0062] 图11为本发明一实施例中验证阻抗幅频特曲线示意图。
[0063] 图12为本发明一实施例中验证阻抗相频特性曲线示意图。
【具体实施方式】
[0064] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
[0065] 在本实施例中，对于单应线圈电感，采用如图3高频模型。其中，L和ESR串联支路 中，L为电感，代表储能，其大小影响复数磁导率实部;ESR为电感的等效并联电阻，体现高频 损耗，包括磁忍损耗和绕组损耗。此处，由于绕组只有单应，可近似认为测试结果中的ESR仅 由磁忍损耗产生，其大小影响复数磁导率的虚部;EPC为电感的等效并联电容，此电容反映 电感的分布电容。对于单应线圈电感，此电容包括：
[0066] 1)导线自身分布电容：
[0067] 2)导线与磁忍之间分布电容；
[0068] 3)磁忍与地之间分布电容。
[0069] 由于无法直接测量得到EPC，所W采用用仿真方式确定EPC，结合测量实际电感的 阻抗，即可计算复数磁导率。如图4所示，具体过程如下：
[0070] 步骤S1、测量阻抗特性。单根导线穿过环形磁忍样品轴屯、，应保证导线与样品同 轴。在本实施例中，该穿过轴屯、的导线为方框形状或矩形，如图5所示，其中一边穿过环形磁 忍样品，且使该段导线与环形磁忍样品的中轴线重合，另外两边分别对应连接至测量仪器。 用阻抗分析仪或网络分析仪等测试仪器连接导线，测量样品的阻抗频率特性曲线Z(f)。
[0071] 步骤S2、仿真建模。采用综合考虑电场和磁场的有限元分析软件，建立与所述被测 电感样品结构一致的仿真模型，仿真得到指定频段的阻抗特性曲线。
[0072] 步骤S3、从阻抗曲线得到电感值。仿真所得阻抗特性曲线的低频段为线性特性，且 在第一个谐振点前的频段为低频段，主要由电感决定。计算时忽略其余寄生参数，在曲线低
频段取一个点的频率和阻抗值(打，立），计算电感隹
[0073] 步骤S4、利用仿真得到的阻抗特性曲线的wm,umviK，ZR)，计算等效并联电容。此 处，等效并联电容即谐振电容。假定谐振时线圈电感与低频时相等，对整个扫频范围内的谐 振点，其谐振电容由公；
来计算。此等效并联电容受磁忍尺寸，形状等影 响较大，但受磁导率变化的影响较小，仿真时可W忽略磁导率变化的影响。
[0074] 步骤S5:计算被测磁忍材料导纳特性；
[00巧]步骤S6、计算复数磁导率。根据环形磁忍电感计算公式：
其中，趴 为所述环形磁忍样品的真空磁导率，N为绕组应数，Ie为等效磁路长度，Ae为磁粒截面积，f 为测试频率;相对复数磁导率磁导率为:iir = -化"，通过相对复数磁导率定义分别计算出 实部和虚部：
[0076] 相对复数磁导率实部： i
[0077] 相对复数磁导率虚部：
[0078] 则相对复数磁导率：
[0079]
[0080] 进一步的，在本实施例中，W上测定复数磁导率的实验设备，不局限用阻抗分析仪 和网络分析仪，也可W采用其他测量阻抗特性的设备。对于被测磁忍，不论是采用单应线 圈、多应线圈还是短路同轴腔进行测量，差别在于建立的仿真模型。不建议采用多应线圈或 短路同轴腔，运两种情况下寄生参数偏多，模型构成复杂。
[0081] 为了让本领域技术人员进一步了解本发明所提出的磁性材料宽频复数磁导率测 定方法，下面结合具体测试过程进行说明。
[0082] 步骤SI:测量阻抗特性的方法如图5中的连接方式。
[0083] 步骤S2:磁忍测试结果如表1，由于测试结果数据过多，本实施例中并未全部列出：
[0084] 表 1 「00851
[0086] ~将获得的数据导入计算机并用软件Mathcad拟合，得到图6中幅频特性曲线Ztest (f)，W及图7中相频特性曲线0test(f)。图6W及图7中，圆点线为测试数据，实线为拟合结 果。测J量阻抗特性曲线为:Z ( f ) = Ztest ( f ) COS (目test ( f ) ) + j ? Ztest ( f ) S in (目 test ( f ))。
[0087] 步骤S3:利用综合考虑电磁场的有限元分析软件ANSYS HFSS建立如图8中单应线 圈电感仿真模型；对扫描的频率范围进行设置，在本实施例中，设置为化化到IG化，相对磁 导率设置为iir = 3000,并进行仿真，得到指定频段的阻抗特性曲线如图9。
[0088] 步骤S4:在图9曲线低频段，取m2点的频率和阻抗值，计算电感；由谐振点ml频率， 计算谐振电容即Cepc。
[0089] 步骤S5:通过测量阻抗频率特性曲线和仿真等效并联电容计算被测磁忍材料导纳 特性r
。
[0090] 步骤S6、计算复数磁导率。根据环形磁忍电感计算公式
i中，趴 为所述环形磁忍样品的真空磁导率，N为绕组应数，Ie为等效磁路长度，Ae为磁忍截面积，f 为测试频率;相对复数磁导率磁导率为:iir = -化"，通过相对复数磁导率定义分别计算出
实部和虚部：
[0091] 相对复数磁导率实部
[0092] 相对复数磁导率虚部
[0093] 则相对复数磁导率：
[0094]
[00M]进一步的，在本实施例中，图10中为磁导率随频率变化的特性曲线。iill(f)实线为 复数磁导率的实部即4'（門，421(門圆点线为复数磁导率虚部即4"(門。通过仿真计算拟合 的复数磁导率的模为点划线线yrl (f)。
[0096] 进一步的，在本实施例中，通过计算阻抗特性与实测比较，对求得的复数磁导率结 果进行验证。获取阻抗特性图，如图11和图12。横坐标为频率，纵坐标为阻抗幅值和相角。图 11和图12中，实线为利用本实施例中确定的复数磁导率计算所得阻抗特性曲线，圆点为实 际测量阻抗特性曲线，通过运两幅图可W看出测定的复数磁导率计算阻抗特性与实测的阻 抗特性相吻合。
[0097] W上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作 用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，其特征在于，按照如下步骤实现： 步骤SI:在一被测磁芯绕设一绕组，构成一个被测电感样品，测量所述被测电感样品的 测量阻抗频率特性曲线z(f); 步骤S2:通过电磁场分析软件，建立与所述被测电感样品结构一致的仿真模型，仿真获 得仿真等效并联电容Cepc; 步骤S3:通过所述测量阻抗频率特性曲线Z(f)和所述仿真等效并联电容Cepc获得被测 磁芯材料导纳特性，其具体计算方式为步骤S4:根据所述被测环形电感样品的磁芯材料导纳进一步获得磁性材料的复数磁导 率。2. 根据权利要求1所述的一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，其特征在于，在所述 步骤Sl中，所述被测磁芯为环形磁芯。3. 根据权利要求1所述的一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，其特征在于，在所述 步骤Sl中，所述绕组为单匝绕组。4. 根据权利要求1所述的一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，其特征在于，在所述 步骤S2中，所述电磁场分析软件所建立的模型与所述被测环形电感样品结构一致。5. 根据权利要求1所述的一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，其特征在于，在所述 步骤S2中，所述电磁场分析软件为一能同时分析电场和磁场的分析软件。6. 根据权利要求1所述的一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，其特征在于，在所述 步骤S2中，采用所述仿真模型获得的仿真阻抗特性曲线低频段计算电感。7. 根据权利要求6所述的一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，其特征在于，在所述 步骤S2中，所述低频段为所述仿真阻抗特性曲线中第一个谐振点前的频段，该频段阻抗随 频率呈现线性变化。8. 根据权利要求7所述的一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，其特征在于，在所述 步骤S2中，采用所述仿真阻抗特性曲线的第一个谐振点计算所述仿真等效并联电容C EPC。9. 根据权利要求1所述的一种磁性材料宽频复数磁导率测定方法，其特征在于，在所述 步骤S 4中，具体计算复数磁导率方法如下：根据环形磁芯电感计算公式：$中，μ〇为所述环形磁芯样品的真空磁导率，N为绕组匝数，Ie为等效磁 路长度，Ae为磁芯截面积，f为测试频率;相对复数磁导率磁导率为:Pr = P7 -jy〃，通过相对 复数磁导率定义分别计算出实部和虚部：相对复数磁导率实部： 相对复数磁导率虚部： 则相对复数磁导率：
【文档编号】G06F17/50GK106021811SQ201610404552
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】陈为, 谢静逸, 陈庆彬
【申请人】福州大学