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磁性论坛

 

核心损失研究

PSMA-达特茅斯核心损耗研究

PSMA核心损耗研究的根源在于传统的核心损耗估算。

1.无需使用不熟悉的磁参数。 铁损计算可以使用电压,电流和时间。

2.对于磁性元件,不需要使用尺寸系数,只要使用电阻率和铁心尺寸购买一个电阻器,就会超过一个。

3.大多数铁损数据是通过正弦波激励获取的,但是大多数功率转换器使用矩形激励,通常占空比降低。

后来被称为“复合波形假说”的假设提出,可以从方波数据中得出低占空比矩形激励的磁芯损耗。
欲了解更多信息,请参见康涅狄格州坎市的Edward Herbert的《 磁芯损耗计算的用户友好数据》 。 2008年11月10日。

图。1

达特茅斯研究-试点项目

PSMA批准了该试点项目,并于2009年春季向达特茅斯发出了采购订单。数据取自一个铁氧体磁心和一个粉末金属磁心。 复合波形假设得到了部分验证,并显示出在准确性和易用性方面均优于其他近似值。 但是,观察到激励脉冲之间的关闭时间增加会增加每个周期的损耗。

图2
有关更多信息,请参阅达特茅斯和萨尔瓦多爱德华·赫伯特的Charles R. Sullivan和John H.Harris于2010年2月7日对“测试矩形波形的铁损”进行了测试

可以从http://wibbitt.com/coreloss/pilot下载试点项目数据

乔纳斯·穆勒塔勒(JonasMühlethaler)的论文

乔纳斯(Jonas)的论文不是由PSMA赞助的,但是在这里提到它是因为它对“非工作时间现象”的研究做出了重要贡献。 本文的重要性在于,它在不同的测试设备上使用不同的磁芯来确认关闭时间损失。 乔纳斯(Jonas)确定了两种关断时间损耗机制,一种“松弛现象”,其在关闭后立即具有相当短的时间常数,并且由于电路阻抗而具有更长的影响。

参见: 电力电子系统中使用的磁性元件的改进的磁芯损耗计算 ,Muhlethaler,J.。 Biela,J。 科拉尔,JW; Ecklebe,答: 瑞士苏黎世电力电子系统实验室

达特茅斯研究-第二阶段项目

PSMA批准了第二阶段项目,并于2010年春季向达特茅斯发出了采购订单。第二阶段项目有两个主要目标:

1.在不同材料的各种磁芯上测试复合波形假设,重点在于确保关闭时间损耗现象不仅仅是测试设备或测试程序工件。

2.测试已安装感测绕组的铁心,以检查通量迁移是否可能导致关断时间损耗现象。

II期研究证实,在不同形状和材料的各种型芯上都可以看到关闭时间现象。 在钻探的岩心实验中可以看到助焊剂迁移,但是它的时间和幅度表明它不是关闭时间损失的重要因素。

该研究有几个重要的副产品:

达特茅斯团队开发了一种“河马波形”作为测试激励。 一个极性的脉冲之后紧接着是相反极性和相同脉冲宽度的脉冲,然后是关断时间。 在关断时间内,电流几乎恢复为零。 这可能是第二阶段项目最重要的成就。 在实际的电源转换器电路中不太可能使用河马波形,但是将其用于测试将是非常宝贵的。

2. Sullivan博士将方波数据应用于类似于Steinmetz的方程式,以估算铁损。 与传统的正弦波数据Steinmetz方程不同,可以在很宽的电压和脉冲宽度范围内使用一组参数。

3. Sullivan博士分析了Fourier展开及其对核心损失的适用性。 他表明,通过单独检查波形的傅立叶分量,无法准确预测非正弦波形的磁芯损耗。

有关更多信息,请参阅Charles R. Sullivan和John H.Harris于2011年9月21日发布的“ 测试矩形波形的损”第二阶段最终报告 。 达特茅斯Thayer工程学院。

可以从http://wibbitt.com/coreloss/phase2下载第二阶段项目数据

第二阶段补充报告

试点项目和第二阶段项目收集了大量数据,远远超出了第二阶段时间和预算限制下可以分析的数据。 因此,进行了补充报告,以查看是否可以从数据中提取其他信息。 使用了试点项目的原始数据和第二阶段的数据。 幸运的是,它们具有相同的格式和文件结构,因此一组工具可以检查所有数据。 参见补充报告 ,爱德华·赫伯特(Edward Herbert),PSMA磁性材料委员会联席主席,2011年12月14日。此补充工作正在进行中,可能会不时进行修订。

希望其他人将使用这些数据来进一步研究核心损失。 可以使用上面的链接下载数据。

如果其他人想为这个网页做贡献,欢迎他们的投入。

工具类

开发了用于访问,分析和呈现数据的许多工具。 补充报告中的工具链接和使用说明

选定的数据文件

在编写补充报告时使用了许多特殊数据文件。 这些是从原始数据派生而来的数据,但经过分类和编辑后才能提取特定信息。 链接和使用说明在补充报告中。

结论

补充报告的结论总结如下:

1.增加的停机时间确实会增加每个周期的能量损失,但是大多数情况下,停机时间为查看和识别某些损失因素提供了一个机会,而其他损失因素却减少或不存在。

2.测试电路和协议会影响损耗,包括关闭时间损耗。 但是,这些影响也存在于实际电路中,需要对其进行识别和量化。 因此,将它们视为“测试装备工件”是无效的。

3.进入磁芯的能量分为“燃烧能量”和“存储能量”。 分开它们是艰巨的。
一种。 使用复合波形假设,可以很好地(但不是全部)量化燃烧的能量(如电阻消耗的能量)。
b。 传递到下一个脉冲的存储能量(存储在电感电抗中,如½I 2 L中)可减少净输入电流,从而减少输入功率和每个周期的能量损耗。
C。 储存能量的损失会显着影响堆芯损失。 这归因于核心特性(延迟的燃烧能量); 外部电路(或测试台); 和测试协议(波形)。
d。 在开关时,某些损耗可能是脉冲或尖峰,因此类似于开关损耗。
e。 存储的能量损失特别难以用简单的表达式来量化。 它不可能被量化为物质特征。

4.确定从一个脉冲到另一个脉冲的结转的存储能量以及该存储能量的损耗,对于改善磁芯损耗的估计和改善电路性能至关重要。

5.诸如熟悉的Steinmetz方程及其许多改进之类的方程变得复杂,以至于不太可能普遍使用它们。 至少要考虑五个损耗机制,以及外部电路和波形的影响。

6.必须得出结论,复合波形假说至少在高频铁心损耗上是失败的。 如果它的结果在低占空比时有很大的误差,那么将其与其他模型很好地比较是没有意义的。

7.使用“河马”波形分析铁损可能是第二阶段项目最重要的成就。 河马波形不太可能用于实际的电源转换器,但其用于分析却非常出色。

8.表征铁损的最有前途的方法可能是阻抗。

9.表征特定的芯或特定的缠绕组件比表征材料更好(更准确,更易于使用)。

10.阻抗模型可用于改进的SPICE仿真。

一个可行的假设是,如果可以使用阻抗模型针对各种波形忠实地复制磁滞回线,则损耗估计将与磁滞回线内的面积匹配一样好。 由于非常重要的因素是存储的能量及其损耗,因此在低占空比波形的关断时间内忠实地再现电流非常重要。

阻抗模型是电气工程师熟悉的领域。 测量它们是电路分析的基础。 在时域和频域中对它们进行量化是稳定性分析的基础。 合成它们是滤波器和补偿网络设计的基础。 该专业知识可以应用于建模磁芯。 应避免过度杀伤。 一个简单的模型可以满足大多数应用的需求。

人们一定不能忘记模型是类比的事实。 它可能无法充分揭示核心正在发生的物理现象。

达特茅斯研究-第三阶段项目

PSMA批准了第三阶段项目,并于2012年春季向达特茅斯下达了采购订单。第三阶段项目有多个目标,但由于设备问题和关键人员的流失,很少进行有意义的测试。

测试的大部分时间都用于调试和修改测试设备。 运行了一些测试,以查看测试设备是否影响了测试结果。 没有发现重要影响,但是某些计划的测试从未运行过。 这些活动并没有真正推动人们对核心损失的理解,因此我们将不对其进行进一步分析。 对此活动感兴趣的人可以在Dartmouth III期报告中找到它。

请参阅PSMA磁性材料委员会核心损失,第三阶段最终报告 ,2013年3月20日,作者:约翰·哈里斯(John H.Harris); 达特茅斯Thayer工程学院。

第三阶段的数据与早期阶段的格式相同,因此第二阶段补充报告中描述的所有用于计算和绘制图形的工具都可以使用。 可以在http://wibbitt.com/core-loss-studies/phase3上找到III期数据。

第三阶段补充报告

计划进行一组III期测试,以探索替代绕组配置。 许多计划的测试没有运行,但是完成的测试显示了一些有趣的效果。 不幸的是,仅运行了三个测试运行,一个运行为基准,两个运行。 数据很少,结果提示,但不能认为是结论性的。

可以将一圈全部通过的小磁芯设计成与具有多个匝的单个环形线圈(在这种情况下为五个匝)具有相同的电感和磁芯体积。 严格的测试需要专门加工的磁芯,但是使用库存磁芯测试了近似值。 测试结果和一些推测可以在爱德华·赫伯特的第三阶段补充报告:串珠实验中找到

爱德华·赫伯特
PSMA磁性材料委员会联席主席
2013年12月16日修订

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