螺线管电流和磁场强度关系随频率改变而变化

只看该作者 · 2018-7-21 11:03

1、最近，绕制了一个螺线管，根据多层螺线管的磁场计算公式，推算出磁场和电流的比例关系，从公式可知当螺线管的匝数等结构固定后，认为电流和磁场关系应该是固定的，先考虑螺线管中没有磁芯。实验发现当利用功率放大器驱动螺线管在不同频率下工作，利用高斯计测量在某一电流下螺线管端面磁场强度，如下表所示，几个测试结果都是和理论值相差不大。

频率（Hz）	电流（A）	磁场（mT）	K=B/I
100	0.6	2.61	4.35
200	0.91	3.89	4.27
500	0.44	1.97	4.47
700	0.532	2.26	4.25

2、但是当为了产生更高频率的磁场时，将螺线管和一电容串联，构成谐振电路发现，当螺线管空心时，在不同的谐振频率下，电流和磁场的关系发生变化，如下表所示，

电流I(A)	端面场强(mT)	k=B/I
0.389	2.14	5.50
0.47	2.68	5.70
0.643	3.44	5.35
0.79	4.20	5.32
0.962	4.95	5.15
谐振频率f=4500Hz		5.41

电流I(A)	端面场强(mT)	k=B/I
0.38	3.25	8.55
0.588	5.23	8.89
0.783	6.9	8.81
谐振频率f=6560Hz		8.83

3、在螺线管中加入铁芯，有效磁导率约为2，进行同样的实验发现也存在这个问题。

电流I(A)	端面场强(mT)	k=B/I
0.88	11.2	12.73
0.79	9.9	12.53
0.44	5.65	12.8
0.24	2.75	11.5
谐振频率f=4656Hz		12.39（平均值）

电流I(A)	端面场强(mT)	k=B/I
0.22	5.23	23.78
0.79	9.9	23.77
0.45	10.7	23.78
0.59	13.58	23.02
0.72	16.7	23.20
谐振频率f=10650Hz		23.51

问题就是加入谐振电路后，B与I 的关系是随着频率改变而变化，这个是什么原因呢？还请各位前辈帮忙分析下，谢谢！

3万 · 2018-7-21 11:25

“利用高斯计测量在某一电流下螺线管端面磁场强度”
你的高斯计，有10kHz的频响么？

只看该作者 · 2018-7-22 07:56

maychang 发表于 2018-7-21 11:25
“利用高斯计测量在某一电流下螺线管端面磁场强度”
你的高斯计，有10kHz的频响么？ ...

高斯计的频响可以达到50KHz,特意购买了一款这样的高斯计

3万 · 2018-7-22 09:02

yunmeizhi1990 发表于 2018-7-22 07:56
高斯计的频响可以达到50KHz,特意购买了一款这样的高斯计

king5555说得对，螺线管上绕组具有分布电容，如下图。

根据你的螺线管示意图，你采用的是多层平绕。这样的绕法，分布电容是最大的。
帖中未说明电流是如何测量的，猜测是通过信号源输出电压和Rx计算出来的。
由于存在分布电容，电阻Rx中电流与电感L中电流不等(幅度不等，相位也不同)，且可以知道：电感L中电流幅度必定比电阻Rx中电流幅度要大，因为电感支路与电容支路电流相位相反。信号源频率从低向高变化，信号源频率越接近L和Co并联谐振频率，电感中电流幅度越大于Rx中电流幅度。

只看该作者 · 2018-7-22 10:22

maychang 发表于 2018-7-22 09:02
king5555说得对，螺线管上绕组具有分布电容，如下图。

根据你的螺线管示意图，你采用的是多层平绕。这样 ...

楼上正解......
就是并联电容引起的，随着驱动频率越接近谐振频率，越来越变态。

只看该作者 · 2018-7-22 10:42

maychang 发表于 2018-7-22 09:02
king5555说得对，螺线管上绕组具有分布电容，如下图。

根据你的螺线管示意图，你采用的是多层平绕。这样 ...

首先，非常感谢前辈的细心指导，您所说的确实有道理，我有几个问题想继续请教一下：
1、螺线管的分布电容是否可以通过LCR仪测试出来，之前只是用LCR仪测了一个电感和电阻值，没有注意分布电容。
2、电流测量确实是通过一个采样电阻Rx测试得到的，测量其两端的电压，间接得到我所认为的“通过螺线管的电流”，我想知道当确定了这个分布电容值后，能否对流过螺线管的电流进行量化，或测量，或通过理论分析？我想把流过螺线管的电流和测试得到的磁场能够和理论分析对应上。
3、我分析当考虑到分布电容的影响，其实开始那几个比较准确的B与I的关系，是在低频（最大700Hz）下测试得到的，螺线管的电流和采样电阻的电流接近，所以那个关系还成立。

只看该作者 · 2018-7-22 10:43

tianxj01 发表于 2018-7-22 10:22
楼上正解......
就是并联电容引起的，随着驱动频率越接近谐振频率，越来越变态。 ...

谢谢前辈指导，这个分布电容当初确实没有太care。

3万 · 2018-7-22 20:35

yunmeizhi1990 发表于 2018-7-22 10:42
首先，非常感谢前辈的细心指导，您所说的确实有道理，我有几个问题想继续请教一下：
1、螺线管的分布电容 ...

这些问题可就复杂了，容我考虑考虑。

1万 · 2018-7-22 21:31

M大在“地板”层的线圈等效电路静态参数的测量，最容易的是线圈的直流电阻Ro，因为电感对直流源无压降，而容抗无限大，所以万用表电阻当在线圈两端一量就是了。
分布电容Co的测量：当线圈串联一个足够大的电阻，接一个固定时间的直流电源，Co两端电压上升成线性，说明电感对电容的充电的影响可以忽略，这样就可以用电容充电公式计算出Co。
电感Lo则用谐振公式计算。

只看该作者 · 2018-7-23 19:33

captzs 发表于 2018-7-22 21:31
M大在“地板”层的线圈等效电路静态参数的测量，最容易的是线圈的直流电阻Ro，因为电感对直流源无压降 ...

好的，谢谢您，我试一下

1万 · 2018-7-23 21:41

本帖最后由 captzs 于 2018-7-23 22:36 编辑

yunmeizhi1990 发表于 2018-7-23 19:33
好的，谢谢您，我试一下

线圈分布电容测量的仿真游戏我已经玩了很长时间，也不知道正统的方法如何，现在把我认为简单的方法贴出，供参考。

测量电感的静态参数

*)，微分电路的电容电压与对应时间的计算

微分是积分的倒置，电容两端的电压E-Vt与对应时间t，可以用积分电路的电容放电时间公式计算，即t=RCLn{E/[E-(E-Vt)]}=RCLn(E/Vt)，移项得电容计算式C=t/Ln(E/Vt)R。电阻要足够大，当C小于100pf，经验取值数百K～数十K，成反比；直接观测波形，电容两端起始电压=0，即Vto与E重叠，然后接近线性上升，t时间对应电压Vt。例如以下电路参数计算，C=50/Ln(5/3.9)200=50/0.247*200=1.012pf。

1万 · 2018-7-23 21:44

*)，一个电感量Lo的线圈的直流电阻Ro等效两者串联，线圈之间的耦合电容Co等效与它们并联如红框内。Lo对直流的压降等于0，Co容抗无限大，就可以万用表直接量取Ro如图左。

当电容充电电压上升接近直线，就表示Lo产生的电压不影响按照上节公式C=t/Ln(E/Vt)R计算电容容量。以下电路充电源采用RS触发器，产生波形仅一个；t=TPHL，或者实测。

按照以下电路参数计算的Co=50/Ln(4.9/3.84)20=50/Ln(1.28)20=50/0.247*20=10.1pf。

1万 · 2018-7-23 21:47

*)，当Vt出现弧线就表示电容充电受电感影响，可适当增大R，并在直线段读取(E线对应处有明显褶皱)，例如以下电路参数，Co=t/Ln(E/Vt)R=10.18/Ln(4.925/3.008)20=10.18/Ln(1.64)20=1.03pf。

1万 · 2018-7-23 21:50

*)，Lo的计算

Q’翻转低电平后，LoCo的谐振周期T=2π√(LoCo)，即Lo=T²/(2π)²C，按照下电路参数计算，Lo=1.42²/6.28²*10.1=5mH。R取值大于上述电路10倍，观测到谐振正弦波幅度接近为合适。

只看该作者 · 2018-7-24 15:30

captzs 发表于 2018-7-23 21:50
*)，Lo的计算Q’翻转低电平后，LoCo的谐振周期T=2π√(LoCo)，即Lo=T²/(2π)²C，按照下电路参数计算，Lo= ...

谢谢！非常感谢！

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