选择饱和磁感应强度较大的磁芯材料不是解决饱和问题的唯一方法。还可以借鉴脉冲变压器使用的施加去磁磁场的技术解决磁芯饱和问题。电容储能脉冲功率源模块电流是单方向的,可以通过降低剩余磁感应强度,从另一个角度获得较大的磁感应增量,就能够提高线圈的幅值测量范围。对于脉冲变压器,去磁方式有脉冲电流去磁和直流电流去磁两种。罗氏线圈可以采用直流电流去磁,通过在线圈外侧反向缠绕励磁线圈或直接给线圈施加直流励磁电流实现。还可以通过设计合理的线圈尺寸和绕线规格,等效减小罗氏线圈的励磁电流。罗氏线圈是一个原边为1 匝的电流互感器。假设磁芯中的磁感应强度B 是均匀的,根据安培环路定律可得
式中:μ为磁导率; 6 I 为包围在闭合回路内的所有电流的代数和。
由于铁氧体磁芯的电阻率较高,涡流损耗较小,可以近似认为
。如果能够减小6 I ,则磁感应强度可以降低,容易使磁芯工作在非饱和区。参考式(1) ～ (3) 就可以得出,增大线圈自感L 与电阻R + RL 的比值可以使I 和N i 尽量接近,从而等效于减小了励磁电流。
如果定义
,在忽略取样电阻R 时,可以得到
式中:ρ为导线的电阻率; l 为导线的长度; a 为导线的半径。定义矩形截面环形磁芯的尺寸参数如图1 所示。
如果线圈为单层密绕,可得、
将式(8) ～ (11) 代入式(7) 中,可得
图1磁芯结构图
从式(12) 可以看出,β随d , h 的增大而增大,在h d m b 时也随b的增大而增大。因此,增大磁芯直径和截面积,可以提高线圈抗饱和能力。但设计时,也需要结合铁氧体磁芯尺寸、线圈重量以及放置环境等因素权衡考虑。
从式(12) 还可以看出,β与导线半径成正比,其含义是假设线圈为单层密绕,如果使用细导线绕制较多匝数,虽然可以获得较大的电感,但线圈的电阻增加更快,反而使磁芯更容易饱和。增大导线半径似乎可以得到理想的结果,但实际上,当导线半径增大到一定程度时,线圈电阻已经很小,此时不能忽略取样电阻R ,而R 的取值受杂散电感和灵敏度大小的限制也不能太小,当导线半径超过一定范围时,会减少线圈的电感而最终使β减小。所以,对于磁芯尺寸和取样电阻确定的单层密绕线圈,存在极大值βmax 。如果βmax不能满足要求,可以采取多层绕制的办法。
用于快信号测量的罗氏线圈通常要求绕制成单层,这是由于多层线圈之间会形成较大的匝间电容,导致线圈测量高频信号时出现响应问题[2 ] 。电容储能脉冲功率源模块的电流信号的前沿较慢,匝间电容的影响很小,多层绕制的方法不影响测量线圈的频率响应。