磁芯損耗

2023-03-17 15:38 作者:JIN-WWH 0人讀過 | 我要投稿

《開關(guān)電源中的磁性元件》——趙修科主編? ? ? ? ? ??

? ? ? 鐵磁物質(zhì)在交流磁化過程中，因消耗能量發(fā)熱，磁材料損耗功率P由磁滯損耗Ph、渦流損耗Pe和剩余損耗Pc組成

P=Ph+Pe+Pc

1、磁滯損耗Ph

? ? ? 磁材料在外磁場的作用下，材料中的一部分與外磁場方向相差不大的磁疇發(fā)生了“彈性”轉(zhuǎn)動，這就是說，當外磁場去掉時，磁疇任能恢復原來的方向；而另一部分磁疇要克服磁疇壁的摩擦發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動，即當外磁場去除時，磁疇任保持磁化方向。因此磁化時，送到磁場的能量包含兩部分：前者轉(zhuǎn)為勢能，即去掉外磁化電流時，磁場能量可以返回電路；而后者變?yōu)榭朔Σ潦勾判景l(fā)熱消耗掉，這就是磁滯損耗。

? ? ? 用一個低頻交流電源磁化一個環(huán)狀磁芯線圈（圖1）

磁芯材料的磁化曲線如圖2所示。

已有磁場強度公式

根據(jù)電磁感應(yīng)定律

? ?

在半個周期內(nèi)，送入磁芯線圈的能量

? ? ??A1——磁芯由-Br磁化到Bm磁化曲線與縱軸包圍的面積-Br—Hs對應(yīng)的B值點—Bm— -Br,它是磁化電流由0變化到最大值，電源送入磁場的能量V×A1。

? ? ?A2——磁化電流由最大值下降到0，磁芯由Bm退磁到Br去磁曲線與縱軸包圍的面積-，是單位體積磁材料返回店里的磁場能量V×A2，這是可恢復能量。

? ? ? 因此，電源半周期內(nèi)磁化磁芯材料損耗的能量為V×（A1-A2），即磁化曲線-Br——Hs對應(yīng)的磁化曲線的頂點——Br與縱軸所包圍的面積。同理，如果電流從0變化到負的最大值，再由負的最大值變化到0，即另外半周期，磁化磁芯損耗的能量是第二和第三象限磁化曲線與縱軸包圍的面積。也就是說，磁化磁芯一周期，單位體積磁芯損耗的能量正比于磁滯回線包圍的面積。這就是磁滯損耗，是不可恢復的能量。每磁化一個周期，就要損耗與磁滯回線包圍面積成正比的能量，頻率越高，損耗功率越大。磁感應(yīng)擺幅越大。

? ? ?可恢復發(fā)熱能量部分表現(xiàn)在電路中是電感的儲能和放能特性；不可恢復能量部分表現(xiàn)為磁芯損耗發(fā)熱。

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2、渦流損耗Pe

? 什么是渦流？在磁芯線圈中加上交流電壓時，線圈中流過激勵電流，激磁安匝（磁勢）產(chǎn)生的全部磁通Φ在磁芯中通過，如圖2。

，如果磁芯是導體，磁芯本身截面周圍也將鏈合全部磁通Φ而構(gòu)成單匝的次級線圈。當交流激勵電壓為u1時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律有

?u1=N1×（dΦ/dt）

? ? 每一匝的感應(yīng)電勢，即磁芯截面最大周邊等效一匝感應(yīng)電勢為：

u1/N1=dΦ/dt

? ? ?因磁芯材料的電阻率不是無限大，繞著磁芯周邊有一定的電阻值，感應(yīng)電壓產(chǎn)生產(chǎn)生電流ie—渦流—流過這個電阻，引起Ie^2×R損耗，這就是渦流損耗。渦流損耗與磁芯磁通變化率成正比，應(yīng)當注意，頻率提高是因為磁通變化率提高而影響渦流損耗。

? ? ? ? 例如：一個變壓器初級工作電壓在50V，脈寬10μs 和100V、脈寬5μs。盡管兩者伏秒一樣（即▽B相同），但后者每匝伏特比前者大一倍，渦流大一倍，電流平方關(guān)系峰值損耗大4倍，因后者脈寬小一倍，所以，平均損耗后者只比前者大一倍。因此正確地說，渦流與每匝伏特和占空度有關(guān)，而與頻率無關(guān)。如果說與頻率有關(guān)，那是因為頻率提高以后，匝數(shù)少了的緣故。

? ? ? ? 雖然渦流ie是損耗，相當于一匝“次級”反射到初級，成為初級磁化電流的一部分，客觀減少了磁芯的動態(tài)磁導。應(yīng)當注意，渦流的反射電流和磁滯損耗相似，不是儲能。在電路中，電感的渦流可用一個與電感并聯(lián)的電阻Re來等效。

? ? ? ? 渦流一方面產(chǎn)生磁芯損耗，另一方面產(chǎn)生的渦流所建立磁通阻止磁芯中主磁通變化，使得磁通趨向磁芯的表面，導致磁芯有效截面積減少，這種線性稱之為集膚效應(yīng)。通常定義為電流密度減少到導體截面表層電流密度的1/e處的深度叫作肌膚深度△，通?？杀硎緸?/span>

? ? ?式中：? ?ρ——磁芯的電阻率（Ω ·m）

? ? ? ? ? ? ? ? ? ?μr——磁芯材料的相對磁導率

? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Φ——磁通變化率(Hz)

? ?例如坡莫合金磁芯的電阻率ρ=55×10^（-4) Ω·m。根據(jù)上式求得集膚深度

在10kHz時，集膚深度為

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允許帶的厚度是2△=2× 0.022≈0.05 (mm）

d對于功率鐵氧體，如電阻率為ρ=20Ω·m ，μr=1500

? ? 在100kHz時，鐵氧體的穿透深度△=18cm,穿透深度比一般磁芯的厚度大得多，可以不考慮渦流引起的集膚效應(yīng)。

? ? ?如前所述，渦流相當于1匝的磁芯線圈。渦流電阻取決于材料的截面尺寸和電阻率。為了減少渦流效應(yīng)，將低電阻率的磁合金材料碾軋成薄帶，將整塊磁芯用相互絕緣的n片薄帶疊成相同截面積磁芯代替。如果通過與整塊磁芯相同磁通時，每片僅通過總磁通的1/n。而對于每片的渦流電阻（R=ρl/A，ρ——材料電阻率；A——整塊磁芯截面積；l——整塊磁芯渦流路徑長度），薄帶的截面積是整塊截面的A/n；如果是正方形截面積，渦流路徑最多比整塊磁芯減少1/2，每片包圍的磁通為總磁通的1/n。如果粗略估計，擇算到激勵線圈的渦流電阻比整塊磁芯增加了n^2/2倍。因此，用于交流的合金磁芯總是應(yīng)用其相互絕緣的薄帶料疊成的。

3、剩余損耗Pc

? ? ? ?剩余損耗是由于磁化馳豫效應(yīng)或磁性滯后效應(yīng)引起的損耗。所謂馳豫，是指在磁化或反磁化的過程中，磁化狀態(tài)并不是隨磁化強度的變化而立即變化到它的最終狀態(tài)，而是需要一個過程，這個“時間效應(yīng)”便是引起剩余損耗的原因。

? ? ?在交變磁場中，磁芯單位體積（重量）能量損耗既取決于磁介質(zhì)本身的電阻率、結(jié)構(gòu)形狀等因素，又取決于交變磁場的頻率和磁感應(yīng)強度擺幅△Bm。對于合金鐵磁物質(zhì)而言，在低頻（50Hz）和較高的Bm范圍內(nèi)，損耗主要由Ph和Pe決定。一般可用下式表示。