探討變壓器鐵芯的渦流損耗

當(dāng)交變磁力線從導(dǎo)電體中穿過(guò)時(shí)，導(dǎo)電體中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，在導(dǎo)電體中就會(huì)產(chǎn)生回路電流使導(dǎo)體發(fā)熱;這種由于交變磁力線穿過(guò)導(dǎo)體，并在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和回路電流的現(xiàn)象，人們把它稱為渦流，因?yàn)樗a(chǎn)生的回路電流沒(méi)有作為能量向外輸出，而是損耗在自身的導(dǎo)體之中。開(kāi)關(guān)電源變壓器的渦流損耗在開(kāi)關(guān)電源的總損耗中所占的比例很大，如何降低開(kāi)關(guān)電源變壓器的渦流損耗，是開(kāi)關(guān)電源變壓器或開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容。

開(kāi)關(guān)電源變壓器的渦流損耗在開(kāi)關(guān)電源的總損耗中所占的比例很大，如何降低開(kāi)關(guān)電源變壓器的渦流損耗，是開(kāi)關(guān)電源變壓器或開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容。

變壓器生產(chǎn)渦流損耗的原理是比較簡(jiǎn)單的，由于變壓器鐵芯除了是一種很好的導(dǎo)磁材料以外，同時(shí)它也屬于一種導(dǎo)電體;當(dāng)交變磁力線從導(dǎo)電體中穿過(guò)時(shí)，導(dǎo)電體中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，在導(dǎo)電體中就會(huì)產(chǎn)生回路電流使導(dǎo)體發(fā)熱;這種由于交變磁力線穿過(guò)導(dǎo)體，并在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和回路電流的現(xiàn)象，人們把它稱為渦流，因?yàn)樗a(chǎn)生的回路電流沒(méi)有作為能量向外輸出，而是損耗在自身的導(dǎo)體之中。

單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器的渦流損耗計(jì)算與雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器的渦流損耗計(jì)算，在方法上是有區(qū)別的。但用于計(jì)算單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器渦流損耗的方法，只需稍微變換，就可以用于對(duì)雙激式開(kāi)關(guān)變壓器的渦流損耗進(jìn)行計(jì)算。

例如，把雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器的雙極性輸入電壓，分別看成是兩次極性不同的單極性輸入電壓，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器渦流損耗的計(jì)算。因此，下面僅對(duì)單激式開(kāi)關(guān)變壓器的渦流損耗計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)分析。

當(dāng)有一個(gè)直流脈沖電壓加到變壓器初級(jí)線圈的兩端時(shí)，在變壓器初級(jí)線圈中就就有勵(lì)磁電流通過(guò)，并在變壓器鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁通密度B，兩者由下式?jīng)Q定：

傳統(tǒng)的變壓器鐵芯為了降低渦流損耗，一般都把變壓器鐵芯設(shè)計(jì)成由許多薄鐵片，簡(jiǎn)稱為鐵芯片，互相重迭在一起組成，并且鐵芯片之間互相絕緣。

圖2-18表示變壓器鐵芯或變壓器鐵芯中的一鐵芯片。我們可以把這些鐵芯片看成是由非常多的“線圈”(如圖中虛線所示)緊密結(jié)合在一起組成;當(dāng)交變磁力線從這些“線圈”中垂直穿過(guò)時(shí)，在這些“線圈”中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，由于這些“線圈”存在電阻，因此這些“線圈”要損耗電磁能量。

在直流脈沖作用期間，渦流的機(jī)理與正激電壓輸出的機(jī)理是基本相同的。渦流產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向與勵(lì)磁電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向正好相反，在鐵芯片的中心處去磁力最強(qiáng)，在邊緣去磁力為零。

因此，在鐵芯片中磁通密度分布是不均勻的，即最外層磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，中心處最小。如果渦流退磁作用很強(qiáng)，則磁通密度的最大值可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其平均值，該數(shù)值由已知脈沖的幅度和寬度來(lái)決定。

沿鐵芯片截面的磁場(chǎng)分布，可以用麥克斯韋的方程式來(lái)求得;麥克斯韋的微分方程式為：

上式中

為變壓器鐵芯的平均導(dǎo)磁率，

為鐵芯的電阻率，負(fù)號(hào)表示渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反。rot E和rot Hx分別表示電場(chǎng)和磁場(chǎng)的旋度，即渦旋電場(chǎng)和渦旋磁場(chǎng)的強(qiáng)度。Hx、Hy、Hz分別磁場(chǎng)強(qiáng)度H的三個(gè)分量;Bx、By、Bz分別磁感應(yīng)強(qiáng)度B的三個(gè)分量;Ex、Ey、Ez分別電場(chǎng)強(qiáng)度H的三個(gè)分量。

由于單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器鐵芯的磁滯回線面積很小，其磁化曲線基本上可以看成一根直線，導(dǎo)磁率

也可以看成是一個(gè)常數(shù);因此，這里使用平均導(dǎo)磁率

來(lái)取代意義廣泛的導(dǎo)磁率

。

當(dāng)x = 0時(shí)，正好位于鐵芯片的中心，此處的磁場(chǎng)強(qiáng)度最小，即此點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)值等于0，由此求得積分常數(shù)c1= 0。

由于在變壓器鐵芯片內(nèi)，截面磁場(chǎng)強(qiáng)度的平均值Ha，在任一時(shí)間內(nèi)都必須等于電磁感應(yīng)所要求的值，即滿足(2-45)式的要求，因此對(duì)應(yīng)圖2-18對(duì)(2-58)式求平均值得：

圖2-19-a和圖2-19-b分別是由(2-61)式給出的，鐵芯片中磁場(chǎng)強(qiáng)度按水平方向分布的函數(shù)H(x)和按時(shí)間分布的函數(shù)H(t)曲線圖。

從圖2-19-a中可以看出，由于渦流產(chǎn)生反磁化作用的緣故，在鐵芯或鐵芯片中心磁場(chǎng)強(qiáng)度最低邊緣磁場(chǎng)強(qiáng)度最高。

在圖2-19-b中，隨著時(shí)間線性增長(zhǎng)部分是變壓器初級(jí)線圈勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng);Hb是為了補(bǔ)償渦流產(chǎn)生的去磁場(chǎng)，而由變壓器初級(jí)線圈另外提供電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

從圖2-19-b可以看出，渦流損耗對(duì)變壓器鐵芯中磁場(chǎng)強(qiáng)度(平均值)的影響，與變壓器正激輸出時(shí)，次級(jí)線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)變壓器鐵芯磁場(chǎng)的影響，基本是一樣的。值得注意的是，如果用同樣方法對(duì)y軸方向進(jìn)行分析，也可以得到同樣的結(jié)果。

根據(jù)(2-62)式可知，鐵芯或鐵芯片表面的磁場(chǎng)由兩個(gè)部分組成：

(1)平均磁場(chǎng)，它隨時(shí)間線性增長(zhǎng)，由線圈中固定的電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)所產(chǎn)生;

(2)常數(shù)部分，它不隨時(shí)間變化，由補(bǔ)償渦流的產(chǎn)生的去磁場(chǎng)所形成。

圖2-20-a就是根據(jù)(2-67)、(2-68)式畫出的開(kāi)關(guān)變壓器受渦流影響時(shí)，輸入端磁化過(guò)程的等效電路圖。

圖2-20-a中，Rb為渦流損耗等效電阻，N為變壓器初級(jí)線圈。由此可以看處，由于受渦流損耗的影響，變壓器鐵芯被磁化時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)渦流損耗等效電阻Rb與變壓器初級(jí)線圈N并聯(lián)。

圖2-20-b是更形象地把渦流損耗等效成一個(gè)變壓器次級(jí)線圈N2給損耗電阻Rb2提供能量輸出，流過(guò)變壓器次級(jí)線圈N2的電流 ，可以通過(guò)電磁感應(yīng)在變壓器初級(jí)線圈N1中產(chǎn)生電流 。

根據(jù)(2-66)式和圖2-20，可求得變壓器的渦流損耗為：

由此，我們可以看出：變壓器鐵芯的渦流損耗，與磁感強(qiáng)度增量和鐵芯的體積成正比，與鐵芯片厚度的平方成正比，與電阻率及脈沖寬度的平方成反比。

值得注意的是，上面各式中代表面積S的屬性，它既可以代表某一鐵芯片的截面積，也可以代表變壓器鐵芯的總面積，當(dāng)S變壓器鐵芯的總面積時(shí)，相當(dāng)于上面結(jié)果是很多單個(gè)鐵芯片渦流損耗的代數(shù)和。同理，以上各式中代表鐵芯片厚度的

，既可以代表某一鐵芯片的厚度，也可以代表變壓器鐵芯的總厚度，因?yàn)殍F芯片的厚度

的取值是任意的。

但是，在變壓器鐵芯總面積相等的情況下，由一塊鐵芯片或多塊相同厚度的鐵芯片組成的變壓器鐵芯，其渦流損耗是不相同的。例如，在變壓器鐵芯總面積相等的情況下，由一塊鐵芯片組成的變壓器鐵芯的渦流損耗，是由兩塊鐵芯片組成的變壓器鐵芯渦流損耗的4倍;如果兩者鐵芯片的數(shù)目的比值為3倍，那么渦流損耗的比值就是9倍。由此可知，渦流損耗是按n2遞減的，其中n為變壓器鐵芯芯片的個(gè)數(shù)。

實(shí)際用(2-69)式來(lái)計(jì)算開(kāi)關(guān)變壓器的渦流損耗還是有一定局限性的，因?yàn)椋趯?duì)(2-69)式的推導(dǎo)過(guò)程中并沒(méi)有考慮兩塊鐵芯片之間渦流磁場(chǎng)的互相影響，從原理上來(lái)說(shuō)變壓器鐵芯中間的鐵芯片與邊緣的鐵芯片之間渦流磁場(chǎng)互相影響程度是不一樣的;并且鐵芯片與鐵芯片之間不可能完全絕緣。

另外，目前大多數(shù)開(kāi)關(guān)變壓器使用的鐵芯材料基本上都是鐵氧體導(dǎo)磁材料，這些以鐵氧體為材料的變壓器鐵芯是按陶瓷的生產(chǎn)工藝，先把鐵磁混合材料沖壓成型，然后加高溫?zé)Y(jié)而成，因此它是一個(gè)整體，或?yàn)榱税惭b方便把它分成兩個(gè)部分組合而成。

如果把以鐵氧體變壓器鐵芯的形狀看成是一個(gè)圓柱體，那么(2-50)、(2-51)的麥克斯韋一維方程式就可以看成是電磁場(chǎng)能量是由圓柱體中心向周圍傳播和散發(fā)的;這樣圓柱形變壓器鐵芯就相當(dāng)于由不同內(nèi)外徑，厚度變量為 的多個(gè)圓筒體組合而成。或者，把整個(gè)鐵氧體變壓器鐵芯，看成為由單個(gè)厚度為d/2的圓柱體組成，這里d為圓柱體的直徑。

圖2-21就是用來(lái)求鐵氧體圓柱體變壓器鐵芯內(nèi)某截面磁場(chǎng)分布的原理圖，圖中虛線表示交變磁場(chǎng)在變壓器鐵芯內(nèi)部感應(yīng)產(chǎn)生渦流。我們用同樣的方法，從(2-59)開(kāi)始對(duì)表示磁場(chǎng)分布的(2-58)式進(jìn)行積分求平均值，然后求出積分常數(shù)c2，即可以求得圓柱體鐵芯內(nèi)的磁場(chǎng)分布式：

上面(2-70)式是表示圓柱體鐵芯截面沿x軸方向的磁場(chǎng)分布圖。其實(shí)磁場(chǎng)分布在整個(gè)鐵芯截面的xy平面內(nèi)都是以中心對(duì)稱的。這樣圓柱形變壓器鐵芯中的磁場(chǎng)強(qiáng)度在xy平面的分布函數(shù)H(x,y)曲面，就相當(dāng)于把圖2-19-a的函數(shù)曲線，以中心為圓心旋轉(zhuǎn)一周而得到的新圖形。

圖2-22-a和圖2-22-b是圓柱形鐵芯中磁場(chǎng)強(qiáng)度按水平分布的函數(shù)H(x,y)曲面圖和按時(shí)間分布的函數(shù)H(t)曲線圖。

根據(jù)上面分析，以同樣方法我們可以求出圓柱體變壓器鐵芯的渦流損耗為：

由此我們對(duì)園柱體變壓器鐵芯同樣可以得出結(jié)論：圓柱體變壓器鐵芯的渦流損耗，與磁感強(qiáng)度增量和鐵芯的體積成正比，與鐵芯直徑的平方成正比，與電阻率及脈沖寬度的平方成反比。

或者，圓柱體變壓器鐵芯的渦流損耗，與磁感強(qiáng)度增量以及鐵芯直徑的四次方成正比，與電阻率及脈沖寬度的平方成反比。

(2-71)式與(2-69)式在原理上沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，因此，圖2-20的等效電路對(duì)于(2-71)式同樣有效。

上面對(duì)渦流工作原理的分析，雖然看起來(lái)并不是很復(fù)雜，但要精確計(jì)算渦流損耗的能量是非常困難的。因?yàn)楹茈y精確測(cè)量出變壓器鐵芯的損耗電阻，特別是，目前大多數(shù)開(kāi)關(guān)變壓器使用的鐵芯材料，基本上都是鐵氧體導(dǎo)磁材料;這些鐵氧體變壓器鐵芯是由多種鐵磁金屬材料與非金屬材料混合在一起，然后按陶瓷的生產(chǎn)工藝，把鐵磁混合材料沖壓成型，最后加高溫?zé)Y(jié)而成的。

由于鐵氧體屬于金屬氧化物，大部分金屬氧化物都具有半導(dǎo)體材料的共同性質(zhì)，就是電阻率會(huì)隨溫度變化，并且變化率很大。熱敏電阻就是根據(jù)這些性質(zhì)制造出來(lái)的，溫度每升高一倍，電阻率就會(huì)下降(或上升)好幾倍，甚至幾百倍。大多數(shù)熱敏電阻的材料也屬于金屬氧化物，因此，鐵氧體也具有熱敏電阻的性質(zhì)。

鐵氧體變壓器鐵芯在常溫下，雖然電阻率很大，但當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻率會(huì)急速下降;相當(dāng)于圖2-20-a中的Rb渦流等效電阻變小，流過(guò)Rb的電流增加;當(dāng)溫度升高到某個(gè)極限值時(shí)，變壓器初級(jí)線圈的有效電感量幾乎下降到0，相當(dāng)于導(dǎo)磁率也下降到0，或變壓器初、次級(jí)線圈被短路，此時(shí)的溫度稱為居里溫度，用Tc表示。因此，鐵氧體的電阻率和導(dǎo)磁率都是不穩(wěn)定的，鐵氧體開(kāi)關(guān)變壓器的工作溫度不能很高，一般不要超過(guò) 。

圖2-23是日本TDK公司高導(dǎo)磁率材料H5C4系列磁芯初始導(dǎo)磁率

順便說(shuō)明，圖2-23中的初始導(dǎo)磁率 一般是用磁環(huán)作為樣品測(cè)試得到的，測(cè)試信號(hào)的頻率一般比較低，僅為10kHz，并且測(cè)試時(shí)一般都選用最大導(dǎo)磁率作為結(jié)果;因此，實(shí)際應(yīng)用中的開(kāi)關(guān)變壓器磁芯的導(dǎo)磁率并沒(méi)有這么高。