利用復(fù)磁導(dǎo)率表征磁芯損耗

在這篇文章中，我們使用磁場強度的概念來幫助解釋復(fù)雜磁導(dǎo)率如何模擬磁芯的損耗。

磁導(dǎo)率是用于電氣元件的鐵磁材料的一個關(guān)鍵參數(shù)，它將材料內(nèi)部的磁場與外部場聯(lián)系起來。在非常低的頻率下，實值磁導(dǎo)率可以描述材料的磁化強度。然而，在更高的頻率下，磁性材料制造商使用復(fù)雜的磁導(dǎo)率值。這種復(fù)雜滲透率的想象部分可以解釋巖心損失——但如何解釋呢？

在這篇文章中，我們將深入研究復(fù)磁導(dǎo)率的理論。我們將從研究磁場強度的概念開始討論，這對以后理解一些數(shù)學(xué)知識至關(guān)重要。請注意，當(dāng)我們在本文中提到“磁性材料”時，我們具體指的是鐵磁材料。

磁場強度

本系列先前的文章指出，對于置于均勻磁場（B0）中的材料，材料內(nèi)部的總磁場由下式給出：

等式1。

其中μr是材料的相對磁導(dǎo)率。

當(dāng)分析磁場對材料的影響時，我們需要不斷區(qū)分B0和B。為了使這種區(qū)分更清楚，我們將定義另一個場量——磁場強度，用H表示。

磁場強度定義為外部施加的磁場除以自由空間的磁導(dǎo)率（μ0）：

等式2。

使用這個新的場量，方程1可以重寫為：

等式3。 

乍一看，引入一個新的數(shù)量可能是多余的，但這實際上是一種方便的方式來澄清我們指的是哪個字段。我們使用H和B字段的特定名稱來強調(diào)它們之間的以下差異：

H是磁場強度（或強度）。

B是磁通密度，有時是磁感應(yīng)。

讓我們來看一個例子。

示例：電磁閥的磁場強度

考慮圖1中的電磁閥。

一個具有N匝和長度為l的示例螺線管。

圖1。電磁閥示例。圖片由Steve Arar提供

我們想回答兩個問題：

當(dāng)不使用磁芯時，這個螺線管的磁通密度（B）和磁場強度（H）是多少？

當(dāng)我們插入具有相對磁導(dǎo)率μr的磁芯時，通量密度是如何變化的？

假設(shè)匝間間隔很近，線圈內(nèi)部的場是均勻的，我們可以應(yīng)用安培定律來找到線圈內(nèi)部的電場。在不詳細介紹這些步驟的情況下，空心螺線管的最終結(jié)果是：

等式4。

解釋

N是總匝數(shù)

l是螺線管的長度

l是電流

n是每單位長度的匝數(shù)。

因為沒有使用磁芯，所以方程4中描述的磁場由通過線圈的電流產(chǎn)生，而沒有磁芯磁化的任何貢獻（B＝B0）。將該值除以μ0得出磁場強度：

等式5。

如果我們插入一個磁芯，磁通密度變?yōu)椋?/p>

等式6。

由于磁芯的存在，B現(xiàn)在包括兩個磁場分量：

電流產(chǎn)生的磁場。

由核心材料的磁化產(chǎn)生的磁場。

磁場強度本身是由電流產(chǎn)生的，因此可以認為是產(chǎn)生磁通密度的驅(qū)動力。滲透率量化了H產(chǎn)生B的容易程度。

磁芯如何改變電感？

接下來，讓我們看看當(dāng)我們插入磁芯時，空心螺線管的電感是如何變化的。電路的電感（L）定義為每單位電流流過電路時通過電路的總磁通量。對于空心螺線管，我們有：

等式7。

解釋

Φ是通過每一圈的磁通量

I是流過線圈的電流

A是電磁閥的橫截面積。

由于沒有磁芯，我們有

→B = μ0→H

.插入磁芯可使磁通密度增加μr。

例如，假設(shè)核心材料的滲透率是自由空間滲透率的500倍。對于給定的電流，使用該磁芯將線圈內(nèi)部的場增加500倍。等式7示出了線圈的電感也以相同的因子增加。

基于以上內(nèi)容，如果空心螺線管的電感為L0，則具有磁芯的同一螺線管的電感將為：

等式8。

現(xiàn)在我們知道了磁芯是如何改變電路電感的，我們可以使用方程8來了解它是如何改變阻抗的。由于理想的空心螺線管充當(dāng)電感為L0的電感器，因此其阻抗為：

等式9。

當(dāng)插入磁芯時，電感——以及阻抗——乘以相對磁導(dǎo)率，得到：

方程式10。

巖心損失的核算：復(fù)雜滲透率

到目前為止，我們已經(jīng)假設(shè)核心是無損的。這就是為什么方程10產(chǎn)生純電感阻抗，我們知道它耗散零平均功率。事實上，一些輸入能量將作為熱量在堆芯中損失。我們?nèi)绾螌@些核心損失進行建模？

注意到電阻器是表示損耗的電氣元件，我們需要一種方法，在上面的阻抗方程中包括一個額外的電阻項。方程中唯一的核心性質(zhì)是滲透率，所以這是我們要修改的參數(shù)。正如你可能已經(jīng)猜到的那樣，我們需要將滲透率定義為一個復(fù)雜的值來解釋巖心損失。復(fù)雜滲透率的方程式為：

等式11。

通過將復(fù)磁導(dǎo)率代入方程10，我們得到：

方程式12。

現(xiàn)在，我們的阻抗方程中有兩個不同的項：

一個源自磁導(dǎo)率（μr′）實部的歸納項。這個術(shù)語表明磁芯增加了通過線圈的磁通量，從而增加了其電感。

源自磁導(dǎo)率虛部（μr〃）的電阻項。這個術(shù)語與材料的損失有關(guān)。

方程12得出了圖2所示電感器的等效電路模型，該模型由一個理想的電感器與一個電阻器串聯(lián)組成。

鐵芯損耗串聯(lián)表示的等效電路模型。

圖2:鐵芯損耗串聯(lián)表示的等效電路。圖片由Steve Arar提供

如果將圖2中的串聯(lián)電路模型轉(zhuǎn)換為其并聯(lián)等效電路，則并聯(lián)電阻也將模擬核心損耗。

磁化與外加磁場異相

我們在方程11中定義了復(fù)磁導(dǎo)率。讓我們看看這個等式到底意味著什么。

我們知道，磁導(dǎo)率描述了施加在磁性材料上的外部場與其內(nèi)部產(chǎn)生的場之間的關(guān)系。方程11中磁導(dǎo)率的實部對應(yīng)于與外部場同相的材料磁化。這是我們對理想無損內(nèi)核的期望。

另一方面，磁導(dǎo)率的虛部表明，材料的某些磁化與所施加的場發(fā)生90度異相。這種相移導(dǎo)致電感器兩端的感應(yīng)電壓與流過電路的電流同相，從而在整個阻抗方程中產(chǎn)生電阻項。

圖3顯示了兩個不同核心的B和H場之間的相位關(guān)系。圖3（a）對應(yīng)于無損核心，圖3（b）對應(yīng)于有損核心。

B和H之間的相位關(guān)系。

圖3。B場和H場之間的相位關(guān)系。圖片由Steve Arar提供

在無損核心中，

$\overrightarrow{B}$