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标题: 变压器饱和磁通测试 [打印本页]

作者: 888888 时间: 2021-8-6 15:53
标题: 变压器饱和磁通测试
什么是磁滞现象？磁饱和在电磁学中为何会降低系统效率？    磁滞现象简称磁滞。磁性体的磁化存在着明显的不可逆性，当铁磁体被磁化到饱和状态后，若将磁场强度(H)由最大值逐渐减小时，其磁感应强度（符号为B）不是循原来的途径返回，而是沿着比原来的途径稍高的一段曲线而减小，当H=0时，B并不等于零，即磁性体中B的变化滞后于H的变化，这种现象称磁滞现象。磁性物质都具有保留其磁性的倾向，磁感应强度B的变化总是滞后于磁场强度H的变化的，这种现象就是磁滞现象。按磁滞回线的不同，磁性物质又可分为硬磁物质、软磁物质和矩磁物质三种。磁滞现象，在铁磁性材料中是被广泛认知的。当外加磁场施加于铁磁性物质时，其原子的偶极子按照外加场自行排列。即使当外加场被撤离，部分排列仍保持。该材料被磁化，其磁性会继续保留。需要消磁时，施加相反方向的磁场。

铁磁饱和现象
      一个线圈通过电流时，线圈中便有磁场产生，描述这个磁场有两个物理量，一个是磁场强度，用H来表示，它与线圈的圈数和流过线圈的电流强度的乘积（又称安匝数）有关；另一个是磁感应强度（又称磁通密度），用B来表示，B的大少除与安匝数有关外，还与线圈中的介质有关。如果介质是空气，那么H和B数值相等，如果介质是铁磁材料时，同一线圈流过同样的电流（H相同）的条件下，在有铁磁材料的导磁率用U来表示。
   在铁磁材料中，U不是固定的常数，B和H之间不是线性关系，如图1所示，在图中可见，曲线的A点附近曲线开始弯曲，再往上，B值的变化越来越平缓，H变化而B值变化很少的现象我们就称为磁饱和现象。

在讨论稳压电源时，我们关心的是电压电流的变化，在磁饱和铁芯线圈讨论中，我们可以认为线圈中H与流过线圈的电流I成正比；线圈中的B与线圈的感生电压即线圈两端的电压V成正比。图2是一个铁磁介质线圈的伏安特性图，从图中可见，曲线有一段电压变化很少，动态电阻©V/©I比V/I少（这是稳压管的概念，磁饱和线圈不常用“动态电阻”的提法）。这就是饱和区段。

   而在讨论电机和变压器的时候，变压器内部的磁通损耗还不止热能，还有磁滞损耗、磁饱和损耗，以及漏磁损耗等等。

1、先说工频
1-1、工频下，如果变压器不带负载，输入电流全部用来励磁。在磁化曲线的线性阶段（近似线性），可以将变压器近似得看作一个感抗恒定的电感元件（励磁阻抗）。励磁电流随着外施电压的升高而升高，直至饱和。此处，题主理解没有问题。
1-2、如果带了负载，那么变压器的一次电流有两部分组成：励磁电流和用于能量传输的二次电流，根据基尔霍夫电流定律，有在电路上看就是负载和励磁阻抗成并联关系。因而，要达到饱和状态，所需要施加的电压要远高于空载状态下所需电压。
2、直流
2-1、交变的电场才能产生交变的磁场，然后再通过二次绕组产生交变的电场向外输送能量。如果对变压器施加直流励磁的话，能量无法通过二次绕组传输出去，全部用来励磁了。
2-2、并不是直流就一定导致饱和，只是说直流磁化比较容易。题主可以去搜索一下“直流磁化曲线”，要达到饱和也是需要一定的磁场强度的。

简单得将铁心中的磁畴比喻为弹簧振子的话，交流带来的是往复振动，而直流带来的是单向运动。弹簧振子的行程跟外加力的大小有关，而铁心的磁化程度就跟外加磁场强度H有关了。
不存在随时间积累，B增大的情况，弹簧振子是有阻尼的，因而，恒定的力会将振子保持在某个位置，同样，恒定的磁场强度也只能使得铁心中的磁畴旋转到某个固定的角度（宏观上的等效角度）

3、交直流叠加
交直流叠加后，励磁电流就不再是关于横轴对称的了，描述起来有点麻烦，我就直接上图了,左图为励磁电流，右图为磁滞回线。

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上图中，由于直流分量偏大，铁心已经饱和了，暂时没找到没饱和的图，后续有机会补上。

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在铁磁性材料被磁化的过程中，磁感应强度B首先随外部磁场强度H的增加而不断增强，但是当H超过一定数值时，磁感应强度B就趋近于某一个固定值，达到磁饱和状态。
当高频变压器内的磁通量不随外界磁场强度的增大而显著变化时，称之为磁饱和状态。
为防止磁心饱和，高频变压器的磁心应留有一定的空气间隙（放个小纸片也可以）。

一旦发生磁饱和，对开关电源的危害性极大，轻则使元器件过热，重则会损坏元器件。在磁饱和时，一次绕组的电感量L明显降低，以至于一次绕组的铜阻和内部功率开关管MOSFET的功耗迅速增加。导致TOPSwitch和MOSFET损坏。
防止高频变压器磁饱和的方法：

1、减小一次绕组的匝数
2、选择尺寸较大的磁心
3、给磁心留出一定的气隙宽度

开气隙并不能消除剩磁,只能降低剩磁,不是提高磁饱和,是提高HS(饱和磁场强度)
开气隙后有个退磁场,有一定的退磁作用,所以消除了部分剩磁.开气隙后,有效磁导率降低了,所以需要饱和就必须加更大的磁场.

有磁芯的电感器有磁饱和问题, 在电感器中加铁氧体或其他导磁材料的磁芯, 可以利用其高导磁率的特点, 增大电感量减少匝数减小体积和提高效率. 但是由于导磁材料物理结构的限制, 通过的磁通量是不可以无限增大. 通过一定体积导磁材料的磁通量大到一定数量将不再增加, 不管你再增加电流或匝数, 就达到磁饱和了. 尤其在有直流电流的回路中, 如果其直流电流已经使磁芯饱和, 电流中的交流分量将不能再引起磁通量的变化. 电感器就失去了作用.

因此，如何避免磁滞损耗和磁芯饱和损耗就成了电磁学中的重点内容。

磁滞损耗是铁磁体等在反复磁化过程中因磁滞现象而消耗的能量。磁滞指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场强度 H之间呈现磁滞回线关系。经一次循环，每单位体积铁芯中的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积。这部分能量转化为热能，使设备升温，效率降低，它是电气设备中铁损的组成部分，这在交流电机一类设备中是不希望的。软磁材料的磁滞回线狭窄，其磁滞损耗相对较小。硅钢片因此广泛应用于电机、变压器、继电器等设备中。

1 变压器的损耗分为铜损和铁损两大部分。其中铜损是指电流流过变压器原边和副边绕组的时候所产生的损耗（绕组都是用铜丝绕制而成，而铜丝都是有电阻存在的，所以就有了功率损耗，并且是以热能的方式表现出来的）；铁损是指变压器自身产生的损耗（即使空载的时候也存在），而铁损又分为3个部分，即磁滞损耗，涡流损耗，剩余损耗。其中磁滞损耗是外部磁场为了磁化磁性材料而产生的，并且以热能的方式表现出来，在B-H曲线上表现的就是磁滞曲线所包围的闭合部分的面积。产生涡流损耗的原因是由于磁路内的磁通发生了变化从而在磁性材料中感应出了电压，而磁性材料本身又存在电阻，所以就有了磁滞损耗。剩余损耗我就不是很清楚了，不过在低频场合该部分较小，可不考虑。

2 L = 磁链 / 电流 = （匝数 * 面积 * 磁通密度）/  电流。这样就推导出BMAX=LI/(N*AE)的公式，并且可以看出，当N变小，Bmax变大，磁滞曲线所围的面积也就变大了，磁滞损耗自然变大。自然也就更靠近饱和磁密的位置。

能量守恒：0.5*Lm_p*Ipeak_p^2*f = Pout/η
安培环路：H*le= Np*Ipeak_p  ；
            Bmax=Np*Ipeak_p*μ/le
L值：    Lm_P =Np^2*Al=Np^2*μ*Ae/le
结论：加GAP，增大匝数保持Lm_P 不变，Bmax减小，避免饱和。作者：小林家的垃圾王R https://www.bilibili.com/read/cv146605/ 出处：bilibili

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