变压器饱和磁通测试

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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。

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。

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