根据传统理解,任何一种软磁材料在交流应用中的能量损耗应包括磁滞损耗、涡流损耗和反常损耗三部分.软磁材料在交流下磁化时,每周期所损耗的部分能量可用磁滞回线的面积来衡量,这部分能量损失叫做磁滞损耗.为了降低材料的磁滞损耗,必须设法减小材料的娇顽力。
涡流损耗指的是软磁材料在交流磁化时,由于电阻率很低而产生的强大涡电流,最后以焦耳热的形式散失的能量损耗.图5—1是一变压器铁芯的示意图.它主要由一个矩形铁芯和两个绕组组成.组成矩形铁芯的材料必须采用软磁材料.绕在矩形铁芯两侧芯柱上的两个绕组分别称为初级绕组和次级绕组.变压器在工作时,流经初级绕组中的交流电将使铁芯磁化,其方向职a)图中虚线路径按匝时针或逆时针方向交替变化。
同时,磁通的交替变化还会在铁芯内部产生感生电动势如果矩形铁芯用软磁合金(如硅钢片)做成,则因合金电阻率较低,便在铁芯中形成沿闭合回线流动的感生电流,这就是通常所说的涡流.假定某一时刻,通过变压器顶部芯柱的磁通从左到右是增加的,则根据电磁学中的焦耳,楞次定律,涡流所产生的磁场作用总是力图反抗引起它的交变磁场的变化,因
而可以确定这一时刻涡流的流动方向如图5—1(b)所示.由以上分析可知,在变压器铁芯中出现涡流以后,会带来两个不利后果:一是降低了铁芯中的有效工作磁通,二是涡流在铁芯内流动,必然造成能量的额外消耗,这就是涡流损耗的起因.
为了有效地降低涡流损耗,途径之一就是将软磁合金轧制成薄片,并且伎薄片与薄片之间保持良好的绝缘然后叠装在一起做成所谓叠片铁芯。这时,涡流仅在每一叠片内流动,如图5—1(c)所示.那么,叠片究竟应该做得多薄才能符合要求呢?这主要决定于交变磁场能否有效地透入叠片内部.根据电磁学基本知识,在交流电路中,由于涡流的存在,当频率升高时,流经导线截面上的电流分布具有向导线表面集中的趋势,这种现象叫做‘趋肤效应”同样,对位于交变场中的叠片材料来说,也会出现这种效应,结果,使叠片内部的磁场或磁感应强度比表面值要低。据估计,对于“=2500,厚度‘=1,‘mm的铁片,在交变场频率为50Hz时,该铁片中心处的磁感应强度便只有表面值的一半了;如果该铁片厚度‘增大到6.4mm,则其中心处的磁感应强度实际上己等于零,这就意味着,叠片的中心部分对变压器传输电能的功用己没有任何贡献.为此,我们有必要估计出交变磁场能够有效地透入叠片材料内部的深度——趋肤深度6的数值。
反常损耗的出现和材料中存在的磁畴结构有着密切的联系.上面曾经提及,在导出(5.5)式时必须假定在铁芯材料内部,磁导率是一不随时间和空间而改变的常数.由于磁畴结构的存在,这一假定是不符合实际情况的.首先,磁导率依赖于交变磁化场随时间的变化关系.人们早己发现,如果磁化场随时间正弦变化,那末材料内部的磁感应强度就不可能随时间正弦变化,因而由两者之比所决定的磁导宰必然随时间变化.
其次,由于材料内部存在磁畴,必然导致空间各点的磁导率也不可能完全相同.设想磁化过程由180。畴壁位移所控制的情况,在交变磁化场驱动下,畴壁将在一定的空间范国内来回移动.如果磁化场并没有大到足以使材料达到磁饱和,那末可以想见,被移动畴壁所扫过的区域内,磁感应强度的变化情况和末被移动畴壁所扫过的区域内磁感应强度的变化情况是明显不同的,因而相应的磁导宰也不可能一样.的涡流损耗大于经典涡流损耗的原因.实际上,它所反映的事实是,对于软磁材料来说,不论是通过畴壁位移还是通过磁畴内磁矩转动实现磁化时,都将由于局部磁矩取向发生改变而导致局部范国内磁通的改变,因而除了出现由经典涡流损耗所代表的宏观涡流损耗外,还将附加一部分由于这种局部磁通改变所产生的微观涡流损耗.
可以想见,如果在一软磁材料内部,磁畴尺寸越大(即畴壁数越少),那么在一定频率下,为了达到一定的总磁通变化,畴壁移动得就越快,结果微观涡流损耗也就越大。综上所述,用作铁芯的软磁材料在交流应用中所出现的总铁芯损耗,实际上由磁滞损耗和表观涡流损耗两部分所组成.
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