變壓器有哪些損耗呢？解釋電渦流、磁滯、漏磁等現(xiàn)象

變壓器初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的磁通量一致。但實(shí)際上，磁場(chǎng)的傳遞伴隨著損耗，大體分為以下幾種情況：

• 電渦流損耗
• 磁滯損耗
• 漏磁損耗

一、電渦流損耗（Eddy Current Losses）

法拉第說變化的磁場(chǎng)能產(chǎn)生電，楞次說這種電會(huì)阻礙磁場(chǎng)的變化，稱為反向電動(dòng)勢(shì)（Back EMF）。

變壓器的磁芯處于變化的磁場(chǎng)中，在它上面也會(huì)產(chǎn)生電，表現(xiàn)為很多個(gè)渦流狀的小電流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)（Eddy Current）。

圖1-電渦流現(xiàn)象（Eddy Current）

電渦流有些情況下是有用的，譬如家電電磁爐就是基于電渦流原理來加熱食物的。但是在變壓器上會(huì)造成損耗。

為解決電渦流問題，有兩個(gè)思路：

• 把大磁芯分解為數(shù)量眾多的小磁芯，如層壓、粉末等形式；
• 使用高電阻率材料，如鐵氧體陶瓷、硅鋼等材料；

1. 層壓（Lamination）

對(duì)于變壓器中的“口”字型或者“日”字型磁芯，它們都不是單一柱體，而是由很多層的磁芯片組合而成。磁芯片與磁芯片之間帶有絕緣隔離，這使得電渦流只能在很窄的面積內(nèi)產(chǎn)生（面積與磁場(chǎng)垂直）。由于電渦流的大小和面積成正比，這樣可以大幅度減少電渦流。并且，磁芯片越薄，效果越好。

圖2-變壓器磁芯單體（左）vs層壓（右），其中B代表磁場(chǎng)，紅色代表電渦流

2. 鐵氧體（Ferrite）

鐵氧體是一種陶瓷材料，以氧化鐵為其主要成分。大部分的鐵氧體是磁性材料，用來制作永久磁鐵（硬鐵氧體）、變壓器（軟鐵氧體）磁芯。鐵氧體本身的高電阻率可以減輕電渦流現(xiàn)象。

`二、磁滯損耗（Hysteresis Losses）

所謂磁滯是指，物質(zhì)的磁化不僅依賴于“當(dāng)時(shí)”的外界磁場(chǎng)，還依賴于“之前”磁化結(jié)果。也就是一旦被磁化了，磁性會(huì)保留。要消磁的話，需要施加相反方向的磁場(chǎng)。

我們從B-H曲線中可以看到端倪：

• 符號(hào)B指磁通量密度（Magnetic Flux Density），國內(nèi)也有翻譯為磁感應(yīng)強(qiáng)度，我認(rèn)為前者更為準(zhǔn)確；
• 符號(hào)H指磁場(chǎng)強(qiáng)度（Magnetizing Force），是單位長度上的磁動(dòng)勢(shì)（前文有述），可以理解為和線圈上通過的電流成正比；

圖5-B-H曲線

演變過程為：

• 坐標(biāo)軸的原點(diǎn)（a）表示物質(zhì)沒有被磁化，然后在線圈上輸入正向電流（H軸向正），物質(zhì)上顯示出磁性，磁通量為正（紅色虛線）；
• 電流增加到一定程度，磁通量增長變得緩慢，進(jìn)入磁飽和狀態(tài)（b）；
• 如果電流停止，物質(zhì)仍然能夠顯示出磁性（c）；
• 需要通過施加反向的電流，磁性才會(huì)消失（d）。
• 在變壓器中，磁芯被交流電反復(fù)磁化，我們希望磁芯的磁滯越小越好，不然就會(huì)浪費(fèi)更多的能量在克服磁滯上。

前文所述的鐵氧體分為軟、硬兩種，軟鐵氧體更容易被消磁，意味著B-H中形狀越窄（d、g間距越?。?/p>

圖6-硬磁體（左）到軟磁體（右）

三、漏磁損耗（Leakage Magnetic Flux）

雖然磁芯具有很高的磁導(dǎo)率，但是總有一些磁通量不沿著磁芯傳播，它們泄露到外部，稱為漏磁。

圖7-漏磁現(xiàn)象（Leakage Flux）

漏磁不參與初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的磁耦合能量傳遞。它們就像是電感，串聯(lián)在電路里。電感作為阻抗，會(huì)產(chǎn)生壓降，所以變壓器上的實(shí)際電壓會(huì)更小：

圖8-變壓器等效電路（簡化的電感串聯(lián)）

綜上，我們講解了變壓器上的損耗現(xiàn)象。在次級(jí)線圈開路的時(shí)候，初級(jí)線圈上會(huì)通過較小的電流，這電流一部分是前文所述的磁化電流（Magnetizing Current），另一部分就是本文所述損耗導(dǎo)致的電流（Core Loss Current），兩者之和稱為激勵(lì)電流（Exciting Current）。`