高频变压器应用技术

第一章 磁学基础 磁学基本物理量 电磁基本定律 内 容 提 要 变压器基本模型 磁路及气隙 小结。

1.1 磁的基本现象 自然界中有一类物质，如铁，钴，镍等，在一定情况下能相互吸引，这种性质我们称他们具有磁性，使他们具有磁性的过程称为磁化，能够被磁化或能被磁性物质所吸引的物质称为磁介质。 如果将两个磁极靠近，磁极间会产生作用力。磁极之间的作用力是在磁极周围空间传递的，磁极间存在的磁力作用的特殊物质，我们称之为磁场。

1.1 磁的基本现象 永磁体产生的磁场

一直导线周围磁场的方向可以用“右手定则”来判断：当用右手抓住导体，拇指的指向是电流流动方向时，其它手指的指向就是磁力线的方向。 1.2 电流与磁场 一直导线周围磁场的方向可以用“右手定则”来判断：当用右手抓住导体，拇指的指向是电流流动方向时，其它手指的指向就是磁力线的方向。

1.2 电流与磁场 磁场的增强： 当电流流过一个导线时，在其周围建立起磁场，如果载有相同方向电流的导体离开相当大的距离，则产生的磁场没有相互的影响。如果同意的两个导体被放置的很靠近，则磁场将加强，其强度加倍。

电磁力F，电流I,和磁感应强度B三者是正交关系，符合左手定则。 1.3 磁学的基本物理量 一、磁感应强度 磁感应强度是表示磁场空间某点的磁场强弱和方向的物理量。在磁场中一点放一段长度为l电流强度为 I并与磁场方向垂直的导体，如导体所受电磁力为F ，则该点磁感应强度的大小为 B 的SI单位：特斯拉(T) B的CGS单位：高斯（Gs) 电磁力F，电流I,和磁感应强度B三者是正交关系，符合左手定则。

1.3 磁学的基本物理量 Φ 的SI单位：韦伯(Wb) Φ的CGS单位：麦克斯韦（Mx) 二、磁通 1.3 磁学的基本物理量 二、磁通 垂直通过一个截面的磁力线总量称为该截面的磁通量，简称磁通。用Φ来表示。 在一般的铁芯变压器和电感中，在 给定结构截面上，或端面积相等的 气隙断面间的磁场B基本上是均匀的， 磁通通常可以表示为： Φ 的SI单位：韦伯(Wb) Φ的CGS单位：麦克斯韦（Mx)

1.3 磁学的基本物理量 三、磁导率 电流产生磁场，但电流在不同的介质中产生的磁感应强度是不同的。为了表征这种特征，将不同的磁介质用一个系数μ来考虑，μ称为介质的磁导率，表征物质的导磁能力。 在介质中，μ越大，介质中磁感应强度B越大。 真空中的磁导率一般用μ0来表示。 材料的磁导率相对于真空磁导率的比值称为相对磁导率μr。工程上通常采用相对磁导率来描述铁磁性材料的导磁能力。

1.3 磁学的基本物理量 四、磁场强度 外磁场通常是由电流产生的，为了反映外磁场和电流之间的关系，引入一个辅助矢量H即磁场强度。在任何介质中，磁场中某点的B与该点的μ的比值定义为该点的磁场强度H， 注意： 某点的磁场强度大小，并不代表该点磁场的强弱，代表磁场强弱的是磁感应强度B，磁场强度H应当是外加的磁化强度。引入H主要是为了便于磁场的分析计算。

1.3 磁学的基本物理量 B，μ B μ H 五、铁磁性物质的磁化曲线 初始磁化曲线 1.3 磁学的基本物理量 五、铁磁性物质的磁化曲线 初始磁化曲线 将完全无磁状态的铁磁物质进行磁化，磁场强度从零逐渐增加，测量铁磁物质的磁通密度，得到磁通密度和磁场强度之间的关系，并用B-H曲线表示，该曲线称为磁化曲线。 H=0，B=0开始磁化的曲线，称为初始磁化曲线。 初始磁化曲线在原点的斜率，称为初始磁导率。 ① ② ③ H B，μ O μ B

H 降为零而B 不为零，这种B 的改变落后于H 的改变的现象称为磁滞。 B 1.3 磁学的基本物理量 五、铁磁性物质的磁化曲线 磁滞回线 磁滞回线：铁磁性物质在反复磁化过程中的B-H关系（在+Hm 和-Hm 间，近似对称于原点的闭合曲线）。 当H 由零增加到+Hm ，使铁磁性物质达到饱和，对应的磁感应强度为Bm ，之后，将H 减小，B 要由Bm沿着比起始磁化曲线稍高的曲线ab下降。 H 降为零而B 不为零，这种B 的改变落后于H 的改变的现象称为磁滞。 B H O

1.3 磁学的基本物理量 B O H 磁滞回线 磁滞回线对应的基本参数： （1）饱和磁场强度： 1.3 磁学的基本物理量 磁滞回线 磁滞回线对应的基本参数： （1）饱和磁场强度： 磁化曲线达到接近水平时，不再随外磁场增大而明显增大所对应的B值。 （2） 剩余磁感应强度Br ： 铁磁物质磁化后，在磁场强度下降到零时， 铁磁物质中残留的磁感应强度。 （3） 矫顽磁力Hc 如要消去剩磁，需将铁磁性物质反向磁化 的磁场强度（ Hc ） B H O

1.3 磁学的基本物理量 3. 磁滞损耗 磁滞损耗：铁磁性物质在反复磁化过程中，消耗并转 变为热能而耗散的能量。 1.3 磁学的基本物理量 3. 磁滞损耗 磁滞损耗：铁磁性物质在反复磁化过程中，消耗并转 变为热能而耗散的能量。 磁化磁芯一周期，单位体积磁芯损耗的能量正比于静态磁滞回线包围的面积。 每磁化一个周期，就要损耗与磁滞回线包围面积成正比的能量，频率越高，损耗越多；磁感应摆幅越大，包围面积越大，损耗也越大。

1.4 电磁基本定律 一、电磁感应定律 1. 法拉第定律 当通过线圈的磁通发生变化时，在线圈两端就要产生感应电动势。 1.4 电磁基本定律 一、电磁感应定律 1. 法拉第定律 当通过线圈的磁通发生变化时，在线圈两端就要产生感应电动势。 感应电动势的大小正比于磁通的变化率。 对于1匝线圈，有： 对于N匝线圈，有： 对于N匝线圈，其总磁通 ψ=N φ 称为磁链

1.4 电磁基本定律 一、电磁感应定律 楞次定律 在电磁感应过程中，感生电流所产生的磁通总是阻止磁通的变化。即感生电流总是试图维持原磁通不变。 法拉第定律和楞次定律总称为电磁感应定律。

1.4 电磁基本定律 二、环路安培定律 磁场强度矢量H沿任何闭合路径的线积分等于穿过此路径所围成的面的电流代数和。 以环形线圈为例： 1.4 电磁基本定律 二、环路安培定律 磁场强度矢量H沿任何闭合路径的线积分等于穿过此路径所围成的面的电流代数和。 以环形线圈为例： 由此可见：H只与电流大小、匝数和闭合路径有关，而与材料无关。

3.1 变压器基本模型 一、简单变压器 通过共同的磁通耦合的线圈，构成了简单的变压器。

3.1 变压器基本模型 二、变压器的基本模型 由于磁芯和线圈都不是理想的，存在许多寄生参数。 3.1 变压器基本模型 二、变压器的基本模型 由于磁芯和线圈都不是理想的，存在许多寄生参数。 （1）由于磁芯μ不是无限大，存在一定电感量，即激磁电感。 （2）初、次级线圈不是完全耦合，存在漏感抗 （3） 初次级线圈具有电阻。

3.1 变压器基本模型 三、变压器参数的测量 1、 激磁电感：将所有二次绕组开路，测量一次绕组电感量。 3.1 变压器基本模型 三、变压器参数的测量 1、 激磁电感：将所有二次绕组开路，测量一次绕组电感量。 2、漏感：将所有二次绕组短路，测量一次绕组电感量。 四、变压器数量关系 对于变比为n:1的变压器，电压关系为：

4.1 磁路 一、磁路的基本概念 凡是磁通经过的闭合路径均称为磁路。 二、 磁路的欧姆定律 磁路的计算满足基尔霍夫基本定律。 4.1 磁路 一、磁路的基本概念 凡是磁通经过的闭合路径均称为磁路。 二、 磁路的欧姆定律 磁路的计算满足基尔霍夫基本定律。 根据基尔霍夫第一定律，（高斯定理）磁路中任意节点的磁路之和 和等于零。 基尔霍夫第二定律，（磁路的欧姆定律）沿某一 方向的任意闭合回路的磁势的代数和等于磁压降的代数和。

4.2 磁芯磁场和磁路 一、无气隙磁芯磁场 如果电路中两点之间有电位差，就可能在两点之间产生电流；在磁路中两点之间有磁位差，在两点之间就可能产生磁通。 等截面均匀绕线环形磁芯磁位分布图和等效磁路

4.2 磁芯磁场和磁路 二、有气隙磁芯磁场 当磁芯有气隙时，整个路径的磁阻几乎将全部在空气隙中，因为空气隙的磁阻率比磁性材料的磁阻率大得多。在实用场合，我们都是通过控制空气隙的大小来控制磁阻的。 在磁动势一定的情况下，气隙可以控制磁通密度。

图中a,c,d是一般的气隙安排，b所示的是较好的气隙安排。 4.2 磁芯磁场和磁路 三、空气隙的类型 气隙有两种基本类型：块状的和分散的。 气隙填充材料的放置对于保持磁芯在结构上的平衡是很关键的。 图中a,c,d是一般的气隙安排，b所示的是较好的气隙安排。

4.2 磁芯磁场和磁路 四、边缘磁通 在大多数情况下，气隙相对端面尺寸较大，磁通不仅经过磁芯的端面，而且还通过气隙的边缘、尖角、气隙附近的磁芯侧表面，这些磁通通常称为边缘磁通。 1，如果靠在气隙上或紧靠气隙的是铁磁材料，则 它使得磁场导通，这被称为“气隙短路” 2，如果材料是金属，但不是铁磁性的，它将不使 气隙短路。 边缘磁通将在靠近的铁磁性物质中感应出涡流引起局部发热。