变压器基础2——变压器有哪些损耗？解释电涡流、磁滞、漏磁等现象

前文讲到：变压器初级线圈和次级线圈的磁通量一致。但实际上，磁场的传递伴随着损耗，大体分为以下几种情况：

1. 电涡流损耗

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一、电涡流损耗（Eddy Current Losses）

法拉第说变化的磁场能产生电，楞次说这种电会阻碍磁场的变化，称为反向电动势（Back EMF）。

变压器的磁芯处于变化的磁场中，在它上面也会产生电，表现为很多个涡流状的小电流，这种现象称为电涡流效应（Eddy Current）。

图1-电涡流现象（Eddy Current）

电涡流有些情况下是有用的，譬如家电电磁炉就是基于电涡流原理来加热食物的。但是在变压器上会造成损耗。

为解决电涡流问题，有两个思路：

• 把大磁芯分解为数量众多的小磁芯，如层压、粉末等形式；
• 使用高电阻率材料，如铁氧体陶瓷、硅钢等材料；

1. 层压（Lamination）

对于变压器中的“口”字型或者“日”字型磁芯，它们都不是单一柱体，而是由很多层的磁芯片组合而成。磁芯片与磁芯片之间带有绝缘隔离，这使得电涡流只能在很窄的面积内产生（面积与磁场垂直）。由于电涡流的大小和面积成正比，这样可以大幅度减少电涡流。并且，磁芯片越薄，效果越好。

图2-变压器磁芯单体（左）vs层压（右），其中B代表磁场，红色代表电涡流图3-变压器的层压式磁芯（“日”/“E+I”字型）

2. 铁氧体（Ferrite）

铁氧体是一种陶瓷材料，以氧化铁为其主要成分。大部分的铁氧体是磁性材料，用来制作永久磁铁（硬铁氧体）、变压器（软铁氧体）磁芯。铁氧体本身的高电阻率可以减轻电涡流现象：

图4-由铁氧体制作而成的变压器磁芯

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二、磁滞损耗（Hysteresis Losses）

所谓磁滞是指，物质的磁化不仅依赖于“当时”的外界磁场，还依赖于“之前”磁化结果。也就是一旦被磁化了，磁性会保留。要消磁的话，需要施加相反方向的磁场。

我们从B-H曲线中可以看到端倪：

• 符号B指磁通量密度（Magnetic Flux Density），国内也有翻译为磁感应强度，我认为前者更为准确；
• 符号H指磁场强度（Magnetizing Force），是单位长度上的磁动势（前文有述），可以理解为和线圈上通过的电流成正比；

图5-B-H曲线

演变过程为：

• 坐标轴的原点（a）表示物质没有被磁化，然后在线圈上输入正向电流（H轴向正），物质上显示出磁性，磁通量为正（红色虚线）；
• 电流增加到一定程度，磁通量增长变得缓慢，进入磁饱和状态（b）；
• 如果电流停止，物质仍然能够显示出磁性（c）；
• 需要通过施加反向的电流，磁性才会消失（d）。

在变压器中，磁芯被交流电反复磁化，我们希望磁芯的磁滞越小越好，不然就会浪费更多的能量在克服磁滞上。

前文所述的铁氧体分为软、硬两种，软铁氧体更容易被消磁，意味着B-H中形状越窄（d、g间距越小）：

图6-硬磁体（左）到软磁体（右）

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三、漏磁损耗（Leakage Magnetic Flux）

虽然磁芯具有很高的磁导率，但是总有一些磁通量不沿着磁芯传播，它们泄露到外部，称为漏磁。

图7-漏磁现象（Leakage Flux）

漏磁不参与初级线圈和次级线圈的磁耦合能量传递。它们就像是电感，串联在电路里。电感作为阻抗，会产生压降，所以变压器上的实际电压会更小：

图8-变压器等效电路（简化的电感串联）

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综上，我们讲解了变压器上的损耗现象。在次级线圈开路的时候，初级线圈上会通过较小的电流，这电流一部分是前文所述的磁化电流（Magnetizing Current），另一部分就是本文所述损耗导致的电流（Core Loss Current），两者之和称为激励电流（Exciting Current）。

（全文完）

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