变压器中磁性元件的损耗问题详解
由图可见,剩余损耗和B的大小无关,但随频率增大而增大。而磁滞损耗随B的增加增大,涡流损耗则和频率成线性变化。了解了这些就可知:在正激和桥式电源中,磁芯损耗着重考虑涡流损耗。在反激变压器和储能电感中,既要考虑涡流损耗又要考虑磁滞损耗,尤其是DCM方式工作的电源,磁滞损耗是第一位的。所以可以确定,做电源时第一点就是根据电源的工作频率选取相应的磁芯材料。
下面我们开始来讨论下变压器的铜损。
变压器的铜损即变压器绕组的损耗,包含直流损耗与交流损耗。
直流损耗主要是因为绕变压器的铜漆包线,对通过它的电流有一定的阻抗(Rdc)而引起的损耗。此电流指的是各个绕组电流波形的有效值。直流损耗跟电流大小的平方成正比。
相对来说,交流损耗就复杂得多,包含绕组的趋肤效应,临近效应引起的损耗,同样还包括各次谐波引起的损耗。
先说直流阻抗,形成原因上面说了。下面我们来分析怎样减少直流损耗
首先,给出直流损耗计算公式:Pdc=(Irms)^2*Rdc
由上面的公式可见,对于电流有效值一定的情况下,只要降低绕组的直流等效电阻就可以降低绕组的直流损耗。
我们知道绕组的电阻与材质,长度,截面积甚至温度(关系很小)等有关,那么我们就可以采用如下方法来降低绕组的直流损耗:
1、采用电阻率小的导体来绕制变压器,一般采用铜漆包线,尽量不用铜包铝漆包线或铝漆包线
2、在变压器窗口面积允许的情况下,尽量用大一点的等效截面积的漆包线(单根线不要超出穿透深度,后面会分析)
3、适当减少绕组的匝数(会增加铁损),慎用
先来看看集肤效应的定义:
集肤效应又叫趋肤效应,是指导体通过交流电流时,在导体截面中,存在边缘部分电流密度大,中心部分电流密度小的现象。
肌肤效应产生的原理比较复杂,简单的表述为:

如上图,设流过导体的电流为i,方向如图。根据右手法则, 则要产生m.m.f的磁场,并垂直电流方向,如图的八个小圆圈就是进入与离开道题的磁力线。根据法拉第电磁感应,磁力线通过导体会产生涡流,方向如图中8个小圆圈周围的大圆圈方向所示。
由图可知,涡流的方向加强了导体边缘电流,抵消了导体中心的电流,这便是集肤效应产生的原理。
关于集肤效应,赵修科老师在《开关电源中的磁性元件》一书中有过详细的论述

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