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磁损耗(magnetic loss)是指磁性材料在磁化或反磁化过程中,外界对其所作的功转换成热的现象。它包含磁滞、涡流和剩余损耗三类。在强磁场磁化过程中,以前两类为主;在弱磁场磁化时,有些材料(如铁氧体)的剩余损耗占很大比重。
磁滞损耗源于磁性材料中的不可逆磁化过程。在准静态磁化时磁损耗与磁滞回线面积成正比。在交流磁场中磁化一周时,磁损耗中除涡流损耗外,还存在畴壁加速运动和弹性能的消耗。
交流磁场作用下,磁性导体内由磁感应产生涡流,使磁体发热,即涡流损耗。同时该涡流又产生与原交流磁场方向相反的磁场,而屏蔽了磁化场在磁体内的作用,并使交流磁化场强度按指数衰减,产生趋肤效应。为了降低涡流损耗和提高效率,就必须加大磁性材料的电阻率,并将其制成很薄的片状。
剩余损耗是磁化中弛豫过程所致。其机理较复杂,因材料而异。
磁性导体在交变磁场中,由于电磁感应而产生涡电流,这就引起磁场强度H和磁感应强度B的振幅和相位在材料内部的不均匀分布,并使B的相位落后于H的相位而增加一部分能量损耗,称为涡流损耗。对一些金属磁性材料的实验研究表明:测得的磁损耗要比理论计算的涡流损耗和准静态损耗之和大得多。实验与理论之差的额外损耗称为反常损耗。反常损耗部分来源于畴壁移动时通过电磁感应在畴壁附近感生的微涡流;另一部分则是由于畴壁的钉扎或畴壁的变形。值得注意的是,反常损耗在一些金属磁性材料(如硅钢片)总损耗中占很大部分。
剩余损耗指除了涡流损耗和磁滞损耗以外的其他所有损耗。它是由具有不同机制的磁弛豫过程所导致的。在低频和弱磁场中,剩余损耗主要是磁后效损耗,且与频率无关。高频下剩余损耗主要包括尺寸共振、畴壁共振和自然共振等引起的损耗。在铁氧体中剩余损耗占优势。
磁后效引起的剩余损耗与频率、畴壁位移和磁化矢量转动的阻尼系数成比例。这种损耗大致有两类:里希特型和约旦型损耗。前者与温度和频率有关;后者对温度和频率的依赖性甚小。里希特型损耗主要是由杂质扩散产生的感生各向异性引起的。约旦型损耗则主要是由热涨落引起的。铁氧体的里希特损耗是由于价电子在离子间扩散引起的。
在10赫以上的高频和超高频区,铁氧体磁谱与磁损耗有关的磁导率虚分量μ″在不同频率区域可能出现几个吸收峰,它们对应着共振损耗,也是一种弛豫损耗。随着频率升高,这些吸收峰分别是由尺寸共振、畴壁共振、自然共振和自然交换共振引起的。
磁损耗是指磁性材料在磁化过程和反磁化过程中有一部分能量不可逆地转变为热,所损耗的能量称磁损耗。磁损耗Wm包括涡流损耗We、磁滞损耗Wh以及其他磁弛豫或磁后效引起的剩余损耗Wr, 即Wm=We+ Wh+ Wr。在一般情况下,磁损耗在铁氧体中主要是剩余损耗和磁滞损耗;金属磁性材料中则主要是涡流损耗和磁滞损耗。
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磁滞损耗是由于磁性材料中存在不可逆的磁化过程(畴壁的不可逆位移,磁畴的不可逆转动)。在准静态磁化情形下,磁滞损耗与磁滞回线的面积成正比。在中等和强交变磁场下,一些金属磁性材料的磁滞损耗适合施泰因梅茨型经验公式。
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通常磁性元件在功率变换器中主要扮演着变压器、耦合电感和电感器等角色。磁性元件损耗主要由两部分组成:磁损(又叫铁损,指磁芯材料的损耗)和铜损(指线圈中因流过电流而产生的损耗)。
随着开关功率变换器高频化和高功率密度的发展,磁性元件成为功率变换器进一步发展的瓶颈,其中磁芯损耗的测量和建模成为关键技术难题,也是磁性元件深入研究和优化应用的基础。 项目首先深入分析并揭示了高频磁芯损耗传统交流功率测量方法误差大一致性差的根本原因;提出了新测量方法—直流功率测量法,基本思想是通过一个DC/AC逆变装置将直流逆变为交流作为被测磁元件励磁源,而由直流侧输入功率获得被测磁元件损耗,从而克服了交流功率测量方法误差大的根本问题;进一步建立了逆变装置本身的多参数损耗精确模型,提出采用定标的方法有效扣除逆变装置的杂散损耗;设计研制了DSP控制的磁元件损耗测量的完整系统;为了获得准确的磁元件损耗,提出了比对量热计新方法,并建立了测试装置系统;通过与量热计法的对比,验证了提出的直流功率测量方法的有效性,进一步提出功率差值测量新方法以及施加高、低频复合励磁波形的新方案,可以测量有气隙磁元件的损耗;同时还提出了扣除被测磁元件绕组损耗从而获得磁芯损耗的有效新方法。验证表明,研发的测量装置在被测磁元件阻抗角89度下误差能控制在5%以内。以上各项成果解决了高频磁芯损耗,尤其是高、低频复合励磁下测量磁芯损耗的难题,测试方法和装置有望成为国际和国内标准。 项目在损耗测量研究和成果的基础上,通过大量的各种工况励磁下的测试,分析了包括磁密大小、频率、各种不同占空比PWM波形、直流偏磁以及高低频复合励磁等实际工况下各个因素对磁芯损耗的综合影响,结合磁芯损耗机理研究和分析,提出了新的磁芯损耗计算模型,可以计算磁芯在功率变换器各种复杂励磁工况下的磁芯损耗,与损耗测量结果较好吻合,为磁性元件损耗分析和优化设计提供了理论模型,有助于功率变换器产品效率和功率密度的提高。 成果包括撰写论文7篇,申请发明专利4项,直接培养博士生2名,硕士生4名,促进了磁性元件损耗测量方法的国际国内标准制定,得到国内外知名企业的重视和技术开发应用。
当负荷电流通过线路时,在线路电阻上会产生功率损耗。