磁性元件是直流開(kāi)關(guān)電源設備中的重要元件，它對直流開(kāi)關(guān)電源設備的體積、效率有很大影響。在高頻下，磁性元件損耗占整機的比重很大。因此對磁性元件的損耗進(jìn)行相關(guān)研究是十分重要的。
磁芯損耗與磁性材料特性和工作頻率等密切相關(guān)。在交流磁化過(guò)程中，磁芯損耗功率(Pv)由磁滯損耗(Ph)、渦流損耗(Pe)和剩余損耗(Pc)組成。磁滯損耗(Ph)是磁性材料在磁化過(guò)程中，磁疇要克服磁疇壁的摩擦而損失的能量，這部分損失最終使磁芯發(fā)熱而消耗掉。單位體積磁芯損耗的能量正比于磁滯回線(xiàn)包圍的面積。每磁化一個(gè)周期，就要損耗與磁滯回線(xiàn)包圍面積成正比的能量，所以可以得出：磁滯曲線(xiàn)面積越小，磁滯損耗就越??；頻率越高，損耗功率越大。渦流損耗(Pe)是因磁芯材料的電阻率不是無(wú)限大，有一定的電阻值，在高頻時(shí)還是會(huì )由于激磁磁場(chǎng)在磁芯中產(chǎn)生渦流而導致?lián)p耗。剩余損耗(Pc)是由于磁化弛豫效應或磁性滯后效應引起的損耗。所謂弛豫是指在磁化或反磁化的過(guò)程中，磁化狀態(tài)并不是隨磁化強度的變化而立即變化到它的最終狀態(tài)，而是需要一個(gè)過(guò)程，這個(gè)‘時(shí)間效應’便是引起剩余損耗的原因。本文對高頻下磁芯損耗的計算進(jìn)行了研討。
二、磁芯損耗的經(jīng)典計算方法
前面對磁芯損耗的構成進(jìn)行了分析，磁芯損耗功率(Pv)由磁滯損耗(Ph)、渦流損耗(Pe)和剩余損耗(Pc)組成：
對于軟磁鐵氧體，文獻[1]分別給出了正弦波形激勵下Ph，Pe，Pc 的計算模型，但并不適合工程上的應用。在一個(gè)世紀以前Steinmetz 總結出一個(gè)實(shí)用于工程計算磁芯損耗的經(jīng)驗公式：
這個(gè)公式表明單位體積的損耗Pv 是重復磁化頻率和磁通密度的指數函數。Cm ，α 和β 是經(jīng)驗參數，兩個(gè)指數都可以不為整數，一般的1<α<3 和 2<β<3。對于不同的材質(zhì)，生產(chǎn)廠(chǎng)家一般會(huì )給出其相應的一套參數，但公式和參數僅僅適用于正弦的磁化情況，這是該經(jīng)驗公式應用于直流開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域的一個(gè)主要缺陷。
三、Steinmetz 經(jīng)驗公式的應用與調整
3.1 頻率和溫度的影響
借助 Steinmetz 模型計算磁芯損耗在工程上的應用十分廣泛，然而該模型的參數隨頻率變化，也就是說(shuō)用來(lái)反映頻率和最大磁感應強度與磁芯損耗關(guān)系的冪指數α 和β 的擬合值在不同頻率時(shí)是不同的，同時(shí)溫度對磁芯損耗的影響也很大。
圖１給出了飛利浦公司的3F3 材料單位體積損耗和溫度的關(guān)系。既然磁芯損耗隨溫度的變化而變化，那么計算公式就應該考慮溫度的影響。但式(2)中沒(méi)有明顯體現溫度影響的參數。為此，一些產(chǎn)商在Steinmetz 經(jīng)驗公式的基礎上進(jìn)行改進(jìn)，把溫度和頻率的影響包括在一個(gè)更加通用的公式中，比如下式就是飛利浦公司提出的計算正弦波下的單位體積的磁芯損耗公式（W/m3）。
其中：
式(3)中參數Cm、α、β 反映了頻率對磁芯損耗的影響。而參數ct0、ct1、ct2,和T 體現了溫度的影響，溫度的總體影響用參數CT 來(lái)表示。表1 為飛利浦公司提供的材料的相應參數。應用式(3)和(4) ，Steinmetz 經(jīng)驗公式(2)可以用來(lái)計算正弦波勵磁時(shí)，不同頻率和溫度下磁芯材料的單位體積損耗。
表1 飛利浦公司常用磁材料的單位體積損耗(W/m^3)的參數列表
3.2 非正弦激磁的影響
前人試圖通過(guò)對任意的非正弦波進(jìn)行傅立葉展開(kāi)，來(lái)克服Steinmetz 模型不能應用于非正弦激磁下的磁芯損耗計算的缺陷，但疊加的方法只適合線(xiàn)性系統，對與非線(xiàn)性的磁材料而言，用傅立葉展開(kāi)再疊加的方法來(lái)計算磁芯損耗是不正確的。
式(2)表達的Steinmetz 模型被證明是最有用的計算磁芯損耗的工具，該公式只需要三個(gè)參數，而且生產(chǎn)廠(chǎng)家一般都提供這些參數。對于正弦的磁通波形，用該式進(jìn)行磁芯損耗計算可以得到較高的精度和應用上的便利。因此值得把該式擴展到非正弦的情況下。為此Reinert 提出了修正的Steinmetz 經(jīng)驗公式來(lái)計算磁芯損耗[2]。已經(jīng)得到證明的一個(gè)事實(shí)是：宏觀(guān)的重復磁化速率和磁芯損耗有直接關(guān)系。因此式(2)的擴展任務(wù)主要就是把式(2)中的頻率f 用物理上的參數dM/dt 來(lái)代替，而dM/dt 是和磁通變化率dB/dt 相對應的。
首先，對磁通變化率dB/dt 在一個(gè)完整的磁化周期里進(jìn)行平均，得到下式：
其中△B=Bmax－Bmin，式(5)可變?yōu)椋?/span>
文獻[3]指出，上式可以通過(guò)轉化因子：2/△Bπ^2 得到一個(gè)等效的正弦重復磁化頻率feq：
和Steinmetz 經(jīng)驗公式相似，可以推出一個(gè)磁化周期的能量損耗表達式如下：
如果磁化周期為T(mén)r=1/fr，則單位體積的損耗為(W/m^3)可表示為：
式(9)稱(chēng)為修正的Steinmetz 經(jīng)驗公式，該式可用于任意的非正弦磁化波形。注意的是公式中的參數Cm ，α 和β 要根據feq 來(lái)選擇。
3.3 直流偏置的影響
Brockmeyer[4-5]通過(guò)比較不同磁感應強度的交流分量BAC和直流分量BDC作用下的磁芯損耗發(fā)現，損耗隨兩個(gè)分量的增加而增加。同時(shí)發(fā)現只有當反復磁化過(guò)程不會(huì )因為直流偏置而趨于飽和，并且當交流磁感應量非常小時(shí)，直流偏置對反復磁化造成的磁芯損耗的影響才可忽略?？紤]直流偏置磁化的影響，Brockmeyer通過(guò)調整損耗參數Cm，得到下述經(jīng)驗公式：
其中：
其中：K1，K2 為常數，用來(lái)表征磁性材料的直流偏置特性，可通過(guò)不同頻率和磁化狀態(tài)下所測量的磁芯損耗擬合得到。
四、當前存在的問(wèn)題和今后的工作展望
在前面的敘述中，指出了磁芯損耗和溫度密切相關(guān)，并指出了在不同溫度下，磁芯損耗的計算方法。但在實(shí)際工作中磁芯的溫度并不能事先知道，為了準確的計算磁芯損耗，應該建立磁性元件的熱模型，把磁芯損耗計算方法和磁性元件的熱模型結合起來(lái)，才能準確地計算磁性元件的損耗。
五、結束語(yǔ)
當前直流開(kāi)關(guān)電源正向模塊化、小型化方向發(fā)展，對功率密度和效率的要求越來(lái)越高。磁性元件作為直流開(kāi)關(guān)電源中的關(guān)鍵元件，對設備的體積和效率有很大的影響。因此對磁性元件損耗進(jìn)行相關(guān)研究是十分必要的。
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