基于损耗分析的大容量高频变压器铁芯材料选型方法

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韩　帅，张　黎，谭兴国，等．基于损耗分析的大容量高频变压器铁芯材料选型方法

，，］８１３１７１８－

，标［但现有的关于不同铁芯材料高频损耗的

１４８７

并不能直接指导选型。分析还不够完善，

目前大容量高频变压器的设计容量从１０ｋＶＡ到２工作频率也从１００ｋＶＡ各异，０ｋＨｚ到２００ｋＨｚ不等，对于铁氧体、非晶材料、纳米晶等常用高频磁性材料的应用选择，目前并没有形成统一的准则，缺乏针对高频方波激励下的铁磁材料损耗特性的对以往对于损耗的分析只局限于磁性材料，而鲜有比，

］１０１９－

。容量等因素［文献考虑了高频变压器的体积、

本文将重点分析３种常用铁磁材料的损耗特性与工作频率、磁通密度与变压器铁芯体积等影响因素之间的关系，并将其进行比较，进而提出高频变压器铁芯材料的选择准则。

图１　不同频率下的纳米晶材料铁芯磁化曲线Ｆｉ．１Ｂ－Ｈｌｏｏｓｏｆｎａｎｏｃｒｓｔａｌｌｉｎｅｍａｔｅｒｉａｌａｔ　　　　　ｇｐｙ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｅｕｅｎｃｉｅｓ　ｑ

１　常用磁性材料的高频损耗密度特性

在几种用于高频变压器的典型磁性材料

］１２１４－

，硅钢片的饱和磁通密度较大，可达１磁中［．８Ｔ，

杂，因此在实际计算中很少被采用。

／）铁芯的损耗密度（单位为Ｗ表示单位质量ｋｇ

的铁芯损耗，描述高频损耗密度的经典方法是斯坦

］２１

）。磁滞损耗正比于Ｂ和ｆ，梅兹（公式［Ｓｔｅｉｎｍｅｔｚ２２

，涡流损耗正比于Ｂ和ｆ剩余损耗也正比于Ｂ和

因此，铁芯损耗可由传统的Ｓｔｅｉｎｍｅｔｚ公式表示ｆ，

导率也较高，但相比铁氧体、非晶材料、纳米晶而言，其高频损耗较大，不适于工作频率＞１ｋＨｚ的高频变

，其高频损耗低，压器。铁氧体的主要成分是ＭｎＺｎ具有较低的矫顽力，磁导率较高，但饱和磁通密度较，低（室温下为０会导致铁芯体积较大。非晶材．５Ｔ）饱和磁通密度与硅钢片不相上下，料的磁导率较高，

叠片的每片厚度可达３因而其高频损耗较小。０μｍ，

纳米晶主要由Ｆ其饱和磁通密度最大为ｅＳｉＣｏ构成，几乎兼备硅钢片和铁氧体的优点，具有优异１．２Ｔ，

的磁性能和温度稳定性，但缺点是造价较高。１．１　磁性材料损耗密度的计算方法

铁芯材料的Ｂ－Ｈ（Ｂ为磁通密度，Ｈ为磁场强度）磁滞回线是频率ｆ的函数，图１给出的是不同频

］７

。铁芯总损耗由率下纳米晶材料的动态磁化曲线［

（）Ｐｃ＝ＫＢβ。２ｆα

、式中，称作ＳＫ、ｔｅｉｎｍｅｔｚ系αβ为与材料有关的常数，

精度较高，，在工程上得到了广数。该方法表述简单，

泛应用，但它仅适用于正弦激磁情况。为便于分析］高频变压器在其他激励形式下的损耗特性，文献［４提出“磁通波形系数”的概念，并给出改进的Ｓｔｅｉｎ－ｍｅｔｚ公式

αβ

（）ＰＫＢ。３ｆｃ＝ＦＷ，Ｃ

／，式中，方波激励时为π三角ＦＷ，４Ｃ为磁通波形系数，

／，波激励时为２可见，高频方波激励下磁性材料的３

损耗密度大于三角波激励，但小于正弦波激励。１．２　磁性材料损耗密度的三维表征分析

就Ｍａｎｅｔｉｃｓ公司生产的几种具有代表性的铁ｇ

］２２

，氧体材料、非晶材料及纳米晶材料［分别给出其在

涡流损耗和剩余损耗３部分构成，高频下磁滞损耗、

的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

［，］１３１７

，但其所占比例不大。从动态

磁滞回线可以看出，工作频率越高，磁滞回环越大，单位质量的损耗就越大。

采用损耗分离法描述变压器的铁芯损耗Ｐｃ

］１９２０－

，时［可将其分解为静态磁滞损耗Ｐ动态涡流损ｈ、

脉冲宽度调制（方波激励下的ＳＰＷＭ）ｔｅｉｎｍｅｔｚ系数，如表１所示。

表１ＷＭ方波激励下的Ｓｔｅｉｎｍｅｔｚ系数　磁性材料在ＰＴａｂｌｅ１Ｓｔｅｉｎｍｅｔｚｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｍａｎｅｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌ　　　　　　ｇ

ｕｎｄｅｒｔｈｅＰＷＭ　ｗａｖｅｆｏｒｍｓ　　

磁性材料硅钢片非晶材料铁氧体纳米晶

耗Ｐ即ｅ以及剩余损耗Ｐａ，

　　Ｐｃ＝Ｐｈ＋Ｐｅ＋Ｐａ＝

２１．５

。（）Ｋｈ１Ｂβ＋Ｋｃ（Ｂ）Ｂ）＋Ｋｅ（ｆｆｆ

式中，Ｋｈ为磁滞损耗系数；ＫＫｃ为涡流损耗系数；ｅ为剩余损耗系数。该方法对于涡流损耗和附加损耗的计算较为准确，

但因涉及参数较多且提取方法复

ＦＷ，ＫＣ

０．０４７　

－６　

６．９１×１０－５　３．８３×１０－７　６．７８×１０

α

１．３９　１．７３　１．６３　１．８３　

β

１．７０２．２３２．６２２．１１２

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