变压器的磁芯

一、变压器的基本原理

变压器是一种基本电子元件，用于变换交流电压的大小，其工作原理基于电磁感应的原理。以下是变压器的基本工作原理：

1、主要组成部分：

变压器通常由两个线圈（绕组）组成，一个是输入绕组，也称为初级绕组，另一个是输出绕组，也称为次级绕组。这两个绕组之间由一个铁芯连接，铁芯的作用是增强磁场的传递和减少能量损失。

2、输入电压：

输入电压（通常是交流电压）通过连接到输入绕组的绕组。当输入电流通过输入绕组时，它会产生一个交变磁场，这个磁场也由铁芯引导。

3、电磁感应：

由于电磁感应的原理，变化的电流会在次级绕组中诱导出一个电动势（电压）。这个诱导电压的大小取决于输入电流的变化率、绕组的匝数比例和铁芯的性质。

4、变换电压：

输入绕组的匝数与输出绕组的匝数之比决定了输出电压与输入电压的比例。如果次级绕组的匝数多于初级绕组，输出电压将较高。反之，如果次级绕组的匝数少于初级绕组，输出电压将较低。

5、能量传输：

输入电能被转换成磁场能量，然后从磁场传输到次级绕组，最终转换为输出电能。这种能量传输是通过电磁感应的相互作用实现的，而不需要直接电流连接。

6、绕组和铁芯的特性：

绕组的导线通常绝缘并绕制在绕线框架上，以防止电流短路。铁芯的选择和设计对变压器的性能和效率至关重要。铁芯的材料通常是具有高导磁性能的材料，如硅钢片，以减小磁能损失。

二、什么是磁畴

磁畴（Magnetic Domain）是固体材料中微观磁性结构的一个特定区域，其中的原子或分子的磁矩（磁性矢量）在同一方向上排列，产生一个局部的磁场。磁畴通常是微米或更小尺寸的区域，在整个材料中分布广泛。磁畴的存在解释了许多磁性材料的宏观磁性行为。

磁畴理论是用量子理论从微观上说明铁磁质的磁化机理。所谓磁畴，是指铁磁体材料在自发磁化的过程中为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同，如图所示。

1907年、铁磁理论奠基者，法国物理学家 皮埃尔-欧内斯特·外斯提出了磁畴概念，认为铁磁材料中的原子具有永磁矩,每个原子就像一条条小磁铁。物质中各原子能克服原子的热运动而使原子的磁矩在一定空间范围内沿特定的方向排列，呈现出均匀的自发磁化，这种自发磁化的小区域称为磁畴或外斯畴。铁磁物质内分成很多个磁畴，磁畴与磁畴之间由磁畴壁间隔开，如图所示。

各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁，磁畴与磁畴之间由磁畴壁间隔开。这种磁畴壁的结构，可以想象成跟植物细胞一样由细胞壁间隔开。宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。

铁磁体（一般把具有铁磁性的物质被称为铁磁体。很多材料都表现出铁磁性，包括铁、钴、镍等等。）中每个磁畴所有原子的磁矩方向都是相同的。但是不同的磁畴之间，他们的自发此话方向是不同的。

在没有外磁场的情况下，各个磁畴的磁矩方向随机，多个磁畴之间磁矩相互抵消。这时，铁磁体的总磁矩为零。因此在没有外磁场的情况下，铁磁体宏观上表现出总磁矩为零，表现为没有磁性。但如果将一个外磁场靠近铁磁体，使其磁场作用于铁磁体，那么铁磁体内部的各个磁畴的磁矩方向将趋于一致。从而使得整个铁磁体对外显示出磁性，这就是铁磁体磁化的过程。一个磁铁作用于一个没有磁性的铁钉之后，这个铁钉被磁铁吸住时，铁钉被磁化，也呈现出磁性。

随着量子的发展，人们才认识到：原子的磁矩来自于电子围绕原子核旋转形成的轨道磁矩，以及电子自转形成的自旋磁矩。磁力显微镜（Magnetic force microscope.MFM）是一种原子力显微镜，通过磁性探针扫描磁性样品，检测探针和磁性样品表面的相互作用以重构样品表面的磁性结构。很多种类的磁性相互作用可以通过磁力显微镜测量，包括磁偶相互作用。

有了磁力显微镜，可以直观的观测到磁畴。磁畴存在的主要原因是材料内部的微观磁性相互作用和磁场能量最小化的趋势。以下是解释磁畴存在的关键原因：

1、磁性相互作用：在磁性材料中，每个原子或分子都具有一个磁矩，这是一个微小的磁性矢量，表示其磁性方向。这些磁矩之间会发生相互作用，导致原子或分子倾向于在相邻的磁矩方向上排列。

2、能量最小化：自然界的基本原则之一是能量最小化。在磁性材料中，原子或分子的磁矩会互相吸引，试图将它们排列在一起以减少能量。这意味着原子或分子倾向于在同一方向上排列，形成微观磁性区域。

3、热激活：温度会提供足够的热激活能量，使原子或分子能够克服磁相互作用的能量障碍，从而改变其磁矩方向。这导致了磁性材料中的磁畴的存在。在较高温度下，磁畴可能会更容易重排，而在较低温度下，它们可能更稳定。

4、磁性材料的结构：磁性材料通常具有晶体结构，其中原子或分子排列在规则的晶格中。这个结构会影响磁性材料的磁畴形态和性质。不同的磁性材料可能会表现出不同的磁畴结构。

磁畴的存在是由于微观磁性相互作用、热激活以及材料的结构所导致的，这些因素共同决定了原子或分子的磁矩排列方式。在宏观尺度上，这些微观磁畴的集合形成了磁性材料的整体磁性行为。通过外部磁场、温度和应力等因素，可以影响和控制磁畴的排列和重排，从而调整磁性材料的性能。

三、选择磁芯的材料

反激变压器的磁芯需要具备一些特定的磁性材料特点，以满足其工作条件和性能需求。以下是适用于反激变压器磁芯的主要特点：

1、高导磁性：反激变压器通常在高频率下工作，因此其磁芯需要具有高导磁性，以确保高效的能量传输和良好的电感性能。

2、低涡流损耗：由于反激变压器在高频率下运行，涡流损耗（eddy current loss）是一个重要的考虑因素。因此，磁芯材料应具有低涡流损耗特性，以减小能量损失并降低材料加热。

3、高电阻率：高电阻率材料有助于降低涡流损耗，因为较高的电阻会减小涡流电流的流动。这有助于确保磁芯在高频率下的稳定性。

4、低磁滞：低磁滞特性表明材料可以迅速响应变化的磁场，而不会在磁场的反转过程中产生大的磁滞损耗。

5、高温稳定性：反激变压器可能在高温环境下工作，因此磁芯材料应具有良好的高温稳定性，以防止材料的导磁性能在高温下明显下降。

6、可调性：一些反激变压器要求磁芯具有可调性，以便调整变压器的工作参数。

基于上述要求，铁氧体材料和粉末铁芯材料通常用于反激变压器的磁芯。这些材料具有适当的导磁性能、低涡流损耗、高电阻率和低磁滞，使它们成为适用于高频率反激变压器的理想选择。选择具体的磁芯材料还取决于变压器的设计和性能要求，以及可用的预算和资源。

四、什么是气隙？

变压器的气隙（Gap）是指在变压器的磁路中有意地引入的空间或间隙，其中不包含铁芯或磁性材料。气隙的存在可以影响变压器的磁性能和性能特性。磁路中间有一部分是由空气组成，如图所示。

在变压器的磁路中，主要由两个部分组成：铁芯（Iron Core）：铁芯是一个磁性材料的环形或矩形核心，用于增强磁场的传输，铁芯通常由硅钢片或其他高导磁性的材料制成；气隙：气隙是指铁芯中的空间或缝隙，其中不包含磁性材料，而是充满了空气或其他非磁性材料；气隙可以是设计中的一个元素，也可以是由于制造过程中的不完美而产生的。

气隙在变压器中的作用包括：

1. 1.     磁场控制：引入气隙可以改变磁场的分布和强度。通过调整气隙的大小，可以控制变压器的磁场，以满足特定的性能要求。

2. 2.     磁滞控制：气隙可以降低铁芯的整体磁滞特性，因为气隙中不包含磁性材料，所以不容易发生磁滞损耗。

3. 3.     电感控制：气隙的存在可以影响变压器的电感值。通过调整气隙的大小，可以调整变压器的电感，从而改变电流和电压的变换比例。

气隙是变压器设计中的一个重要因素，可用于调整和控制变压器的磁性能和性能特性，以满足不同的应用需求。在设计和制造过程中，工程师会仔细考虑气隙的大小和位置，以确保变压器在特定的工作条件下能够稳定和高效地工作。在高频变压器的设计过程中，为了尽量避免出现磁路饱和的现象，通常会故意在磁芯中柱预留一段气隙，由于该气隙的存在使得磁通无法完全经过磁芯，会在气隙边缘有部分磁通扩散进入磁芯窗口，并切割气隙附近的绕组，在高频条件下产生涡流损耗。

一个圆形磁环，我们绕上线圈，通上正好使磁芯饱和的电流。正好饱和，说明里面所有的磁畴都已经有序排列了。

这时在磁环上开个气隙，去除掉一部分磁芯，那么这一部分磁畴也就被去掉了。原来在气隙处的磁畴是有序排列的，相当于是一个小磁铁，所以对气隙旁边的磁畴的有序排列有正向的作用力，现在被去掉了，所以作用力消失。气隙旁边的磁畴原来是恰好可以全部都有序排列的，现在受到的正向作用力变小了，所有就不能全部有序排列了，磁性变小，进一步导致气隙旁边的旁边的磁畴受到的作用力也变小，也没有全部有序排列，这样一个传一个，整个磁芯的磁畴没有有序排列的更多。因此，这个开了气隙的磁环是没有磁饱和的。

要想使磁畴再次全部有序排列，我们必须通上更大的电流，直到再次饱和。

因此，可以看出，增加气隙，饱和电流增大了。并且从整体上看，磁畴总的有序排列变少，那么产生的磁通也变小了，即磁导率变小了。也可以看出，气隙的增加，从整体上看，弱化了磁畴间的正向相互作用力，因此在没有电流的时候，剩磁变小了。

假定没有气隙时，完全磁饱和对应的磁场强度为Bm，那么加了气隙以后，增大电流，使磁环的所有磁畴再次达到饱和，这时磁场强度应该是多少呢？我们假想一下，磁环里面的所有磁畴在饱和电流时全部排列，也就是最难偏转的那个磁畴在此时正好偏转，无论我们加不加气隙，要是那个最难的磁畴发生偏转，所以它所在的地方的磁场强度就是Bm。所以加了气隙之后，饱和时的磁场强度还是Bm，相对于之前没有变化。

磁场能量密度为单位体积所包含的磁场能，其公式为B的平方除以2μ，磁芯的储能不变。而气隙处的磁导率μ变成了空气，空气的磁导率一般只有磁环材料的几十分之一到几千分之一，因此，在气隙处的储能密度提升了成百上千倍。

因此，气隙增大了存储能量的能力。

那么气隙是越大越好吗？显然也不是的，因为气隙最大的时候就是没有磁环，也就是空芯电感，理论上空芯电感永不饱和，储能没有上限，只要电流够大。而实际中我们的电流总是有上限的，太大导线也承载不了。

事实上，我们说气隙增大了储能上限，说的是在各自都饱和情况下的储能。而在都不饱和的情况下，通上相同的电流，不加气隙的储能更高，因为能量密度公式等于二分之一的μ乘以H的平方，相同电流时，H相同，而不加气隙时磁导率更高。气隙太大，会因为磁导率太低，所以电感感量很难做上去，所以我们需要选择合适的气隙大小。

五、什么是漏感

1、什么是漏感

漏感是电机初次级在耦合的过程中漏掉的那一部份磁通。

变压器的漏感应该是线圈所产生的磁力线不能都通过次级线圈,因此产生漏磁的电感称为漏感。

漏感在哪？虽然印制电路板上的印制导线以及变压器的引线端也是漏感的一部分，但大部分漏感在变压器原边侧绕组中，尤其是那些与副边侧绕组有耦合关系的原边侧绕组中。

漏感是因为变压器一组线圈到另一组磁通量不完全耦合而产生的电感分量。任何初级线圈到次级线圈磁通量没有耦合的部分会表现出一个与初级串联的感性阻抗，因此在原理图中，漏感表示为在理想变压器初级线圈前端一个而外的电感。

在特定应用中，如开关电源和照明整流器，变压器的漏感在产品设计中会产生重要的功能影响。因此，准确的漏感测量对于变压器制造商来说通常是一项重要的步骤。

理想变压器

理论上的理想变压器没有损耗。电压比直接为匝数比，电流比为匝数比的倒数（图1）。

实际变压器

在实际的变压器中，初级线圈的某些磁通量不会耦合到次级线圈。这些“漏掉”的磁通量不会参与变压器的工作，可以表示为额外的与线圈串联的感性阻抗（图 2）。

实际的变压器加入空气间隙

在某些变压器的设计中，漏感必须要在总的电感量占更大的比例，并设定一个小的误差。漏感量比例的增加通常通过在磁芯中引入空气间隙来实现，因而降低磁芯的磁导率以及初级线圈的电感。因此初级线圈与次级线圈磁通量不耦合部分所占的比例也会增加（图 3）。

那么气隙是否跟漏感有线性关系？

下面以一个例子来说明变压器漏感与气隙大小的3种关系：不变、变大、变小。
见下图，假设气隙1、2、3使得磁阻R1=R2=R3，忽略窗口的那少部分磁通，可知
Φ=Φ1+Φ2。

存在下面3种情况：
1、增加气隙1，R1>R3，使得Φ1>Φ2，即耦合到Ns的磁通更多，漏感减小。
2、增加气隙2，R1=R3还是成立，Φ1=Φ2，即耦合到Ns的磁通不变，漏感不变。
3、增加气隙3，R1 变压器漏感与气隙大小的关系，不能简单说增大、减小或者不变，得根据具体的绕组结构，磁芯结构来分析。

决定漏感大小的因素

对于固定的已经制作好的变压器,漏感与以下几个因素有关:

K:绕组系数,正比于漏感,对于简单的一次绕组和二次绕组,取3,如果二次绕组与一次绕组交错绕制,那么,取0.85,这就是为什么推荐三明治绕制方法的原因,漏感下降很多很多,大概到原来的1/3还不到。

Lmt:整根绕线绕在骨架上平均每匝的长度.所以,变压器设计者喜欢选择磁心中柱长的磁心.绕组越宽,漏感就越减小.把绕组的匝数控制在最少的程度,对减小漏感非常有好处.匝数对漏感的影响是二次方的关系。

Nx:绕组的匝数。

W:绕组宽度,刚才已经说过了.大家可以拿一个很普通的BOBIN来分析一下。

Tins:绕线绝缘厚度。

bW:制作好的变压器所有绕组的厚度。

2、漏感的危害与防护

    漏感是指没有耦合到磁心或者其他绕组的可测量的电感量.它就像一个独立的电感串入在电路中.它导致开关管关断的时候DS之间出现尖峰.因为它的磁通无法被二次侧绕组匝链。

    漏感可看作与变压器原边侧电感串联的寄生电感。所以，在开关管关断瞬间，这两个电感中的电流都是Ipkp，即原边侧峰值电流。

    但是，在开关管关断时，原边侧电感能量可以通过互感转移到副边（通过输出二极管）释放，但漏感能量无处可去。

因此，它会以巨大的电压尖峰形式来“发泄怨气"。见图。

如果不尽力吸收这些漏感能量，尖峰会很高，将造成开关管损坏既然这些能量肯定不能传输到副边侧，那就只有两种选择：要么设法回馈至输人电容，要么设法消耗掉（损耗）。简单起见，通常选择后者。一般可直接采用稳压管钳位方法，如图所示。

当然，稳压管电压必须根据开关管所能承受的最大电压来选择注意，出于一些原因（特别是效率），最好把稳压管与阻塞二极管串联后，并联在原边侧绕组上，如图所示。

另外一种方法是，运用电容并联电阻的方式实现RCD；在大部分低功率应用场合都会采用简单易实现的RCD钳位电路来减缓电压尖峰。

因此RCD钳位电路以其简洁易实现多用于小功率场合。图 1和图 2分别为反激电路中的RCD钳位电路和电容C两端的电压波形。

 

 

引入RCD钳位电路，目的是消耗漏感能量，但不能消耗主励磁电感能量，否则会降低电路效率，因此在电路设计调试过程中要选择恰当的R及C的值，以使其刚好消耗掉漏感能量。下面将分析其工作原理。

当开关管Q关断时，变压器初级线圈电压反向，同时漏感LK释放能量直接对C进行充电，电容C电压迅速上升，二极管D截止后C通过R进行放电

若C值较大，C上电压缓慢上升，副边反激过冲小，变压器能量不能迅速传递到副边；若C值特别大，电压峰值小于副边反射电压，则钳位电容上电压将一直保持在副边反射电压附近，即钳位电阻变为负载，一直在消耗磁芯能量，此时电容两端波形如图  (a)所示。

电容两端波形

若RC过小，则电容C充电较快，且C将通过电阻R很快放电，整个过程中漏感能量消耗很快，在Q开通前钳位电阻则成为变压器的负载，消耗变压器存储的能量，降低效率，电容C两端波形如图 (b)所示。 

若RC值取值比较合适，到开关管Q再次开通时，电容C上电压刚好放到接近于变压器副边反射的电压，此时钳位效果较好，电容C两端波形如图  (c)所示。