開(kāi)關(guān)電源原理與設計
第二章開(kāi)關(guān)電源主要器件
2-1.開(kāi)關(guān)電源變壓器
現代電子設備對電源的工作效率、體積以及安全要求等技術(shù)性能指標越來(lái)越高，在開(kāi)關(guān)電源中決定這些技術(shù)性能指標的諸多因素中，基本上都與開(kāi)關(guān)變壓器的技術(shù)指標有關(guān)。開(kāi)關(guān)電源變壓器是開(kāi)關(guān)電源中的關(guān)鍵器件，因此，在這一節中我們將非常詳細地對與開(kāi)關(guān)電源變壓器相關(guān)的諸多技術(shù)參數進(jìn)行理論分析。
在分析開(kāi)關(guān)變壓器的工作原理的時(shí)候，必然會(huì )涉及磁場(chǎng)強度H和磁感應強度B以及磁通量等概念，為此，這里我們首先簡(jiǎn)單介紹它們的定義和概念。
在自然界中無(wú)處不存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)，在帶電物體的周?chē)厝粫?huì )存在電場(chǎng)，在電場(chǎng)的作用下，周?chē)奈矬w都會(huì )感應帶電;同樣在帶磁物體的周?chē)厝粫?huì )存在磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)的作用下，周?chē)奈矬w也都會(huì )被感應產(chǎn)生磁通。
現代磁學(xué)研究表明：一切磁現象都起源于電流。磁性材料或磁感應也不例外，鐵磁現象的起源是由于材料內部原子核外電子運動(dòng)形成的微電流，亦稱(chēng)分子電流，這些微電流的集合效應使得材料對外呈現各種各樣的宏觀(guān)磁特性。因為每一個(gè)微電流都產(chǎn)生磁效應，所以把一個(gè)單位微電流稱(chēng)為一個(gè)磁偶極子。因此，磁場(chǎng)強度的大小與磁偶極子的分布有關(guān)。
在宏觀(guān)條件下，磁場(chǎng)強度可以定義為空間某處磁場(chǎng)的大小。我們知道，電場(chǎng)強度的概念是用單位電荷在電場(chǎng)中所產(chǎn)生的作用力來(lái)定義的，而在磁場(chǎng)中就很難找到一個(gè)類(lèi)似于“單位電荷”或“單位磁場(chǎng)”的帶磁物質(zhì)來(lái)定義磁場(chǎng)強度，為此，電場(chǎng)強度的定義只好借用流過(guò)單位長(cháng)度導體電流的概念來(lái)定義磁場(chǎng)強度，但這個(gè)概念本應該是用來(lái)定義電磁感應強度的，因為電磁場(chǎng)是可以互相產(chǎn)生感應的。
幸好，電磁感應強度不但與流過(guò)單位長(cháng)度導體的電流大小相關(guān)，而且還與介質(zhì)的屬性有關(guān)。所以，電磁感應強度可以在磁場(chǎng)強度的基礎上再乘以一個(gè)代表介質(zhì)屬性的系數來(lái)表示。這個(gè)代表介質(zhì)屬性的系數人們把它稱(chēng)為導磁率。
在電磁場(chǎng)理論中，磁場(chǎng)強度H的定義為：在真空中垂直于磁場(chǎng)方向的通電直導線(xiàn)，受到的磁場(chǎng)的作用力F跟電流I和導線(xiàn)長(cháng)度 的乘積I 的比值，稱(chēng)為通電直導線(xiàn)所在處的磁場(chǎng)強度�；颍涸谡婵罩写怪庇诖艌�(chǎng)方向的1米長(cháng)的導線(xiàn)，通過(guò)1安培的電流，受到磁場(chǎng)的作用力為1牛頓時(shí)，通過(guò)導線(xiàn)所在處的磁場(chǎng)強度就是1奧斯特(Oersted)。
電磁感應強度一般也稱(chēng)為磁感應強度。由于在真空中磁感應強度與磁場(chǎng)強度在數值上完全相等，因此，磁感應強度在真空中的定義與磁場(chǎng)強度在真空中的定義是完全相同的。所不同的是磁場(chǎng)強度H與介質(zhì)的屬性無(wú)關(guān)，而磁感應強度B卻與介質(zhì)的屬性有關(guān)。
但很多書(shū)上都用上面定義磁場(chǎng)強度的方法來(lái)定義電磁感應強度，這是很不合理的;因為，電磁感應強度與介質(zhì)的屬性有關(guān)，那么，比如在固體介質(zhì)中，人們就很難用通電直導線(xiàn)的方法來(lái)測量通電直導線(xiàn)在磁場(chǎng)中所受的力，既然不能測量，就不應該假設它所受的力與介質(zhì)的屬性有關(guān)。其實(shí)介質(zhì)的導磁率也不是通過(guò)作用力來(lái)測量的，而是通過(guò)電磁感應的方法來(lái)測量的。 電磁感應強度一般簡(jiǎn)稱(chēng)為磁感應強度。磁場(chǎng)強度H和磁感應強度B由下面公式表示：
磁場(chǎng)強度H = F/I*l (2-1)
磁感應強度B = μ*H (2-2)
(2-1)式中磁場(chǎng)強度H的單位為奧斯特(Oe)，力F的單位為牛頓(N)，電流I的單位為安培(A)，導線(xiàn)長(cháng)度l 的單位為米(m)。(2-2)式中，磁感應強度B的單位為特斯拉(T)， μ為導磁率，單位為亨/米(H/m)，在真空中的導磁率記為u0 ，u0 = 1。由于特斯拉的單位太大，人們經(jīng)常使用高斯(Gs)作為磁感應強度B的單位。1特斯拉等于10000高斯(1T=104Gs)。
由于磁現象可以形象地用磁力線(xiàn)來(lái)表示，故磁感應強度B又可定義為磁力線(xiàn)通量的密度，即：?jiǎn)挝幻娣e內的磁力線(xiàn)通量。磁力線(xiàn)通量密度可簡(jiǎn)稱(chēng)為磁通密度，因此，電磁感應強度又可以表示為：
磁通密度B = Φ/S (2-3)
(2-3)式中，磁通密度B的單位為特斯拉(T)，磁通量Φ 的單位為韋伯(Wb)，面積的單位為平方米(m2)。如果磁通密度B用高斯(Gs)為單位，則磁通量的單位為麥克斯韋(Mx)，面積的單位為平方厘米(cm2)。其中，1特斯拉等于10000高斯(1T = 104Gs)，1韋伯等于10000麥克斯韋(1Wb = 10的4次方Mx)。
電磁感應強度除了可以稱(chēng)為磁感應強度、磁通密度外，很多人還把它稱(chēng)為磁感密度。至此，已經(jīng)說(shuō)明，電磁感應強度B、磁感應強度B、磁通密度B、磁感應密度B等，在概念上是完全可以通用的。
順便說(shuō)明，在其它書(shū)上有人把磁感應強度B的定義為：B = μ0 (H+M)，其中H和M分別是磁化強度和磁場(chǎng)強度，而μ0是真空導磁率。為了簡(jiǎn)單，在這本書(shū)中我們不準備引入太多的其它概念，如有特別需要，可通過(guò)(2-2)式的定義來(lái)與其它概念進(jìn)行轉換。
磁感應強度與磁場(chǎng)強度的概念一直以來(lái)都比較混亂，這是有歷史原因的。1900年，國際電學(xué)家大會(huì )贊同美國電氣工程師協(xié)會(huì )(AIEE)的提案，決定CGSM制磁場(chǎng)強度的單位名稱(chēng)為高斯，這實(shí)際上是一場(chǎng)誤會(huì )。AIEE原來(lái)的提案是把高斯作為磁通密度B的單位，由于翻譯成法文時(shí)誤譯為磁場(chǎng)強度，造成了混淆。當時(shí)的CGSM制和高斯單位制中真空磁導率μ0是無(wú)量綱的純數1，所以，真空中的B和H沒(méi)有什么區別，致使一度B和H都用同一個(gè)單位——高斯。 1930年7月，國際電工委員會(huì )才在廣泛討論的基礎上作出決定：真空磁導率μ0有量綱，B和H性質(zhì)不同，B和D對應，H和E對應，在CGSM單位制中以高斯作為B的單位，以?shī)W斯特作為H的單位。
直至1960年第十一屆國際計量大會(huì )決定：將六個(gè)基本單位為基礎的單位制，即米、千克、秒、安培、開(kāi)爾文和坎德拉，命名為國際單位制，并以SI(法文Le System International el'Unites的縮寫(xiě))表示，磁感應強度與磁場(chǎng)強度的概念才基本得到統一。
由于歷史的原因，在電磁單位制中還經(jīng)常使用兩種單位制，一種是SI國際單位制，另一種CGSM(厘米、克、秒)絕對單位制;兩個(gè)單位的主要區別是，在CGSM單位制中真空導磁率 μ0=1，在SI單位制中真空導磁率μ0 =
因此，只需要在CGSM單位制前面乘以一個(gè)系數。即可把CGSM單位制轉換成SI單位制，一般可寫(xiě)成uu0 或uru0 ，看到這個(gè)符號即可知道是采用SI單位制;但這里的u或ur一般稱(chēng)為相對導磁率，是一個(gè)不帶單位的系數，而u0 則要帶單位。
這里還需要強調指出，用來(lái)代表介質(zhì)屬性的導磁率并不是一個(gè)常數，而是一個(gè)非線(xiàn)性函數，它不但與介質(zhì)以及磁場(chǎng)強度有關(guān)，而且與溫度還有關(guān)。因此，導磁率所定義的并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的系數，而是人們正在利用它來(lái)掩蓋住人類(lèi)至今還沒(méi)有完全揭示的，磁場(chǎng)強度與電磁感應強度之間的內在關(guān)系。不過(guò)為了簡(jiǎn)單，當我們對磁場(chǎng)強度與電磁感應強度進(jìn)行分析的時(shí)候，還是可以把導磁率當成一個(gè)常數來(lái)看待，或者取它的平均值或有效值來(lái)進(jìn)行計算。 |
