電工基礎:交流鐵芯線圈的功率損耗(26)

上次的學習內容是交流鐵芯線圈電路的特點，我們這次接著來學習交流鐵芯線圈電路的功率損耗。

提到這個功率損耗，如果有誰是按順序把我的序列學習分享都學了的，那麼他肯定知道這節課講的是什麼了，甚至可以說這次的學習內容他已經完全掌握了。

關於鐵心線圈，我想大家接觸的比較多的應該是變壓器和電機的鐵心了，而鐵心線圈的損耗，不用我多說，大家應該也是有了解一二的。那麼，我們正式開始學習吧。

交流鐵芯線圈的功率損耗主要有銅損和鐵損兩種。在這裡要提醒的一點就是，有這兩種損耗的前提是加以交流電壓的具有鐵心的線圈，沒有鐵心或者不是通交流電的線圈顯然是沒有鐵損的。

1、銅損（ΔPCu）

在交流鐵芯線圈中，線圈電阻R上的功率損耗稱為銅損，用ΔPCu表示。所謂銅損並不僅僅表示銅線的功率消耗，這代指了所有類型線圈導線的電阻損耗，包括銅導線、鋁導線等。

▲圖26-1

如上圖26-1所示，在鐵心線圈埠加以交流電壓u（正負號僅表示該時刻的電壓方向，非恆定不變），此時線圈中流過的電流為i，N匝線圈的總電阻為R，那麼此時該鐵心的銅損為ΔPCu=I2R，其中I是電流i的有效值。關於交流變量的瞬時值和有效值，在這裡就不作詳解。銅損會轉化為熱能，造成線圈與周圍環境的溫升。

在這裡我順便跟大家提一下，在變壓器中，銅損又稱短路損耗，也稱負載損耗，它可以通過變壓器的短路實驗測得。對雙繞組變壓器來說，當以額定電流通過變壓器的一個繞組，而另一個繞組短接時變壓器所吸收的有功功率就是變壓器的短路損耗；對於多繞組變壓器，短路損耗是以指定的一對繞組為準的。

2、鐵損（ΔPFe）

在交流鐵芯線圈中，處於交流磁通下的鐵心內的功率損耗稱為鐵損，用ΔPFe表示。鐵損又包括磁滯損耗和渦流損耗兩種，這在我之前將磁性材料的磁特性的時候其實已將提到過了，就是不知大家還有沒有印象。

在這裡我再順便跟大家提一下，在變壓器中，鐵損又稱空載損耗，可以通過空載實驗測得，即當用額定電壓施加於變壓器的一個繞組上，而其餘的繞組均為開路時，變壓器所吸收的有功功率。

（1）磁滯損耗（ΔPh）

由磁滯所產生的能量損耗稱為磁滯損耗，用ΔPh表示。這裡我帶大家簡單回顧一下磁滯的相關內容，這是之前學習磁性材料的磁特性時的內容，即當鐵心線圈通有交變電流時，鐵心將受到交變磁化，但當磁場強度H減少為零時，磁感應強度B並未回到零值，出現剩磁Br。這種磁感應強度滯後於磁場強度變化的性質稱為磁滯性。

如圖26-2中這種在磁場強度周期性變化時，磁性物質由於磁滯現象的閉合磁化曲線叫做磁滯回線。磁性材料在循環磁化過程中是伴隨著能量的損耗的，即磁滯損耗，它是磁疇反覆轉向引起的能量損失。另外，可以證明，B-H磁滯回線所包圍的面積正比於在一次循環磁化中的能量損耗。

▲圖26-2

磁滯損耗的大小不僅與磁滯回線的面積有關，還有磁場交變的頻率有關，即單位體積內的磁滯損耗正比於磁滯回線的面積和磁場交變的頻率f。磁滯損耗也會轉化為熱能，引起鐵心的發熱。

為了減少磁滯損耗，我們可以根據磁滯損耗的影響因素考慮，其中因為頻率是定值，所以可以根據改變磁滯回線的面積來減少磁滯損耗，即選用磁滯回線狹小的磁性材料製作鐵心。變壓器和電機中使用的矽鋼等材料的磁滯損耗較低。另外，在考慮到磁滯回線面積的同時，設計時亦應當選擇值以減小鐵芯飽和度。

（2）渦流損耗（ΔPe）

關於渦流，我們在在之前學習磁路及磁路基本定律的時候就有提到過，即交變磁通在鐵心內產生感應電動勢和電流，稱為渦流。渦流在垂直於磁通的平面內環流，而渦流損耗是指由渦流所產生的功率損耗，用ΔPe表示。顯然渦流損耗也會轉化為熱能，引起鐵心的發熱。

▲圖26-3

如圖26-3所示，鐵心處於交變磁通中，根據電磁感應定律與右手螺旋定則，鐵心垂直於磁通的表面會產生感應電動勢，該電動勢會形成一圈一圈的渦流，又由於鐵心有電阻的存在，所以有能量的損失，這就是渦流損耗。

▲圖26-4

渦流損耗可以通過採用某些措施以減少，如上圖26-4所示，可以通過提高鐵心的電阻率來減小鐵心的渦流損耗，即把鐵心用彼此絕緣的鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內。

現在，變壓器的鐵芯基本都是以疊片的形式製成，目的之一就是為了減小渦流損耗。

綜上，交流鐵心線圈的功率損耗包括了銅損和鐵損，而鐵損又包含了磁滯損耗和渦流損耗，即交流鐵心線圈電路的功率損耗ΔP損=ΔPCuΔPFe=ΔPCu（ΔPhΔPe）=I2RΔPFe。這些功率損耗總是伴隨著溫度的升高，所以在鐵芯線圈的設計生產時，總要考慮如何減少這些能量的損失。（技成培訓原創，作者：楊思慧，未經授權不得轉載，違者必究！）