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电感之储能原理详解

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xinbajiang
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LV6
高级工程师
  • 2018-1-29 16:18:45

写在前面的话 写这篇帖子的初衷是之前看到了一帖子:变压器、电感之二:变压器的能量究竟储存在哪里?

然后个人呢也是从网上搜索了相关的各种资料结合个人的一些想法和大家分享一下关于电感的一些看法。

电感器的能量到底储存在哪里这个话题我从网上搜索了下如下图所示:

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许多人对于“电感储能”的理解有很多的答案,但是要理解“电感的能量储存在哪里”这个问题,对于开关电源中的电感器与变压器的设计有着非常重要的意义,因此,在进一步讲述其它由电感原理构成的元器件(如电感器、变压器、共模扼流圈、磁珠等等)之前,个人觉得还是有必要将这个问题先弄清楚。
电感器相对电容器会神秘得多,因为磁能比电能更不容易理解,比如,我们可以清楚地说出电容器是用来存储电荷(电场能)的,正负电荷分别储存在两个平行板上,甚至还可以 用Q=CV 方程式来佐证一下,换句话说,对于“电容的能量储存在哪里”的答案相对会明确得多。那电感器的能量到底储存在哪里?
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一般想法都是:能量储存在磁芯的气隙里(也就是空气中),磁芯本身也有很多气隙。这种说法的基本思路就是:空气的磁阻比磁芯的磁阻要大,所以磁路中空气的能量也越大,这类比 于电阻串联电路中,电阻值越大,则它消耗(储存)的能量也越大(P=I2R),因为电流是一样的。
还有人用反激式变压器的磁芯开了气隙之后,存储的能量大了很多来举证能量是存储在气隙里的。
还有的想法就是:能量就储存在磁场里,或能量储存在气隙的磁场里。当然,这是正确的,然而,这对于理解电感的储能并没有实际的作用。
就目前来看主流的观点有两个:电感的能量储存在(1)磁芯(2)气隙里
那我们知道电容器是用来存储电荷的,正负电荷形成电场,所以电荷是电容能够存储电场能的媒介 换句话说,电场只是一种外在的表现形式,这与磁场是一个层面的概念,如下图所示:
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那电感存储磁能的媒介是什么呢?其实我们不需要去深究电感存储磁能的媒介是什么,因为这并不妨碍我们理解“电感的能量存储在哪里”这个问题,但是我不否认这种概念分层的对应方法确实对有助于理解很多问题。
首先让我们先理清一下“电感的能量存储在磁芯”的这种说法基本思路。
物理学告诉我们,磁芯内部微观上包含很多的磁畴(Magnetic Domain),它可以理解为非常小的磁铁,每一个小小的磁畴都会产生一定的磁场。在磁芯未曾被磁化时,由于内部磁畴的排列方向杂乱无章,磁畴产生的磁场相互抵消,因此整个磁芯对外不显磁性,如下图所示:
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当我们对缠线在磁芯体的线圈施加电流时,线圈将会产生一定的磁场强度 H(也称为磁
化场)磁场强度与电流的大小成正比关系,如下图所示:
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注意:电路中这里对线圈施加的是恒流源,而不是电压源。
这个磁化场 H 将对磁芯中的每一个磁畴施加一个磁力矩,使这些磁畴在宏观上转向磁 场方向排列起来,这样磁芯整体会对外显磁性,如下图所示:
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在这个过程中可以认为:磁畴在磁化场的作用下做功,也就是将磁场能转化为磁力矩保存起来,而表现的形式就是磁场强度B。
在外部磁化场撤消的瞬间,磁芯本身对外是有磁场的,但很快磁畴因本身的方向恢复而释放磁力矩,在这个过程中,磁芯对外的磁场将从大到小变化,如果磁芯周围有线圈的话,就会由于磁通量变化而在线圈中产生感应电动势(线圈切割磁力线)如果线圈有闭合回路的话,就会产生回路电流,如下图所示:
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此时磁芯内部的磁畴如下图所示:
7.png
这样就有下叙所述的能量转换:
8.png
这种磁力矩与弹簧的弹力是相似(与机械钟表中的发条更接近一些),当弹簧因外力被压迫后(相当于磁芯被磁化),弹簧的弹性势能增加(相当于磁芯 的磁力矩增加,也就是磁芯储能增加),如下图所示:
9.png
当压迫弹簧的外力撤消后,弹性势能转换为动能对外做功,同样的道理,磁力矩在变化的过程中产生变化的磁场,也可以对处于磁场中的导线或线圈做功,如下图所示:
10.png
因此,磁芯的体积越大,则内部的磁畴越多,则相同类型的磁芯材料能够存储的能量越多,这就解释了为什么功率越大的变压器需要体积更大的磁芯。

我们也可以由“电感的能量储在磁芯”的这个说法来讲解释一下磁滞(B‐H)回线是如 何表征磁芯能量的损失。我们都知道,磁滞回线包围的面积代表了磁芯的损耗,也就是磁化场对磁芯内的磁畴磁化的效率。

在撤消外部磁化场后(H=0)时,理想磁芯内磁畴的磁力矩应该尽量全部复位(即释放为 0,相当于弹簧的弹性势能为 0 时),如果磁力矩没有全部复位,则我们认为磁化场存储在磁芯(磁畴)做的功没有完全释放出来,这些没有释放出来的能量的表现形式称之为剩余磁通 Br,这个剩余磁通自然越小越好。

如果要将磁力矩全部复位,则必须施加一个反向的磁力场用来抵消磁芯的剩余磁通,那么把剩余磁通减少到 0 时的磁力场称为矫顽力 HC,这个矫顽力自然也是越小越好(理想为 0), 因为它导致了能量的损失,如下图所示:
11.png
很明显,蓝色磁滞回线的面积比红色的要小,因此它代表的磁芯损耗也要小一些,这符合我们对磁滞回线的认识。因此,无损耗的磁滞回线应如下图所示,这与理论中无损磁滞回线也是相符合的。
12.png
同样,也可以藉此解释为什么反激式变压器的磁芯需要增加气隙,增加气隙后的等效磁导率变低,相当于磁滞回线更平缓了,如下图所示:

13.png
在相同磁感应强度 B1,2 下,有气隙磁芯的磁滞回线比无气隙磁芯的磁滞回线要平缓得多
(斜率变小,也就是磁芯的等效磁导率变小),因此需要更强大的磁化场对磁芯(磁畴)做功,因此可以认为磁芯(磁畴)储存的能量更多了,因为更多的能量被转化成磁力矩。
如果“电感的能量储存在磁芯里”这个解释成立的话,也存在很多无法解释的问题,如电感器的磁芯饱和后,电感器的存储的能量是最大值还是最小值?我们说磁芯在磁饱和后的磁导率为 1(相当于空气的磁导率),这样磁芯电感器相当于是空心电感器,自然电感量也就下降了,根据电感储能公式(W=1/2×L×I2)可以看出此时电感储存的能量也是下降的。
但是如果按照能量是储存在磁芯内的说法,有芯电感器的芯饱和后,内部磁畴的磁力矩应该都是最大值,也就是说磁化场能够转化能量的极限达到,此时电感器存储的能量应该是最大值,这就有点矛盾了。还有就是反激式变压器在开气隙之前存储的能量比较小,而开气隙之后存储的能量比较大,开气隙就相当于把磁芯的某个部位截掉了,那也就是说,磁芯中总的磁畴数量已经下降, 按理说存储的能量应该更小才是,再者我们说电容器介质的介电常数越大电容器的容量越大的,则能够储存的能量越多,同样,电感器磁芯的磁导率越大,电感量也越大,则能够储存的能量也越多,但恐怕从没听说过“电容器的能量存储在介质中”的说法,那“电感器的能量存储在磁芯” 的说法又无从解释。到目前为止还是有很多的问题没有想清楚,就先写到这里希望后面能和大家一起来讨论。


h8f10
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LV8
副总工程师
  • 2018-1-29 18:11:53
  • 倒数3
 
字好多,实在看不下去,其实我们做电源管它能量储存在哪儿,压根儿不影响你的设计啊。
greendot
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LV10
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  • 2018-1-29 19:47:20
  • 倒数2
 
只看了最后10行,
1. “如电感器的磁芯饱和后,电感器的存储的能量是最大值还是最小值?” ---- 当然是最大,说磁饱和后的磁导率为 1,那只是增量磁导率,振幅磁导率还是不小的。
gaohq
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最新回复
  • 2018-1-30 13:00:32
  • 倒数1
 
开气隙就相当于把磁芯的某个部位截掉了,那也就是说,磁芯中总的磁畴数量已经下降, 按理说存储的能量应该更小才是


这个我也一直很困惑。
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