變壓器基本概念與工作原理

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：

（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)度的單位為米（m）。（2-2）式中，磁感應強度B的單位為特斯拉（T）， 為導磁率，單位為亨/米（H/m），在真空中的導磁率記為 ， = 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（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：

（2-3）式中，磁通密度B的單位為特斯拉（T），磁通量的單位為韋伯（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 = 104Mx）。

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 = (H+M)，其中H和M分別是磁化強度和磁場(chǎng)強度，而 是真空導磁率。為了簡(jiǎn)單，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。

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