開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載四十七）開(kāi)關(guān)電源主要器件之開(kāi)關(guān)電源變壓器

開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)

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(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)電源的工作效率、體積以及安全要求等技術(shù)性能指標(biāo)越來(lái)越高，在開(kāi)關(guān)電源中決定這些技術(shù)性能指標(biāo)的諸多因素中，基本上都與開(kāi)關(guān)變壓器的技術(shù)指標(biāo)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(jié)中我們將非常詳細(xì)地對(duì)與開(kāi)關(guān)電源變壓器相關(guān)的諸多技術(shù)參數(shù)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(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)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)，在帶電物體的周圍必然會(huì)存在電場(chǎng)，在電場(chǎng)的作用下，周圍的物體都會(huì)感應(yīng)帶電;同樣在帶磁物體的周圍必然會(huì)存在磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)的作用下，周圍的物體也都會(huì)被感應(yīng)產(chǎn)生磁通。

現(xiàn)代磁學(xué)研究表明：一切磁現(xiàn)象都起源于電流。磁性材料或磁感應(yīng)也不例外，鐵磁現(xiàn)象的起源是由于材料內(nèi)部原子核外電子運(yùn)動(dòng)形成的微電流，亦稱分子電流，這些微電流的集合效應(yīng)使得材料對(duì)外呈現(xiàn)各種各樣的宏觀磁特性。因?yàn)槊恳粋€(gè)微電流都產(chǎn)生磁效應(yīng)，所以把一個(gè)單位微電流稱為一個(gè)磁偶極子。因此，磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小與磁偶極子的分布有關(guān)。

在宏觀條件下，磁場(chǎng)強(qiáng)度可以定義為空間某處磁場(chǎng)的大小。我們知道，電場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)度，為此，電場(chǎng)強(qiáng)度的定義只好借用流過(guò)單位長(zhǎng)度導(dǎo)體電流的概念來(lái)定義磁場(chǎng)強(qiáng)度，但這個(gè)概念本應(yīng)該是用來(lái)定義電磁感應(yīng)強(qiáng)度的，因?yàn)殡姶艌?chǎng)是可以互相產(chǎn)生感應(yīng)的。

幸好，電磁感應(yīng)強(qiáng)度不但與流過(guò)單位長(zhǎng)度導(dǎo)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(yīng)強(qiáng)度可以在磁場(chǎng)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上再乘以一個(gè)代表介質(zhì)屬性的系數(shù)來(lái)表示。這個(gè)代表介質(zhì)屬性的系數(shù)人們把它稱為導(dǎo)磁率。

在電磁場(chǎng)理論中，磁場(chǎng)強(qiáng)度H的定義為：在真空中垂直于磁場(chǎng)方向的通電直導(dǎo)線，受到的磁場(chǎng)的作用力F跟電流I和導(dǎo)線長(zhǎng)度 的乘積I 的比值，稱為通電直導(dǎo)線所在處的磁場(chǎng)強(qiáng)度?；颍涸谡婵罩写怪庇诖艌?chǎng)方向的1米長(zhǎng)的導(dǎo)線，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(dǎo)線所在處的磁場(chǎng)強(qiáng)度就是1奧斯特(Oersted)。

電磁感應(yīng)強(qiáng)度一般也稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度。由于在真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度在數(shù)值上完全相等，因此，磁感應(yīng)強(qiáng)度在真空中的定義與磁場(chǎng)強(qiáng)度在真空中的定義是完全相同的。所不同的是磁場(chǎng)強(qiáng)度H與介質(zhì)的屬性無(wú)關(guān)，而磁感應(yīng)強(qiáng)度B卻與介質(zhì)的屬性有關(guān)。

但很多書上都用上面定義磁場(chǎng)強(qiáng)度的方法來(lái)定義電磁感應(yīng)強(qiáng)度，這是很不合理的;因?yàn)?，電磁感?yīng)強(qiáng)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(dǎo)線的方法來(lái)測(cè)量通電直導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受的力，既然不能測(cè)量，就不應(yīng)該假設(shè)它所受的力與介質(zhì)的屬性有關(guān)。其實(shí)介質(zhì)的導(dǎo)磁率也不是通過(guò)作用力來(lái)測(cè)量的，而是通過(guò)電磁感應(yīng)的方法來(lái)測(cè)量的。

電磁感應(yīng)強(qiáng)度一般簡(jiǎn)稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B由下面公式表示：

磁場(chǎng)強(qiáng)度H = F/I*l (2-1)

磁感應(yīng)強(qiáng)度B = μ*H (2-2)

(2-1)式中磁場(chǎng)強(qiáng)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(dǎo)線長(zhǎng)度l 的單位為米(m)。(2-2)式中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位為特斯拉(T)， μ為導(dǎo)磁率，單位為亨/米(H/m)，在真空中的導(dǎo)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(yīng)強(qiáng)度B的單位。1特斯拉等于10000高斯(1T=104Gs)。

由于磁現(xiàn)象可以形象地用磁力線來(lái)表示，故磁感應(yīng)強(qiáng)度B又可定義為磁力線通量的密度，即：?jiǎn)挝幻娣e內(nèi)的磁力線通量。磁力線通量密度可簡(jiǎn)稱為磁通密度，因此，電磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度除了可以稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通密度外，很多人還把它稱為磁感密度。至此，已經(jīng)說(shuō)明，電磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁通密度B、磁感應(yīng)密度B等，在概念上是完全可以通用的。

順便說(shuō)明，在其它書上有人把磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定義為：B = μ0 (H+M)，其中H和M分別是磁化強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，而μ0是真空導(dǎo)磁率。為了簡(jiǎn)單，在這本書中我們不準(zhǔn)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(zhuǎn)換。

磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)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(guó)際電學(xué)家大會(huì)贊同美國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì)(AIEE)的提案，決定CGSM制磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位名稱為高斯，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(qiáng)度，造成了混淆。當(dāng)時(shí)的CGSM制和高斯單位制中真空磁導(dǎo)率μ0是無(wú)量綱的純數(shù)1，所以，真空中的B和H沒(méi)有什么區(qū)別，致使一度B和H都用同一個(gè)單位——高斯。

1930年7月，國(guó)際電工委員會(huì)才在廣泛討論的基礎(chǔ)上作出決定：真空磁導(dǎo)率μ0有量綱，B和H性質(zhì)不同，B和D對(duì)應(yīng)，H和E對(duì)應(yīng)，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(guó)際計(jì)量大會(huì)決定：將六個(gè)基本單位為基礎(chǔ)的單位制，即米、千克、秒、安培、開(kāi)爾文和坎德拉，命名為國(guó)際單位制，并以SI(法文Le System International el'Unites的縮寫)表示，磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的概念才基本得到統(tǒng)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(guó)際單位制，另一種CGSM(厘米、克、秒)絕對(duì)單位制;兩個(gè)單位的主要區(qū)別是，在CGSM單位制中真空導(dǎo)磁率 μ0=1，在SI單位制中真空導(dǎo)磁率μ0 =

。因此，只需要在CGSM單位制前面乘以一個(gè)系數(shù)

。，即可把CGSM單位制轉(zhuǎn)換成SI單位制，一般可寫成uu0 或uru0 ，看到這個(gè)符號(hào)即可知道是采用SI單位制;但這里的u或ur一般稱為相對(duì)導(dǎo)磁率，是一個(gè)不帶單位的系數(shù)，而u0 則要帶單位。

這里還需要強(qiáng)調(diào)指出，用來(lái)代表介質(zhì)屬性的導(dǎo)磁率并不是一個(gè)常數(shù)，而是一個(gè)非線性函數(shù)，它不但與介質(zhì)以及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，而且與溫度還有關(guān)。因此，導(dǎo)磁率所定義的并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的系數(shù)，而是人們正在利用它來(lái)掩蓋住人類至今還沒(méi)有完全揭示的，磁場(chǎng)強(qiáng)度與電磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的內(nèi)在關(guān)系。不過(guò)為了簡(jiǎn)單，當(dāng)我們對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度與電磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分析的時(shí)候，還是可以把導(dǎo)磁率當(dāng)成一個(gè)常數(shù)來(lái)看待，或者取它的平均值或有效值來(lái)進(jìn)行計(jì)算。