什麼是鐵損?磁滯損與渦流損介紹
2023.6.15
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目錄
一、磁性元件的損耗概述
二、什麼是鐵損?
三、磁滯損介紹
四、渦流損介紹
五、什麼是異常損?
六、什麼是B-H曲線圖?
一、磁性元件的損耗概述 :
磁性元件的損耗主要為鐵損與銅損兩種 ，磁性元件銅損、鐵損與負載的關係如 (圖1)。
圖1. 磁性元件銅損、鐵損與負載的關係
鐵損為固定損耗，鐵損主有由三種損失構成，磁滯損（Hysteresis losses）、渦流損（Eddy-current losses）及異常損（Anomalous losses），這是變壓器磁路中必定會產生的損失，而鐵損與電壓的平方成正比，但變壓器的工作電壓變化不大，不會隨負載變動而改變，損耗功率固定，所以鐵損是一種固定損耗。
二、什麼是鐵損(iron losses) ?
變壓器、電感器等有磁材導磁體的磁性元件，當電流流通時，磁材導磁體受到變動磁場的影響會產生損耗，而損耗會轉換成熱能，也會因震動而產生噪音損耗，這種損耗現象稱為鐵損。
三、什麼是磁滯損(Hysteresis losses) ?
磁滯損與磁材有關。當電生磁，磁材的磁場改變，磁化強度也會改變，可從B-H曲線 (圖2) 來判別，曲線面積越大，磁滯損越大。
當磁材的磁場改變時，磁材的磁化強度會產生變化，而磁疇 (組成鐵磁質的基本單位) 會產生轉動、膨脹及收縮的阻力產生熱能，這種現象稱為磁滯損。(如圖3、圖3-2所示)
磁滯損與磁材有關。當電生磁，磁材的磁場改變，磁化強度也會改變，可從B-H曲線 (圖2) 來判別，曲線面積越大，磁滯損越大。
當磁材的磁場改變時，磁材的磁化強度會產生變化，而磁疇 (組成鐵磁質的基本單位) 會產生轉動、膨脹及收縮的阻力產生熱能，這種現象稱為磁滯損。(如圖3、圖3-2所示)
圖2. B-H曲線-曲線面積越大，磁滯損越大
若交流磁場大小不變，週期時間相同，磁材磁疇轉動週期也相同，磁滯損不變，此時磁滯損與頻率成正比，頻率越高，則磁滯損失越高。
圖3.磁疇通電後方向會一致
圖3-2.磁化後的磁疇
圖3-2.磁化後的磁疇
四、渦流損（Eddy-current losses）介紹
渦電流和磁場呈垂直，渦電流會因磁材的電阻及周圍接觸到的金屬導體產生熱能損耗，這種對磁材產生熱能現象稱為渦流損。
電生磁，當磁場變化，使導體產生渦電流，當渦電流在鐵芯流動，會因鐵芯材料的電阻而發熱損耗，渦流損和電流循環面積的大小成正比，但和鐵芯材料的電阻率成反比。若磁材較薄，且表面有絕緣塗層，可以減少渦流損，例如矽鋼片，且磁材的選擇也可減少渦流損，例如鐵氧體。
圖4. 矽鋼片-可以漸少渦流損
五、什麼是異常損失（Anomalous loss）?
包含磁滯損及渦流損以外的異常損失，可通稱為其他損失。
六、什麼是B-H曲線圖?
磁材的磁場強度（H）和磁感應強度（B）之間的關係是非線性的。如果在增強磁場條件下，此二者關係將呈曲線上升到某點，到達此點後，即使磁場強度H繼續增加，磁感應強度B也不再增加。該情況被稱為磁飽和（magnetic saturation）。
圖5. B-H曲線-曲線面積越大，磁滯損越大
圖6.起始磁化曲線和磁滯迴線
磁感應強度又稱磁通密度，用於描述磁場強弱和方向的物理量，通常以矢量(B)表示，單位是特斯拉（T）或高斯（Gs），1T=10KGs；其中電流與磁場線會呈垂直表現，當磁感應強度值小，表示磁感弱，當磁感應強度值大，表示磁感強。
磁感應強度(B)，等於在一個磁場中所受的做用力(F)下的長度(L)，而電流I 的導體 ; 磁感應強度與(L)及(I) 的乘積成反比。
磁感應強度公式 :
矢量的磁感應強度( ^B)，等於矢量的磁場強度(^H)與(μ)導磁率的乘積成正比。
磁場強度（H）:
• 磁荷，是最早描述磁場的觀點。1785年庫侖確立了磁庫侖定律，庫倫認為存在正負磁荷，兩磁荷間引力和斥力大小與磁荷強度乘積成正比，與兩磁荷間距離平方成反比。
• 剩磁 :
磁滯回曲線與Y軸的交點，磁材經飽和磁化後，撤去磁場的飽和磁感應強度稱為剩磁。
• 矯頑力 :
磁滯回曲線與X軸的交點，磁材在飽和磁化後，外磁場退回0，其B值不為零。因此在負向磁場作用下，磁鐵中的磁感應強度B隨著退磁磁場的增大而減弱，當B值為0的磁場強度，稱為矯頑力。
若磁材的矯頑力大，稱為硬磁性為永磁材，永磁材應用於馬達、磁性儲存 ；若磁材的矯頑力小，稱為軟磁材，軟磁材應用於變壓器、電感器。
圖7. B-H曲線-矯頑力小為軟磁材
• 飽和磁場强度(Hm) 與飽和磁感應強度(Bm)
隨著外界磁場強度H的提升，磁感應強度B也逐步提升，磁材在充磁完全磁化時，即充磁磁場強度H應達到Hm值，且磁感應強度也達到了飽和值Bm時，可得到最大可能磁化的退磁曲線。
此時退磁曲線最穩定，若充磁磁場強度H低於Hm值，則將有不同形狀的磁滯曲線，其退磁曲線會不穩定，磁材表現出的特性也較低。
• 起始磁化曲線(a~b)
在原點0，磁材處於中性未充磁的狀態，此時B=H=0，隨著外界磁場強度H的提升，磁材感應強度也逐步提升，並最終在外界磁場強度達到Hm時，達到了飽和值Bm，該段曲線稱之爲起始磁化曲線。
• 退磁曲線Br~-Hc
Br~-Hc該段稱為退磁曲線，在負向磁場作用下，從0到－Hc，磁感應強度B消除剩磁，退磁曲線的大小反應磁材保持剩磁的能力。
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