《物理学的历史负担》————变压器的漏磁场与能流

zengxiaodong

这是一本获得广泛好评的图书，很值得一读，其中指出了对于变压器“漏磁场”的深度误解！

变压器的能量传输，根本不是通过铁心来传递的，恰恰是通过漏磁场来传递的！

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第74节，变压器的漏磁场
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不过，《物理学的历史负担》对于变压器漏磁场必不可少的解释，显得稍显欠缺，要深度理解这个问题，还需要其他的方式。
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9 T5 _7 R- K# x% H9 B/ x, L. t* w轴对称单相变压器模型，空载（或者1：1自耦变压器、或者原副边100%耦合的变压器），磁力线动画
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; |5 [3 a/ |! @/ b! J( A自从引入磁通（磁链）的概念以后，人们产生了一个极大的误区，都以为“切割磁力线”这个概念被取代了，从而产生了交链磁通变化才是产生感应电势的本质这样的认识，为此，我们用形象的动画完全推翻了这个错误认识。不仅电机槽内导体一根一根地切割了磁力线，而且更令人震惊的是变压器居然也是切割磁力线的，当然还有无限长直导线、同轴电缆等等，都是通过动画展示了“切割磁力线”的具体细节，由于“切割磁力线”可以有更广泛的适应性，可以解释更多的物理现象，所以这才是感应电势产生的本质；

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zengxiaodong

楼上动画分辨率提高10倍的结果，就是激磁电流从0开始增加的最初阶段

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zengxiaodong

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9 h: m, ^3 }# B# _! B: i. ]空载（或者1：1自耦变压器、或者原副边100%耦合的变压器），坡印廷矢量动画

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6 v9 _3 M0 h. g0 C& y这个动画演示的仅仅是线圈与铁心交换能量的过程！
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- I+ q# h. ~3 j" W  u/ N* G% E额定负载，坡印廷矢量动画（原副边线圈对角交叉布置）



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3 j( h5 H4 X5 W; u! k' |额定负载，磁力线动画（原副边线圈对角交叉布置）
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静态来看，有主磁通、漏磁通，问题是变压器必须动态才能工作，此时所谓的主磁通和漏磁通是互相转化的，而且转化得还相当快，又因为漏磁通在“空气”区域，而电磁场的能量传输转化只有在“空气”区域才最高效最容易，所以，是漏磁通承担了能量的载体和桥梁。

zengxiaodong

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9 E) J, u( O, q. `磁力线喜欢走铁心，因为铁心导磁。

电流喜欢走导体，因为导体电阻小。

0 f  B8 C) d- u3 n! v/ ]电磁波喜欢走真空，因为真空中电磁波速最大，而且无损。

0 R# \# {" B1 |2 \( ]; k在导体，或者导磁体中，电磁波是很难传播的，因为波速实在太慢了，甚至根本就不能传播。

; m7 Y, q( O7 z1 K/ T: R9 e因此，坡印廷矢量到达铁心边缘时会贴着表面走，很难进入铁心（对应磁力线垂直铁心表面）


电磁波最好的传播媒介是真空，既通畅又无损！导电体和导磁体都是很不适合电磁波通行的。
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han912xue

楼主高人

zengxiaodong

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我们知道在变压器理论中，有个“理想变压器”的说法，概括来说就是铁心磁导率无穷大，磁通全部在铁心中而没有漏磁，所以变比严格等于原副边匝数比，这是“理想变压器”的强条件，而“理想变压器”的弱条件是铁心没有损耗以及导线没有电阻。

) V% O" w$ E9 N6 I7 x- I2 S) x从一系列分析中，很清楚地可以看出，“理想变压器”无论在理论上还是实践上都是矛盾重重的，应予以放弃！从理论上来说，没有漏磁既违反斯托克斯定理，也违反安培环路定律，还违反坡印廷定理，这样的“三违反”在数理上根本就无法自洽。而实践上呢，无穷大磁导率显然是偏离实际太远太远......
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1 j/ D3 p, h0 z) @; h4 s/ H5 F" Z# A鉴于上述理由，我特提出“理想耦合变压器”的概念，既无需铁心磁导率无穷大，也允许任意的铁心外漏磁，其强条件是原副边完全等效地“切割磁力线”，因此变比就严格等于匝数比；弱条件是铁心没有损耗以及导线没有电阻。

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“理想耦合变压器”的典型实例是1：1的自耦变压器，至于不是自耦变压器的情形，也容易实现近乎满足条件的“理想耦合变压器”，那就是原副边线圈混合绕制，使得线圈电流不扎堆————尽量使得原副边电流在空间均匀分布。
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例如，假设原副边电流密度如下图这样分布，图中空心和实心方框分别代表原副边电流密度区域，这将近乎能完全实现“理想耦合变压器”的强条件！

zengxiaodong

han912xue 发表于 2019-12-9 20:21
1 ?/ K  o% T0 @& U3 d6 Y楼主高人

谢谢张总夸奖！

zengxiaodong

7 J7 h0 i- t/ w变压器线圈扎堆，就会导致线圈区域很强的磁场，当然在短路时就会导致很大的短路电动力。下面是轴对称单相变压器原副边同心布置时的磁力线和坡印廷矢量动画
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zengxiaodong

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既然能量不是经由铁心传输的，那么铁心的作用又是什么呢？对于这个问题，我们用很简单的对比法，仅仅改变铁心磁导率，生成磁力线动画，发现铁心磁导率越高，磁力线运动速度越快，并从理论上分析了铁心为什么会具有加速磁力线的作用，这一作用在变压器负载时仍然存在，因为原副边负载电流是近乎抵消的。
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加速磁力线的好处是，可以大幅度增加变压器的能量容量，这个增加能量容量的效果其实是通过增加电压来实现的，更底层的说法是，增加“窗口”区域的电场强度E来实现的。

zengxiaodong

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2 ?/ Y4 U7 m5 h, _5 ~1 J原副边线圈上下布置







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5 a) I6 O- t# g& L3 K" F最终证明，虽然空载时变压器铁心是交变磁化，但是在负载时即使变压器铁心也是旋转磁化，这是与教科书明显不同的结论。

旋转磁化时铁心的磁滞损耗比交变磁化大幅度增加！

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' r5 P% J, D! J" {0 Q( B7 x 旋转磁化下电工钢片的磁致伸缩特性.pdf (720.51 KB, 下载次数: 3)

2020-1-5 13:06 上传

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chuchuda

楼主的这个问题很深奥，在此拜读了

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三相变压器负载磁力线动画



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zengxiaodong

三相变压器空载磁力线动画
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zengxiaodong

旋转磁化有圆形磁化，椭圆形磁化之分。

) C; L, D" a. d; ~/ e( g下面以三相变压器负载运行为例，中部芯柱与铁轭交界处取一个点，给出磁密的时间历程曲线。
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zengxiaodong

以后动画内容彻底更改，不应该绘制磁密B的云图与磁力线分布图，因为信息重复了，磁力线的密度已经代表了磁密B的大小。
$ p; \5 p1 Y) h* E: A因此，应该绘制磁场强度H与磁力线的分布图。
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( w! }, K, z4 f" I4 }三相变压器负载H场+磁力线分布动画
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zengxiaodong

从这个H云图+磁力线动画中可以很清晰地看出：
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) l( |) ]0 _- N9 X1、除了铁心以外，其余区域的H都是明显更高（相差上亿倍）；
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/ _7 m  a- `8 L" B) \2、原副边邻近的区域，其H尤其大；

3、其实H大的地方，恰恰就是能量密度大的地方，也就是坡印廷矢量大的区域。

zengxiaodong

三相变压器空载H场+磁力线分布动画


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zengxiaodong

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