非正弦激励下的铁芯损耗

非正弦激励下铁芯损耗的研究主要集中在如何准确计算和预测电力电子设备中变压器或电感器铁芯在非正弦电流或电压激励下的能量损失。传统的铁损计算大多基于正弦波条件下的Steinmetz公式，但在现代电力电子系统中，由于开关电源、变频器等设备的广泛应用，电路中产生的电压和电流波形往往是非正弦的，如方波、三角波、PWM（脉宽调制）波形等，这导致铁芯损耗显著增加，并可能影响系统的效率和热管理。

波形的影响：

非正弦波形（如方波、PWM波形）：相较于正弦波，非正弦波形含有更多的谐波成分，这会增加铁芯中的高频损耗，特别是涡流损耗。非正弦波形的快速变化会导致铁芯内部产生更强的涡流，涡流在导体内循环并产生热量，从而增加了铁芯的损耗。涡流损耗与频率的平方成正比，因此高频下的涡流损耗尤为显著。

频率效应：高频工作条件下，铁芯材料的磁滞损耗和涡流损耗均会增加。高频下，磁通密度变化更快，导致磁滞回线的反复穿越更为频繁，磁滞损耗增加。同时，高频还会加剧涡流效应，使得涡流损耗显著上升。

占空比的影响：

开关频率不变时：占空比的变化直接影响着开关状态的持续时间，从而间接影响开关器件的开关损耗和导通损耗。虽然占空比本身不直接影响铁芯损耗，但它通过改变开关模式的频率特性（如在PWM调制中），可能会间接影响铁芯中的磁通密度波动幅度和频率，从而影响损耗。例如，高占空比可能导致平均磁通密度增加，进而增加磁滞和涡流损耗。

特定工作模式：在某些特定的工作模式下，如低占空比操作，磁化电流的纹波可能较大，这会增加铁芯损耗。相反，适当选择占空比可以在维持所需输出的同时，优化铁芯中的磁通密度分布，减少损耗。

估算方法与研究介绍：

1. 修正的Steinmetz公式：研究者们提出了一系列基于原始Steinmetz公式的修正方法，旨在更准确地计算非正弦激励下的铁芯损耗。例如，Steinmetz波形系数公式(Wc SE)被发现能提供最小的计算误差，特别是在纳米晶材料的中频应用中。

2. Bertotti损耗分离模型的改进：有研究针对Bertotti模型在处理非正弦激励时的局限性进行了修正，通过引入考虑频率和磁通密度关系的异常损耗系数函数，以及细化涡流损耗计算公式，使之更适用于矩形截面铁氧体材料。

3. Barbisio算法：此算法用于求取异常损耗系数，以适应非正弦激励条件，通过构造励磁频率与励磁强度的函数来表达异常损耗。

这些模型提供了非正弦激励下铁芯损耗的快速估算方法，但对不同的频率范围、波形轮廓或材料没有足够的实验验证。到目前为止，由于对不同波形下的铁芯损耗缺乏足够深入的了解，测量仍然是了解实际铁芯损耗的唯一可靠、准确的方法。

CX-3110AW任意波形损耗测量装置适用于电工钢片（带）、坡莫合金、非晶和纳米晶等软磁材料交流磁化曲线和损耗曲线测试。设备可加载2-63次谐波激励、方波激励、三角波激励和任意编辑波形激励，适用于变压器和电机等磁性器件在真实工况下的磁性能影响测试，是您研究非正弦激励下铁芯损耗的理想选择。下图一分别为硅钢片加载方波激励，三角波激励，和编辑任意波形激励时的测试界面。

方波测试：

三角波测试：

任意波形测试：

图一：CX-3110AW任意波形损耗测量装置加载各种波形时的测试曲线

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