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(多图) 电源中电磁元件的铁心结构

21ic 天水电气传动研究所 徐泽玮?? 2011年06月13日 ?? 收藏0

  1引言

  铁心是电源电磁元件的重要部件,对它的性能起着重要的作用。设计电磁元件的铁心,包括以下几个主要内容:

  (1)根据电源的电路和工作频率,转换成铁心对软磁材料的要求,选取适用的软磁材料;

  (2)根据电源要求的性能指标,选取适用的铁心结构形式;

  (3)根据传送功率和输入阻抗(输入电感),计算和选取铁心尺寸;

  (4)根据电磁元件电磁场数学模型,进行铁心和线圈参数计算;

  (5)根据使用要求,换算铁心散热面积和工作温度。

  如果工作频率在10Hz至20kHz的声频范围内,还要考虑周围环境对可闻噪声的要求。在强调环境保护的今天,可闻噪声污染,对人的身心都会造成相当的危害。因此,降低可闻噪声,使它限制在一定范围内,是相当重要的。如果达不到指标,在设计铁心结构时要采取降低噪声的措施。

  对有铁心的电源变压器,第(1)、第(2)项是决定性的,文献1中已作介绍,不再赘述。关于第(3)项,比较通用的是从下面三个公式来设计和选取铁心尺寸。

ACAO=P2(1+η)/KUJfΔBm(1)

ACLC=P2(1+η)/KUμOμfΔBm(2)

L1=μOμACN12/lC(3)

  式中:AC是铁心实际截面积(包括铁心占空系数KC);AO是铁心窗口实际面积(包括窗口占空系数KO),ACAO是铁心的特征参数;P2是电源变压器的输出功率;η是电源变压器的效率,P2(1+η)相当于电源变压器的视在功率;KU是波形系数,对矩形波为2,对正弦波为2??22;J是电流密度;f是工作频率;ΔBm是工作磁通密度变化范围,对磁通密度双向变化的电源变压器为2Bm,对磁通密度单向变化的电源变压器为Bm-Br;lC是铁心的平均磁路长度,ACLC是铁心的有效体积;L1是输入电感;μO是真空磁导率;μ是铁心在工作频率下的有效磁导率;N1是输入(初级)线圈匝数。

  关于第(4)项,在超过一定工作频率的高频条件下,电源变压器的设计应当考虑电磁场的一维、二维或三维数学模型,否则会造成相当大的误差。原电子工业部的指导性技术文件SJ/Z2921??88《开关电源变压器设计方法》已不再适用。应当根据现在已经比较普及的计算机辅助设计,制定新的指导性技术文件。

  关于第(5)项,一般不怎么受设计者重视,而是根据试制样品温升试验的结果再作修改。但是对功率较大(例如100W以上),工作频率较高(例如100kHz以上),还是先进行铁心工作温度核算,以便在设计中采取措施,防止铁心温升超过规定值。

  以上简单地介绍电源变压器铁心的设计程序,不但是为了强调软磁材料和铁心结构对电源变压器的重要性,同时也是为了澄清现在设计中流行的一些方向误导的作法,供同行们参考。由于收集资料还不完备,这里只介绍高度为厘米级以上的立体式铁心结构,包括复合铁心结构和多功能(磁集成)铁心结构。至于高度为1mm~10mm级的平面式铁心结构和高度为1mm级以下的薄膜式铁心结构,以后再作介绍。

  2硅钢铁心

  50Hz~60Hz工频电磁元件和400Hz~1000Hz中频电磁元件,多数选用硅钢铁心。硅钢铁心结构分为叠片式铁心和卷绕式铁心两种。

  叠片式铁心是把硅钢带材通过剪切或冲压成铁心片,然后叠装成一定结构形式的铁心。从铁心片形状发展来看(图1),最早是单I形,后来是CI形、EI形和EE形,其目的是便于叠装,减少工时。如果材料是取向硅钢带,要注意使磁路中磁力线方向与硅钢取向一致,不要与硅钢取向垂直,否则会增加铁心激磁能量和铁心损耗。为了解决转角处磁力线方向不与硅钢取向垂直,后来又发展成45°斜切角形片形。从叠装成的铁心截面发展来看(图2),最早是方形,后来发展成三阶梯形、多阶梯形,使铁心截面逐步趋向圆形。这一方面是为了减少线圈平均匝长,降低阻抗和铜损;另一方面也是为了便于线圈绕制。从叠装成的铁心柱数发展来看(图3),最早是用于单相变压器和电抗器的两柱式,后来发展成用于三相变压器的三柱式,用于带平衡电抗器的整流变压器的五柱式。

硅钢铁心的片形

图1 硅钢铁心的片形

(a)I形(b)CI形(c)EI形(d)EE形

硅钢叠片式铁心结构截面

图2 硅钢叠片式铁心结构截面

(a)方形(b)三阶梯形(c)多阶梯形

硅钢叠片式铁心结构柱数

图3 硅钢叠片式铁心结构柱数

(a)两柱式(b)三柱式(c)五柱式

  卷绕式铁心是把硅钢带材剪切成需要的宽度后,卷绕成一定结构形式的铁心。从卷绕成的铁心形状发展来看(图4),最早为环形,后来为了便于绝缘结构设计和线圈绕制,发展成方框形。方框形包括:用于单相电源变压器的单框式和双框式,用于三相电源变压器的三框式和四框式。三框式又分为两种:一种是合成的,由两个小框外套一个大框组成;一种是独立的,由互相成120°角布置的三个方框组成。为了使铁心截面逐渐趋向圆形,和叠片式铁心一样,卷绕式铁心截面也从矩形,经过三阶梯形、多阶梯形,发展成铁心截面基本上是圆形的R形铁心。截面是R形的卷绕式环形铁心,称为O形铁心。既可充分利用铁心材料,又可以减少线圈平均匝长,是比较理想的卷绕式铁心结构。

硅钢卷绕式铁心结构形状

图4 硅钢卷绕式铁心结构形状

(a)环形(b)单框形(c)双框形(d)合成三框形(e)120°布置三框形


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