電源中電磁元件的鐵心結(jié)構(gòu)

1引言

鐵心是電源中電磁元件的重要部件，對它的性能起著重要的作用。設(shè)計電磁元件的鐵心，包括以下幾個主要內(nèi)容：

（1）根據(jù)電源的電路和工作頻率，轉(zhuǎn)換成鐵心對軟磁材料的要求，選取適用的軟磁材料；

（2）根據(jù)電源要求的性能指標(biāo)，選取適用的鐵心結(jié)構(gòu)形式；

（3）根據(jù)傳送功率和輸入阻抗（輸入電感），計算和選取鐵心尺寸；

（4）根據(jù)電磁元件電磁場數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行鐵心和線圈參數(shù)計算；

（5）根據(jù)使用要求，換算鐵心散熱面積和工作溫度。

如果工作頻率在10Hz至20kHz的聲頻范圍內(nèi)，還要考慮周圍環(huán)境對可聞噪聲的要求。在強(qiáng)調(diào)環(huán)境保護(hù)的今天，可聞噪聲污染，對人的身心都會造成相當(dāng)?shù)奈：ΑＲ虼?，降低可聞噪聲，使它限制在一定范圍?nèi)，是相當(dāng)重要的。如果達(dá)不到指標(biāo)，在設(shè)計鐵心結(jié)構(gòu)時要采取降低噪聲的措施。

對有鐵心的電源變壓器，第（1）、第（2）項(xiàng)是決定性的，文獻(xiàn)1中已作介紹，不再贅述。關(guān)于第（3）項(xiàng)，比較通用的是從下面三個公式來設(shè)計和選取鐵心尺寸。

ACAO=P2(1＋η)/KUJfΔBm(1)

ACLC=P2(1＋η)/KUμOμfΔBm(2)

L1=μOμACN12/lC(3)

式中：AC是鐵心實(shí)際截面積（包括鐵心占空系數(shù)KC）；

AO是鐵心窗口實(shí)際面積（包括窗口占空系數(shù)KO），ACAO是鐵心的特征參數(shù)；

P2是電源變壓器的輸出功率；

η是電源變壓器的效率，P2(1＋η)相當(dāng)于電源變壓器的視在功率；

KU是波形系數(shù)，對矩形波為2，對正弦波為222；

J是電流密度；

f是工作頻率；

ΔBm是工作磁通密度變化范圍，對磁通密度雙向變化的電源變壓器為2Bm，對磁通密度單向變化的電源變壓器為Bm－Br；

lC是鐵心的平均磁路長度，ACLC是鐵心的有效體積；

L1是輸入電感；

μO是真空磁導(dǎo)率；

μ是鐵心在工作頻率下的有效磁導(dǎo)率；

N1是輸入（初級）線圈匝數(shù)。

關(guān)于第（4）項(xiàng)，在超過一定工作頻率的高頻條件下，電源變壓器的設(shè)計應(yīng)當(dāng)考慮電磁場的一維、二維或三維數(shù)學(xué)模型，否則會造成相當(dāng)大的誤差。原電子工業(yè)部的指導(dǎo)性技術(shù)文件SJ/Z292188《開關(guān)電源變壓器設(shè)計方法》已不再適用。應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)在已經(jīng)比較普及的計算機(jī)輔助設(shè)計，制定新的指導(dǎo)性技術(shù)文件。

關(guān)于第（5）項(xiàng)，一般不怎么受設(shè)計者重視，而是根據(jù)試制樣品溫升試驗(yàn)的結(jié)果再作修改。但是對功率較大（例如100W以上），工作頻率較高（例如100kHz以上），還是先進(jìn)行鐵心工作溫度核算，以便在設(shè)計中采取措施，防止鐵心溫升超過規(guī)定值。

以上簡單地介紹電源變壓器鐵心的設(shè)計程序，不但是為了強(qiáng)調(diào)軟磁材料和鐵心結(jié)構(gòu)對電源變壓器的重要性，同時也是為了澄清現(xiàn)在設(shè)計中流行的一些方向誤導(dǎo)的作法，供同行們參考。由于收集資料還不完備，這里只介紹高度為厘米級以上的立體式鐵心結(jié)構(gòu)，包括復(fù)合鐵心結(jié)構(gòu)和多功能（磁集成）鐵心結(jié)構(gòu)。至于高度為1mm～10mm級的平面式鐵心結(jié)構(gòu)和高度為1mm級以下的薄膜式鐵心結(jié)構(gòu)，以后再作介紹。

圖1硅鋼鐵心的片形

(a)I形(b)CI形(c)EI形(d)EE形

圖2硅鋼疊片式鐵心結(jié)構(gòu)截面

(a)方形(b)三階梯形(c)多階梯形

2硅鋼鐵心

50Hz～60Hz工頻電磁元件和400Hz～1000Hz中頻電磁元件，多數(shù)選用硅鋼鐵心。硅鋼鐵心結(jié)構(gòu)分為疊片式鐵心和卷繞式鐵心兩種。

疊片式鐵心是把硅鋼帶材通過剪切或沖壓成鐵心片，然后疊裝成一定結(jié)構(gòu)形式的鐵心。從鐵心片形狀發(fā)展來看（圖1），最早是單I形，后來是CI形、EI形和EE形，其目的是便于疊裝，減少工時。如果材料是取向硅鋼帶，要注意使磁路中磁力線方向與硅鋼取向一致，不要與硅鋼取向垂直，否則會增加鐵心激磁能量和鐵心損耗。為了解決轉(zhuǎn)角處磁力線方向不與硅鋼取向垂直，后來又發(fā)展成45°斜切角形片形。從疊裝成的鐵心截面發(fā)展來看（圖2），最早是方形，后來發(fā)展成三階梯形、多階梯形，使鐵心截面逐步趨向圓形。這一方面是為了減少線圈平均匝長，降低阻抗和銅損；另一方面也是為了便于線圈繞制。從疊裝成的鐵心柱數(shù)發(fā)展來看（圖3），最早是用于單相變壓器和電抗器的兩柱式，后來發(fā)展成用于三相變壓器的三柱式，用于帶平衡電抗器的整流變壓器的五柱式。

卷繞式鐵心是把硅鋼帶材剪切成需要的寬度后，卷繞成一定結(jié)構(gòu)形式的鐵心。從卷繞成的鐵心形狀發(fā)展來看（圖4），最早為環(huán)形，后來為了便于絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計和線圈繞制，發(fā)展成方框形。方框形包括：用于單相電源變壓器的單框式和雙框式，用于三相電源變壓器的三框式和四框式。三框式又分為兩種：一種是合成的，由兩個小框外套一個大框組成；一種是獨(dú)立的，由互相成120°角布置的三個方框組成。為了使鐵心截面逐漸趨向圓形，和疊片式鐵心一樣，卷繞式鐵心截面也從矩形，經(jīng)過三階梯形、多階梯形，發(fā)展成鐵心截面基本上是圓形的R形鐵心。截面是R形的卷繞式環(huán)形鐵心，稱為O形鐵心。既可充分利用鐵心材料，又可以減少線圈平均匝長，是比較理想的卷繞式鐵心結(jié)構(gòu)。

圖3硅鋼疊片式鐵心結(jié)構(gòu)柱數(shù)

(a)兩柱式(b)三柱式(c)五柱式

圖4硅鋼卷繞式鐵心結(jié)構(gòu)形狀

(a)環(huán)形(b)單框形(c)雙框形(d)合成三框形(e)120°布置三框形

圖5硅鋼CD形和XD形鐵心結(jié)構(gòu)