電源中電磁元件的鐵心結(jié)構(gòu)

(a)CD形(b)XD形

卷繞式鐵心和疊片式鐵心比較，卷繞式鐵心可以使磁路中的磁力線完全與硅鋼取向一致，而且不存在氣隙，因此激磁能量和鐵心損耗將減小10％～25％，噪聲也低一些。其鐵心加工工藝比較簡單，便于用機(jī)械加工代替手工疊裝。但是線圈繞制比疊片式鐵心難度大，必須用專門的繞線設(shè)備，如果線圈損傷則整體報(bào)廢，不能返修。為了補(bǔ)償這些缺點(diǎn)，把卷繞式鐵心切開成兩半，變成CD形和XD形鐵心（圖5）。這種結(jié)構(gòu)雖然有兩個(gè)或三個(gè)氣隙，但仍然保持卷繞式鐵心的優(yōu)點(diǎn)，激磁能量和鐵心損耗增加不多，噪聲也增加不大。鐵心加工除增加鐵心切割加工和氣隙磨光工序而外，加工工藝也不復(fù)雜，仍能采用機(jī)械加工。同時(shí)又象疊片式鐵心那樣線圈繞制比較容易。線圈損傷也便于拆卸更換。還有，CD形和XD形鐵心對(duì)于必須有氣隙的電抗器來說，更是一種比較理想的鐵心結(jié)構(gòu)。

圖6鐵基非晶合金單I形疊片式鐵心結(jié)構(gòu)

圖7鐵基非晶合金搭接式鐵心結(jié)構(gòu)

3非晶和微晶合金鐵心

鐵基非晶合金可以用在50Hz～60Hz工頻和400Hz～20kHz中頻電源中作為電磁元件的鐵心材料。20世紀(jì)80年代末，日本大阪變壓器廠的研究結(jié)論認(rèn)為：鐵基非晶合金鐵心在150Hz以上的綜合性能，比硅鋼鐵心好。經(jīng)過十多年的研究，鐵基非晶合金鐵心正在向50Hz～60Hz工頻領(lǐng)域擴(kuò)展，和硅鋼鐵心進(jìn)行競爭。

鐵基非晶合金鐵心結(jié)構(gòu)也分為疊片式和卷繞式兩種。疊片式鐵心是比較早期的結(jié)構(gòu)，是把鐵基非晶合金帶材剪切成一定的鐵心片后，再疊裝成一定結(jié)構(gòu)形狀的鐵心。鐵基非晶合金帶材厚度一般為20μm～40μm，疊裝起來既費(fèi)時(shí)又不容易疊好。為了縮短工時(shí)和增加鐵心強(qiáng)度，把幾片和十幾片薄鐵心片粘接在一起，成為0.1mm～0.25mm厚的鐵心片，但是損耗也有所增加。鐵基非晶合金磁性不存在取向問題，但是剪切加工困難，一般鐵心片形狀都為單I形（圖6），疊裝后的鐵心截面都為矩形。鐵心柱數(shù)也分為單相電磁元件用的兩柱式和三相電磁元件用的三柱式兩種。由于需要大量的工時(shí)，疊裝式鐵基非晶合金鐵心結(jié)構(gòu)現(xiàn)在已很少使用。但是在150μm鐵基非晶合金帶材工藝成熟之后，仍然有可能采用疊裝式鐵心結(jié)構(gòu)。

卷繞式鐵心是把鐵基非晶帶材剪切或噴制成一定寬度后，再卷繞成一定結(jié)構(gòu)形式的鐵心。最早是環(huán)形，后來為了繞線方便，發(fā)展成方框形，包括單框形、雙框形、三框形和四框形。再后來為了簡化繞線和裝卸工藝，便于更換線圈，發(fā)展成CD形和XD形。和硅鋼卷繞式鐵心結(jié)構(gòu)不同，鐵基非晶合金鐵心在20世紀(jì)90年代初，出現(xiàn)一種新型的搭接式方框形鐵心結(jié)構(gòu)（圖7）。在鐵心的接縫部分，鐵心帶互相搭接在一起，而且接縫部分不在一條直線上，因此氣隙比CD形鐵心小。激磁能量和鐵心損耗與卷繞式方框形鐵心基本相同。但是它可以逐層打開，在裝入線圈后，再逐層合上。線圈繞制、裝卸和更換都比較容易?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為，這種搭接式方框形鐵心結(jié)構(gòu)是綜合了卷繞式方框形和CD形鐵心結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的、比較好的鐵心結(jié)構(gòu)。不但可以用于低頻，而且可以用于中高頻電磁元件。在配電變壓器中已經(jīng)大量使用，既縮短了鐵心加工和裝配工時(shí)，又可以發(fā)揮非晶合金材料的優(yōu)良性能。

鈷基非晶合金和鐵基微晶合金用于20kHz～500kHz中高頻電源中的電磁元件，主要是卷繞式環(huán)形鐵心結(jié)構(gòu)，個(gè)別的采用CD形鐵心結(jié)構(gòu)。CD形鐵心結(jié)構(gòu)主要用于20kHz～50kHz的電磁元件，在超過100kHz時(shí)，由于線圈匝數(shù)少，主要用環(huán)形鐵心結(jié)構(gòu)。在大容量的電源中，20kHz～50kHz的電磁元件將來有可能采用搭接式鐵心結(jié)構(gòu)。

4高導(dǎo)磁合金（坡莫合金）鐵心

為了充分發(fā)揮高導(dǎo)磁合金的高導(dǎo)磁特性，一般都采用卷繞式環(huán)形鐵心結(jié)構(gòu)。由于高導(dǎo)磁合金對(duì)應(yīng)力敏感，在熱處理后，要把環(huán)形鐵心裝在保護(hù)盒內(nèi)，而且在繞線和絕緣處理工藝過程中，一定要輕拿輕放，避免沖擊和應(yīng)力對(duì)高導(dǎo)磁合金性能的影響。以前，在1kHz以下，也有個(gè)別情況采用疊片式鐵心結(jié)構(gòu)，鐵心沖片為EE形或者EI形?，F(xiàn)在比較少見了。坡莫合金由于環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，又?jǐn)U展了使用頻率范圍，現(xiàn)在在電源中的用量有所增加。但是鐵心結(jié)構(gòu)仍然是卷繞式環(huán)形鐵心結(jié)構(gòu)。

5軟磁鐵氧體鐵心

圖8軟磁鐵氧體鐵心結(jié)構(gòu)

(a)EI形(b)EE形(c)EER形(d)EP形(e)UF形(f)UYF形(g)RM形

(h)PM形(i)PQ形(j)Q形（罐形）(k)T形（環(huán)形）(l)LP形

軟磁鐵氧體的鐵心結(jié)構(gòu)比較多，這是由于采用熱壓工藝，比較容易加工成各種形狀。有EI、EE、EER、EP、UF、UYF、RM、PM、PQ、Q（罐形）、T（環(huán)形）和LP形等等（圖8）。EI形以尺寸A（E形鐵心寬度）為標(biāo)志，EE形以尺寸A（E形鐵心寬度）和2×B（E形鐵心長度）為標(biāo)志，已形成EI10～50，EE8.3/8.0～110/80系列，品種多，制造工藝簡單成熟，散熱好，便于引出接線，成本較低。缺點(diǎn)是鐵心中間柱截面為方形，給線圈繞制帶來麻煩。同時(shí)，無屏蔽，容易產(chǎn)生雜散磁場干擾。EER形也是以尺寸A（E形鐵心寬度）和2×B（E形鐵心長度）為標(biāo)志，已形成EER25/33～54/50系列，鐵心中間柱截面為圓形，繞線比較方便，同時(shí)繞線長度比方形截面縮短11％，從而降低銅損。但是仍無屏蔽。EP形鐵心以鐵心高度尺寸E為標(biāo)志，已形成7至30系列，中間鐵心柱為圓形，而且一邊有屏蔽，另一邊有缺口，便于引出接線。UF形鐵心以U形鐵心寬度A為標(biāo)志，形成9.8～25系列，可以兩個(gè)柱繞線，散熱好，引出接線也方便，但是鐵心截面為矩形，也無屏蔽。UYF形鐵心以U形鐵心厚度C（有時(shí)包括U形鐵心高度2×B）為標(biāo)志，已形成10～18系列，有的兩個(gè)鐵心柱面為圓形，有的一個(gè)鐵心柱面為圓形（單邊繞線），一個(gè)鐵心柱截面為方形。RM形鐵心以中間鐵心柱的直徑C為標(biāo)志，已形成4～14系列，有中心孔和無中心孔（用G作標(biāo)志）兩種，中間鐵心柱為圓形，兩側(cè)有屏蔽，有兩邊缺口，便于引出接線。PM形鐵心以最大外徑A為標(biāo)志，已形成PM50～114系列，其兩側(cè)屏蔽比RM形鐵心更寬，效果更好。Q形（罐形）鐵心以最大外徑A和高度C為標(biāo)志，已形成Q7/4～Q40/29系列，屏蔽效果最好，單位空間電感值高，但缺口小，引出接線不便，有中心孔，以便安裝。PQ形鐵心以最大外徑A和高度F為標(biāo)志，已形成PQ20/16～50/50系列，比Q形鐵心開的缺口大，引出接線方便，而且背面散熱面積大，是高頻電源變壓器用的鐵心結(jié)構(gòu)中，綜合性能最佳的一種。LP形鐵心以鐵心高度2D和一邊較小的缺口長度E為標(biāo)志，已形成LP23/8～LP32/13系列，也適用于高頻電源變壓器。T形（環(huán)形）鐵心以外徑×內(nèi)徑×高尺寸為標(biāo)志，已形成6×3×2～124×62×40系列，截面為矩形，磁路無空氣隙，電感值大，漏磁小。如果把截面改成圓形，變成類似硅鋼O形鐵心那樣的結(jié)構(gòu)，其繞線工藝和性能都有所改善。

6復(fù)合鐵心和磁粉芯

復(fù)合鐵心是指采用兩種以上軟磁材料組成的鐵心結(jié)構(gòu)。如果為了使鐵心性能一致性好，而把一個(gè)鐵心分成兩個(gè)（或三個(gè)）鐵心，進(jìn)行性能搭配，這不能算成是復(fù)合鐵心結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈兪褂玫氖峭环N軟磁材料，而不是兩種以上軟磁材料。復(fù)合鐵心結(jié)構(gòu)的典型例子是脈沖變壓器用鐵心，為了保證上升時(shí)間短和頂降小，使用坡莫合金和軟磁鐵氧體兩種軟磁材料組成的鐵心，有環(huán)形的，也有疊片式的。

但是最常用的復(fù)合鐵心結(jié)構(gòu)是磁粉芯，它是用軟磁材料和非磁性材料復(fù)合而成。雖然磁粉芯不用于電源變壓器，而用于電感器，但是為了使鐵心結(jié)構(gòu)介紹比較全面一些，在本文中也把它介紹給讀者。

磁粉芯是由金屬軟磁材料粉末與絕緣材料混合以后壓制而成的，一般都是環(huán)形鐵心。為了表明軟磁材料的種類和性能，還涂有顏色（紅、黃、綠、藍(lán)）作為標(biāo)記。由于金屬軟磁材料粉末被軟磁材料所包圍，形成分散氣隙，從而大大降低高頻渦流損耗，并具有抗飽和性能。

國家標(biāo)準(zhǔn)GBn25185《鎳鐵磁粉芯》只針對(duì)高導(dǎo)磁鐵鎳合金材料制成的磁粉芯，現(xiàn)在已發(fā)展了鐵磁粉芯、鐵硅鋁磁粉芯、非晶和微晶磁粉芯，故國標(biāo)需要加以擴(kuò)展和修訂。

對(duì)磁粉芯提出的指標(biāo)有飽和磁通密度Bs、有效磁導(dǎo)率μe、有效品質(zhì)因數(shù)Qe、有效磁導(dǎo)率溫度系αμe及居里點(diǎn)、比重等。主要的磁粉芯的性能參數(shù)如表1所示。鐵鎳鉬磁粉芯國家標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)為FN81，上海鋼鐵研究所型號(hào)為SN，美國阿諾德公司型號(hào)為MPP，磁導(dǎo)率高，工作環(huán)境適應(yīng)范圍廣，損耗低，但價(jià)格貴。鐵鎳高磁通磁粉芯國家標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)為FN50，美國阿諾德公司型號(hào)為HF，飽和磁通密度高，磁導(dǎo)率中等，損耗也較低，價(jià)格較便宜，國內(nèi)外最近比較重視研究和使用。鐵硅鋁磁粉芯上海鋼鐵研究所型號(hào)為SA，美國阿諾德公司型號(hào)為MS，是一種價(jià)格較低，綜合性能指標(biāo)較好的磁粉芯。鐵磁粉芯上海鋼鐵研究所型號(hào)SF，國外一般型號(hào)為IP，磁導(dǎo)率和飽和磁通密度高，但在高頻下?lián)p耗大，只適用于低頻和20kHz以下的中頻使用。由于價(jià)格便宜，可以把它加工成大型磁粉芯，代替硅鋼，作為大容量直流電源的濾波電抗器。

除了表1所列性能而外，一般還給出有效磁導(dǎo)率μe與頻率f的關(guān)系曲線。與軟磁鐵氧體類似，在超過一定極限工作頻率以后，有效磁導(dǎo)率會(huì)迅速下降。同時(shí)，還給出在有效磁導(dǎo)率μe下降50％的外加磁場強(qiáng)度，也就是恒磁范圍。表2是鐵鎳鉬磁粉芯和高磁通鐵鎳磁粉芯的恒磁范圍。還有，對(duì)用于輸出濾波器的磁粉芯，必須給出交直流同時(shí)磁化曲線，表示在大的直流磁化條件下，磁粉芯有效磁導(dǎo)率的變化情況。

表1磁粉芯的主要性能

圖9平面布置的多功能鐵心結(jié)構(gòu)

(a)一個(gè)變壓器和一個(gè)電抗器(b)一個(gè)變壓器和兩個(gè)電抗器

圖10兩種軟磁材料組成的多功能鐵心結(jié)構(gòu)