三相立柱形變壓器及其鐵心材料

摘要:

介紹一種新型航空電源變壓器——三相立柱形變壓器。說明了這種變壓器對鐵心材料的要求。討論了FeCoV合金的性能及熱處理對合金性能的影響。同時(shí)總結(jié)了三相立柱形變壓器的制作過程。

關(guān)鍵詞:三相立柱形變壓器FeCoV合金航空電源變壓器

Three－phaseColumniformTransformerandItsCoreMaterial

Abstract:Inthispaperanewkindofaviationpowertransformer－three－phasecolumniformtransformerisintroduced.Itisillustratedthatwhichmaterialisrequiredforthetransformercore.TheperformanceofFeCoValloyandtheinfluenceofcoolingmethodofheatingtreatmentontheperformancearediscussed.Theprocesstoproducethree－phasescolumniformtransformerissummarizedaswell.

Keywords:Three－phasecolumniformtransformerFeCoValloyAviationpowertransformer

1引言

在當(dāng)今航空工業(yè)的發(fā)展中,對航空元器件的重量、體積的要求愈來愈嚴(yán)格。特別是航空軍事領(lǐng)域，為了保證整機(jī)的機(jī)動(dòng)、靈活性，盡量要求元器件體積小、重量輕。尤其是航空電源部分，占據(jù)了電子設(shè)備整體體積重量的相當(dāng)大的部分。當(dāng)前航空電源普遍采用開關(guān)電源形式。開關(guān)電源本身具有體積小、重量輕、線路效率高的特點(diǎn)。但因開關(guān)電源的工作頻率高，對周邊設(shè)備會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，所以為改善整機(jī)電磁兼容性，提高可靠性，需加屏蔽及電磁濾波器。這樣開關(guān)電源連同配套部分也具有相當(dāng)?shù)捏w積重量。

本著航空電源應(yīng)體積小、重量輕的設(shè)計(jì)原則，現(xiàn)有一種新的設(shè)計(jì)思路，即線性電壓變壓器模式。使用高飽和磁密的坡莫合金制作變壓器鐵心，并采取一系列措施降低變壓器的體積、重量，使電源結(jié)構(gòu)緊湊。以高壓三相電源變壓器為例，采用獨(dú)特的立柱形結(jié)構(gòu)，稱之為三相立柱形變壓器。用FeCoV作為鐵心材料，在鐵心成形等方面采取了特殊工藝措施。變壓器在較高磁感應(yīng)下工作，輸入功率重量比可達(dá)1kW/kg以上。從而使電源的體積重量與開關(guān)電源及配套部件的體積重量相近，而且不存在電磁兼容性問題。

2三相立柱形變壓器的結(jié)構(gòu)

　　高壓三相立柱形變壓器的外形如圖1所示。變壓器鐵心一改以往的平面形設(shè)計(jì)，采用了立體型鐵心，形狀如圖2所示。由上下兩個(gè)卷繞成形的環(huán)形磁軛和三個(gè)疊片成型的近似圓截面的磁柱組成。初次級線圈套在三個(gè)磁柱上。三相立柱形變壓器技術(shù)的關(guān)鍵是FeCoV合金材料制作變壓器鐵心。

圖1三相立柱形變壓器

圖2三相立柱形鐵心

3鐵心材料的選擇

　　在三相立柱形變壓器鐵心的設(shè)計(jì)制造中，首先是鐵心材料的選擇。為了降低鐵心的體積重量，必須選擇高飽和磁密的軟磁合金。根據(jù)感應(yīng)電壓與變壓器鐵心磁密的關(guān)系

　　U=4.44fNBmSc（1）

式中U為感應(yīng)電壓，f為頻率，N為線圈匝數(shù)，Bm為工作磁感，Sc為鐵心有效截面積。在要求得到相同端電壓的情況下，鐵心的工作磁密與鐵心有效截面積及線圈匝數(shù)成反比。采用飽和磁密高的軟磁材料制作鐵心，就可以將鐵心的截面積或線圈匝數(shù)設(shè)計(jì)得較小，從而降低整個(gè)變壓器的體積重量。

在軟磁合金中，鐵鈷合金是迄今所發(fā)現(xiàn)的飽和磁密和居里溫度最高的一類合金。飽和磁密Bs可達(dá)2.4T，居里溫度Tc=980℃。國外有兩種鐵鈷合金，稱為Permendur和Supermendur[1]。其成分為Fe49％、Co49％、V2％。Supermendur與Permendur的區(qū)別在于極仔細(xì)地控制純度和在最后處理時(shí)加磁場。兩種合金的性能如表1所示。

表1兩種鐵鈷磁性合金的性能

Permendur和Supermendur合金具有較高的飽和磁密、高的磁導(dǎo)率和低的矯頑力。使用于要求高磁密的變壓器鐵心、大功率磁放大器鐵心、超導(dǎo)磁鐵、電磁鐵的磁極頭、接收機(jī)線圈、開關(guān)和存儲磁心、高溫元件、耳膜震動(dòng)片、電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子等。

我國Fe－Co系軟磁合金現(xiàn)有1J20、1J21、1J22三個(gè)牌號。1J20不常用，1J21、1J22相當(dāng)于國外的Permendur合金。以1J22為例（1J21的V含量比1J22略低，其它成分性能與1J22相同），其性能見表2[2]。1J21、1J22合金目前廣泛應(yīng)用于要求重量輕、體積小的航空元器件。

　　表21J22合金的磁性

4試驗(yàn)方法

4.11J22的熱處理

　　選用0.1mm厚1J22冷軋薄帶作為鐵心材料，在氫氣保護(hù)下900℃保溫5小時(shí)，以60℃/h的速度冷卻到750℃，再以200℃/h的速度冷卻到200℃以下出爐。然后測量材料的靜態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度、矯頑力、400Hz損耗。

4.2用FeCoV合金研制三相立柱形變壓器

采用FeCoV合金制作鐵心，經(jīng)過卷繞、熱處理，用有機(jī)硅樹脂浸漬，制成三相立柱形鐵心。配以初次級線圈，制成一只變壓器樣品，對其進(jìn)行了空載電性能測試。

5試驗(yàn)結(jié)果及討論

5.11J22的磁性能

　　測得熱處理后的1J22的直流性能見表3

表30.1mmFeCoV帶材直流磁性能

400Hz下1J22的動(dòng)態(tài)損耗見表4：

表4400Hz下1J22的動(dòng)態(tài)損耗

由表中可以看出，1J22合金經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗罂梢赃_(dá)到良好的磁性能，性能高于1J22國標(biāo)的規(guī)定以及Permendur的性能。熱處理時(shí)應(yīng)注意保證爐內(nèi)氫氣的純度，嚴(yán)格控制750℃以下的冷卻速度，避免形成過多的有序相。根據(jù)鐵鈷合金金相圖[3]，接近等原子比成分的鐵鈷合金在冷卻到730℃附近時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生從無序相α到有序α1相的轉(zhuǎn)變，α1相是呈氧化銫型結(jié)構(gòu)的體心立方固溶體。這種有序結(jié)構(gòu)使合金的磁性能惡化。所以在750℃以下要求快冷，冷卻速度為180～240℃/h

5.2變壓器空載性能，見表5

　　表5三相立柱形變壓器空載性能（f=400Hz）

　　變壓器工作狀態(tài)為400Hz、2T，如表中所示，此時(shí)比損耗小于50W/kg，與1J22熱處理后損耗比較，鐵心經(jīng)過浸漬成型后損耗增加不超過材料熱處理后損耗的一倍。

5.3三相立柱形變壓器的特殊工藝

　　整個(gè)變壓器在鐵心成型、鐵心浸漬、線圈繞制、變壓器裝配等方面采取了與以往變壓器制造不同的特殊工藝措施。具有一定的先進(jìn)性。

（1）鐵心成型三相立柱形鐵心的上下兩個(gè)磁軛用氧化鎂電泳卷繞法即可成形。三根磁柱可用鋼片

三相立柱形變壓器及其鐵心材料涂漆法制造，即先將1J22鋼帶按磁柱尺寸裁成三種寬度的鋼片，經(jīng)熱處理后疊合浸漬成型。

（2）鐵心浸漬三相立柱形變壓器在設(shè)計(jì)時(shí)為了保證高輸出，要求絕緣等級達(dá)到H級，這樣可以提高設(shè)計(jì)溫升，使鐵心在比一般變壓器更高的電磁負(fù)荷下工作，這對鐵心浸漬要求很高。我們選擇了有機(jī)硅樹脂作為鐵心浸漬漆。

（3）線圈的繞制初級線圈為銅皮繞制，較為簡單。次級線圈采用了鋁箔導(dǎo)線，是為了降低變壓器的體積重量。由一根厚5絲、寬3mm、長幾十米連續(xù)不斷的鋁箔帶卷繞在圓環(huán)骨架上形成空心餅狀線圈。鋁箔在繞制前經(jīng)過電化學(xué)氧化處理，表面生成一層Al2O3絕緣層。

（4）變壓器裝配線圈與高壓整流器件采用一體化技術(shù)，并采用冷板技術(shù)導(dǎo)出變壓器工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，降低溫升,提高長期工作的可靠性。

6結(jié)論

（1）三相立柱形變壓器是一種新型的航空電源變壓器，結(jié)構(gòu)緊湊，比功率高。

（2）FeCoV合金是一種高磁導(dǎo)率、高飽和磁密的軟磁材料，適用于要求重量輕、體積小的航空元器件。

（3）FeCoV合金熱處理的冷卻速度要求750℃以下快冷，避免形成有序相。

（4）用FeCoV合金制作的三相立柱形鐵心在400Hz、2T時(shí)損耗小于50W/kg

（5）三相立柱形變壓器在鐵心成型、線圈繞制時(shí)必須采用特殊工藝以保證結(jié)構(gòu)緊湊。