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1、变压器及磁性材料基本知变压器及磁性材料基本知识简介识简介变压器的工作原理变压器的工作原理 一一.理想变压器的工作原理理想变压器的工作原理1.什么是理想变压器什么是理想变压器符合下列条件者，称之为理想变压器: (1)初次级线圈的电阻为零，因而初次级回路无铜阻压降，无功率损耗（2）铁芯无损耗，变压器无温升。（3）铁芯的磁导率很大，因而初次级之间无漏磁，即初级产生的磁通全部穿过次级，次级产生的磁通全部穿过初级。（4）铁芯无磁饱和现象。 我们引进理想变压器的概念，是为了使变压器工作过程的讨论简单明了。晶石电子晶石电子2二、变压器的实际工作状态二、变压器的实际工作状态 实际工作的变压器，初次级线圈有电阻
2、，铁心由损耗，初次级间由漏磁，层间、匝间有分布电容。这些参数，对变压器的工作带来各种各样的影响。晶石电子晶石电子 r1 r2 C1 rc R2C2U1图 1-5Ls1Ls291、初、次级铜阻及其影响、初、次级铜阻及其影响q 初、次级导线有电阻，相当于在理想变压器处、次级回路分别引入一个电阻r1 、 r2。当初次级电流流过r1 、 r2时，要产生铜阻压降U1 、U2： U1 = I1 r1 -(1-16） U2 = I2 r2 -(1-17） 使初级电压降低，E1 = U1 U1 ；亦使次级负载电压降低， U2= E2 U2 。导致初次级匝数比不再等于电压比，而等于感应电势之比。 E2 /E1
3、=W2/ W1 -(1-17）晶石电子晶石电子102、铁芯损耗及其影响、铁芯损耗及其影响 通电工作时铁芯会发热，表明铁芯内有能量损耗，称此为铁芯损耗Pc 。 Pc是由电源供给能量，其影响相当于在理想变压器初级并上一个等效的电阻rc ，在初级回路引进一个铁损电流Ic 。晶石电子晶石电子3、漏磁及其影响、漏磁及其影响 实际变压器初、次级线圈所产生的磁通，并非全部通过主磁路铁芯，有一部分经空气构成回路，称此为漏磁通s ,漏磁链w s与产生该漏磁链的电流I之比，称为漏感Ls 。 Ls= w s / I -(1-19-(1-19） 漏磁的影响，相当于在理想变压器的初次级回路中引入漏感Ls1 、 Ls2
4、，初次级电流在漏感上产生压降，使初次级感应电势E1 、 E2及负载电压降低。漏感抗是随着工作频率增大而增大，对于工频变压器，由于工作频率低，一般可以忽略不计其影响但对于音频变压器、高频变压器、如何减少漏感带来的影响则是一个重要课题。114、分布电容及其影响、分布电容及其影响 两个相邻的导体中间搁以介质即构成电容，变压器导线的匝间、层间、绕组间及绕组对铁芯间，形成了复杂的分布电容。初次级间的电容，将初级输入线上的杂波偶合到次级，对负载电路形成杂波干扰。匝间、层间、绕组间及绕组对铁芯间的分布电容，使变压器暂状过电压分布不均，导致变压器某些部位暂状过电压过高而击穿。在音频、脉冲变压器中，分布电容将引
5、起频率幅度失真与波形失真。 晶石电子晶石电子12三、变压器等效电路三、变压器等效电路 1 、变压器等效电路 变压器初次级仅靠磁路偶合，在电路上是隔离的。为了工程计算及分析问题方便与直观，可以运用变压器变压、变流、变阻原理，把次级参数换算到初级，称此为参数“反弹”或叫“换算”。变压器次级参数反射到初级后，可以得到变压器的等效电路。U1r1Ls1C1L1rcLs2R2C2r2U2晶石电子晶石电子13图中： R2 = （W1/ W2 ） R2 -（反射到初级的次级负载电阻) C2 = （W2/ W1 ） C2 -（反射到初级的次级分布电容) r2 = （W1/ W2 ） r2 -（反射到初级的次级铜
6、阻) Ls2 = （W1/ W2 ） Ls 2-（反射到初级的次级漏感) U2 = （W1/ W2 ） U2 -（反射到初级的次级负载电压) I2 = （W1/ W2 ） I2 -（反射到初级的次级负载电流) 各种用途的电子变压器，分布参数的影响各不一样。工程计算 中，对变压器的等效电路常常随着工作频率的、阻抗、技术指标 要求高低等等不同而加以简化。晶石电子晶石电子14 2 、工频电源变压器等效电路 由于它的工作频率甚低，漏感与分布电容的影响常常可以忽略，得到简化等效电路： Ir1U1I1II R2 r2 IL1U2I2rC ICIII1 图中,I2流过R2 ，将使 R2发 热；Ic流 过等效
7、电阻 rC，将使铁芯发热。这现象为电流在作功，所以称I2 、 IC为有功电流。I2 、 IC合成为I1 ， I1为初级电流的有功分量。 I1 = I2 + IC -(1-20) 流过初级电感L1的电流I ，在铁芯内产生磁通 0 ，故称I为激磁电流（或称为磁化电流）。它的作用是把电源能量变成磁能储存在初级线圈和铁芯内，并不做功。因为I是初级电流的无功分量，在相位上与有功分量电流I1及初级电压U1成90相位角，如图1-8所示。 I1与I合成初级总电流II ，由于I1与I相位差90，其关系不是代数和，而是矢量和，即： I1 =（ I + I1 ) 1/2 -(1-21)图 1-7图 1-8晶石电子晶
8、石电子15电子变压器的基本结构及常用材料电子变压器的基本结构及常用材料一一.电子变压器的基本结构电子变压器的基本结构1.铁芯（磁芯）铁芯（磁芯） 铁芯（磁芯）构成变压器的磁路，是变压器结构的基础。 铁芯（磁芯）的基本结构型式为：壳式、心式、环行。 壳式铁芯一般用于小功率变压器，其磁辐射较少，但外磁场对其影响较大。用铁氧体或金属粉末压制成的罐形或盒形磁芯，也属于这种结构，但由于其本身的屏蔽作用，漏磁及外磁场的影响均很小，在高频变压器中广泛应用 。 心式铁芯用于功率较大的变压器中，外磁场对其影响较小，用于小信号输入变压器可减少干扰。 环行铁芯一般用于中频、高频变压器中。这种结构能充分利用铁芯材料的
9、磁性能。它的漏磁最小，外磁场对其影响也最小。 铁芯的加工方法，一般可分为冲片式和卷绕式（金属粉末及铁氧体磁芯则是压制或压制烧结而成）晶石电子晶石电子16 冲片铁芯适用于钢板（带）厚度在0.1mm以上的材料，其工艺较简单，效率高，成本低。广泛应用于电源变压器和音频变压器。列如EI型壳式冲片铁芯，目前用量最大，但是EI型冲片铁芯由于一般尺寸小，剪切应力对铁芯材料的性能影响最大。另外，E型片的一部分必然与钢板（带）的取向方向垂直，若采用取向硅钢板（带）加工时，因各向异性的影响，磁性能较差。 卷绕铁芯是用一定宽度的钢带在适当形状的芯子上连续绕制而成。由于刚带的取向与磁通方向完全一致，因此铁芯材料的性能
10、得到充分发挥。用卷绕方法可以制造初CD型、ED型、环型、R型等种类磁芯。晶石电子晶石电子172.2.线圈线圈 线圈构成变压器的电路部分，是变压器的基本组成部分。 线圈由若干个线组构成，一个变压器至少由两个线组，各绕组之间是相互绝缘（自耦变压器除外）。 线圈绕组间的绝缘及对铁芯的绝缘，是保证变压器正常工作的前提。根据不同的场合，线圈各绕组间的匝间、层间、绕组间及对铁芯的绝缘要求也不同。 线圈的形状主要是矩形或圆筒形，是依铁芯截面形状而定。它是用 导线在底筒或骨架上连续缠绕而成，一般为多层平绕式。 线圈中绕组间的配置十分重要，应根据不同情况来确定。绕组分段绕制能减低其层间电压，减小分布电容；交叉绕
11、制能增强组间耦合，减小漏感。各种变压器对线圈绕组的配置要求不同，例如：脉冲、音频变压器希望有较低的漏感和较小的分布电容；心式铁心的电源变压器要求两铁芯柱功率基本平衡，高压变压器则希望有较低的层间电压和较均匀的电场分布。 晶石电子晶石电子18 根据工作温度、工作电流的大小，选择不同牌号、不同规格的漆包线。漆包圆铜线，一般用于小电流，矩形截面的扁铜线，可用于大电流，对于由特殊要求的场合，例如直焊、热粘合、高频等，可选用相应的导线材料。另外，要注意溶剂对漆包线的影响。 绝缘材料是变压器的重要材料，是决定变压器寿命的重要因素。应根据变压器的最高工作温度，选择相应耐热等级的绝缘材料。另外还要注意绝缘材料
12、的介电常数、吸水性、耐电晕性及机械强度等。 变压器及线圈一般都要浸漆处理，高压变压器和军用变压器往往用树脂灌封，以增加绝缘和机械性能。晶石电子晶石电子19二、常用材料二、常用材料 1、导电材料导电材料 凡是电阻率低的（=10-8 10-4 .cm ）材料可作导电材料，例如大量使用的铜材、铝材就是导电材料。 高频变压器导线的选择： 导线中由交流电通过时，因导线内部和边缘部分所交链的磁通量不同，导致导线截面上的电流产生不均匀分布，电流趋向表面，相当于导线有效面积减少，这种现象称为趋肤效应。随着工作频率的提高，趋肤效应影响也越大。 开关电源变压器工作频率一般在20KHZ以上，选择线径时应考虑到电流的
13、趋肤效应。所取线径应小于两倍穿透深度。 穿透深度指的是由于趋肤效应，交流电沿导线表面开始能达到的径向深度。当导线为圆导线时，穿透深度为： H=66.1/f1/2 -（2-1) 式中：H-穿透深度（mm），f-电流频率（HZ）例：电流频率为35KHZ,漆包圆铜线应选多大线径？ H=66.1/f1/2 =66.1/35001/2 =0.353（mm) 故线径应用小于0.70的导线。 如果按电流密度选择的线径大于0.70，则采用截面积相等的多股线。晶石电子晶石电子202、绝缘材料绝缘材料 、什么是绝缘材料：凡电阻系数在1081020 .cm 范围内的物质，称为绝缘材料。绝缘体也叫电介质；也叫非导体。
14、 、绝缘材料的作用： 绝缘材料可以隔离带电或 不同电位的导体，散热冷却，机械支撑，固定，储能，灭弧，改善电位梯度，防潮防霉及保护导体。晶石电子晶石电子213、磁性材料、磁性材料 大凡磁性材料器件其性能的关键都取决于所选用的磁性材料。所以变压器或电感器的设计、制造包括应用者，只有在对各类磁性材料在各种场合下的磁状态及表征该状态的磁参数有较为透彻的了解，并能灵活运用时，他才可能成为本行业的佼佼者。当然，任何一个产品涉及的知识是所方面的，其他相关知识也不可小视。一个新产品的成功开发，不少是得益于相关知识的灵感。打牢基础，再博览群书，是成功的必由之路，捷径是没有的。 磁性材料的分类：磁性材料的分类：
15、把物体放在磁场H中，物体就被磁化了，其磁化强度M（或磁通密度B）与H的关系为： M=XH，B=0H= 0 （H+M） 式中，X称为物质的磁化率， 称为磁导率， =1+H，按X或的大小可把物质分为三类：晶石电子晶石电子22 1）X 0，即 0但X1，称为顺磁性物质，这类物质的M与H，B与H皆同向。 3）X与皆1，这类物质称为铁磁性物质。具有铁磁性（对铁氧体属亚铁磁性）的材料就是磁性材料。注意：铁磁性（或亚铁磁性）物质 当温度升高到某以温度时就转化为顺磁性材料，该温度叫居里温度。 磁性材料可分成金属磁性材料、铁氧体磁性材料。金属磁还可分为晶态合金（如我们经常用到的硅钢和坡莫合金）、非晶态合金（如钴
16、基非晶，铁基非晶）及超微晶合金。金属磁的居里点Tc及饱和磁通密度Bs明显高于铁氧体，其电阻率确却大大低于铁氧体。 磁性材料按其磁特性的特点，还可分为永磁（硬磁）、软磁、旋磁、矩磁及压磁材料。了解这些分类及各类的特性，才能正确使用磁性材料 晶石电子晶石电子23 我司目前为止使用的都是软磁材料，其中用作工频变压器的铁芯都是硅钢片，作硅钢片的材料有： 1）冷轧取向硅钢片，即日常所说的“灰片” 2）冷轧无取向硅钢片，即日常所说的“白片” 3）将“白片”再进行退火就是日常所说的“黑片” 黑片性能要好于白片，取向的比无取向的更要好的多，但价格也贵的多，不论灰片、白片，因为是按吨销售的，所以尺寸小的片子比尺
17、寸大的要贵。 硅钢片的规格有几十种，一般在电子行业种使用的计有： EI-14 EI-16 EI-19 EI-24 EI-26 EI-28 EI-35 EI-41 EI-48 EI-54 EI-57 EI-66 EIB-76.2 EIB-85.8 利用这些片子及不同的叠厚，可以作出小到1W以下，大到200W的变压器。晶石电子晶石电子24 铁氧体铁氧体磁性材料磁性材料 由于铁氧体材料的自发磁矩来源于亚铁磁性，故其饱磁通密度Bs低，居里点Tc低，磁温度稳定性差，在低频段几乎无一用处。但它电阻率高，在100107.cm范围，介于导电体与绝缘体之间，故在高频及超高频领域内有着广泛的用途。我公司大量生产的
18、开关电源变压器、电源滤波电感器全都是使用的铁氧体磁性材料。 铁氧体是有氧化铁（ Fe 2O3 ）和其他一种或几种金属氧化物化合而成的物质，是复合氧化物，里面有铁，也有氧，故名铁氧体。以前曾叫铁淦(gn)氧或磁性瓷。因初期的生产工艺类似于陶瓷工艺。我国铁氧体在二十世纪五十年代才开始进入工业化生产。铁氧体按其晶体结构主要可分三种类型：尖晶石型、柘(zh)榴石型和磁铅石型。我们使用的软氧体属尖晶石型，其化学分子式是MeFe 2O4 ，（ =MeOFe 2O3 ）,其中Me代表二价金属离子，常见的有Mn2+ 、 Ni2+ 、 Zn2+ 、 Fe2+ 、Mg2+ 、 Ca2+等，如果在成分上除Fe 2O
19、3外，还有MnO叫锰铁氧体；如果除Fe 2O3外，还有MnO和ZnO叫锰锌铁氧体它是目前使用量大面广的一种材料。在一兆赫以下频段范围，是各种软磁铁氧体材料中性能最好的一种。晶石电子晶石电子25 按其磁特性可分为两种典型材料：以低磁芯损耗、高磁通密度为特征的功率型材料，如南京康达电子生产的LP2、LP3、LP4系列材料，其性能相当于日本TDK的PC30、PC40及PC50材料，另一类是高磁导率为特征的线性材料，如康达的HP1、HP2、HP3，其性能分别相当于日本TDK的H5B、H5B2、H5C2。LP系列材料主要用于功率转换领域，其中LP2材料适用于20KHZ 150KHZ中低频率。LP3材料则
20、是目前应用最广泛的中高频段100KHZ 500KHZ）优秀材料。LP4材料则是为适应开关电源高频化发展趋势而开发的功率材料，它主要适用于500KHZ 1000KHZ谐振式开关电源。LP系列的各个材料在各自适用频段内均具有很低的磁芯损耗，且从室温至实际工作温度（80 100 )，损耗呈负温度系数，因而可有效抑制变压器等器件的温升。HP系列材料主要用于宽带变压器脉冲变压器及电源噪声滤波器等小电流线性领域，可根据器件对电感量、损耗和高频特性的不同要求，从中选取适合牌号的材料。另一类重要的软磁铁氧体材料为镍锌材料。NiZn铁氧体 的 使用频率为100KHZ 100MHZ,有的可达300MHZ。这类材料
21、的磁导率低，电阻率很高，一般为105107 .cm ，因为气孔率较大，高频涡流损耗小，在1MHZ以上高频范围，它是磁性能最有优异的铁氧体材料，在彩电的行线性及固定电感的工字形磁芯中大量采用，作EMI用的磁芯几乎全都是NiZn材料。晶石电子晶石电子26 锰锌铁氧体材料的主要技术锰锌铁氧体材料的主要技术参数参数 1）初始磁导率i 初始磁导率是磁性材料的磁导率（B/H)在磁化曲线始端的极限值，即 1 B i = 0 H 式中 0:真空磁导率（4p107H/m); H：交流磁场强度（A/m); B:交流磁通密度（T）,测试时应小于0.25mT 注： 通常是用规定尺寸的环形磁芯测量而得。晶石电子晶石电子
22、272）有效磁导率有效磁导率 e 为了绕制的方便，变压器或电感器磁芯常用非闭合的E型、 U型或PM型等配对磁芯。其磁路各部分形状尺寸不同，且接合面不可避免地仍有残余气隙。此时，必须用有效磁导率e表征磁芯的磁性能。 在闭合磁路中（漏磁可忽略），磁芯的有效磁导率可表示为 L L e L e = 1010 = C1 1010 4pN2 Ae 4pN2 式中 L:装有磁芯的线圈的电感量（H）; N：线圈匝数; Le/ Ae :磁芯常数 C1 （mm1 ）具体参见各磁芯规格数。晶石电子晶石电子283）振幅磁导率振幅磁导率 a 作功率用交换用的开关电源变压器磁芯是工作在高磁通密度下，此时若仍用弱场中引出的
23、磁参量i (或e ),显然不妥。因此需要引入振幅磁导率a或增量 的概念，才能真实地反映出功率型磁芯在高磁通密度下 的磁特性。 在指定的交流磁通密度（或交流磁场强度）下的磁导率称为振幅磁导率，可表示为： 1 B a = 0 H 式中0 、H 、B的含义及单位与i表达式中的相同，仅测试时，需明确规定的B值比i测时的B值高出数百倍以上（例如200mT) 晶石电子晶石电子294）增量磁导率增量磁导率 单极性开关电源变压器磁芯，除工作在高磁通密度条件下，也常常处于一个恒定磁场的作用下，此时需引入直流叠加下的增量磁导率 或可逆磁导率 rev的概念。 在规定条件下，存在恒定磁场时的磁导率定义为增量磁导率。
24、1 B = 式中 H ：磁场强度改变的峰峰值； 0 H B：相应于H 作用下的磁通密度改变的增量。 当交变磁场强度减少接近于零时，增量磁导率的极限值定义为可逆磁导率，即： rev = Lim 。晶石电子晶石电子305）饱和磁通密度饱和磁通密度Bs 磁化到饱和状态的磁通密度，随温度的升高而下降。6）剩余磁通密度剩余磁通密度Br 从磁饱和状态除去磁化场后（H=0)剩余的磁通密度。注意，当磁芯开气隙后，磁材的Br并不降低，只是外加磁化场为零，而磁芯的内场为负值。7）矫顽力矫顽力Hc 从饱和状态去除磁化场后，磁芯继续被方向的磁场磁化，直至磁通密度减小到零，此时的磁场强度成为矫顽力。 注意：在一般的磁芯
25、供应商的规格书中给出的上述Bs 、 Br 、 Hc的值都是在静态（直流）的磁化下测出的，它与实际应用中在交流磁化下得的值是 不同的。在设计变压器，选取磁参数时必须留意这一点。8）居里温度居里温度Tc 在该温度下，磁芯磁状态由铁磁性（或亚铁磁性）转变成顺磁性。9）电阻率电阻率 具有单位截面积和单位长度的磁性材料的电阻。功率型材料的电阻率一般在100 101.m ；高磁导率线性材料的电阻率一般在101102.m 。10）密度密度d 单位体积材料的质量。常用g/cm3或kg/cm3表示。功率型材料一般为4.8 g/cm3 ，高磁导率材料一般为4.9 5.0 g/cm3晶石电子晶石电子3111）磁芯损
26、耗磁芯损耗Pc 功率型 磁芯在高 磁通密度时的单位体积的损耗用kw/m3表示。实际测试时磁芯的体积不易求得，故常用mw/g表示。换算时，只需将kw/m3的数字除以该磁芯的密度即换算为w/kg或mw/g。例如PC30材料在f=100KHZ温度为100 ，Bm为200mT时Pc为600kw/ m3 ，因密度为4.8g/cm3 则有600/4.8=125 mw/g。 磁芯损耗是表征功率型材料的十分重要的参数，它是计算变压器温升的主要依据，也是选取变压器磁材的主要依据，它与使用频率，工作磁通密度，工作温度也有极明显的关系故在所有供应商的磁芯规格书中都明确表示了这些条件。使用时必须依此条件，选择合适的材
27、料。 目前，磁芯损耗的常用测量方法中，合乎标准的有乘积电压表法和磁滞回线面积法，而不少工厂使用的并联谐振法，具有简易快捷的特点，很适合工业生产中使用，但由于原理上的缺陷，不能作为标准方法。晶石电子晶石电子32 常用的锰锌铁氧体磁芯常用的锰锌铁氧体磁芯 几乎所有的铁氧体材料都是依器件性能的要求，制造的方便，而压制烧结成各种形状及尺寸的磁芯以供使用的。常见的有以下十几种，每种都依尺寸大小形成各自系列成品，供使用者选用。 T型型 E型型 EI型型 EER（EEC、EC、ETD）型型 EED型型 LP型型 EP型型 UF型型 UU型型 UR型型 罐型罐型 PQ型型 PM型型 RM型型 ET型型 FT型
28、型 FTR型型 这些系列产品在磁芯供应商的产品规格书中，大都可以查到。规格书中，除详细标注了磁芯的尺寸外还标明了每付（只）磁芯的重量及有效参数。包括磁芯常数C1及C2，有效磁路长度Le ，有效截面积Ae及有效体积Ve。有的还注明了相应材料牌号的电感因数AL值，AL值与磁芯气隙长度的关系曲线，磁芯承受磁化（安匝数）与AL值的关系曲线，以及在一定条件下的磁芯损耗。这些为我们设计器件选用磁芯提供了宝贵的技术资料。但有一点 应弄明白，对高磁导率材料制成 的闭合磁芯，如T型、ET型等，其AL值波动范围较大，且对测试信号的波形及幅值有严格的要求。若不留意，就会因选用不同匝数的绕组得出不同的AL值（或与匝数
29、的平方 不成正比的电感值）晶石电子晶石电子33 我公司大量采用EER（EC）型磁芯如EC28、EC35、EC40、EC442、 EC49、EC53等用作开关电源变压器。当选用PC30材料，工作频率25KHZ（ 额定负载）采用单端反激型变压器，其输出直流功率可分别达到50W、70W 、90W、150W、230W、270W而变压器温升仍在用户要求范围之内。我公司 生产的行推动变压器，除一部分采用EI型硅钢片外，其余都是用EE型R2K锰 锌铁氧体磁芯。我公司大都采用ET型闭路磁芯作电源滤波器，如ET28、 ET35等比相同体积的其他形式的磁芯能产生更优异的滤波效果。但绕制不方 便，还容易损坏磁芯。故还采用UF型、EE型磁芯作电源滤波电感器。所有 这些作为电感器的磁芯都是采用高磁导率线性材料。由于这类材料的居里温 度较低，温度系数较大，需注意使用的环境温度及温升。晶石电子晶石电子34EI型变压器设计方法晶石电子晶石电子35开关电源变压器回形法简介晶石电子晶石电子36晶石电子晶石电子37
