电源变压器中的铁芯结构（一）
The Core Strnctnre in Power Transfomer

一、前 言
铁芯是电源变压器的重要部件，对它的性能起着重要的作用。设计电源变压器的铁芯，包括以下几个主要内容：
(1) 根据电流电路和工作频率，转换成铁芯对软磁材料的要求，选取适用的软磁材料。关于电源变压器中使用的软磁材料，已在前面一篇文章中作了介绍，这里不再重复。
(2) 根据电源要求的性能指标，选取适用的铁芯结构形式。
(3) 根据传送功率和输入阻抗（输入电感），计算和选取铁芯尺寸。
(4) 根据变压器电磁场数学模型，进行铁芯和线圈参数计算。
(5) 根据使用要求，核算铁芯散热面积和工作温度。
如果工作频率在10Hz至KHz的声频范围内，还要考虑周围环境对可听噪声的要求。在强调环境保护的今天，可听噪声声污染，对人的身心都会造成相当的危害。因此，降低可听噪声，使它限制在一定范围内，是相当重要的使用要求。如果达不到指标，在设计铁芯结构时要采取降低噪声的措施。
对有铁芯的电源变压器，第(1) 、(2) 项是决定性，因此专门写文章作介绍。对第 (3) 项，比较通用的是从下面三个公式来设计和选取铁芯尺寸：

以上公式中是铁芯的特征参数，是铁芯实际截面积（包括铁芯占空系数和窗口实际面积（包括窗口占空系数）的乘积。是电源变压器的输出功率。η是电源变压器的效率。(1+η)相当于电源变压器的现在功率。是波形系数，对矩形波为L，对正弦波为2.22。J 是电流密度。f 是工作频率。△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2，对磁通密度单向变化的电源变压器为-。正如前面文章介绍那样，为了限制铁芯损耗，工作频率f 和工作磁通变化范围△是相互制约的。是铁芯的有效体积，是铁芯实际截面积与平均磁路长度的乘积。是输入电感。是真空磁导率，μ是铁芯在工作频率下的有效磁导率。是输入（初级）线圈匝数。
在进行第（4）项进，对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SF/Z2921-88《开关电源变压器设计方法》不再适用。应当根据现在计算机辅助设计已经比较普及的情况，制定新的指导性技术文件。
第（5）项一般不受设计者重视，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），还是先进行铁芯工作温度核算，以便在设计中采取措施，防止铁芯温升超过规定值。
以上简单的介绍电源变压器铁芯的设计程序，不但是为了强调软磁材料和铁芯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。由于惧资料还不完备，这里只介绍高度为厘米以上级的立体式铁芯结构，包括复合铁芯结构和多功能（磁集成）铁芯结构。至于高度为1~10毫米级的平面式铁芯结构和高度为毫米以下级的薄膜式铁芯结构，以后再作介绍。

二、硅钢铁芯
50Hz~60Hz工频电磁器件和400~100Hz中频电磁器件，多数选用硅钢铁芯。硅钢铁芯结构分为叠片式铁芯和卷绕式铁芯两种。
叠片式铁芯是把硅钢带材通过剪切或冲压成铁芯片，然后叠装成一定结构形式的铁芯。从铁芯片形状发展来看（图1），最早是单工形，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，要注意使比较长的磁路中磁力线方向与硅钢取向一致，不要与硅钢取向垂直，否则会增加铁芯激磁能量和铁芯损耗。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。从叠装成的铁芯截面发展来看（图2），最早是矩形，后来发展成三阶梯形、多阶梯形，使铁芯截面逐步趋向圆形。这一方面是为了减少线圈平均匝长，降低阻抗和铜损；另一方面是为了便于线圈绕制。从叠装成的铁芯柱数发展来看（图3），最早是用于单相变压器和电抗器的两栓式，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栓式。



卷绕式铁芯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芯。从卷绕成的铁芯形状发展来看（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°角布置三个方框组成。为了使铁芯截面逐渐趋向圆形，和叠片式铁芯一样，卷绕式铁芯截面也从矩形，经过三阶梯形，多阶梯形，发展成铁芯截面基本上是圆形的R形铁芯。截面是R形的卷绕式环形铁芯，称为O形铁芯。既可充分利用铁芯材料，又可以减少线圈平均匝长，是比较理想的卷绕式铁芯结构。

卷绕式铁芯和叠片式铁芯比较，卷绕式铁芯可以使磁路中的磁力线完全与硅钢取向一致，而且不存在气隙，因此激磁能量和铁芯损耗小约10%~25%，噪声也低一些。铁芯加工工艺比较简单容易，便于用机械加工代替手工叠装。但是线圈绕制比叠片式铁芯难度大，必须用专门的绕线设备。同时，如果线圈损伤，必须整体极废，不能返修。为了补偿这些缺点，把卷绕式铁芯切开成两半，变成CD形和XD形铁芯（图5）。这种结构虽然有两个或三个气隙，仍然保持卷绕式铁芯的优点，激磁能量和铁芯损耗增加不多，噪声也增加不大。铁芯加工除增加铁芯切割加工和气隙磨光工序而外，加工工艺也不复杂，仍能采用机械加工。同时又象叠片式铁芯那样线圈绕制比较容易。线圈损伤也便于折卸更换。还有，CD形和XD形铁芯对于必须有气隙的电抗器来说，更是一种比较理想的铁芯结构。

三、非晶和微晶合金铁芯
铁基非晶合金可以用在50Hz~ 60Hz工频和400Hz~20KHz中频电源技术中作为电磁器件的铁芯材料。20世纪80年代末，日本大阪变压器厂的研究结论认为：铁基非晶合金铁芯在150Hz以上的综合性能，比硅钢铁芯好。经过十多年来的研究，铁基非晶合金铁芯正在向50Hz~ 60Hz工频领域扩展，和硅钢铁芯进行竞争。
铁基非晶合金铁芯结构也分为叠片式和卷绕式两种。叠片式铁芯是比较早期的结构，是把铁基非晶合金带材剪切成一定的铁芯片后，再叠装成一定结构形状的铁芯。铁基非晶合金带材厚度一般为20~40μm，叠装起来既费时又不容易叠好。为了缩短工时和增加铁芯强度，把几片和十几片薄铁芯片粘接在一起，成为0.1~0.25mm厚的铁芯片，但是损耗也有所增加。铁基非晶合金磁性不存在取向，同时剪切加工困难，一般铁芯片形状都为单工形（图6），叠装后的铁芯截面都为矩形。铁芯柱数也分为单相电磁器件用的丙栓式和三相电磁器件用的三柱式两种。由于需要大量的工时，叠装式铁基非晶合金铁芯结构现在已很少使用。但是在150μm铁基非晶合金带材工艺成熟之后，仍然有可能采用叠装式铁芯结构。

卷绕式铁芯是把铁基非晶带材剪切或喷制成一定宽度后，卷绕成一定结构形式的铁芯。最早是环形，后来为了绕线方便，发展成方框形，包括单框形、双框形、三框形和四框形。再后来为了简化绕线和装卸工艺，便于更换线圈，发展成CD形和XD形。和硅钢卷绕式铁芯结构不同，铁基非晶合金铁芯在20世纪90年代初，出现一种新型的搭接式方框形铁芯结构（图7）。在铁芯的接缝部分，铁芯带互相搭接在一起，而且接缝部分不在一条直线上，因此气隙比CD形铁芯小。激磁能量和铁芯损耗与卷绕式方框形基本相同。但是它可以逐层打开，在装入线圈后，再逐层合上。线圈绕制、装卸和更换都比较容易。现

（未完待续）