电源变压器中的铁芯结构（二）
The Core Strnctnre in Power Transfomer

现在普遍认为：这种搭接式方框形铁芯结构是综合了卷绕式方框形和CD形铁芯结构优点的比较好的铁芯结构。不但可以用于低频，而且可以用于中高频电源技术中的电磁器件。在配电变压器中已经大量使用，既缩短了铁芯加工和装配工时，又可以发挥非晶合金材料的优良性能。
钴基非晶合金和铁基微晶合金用于20KHz~500KHz中高频电源技术中的电磁器件，主要是卷绕式环形铁芯结构，个别的采用CD形铁芯结构。CD形铁芯结构主要用于20KHz~50KHz的电磁器件。在超过100KHz时，由于线圈匝数少，主要用环形铁芯结构。在大容量的电源中，20KHz~50KHz的电磁器件将来有可能采用搭接式铁芯结构。

四、高导磁合金（坡莫合金）铁芯
为了充分发挥高导磁合金的高导磁特性，一般都采用卷绕式环形铁芯结构，由于高导磁合金对应力敏感，在热处理后，要把环形铁芯装在保护盒内，而且在绕线和绝缘处理工艺过程中，一定要轻拿轻放，避免冲击和应力对高导磁合金性能的影响。以前，在1KHz以下，也有个别情况采用叠片式铁芯结构，铁芯冲片为EE形或者EI形。现在比较少见了。坡莫合金由于环境适应性强，又扩展了使用频率范围，现在使用在电源技术的电磁器件中的用量有所增加。但是铁芯结构仍然是卷绕式环形铁芯结构，

五、软磁铁氧体铁芯
软磁铁氧体的铁芯结构比较多，这是由于采用热压工艺，比较容易加工成各种形状。有EI、EE、EER、EP、UF、UYF、RM、PM、PQ、Q（罐形）、T（环形）和LP形（图8）等等。EI形以尺寸A（E形铁芯宽度）为标志，EE形以尺寸A（E形铁芯宽度）和2xB (E形铁芯长度）为标志，已形成EI10~50、EE8.3/8.0~110/80系列，品种多，制造工艺简单成熟，散热好，便于引出接线，成本较低。缺点是铁芯中间柱截面为矩形，给线圈绕制带来麻烦。同时，无屏蔽，容易产生杂散磁砀干扰。EER形也是以尺寸A（E形铁芯宽度）和2×B (E形铁芯长度）为标志，已形成EER25/33~54/50系列，铁芯中间柱截面为圆形，绕线比较方便，同时绕线长度比方形截面缩短11%，从而降低铜损。但是仍无屏蔽。EP形铁芯以铁芯高度尺寸E为标志，已形成7至30系列，中间铁芯柱为圆形，而且一边有屏蔽，另一边有缺口，便于引出接线。UF形铁芯以U形铁芯宽度A为标志，形成9.8~25系列，可以两个柱绕线，散热好，引出接线也方便，但是铁芯截面为矩形，也无屏蔽。UYF形铁芯以U形铁芯厚度尺寸D。（有时包括U形铁芯高度2B）为标志，已形成10~18系列，有的两个铁芯柱截面为圆形，有的一个铁芯柱截面为圆形（单边绕线），一个铁芯柱截面为方形。RM形铁芯以中间铁芯柱的直径C为标志，已形成4~14系列，有中心孔和无中心孔（用G作标志）两种，中间铁芯柱为圆形，两侧有屏蔽，有两边缺口，便于引出接线。PM形铁芯以最大外径尺寸A为标志，已形成PM50~114系列，其两侧屏蔽比RM形铁芯更宽，效果更好。Q形（罐形）铁芯以最大外径A和高度C为标志，已形成Q7/4~Q40/29系列，屏蔽效果最好，单位空间电感值高，但缺口小，引出接线不便。有中心孔，以便安装。PQ形铁芯以最大外径A和高度F为标志，已形成PQ20/16~50/50系列，比Q形铁芯形的缺口大，引出接线方便，而且背面散热面积大，是高频电源变压器用的铁芯结构中，综合性能最佳的一种。LP形铁芯以铁芯高度2D和一边较小的缺口长度E为标志，已形成LP23/8~LP32/13系列，也适用于高频电源变压器。T形（环形）铁芯以外径×内径×高尺寸为标志，已形成6×3×2~124×62×40系列，截面为矩形，磁路无空气隙，电感值大、漏磁小。如果把截面改成圆形，变成类似硅钢O形铁芯结构那样的结构，其绕线工艺和性能都有所改善。

六、复合铁芯和磁粉芯
复合铁芯是指采用两种以上软磁材料组成的铁芯结构。为了使铁芯性能一致性好，而把一个铁芯分成两个（或三个）铁芯，进行性能搭配，不能算成是复合铁芯结构。因为使用的是同一种软磁材料，而不是两种以上软磁材料。复合铁芯结构的典型例子是脉冲变压器用铁芯，为了保证上升时间短和顶降小，使用坡莫合金和软磁铁氧体两种软磁材料组成的铁芯有环形的，也有叠片式的。
但是最常用的复合铁芯结构是磁粉芯，是用软磁材料和非磁性材料复合而成。虽然磁粉芯不用于电源变压器，而用于电感器，但是为了使铁芯结构介绍比较全面一些，在本文中也把它介绍给读者。
磁粉芯是由金属软磁材料粉末与绝缘材料混合以后压制而成的，一般都是环形铁芯。为了表明软磁材料的种类和性能，还涂有色（红、黄、绿、蓝）作为标记。由于金属软磁材料粉末被软磁材料所包围，形成分散气隙，从而大大降低高频涡流损耗，并具有抗饱和性能。
国家标准GBn251-85《锌铁磁粉芯》只针对高导磁铁锌合金材料制成的磁粉芯，现在已发展了铁磁粉芯，铁硅铝磁粉芯、非晶和微晶磁粉芯，需要加以扩展和修订。
对磁粉芯提出的指标有饱和磁通密度Bs、有效磁导率me、有效品质因数Qe、有效磁导率温度系数a me及居里点、比重等。主要的磁粉芯的性能参数见表1。铁锌钼磁粉芯国家标准型号为FN81，上海钢铁研究所型号为SN，美国阿诺德公司型号为MPP，磁导率高，工作环境适应范围广，损耗低，但价格贵。铁锌高磁通磁粉芯国家标准型 号为FN50，美国阿诺德公司型号HF，饱和磁通密度高，磁导率中等，损耗也较低，价格较便宜，国内外最近比较重视研究和使用。铁硅铝磁粉芯上海钢铁研究所型号为SA，美国阿诺德公司型号为MS，是一种价格较低，综合性能指标较好的磁粉芯。铁磁粉芯上海钢铁 研究所型号SF，国外一般型号为IP，磁导率和饱和磁通密度高，但在高频下损耗大，只适用于低频和20KHz以下的中频使用。由于价格便宜，可以把它加工成大型磁粉芯，代替硅钢，作为大容量直流电源的滤波电抗器。

除了表1所列性能而外，一般还给出有效磁导率me与频率f的关系曲线。与软磁铁氧体类似，在超过一定极限工作频率以后，有效磁导率会迅速下降。同时，还给出在有效磁导率μe下降50%的外加磁场强度，也就是恒磁范围。表2是铁锌钼磁粉芯和高磁通铁锌磁粉芯的恒磁范围。还有，对用于输出滤波器的磁粉芯，必须给出交直流同时磁化曲线，表示在大的直流磁化条件下，磁粉芯有效磁导率的变化情况。

以前，包括国家标准在内，都没有测试20KHz以上的有效磁导率μe和损耗Pc。现在已有生产单位提供这方面的性能数据。希望制订磁粉芯新的标准时，能提供20KHz、100KHz、1MHz、5MHz，甚至于10MHz下的有效磁导率μe和损耗Pc，有利于把磁粉芯应用到中高频和高频电源技术中去。

七、多功能铁芯（集成磁芯）
多功能铁芯结构是指一种铁芯同时起变压器和电抗器，变压器和磁性开关等多种功能。库克教授在提出库克电路的同时，把这种多功能铁芯结构称为“集成磁芯”，意思是指它象半导体集成电路一样，把几种功能集成在一起。这个词语“集成磁芯”，到现在一直有人在使用。但是，现在出现了利用半导体集成电路工艺相类似的技术，制造薄膜式铁芯及其应用的电磁器件，有的人称为“微磁性器件”，有的人称为“集成磁性器件”。因此，我认为再使用集成磁芯就容易使人混淆，把两种完全不同的铁芯结构认为是同一样的东西。所以把原来的集成磁芯改称为“多功能铁芯”。
其实，最早的多功能铁芯出现在铁磁谐振稳压器中，包括一个变压器和一个由磁分路组成的电抗器。恒压变压器是由铁磁谐振稳压器发展而来的，铁芯也属于多功能铁芯结构。
常见的多功能铁芯结构主要是平面布置的形式（图9）。图9（1）是一个变压器和一个电抗器的铁芯结构。图9（2）是一个变压器和两个电抗器的铁芯结构。图10巧妙地采用两种软磁材料组成多功能铁芯结构。图10（1）外框铁芯采用高导磁合金材料，形成变压器，中间采用低导磁材料形成电抗器。除了这种框形如中间柱结构而外，还有图10（2）的桥式多功能铁芯结构，四个桥臂用高导磁材料，桥对角线用低导磁材料或者开一个气隙。

图9 平面布置的多功能铁芯结构

图10 两种软磁材料组成的多功能铁芯结构
从20世纪80年代末，对垂直形铁芯结成的立体布置的多功能铁芯结构研究的人越来越多。它最早是有人把C形铁芯的一半转90°，而形成的，发现在没转90°的C形铁芯上的绕组之间仍存在变压器功能，转90°的C形铁芯上绕上一个绕组，可以通过电流激磁后，改变没转90°的C形铁芯上绕组的电感（图11（1））。后来把铁芯去掉一些变成图11（2），仍然具有这样的功能。图11（3）是把两个变压器和两个可控电感组合在一起的多功能铁芯结构。

图11 垂直形铁芯组成的多功能铁芯结构
利用这种垂直形多功能铁芯结构已经研制开发出交流稳压电源、逆变电源、电压谐振式和电流谐振式开关电源，具有可靠性高（主要是铜铁材料）、可自动无级调节、消除谐波好、效率高等优点，是值得继续开发的一种特殊的铁芯结构。

八、几点意见
1、各种软磁材料由于使用领域不同，可以组成不同的铁芯结构。在选取铁芯结构时应当注意首先要能充分发挥软磁材料的优点，其次要注意工艺加工的复杂程度和材料的利用率，也就是成本。根据市场和用户的要求综合考虑。不能只注意性能一面而忽略成本和价格的另一面。
2、任何铁芯结构都有自己的优缺点，不能因为自己偏爱等主观因素抬高一种否定其他，也不能随大流，由于大多数人反对，而对一种铁芯结构采取绝对否定的态度。例如：有的人过分欣赏R形卷绕式铁芯结构，不愿注意到这种铁芯结构本身带来的一些问题，发展下去总有一天会碰壁的。又例如：大多数人认为120°布置三框式铁芯结构不可能用在电源变压器中去。但是已有人把它用于追求体积小的电源变压器中，取得了良好效果。
3、现在的铁芯结构在低频和中频电源变压器中发展比较成熟。在中高频和高频电源变压器中还有许多工作要做。那已经主要不属于立体式铁芯结构范围，而属于平面式铁芯结构和薄膜式铁芯结构范围。这两种结构正成为高频电源变压器的研究热点。据报道：高频开磁电源的高度，采用平面式铁芯结构的变压器在1995年还大于5mm。到1998年，采用低高度平面式铁芯结构的变压器，高频开关电源的高度已在5~3mm之间。预测到2002年，采用薄膜式铁芯结构的变压器和集成技术，把磁性器件，半导体器件和电容器件集成在一个单片上，组成单片式高频开关电源，高度可低于3mm，甚至达到1mm。铁芯结构的发展之迅速使人惊叹不已！有关情况将在以后再作介绍。
“电源变压器中的软磁材料”和“电源变压器中的铁芯结构”这两篇相关连的文章到此告一段落。希望读者对电源变压器中的主要部件铁芯和它用的软磁材料有一个比较完整的了解，对今后进行电源开发和设计有所帮助，那就使我不辜负“国际电子变压器”编辑部约我写这两篇文章的初衷了。至于读者们有什么看法，请告诉我，指出其中错误之处，在此预先表示感谢！