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浅析高频变压器的最佳磁感应强度和最佳电流密度

2004-12-30 15:41:14 来源:《国际电子变压器》2005年1月刊 点击:1516

1引言
最近,一些刚入行的变压器设计人员,在设计高频变压器时,对磁感应强度和电流密度的取值感到茫然,不知道取多大的值是最佳。因此,他们设计的高频变压器,要么磁感应强度和电流密度取值太低,使变压器体积太大;要么取值太大,使变压器温升过高。如何选取最佳磁感应强度和最佳电流密度,本文提供一些个人的经验,供参考。
2最佳磁感应强度
变压器的磁感应强度受两方面限制:一方面是磁性材料饱和磁感应强度的限制;另一方面是磁心的损耗引起的可允许温升的限制。
对于第一种限制,设计人员都很清楚,因为在设计变压器时,大家都已习惯地将磁感应强度的取值为1/2~1/3的饱和磁感应强度,以确保变压器在工作时,磁心不会饱和。
因此,我们从第二种限制入手分析,获取最佳磁感应强度。
磁心总损耗PFe:

Ph:磁滞损耗W
Pe:涡流损耗W
Ps:剩余损耗W
在高频变压器的损耗中主要是磁滞损耗和涡流损耗,往往忽略剩余损耗。
为了计算和说明方便,在这里只引入磁滞损耗。
                                           (1)
而                                           (2)
其中                                 (3)
                                         (4)
所以最佳磁感应强度
       
这里:
ΔT为温升(K),       b为常数,
rFe为磁心热阻(K/W),   f为频率(Hz),
KFe、δ指磁心叠绕系数和磁心带厚(mm),
AFe、LFe指磁心有效截面(mm2)和磁路长度(mm),
n、m是不同频率和不同材质下的指数
3最佳电流密度
电流密度的选取一般要按照线圈初、次级的不同情况来选择。这里为计算和说明方便取初、次级的平均值。
                                          (5)
而                                (6)
                                             (7)
                                     (8)
所以最佳电流密度
          
这里
rCu为铜的热阻(Ω),   ρ为铜的电阻率(Ωmm2/mm)
KCu为铜的绕线系数,     ACu为窗口面积(mm2)
LCu为平均绕线长度(mm)
根据上述简单分析,为了设计计算方便快捷,我们建立了最佳磁感应强度和最佳电流密度的设计软件程序。
该套设计软件的界面非常简洁,一目了然,很容易操作。(操作界面见附图1、2)
4举例
某8KW高频变压器,输入220V,输出20KV,频率20KHz,允许温升30℃。
我们选取德国的VAC超微晶材料
操作步骤:
a.用“高频变压器设计(3.0)”确定磁心的结构尺寸和形状。
b.用“高频变压器最佳磁感应强度和最佳电流密度(1.0)”确定最佳磁感应强度和最佳电流密度的值。
c.将最佳磁感应强度和最佳电流密度的值输入到“高频变压器设计(3.0)”中。
d.设计出最佳的高频变压器。
e.设计计算(见附图1、2)

参考文献
[1]高频电源变压器磁心的设计原理,王耕福,南京898厂.
[2]Transformers for Electronic Circuits Grossner,Nathan R 1983.
[3]Advanced materials-the key to progress VAC公司

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