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[原创]功率变压器磁芯

2008-10-29 11:47:56| 分类：【磁性材料】 | 标签： |举报 |字号大中小订阅

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前言：现用于功率变压器方面比较多，如：单频信号传输，窄频信号传输，宽频信号传输，不同用途的变压器有不同的要求。功率变压器工作频率低时，要求输出电压稳定，磁芯不出现饱和。工作频率高时，要求磁芯损耗与绕组保持一定比值。功率变压器传输的功率较大，必须要考虑磁芯的饱和现象与工作温度。提高工作频率，将发挥铁氧体的优势。
（一）设计功率变压器的一般原理：我们知道设计变压器的基本关系式是感应电压方程式

1.414E=ωBAN  （1-1）     这里B为有效磁感应强度峰值，单位是T（特斯拉）；A为磁芯的有效截面积，单位是m的平方；N为绕组的匝数；ω是角频率；E为电源电压。

由（1-1）可知，当外加电压与磁芯的尺寸一定时，（B*N）与f成反比。而我们知道磁芯损耗是与f*B成正比。这样要保持磁芯损耗不变，则随着工作频率的下降，必须提高磁感应强度或坫加线圈的匝数。在这里我们主要考虑磁芯的损耗。同时，为了使变压器的效率和其它特性达到最好状态，则必须使磁芯损耗和绕组损耗满足一定的比例关系。

工作频率降低时，磁感应强度增大，这时应考虑的主要问题是磁芯的饱和现象。如果工作频率继续降低，为了保持B值不变，必须增加绕组的匝数，这时磁芯的损耗相对减少，而绕组的损耗相对增大，总损耗增大，变压器温度升高。如工作频率更低时，绕组的电阻和漏电感都要进一步增大，引起输出电压不稳定。所以，在低于某一频率时设计变压器，我们要考虑的主要因素是输出电压的稳定性问题。
下面一个变压器的简化等效电路图

功率变压器的简化等效电路图  （电路中的各元件都是相对于初级绕组的值）

U1为初级电压，R1为初级绕组电阻，I为初级电流，R2为次级绕组电阻，Rb为负载电阻，Lp为初级并联电感，Rp为并联磁芯损耗电阻。

R1+R2<<

所以  (Pw+Pm*Vt)/Pb=(R1+R2)/Rb +Rb/Rp  (1-2) 这是损耗功率与输出功率的表示式。
并联电感Lp是设计变压器的一个重要参数。通常要求Lp大于某一特定值，如果电感量太小，将使磁化电流增大，而电感量太大，引起较大的漏电感，而且使绕组的电阻增大。我们知道这样一个公式：Ae*le=Vt=2μ0*μe*E*E/ω*ωL*B*B (1-3) 此式表示磁芯的体积与电感量L和有效磁感应强度B的关系，B和L都是设计时必须考虑的主要参数。为了避免磁芯饱和降低磁芯损耗，必须将B值限制在某一数值。这就是大家知道的用开气隙的方法来达到。在设计变压器时我们按前面讲的（1-1）公式来计算最小的匝数。再根据计算电感的公式：Lp=μ0μeAeN*N/le来计算并联电感。在进行各种计算时，还应注意磁芯的磁导率是随磁感应强度而变化的，而且当磁芯工作在最大B时，振幅磁导率往往大于起始磁导率。
压器在工作时是有损耗的，它的总损耗是多少呢？我们用下式表示，变压器的总损耗是绕组损耗加上磁芯损耗，通过等效电路我们可知：P=Pw+Pm*Vt （1-3）在设计变压器时要使总损耗最小，也就是说变压器的功率最大。  将（1-2）式对负载电阻求导可知，(R1+R2) /Rb=Rb/Rp时损耗功率最小，也就是负载电阻Rb的值能保证磁芯的损耗等于绕组的损耗。我们再将（1-3）式对初级绕组N1求导，我们就得到变压器总损耗最小的条件是：Pm=2/n*Pw, 这里n是斯坦梅兹指数，它的值在1.9-2.9之间。从这里也可知磁芯损耗等于绕组损耗时，器件的总损耗最小。以上只是分析的结果，还必须根据器件的工作条件来确定各种损耗。如工作频率很低时，饱和磁感应强度是主要设计参数，随着工作频率的提高，磁芯损耗就成为必须考虑的参数，但磁芯损耗与磁感应强度有关。(二)功率变压器磁芯所用材料的特性：现在高频功率功率变压器磁芯都用Mn-Zn铁氧体材料的多，首先用于它的是电视机的线性变压器，现在扩展到各种领域，如电脑，DVD，大屏幕LED电源，电动车充电器等等。大规模的应用，使铁氧体的产量大幅度的增长。用充氮保护推板式遂道窑烧结功率铁氧体已是普遍现象。下面我们先介绍用作一般的功率变压器的磁芯材料，然后介绍用作开关电源的磁芯材料。 1.功率变压器的磁芯材料：饱和磁感应强度高的Mn-Zn铁氧体适于做功率变压器的磁芯。铁氧体的磁特性和电阻率随成分及微观结构而改变，而磁芯的微观结构又与烧结温度有关，在控制工艺过程中，当配方成分一定时，应选取Bm高，居里温度高，电阻率高，功耗低的烧结温度。我们知道，Bm与烧结温度，烧结条件关系密切，并且随着三氧化二铁含量的增加而增大，而居里温度随三氧化二铁的增加和ZnO的降低而升高。特别是随着MnO含量的增加，损耗为最低时的温度(Tp)升高。如果Tp太低，当磁芯的工作温度超过Tp时，则随着温度的继续升高，功率损耗增加，引起磁芯仍至变压器的温度升高。为了防止磁芯温度过热，心须适当提高Tp,实用磁芯的Tp在约60-120度。但是，起骀磁导率
μi随三氧化二铁的含量增加而降低。

在选定成分以后，材料的微观结构还要随添加剂或烧结条件而变化。我们知道功率损耗的几何平均值随

△B而变化，△B愈大，损耗愈低。所以，提高△B与降低损耗是一致的，若Bm值一定，Br愈小，△B就愈大。因此，要降低损耗，就必须降低Br值。

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