几种变压器铁芯.pdf

第1 9 卷第3 期 2 0 0 4年 9月 西南科技大学学报V o l 1 9 N o 3 S e o 2 0 0 4 电子变压器的小型化发展 李 西南科技大学信控学院 茜 四川绵阳 6 2 1 0 1 0 摘要 介绍了 几种新兴结构的电 子变 压器 新型 磁性材料和磁芯 在电于变 压器制造业中 的应用 展望 了电子变压器研制的前景 关键词 电子变压器 铁氧体 磁芯 纳米 中图分类号 T M 4 1 文献标识码 A文章编号 1 6 7 1 8 7 5 5 2 0 0 4 0 3 0 0 4 5 0 4 T h e D e v e l o p m e n t s o n Mi n i a t u r i z a t i o n o f E l e c t r o n i c T r a n s f o r m e r L i Q i a n S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y M i a n y a n g 6 2 1 0 1 0 S ic h u a n C h i n a A b s t r a c t S o m e e l e c t ron i c t r a n s f o r m e r s a r e i n t r o u c e d i n m a t e ri a l s a n d m a g n e t i c c o re s n e w c o n f i g u r a t i o n n e w a p p l i c a t i o n s o f m a g n e t i c K e y w o r d s e l e c t r o n i c t r a n s f o r m e r f e r r i t e c o r e n a n o m e t e r 电力电子技术是国家的重要支撑科技 能源 环保 资讯与通信 生命科学 材料和交通等 每一领域无一 不和电力电子有关 而变压器又是电力电子产品中重要的必不可少的部件 从1 8 8 5 年问世至今 变压器发 明已有1 4 0 余年的历史了 并随着电子技术的发展而发展 电子变压器行业的产品结构发生了较大的变化 显现出产品类型多样性 国际电力电 子技术飞速发展 呈现大功率 小型化的趋势 相应的对电子变压器的性能指标提出了越来 越高的要求 传统的电子变压器已经远远不能满足市场发展的需求 因此各种新技术和 新材料的研究与使 用不断的给电子变压器行业注人活力 增强了电子变压器的市场潜力 1 小型化变压器 1 1 平面变压器 传统的电子变压器一般都采用在普通铁氧体磁芯上 缠绕漆包线或者多股绞合线 体积比较大 转移效 率不高 限制了电子变压器的适用范围 束缚了电 子系统所能达到的最小尺寸 随着电路超大规模和系统集 成以及元器件片式化 印制电路板P C B 表面安装高密度化的进展 平面变压器的出现为电源系统小型化提 供了一条可行途径 平面变压器是一种绕组集成在多层印制电路板上的变压器 利用先进的印制板制造工艺技术 将扁平的 薄铜片或若干蚀刻在绝缘薄片上的平面铜绕组在多层板上形成螺旋式线圈 适用于制作高频 高压的中 小 功率平面变压器 与传统变压器相比 平面变压器的多层制造过程采用机械加工 提高了绕组的一致性 绕 收稿日期 2 0 0 4 0 3 1 0 西南科技大学青年预研基金资助项目 Z K 0 4 3 0 9 4 万方数据 西南科技大学学报 组的几何形状及有关寄生特性限定在P C B 制造公差之内 可重复性好 平面变压器的绕组是由薄铜层构成 同时整个变压器结构成扁平化 降低了集肤效应的损失 平面变压器的这种设计有低直流铜阻 低漏感和低 频分布电容的优点 可充分满足谐振电路的要求 同时由于磁芯具有良 好的磁屏蔽特性 因而可较好的抑制 射频干扰 平面变压器现已应用于数码相机 数字化电视 通讯电源 笔记本电脑 汽车电子 电力设备 航空航天电 源 舰载电源 雷达电源等领域 1 2 压电变压器 压电变压器是应用电能一机械能一电能的一种新型变压器 通过晶粒亚微米级精细P Z T 压电陶瓷材料 的机电转换特性来实现变压的 两片压电陶瓷紧密牢固地结合在一起 将原边交变电压加于一片压电陶瓷的 水平轴线 这片压电陶瓷将产生垂直方向的机械振动而使另一片牢固结合的压电陶瓷跟着一起作垂直振动 此时将在其水平轴线方向产生电压次级输出电压 压电变压器主要优点是它的转换效率高达9 5 抗电磁 干扰特性好等 压电变压器在形状 电极和极化方向可有变化 同传统的电 磁变压器相比较 具有体积小 无 电磁污染 升压比随工作频率和阻抗变化的特点 其中长条片形结构的R o s e n 型制作容易 升压高 现已研 制出三次R o s e n 型多层新结构 现有的压电变压器产品多用于液晶显示器背光照明电源及复印机 传真机等的高压电源中 1 3 R型变压器 R型变压器最早是日 本八十年代研制成功的一种高技术 高性能的节能型产品 由一条高磁通密度的曲 线型硅钢带绕制而成的全封闭 圆截面铁芯 线圈采用二个圆筒形分离式骨架 对称绕在二个铁芯柱上 R 型变压器由于采用高磁通密度的材料连续卷绕而成 故不切割磁力线 同时圆形线圈紧附铁芯 所以几乎没 有噪声 这种变压器绕组的 平均匝长短 内阻损耗小 温升不到E 型变压器的1 2 由于R型变压器的两个线 圈的漏磁相位相反 相互抵消 从而使总漏磁减少到最小 一般不到E型变压器的1 1 0 C型变压器的1 5 所以 使用R型变压器无需设计防漏磁措施便能提高整机性能 改善整机结构 R型铁芯变压器具有精巧的 外观和完美的电气性能 是传统的E 型 C 型铁芯变压器所无法比拟的 因此越来越多的赢得了电子 电气 仪器仪表行业专家的好评 目 前 日 本 美国 韩国 台湾 欧洲等地已 广泛采用 主要的应用领域为计算机 复印机 打印机 传真机 C R T 显示器 自 动化仪表装置 N C 机床 电子衡器 音响 家用电 器等 电子变压器在向小型 轻量 高效 表面安装型发展的过程中 还研制出了多层回扫变压器 薄膜变压器 等新产品 新型磁芯材料在电子变压器中的应用 在电力电子领域 随着高频逆变技术的成熟 传统大功率线性电源开始大量被高频开关电源所取代 而 且为了提高效率 减小体积 开关电源的工作频率越来越高 这就对其中电子变压器等的软磁材料提出了更 高的要求 传统使用的硅钢高频损耗太大 已不能满足使用要求 新发展起来的软磁材料在电子变压器中 的广泛应用 使得电子变压器的工作性能提高 成本下降 2 1 软磁铁氧体磁芯 软磁铁氧体是电源变压器中 使用比 较早的软磁材料 它的特点是 饱和磁通密度低 磁导率低 居里温度 低 中高频损耗低 成本低 从七十年代初至今 铁氧体材料磁芯已 经经历了 几代产品的研制与开发 第一代 功率铁氧体材料功耗大 只适用于工作频率在2 0 k H z 左右 第二代铁氧体材料如Y D K的H 7 C 1 P C 3 0 具 有负温度系数功耗 随着温度升高 功耗呈下降趋势 适用的工作频率为1 0 0 k H z 左右 八十年代后期 为了 适应高频开关电源的发展 第三代功率铁氧体材料问世 工作频率2 5 0 k H z 左右 适用于工作频率数百千赫 的开关电源 广泛应用于工业类的开关电源中 九十年代中期 第四 代功率铁氧体材料已开发成功 如T D K 的P C 5 0 牌号材料 这种材料的工作频率可达5 0 0 k H z 以上 降低损耗和提高工作频率将是今后软磁铁氧体 的两个主要的发展方向 万方数据 第3 期李茜 电子变压器的小型化发展 2 2 纳米晶合金磁芯 在P e 一 S i 一 B非晶合金的基体中加人少量C u 和M M N b M o W G a 等 经适当温度晶化退火以后 可获得一种性能优异的具有b e 结构的超细晶粒 D约为1 0 n m 软磁合金 既是纳米晶软磁合金 其典型成 分为F e 7 3 5 C u 1 N b 3 S i 1 3 5 B 9 纳 米晶 合金的 主 要性能 特点是 高的 饱和 磁感 高磁导率 低矫顽力和 低 的高频损耗 良 好的强硬度 耐磨性及耐腐蚀性 良 好的温度及环境稳定性等 其综合磁性能远远优于硅钢 铁氧体 坡莫合金和非晶合金等 是绿色环保的新型节能材料 纳米晶合金磁芯同时具有高饱和磁感和很低的高频损耗 且热稳定性好 是大功率电子变压器用软磁材 料的最佳选择 目 前 纳米晶合金磁芯已经获得广泛应用 在通讯 电动交通工具 电解电镀等领域用开关电 源中的应用正在积极开发之中 2 3 软磁复合磁芯 软磁复合磁芯是将两种或两种以上的软磁材料微粒均匀分散在非磁性物中形成的 通常成型为环形状 与传统的金属软磁合金和铁氧体材料相比 软磁复合磁芯的磁性金属粒子分散在非导体物件中 形成分散气 隙 从而大大降低高频涡流损耗 提高了变压器的应用频率范围 并具有抗饱和性能 软磁复合磁芯既可以采 取热压法加工成粉芯 也可以利用塑料工程技术 注塑制造成复杂形状的磁体 密度小 重量轻 生产效率高 成本低 产品重复性和一致性好 但是由于软磁复合材料中的磁性粒子相互之间被非磁性体分开 导致磁路 隔断 因此软磁复合磁芯的磁导率普遍较低 一般在1 0 0以内 3 新磁芯结构在电子变压器中的应用 3 1 搭接式卷绕磁芯 搭接式卷绕磁芯最早用于非晶合金配电变压器 它既有卷绕磁芯的优点 激磁电流小 空载损耗低 又 可以打开装卸线圈 消除了一般卷绕磁芯生产的缺点 不需要用专用绕线机绕制线圈 生产效率提高 线圈出 现问题时也便于更换和维修 现有3 取向硅钢的厚度已减薄到0 2 3 m m和0 2 7 m m 用它们制造搭接式 卷绕磁芯比 非晶合金更容易 因此 搭接式卷绕磁芯有可能用于5 0 0 V A以上的硅钢电源变压器 尤其是大 容量整流电源和不停电电源中的硅钢电源变压器 3 2 立体三角形磁芯 传统配电变压器的磁芯结构为叠片式和卷铁芯两种形式 卷铁芯又有平面式卷铁芯和三 角形卷铁芯之 分 平面式卷铁芯结构虽然解决了叠片式磁芯横向和纵向接缝难题 使变压器的空载特性和噪声有所改善 但三相磁路仍不相等 制约了变压器空载特性和噪声水平的提高 三角形磁芯由三个单相铁芯 互成 6 0 对称放置而成 在空间形成一个等边三角形柱体 这种结构三相磁路对称 铁芯柱横截面近似呈 圆形 磁通分布均匀 不会出现局部饱和 激磁电流和磁通的对称性好 铁芯填充系数高 减少了磁阻和空载 损耗 降低了噪声 负载损耗也有所下降 三角形磁芯变压器的磁芯结构更加趋于理想磁芯结构 三角型磁芯变压器的空载损耗下降4 4 空载 电流下降9 0 它的诞生被誉为 变压器铁芯的一次革命 生产实现了自 动化生产 工艺简化 减少5 6 道工序 生产效率大幅提高 质量稳定 可靠 一致性好 受人为因素影响较少 硅钢片减少 巧 铜材减少 5 与传统的S 9 系列产品相比 较 3 3 正交型磁芯 将传统C 型磁芯的一半旋转9 0 0 然后再与原来的另一半接合在一起 就形成正交形磁芯 日 本索尼公 司已经用软磁铁氧体制成这种磁芯 叫S X 形磁芯 并且已经用于各种电视机的开关电源 作为驱动变压器 控制它的电 感 使电路出现电压谐振或者电流谐振 实现软开关条件 较好的满足了现代电子技术发展对软 开关电源技术的需求 4 结束语 国际电力电子技术的发展日 新月异 音频和视频 办公自动化和通信等高频电子产品使用的普及和需求 万方数据 西南科技大学学报 的增长 高频款式电子变压器的需求量不断增长 从而高频 低损耗 小尺寸和低价位的电子变压器成为目 前 国内和国际市场 L 最畅销的产品 电子变压器进一步向小型化 片式化和薄膜集成化模块发展 必将有着深 远的美好前景 参考文献 徐泽玮 电源技术与电子变压器 J 国际电子变压器 2 0 0 4 2 沙占 友 等 新型 单片开关电源的 设计的 应用 M 北京 电子工业出 版社 2 0 0 1 于 凌 宇 纳 米晶 软 磁 合 金高 科 技新材料及其在变压器 类磁性器件的应用前景 D B O L h t t p w w w i p s i n f o c o m a rt i c a V d o c u m e n t 0 4 一 0 5 一 1 7 h t m 2 0 0 4 上接第1 7页 2 用端口 变量表示传感器的总能量 3 求能量相对于各个端口 状态 s t a t e 变量的偏导数即可得各端口的强度 e f f o rt 变量 4 各个端口 状态 s t a t e 变量对时间的导数即为对应端口的流 fl o w 变量 但是V H D L 一 A M S 只能对常微分和代数方程进行建模 对于描述有些M E M S 动态特性的偏微分方程却 无能为力 3 结论 C A D在很多领域已经得到很好的应用 由于M E M S 所具有的一些特点 M E M S C A D正处于一个发展阶 段 本文讨论了采用C A D 进行M E M S 产品的设计和仿真的方法 重点对进行系统级建模和仿真的关键 宏模型的建立进行了介绍及分析 分别介绍了两种重要的宏模型的建立方法 节点分析法和V H D L A M S 并对各自 的 适用范围以 及优缺点进行了总结 参考文献 章吉良 杨春生 微机电系统及其相关技术 M 上海交通大学出版社 1 9 9 9 孙道恒 M E M S 祸合场分析与系统级仿真 J 中国机械工程 2 0 0 2 1 3 9