小型电压变压器的设计与制作

1、1小型电源变压器的设计与制作这里介绍的是适用于 50Hz、容量在 500VA 以下的单相电源变压器的简易设计方法。设计电源变压器前，应了解所设计的电源的技术参数要求，如初级、次级电压、电流、整流电 路类型、性质等等。小型电源变压器的主要制作材料是硅钢片和漆包线。常用硅钢片的品种和电磁性能见表 1。硅钢片是在铁中加入 0.84.5%硅而形成的一种磁性材料，掺入硅以后，可以提高 电阻率，并有利于奋力有害杂质、提高磁导率、降低铁损，但硬度和脆性增高，导热系数降 低，对机械加工和散热不利。电源变压器适用的硅钢片厚度为0.35mm 和 0.5mm 两种，厚度越薄，铁损越小，变压器发热越少，效率越高，若遇

2、工作频率较高的场合，应选用0.050.20mm 的规格。表 1 常用硅钢片的品种及其电磁性能硅钢品种代号厚度(mm)铁损(W/kg )不大于磁感应强度不小于叠装系数(%)密度(g/cm3)弯曲次数B10B25B50B100P10/50P15/50P17/50(Wb/m2)热轧硅钢片D210.502.56.11.481.591.78927.70D220.502.25.31.511.611.74927.70D230.502.15.11.541.641.76927.70D320.501.84.01.501.611.74917.654D320.351.43.21.501.611.74907.655D4

3、20.501.353.151.451.561.68917.551D430.501.202.901.441.551.67917.551D420.351.152.801.451.561.68907.551.5D430.351.052.501.431.541.66907.551.5冷 轧硅 钢片无取向W210.502.35.31.541.64967.75W220.502.04.71.521.62967.75W320.501.63.61.501.60957.655W330.501.43.31.501.60957.655W320.351.253.11.481.58947.655W330.351.052.

4、71.481.58947.655单取向Q30.350.71.62.31.671.801.86957.653Q40.350.61.42.01.721.851.90957.653Q50.350.551.21.71.761.881.92957.653Q60.350.441.11.511.771.921.96957.653表 1 中各参数的解释如下:1 铁损 当电感元件通有交流电流时，线圈铁芯中会出现两种损耗：其一是铁磁材料 会被交流电流产生的磁场反复磁化，引起铁芯内部分子之间的摩擦和碰撞，产生热量，由此引起的铁心损耗叫做“磁滞损耗”；再则，铁心是导体，在交变磁场中会感应出交变的漩涡 状感生电流，称为

5、“涡流”，涡流在铁芯中流动，使铁芯发热，消耗电能，形成涡流损耗。 涡流损耗和磁滞损耗统称为铁损。铁损与交流电的频率有关，频率越高，损耗越大；铁损还2与磁感应强度有关，磁感应强度越高，铁损越大。硅钢片的铁损是在温度为20C、磁感应强度随时间按正弦规律变化的条件下测定的，在工程中铁损用Pi。/、P15/50、P17/50表示，其中下脚标表示测定条件为交流频率 50Hz、磁感应强度分别为 1.0T （特斯拉）、1.5T、1.7T， 其数值为每千克硅钢片的消耗功率（瓦特） 。另外， 变压器还存在铜损， 因为大多数变压器的线圈是用漆包线绕制的， 电流通过导线 电阻会产生热效应， 消耗能量， 形成铜损 （

6、由于变压器导线一般为铜导线， 故将导线电阻形 成的损耗一概叫做铜损） ，铜损与铁心材料无关。铜损也使变压器温度升高，效率降低。2 .不同磁场强度下的磁感应强度铁心温度为 20C，将铁心试样设置在退磁状态，在标定频率（50Hz）下磁感应强度按正弦规律变化，当交流磁场（即磁动势，单位为A/m ）的峰值达到某一标定值时， 铁芯试样磁感强度的峰值为标准磁感强度 （简称磁感应强度或磁 感），单位为 T。例如 B10 为交变磁场的峰值但到10 安培/米时，硅钢片中磁感应强度的值（特斯拉），它反映了电流激励硅钢片磁场的能力。3. 叠装系数 硅钢片的表面涂有薄薄的一层绝缘漆，当紧密地叠装成变压器铁芯时， 彼此

7、之间保持绝缘， 这样可以减小铁芯中的涡流， 提高变压器的工作效率。 但绝缘漆和片间 间隙的存在， 必然减小铁心的有效截面积。 变压器铁芯的有效截面积和实际截面积之比叫做 碟片系数。4. 弯曲次数 弯曲次数是用肉眼观察到硅钢片上第一次出现裂纹前反复弯曲的次数， 它代表了硅钢片的延展性。绕制变压器绕组的漆包线参数参见本书之“机电元件”一章中有关导线的相关内容。 除漆包线和硅钢片以外， 制作小型电源变压器的材料还有线圈骨架、 绝缘纸、 引出线以 及引出线作法中需要的锡焊材料、绝缘材料等等。GE型铁心单相电源变压器的设计硅钢片是利用冲床冲制而成的， 一般硅钢片的冲片规格都符合国家的统一标准， 为标准

8、件。按照所选用硅钢片形状区分，常见的电源变压器一般采用E 形铁芯和环形铁心，本文首先介绍 E 型铁心电源变压器的设计与制作。 图 2 为 E 型铁心尺寸规格图，其厚度按照表 1 所列钢材规格而定 （有 0.5mm 和 0.35mm 等规格），表 2 列出了部分常用硅钢片几何参数值， 其中 A 叫做硅钢片的舌宽，I 为平均磁路长度，S0为窗口面积。表 2 中除SD的单位为平方 厘米外，其余均为毫米。一些功率较大的小型电源变压器的骨架需要用布胶版或硬纸板制作，但常用的 100W 以下小型电源变压器的骨架已经用塑料制成成品， 连同冲制好的硅钢片一道出售， 可以在市场 上直接采购。 绝缘纸是用来增强线

9、圈的层间绝缘和绕组之间绝缘用的，常用的绝缘纸有电话纸、电缆纸、电容器纸和黄蜡绸等。使用了绝缘纸以后，线圈的体积将增大，所用漆包线长 度增加，会增加制作成本。当采用的漆包线直径较粗、表面绝缘器较厚的情况下，绕线整齐时可以不在层间使用绝缘纸， 但引出线与绕组之间， 以及各绕组之间都必须使用绝缘纸， 以 增强绝缘性能。 有些市场上出售的骨架结构合理， 绕组之间已经用骨架间隔分离， 完全可以 省略绝缘纸， 但在绕制线圈初始仍然加垫少量绝缘纸， 当作线圈的软衬垫使用。 无论采用什 么骨架， 引出线与漆包线的连接点必须作恢复绝缘的技术处理， 引出线与线圈之间必须用绝 缘纸隔离。自制骨架时， 往往要将各绕组

10、重叠绕制在骨架上， 此时， 各绕组之间除了要用足够的绝 缘纸实现绝缘处理之外， 还需要使用铜箔、 铝箔或者漆包线等导电材料间隔开来， 作为绕组 之间的电屏蔽层。表 2 部分常用 E 型硅钢片参数3型号ABCDEFGnbcdlSoGEI106.5186.56.5313629.53.2524.53.255.661.17GEI128228838443643046.811.76GEI14925994350414.5344.57.862.25GEI168248840484043248.931.92GEI161028101048564653859.032.8GEI191233.5121257.567556

11、45.5610.734.02GEI2010301010506050540511.143.00GEIB22143914146778647537512.445.46GEIB2512.537.512.512.562.57562.56.25506.255.513.944.69GEIB26174717178194778.5648.55.514.77.99GEIB281442141470847075675.515.65.88GEIB30154515157590757.5607.55.516.76.75GEIB301953191991106879.5729.55.516.910.07GEIB32164816

12、168096808648617.87.68GEIB32328016161121281128968627.425.6GEIB35195417.51992108918.5739.5620.115.26GEIB352261.52222105.51231011183.511619.7513.53GEIB38226019221041201019.58211622.413.20GEIB402672262612414411813981327.9618.72GEIB40401002020140160140101201034.2840.00设计、制作 E 型铁心电源变压器需要按照如下步骤进行。1 核算变压器输出

13、总功率P2根据负载电路的要求，电源变压器的输出电压往往有多个等级，变压器的输出功率P2是各个输出绕组输出功率的总合。在设计变压器时，通常已经知道负载电路所要求的直流电压U2n和直流电流 l2n（这里用下角标 n 标注第 n 个次级绕组的输出参数），设变压器次级绕组中电压最高的绕组功率为P21，在核算 P21时应注意，P21不仅与该绕组的输出电压U21、输出电流丨丨21有关，而且还与整流电路和变压器结构的类型相关，参见表 3。表 3变压器次级主绕组输出功率的核算公式电路型式单相半波单相全波单相桥式三相半波三相桥式三相双星P21计算公式3.49 U211211.49U211211.23 U21I2

14、11.51U21I211.05 U21I211.28U21I21变压器输出总功率式中2 计算变压器输入功率 Pi利用变压器的效率公式可计算出变压器的初级绕组输入功 率式中n为变压器的效率，一般来说变压器的容量Si越大（变压器的次级视在功率，单位为伏安，当变压器负载为电阻时，实在功率等于P2）,效率越高；容量越低，效率越低。n值的选取可利用图 3，根据容量近似读取。视在功率小于 10VA 时，图 3 所示曲线误差较大；视在功率大于100VA 时变压器效率较高，取值应超过 90%。3.确定铁心截面积 SFe,选择铁心根据经验公式，铁心截面积式中 K 由硅钢片质量确定， 硅钢片质量越好，K 取值越小

15、。对于 D41、D42 硅钢片，K=1.25 ; 功率大4于 100VA 的变压器， K 的取值可在 11.25 之间；质量不好的铁心， K=1.5 左右。上 式中，Si的单位为伏安（VA）, SFe的单位为平方厘米（cm2）。上式中 SFe为铁心的净截面积，制作变压器时的实际截面积 S 还要考虑硅钢片叠装系数 入的影响：入的取值可参见表 1。A 为硅钢片的舌宽，H 为硅钢片迭厚（即变压器铁芯厚度）。通常取 这样制作的变压器外形较为合适。选择A、H 以后，再根据表 2 确定铁芯规格。4确定绕组匝数绕组匝数与绕组电压有关，铁芯材料确定以后可以根据下式计算每伏特电压需要绕制的线圈匝数N0：这里，

16、B 为变压器铁芯的磁感应强度，单位为特斯拉（ T）；SFe的单位仍然取平方厘米。 B 的取值略小于表 1 提供的数据，通常，优质硅钢片取 11.5T, 般硅钢片取 0.70.8T,普 通铁片取 0.50.7T,常用的冷轧硅钢片取值可达 1.21.6T。确定了硅钢片以后， B 的取值越 小，变压器工作温升越小，效率越高，但制作成本越高。绕组电阻会使变压器的绕组输出电压降低，确定绕组匝数时应考虑压降系数S的影响，对于初级绕组（设电压为 Ui，匝数为 Ni）,实际匝数应小于理论值UiNo：而对于次级各绕组，实际匝数应略大于理论值：一般取 A0.020.05，容量小的变压器所使用的导线细，阻抗大，压降

17、大，3的取值较大。5确定各绕组漆包线直径确定漆包线直径的参数是绕组电流,次级绕组的电流已经由负载电路确定，初级绕组的电流 Ii可以用初级绕组电压 Ui和变压器输入功率 Pi计算出来： 系数是由于变压器空载时初级绕组仍然需要维持一定激磁电流所造成的。确定漆包线直径的另一个参数是导线的电流密度J。变压器的允许温升、散热条件以及绕组允许电压将决定了电流密度的取值,一般 E 型铁芯小型电源变压器的电流密度的取值 范围为24A/mm2。如果取值太大,变压器铜损增大,温升增加,线圈容易烧毁；若取值过 小,不仅会增大变压器的体积、重量,而且浪费资源,必然大大增加变压器成本,不经济。导线直径 d 的计算公式为

18、式中 I 为绕组电流，单位为安培（A） ; J 的单位为安培/平方毫米（A/mm2）, d 的单位为毫 米（ mm） 。导线直径的选取也可以直接查表获得,已知绕组电流以后,可以查阅“机电元件”中有关导线载流量参数,确定漆包线直径参数。6核算变压器窗口面积在图 2 中由参数 B 和 C 决定的硅钢片窗口面积 So是一定的，S0必须能够容纳绕组,同时又不可以留有过大的剩余空间（剩余空间过大必然增大变压器 体积和重量,浪费自然资源,使成本升高）。如果剩余空间不合适,就需要重新调整设计参 数,或者重新选择铁芯规格。由于漆包线圆形截面占正方形面积, 线圈层间、 组间绝缘材料均需占用一部分窗口面积, 每个绕组所占用的窗口空间Sr不能够直接用漆包线截面积简单