自米切尔.法拉第发明了变压器以来,变压器生产工艺和使用材料发生了重大改变.最初由于线圈骨架上容易绕线,叠片变压器得到广泛应用.但是由于叠片变压器的磁路有气隙,磁路的有效性不高.C型铁芯变压器虽然减小了气隙,并保留了线圈骨架上容易绕制线圈的优点,但是磁路中仍有气隙.
高速环型变压器绕线机的发明,使得有可能快速地把导线绕在封闭的环型铁芯上,因而可以发挥无气隙铁芯的全部优点.无气隙铁芯变压器和同等容量的叠片变压器相比,有体积小、重量轻、漏磁小等优点.近年来,由于劳动力成本急剧上升和绕线技术不断改进,环型变压器与叠片变压器的价差很小.目前,与叠片变压器和C型变压器相比,15~50VA的环型变压器价格较贵,200~500VA环型变压器的价格略低一些,500VA以上环型变压器的价格有很大优势.然而,在许多应用中,环型变压器的技术特性优势更重要.
环型铁芯
环型铁芯由硅钢带缠绕而成,很象一个绕紧的钟表发条,绕好后浸渍并封装于塑料壳内,铁芯可以涂覆.
1990年,铁芯材料的最重大发明是:在低含碳量0．04%热轧低碳钢中,渗入少量的硅,形成合金,改善了热轧硅钢带的性能.新材料虽克服了磁性退化问题,但导磁率和延展性下降,冲压和成型困难.
l930年冷轧硅钢带在压延方向上的磁特性得到重大改善,晶粒取向性、硅钢带的工作磁通密度、导磁率大大提高,损耗减少.遗憾的是,这些优点只有在磁通与晶粒方向一致的条件下,才能够得到.对于叠片铁芯磁路的研究表明,大约有40%铁芯与最优方向成90°;另外40%做为磁通回路,剩余的一小部分铁芯能够充分发挥潜能状态.然而,在环型铁芯中,磁通方向总与晶粒方向一致,但当晶粒取向与磁通方向成90°时,GOSS的有效性比热轧硅钢带的性能还要差.
GOSS铁芯的平均工作磁密大约为1.6T,相应的热轧硅钢带大约为1．3T,两种材料相应的耗损为0．45W/1B和1．25W/1B,比铜损小许多.
低铁损的主要原因是,环型铁芯有一个连续不断的磁路,而叠片铁芯变压器在EI片间有气隙;因此,存在较大的气隙磁阻是叠片变压器的主要缺点.
在磁性元件中,空气间隙的滋阻远远大于铁芯的滋阻.空气间隙的磁阻不仅使叠片铁芯变压器效率降低,而且还会使气隙边缘磁密增加.一部分磁通漏到变压器周围的空间,在导线、印制板和无源元件上产生寄生电动势.为了减少气隙的影响,可采用C型铁芯.把钢带绕在芯轴上,浸渍后切成两半,磨光切开的表面,抛光并蚀刻.这样,两部分铁芯在线圈骨架内接触时,间隙很小.环型铁芯没有空气间隙,并且有反向缠绕的绕组,可进一步减小寄生磁场,电噪声可减小到叠片变压器的1/7~1/10.
环型铁芯不但磁性能优良,而且还有许多机械方面的优点:片间压力可以严格控制,并且可达到95%的同一水准.采用浸渍技术,可使铁芯成为牢固的整体,在绕线和加工过程中不变形;由于环型铁芯非常牢固,减少了磁致伸缩力的影响;因而减少了振动和音频噪声.
环型变压器有许多固定方法,最常用的方法是利用环型变压器的中心孔固定.应当注意,螺钉等固定件不应该使变压器的顶部压板与下底板同时接地,以免形成一个短路环.这种情况应当特别注意.
环型铁芯的直径/高度/宽度比可以按照要求随意变化.通常,变压器的重量随着高度的增加而减少,但是铁芯高度、导线平均匝长和铜重增加,抵消了铁重的减轻.
最常用的性能优良的铁芯直径、高度和宽度的比例是:4×2×1或5×3×1．5和6×2×0.5;应用中,宽度或高度没有限制.
绝缘需要较大的中心孔,表面积要求不严格但高度有限制时,都可以采用.铁芯设计还受绕线机限制,铁芯必须有足够大的中心孔,以便线梭顺利通过.
环型变压器的绕组
绕线时,导线通过铁芯中心孔,绕到铁芯,外表面,再绕回中心孔.绕线是利用可将铁芯套入的开口环型线梭完成的;把适当长度的导线绕入线梭的线槽内,导线的一端固定在铁芯上:将导线从线梭绕在铁芯.当所需的匝数绕完后,剽余的导线从线梭上除去,然后打开线梭开口,将铁芯从线梭中取出.绕组和铁芯尺寸受绕线机限制,对线梭的要求与导线和绝缘有关,铁芯的最大高度也受线梭直径限制.绕组的另一个作用是坚固铁芯,以减小电磁振动,降低音频噪声,还可以作为绕组间的静电屏蔽.利用特殊的绕线技术,可能减小绕组的磁场影响.标准环型绕线机的最高绕线速度为2000匝/分.由延伸性和绝缘性良好的导线制成的绕组成品率极高.
应用
环型变压器明显优于叠片铁芯变压器的实例是:船用低压高亮度导航灯的电源变压器,可安装在全方位无线电信标机天线杆的顶端上.其它变压器安装在这种位置上很困难,但是,环型变压器有中心孔,只要筒单地套在天线秆上,接上电源即可.
环型变压器的低辐射场是它固有的优点.当使用叠片变压器时,若辐射噪声过大,可采用屏蔽技术,当这种方法仍不能达到要求时,应当采用环型变压器.
由于环型变压器具有低噪声持性,因此美国将它用于高保真度音响设备和视频显示终端;日本把它用于功率放大器、电子试验仪和通用设备.当坏型变压器固有的低噪声特性不能满足要求时,可外加低碳钢或微金属罐屏蔽.
应当注意,在半波整流电路中,不能用环形变压器.因为,它产生不对称于S/H轴的磁滞环.这样,铁芯发生单方向极化并饱和.利用桥式整流器可以克服这个缺点.用冷轧带制作的容量较大的环型变压器与用热轧带制作的叠片变压器相比,剩磁较高.这样,当铁芯中磁密较高时;变压器与电源断开后,铁芯将保留磁通值的80%,如果变压器在剩磁方向上再次通电,铁芯磁通将很快从剩磁值达到饱和值,这样瞬间起动磁化电流只由初级绕组的低组抗限制,这个起动电流将烧断保险丝、因此,在初级电路内,应加入防浪涌
保险或软起动电阻.
目前受绕线机的限制,可制作的环型变压器最大容量为10kVA.对于一般电子设备来说.这个容量已经足够了.
主要优点
环型变压器主要优点是辐射场较低和效率较高.在尺寸和重量减半的情况下,能够达到给定的容量,如果使用容量稍大—些的变压器,则变压器的温度可以降低.中心孔固定方式使环型变压据很容易安装印刷电路板上.
环型变压器具有高度的灵活性,可根据机箱与整体装配的要求,设计变压器的尺寸.由于制作环形变压器不需要冲模,也不需要线圈骨架注塑模具,所以生产周期短,适用于中小批量生产,能够满足当代电子设备不断改型的需要.
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