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高频变压器磁芯选型

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高频变压器磁芯选型

发布日期:2016-10-24 作者: 点击:

电子变压器的使用条件,包括两方面内容:可靠性和电磁兼容性。以前只注意可靠性,现在由于环境保护意识增强,必须注意电磁兼容性。

可靠性是指在具体的使用条件下,电子变压器能正常工作到使用寿命为止。一般使用条件中对电子变压器影响最大的是环境温度。决定电子变压器受温度影响强度的参数是软磁材料的居里点。软磁材料居里点高,受温度影响小;软磁材料居里点低,对温度变化比较敏感,受温度影响大。例如锰锌铁氧体的居里点只有215℃,比较低,磁通密度、磁导率和损耗都随温度发生变化,除正常温度25℃而外,还要给出60℃,80℃,100℃时的各种参数数据.因此,锰锌铁氧体磁芯的工作温度一般限制在100℃以下,也就是环境温度为40℃时,温升必须低于60℃。钴基非晶合金的居里点为205℃,也低,使用温度也限制在100℃以下。铁基非晶合金的居里点为370℃,可以在150℃~180℃以下使用。高磁导坡莫合金的居里点为460℃至480℃,可以在200℃~250℃以下使用。微晶纳米晶合金的居里点为600℃,取向硅钢居里点为730℃,可以在300℃~400℃下使用。

电磁兼容性是指电子变压器既不产生对外界的电磁干扰,又能承受外界的电磁干扰。电磁干扰包括可听见的音频噪声和听不见的高频噪声。电子变压器产生电磁干扰的主要原因是磁芯的磁致伸缩。磁致伸缩系数大的软磁材料,产生的电磁干扰大.铁基非晶合金的磁致伸缩系数通常为最大(27~30)×10-6,必须采取减少噪声抑制干扰的措施。

高磁导Ni50坡莫合金的磁致伸缩系数为25×10-6 ,锰锌铁氧体的磁致伸缩系数为21×10-6 .以上这3种软磁材料属于容易产生电磁干扰的材料,在应用中要注意.3%取向硅钢的磁致伸缩系数为(1~3)×10-6,微晶纳米晶合金的磁致伸缩系数为(0.5~2)×10-6.这2种软磁材料属于比较容易产生电磁干扰的材料。6.5%硅钢的磁致伸缩系数为0.1×10-6 ,高磁导Ni80坡莫合金的磁致伸缩系数为(0.1~0.5)×10-6 ,钴基非晶合金的磁致伸缩系数为0.1×10-6以下.这3种软磁材料属于不太容易产生电磁干扰的材料。由磁致伸缩产生的电磁干扰的频率一般与电子变压器的工作频率相同。如果有低于或高于工作频率的电磁干扰,那是由其他原因产生的。

电子变压器从功能上区分主要有变压器和电感器2种高频变压器。特殊元件完成的功能另外讨论。变压器完成的功能有3个:功率传送、电压变换和绝缘隔离。电感器完成功能有2个:功率传送和纹波抑制 ,功率传送有2种方式。第一种是变压器传送方式,即外加在变压器原绕组上的交变电压,在磁芯中产生磁通变化,使副绕组感应电压,加在负载上,从而使电功率从原边传送到副边。传送功率的大小决定于感应电压,也就是决定于单位时间内的磁通密度变量ΔB.ΔB与磁导率无关,而与饱和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有关。从饱和磁通密度来看,各种软磁材料的Bs从大到小的顺序为:铁钴合金为2.3~2.4T,硅钢为1.75~2.2T,铁基非晶合金为1.25~1.75T,铁基微晶纳米晶合金为1.1~1.5T,铁硅铝合金为1.0~1.6T,高磁导铁镍坡莫合金为0.8~1.6T,钴基非晶合金为0.5~1.4T,铁铝合金为0.7~1.3T,铁镍基非晶合金为0.4~0.7T,锰锌铁氧体为0.3~0.7T.作为电子变压器的磁芯用材料,硅钢和铁基非晶合金占优势,而锰锌铁氧体处于劣势. 功率传送的第二种是电感器传送方式,即输入给电感器绕组的电能,使磁芯激磁,变为磁能储存起来,然后通过去磁变成电能释放给负载。传送功率的大小决定于电感器磁芯的储能,也就是决定于电感器的电感量。电感量不直接与饱和磁通密度有关,而与磁导率有关,磁导率高,电感量大,储能多,传送功率大高频变压器。各种软磁材料的磁导率从大到小顺序为:Ni80坡莫合金为(1.2~3)×106 ,钴基非晶合金为(1~1.5)×106 ,铁基微晶纳米晶合金为(5~8)×105 ,铁基非晶合金为(2~5)×105,Ni50坡莫合金为(1~3)×105,硅钢为(2~9)×104,锰锌铁氧体为(1~3)×104.作为电感器的磁芯用材料,Ni80坡莫合金、钴基非晶合金、铁基微晶纳米晶合金占优势,硅钢和锰锌铁氧体处于劣势。

传送功率大小,还与单位时间内的传送次数有关,即与电子变压器的工作频率有关。工作频率越高,在同样尺寸的磁芯和线圈参数下,传送的功率越大。

电压变换通过变压器原绕组和副绕组匝数比来完成,不管功率传送大小如何,原边和副边的电压变换比等于原绕组和副绕组匝数比。

绝缘隔离通过变压器原绕组和副绕组的绝缘结构来完成.绝缘结构的复杂程度,与外加和变换的电压大小有关,电压越高,绝缘结构越复杂。

纹波抑制通过电感器的自感电势来实现.只要通过电感器的电流发生变化,线圈在磁芯中产生的磁通也会发生变化,使电感器的线圈两端出现自感电势,其方向与外加电压方向相反,从而阻止电流的变化.纹波的变化频率比基频高,电流纹波的电流频率比基频大,因此,更能被电感器产生的自感电势抑制。

电感器对纹波抑制的能力,决定于自感电势的大小,也就是电感量大小,与磁芯的磁导率有关,Ni80坡莫合金、钴基非晶合金、铁基微晶纳米晶合金磁导率大,处于优势,硅钢和锰锌铁氧体磁导率小,处于劣势。

提高效率是对电源和电子变压器的普遍要求.虽然,从单个电子变压器来看,损耗不大。例如,100VA电源变压器,效率为98%时,损耗只有2W并不多.但是成十万个、成百万个电源变压器,总损耗可能达到上十万W,甚至上百万W.还有,许多电源变压器一直长期运行,年总损耗相当可观,有可能达到上千万kW·h.显然,提高电子变压器的效率,可以节约电力。节约电力后,可以少建发电站.少建发电站后,可以少消耗煤和石油,可以少排放CO2,SO2,NOx,废气,污水,烟尘和灰渣,减少对环境的污染.既具有节约能源,又具有保护环境的双重社会经济效益.因此,提高效率是对电子变压器的一个主要要求。

电子变压器的损耗包括磁芯损耗(铁损)和线圈损耗(铜损).铁损只要电子变压器投入工作,一直存在,是电子变压器损耗的主要部分.因此,根据铁损选择磁芯材料,是电子变压器设计的主要内容,铁损也成为评价软磁材料的一个主要参数.铁损与电子变压器磁芯的工作磁通密度和工作频率有关,在介绍软磁材料的铁损时,必须说明是在什么工作磁通密度下和什么工作频率下的损耗.例如,P0.5/400,表示在工作磁通密度0.5T和工作频率400Hz下的铁损.P0.1/100k表示在工作磁通密度0.1T和工作频率100kHz下的铁损。 软磁材料包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗.涡流损耗又与材料的电阻率ρ成反比.ρ越大,涡流损耗越小.各种软磁材料的ρ从大到小的顺序为:锰锌铁氧体为108 ~109 μΩ·cm,铁镍基非晶合金为150~180μΩ·cm,铁基非晶合金为130~150μΩ·cm,钴基非晶合金为120~140μΩ·cm,高磁导坡莫合金为40~80μΩ·cm,铁硅铝合金为40~60μΩ·cm,铁铝合金为30~60μΩ·cm,硅钢为40~50μΩ·cm,铁钴合金为20~40μΩ·cm。 因此,锰锌铁氧体的ρ比金属软磁材料高106~107倍,在高频中涡流小,应用占优势.但是当工作频率超过一定值以后,锰锌铁氧体磁性颗粒之内的绝缘体被击穿和熔化,ρ变得相当小,损耗迅速上升到很高水平,这个工作频率就是锰锌铁氧体的极限工作频率高频变压器。


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