概述
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、乎整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。