1 前言

　　電源中一般都含有軟磁鐵心組成的電磁器件。按照比較廣義的說法，在電子設(shè)備和電子電路中的電磁器件，都叫做電子變壓器。電源中變壓器或電磁器件，絕大多數(shù)屬于電子變壓器。但是，有的電源中，變壓器還具有耐高壓的絕緣要求。例如：大容量直流電源和大容量不間斷電源，整流變壓器不從一般的380V或220V輸入，而從10KV或6.3KV輸入，與一般電子變壓器有很大差別，而與電力變壓器更相似一些。所以，本文討論的電源中的變壓器，既包括電子變壓器，又涉及電力變壓器。

　　本文討論電源中變壓器的要求和技術(shù)參數(shù)，以及它們與鐵心材料和導(dǎo)電材料之間的關(guān)系，是為了更深入理解另外兩篇文章“變壓器鐵心材料的近期動向”和“變壓器導(dǎo)電材料的近期動向”中所介紹的內(nèi)容，從而使三篇文章形成有機的整體。編寫這三篇文章的目的是希望通過了解鐵心材料和導(dǎo)電材料的近期動向，更好的把握電源中變壓器的發(fā)展趨勢，供電源行業(yè)、電子變壓器行業(yè)、電力變壓器行業(yè)的朋友們參考。如有錯誤之處，敬請指正。

　　2 一般要求

　　電源中的變壓器，作為一種商品的產(chǎn)品，總的要求是在具體使用條件下完成具體的功能中，追求性能價格比最高。從總要求出發(fā)，提出四點一般要求：使用條件、完成功能、提高效率、降低成本。既包括技術(shù)性能，又包括經(jīng)濟指標。

　　2.1使用條件

　　電源中的變壓器的使用條件，包括使用可靠性和使用電磁兼容性。

　　使用可靠性是指在具體的使用條件下，變壓器能正常工作到使用壽命為止。使用條件中對變壓器影響最大的是環(huán)境溫度。決定鐵心材料受溫度影響強度的是居里點。鐵心材料居里點高，受溫度影響小，鐵心材料居里點低，受溫度影響大。MnZn軟磁鐵氧體居里點一般只有215℃，比較低，磁通密度、磁導(dǎo)率和損耗都隨溫度發(fā)生變化。除正常溫度25℃而外，還要給出60℃、80℃、100℃時的各種參數(shù)數(shù)據(jù)，MnZn鐵氧體制成的鐵心，一般工作溫度限制在100℃以下，也就是在環(huán)境溫度40℃時，溫升只允許低于60℃。鈷基非晶合金的居里點為205℃，也低，使用溫度也限制在100℃以下。鐵基非晶合金的居里點為370℃，可以在150℃—180℃以下使用。鐵基納米晶合金的居里點為600℃，硅鋼的居里點為730℃，可以在300℃以下使用。

　　決定導(dǎo)電材料工作溫度的不是銅導(dǎo)線，而是外包絕緣材料的耐熱等級。例如QZ聚酯漆包線，耐熱等級為B級，最高溫度為130℃。QY聚酰亞胺漆包線，耐熱等級為C級，最高工作溫度為220℃。

　　使用電磁兼容性是指變壓器既不產(chǎn)生對外界的電磁*，又能承受外界的電磁*。電磁*包括可聽見的音頻嗓聲和聽不見的高頻噪聲。變壓器產(chǎn)生電磁*的主要原因是鐵心的磁致伸縮，磁致伸縮系數(shù)大的鐵心材料，產(chǎn)生的電磁*大。鐵基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)為（27—30）×10-6，最大，用它制作鐵心時必須采取減少噪聲抑制*的措施，MnZn軟磁鐵氧體的磁致伸縮系數(shù)為21×10-6左右，也容易產(chǎn)生電磁*。3%取向冷軋硅鋼磁致伸縮系數(shù) 為（1-3）×10-6.，鐵基納米晶合金磁致伸縮系數(shù)為（0.5-2） ×10-6，比較容易產(chǎn)生電磁*。6.5%無取向硅鋼和鈷基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)為0.1×10-6左右，不容易產(chǎn)生電磁*。由鐵心材料產(chǎn)生的電磁*的頻率一般與變壓器的工作頻率相同，如果有低于或高于工作頻率的電磁*，那是由其他原因產(chǎn)生的。導(dǎo)電材料不產(chǎn)生電磁*。由導(dǎo)電材料繞制的線圈有可能產(chǎn)生電磁*，不是由導(dǎo)電材料造成的，而是由導(dǎo)電材料之間的作用和線圈結(jié)構(gòu)造成的。

　　2.2完成功能

　　電源中的電磁器件從功能上區(qū)分主要有變壓器和電感器兩種。變壓器完成的功能有三個：功率傳送、電壓變換和絕緣隔離。電感器完成功能有兩個：功率傳送和紋波抑制，這里不單討論電源中變壓器的完成功能，也討論電源中電感器的完成功能。

　　變壓器的功率傳送是這樣完成的：外加在變壓器初級繞組上的交變電壓，在鐵心中產(chǎn)生磁通變化，使次級繞組感應(yīng)電壓，輸出給負載，從而使電功率從變壓器初級傳送給次級。傳送功率的大小，決定于感應(yīng)電壓，也就是決定于單位時間內(nèi)磁通密度變化量△B。△B與磁導(dǎo)率無關(guān)，而與飽和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有關(guān)。硅鋼飽和磁通密度為1.5—2.03T，鐵基非晶合金飽和磁通密度為1.58T 左右，鐵基納米晶合金飽和磁通密度為1.2—1.45T，鈷基非晶合金飽和磁通密度為0.5—0.8T。MnZn軟磁鐵氧體飽和磁通密度為0.3— 0.5T。作為變壓器用鐵心材料，硅鋼占優(yōu)勢，鐵基非晶合金其次，MnZn軟磁鐵氧體處于劣勢。

　　電感器的功率傳送是這樣完成的：輸入給電感器繞組的電能，使鐵心激磁，變?yōu)榇拍軆Υ嫫饋?，然后通過去磁變成電能，釋放給負載。傳送功率的大小，決定于鐵心的儲能，也就是決定于電感器的電感量。電感量不直接與飽和磁通密度有關(guān)，而與磁導(dǎo)率有關(guān)。磁導(dǎo)率高，電感量大，傳送能量多，傳送功率大。鈷基非晶合金磁導(dǎo)率為（1—1.5）×106，鐵基納米晶合金導(dǎo)磁率為（5—8）×105，鐵基非晶合金磁導(dǎo)率為（2—4）×105，硅鋼磁導(dǎo)率（2— 9）×104，MnZn軟磁鐵氧體磁導(dǎo)率為（1—3）×104。作為電感器用鐵心材料，鈷基非晶合金和鐵基納米晶合金占優(yōu)勢，硅鋼和MnZn軟磁鐵氧體處于劣勢。

　　傳送功率大小，還與單位時間內(nèi)的傳送次數(shù)有關(guān)，即與變壓器和電感器的工作頻率有關(guān)。工作頻率越高，在同樣尺寸的鐵心和同樣匝數(shù)的線圈條件下，傳送功率越大。

　　電壓變換通過變壓器初級和次級線組的匝數(shù)比來完成。不管變壓器功率傳送大小如何，初級和次級繞組的匝數(shù)比就等于輸入和輸出的電壓變換比。

　　絕緣隔離，通過變壓器初級和次級繞組的絕緣結(jié)構(gòu)來完成。外加電壓和變換電壓越高，絕緣結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。一般電子變壓器外加電壓小于1kV，絕緣結(jié)構(gòu)比較簡單。電力變壓器外加電壓超過6kV，絕緣結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，除了承受工頻試驗電壓而外，還要求承受短時沖擊試驗電壓。

　　電感器的紋波抑制通過自感電勢來實現(xiàn)。只要流過電感器的電流發(fā)生變化，線圈在鐵心中產(chǎn)生的磁通也會隨著發(fā)生變化，使電感器線圈兩端出現(xiàn)自感電勢，其方向與外加電壓方向相反，從而阻止電流的變化。紋波的變化頻率比工作頻率（基本頻率）高，因此更能被電感器產(chǎn)生的自感電勢抑制。紋波抑制能力決定于自感電勢的大小，也就是決定于電感量大小。電感量與鐵心材料的磁導(dǎo)率有關(guān)，從電感器抑制紋波能力來看，磁導(dǎo)率大的鈷基非晶合金和鐵基納米晶合金作為鐵心材料比較好，磁導(dǎo)率小的硅鋼和MnZn軟磁鐵氧體作為鐵心材料比較差。

　　2.3提高效率

　　提高效率是對電源中變壓器的一個重要要求，一個原因是由于石油、煤等能源價格上漲，節(jié)能成為當(dāng)代的一個重要任務(wù)。許多電子設(shè)備，包括電源在內(nèi)，不單要求考核負載時的能耗，還要求考核待機（接近空載）時的能耗。電源中變壓器的損耗是電源待機能耗中的主要部份。另一個原因是電源中變壓器數(shù)量巨大，雖然從單個電源中變壓器來看，損耗只有幾瓦，并不多。但是成十萬個，成百萬個電源中變壓器，總損耗可達到幾十萬瓦，幾百萬瓦，相當(dāng)可觀。還有，許多電源中變壓器一直長期運行，年總損耗決不是一個小數(shù)目。因此，電源中變壓器必須提高效率，降低損耗成為一個重要要求。

　　電源中變壓器損耗包括鐵心損耗和線圈損耗。鐵心損耗只要電源中變壓器投入運行，一直存在，是變壓器空載損耗的主要部分。在設(shè)計和制作變壓器鐵心時，要選擇損耗比較低的鐵心材料。鐵心材料損耗與變壓器鐵心的工作磁通密度和工作頻率有關(guān)，因此，鐵心材料的損耗必須注明。例如：P1.4/50是工作磁通密度 1.4T和工作頻率50HZ下的損耗。P1.0/400是工作磁通密度1.0T和工作頻率400HZ下的損耗。P0.25/100K是工作磁通密度 0.25T（250mT）和工作頻率100kHZ下的損耗。

　　鐵心材料損耗包括磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗，渦流損耗與鐵心材料電阻率有關(guān)。電阻率越大，渦流損耗越小。MnZn軟磁鐵氧體電阻率為108— 109μΩcm，在高頻中渦流損耗小，在電源中的高頻變壓器中應(yīng)用占優(yōu)勢，鐵基非晶合金電阻率為130——150μΩcm，硅鋼電阻率為20— 40μΩcm，比MnZn軟磁鐵氧體小106—107倍，在高頻中渦流大。如果要在電源中的高頻變壓器中應(yīng)用，必須采取措施，例如減少金屬鐵心材料的厚度，現(xiàn)在各種工作頻率的變壓器使用的金屬鐵心材料的帶材厚度一般是：工頻50HZ—60HZ用0.50—0.23mm（500—230μm），中頻 400HZ至1kHZ用0.20—0.08mm（200—80μm），1kHZ至20kHZ用0.10-0.025mm（100-25μm），中高頻 20kHZ至100kHZ用0.05-0.015mm（50-15μm），高頻100kHZ至1MHZ用 0.02-0.005mm（20-5μm），1MHZ以上用小于5μm。鐵基非晶合金由于噴帶設(shè)備原因，帶厚一般為40—25μm，在工頻50HZ至中頻 400HZ—20kHZ時都可使用。用于中高頻和高頻的鐵基納米晶合金，帶厚一般都小于18μm。以前人有認為：鐵心的填充系數(shù)與金屬鐵心材料的帶厚有關(guān)，并且提出一個計算的經(jīng)驗公式，把鐵心材料的帶厚作為決定鐵心填充系數(shù)的唯一因數(shù)。現(xiàn)在看來，這個計算鐵心填充系數(shù)的經(jīng)驗公式并不完全成立。因為，鐵心填充系數(shù)并不只由鐵心材料帶厚一個因數(shù)決定，還受涂層厚度、帶材平整度和帶材均勻度等其他因數(shù)影響。按照經(jīng)驗公式計算，鐵基非晶合金帶厚25μm時，填充系數(shù)達不到0.80，而現(xiàn)在用25μm厚鐵基非晶合金帶材加工成的變壓器鐵心，填充系數(shù)一般都大于0.86，甚至還達到0.90。

　　電源中變壓器線圈損耗是負載損耗的主要部份。線圈損耗決定于導(dǎo)電材料的電阻率?，F(xiàn)在電源中變壓器的導(dǎo)電材料絕大多數(shù)采用銅。而不用鋁，原因就是銅的電阻率小，造成的線圈損耗小，在有些體積小的高頻平面變壓器和薄膜變壓器中，導(dǎo)電材料還采用電阻率更小的金和銀。這是因為變壓器的體積小，散熱面積小，要求線圈損耗更小，才能保證平面變壓器和薄膜變壓器的線圈溫升不會超過規(guī)定的允許值。

　　2.4降低成本

　　降低成本是電源變壓器作為商品的一個重要要求，有時甚至是決定性的要求。因為在商品競爭中性能價格比是產(chǎn)品的主要指標。不注意降低成本，不注意降低價格，往往會在商品競爭中被淘汰。

　　電源中變壓器成本包括材料成本、制造成本和管理成本。材料成本在總成本中一般占有40%至60%，是最重要的部份。材料成本中鐵心材料和導(dǎo)電材料成本又占 80%左右。因此鐵心材料和導(dǎo)電材料的市場動向，價格變化情況對電源中變壓器成本具有重大影響。降低材料成本，還與設(shè)計有關(guān)。在設(shè)計電源中變壓器時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)鐵心材料和導(dǎo)電材料的價格，調(diào)整變壓器的用鐵心材料量與用導(dǎo)電材料量的比值（銅鐵比），使材料成本在現(xiàn)有條件下達到最低?，F(xiàn)在采用計算機設(shè)計電源中變壓器時，追求成本最低，應(yīng)當(dāng)成為一個主要限制條件。

　　制造成本也與設(shè)計和工藝有關(guān)。設(shè)計電源中變壓器時，不單要考慮鐵心材料和導(dǎo)電材料的價格和用量，還要考慮鐵心和線圈的結(jié)構(gòu)以及變壓器總體結(jié)構(gòu)是否便于加工和裝配？需用多少人工工時？需要多少設(shè)備和工模具？需要什么檢測設(shè)備和儀器來控制質(zhì)量？這些都是變壓器設(shè)計者應(yīng)當(dāng)考慮的。

　　管理成本決定于人力和財力的利用是否充分。充分利用人力，是指提高工時利用率，減少管理人員和工人的比例等。充分利用財力，是指縮短生產(chǎn)周期，減少庫存，加快資金流轉(zhuǎn)等。這些主要由經(jīng)營管理人員負責(zé)。但是與變壓器設(shè)計者也有關(guān)系。如果設(shè)計的變壓器便于加工和裝配，可以縮短生產(chǎn)周期。所用的原材料和配件便于采購，可以減少庫存。這些都有利于降低管理成本。

　　所以，一個好的電源中變壓器設(shè)計者，除了了解變壓器理論和設(shè)計方法而外，還要了解鐵心材料、導(dǎo)電材料、絕緣材料、結(jié)構(gòu)材料的價格和市場動向，還要了解鐵心、線圈和變壓器總體加工和裝配工藝，還要了解實現(xiàn)質(zhì)量控制的檢測參數(shù)和儀器設(shè)備，還要了解生產(chǎn)管理知識和變壓器市場動向等等。只有知識全面的變壓器設(shè)計者，才能設(shè)計出性能好，價格合式的變壓器產(chǎn)品。

　　3 變壓器技術(shù)參數(shù)

　　下面分析變壓器主要技術(shù)參數(shù)與鐵心材料和導(dǎo)電材料之間的關(guān)系。

　　3.1變壓器容量

　　變壓器輸入容量W1=U1I1，變壓器輸出容量W2=U2I2，W2=ηW1，η是變壓器效率。

　　U1是輸入電壓，也是初級繞組上加的電壓U1=2KufN1△BAcKc，Ku是電壓波形系數(shù)，f是工作頻率，N1是初級繞組匝數(shù)，△B是鐵心中磁通密度變化量，Ac是鐵心截面積，鐵心截面積乘以鐵心的填充系數(shù)Kc，是鐵心實際截面積。

　　U2是輸出電壓，也是次級繞組上的電壓，U2=U1N1/N2，由初級繞組與次級繞組的匝數(shù)比來決定。

　　I1是輸入電流，也是初級繞組中的電流，I1=Jq1，J是電流密度，q1是初級繞組導(dǎo)線截面積。

　　W1=U1I1=2KufN1△BAkc×Jq1=2Kuf△BJAckcN1q1

　　N1q1是初級繞組所占窗口面積。設(shè)次級繞組所占窗口面積和效率η相當(dāng)，則總窗口面積，A0=（1+η）N1q1/k0，k0是窗口的填充系數(shù)。N1q1=A0kO/（1+η）。

　　W1=2Kuf△BJAckc A0kO/（1+η）。

　　l 鐵心材料重量Gc=kcAclcδc，lc是平均磁路長度。kcAc=Gc/lcδc。

　　導(dǎo)電材料重量GN=k0AolNδN，lN是線圈平均匝長。K0AO=GN/lNδN。

　　（1+η）W1=2KufKc△B K0J 。 （1+η）W1是變壓器總?cè)萘?W1+W2

　　從這個公式可以看出，變壓器總?cè)萘颗c鐵心材料的關(guān)系連涉到三個參數(shù)：鐵心中磁通變化量△B，鐵心材料重量Gc，平均磁路長度lc，變壓器總?cè)萘颗c導(dǎo)電材料的關(guān)系也牽涉到三個參數(shù)：電流密度J，導(dǎo)電材料重量GN，線圈平均匝長lN。另外，鐵心材料密度δc和導(dǎo)電材料密度δN也有影響。

　　其中△B是鐵心中磁通變化量，一般對單方向激磁變壓器，△B=Bm-Br，對雙方向激磁變壓器，△B=2Bm。選取Bm時，不單要考慮鐵心材料的飽和磁通密度，還要考慮鐵心材料在工作頻率f下的損耗。

　　J是導(dǎo)線的電流密度，決定于導(dǎo)電材料外包絕緣耐熱等級，也就是允許溫升，在選取了J時，還要考慮變壓器的散熱條件。

　　3.2效率和損耗

　　變壓器效率η=P2/P1，P2是輸出功率，P1是輸入功率。

　　P1=P2+Pk，η=P2/P2+PK=1- =1- PK是負載損耗，PK=PO+PN，PO是空載損耗，也就是鐵心損耗。PN是線圈損耗。

　　鐵心損耗P0=PC（T/HZ）GC，PC（T/H2）是在一定磁通密度T和一定工作頻率HZ下的單位重量鐵心損耗?？梢宰约哼M行測試，或者由鐵心材料生產(chǎn)單位提供測試數(shù)據(jù)。除了MnZn軟磁鐵氧體的PC受溫度影響比較大而外，其他金屬鐵心材料的單位重量損耗PC與溫度無關(guān)。總的鐵心損耗與鐵心單位重量損耗PC和鐵心重量GC成正比。

　　線圈損耗PN=I12r1+I22r2，r1是初級繞組電阻，r2是次級繞組電阻，都會受溫度影響，必須說明是在什么溫度下的線圈損耗和負載損耗。例如對A級絕緣的線圈，要給出75℃溫度下的線圈損耗和負載損耗。

　　繞組電阻r1=ρlN1N1/q1，r2=ρlN2N2/q2，ρ是導(dǎo)電材料電阻率，lN1，lN2是初級繞組和次級繞組平均匝長，q1 q2是初級繞組和次級繞組導(dǎo)線截面積。

　　電流I1=Jq1，I2=Jq2，假定初級繞組和次級繞組導(dǎo)線電流密度都一樣為J。

　　PN=I12r1+I22r2=J2q12ρlN1N1/q1+ J2q22ρlN2N2/q2=J2ρ（lN1N1q1+lN2N2q2）=J2ρGN/δN，GN是線圈導(dǎo)電材料重量，δN是導(dǎo)電材料密度。

　　從公式看出，線圈損耗與導(dǎo)電材料的電阻率ρ、所取的電流密度J的平方和線圈導(dǎo)電材料重量GN成正比，和導(dǎo)電材料密度δN成反比。

　　值得注意的是，變壓器的工作磁通密度受鐵心損耗的限制，因為單位重量鐵心損耗Pc是在一定磁通密度下測試數(shù)值的，如果工作磁通密度與測試時的磁通密度不同，要進行調(diào)整，或者在工作磁通密度下重新測試。因此，在設(shè)計變壓器時要注意，不能只根據(jù)鐵心材料的飽和磁通密度，還要考慮鐵心損耗來選取變壓器的工作磁通密度。如果選擇不當(dāng)，會造成鐵心損耗過大，變壓器工作時的溫升會超過規(guī)定數(shù)值。

　　負載損耗Pk包括空載損耗PO和線圈損耗PN兩部分，如果PN遠大于PO，負載損耗PK可認為就是線圈損耗。但是在中頻和高頻變壓器中，鐵心損耗PC比較大，由它形成的空載損耗PO比較大，有時甚至超過載圈損耗PN，就不可以忽略，而必須同時考慮鐵心損耗和線圈損耗。

　　4 電感器技術(shù)參數(shù)

　　4.1電感

　　電感L=μ0μKc N2

　　電感L與鐵心磁導(dǎo)率μ0μ，鐵心填充系數(shù)Kc，鐵心截面積Ac成正比，與鐵心平均磁路長度lc成反比，與線圈匝數(shù)平方成正比。為了討論電感L與鐵心之間的關(guān)系，一般用電感系數(shù)AL=L/N2。

　　AL=μ0μKcAc/lc=μ0μKcAclc/lc2=μ0μKcGc/lc2δc

　　電感系數(shù)與鐵心磁導(dǎo)率μ0μ，鐵心填充系數(shù)Kc，鐵心重量Gc成正比，與鐵心平均磁路長度lc的平方、鐵心材料密度δc成反比。

　　4.2電感能量

　　WL= LIM2，IM是電感線圈中電流的最大值，IM=Jq，J是線圈電流密度，q是導(dǎo)線截面積。

　　WL= μ0μkc N2J2q2= μ0μ J2 ，GN是導(dǎo)電材料重量，GN=NqlNδN。

　　從公式看出，電感能量與鐵心材料磁導(dǎo)率μ0μ，鐵心重量Gc成正比，與鐵心平均磁路長度lC的平方和鐵心材料密度δc成反比;與導(dǎo)電材料的電流密度J的平方，導(dǎo)電材料重量GN的平方成正比，與線圈的平均匝長lN和導(dǎo)電材料密度δN的平方成反比。

　　5 結(jié)語

　　從上面介紹的電源中變壓器的一般要求，變壓器和電感器主要技術(shù)參數(shù)與鐵心材料和導(dǎo)電材料之間關(guān)系，可以得出以下幾點結(jié)論：

　　（1） 鐵心材料作為變壓器鐵心的主要性能指標是飽和磁通密度和在一定磁通密度、一定工作頻率下的單位重量損耗。作為電感器鐵心的主要性能指標是磁導(dǎo)率。

　　導(dǎo)電材料的主要性能指標是允許電流密度和電阻率。

　　（2） 鐵心材料和導(dǎo)電材料用量對變壓器和電感器的主要技術(shù)參數(shù)都有影響，同時也會影響成本等經(jīng)濟指標。

　　（3） 電源中變壓器的一般要求是選用鐵心材料和導(dǎo)電材料的主要出發(fā)點。在具體設(shè)計中應(yīng)當(dāng)統(tǒng)籌兼顧技術(shù)經(jīng)濟指標，千萬不要忘記作為一種商品的產(chǎn)品的總要求，是在具體使用條件下完成具體的功能中，追求性能價格比最高。