概述
自米切爾·法拉第發(fā)明了變壓器以來,變壓器生產(chǎn)工藝和使用材料發(fā)生了重大改變。最初由于線圈骨架上容易繞線,疊片變壓器得到廣泛應(yīng)用。但是由于疊片變壓器的磁路有氣隙,磁路的有效性不高。C型鐵芯變壓器雖然減小了氣隙,并保留了線圈骨架上容易繞制線圈的優(yōu)點,但是磁路中仍有氣隙。
高速環(huán)型變壓器繞線機的發(fā)明,使得有可能快速、乎整地把導(dǎo)線繞在封閉的環(huán)型鐵芯上,因而可以發(fā)揮無氣隙鐵芯的全部優(yōu)點。無氣隙鐵芯變壓器和同等容量的疊片變壓器相比,有體積小、重量輕、漏磁小等優(yōu)點。近年來,由于勞動力成本急劇上升和繞線技術(shù)不斷改進,環(huán)型變壓器與疊片變壓器的價差很小。目前,與疊片變壓器和C型變壓器相比,15~50VA的環(huán)型變壓器價格較貴,200~500VA環(huán)型變壓器的價格略低一些,500VA以上環(huán)型變壓器的價格有很大優(yōu)勢。然而,在許多應(yīng)用中,環(huán)型變壓器的技術(shù)特性優(yōu)勢更重要。
環(huán)型鐵芯
環(huán)型鐵芯由硅鋼帶纏繞而成,很象一個繞緊的鐘表發(fā)條,繞好后浸漬并封裝于塑料殼內(nèi),鐵芯可以涂覆。
1990年,鐵芯材料的最重大發(fā)明是:在低含碳量0.04%熱軋低碳鋼中,滲入少量的硅,形成合金,改善了熱軋硅鋼帶的性能。新材料雖克服了磁性退化問題,但導(dǎo)磁率和延展性下降,沖壓和成型困難。
l930年冷軋硅鋼帶在壓延方向上的磁特性得到重大改善,晶粒取向性、硅鋼帶的工作磁通密度、導(dǎo)磁率大大提高,損耗減少。遺憾的是,這些優(yōu)點只有在磁通與晶粒方向一致的條件下,才能夠得到。對于疊片鐵芯磁路的研究表明,大約有40%鐵芯與最優(yōu)方向成90°;另外40%做為磁通回路,剩余的一小部分鐵芯能夠充分發(fā)揮潛能狀態(tài)。然而,在環(huán)型鐵芯中,磁通方向總與晶粒方向一致,但當晶粒取向與磁通方向成90°時,GOSS的有效性比熱軋硅鋼帶的性能還要差。
GOSS鐵芯的平均工作磁密大約為1.6T,相應(yīng)的熱軋硅鋼帶大約為1.3T,兩種材料相應(yīng)的耗損為0.45W/1B和1.25W/1B,比銅損小許多。
低鐵損的主要原因是,環(huán)型鐵芯有一個連續(xù)不斷的磁路,而疊片鐵芯變壓器在EI片間有氣隙;因此,存在較大的氣隙磁阻是疊片變壓器的主要缺點。
在磁性元件中,空氣間隙的滋阻遠遠大于鐵芯的滋阻??諝忾g隙的磁阻不僅使疊片鐵芯變壓器效率降低,而且還會使氣隙邊緣磁密增加。一部分磁通漏到變壓器周圍的空間,在導(dǎo)線、印制板和無源元件上產(chǎn)生寄生電動勢。為了減少氣隙的影響,可采用C型鐵芯。把鋼帶繞在芯軸上,浸漬后切成兩半,磨光切開的表面,拋光并蝕刻。這樣,兩部分鐵芯在線圈骨架內(nèi)接觸時,間隙很小。環(huán)型鐵芯沒有空氣間隙,并且有反向纏繞的繞組,可進一步減小寄生磁場,電噪聲可減小到疊片變壓器的1/7~1/10。
環(huán)型鐵芯不但磁性能優(yōu)良,而且還有許多機械方面的優(yōu)點:片間壓力可以嚴格控制,并且可達到95%的同一水準。采用浸漬技術(shù),可使鐵芯成為牢固的整體,在繞線和加工過程中不變形;由于環(huán)型鐵芯非常牢固,減少了磁致伸縮力的影響;因而減少了振動和音頻噪聲。
環(huán)型變壓器有許多固定方法,最常用的方法是利用環(huán)型變壓器的中心孔固定。應(yīng)當注意,螺釘?shù)裙潭粦?yīng)該使變壓器的頂部壓板與下底板同時接地,以免形成一個短路環(huán)。這種情況應(yīng)當特別注意。
環(huán)型鐵芯的直徑/高度/寬度比可以按照要求隨意變化。通常,變壓器的重量隨著高度的增加而減少,但是鐵芯高度、導(dǎo)線平均匝長和銅重增加,抵消了鐵重的減輕。
最常用的性能優(yōu)良的鐵芯直徑、高度和寬度的比例是:4×2×1或5×3×1.5和6×2×0.5;應(yīng)用中,寬度或高度沒有限制。
絕緣需要較大的中心孔,表面積要求不嚴格但高度有限制時,都可以采用。鐵芯設(shè)計還受繞線機限制,鐵芯必須有足夠大的中心孔,以便線梭順利通過。
環(huán)型變壓器的繞組
繞線時,導(dǎo)線通過鐵芯中心孔,繞到鐵芯,外表面,再繞回中心孔。繞線是利用可將鐵芯套入的開口環(huán)型線梭完成的;把適當長度的導(dǎo)線繞入線梭的線槽內(nèi),導(dǎo)線的一端固定在鐵芯上:將導(dǎo)線從線梭繞在鐵芯。當所需的匝數(shù)繞完后,剽余的導(dǎo)線從線梭上除去,然后打開線梭開口,將鐵芯從線梭中取出。繞組和鐵芯尺寸受繞線機限制,對線梭的要求與導(dǎo)線和絕緣有關(guān),鐵芯的最大高度也受線梭直徑限制。繞組的另一個作用是堅固鐵芯,以減小電磁振動,降低音頻噪聲,還可以作為繞組間的靜電屏蔽。利用特殊的繞線技術(shù),可能減小繞組的磁場影響。標準環(huán)型繞線機的最高繞線速度為2000匝/分。由延伸性和絕緣性良好的導(dǎo)線制成的繞組成品率極高。
應(yīng)用
環(huán)型變壓器明顯優(yōu)于疊片鐵芯變壓器的實例是:船用低壓高亮度導(dǎo)航燈的電源變壓器,可安裝在全方位無線電信標機天線桿的頂端上。其它變壓器安裝在這種位置上很困難,但是,環(huán)型變壓器有中心孔,只要筒單地套在天線稈上,接上電源即可。
環(huán)型變壓器的低輻射場是它固有的優(yōu)點。當使用疊片變壓器時,若輻射噪聲過大,可采用屏蔽技術(shù),當這種方法仍不能達到要求時,應(yīng)當采用環(huán)型變壓器。
由于環(huán)型變壓器具有低噪聲持性,因此美國將它用于高保真度音響設(shè)備和視頻顯示終端;日本把它用于功率放大器、電子試驗儀和通用設(shè)備。當壞型變壓器固有的低噪聲特性不能滿足要求時,可外加低碳鋼或微金屬罐屏蔽。
應(yīng)當注意,在半波整流電路中,不能用環(huán)形變壓器。因為,它產(chǎn)生不對稱于S/H軸的磁滯環(huán)。這樣,鐵芯發(fā)生單方向極化并飽和。利用橋式整流器可以克服這個缺點。用冷軋帶制作的容量較大的環(huán)型變壓器與用熱軋帶制作的疊片變壓器相比,剩磁較高。這樣,當鐵芯中磁密較高時;變壓器與電源斷開后,鐵芯將保留磁通值的80%,如果變壓器在剩磁方向上再次通電,鐵芯磁通將很快從剩磁值達到飽和值,這樣瞬間起動磁化電流只由初級繞組的低組抗限制,這個起動電流將燒斷保險絲、因此,在初級電路內(nèi),應(yīng)加入防浪涌
保險或軟起動電阻。
目前受繞線機的限制,可制作的環(huán)型變壓器最大容量為10kVA。對于一般電子設(shè)備來說。這個容量已經(jīng)足夠了。
主要優(yōu)點
環(huán)型變壓器主要優(yōu)點是輻射場較低和效率較高。在尺寸和重量減半的情況下,能夠達到給定的容量,如果使用容量稍大—些的變壓器,則變壓器的溫度可以降低。中心孔固定方式使環(huán)型變壓據(jù)很容易安裝印刷電路板上。
環(huán)型變壓器具有高度的靈活性,可根據(jù)機箱與整體裝配的要求,設(shè)計變壓器的尺寸。由于制作環(huán)形變壓器不需要沖模,也不需要線圈骨架注塑模具,所以生產(chǎn)周期短,適用于中小批量生產(chǎn),能夠滿足當代電子設(shè)備不斷改型的需要。
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