電源中電磁元件的鐵心結構

天水電氣傳動研究所徐澤瑋(天水741018)

1引言

鐵心是電源中電磁元件的重要部件，對它的性能起著重要的作用。設計電磁元件的鐵心，包括以下幾個主要內容：

（1）根據電源的電路和工作頻率，轉換成鐵心對軟磁材料的要求，選取適用的軟磁材料；

（2）根據電源要求的性能指標，選取適用的鐵心結構形式；

（3）根據傳送功率和輸入阻抗（輸入電感），計算和選取鐵心尺寸；

（4）根據電磁元件電磁場數學模型，進行鐵心和線圈參數計算；

（5）根據使用要求，換算鐵心散熱面積和工作溫度。

如果工作頻率在10Hz至20kHz的聲頻范圍內，還要考慮周圍環境對可聞噪聲的要求。在強調環境保護的今天，可聞噪聲污染，對人的身心都會造成相當的危害。因此，降低可聞噪聲，使它限制在一定范圍內，是相當重要的。如果達不到指標，在設計鐵心結構時要采取降低噪聲的措施。

對有鐵心的電源變壓器，第（1）、第（2）項是決定性的，文獻1中已作介紹，不再贅述。關于第（3）項，比較通用的是從下面三個公式來設計和選取鐵心尺寸。

ACAO=P2(1＋η)/KUJfΔBm(1)

ACLC=P2(1＋η)/KUμOμfΔBm(2)

L1=μOμACN12/lC(3)

式中：AC是鐵心實際截面積（包括鐵心占空系數KC）；

AO是鐵心窗口實際面積（包括窗口占空系數KO），ACAO是鐵心的特征參數；

P2是電源變壓器的輸出功率；

η是電源變壓器的效率，P2(1＋η)相當于電源變壓器的視在功率；

KU是波形系數，對矩形波為2，對正弦波為2?22；

J是電流密度；

f是工作頻率；

ΔBm是工作磁通密度變化范圍，對磁通密度雙向變化的電源變壓器為2Bm，對磁通密度單向變化的電源變壓器為Bm－Br；

lC是鐵心的平均磁路長度，ACLC是鐵心的有效體積；

L1是輸入電感；

μO是真空磁導率；

μ是鐵心在工作頻率下的有效磁導率；

N1是輸入（初級）線圈匝數。

關于第（4）項，在超過一定工作頻率的高頻條件下，電源變壓器的設計應當考慮電磁場的一維、二維或三維數學模型，否則會造成相當大的誤差。原電子工業部的指導性技術文件SJ/Z2921?88《開關電源變壓器設計方法》已不再適用。應當根據現在已經比較普及的計算機輔助設計，制定新的指導性技術文件。

關于第（5）項，一般不怎么受設計者重視，而是根據試制樣品溫升試驗的結果再作修改。但是對功率較大（例如100W以上），工作頻率較高（例如100kHz以上），還是先進行鐵心工作溫度核算，以便在設計中采取措施，防止鐵心溫升超過規定值。

以上簡單地介紹電源變壓器鐵心的設計程序，不但是為了強調軟磁材料和鐵心結構對電源變壓器的重要性，同時也是為了澄清現在設計中流行的一些方向誤導的作法，供同行們參考。由于收集資料還不完備，這里只介紹高度為厘米級以上的立體式鐵心結構，包括復合鐵心結構和多功能（磁集成）鐵心結構。至于高度為1mm～10mm級的平面式鐵心結構和高度為1mm級以下的薄膜式鐵心結構，以后再作介紹。

圖1硅鋼鐵心的片形

(a)I形(b)CI形(c)EI形(d)EE形

圖2硅鋼疊片式鐵心結構截面

(a)方形(b)三階梯形(c)多階梯形

2硅鋼鐵心

50Hz～60Hz工頻電磁元件和400Hz～1000Hz中頻電磁元件，多數選用硅鋼鐵心。硅鋼鐵心結構分為疊片式鐵心和卷繞式鐵心兩種。

疊片式鐵心是把硅鋼帶材通過剪切或沖壓成鐵心片，然后疊裝成一定結構形式的鐵心。從鐵心片形狀發展來看（圖1），最早是單I形，后來是CI形、EI形和EE形，其目的是便于疊裝，減少工時。如果材料是取向硅鋼帶，要注意使磁路中磁力線方向與硅鋼取向一致，不要與硅鋼取向垂直，否則會增加鐵心激磁能量和鐵心損耗。為了解決轉角處磁力線方向不與硅鋼取向垂直，后來又發展成45°斜切角形片形。從疊裝成的鐵心截面發展來看（圖2），最早是方形，后來發展成三階梯形、多階梯形，使鐵心截面逐步趨向圓形。這一方面是為了減少線圈平均匝長，降低阻抗和銅損；另一方面也是為了便于線圈繞制。從疊裝成的鐵心柱數發展來看（圖3），最早是用于單相變壓器和電抗器的兩柱式，后來發展成用于三相變壓器的三柱式，用于帶平衡電抗器的整流變壓器的五柱式。

卷繞式鐵心是把硅鋼帶材剪切成需要的寬度后，卷繞成一定結構形式的鐵心。從卷繞成的鐵心形狀發展來看（圖4），最早為環形，后來為了便于絕緣結構設計和線圈繞制，發展成方框形。方框形包括：用于單相電源變壓器的單框式和雙框式，用于三相電源變壓器的三框式和四框式。三框式又分為兩種：一種是合成的，由兩個小框外套一個大框組成；一種是獨立的，由互相成120°角布置的三個方框組成。為了使鐵心截面逐漸趨向圓形，和疊片式鐵心一樣，卷繞式鐵心截面也從矩形，經過三階梯形、多階梯形，發展成鐵心截面基本上是圓形的R形鐵心。截面是R形的卷繞式環形鐵心，稱為O形鐵心。既可充分利用鐵心材料，又可以減少線圈平均匝長，是比較理想的卷繞式鐵心結構。

圖3硅鋼疊片式鐵心結構柱數

(a)兩柱式(b)三柱式(c)五柱式

圖4硅鋼卷繞式鐵心結構形狀

(a)環形(b)單框形(c)雙框形(d)合成三框形(e)120°布置三框形

圖5硅鋼CD形和XD形鐵心結構

(a)CD形(b)XD形

卷繞式鐵心和疊片式鐵心比較，卷繞式鐵心可以使磁路中的磁力線完全與硅鋼取向一致，而且不存在氣隙，因此激磁能量和鐵心損耗將減小10％～25％，噪聲也低一些。其鐵心加工工藝比較簡單，便于用機械加工代替手工疊裝。但是線圈繞制比疊片式鐵心難度大，必須用專門的繞線設備，如果線圈損傷則整體報廢，不能返修。為了補償這些缺點，把卷繞式鐵心切開成兩半，變成CD形和XD形鐵心（圖5）。這種結構雖然有兩個或三個氣隙，但仍然保持卷繞式鐵心的優點，激磁能量和鐵心損耗增加不多，噪聲也增加不大。鐵心加工除增加鐵心切割加工和氣隙磨光工序而外，加工工藝也不復雜，仍能采用機械加工。同時又象疊片式鐵心那樣線圈繞制比較容易。線圈損傷也便于拆卸更換。還有，CD形和XD形鐵心對于必須有氣隙的電抗器來說，更是一種比較理想的鐵心結構。

圖6鐵基非晶合金單I形疊片式鐵心結構

圖7鐵基非晶合金搭接式鐵心結構

3非晶和微晶合金鐵心

鐵基非晶合金可以用在50Hz～60Hz工頻和400Hz～20kHz中頻電源中作為電磁元件的鐵心材料。20世紀80年代末，日本大阪變壓器廠的研究結論認為：鐵基非晶合金鐵心在150Hz以上的綜合性能，比硅鋼鐵心好。經過十多年的研究，鐵基非晶合金鐵心正在向50Hz～60Hz工頻領域擴展，和硅鋼鐵心進行競爭。

鐵基非晶合金鐵心結構也分為疊片式和卷繞式兩種。疊片式鐵心是比較早期的結構，是把鐵基非晶合金帶材剪切成一定的鐵心片后，再疊裝成一定結構形狀的鐵心。鐵基非晶合金帶材厚度一般為20μm～40μm，疊裝起來既費時又不容易疊好。為了縮短工時和增加鐵心強度，把幾片和十幾片薄鐵心片粘接在一起，成為0.1mm～0.25mm厚的鐵心片，但是損耗也有所增加。鐵基非晶合金磁性不存在取向問題，但是剪切加工困難，一般鐵心片形狀都為單I形（圖6），疊裝后的鐵心截面都為矩形。鐵心柱數也分為單相電磁元件用的兩柱式和三相電磁元件用的三柱式兩種。由于需要大量的工時，疊裝式鐵基非晶合金鐵心結構現在已很少使用。但是在150μm鐵基非晶合金帶材工藝成熟之后，仍然有可能采用疊裝式鐵心結構。

卷繞式鐵心是把鐵基非晶帶材剪切或噴制成一定寬度后，再卷繞成一定結構形式的鐵心。最早是環形，后來為了繞線方便，發展成方框形，包括單框形、雙框形、三框形和四框形。再后來為了簡化繞線和裝卸工藝，便于更換線圈，發展成CD形和XD形。和硅鋼卷繞式鐵心結構不同，鐵基非晶合金鐵心在20世紀90年代初，出現一種新型的搭接式方框形鐵心結構（圖7）。在鐵心的接縫部分，鐵心帶互相搭接在一起，而且接縫部分不在一條直線上，因此氣隙比CD形鐵心小。激磁能量和鐵心損耗與卷繞式方框形鐵心基本相同。但是它可以逐層打開，在裝入線圈后，再逐層合上。線圈繞制、裝卸和更換都比較容易。現在普遍認為，這種搭接式方框形鐵心結構是綜合了卷繞式方框形和CD形鐵心結構優點的、比較好的鐵心結構。不但可以用于低頻，而且可以用于中高頻電磁元件。在配電變壓器中已經大量使用，既縮短了鐵心加工和裝配工時，又可以發揮非晶合金材料的優良性能。

鈷基非晶合金和鐵基微晶合金用于20kHz～500kHz中高頻電源中的電磁元件，主要是卷繞式環形鐵心結構，個別的采用CD形鐵心結構。CD形鐵心結構主要用于20kHz～50kHz的電磁元件，在超過100kHz時，由于線圈匝數少，主要用環形鐵心結構。在大容量的電源中，20kHz～50kHz的電磁元件將來有可能采用搭接式鐵心結構。

4高導磁合金（坡莫合金）鐵心

為了充分發揮高導磁合金的高導磁特性，一般都采用卷繞式環形鐵心結構。由于高導磁合金對應力敏感，在熱處理后，要把環形鐵心裝在保護盒內，而且在繞線和絕緣處理工藝過程中，一定要輕拿輕放，避免沖擊和應力對高導磁合金性能的影響。以前，在1kHz以下，也有個別情況采用疊片式鐵心結構，鐵心沖片為EE形或者EI形。現在比較少見了。坡莫合金由于環境適應性強，又擴展了使用頻率范圍，現在在電源中的用量有所增加。但是鐵心結構仍然是卷繞式環形鐵心結構。

5軟磁鐵氧體鐵心

圖8軟磁鐵氧體鐵心結構

(a)EI形(b)EE形(c)EER形(d)EP形(e)UF形(f)UYF形(g)RM形

(h)PM形(i)PQ形(j)Q形（罐形）(k)T形（環形）(l)LP形

軟磁鐵氧體的鐵心結構比較多，這是由于采用熱壓工藝，比較容易加工成各種形狀。有EI、EE、EER、EP、UF、UYF、RM、PM、PQ、Q（罐形）、T（環形）和LP形等等（圖8）。EI形以尺寸A（E形鐵心寬度）為標志，EE形以尺寸A（E形鐵心寬度）和2×B（E形鐵心長度）為標志，已形成EI10～50，EE8.3/8.0～110/80系列，品種多，制造工藝簡單成熟，散熱好，便于引出接線，成本較低。缺點是鐵心中間柱截面為方形，給線圈繞制帶來麻煩。同時，無屏蔽，容易產生雜散磁場干擾。EER形也是以尺寸A（E形鐵心寬度）和2×B（E形鐵心長度）為標志，已形成EER25/33～54/50系列，鐵心中間柱截面為圓形，繞線比較方便，同時繞線長度比方形截面縮短11％，從而降低銅損。但是仍無屏蔽。EP形鐵心以鐵心高度尺寸E為標志，已形成7至30系列，中間鐵心柱為圓形，而且一邊有屏蔽，另一邊有缺口，便于引出接線。UF形鐵心以U形鐵心寬度A為標志，形成9.8～25系列，可以兩個柱繞線，散熱好，引出接線也方便，但是鐵心截面為矩形，也無屏蔽。UYF形鐵心以U形鐵心厚度C（有時包括U形鐵心高度2×B）為標志，已形成10～18系列，有的兩個鐵心柱面為圓形，有的一個鐵心柱面為圓形（單邊繞線），一個鐵心柱截面為方形。RM形鐵心以中間鐵心柱的直徑C為標志，已形成4～14系列，有中心孔和無中心孔（用G作標志）兩種，中間鐵心柱為圓形，兩側有屏蔽，有兩邊缺口，便于引出接線。PM形鐵心以最大外徑A為標志，已形成PM50～114系列，其兩側屏蔽比RM形鐵心更寬，效果更好。Q形（罐形）鐵心以最大外徑A和高度C為標志，已形成Q7/4～Q40/29系列，屏蔽效果最好，單位空間電感值高，但缺口小，引出接線不便，有中心孔，以便安裝。PQ形鐵心以最大外徑A和高度F為標志，已形成PQ20/16～50/50系列，比Q形鐵心開的缺口大，引出接線方便，而且背面散熱面積大，是高頻電源變壓器用的鐵心結構中，綜合性能最佳的一種。LP形鐵心以鐵心高度2D和一邊較小的缺口長度E為標志，已形成LP23/8～LP32/13系列，也適用于高頻電源變壓器。T形（環形）鐵心以外徑×內徑×高尺寸為標志，已形成6×3×2～124×62×40系列，截面為矩形，磁路無空氣隙，電感值大，漏磁小。如果把截面改成圓形，變成類似硅鋼O形鐵心那樣的結構，其繞線工藝和性能都有所改善。

6復合鐵心和磁粉芯

復合鐵心是指采用兩種以上軟磁材料組成的鐵心結構。如果為了使鐵心性能一致性好，而把一個鐵心分成兩個（或三個）鐵心，進行性能搭配，這不能算成是復合鐵心結構，因為它們使用的是同一種軟磁材料，而不是兩種以上軟磁材料。復合鐵心結構的典型例子是脈沖變壓器用鐵心，為了保證上升時間短和頂降小，使用坡莫合金和軟磁鐵氧體兩種軟磁材料組成的鐵心，有環形的，也有疊片式的。

但是最常用的復合鐵心結構是磁粉芯，它是用軟磁材料和非磁性材料復合而成。雖然磁粉芯不用于電源變壓器，而用于電感器，但是為了使鐵心結構介紹比較全面一些，在本文中也把它介紹給讀者。

磁粉芯是由金屬軟磁材料粉末與絕緣材料混合以后壓制而成的，一般都是環形鐵心。為了表明軟磁材料的種類和性能，還涂有顏色（紅、黃、綠、藍）作為標記。由于金屬軟磁材料粉末被軟磁材料所包圍，形成分散氣隙，從而大大降低高頻渦流損耗，并具有抗飽和性能。

國家標準GBn251?85《鎳鐵磁粉芯》只針對高導磁鐵鎳合金材料制成的磁粉芯，現在已發展了鐵磁粉芯、鐵硅鋁磁粉芯、非晶和微晶磁粉芯，故國標需要加以擴展和修訂。

對磁粉芯提出的指標有飽和磁通密度Bs、有效磁導率μe、有效品質因數Qe、有效磁導率溫度系αμe及居里點、比重等。主要的磁粉芯的性能參數如表1所示。鐵鎳鉬磁粉芯國家標準型號為FN81，上海鋼鐵研究所型號為SN，美國阿諾德公司型號為MPP，磁導率高，工作環境適應范圍廣，損耗低，但價格貴。鐵鎳高磁通磁粉芯國家標準型號為FN50，美國阿諾德公司型號為HF，飽和磁通密度高，磁導率中等，損耗也較低，價格較便宜，國內外最近比較重視研究和使用。鐵硅鋁磁粉芯上海鋼鐵研究所型號為SA，美國阿諾德公司型號為MS，是一種價格較低，綜合性能指標較好的磁粉芯。鐵磁粉芯上海鋼鐵研究所型號SF，國外一般型號為IP，磁導率和飽和磁通密度高，但在高頻下損耗大，只適用于低頻和20kHz以下的中頻使用。由于價格便宜，可以把它加工成大型磁粉芯，代替硅鋼，作為大容量直流電源的濾波電抗器。

除了表1所列性能而外，一般還給出有效磁導率μe與頻率f的關系曲線。與軟磁鐵氧體類似，在超過一定極限工作頻率以后，有效磁導率會迅速下降。同時，還給出在有效磁導率μe下降50％的外加磁場強度，也就是恒磁范圍。表2是鐵鎳鉬磁粉芯和高磁通鐵鎳磁粉芯的恒磁范圍。還有，對用于輸出濾波器的磁粉芯，必須給出交直流同時磁化曲線，表示在大的直流磁化條件下，磁粉芯有效磁導率的變化情況。

表1磁粉芯的主要性能

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圖9平面布置的多功能鐵心結構

(a)一個變壓器和一個電抗器(b)一個變壓器和兩個電抗器

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圖10兩種軟磁材料組成的多功能鐵心結構

(a)柜形鐵心(b)橋式鐵心

表2鐵鎳鉬磁粉芯和高磁通鐵鎳磁粉芯恒磁范圍

7多功能鐵心（集成磁芯）

多功能鐵心結構是指一種鐵心同時起變壓器和電抗器，變壓器和磁性開關等多種功能。庫克教授在提出庫克電路的同時，把這種多功能鐵心結構稱為“集成磁芯”，意思是指它象半導體集成電路一樣，把幾種功能集成在一起。這個詞語“集成磁芯”，到現在一直有人在使用。但是，現在出現了利用與半導體集成電路工藝相類似的技術，制造薄膜式鐵心及其應用的電磁元件，有的人稱為“微磁性器件”，有的人稱為“集成磁性器件”。因此，我認為再使用集成磁芯就容易使人混淆，把兩種完全不同的鐵心結構認為是同一樣的東西，所以把原來的集成磁芯改稱為“多功能鐵心”。

其實，最早的多功能鐵心出現在鐵磁諧振穩壓器中，包括一個變壓器和一個由磁分路組成的電抗器。恒壓變壓器是由鐵磁諧振穩壓器發展而來的，鐵心也屬于多功能鐵心結構。

常見的多功能鐵心結構主要是平面布置的形式（圖9）。圖9（a）是一個變壓器和一個電抗器的鐵心結構。圖9（b）是一個變壓器和兩個電抗器的鐵心結構。圖10巧妙地采用兩種軟磁材料組成多功能鐵心結構。圖10（a）外框鐵心采用高導磁合金材料，形成變壓器，中間采用低導磁材料形成電抗器。除了這種框形加中間柱結構而外，還有圖10（b）的橋式多功能鐵心結構，四個橋臂用高導磁材料，橋對角線用低導磁材料或者開一個氣隙。

從20世紀80年代末開始，對由垂直形鐵心構成的立體布置的多功能鐵心結構進行研究的人員越來越多。最早是有人把C形鐵心的一半轉90°而形成的，發現在沒轉90°的C形鐵心上的繞組之間仍存在變壓器功能，轉90°的C形鐵心上繞上一個繞組，可以通過電流激磁后，改變沒轉90°的C形鐵心上繞組的電感〔見圖11（a）〕。后來把鐵心去掉一些變成圖11（b），仍然具有這樣的功能。圖11（c）是把兩個變壓器和兩個可控電感組合在一起的多功能鐵心結構。

圖11垂直形鐵心組成的多功能鐵心結構

(a)一個C形鐵心轉90°可控電感(b)(a)的演變，可控電感

(c)二個變壓器與二個可控電感的組合

利用這種垂直形多功能鐵心結構已經研制開發出交流穩壓電源、逆變電源、電壓諧振式和電流諧振式開關電源，具有可靠性高（主要是銅鐵材料）、可自動無級調節、消除諧波好、效率高等優點，是值得繼續開發的一種特殊的鐵心結構。

8結語

（1）各種軟磁材料由于使用領域不同，可以組成不同的鐵心結構。在選取鐵心結構時首先要注意能充分發揮軟磁材料的優點，其次要注意工藝加工的復雜程度和材料的利用率，也就是成本。根據市場和用戶的要求綜合考慮，不能只注意性能一面而忽略成本和價格的另一面。

（2）任何鐵心結構都各有其優缺點，不能因為偏愛等主觀因素而抬高一種否定其它；也不能隨大流，由于大多數人反對，而對一種鐵心結構采取絕對否定的態度。例如：有的人過分欣賞R形卷繞式鐵心結構，不愿注意到這種鐵心結構本身存在的一些問題。又例如：大多數人認為120°布置三框式鐵心結構不可能用在電源變壓器中去，但是已有人把它用于追求體積小的電源變壓器中，取得了良好效果。

（3）現在的鐵心結構在低頻和中頻電源變壓器中發展比較成熟。在高頻電源變壓器中還有許多工作要做，那已經不屬于立體式鐵心結構范圍，而屬于平面式鐵心結構和薄膜式鐵心結構范圍。這兩種結構正成為高頻電源變壓器的研究熱點。據報道，高頻開關電源的高度，采用平面式鐵心結構的變壓器在1995年還大于5mm，到1998年，采用低高度平面式鐵心結構的變壓器，高頻開關電源的高度已在5mm～3mm之間。預測到2002年，采用薄膜式鐵心結構的變壓器和集成工藝技術，把磁性元件、半導體器件和電容器集成在一個單片上，組成新型的單片式高頻開關電源，高度可低于3mm，甚至達到1mm。短短十年期間，就從立體式鐵心結構跨越平面式鐵心結構，發展到薄膜式鐵心結構，發展之迅速使人驚嘆不已！

（4）在利用多功能鐵心結構，開發性能獨特的直流和交流電源方面，日本索尼公司的一些人員不隨大流，堅持研究垂直型多功能鐵心結構，而取得了有自己知識產權的成果。這種創新精神和堅韌不拔的努力，給我們一個很好的啟示。希望我國的電源技術工作者能夠開發出有自己特色的產品，在電源技術新領域中占有一席之地。