电源中电磁元件的铁心结构

　　1 引言

　　铁心是电源中电磁元件的重要部件，对它的性能起着重要的作用。设计电磁元件的铁心，包括以下几个主要内容：

　　（1）根据电源的电路和工作频率，转换成铁心对软磁材料的要求，选取适用的软磁材料；

　　（2）根据电源要求的性能指标，选取适用的铁心结构形式；

　　（3）根据传送功率和输入阻抗（输入电感），计算和选取铁心尺寸；

　　（4）根据电磁元件电磁场数学模型，进行铁心和线圈参数计算；

　　（5）根据使用要求，换算铁心散热面积和工作温度。

　　如果工作频率在10Hz至20kHz的声频范围内，还要考虑周围环境对可闻噪声的要求。在强调环境保护的今天，可闻噪声污染，对人的身心都会造成相当的危害。因此，降低可闻噪声，使它限制在一定范围内，是相当重要的。如果达不到指标，在设计铁心结构时要采取降低噪声的措施。

　　对有铁心的电源变压器，第（1）、第（2）项是决定性的，文献1中已作介绍，不再赘述。关于第（3）项，比较通用的是从下面三个公式来设计和选取铁心尺寸。

　　ACAO=P2(1＋η)/KUJfΔBm(1)

　　ACLC=P2(1＋η)/KUμOμfΔBm(2)

　　L1=μOμACN12/lC(3)

　　式中：AC是铁心实际截面积（包括铁心占空系数KC）；AO是铁心窗口实际面积（包括窗口占空系数KO），ACAO是铁心的特征参数；P2是电源变压器的输出功率；η是电源变压器的效率，P2(1＋η)相当于电源变压器的视在功率；KU是波形系数，对矩形波为2，对正弦波为222；J是电流密度；f是工作频率；ΔBm是工作磁通密度变化范围，对磁通密度双向变化的电源变压器为2Bm，对磁通密度单向变化的电源变压器为Bm－Br；lC是铁心的平均磁路长度，ACLC是铁心的有效体积；L1是输入电感；μO是真空磁导率；μ是铁心在工作频率下的有效磁导率；N1是输入（初级）线圈匝数。

　　关于第（4）项，在超过一定工作频率的高频条件下，电源变压器的设计应当考虑电磁场的一维、二维或三维数学模型，否则会造成相当大的误差。原电子工业部的指导性技术文件SJ/Z292188《开关电源变压器设计方法》已不再适用。应当根据现在已经比较普及的计算机辅助设计，制定新的指导性技术文件。

　　关于第（5）项，一般不怎么受设计者重视，而是根据试制样品温升试验的结果再作修改。但是对功率较大（例如100W以上），工作频率较高（例如100kHz以上），还是先进行铁心工作温度核算，以便在设计中采取措施，防止铁心温升超过规定值。

　　以上简单地介绍电源变压器铁心的设计程序，不但是为了强调软磁材料和铁心结构对电源变压器的重要性，同时也是为了澄清现在设计中流行的一些方向误导的作法，供同行们参考。由于收集资料还不完备，这里只介绍高度为厘米级以上的立体式铁心结构，包括复合铁心结构和多功能（磁集成）铁心结构。至于高度为1mm～10mm级的平面式铁心结构和高度为1mm级以下的薄膜式铁心结构，以后再作介绍。

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　　2 硅钢铁心

　　50Hz～60Hz工频电磁元件和400Hz～1000Hz中频电磁元件，多数选用硅钢铁心。硅钢铁心结构分为叠片式铁心和卷绕式铁心两种。

　　叠片式铁心是把硅钢带材通过剪切或冲压成铁心片，然后叠装成一定结构形式的铁心。从铁心片形状发展来看（图1），最早是单I形，后来是CI形、EI形和EE形，其目的是便于叠装，减少工时。如果材料是取向硅钢带，要注意使磁路中磁力线方向与硅钢取向一致，不要与硅钢取向垂直，否则会增加铁心激磁能量和铁心损耗。为了解决转角处磁力线方向不与硅钢取向垂直，后来又发展成45°斜切角形片形。从叠装成的铁心截面发展来看（图2），最早是方形，后来发展成三阶梯形、多阶梯形，使铁心截面逐步趋向圆形。这一方面是为了减少线圈平均匝长，降低阻抗和铜损；另一方面也是为了便于线圈绕制。从叠装成的铁心柱数发展来看（图3），最早是用于单相变压器和电抗器的两柱式，后来发展成用于三相变压器的三柱式，用于带平衡电抗器的整流变压器的五柱式。


　　卷绕式铁心是把硅钢带材剪切成需要的宽度后，卷绕成一定结构形式的铁心。从卷绕成的铁心形状发展来看（图4），最早为环形，后来为了便于绝缘结构设计和线圈绕制，发展成方框形。方框形包括：用于单相电源变压器的单框式和双框式，用于三相电源变压器的三框式和四框式。三框式又分为两种：一种是合成的，由两个小框外套一个大框组成；一种是独立的，由互相成120°角布置的三个方框组成。为了使铁心截面逐渐趋向圆形，和叠片式铁心一样，卷绕式铁心截面也从矩形，经过三阶梯形、多阶梯形，发展成铁心截面基本上是圆形的R形铁心。截面是R形的卷绕式环形铁心，称为O形铁心。既可充分利用铁心材料，又可以减少线圈平均匝长，是比较理想的卷绕式铁心结构。

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　　卷绕式铁心和叠片式铁心比较，卷绕式铁心可以使磁路中的磁力线完全与硅钢取向一致，而且不存在气隙，因此激磁能量和铁心损耗将减小10％～25％，噪声也低一些。其铁心加工工艺比较简单，便于用机械加工代替手工叠装。但是线圈绕制比叠片式铁心难度大，必须用专门的绕线设备，如果线圈损伤则整体报废，不能返修。为了补偿这些缺点，把卷绕式铁心切开成两半，变成CD形和XD形铁心（图5）。这种结构虽然有两个或三个气隙，但仍然保持卷绕式铁心的优点，激磁能量和铁心损耗增加不多，噪声也增加不大。铁心加工除增加铁心切割加工和气隙磨光工序而外，加工工艺也不复杂，仍能采用机械加工。同时又象叠片式铁心那样线圈绕制比较容易。线圈损伤也便于拆卸更换。还有，CD形和XD形铁心对于必须有气隙的电抗器来说，更是一种比较理想的铁心结构。


　　3 非晶和微晶合金铁心

　　铁基非晶合金可以用在50Hz～60Hz工频和400Hz～20kHz中频电源中作为电磁元件的铁心材料。20世纪80年代末，日本大阪变压器厂的研究结论认为：铁基非晶合金铁心在150Hz以上的综合性能，比硅钢铁心好。经过十多年的研究，铁基非晶合金铁心正在向50Hz～60Hz工频领域扩展，和硅钢铁心进行竞争。

　　铁基非晶合金铁心结构也分为叠片式和卷绕式两种。叠片式铁心是比较早期的结构，是把铁基非晶合金带材剪切成一定的铁心片后，再叠装成一定结构形状的铁心。铁基非晶合金带材厚度一般为20μm～40μm，叠装起来既费时又不容易叠好。为了缩短工时和增加铁心强度，把几片和十几片薄铁心片粘接在一起，成为0.1mm～0.25mm厚的铁心片，但是损耗也有所增加。铁基非晶合金磁性不存在取向问题，但是剪切加工困难，一般铁心片形状都为单I形（图6），叠装后的铁心截面都为矩形。铁心柱数也分为单相电磁元件用的两柱式和三相电磁元件用的三柱式两种。由于需要大量的工时，叠装式铁基非晶合金铁心结构现在已很少使用。但是在150μm铁基非晶合金带材工艺成熟之后，仍然有可能采用叠装式铁心结构。



　　卷绕式铁心是把铁基非晶带材剪切或喷制成一定宽度后，再卷绕成一定结构形式的铁心。最早是环形，后来为了绕线方便，发展成方框形，包括单框形、双框形、三框形和四框形。再后来为了简化绕线和装卸工艺，便于更换线圈，发展成CD形和XD形。和硅钢卷绕式铁心结构不同，铁基非晶合金铁心在20世纪90年代初，出现一种新型的搭接式方框形铁心结构（图7）。在铁心的接缝部分，铁心带互相搭接在一起，而且接缝部分不在一条直线上，因此气隙比CD形铁心小。激磁能量和铁心损耗与卷绕式方框形铁心基本相同。但是它可以逐层打开，在装入线圈后，再逐层合上。线圈绕制、装卸和更换都比较容易。现在普遍认为，这种搭接式方框形铁心结构是综合了卷绕式方框形和CD形铁心结构优点的、比较好的铁心结构。不但可以用于低频，而且可以用于中高频电磁元件。在配电变压器中已经大量使用，既缩短了铁心加工和装配工时，又可以发挥非晶合金材料的优良性能。

　　钴基非晶合金和铁基微晶合金用于20kHz～500kHz中高频电源中的电磁元件，主要是卷绕式环形铁心结构，个别的采用CD形铁心结构。CD形铁心结构主要用于20kHz～50kHz的电磁元件，在超过100kHz时，由于线圈匝数少，主要用环形铁心结构。在大容量的电源中，20kHz～50kHz的电磁元件将来有可能采用搭接式铁心结构。

　　4 高导磁合金（坡莫合金）铁心

　　为了充分发挥高导磁合金的高导磁特性，一般都采用卷绕式环形铁心结构。由于高导磁合金对应力敏感，在热处理后，要把环形铁心装在保护盒内，而且在绕线和绝缘处理工艺过程中，一定要轻拿轻放，避免冲击和应力对高导磁合金性能的影响。以前，在1kHz以下，也有个别情况采用叠片式铁心结构，铁心冲片为EE形或者EI形。现在比较少见了。坡莫合金由于环境适应性强，又扩展了使用频率范围，现在在电源中的用量有所增加。但是铁心结构仍然是卷绕式环形铁心结构。

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　　5 软磁铁氧体铁心

　　软磁铁氧体的铁心结构比较多，这是由于采用热压工艺，比较容易加工成各种形状。有EI、EE、EER、EP、UF、UYF、RM、PM、PQ、Q（罐形）、T（环形）和LP形等等（图8）。EI形以尺寸A（E形铁心宽度）为标志，EE形以尺寸A（E形铁心宽度）和2×B（E形铁心长度）为标志，已形成EI10～50，EE8.3/8.0～110/80系列，品种多，制造工艺简单成熟，散热好，便于引出接线，成本较低。缺点是铁心中间柱截面为方形，给线圈绕制带来麻烦。同时，无屏蔽，容易产生杂散磁场干扰。EER形也是以尺寸A（E形铁心宽度）和2×B（E形铁心长度）为标志，已形成EER25/33～54/50系列，铁心中间柱截面为圆形，绕线比较方便，同时绕线长度比方形截面缩短11％，从而降低铜损。但是仍无屏蔽。EP形铁心以铁心高度尺寸E为标志，已形成7至30系列，中间铁心柱为圆形，而且一边有屏蔽，另一边有缺口，便于引出接线。UF形铁心以U形铁心宽度A为标志，形成9.8～25系列，可以两个柱绕线，散热好，引出接线也方便，但是铁心截面为矩形，也无屏蔽。UYF形铁心以U形铁心厚度C（有时包括U形铁心高度2×B）为标志，已形成10～18系列，有的两个铁心柱面为圆形，有的一个铁心柱面为圆形（单边绕线），一个铁心柱截面为方形。RM形铁心以中间铁心柱的直径C为标志，已形成4～14系列，有中心孔和无中心孔（用G作标志）两种，中间铁心柱为圆形，两侧有屏蔽，有两边缺口，便于引出接线。PM形铁心以最大外径A为标志，已形成PM50～114系列，其两侧屏蔽比RM形铁心更宽，效果更好。Q形（罐形）铁心以最大外径A和高度C为标志，已形成Q7/4～Q40/29系列，屏蔽效果最好，单位空间电感值高，但缺口小，引出接线不便，有中心孔，以便安装。PQ形铁心以最大外径A和高度F为标志，已形成PQ20/16～50/50系列，比Q形铁心开的缺口大，引出接线方便，而且背面散热面积大，是高频电源变压器用的铁心结构中，综合性能最佳的一种。LP形铁心以铁心高度2D和一边较小的缺口长度E为标志，已形成LP23/8～LP32/13系列，也适用于高频电源变压器。T形（环形）铁心以外径×内径×高尺寸为标志，已形成6×3×2～124×62×40系列，截面为矩形，磁路无空气隙，电感值大，漏磁小。如果把截面改成圆形，变成类似硅钢O形铁心那样的结构，其绕线工艺和性能都有所改善。



　　6 复合铁心和磁粉芯

　　复合铁心是指采用两种以上软磁材料组成的铁心结构。如果为了使铁心性能一致性好，而把一个铁心分成两个（或三个）铁心，进行性能搭配，这不能算成是复合铁心结构，因为它们使用的是同一种软磁材料，而不是两种以上软磁材料。复合铁心结构的典型例子是脉冲变压器用铁心，为了保证上升时间短和顶降小，使用坡莫合金和软磁铁氧体两种软磁材料组成的铁心，有环形的，也有叠片式的。

　　但是最常用的复合铁心结构是磁粉芯，它是用软磁材料和非磁性材料复合而成。虽然磁粉芯不用于电源变压器，而用于电感器，但是为了使铁心结构介绍比较全面一些，在本文中也把它介绍给读者。

　　磁粉芯是由金属软磁材料粉末与绝缘材料混合以后压制而成的，一般都是环形铁心。为了表明软磁材料的种类和性能，还涂有颜色（红、黄、绿、蓝）作为标记。由于金属软磁材料粉末被软磁材料所包围，形成分散气隙，从而大大降低高频涡流损耗，并具有抗饱和性能。

　　国家标准GBn25185《镍铁磁粉芯》只针对高导磁铁镍合金材料制成的磁粉芯，现在已发展了铁磁粉芯、铁硅铝磁粉芯、非晶和微晶磁粉芯，故国标需要加以扩展和修订。

　　对磁粉芯提出的指标有饱和磁通密度Bs、有效磁导率μe、有效品质因数Qe、有效磁导率温度系αμe及居里点、比重等。主要的磁粉芯的性能参数如表1所示。铁镍钼磁粉芯国家标准型号为FN81，上海钢铁研究所型号为SN，美国阿诺德公司型号为MPP，磁导率高，工作环境适应范围广，损耗低，但价格贵。铁镍高磁通磁粉芯国家标准型号为FN50，美国阿诺德公司型号为HF，饱和磁通密度高，磁导率中等，损耗也较低，价格较便宜，国内外最近比较重视研究和使用。铁硅铝磁粉芯上海钢铁研究所型号为SA，美国阿诺德公司型号为MS，是一种价格较低，综合性能指标较好的磁粉芯。铁磁粉芯上海钢铁研究所型号SF，国外一般型号为IP，磁导率和饱和磁通密度高，但在高频下损耗大，只适用于低频和20kHz以下的中频使用。由于价格便宜，可以把它加工成大型磁粉芯，代替硅钢，作为大容量直流电源的滤波电抗器。

　　表1磁粉芯的主要性能


　　除了表1所列性能而外，一般还给出有效磁导率μe与频率f的关系曲线。与软磁铁氧体类似，在超过一定极限工作频率以后，有效磁导率会迅速下降。同时，还给出在有效磁导率μe下降50％的外加磁场强度，也就是恒磁范围。表2是铁镍钼磁粉芯和高磁通铁镍磁粉芯的恒磁范围。还有，对用于输出滤波器的磁粉芯，必须给出交直流同时磁化曲线，表示在大的直流磁化条件下，磁粉芯有效磁导率的变化情况。

　　表2铁镍钼磁粉芯和高磁通铁镍磁粉芯恒磁范围

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　　7 多功能铁心（集成磁芯）

　　多功能铁心结构是指一种铁心同时起变压器和电抗器，变压器和磁性开关等多种功能。库克教授在提出库克电路的同时，把这种多功能铁心结构称为“集成磁芯”，意思是指它象半导体集成电路一样，把几种功能集成在一起。这个词语“集成磁芯”，到现在一直有人在使用。但是，现在出现了利用与半导体集成电路工艺相类似的技术，制造薄膜式铁心及其应用的电磁元件，有的人称为“微磁性器件”，有的人称为“集成磁性器件”。因此，我认为再使用集成磁芯就容易使人混淆，把两种完全不同的铁心结构认为是同一样的东西，所以把原来的集成磁芯改称为“多功能铁心”。

　　其实，最早的多功能铁心出现在铁磁谐振稳压器中，包括一个变压器和一个由磁分路组成的电抗器。恒压变压器是由铁磁谐振稳压器发展而来的，铁心也属于多功能铁心结构。

　　常见的多功能铁心结构主要是平面布置的形式（图9）。图9（a）是一个变压器和一个电抗器的铁心结构。图9（b）是一个变压器和两个电抗器的铁心结构。图10巧妙地采用两种软磁材料组成多功能铁心结构。图10（a）外框铁心采用高导磁合金材料，形成变压器，中间采用低导磁材料形成电抗器。除了这种框形加中间柱结构而外，还有图10（b）的桥式多功能铁心结构，四个桥臂用高导磁材料，桥对角线用低导磁材料或者开一个气隙。
  


　　从20世纪80年代末开始，对由垂直形铁心构成的立体布置的多功能铁心结构进行研究的人员越来越多。最早是有人把C形铁心的一半转90°而形成的，发现在没转90°的C形铁心上的绕组之间仍存在变压器功能，转90°的C形铁心上绕上一个绕组，可以通过电流激磁后，改变没转90°的C形铁心上绕组的电感〔见图11（a）〕。后来把铁心去掉一些变成图11（b），仍然具有这样的功能。图11（c）是把两个变压器和两个可控电感组合在一起的多功能铁心结构。


　　利用这种垂直形多功能铁心结构已经研制开发出交流稳压电源、逆变电源、电压谐振式和电流谐振式开关电源，具有可靠性高（主要是铜铁材料）、可自动无级调节、消除谐波好、效率高等优点，是值得继续开发的一种特殊的铁心结构。

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　　8 结语

　　（1）各种软磁材料由于使用领域不同，可以组成不同的铁心结构。在选取铁心结构时首先要注意能充分发挥软磁材料的优点，其次要注意工艺加工的复杂程度和材料的利用率，也就是成本。根据市场和用户的要求综合考虑，不能只注意性能一面而忽略成本和价格的另一面。

　　（2）任何铁心结构都各有其优缺点，不能因为偏爱等主观因素而抬高一种否定其它；也不能随大流，由于大多数人反对，而对一种铁心结构采取绝对否定的态度。例如：有的人过分欣赏R形卷绕式铁心结构，不愿注意到这种铁心结构本身存在的一些问题。又例如：大多数人认为120°布置三框式铁心结构不可能用在电源变压器中去，但是已有人把它用于追求体积小的电源变压器中，取得了良好效果。

　　（3）现在的铁心结构在低频和中频电源变压器中发展比较成熟。在高频电源变压器中还有许多工作要做，那已经不属于立体式铁心结构范围，而属于平面式铁心结构和薄膜式铁心结构范围。这两种结构正成为高频电源变压器的研究热点。据报道，高频开关电源的高度，采用平面式铁心结构的变压器在1995年还大于5mm，到1998年，采用低高度平面式铁心结构的变压器，高频开关电源的高度已在5mm～3mm之间。预测到2002年，采用薄膜式铁心结构的变压器和集成工艺技术，把磁性元件、半导体器件和电容器集成在一个单片上，组成新型的单片式高频开关电源，高度可低于3mm，甚至达到1mm。短短十年期间，就从立体式铁心结构跨越平面式铁心结构，发展到薄膜式铁心结构，发展之迅速使人惊叹不已！

　　（4）在利用多功能铁心结构，开发性能独特的直流和交流电源方面，日本索尼公司的一些人员不随大流，坚持研究垂直型多功能铁心结构，而取得了有自己知识产权的成果。这种创新精神和坚韧不拔的努力，给我们一个很好的启示。希望我国的电源技术工作者能够开发出有自己特色的产品，在电源技术新领域中占有一席之地。