变压器与磁性材料基本知识概述3095.pptx

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1、青岛晶石电子有限公司做有品之人，行有品之事每一个立面都孕育太阳这是“晶”的境界孕育太阳的每一个境界这是“品”的信念“品”，成就了晶石的灵魂有品的人格才能赢得尊重有品的事业必将屹立不倒 晶石电子1变压器及磁性材料基本知识简介晶石电子2变压器的工作原理 一.理想变压器的工作原理1.什么是理想变压器符合下列条件者，称之为理想变压器:(1)初次级线圈的电阻为零，因而初次级回路无铜阻压降，无功率损耗（2）铁芯无损耗，变压器无温升。（3）铁芯的磁导率很大，因而初次级之间无漏磁，即初级产生的磁通全部穿过次级，次级产生的磁通全部穿过初级。（4）铁芯无磁饱和现象。我们引进理想变压器的概念，是为了使变压器工作过程

2、的讨论简单明了。晶石电子3 2.理想变压器的工作的物理过程 理想变压器的工作可以分为三个物理过程：电动生磁，磁动生电，磁动势平衡。理想变压器的工作可分为两种状态：空载状态，负载状态。(1)第一个物理过程电动生磁（空载状态）：当变压器初级接通交流电源时，在交流电压U1 的作用下，初级回路产生交变的磁化电流I,该电流流过初级W1,形成磁化磁动势W1 I，它对铁芯激磁，于是在铁芯中产生交变磁通0。这一过程称为电动生磁，就是电流流动而产生磁通的过程，如图11所示。我们把0称为主磁通。其磁密为B 0=0/SC。（当电压为正弦波时，磁通亦为正弦波）图1-1晶石电子0Iw1w2OO OOU14(2)第二个物

3、理过程磁动生电（空载状态）晶石电子 如图1-2所示，按照电磁感应定律，当线圈中的磁通发生变化，会在线圈两端产生感 应电动势E，感应电动势的大小与线圈的匝数成正比，与磁通的变化率成正比（E=wd/dt)。我们知道在第一过程中铁芯里产生了交变磁通0，0交链初级线圈w1，在w1的的两端产生自感电动势E1。0又交链次级线圈w2,在w1的的两端产生互感电动势E2。当磁通为正弦波时，由电磁感应公式E=wd/dt可以推导出E1、E2 的大小为：E1=4.44 w1 0 f-(1-1)E2=4.44 w2 0 f-(1-2)式中：w1-初级匝数 w2-次级匝数 0-交变磁通（韦伯）f-磁通变化频率（赫兹）在理

4、想状态下，初次级电阻为零，自感电动势E1与外电压U1之间的关系为：大小相等，方向相反；次级输出电压U2等于互感电动势E2。即：U1=E1=4.44 w1 0 f-(1-3)U2=E2=4.44 w2 0 f-(1-4)这就是磁通变化而产生感应电动势E1、E2，即磁动生电过程。0U1E1E2=U2 w1w2图1-25(3)第三个物理过程初、次级磁动势平衡过程（负载状态）当次级接上负载电阻R2后，次级回路在E2 的作用下产生感应电流I2，（因为它流过负载，故又称负载电流），I2流过w2，产生反磁势I2 w2，进而产生反磁通2，该磁通与初级磁通方向相反，使初级磁通减少。此时，初级回路电流增大，即初级

5、产生一个新的电流I1,新的磁势w1I1,新的磁通1,与w2 I2、2抗衡，维持原磁通不变。这两个磁通1与2,两个磁动势I1w1与I2w2,大小相等，方向相反。即：1=2-(1-5)w1I1=w2 I2-(1-6)这一物理过程称为磁动势平衡过程，如图1-3所示。初级产生的一个新的电流I1，是随I2的产生而产生，随I2的消失而消失，犹如镜面上光线的反射关系，故称I1为I2映射电流。工程计算上常把映射电流写成 I2，式(1-6)可改写成：w1 I2=w2 I2-(1-7)晶石电子1 I1 I1U1R2 w1w2OOII1102I2图1-363.变压器可以变压、变流、变阻(1)变压原理：从(1-3)、

6、(1-4)式中，我们可以得出：U2/U1=W2/W1-(1-8)移项后得：U2=W2 U1/W1-(1-9)由式(1-8)可看出，初次级电压比等于初次级匝数比，两者成正比关系。从式(1-9)可见，当W2 W1时，则U2 U1，变压器就升压：当W2 W1时，则U2 U1，变压器就降压。所以我们取不同的匝数比，就可以得到各种不同得次输出电压。(1)变流原理：将式(1-6)移项可得：I1/I2=W2/W1-(1-10)由此可见，初次级电流与初次级匝数成反比。即匝数多的一侧电流小，匝数少的一侧电流大，这就是变流原理。晶石电子7(3)变阻原理：1 O 晶石电子2 O OU1 O I1 R2OOU2I2(

7、a)1 O2 OU1R1I1(b)变压器如图1-4所示，从1-2两端往初级看，存在于初级两端的电压U1除以初级电流I1，等效于一个电阻R1，称R1为初级输入阻抗。它的物理意义表示，从图a初级看入，整个线框内的变压器电路等效为图b中的一个电阻R1。R1=U1/I1-(1-11)变压器次级负载电阻为R2，R2=U2/I2-(1-12)图1-48 将式(1-11)于(1-12)相除，再将式(1-8)、(1-10)的个关系式代入可得：R1/R2=（W1/W2）-(1-13）或 R2/R1=（W2/W1）-(1-14）由式(1-13)、(1-14)可知，初次级的阻抗等于匝数比的平方。若将(1-13)式移

8、项得：R1=（W2/W1）R2-(1-15）这就是变压器变阻的原理。例如收音机中得输出变压器，其次级负载若为R2=4，变压器匝数之比为35.35，代入（1-15）式中，得到R1=5000，就是说在初级看起来等效于5000。晶石电子9二、变压器的实际工作状态 实际工作的变压器，初次级线圈有电阻，铁心由损耗，初次级间由漏磁，层间、匝间有分布电容。这些参数，对变压器的工作带来各种各样的影响。晶石电子 r1 r2 C1 rc R2C2U1图 1-5Ls1 Ls2101、初、次级铜阻及其影响q 初、次级导线有电阻，相当于在理想变压器处、次级回路分别引入一个电阻r1、r2。当初次级电流流过r1、r2时，要

9、产生铜阻压降U1、U2：U1=I1 r1-(1-16）U2=I2 r2-(1-17）使初级电压降低，E1=U1 U1；亦使次级负载电压降低，U2=E2 U2。导致初次级匝数比不再等于电压比，而等于感应电势之比。E2/E1=W2/W1-(1-17）晶石电子1 12、铁芯损耗及其影响 通电工作时铁芯会发热，表明铁芯内有能量损耗，称此为铁芯损耗Pc。Pc是由电源供给能量，其影响相当于在理想变压器初级并上一个等效的电阻rc，在初级回路引进一个铁损电流Ic。晶石电子3、漏磁及其影响 实际变压器初、次级线圈所产生的磁通，并非全部通过主磁路铁芯，有一部分经空气构成回路，称此为漏磁通s,漏磁链w s与产生该漏

10、磁链的电流I之比，称为漏感Ls。Ls=w s/I-(1-19）漏磁的影响，相当于在理想变压器的初次级回路中引入漏感Ls1、Ls2，初次级电流在漏感上产生压降，使初次级感应电势E1、E2及负载电压降低。漏感抗是随着工作频率增大而增大，对于工频变压器，由于工作频率低，一般可以忽略不计其影响但对于音频变压器、高频变压器、如何减少漏感带来的影响则是一个重要课题。124、分布电容及其影响 两个相邻的导体中间搁以介质即构成电容，变压器导线的匝间、层间、绕组间及绕组对铁芯间，形成了复杂的分布电容。初次级间的电容，将初级输入线上的杂波偶合到次级，对负载电路形成杂波干扰。匝间、层间、绕组间及绕组对铁芯间的分布电

11、容，使变压器暂状过电压分布不均，导致变压器某些部位暂状过电压过高而击穿。在音频、脉冲变压器中，分布电容将引起频率幅度失真与波形失真。晶石电子13三、变压器等效电路 1、变压器等效电路 变压器初次级仅靠磁路偶合，在电路上是隔离的。为了工程计算及分析问题方便与直观，可以运用变压器变压、变流、变阻原理，把次级参数换算到初级，称此为参数“反弹”或叫“换算”。变压器次级参数反射到初级后，可以得到变压器的等效电路。U1r1Ls1C1L1rcLs2R2C2r2U2晶石电子14图中：R2=（W1/W2）R2-（反射到初级的次级负载电阻)C2=（W2/W1）C2-（反射到初级的次级分布电容)r2=（W1/W2）

12、r2-（反射到初级的次级铜阻)Ls2=（W1/W2）Ls 2-（反射到初级的次级漏感)U2=（W1/W2）U2-（反射到初级的次级负载电压)I2=（W1/W2）I2-（反射到初级的次级负载电流)各种用途的电子变压器，分布参数的影响各不一样。工程计算 中，对变压器的等效电路常常随着工作频率的、阻抗、技术指标 要求高低等等不同而加以简化。晶石电子15 2、工频电源变压器等效电路 由于它的工作频率甚低，漏感与分布电容的影响常常可以忽略，得到简化等效电路：Ir1U1I1II R2 r2 IL1 U2I2rC ICIII1 图中,I2流过R2，将使 R2发 热；Ic流 过等效电阻 rC，将使铁芯发热。这

13、现象为电流在作功，所以称I2、IC为有功电流。I2、IC合成为I1，I1为初级电流的有功分量。I1=I2+IC-(1-20)流过初级电感L1的电流I，在铁芯内产生磁通 0，故称I为激磁电流（或称为磁化电流）。它的作用是把电源能量变成磁能储存在初级线圈和铁芯内，并不做功。因为I是初级电流的无功分量，在相位上与有功分量电流I1及初级电压U1成90相位角，如图1-8所示。I1与I合成初级总电流II，由于I1与I相位差90，其关系不是代数和，而是矢量和，即：I1=（I+I1)1/2-(1-21)图 1-7 图 1-8晶石电子16电子变压器的基本结构及常用材料一.电子变压器的基本结构1.铁芯（磁芯）铁芯

14、（磁芯）构成变压器的磁路，是变压器结构的基础。铁芯（磁芯）的基本结构型式为：壳式、心式、环行。壳式铁芯一般用于小功率变压器，其磁辐射较少，但外磁场对其影响较大。用铁氧体或金属粉末压制成的罐形或盒形磁芯，也属于这种结构，但由于其本身的屏蔽作用，漏磁及外磁场的影响均很小，在高频变压器中广泛应用。心式铁芯用于功率较大的变压器中，外磁场对其影响较小，用于小信号输入变压器可减少干扰。环行铁芯一般用于中频、高频变压器中。这种结构能充分利用铁芯材料的磁性能。它的漏磁最小，外磁场对其影响也最小。铁芯的加工方法，一般可分为冲片式和卷绕式（金属粉末及铁氧体磁芯则是压制或压制烧结而成）晶石电子17 冲片铁芯适用于钢

15、板（带）厚度在0.1mm以上的材料，其工艺较简单，效率高，成本低。广泛应用于电源变压器和音频变压器。列如EI型壳式冲片铁芯，目前用量最大，但是EI型冲片铁芯由于一般尺寸小，剪切应力对铁芯材料的性能影响最大。另外，E型片的一部分必然与钢板（带）的取向方向垂直，若采用取向硅钢板（带）加工时，因各向异性的影响，磁性能较差。卷绕铁芯是用一定宽度的钢带在适当形状的芯子上连续绕制而成。由于刚带的取向与磁通方向完全一致，因此铁芯材料的性能得到充分发挥。用卷绕方法可以制造初CD型、ED型、环型、R型等种类磁芯。晶石电子182.线圈 线圈构成变压器的电路部分，是变压器的基本组成部分。线圈由若干个线组构成，一个变

16、压器至少由两个线组，各绕组之间是相互绝缘（自耦变压器除外）。线圈绕组间的绝缘及对铁芯的绝缘，是保证变压器正常工作的前提。根据不同的场合，线圈各绕组间的匝间、层间、绕组间及对铁芯的绝缘要求也不同。线圈的形状主要是矩形或圆筒形，是依铁芯截面形状而定。它是用 导线在底筒或骨架上连续缠绕而成，一般为多层平绕式。线圈中绕组间的配置十分重要，应根据不同情况来确定。绕组分段绕制能减低其层间电压，减小分布电容；交叉绕制能增强组间耦合，减小漏感。各种变压器对线圈绕组的配置要求不同，例如：脉冲、音频变压器希望有较低的漏感和较小的分布电容；心式铁心的电源变压器要求两铁芯柱功率基本平衡，高压变压器则希望有较低的层间电

17、压和较均匀的电场分布。晶石电子19 根据工作温度、工作电流的大小，选择不同牌号、不同规格的漆包线。漆包圆铜线，一般用于小电流，矩形截面的扁铜线，可用于大电流，对于由特殊要求的场合，例如直焊、热粘合、高频等，可选用相应的导线材料。另外，要注意溶剂对漆包线的影响。绝缘材料是变压器的重要材料，是决定变压器寿命的重要因素。应根据变压器的最高工作温度，选择相应耐热等级的绝缘材料。另外还要注意绝缘材料的介电常数、吸水性、耐电晕性及机械强度等。变压器及线圈一般都要浸漆处理，高压变压器和军用变压器往往用树脂灌封，以增加绝缘和机械性能。晶石电子20二、常用材料 1、导电材料 凡是电阻率低的（=10-8 10-4

18、.cm）材料可作导电材料，例如大量使用的铜材、铝材就是导电材料。高频变压器导线的选择：导线中由交流电通过时，因导线内部和边缘部分所交链的磁通量不同，导致导线截面上的电流产生不均匀分布，电流趋向表面，相当于导线有效面积减少，这种现象称为趋肤效应。随着工作频率的提高，趋肤效应影响也越大。开关电源变压器工作频率一般在20KHZ以上，选择线径时应考虑到电流的趋肤效应。所取线径应小于两倍穿透深度。穿透深度指的是由于趋肤效应，交流电沿导线表面开始能达到的径向深度。当导线为圆导线时，穿透深度为：H=66.1/f1/2-（2-1)式中：H-穿透深度（mm），f-电流频率（HZ）例：电流频率为35KHZ,漆包圆

19、铜线应选多大线径？H=66.1/f1/2=66.1/35001/2=0.353（mm)故线径应用小于0.70的导线。如果按电流密度选择的线径大于0.70，则采用截面积相等的多股线。晶石电子212、绝缘材料、什么是绝缘材料：凡电阻系数在1081020.cm 范围内的物质，称为绝缘材料。绝缘体也叫电介质；也叫非导体。、绝缘材料的作用：绝缘材料可以隔离带电或 不同电位的导体，散热冷却，机械支撑，固定，储能，灭弧，改善电位梯度，防潮防霉及保护导体。晶石电子223、磁性材料 大凡磁性材料器件其性能的关键都取决于所选用的磁性材料。所以变压器或电感器的设计、制造包括应用者，只有在对各类磁性材料在各种场合下的

20、磁状态及表征该状态的磁参数有较为透彻的了解，并能灵活运用时，他才可能成为本行业的佼佼者。当然，任何一个产品涉及的知识是所方面的，其他相关知识也不可小视。一个新产品的成功开发，不少是得益于相关知识的灵感。打牢基础，再博览群书，是成功的必由之路，捷径是没有的。磁性材料的分类：把物体放在磁场H中，物体就被磁化了，其磁化强度M（或磁通密度B）与H的关系为：M=XH，B=0H=0（H+M）式中，X称为物质的磁化率，称为磁导率，=1+H，按X或的大小可把物质分为三类：晶石电子23 1）X 0，即 0但X1，称为顺磁性物质，这类物质的M与H，B与H皆同向。3）X与皆1，这类物质称为铁磁性物质。具有铁磁性（对

21、铁氧体属亚铁磁性）的材料就是磁性材料。注意：铁磁性（或亚铁磁性）物质 当温度升高到某以温度时就转化为顺磁性材料，该温度叫居里温度。磁性材料可分成金属磁性材料、铁氧体磁性材料。金属磁还可分为晶态合金（如我们经常用到的硅钢和坡莫合金）、非晶态合金（如钴基非晶，铁基非晶）及超微晶合金。金属磁的居里点Tc及饱和磁通密度Bs明显高于铁氧体，其电阻率确却大大低于铁氧体。磁性材料按其磁特性的特点，还可分为永磁（硬磁）、软磁、旋磁、矩磁及压磁材料。了解这些分类及各类的特性，才能正确使用磁性材料 晶石电子24 我司目前为止使用的都是软磁材料，其中用作工频变压器的铁芯都是硅钢片，作硅钢片的材料有：1）冷轧取向硅钢

22、片，即日常所说的“灰片”2）冷轧无取向硅钢片，即日常所说的“白片”3）将“白片”再进行退火就是日常所说的“黑片”黑片性能要好于白片，取向的比无取向的更要好的多，但价格也贵的多，不论灰片、白片，因为是按吨销售的，所以尺寸小的片子比尺寸大的要贵。硅钢片的规格有几十种，一般在电子行业种使用的计有：EI-14 EI-16 EI-19 EI-24 EI-26 EI-28 EI-35 EI-41 EI-48 EI-54 EI-57 EI-66 EIB-76.2 EIB-85.8 利用这些片子及不同的叠厚，可以作出小到1W以下，大到200W的变压器。晶石电子25 铁氧体磁性材料 由于铁氧体材料的自发磁矩来源

23、于亚铁磁性，故其饱磁通密度Bs低，居里点Tc低，磁温度稳定性差，在低频段几乎无一用处。但它电阻率高，在100107.cm范围，介于导电体与绝缘体之间，故在高频及超高频领域内有着广泛的用途。我公司大量生产的开关电源变压器、电源滤波电感器全都是使用的铁氧体磁性材料。铁氧体是有氧化铁（Fe 2O3）和其他一种或几种金属氧化物化合而成的物质，是复合氧化物，里面有铁，也有氧，故名铁氧体。以前曾叫铁淦(gn)氧或磁性瓷。因初期的生产工艺类似于陶瓷工艺。我国铁氧体在二十世纪五十年代才开始进入工业化生产。铁氧体按其晶体结构主要可分三种类型：尖晶石型、柘(zh)榴石型和磁铅石型。我们使用的软氧体属尖晶石型，其化

24、学分子式是MeFe 2O4，（=MeOFe 2O3）,其中Me代表二价金属离子，常见的有Mn2+、Ni2+、Zn2+、Fe2+、Mg2+、Ca2+等，如果在成分上除Fe 2O3外，还有MnO叫锰铁氧体；如果除Fe 2O3外，还有MnO和ZnO叫锰锌铁氧体它是目前使用量大面广的一种材料。在一兆赫以下频段范围，是各种软磁铁氧体材料中性能最好的一种。晶石电子26 按其磁特性可分为两种典型材料：以低磁芯损耗、高磁通密度为特征的功率型材料，如南京康达电子生产的LP2、LP3、LP4系列材料，其性能相当于日本TDK的PC30、PC40及PC50材料，另一类是高磁导率为特征的线性材料，如康达的HP1、HP2

25、、HP3，其性能分别相当于日本TDK的H5B、H5B2、H5C2。LP系列材料主要用于功率转换领域，其中LP2材料适用于20KHZ 150KHZ中低频率。LP3材料则是目前应用最广泛的中高频段100KHZ 500KHZ）优秀材料。LP4材料则是为适应开关电源高频化发展趋势而开发的功率材料，它主要适用于500KHZ 1000KHZ谐振式开关电源。LP系列的各个材料在各自适用频段内均具有很低的磁芯损耗，且从室温至实际工作温度（80 100)，损耗呈负温度系数，因而可有效抑制变压器等器件的温升。HP系列材料主要用于宽带变压器脉冲变压器及电源噪声滤波器等小电流线性领域，可根据器件对电感量、损耗和高频特

26、性的不同要求，从中选取适合牌号的材料。另一类重要的软磁铁氧体材料为镍锌材料。NiZn铁氧体 的 使用频率为100KHZ 100MHZ,有的可达300MHZ。这类材料的磁导率低，电阻率很高，一般为105107.cm，因为气孔率较大，高频涡流损耗小，在1MHZ以上高频范围，它是磁性能最有优异的铁氧体材料，在彩电的行线性及固定电感的工字形磁芯中大量采用，作EMI用的磁芯几乎全都是NiZn材料。晶石电子27 锰锌铁氧体材料的主要技术参数 1）初始磁导率i 初始磁导率是磁性材料的磁导率（B/H)在磁化曲线始端的极限值，即 1 B i=0 H 式中 0:真空磁导率（4p107H/m);H：交流磁场强度（A

27、/m);B:交流磁通密度（T）,测试时应小于0.25mT 注：通常是用规定尺寸的环形磁芯测量而得。晶石电子282）有效磁导率e 为了绕制的方便，变压器或电感器磁芯常用非闭合的E型、U型或PM型等配对磁芯。其磁路各部分形状尺寸不同，且接合面不可避免地仍有残余气隙。此时，必须用有效磁导率e表征磁芯的磁性能。在闭合磁路中（漏磁可忽略），磁芯的有效磁导率可表示为 L L e L e=1010=C1 1010 4pN2 Ae 4pN2 式中 L:装有磁芯的线圈的电感量（H）;N：线圈匝数;Le/Ae:磁芯常数 C1（mm1）具体参见各磁芯规格数。晶石电子293）振幅磁导率a 作功率用交换用的开关电源变压

28、器磁芯是工作在高磁通密度下，此时若仍用弱场中引出的磁参量i(或e),显然不妥。因此需要引入振幅磁导率a或增量的概念，才能真实地反映出功率型磁芯在高磁通密度下 的磁特性。在指定的交流磁通密度（或交流磁场强度）下的磁导率称为振幅磁导率，可表示为：1 B a=0 H 式中0、H、B的含义及单位与i表达式中的相同，仅测试时，需明确规定的B值比i测时的B值高出数百倍以上（例如200mT)晶石电子304）增量磁导率 单极性开关电源变压器磁芯，除工作在高磁通密度条件下，也常常处于一个恒定磁场的作用下，此时需引入直流叠加下的增量磁导率或可逆磁导率 rev的概念。在规定条件下，存在恒定磁场时的磁导率定义为增量磁导率。1 B=式中 H：磁场强度改变的峰峰值；0 H B：相应于H 作用下的磁通密度改变的增量。当交变磁场强度减少接近于零时，增量磁导率的极限值定义为可逆磁导率，即：rev=Lim。晶石电子31