1前言

電源一般包含由軟磁芯組成的電磁器件。廣義上，電子設備和電子電路中的電磁器件稱(chēng)為電子干式變壓器。電源中的干式變壓器或電磁裝置大多屬于電子式干式變壓器。然而，在一些電源中，干式變壓器對高壓電阻也有絕緣要求。例如，對于大容量DC電源和大容量不間斷電源，整流干式變壓器不是從一般的380伏或220伏輸入，而是從10KV或6.3KV輸入，這與一般的電子干式變壓器有很大的不同，但更類(lèi)似于電力干式變壓器。因此，本文所討論的電源中的干式變壓器既包括電子式干式變壓器，也包括電力干式變壓器。

本文論述了電源中干式變壓器的要求和技術(shù)參數，以及它們與鐵心材料和導電材料的關(guān)系，以便更好地理解另外兩篇文章中介紹的干式變壓器鐵心材料和導電材料的較新動(dòng)態(tài)中的內容，使三篇文章形成一個(gè)有機的整體。寫(xiě)這三篇文章的目的是通過(guò)了解鐵芯材料和導電材料的近期動(dòng)態(tài)，更好地把握干式變壓器在電源行業(yè)的發(fā)展趨勢，為電源行業(yè)、電子干式變壓器行業(yè)、電力干式變壓器行業(yè)的朋友提供參考。如有錯誤，請指正。

2一般要求

電源中的干式變壓器作為一種商品產(chǎn)品，具有在特定使用閾值下完成特定功能，追求較高性?xún)r(jià)比的一般要求。從總體需求出發(fā)，提出了使用門(mén)檻、完成功能、提高效率、降低成本四個(gè)總體需求。它包括技術(shù)性能和經(jīng)濟指標。

2.1使用閾值

干式變壓器在電源中的使用門(mén)檻，包括可靠性和電磁兼容性。

使用可靠性是指在特定的使用閾值下，干式變壓器能夠正常工作，直至使用壽命。環(huán)境溫度對干式變壓器的影響較大。居里點(diǎn)決定了芯材受溫度影響的強度。芯材居里點(diǎn)高，受溫度影響小，芯材居里點(diǎn)低，受溫度影響大。MnZn軟磁鐵氧體的居里點(diǎn)一般只有215，相對較低，磁通密度、磁導率和損耗都隨溫度變化。除正常溫度25外，還應給出60、80和100下的各種參數數據。錳鋅鐵氧體磁芯，一般工作溫度限制在100以下，即環(huán)境溫度為40時(shí)，溫升只允許低于60。鈷基非晶合金的居里點(diǎn)為205，也很低，使用溫度限制在100以下。鐵基非晶合金的居里點(diǎn)為370，可在150和180以下使用。鐵基納米晶合金的居里點(diǎn)為600，硅鋼的居里點(diǎn)為730，可在300以下使用。

決定導電材料工作溫度的不是銅線(xiàn)，而是外絕緣材料的耐熱等級。例如，QZ聚酯漆包線(xiàn)的耐熱等級為B，較高溫度為130。QY聚酰亞胺漆包線(xiàn)，耐熱等級為，較高工作溫度為220。

電磁兼容是指干式變壓器對外界不能產(chǎn)生電磁*的同時(shí)，還要承受外界的電磁*。電磁*包括聽(tīng)得見(jiàn)的音頻噪聲和聽(tīng)不見(jiàn)的高頻噪聲。干式變壓器產(chǎn)生電磁*的主要原因是鐵芯的磁致伸縮，磁致伸縮系數大的鐵芯材料產(chǎn)生的電磁*大。鐵基非晶合金的磁致伸縮系數為(2730)10-6，較大。用它制作鐵芯時(shí)，必須采取措施降低噪聲抑制。錳鋅軟磁鐵氧體的磁致伸縮系數約為21 10-6，容易產(chǎn)生電磁*效應。3%取向冷軋硅鋼的磁致伸縮系數為(1-3) 10-6。鐵基納米晶合金的磁致伸縮系數為(0.5-2) 10-6，易產(chǎn)生電磁。6.5%無(wú)取向硅鋼和鈷基非晶合金的磁致伸縮系數約為0.110-6，不易產(chǎn)生電磁*。鐵芯材料產(chǎn)生的電磁*的頻率一般與干式變壓器的工作頻率相同。如果有電磁*低于或高于工作頻率，是其他原因造成的。導電材料不產(chǎn)生電磁*。用導電材料纏繞的線(xiàn)圈可能會(huì )產(chǎn)生電磁，這種電磁不是由導電材料引起的，而是由導電材料與線(xiàn)圈結構的相互作用引起的。 #p#分頁(yè)標題#e#

2.2完成功能

電源中的電磁器件主要分為干式變壓器和電感。干式變壓器有三種功能：輸電、電壓轉換和絕緣隔離。電感完成的功能有兩個(gè)：功率傳輸和紋波抑制。在這里，我們不僅要討論干式變壓器在電源中完成的功能，還要討論電感在電源中完成的功能。

干式變壓器的功率傳輸是這樣完成的：施加在干式變壓器初級繞組上的交流電壓在鐵芯中產(chǎn)生磁通變化，使次級繞組感應電壓并輸出給負載，從而將電能從初級傳輸到次級。傳輸功率取決于感應電壓，即單位時(shí)間內的磁通密度變化B。B與磁導率無(wú)關(guān)，與飽和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有關(guān)。硅鋼的飽和磁通密度為1.5-2.03噸，鐵基非晶合金的飽和磁通密度約為1.58噸，鐵基納米晶合金的飽和磁通密度為1.2-1.45噸，鈷基非晶合金的飽和磁通密度為0.5-0.8噸.錳鋅軟磁鐵氧體的飽和磁通密度為0.30.5T.作為干式變壓器的核心材料，硅鋼占主導地位，鐵基非晶合金次之，MnZn軟磁鐵氧體次之。

電感的功率傳輸是這樣完成的：輸入電感繞組的電能激勵鐵芯，變成磁能，儲存起來(lái)，再通過(guò)退磁變成電能，釋放給負載。傳輸功率取決于鐵芯的儲能，也就是電感的電感。電感與飽和磁通密度沒(méi)有直接關(guān)系，與磁導率有關(guān)。高磁導率、高電感、高傳輸能量、高傳輸功率。鈷基非晶合金的磁導率為(1 1.5) 106，鐵基納米晶合金為(5 8) 105，鐵基非晶合金為(2 4) 105，硅鋼為(2 9) 104，MnZn軟磁鐵氧體為(1 3) 104。作為電感器的核心材料，鈷基非晶合金和鐵基納米晶合金占主導地位，硅鋼和錳

傳送功率大小，還與單位時(shí)間內的傳送次數有關(guān)，即與干式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的線(xiàn)圈條件下，傳送功率越大。

電壓變換通過(guò)干式變壓器初級和次級線(xiàn)組的匝數比來(lái)完成。不管干式變壓器功率傳送大小如何，初級和次級繞組的匝數比就等于輸入和輸出的電壓變換比。

絕緣隔離，通過(guò)干式變壓器初級和次級繞組的絕緣結構來(lái)完成。外加電壓和變換電壓越高，絕緣結構越復雜。一般電子干式變壓器外加電壓小于1kV，絕緣結構比較簡(jiǎn)單。電力干式變壓器外加電壓超過(guò)6kV，絕緣結構比較復雜，除了承受工頻試驗電壓而外，還要求承受短時(shí)沖擊試驗電壓。

電感器的紋波抑制通過(guò)自感電勢來(lái)實(shí)現。只要流過(guò)電感器的電流發(fā)生變化，線(xiàn)圈在鐵心中產(chǎn)生的磁通也會(huì )隨著(zhù)發(fā)生變化，使電感器線(xiàn)圈兩端出現自感電勢，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率有關(guān)，從電感器抑制紋波能力來(lái)看，磁導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，磁導率小的硅鋼和MnZn軟磁鐵氧體作為鐵心材料比較差。#p#分頁(yè)標題#e#

2.3提高效率

提高效率是對電源中干式變壓器的一個(gè)重要要求，一個(gè)原因是由于石油、煤等能源價(jià)格上漲，節能成為當代的一個(gè)重要任務(wù)。許多電子設備，包括電源在內，不單要求考核負載時(shí)的能耗，還要求考核待機(接近空載)時(shí)的能耗。電源中干式變壓器的損耗是電源待機能耗中的主要部份。另一個(gè)原因是電源中干式變壓器數量巨大，雖然從單個(gè)電源中干式變壓器來(lái)看，損耗只有幾瓦，并不多。但是成十萬(wàn)個(gè)，成百萬(wàn)個(gè)電源中干式變壓器，總損耗可達到幾十萬(wàn)瓦，幾百萬(wàn)瓦，相當可觀(guān)。還有，許多電源中干式變壓器一直長(cháng)期運行，年總損耗決不是一個(gè)小數目。因此，電源中干式變壓器必須提高效率，降低損耗成為一個(gè)重要要求。

電源中干式變壓器損耗包括鐵心損耗和線(xiàn)圈損耗。鐵心損耗只要電源中干式變壓器投入運行，一直存在，是干式變壓器空載損耗的主要部分。在設計和制作干式變壓器鐵心時(shí)，要選擇損耗比較低的鐵心材料。鐵心材料損耗與干式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108 109 cm，在高頻中渦流損耗小，在電源中的高頻干式變壓器中應用占優(yōu)勢，鐵基非晶合金電阻率為130 150 cm，硅鋼電阻率為20 40 cm，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干式變壓器中應用，必須采取措施，例如減少金屬鐵心材料的厚度，現在各種工作頻率的干式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(500 230 m)，中頻400HZ至1kHZ用0.20 0.08mm(200 80 m)，1kHZ至20kHZ用0.10-0.025mm(100-25 m)，中高頻20kHZ至100kHZ用0.05-0.015mm(50-15 m),高頻100kHZ至1MHZ用0.02-0.005mm(20-5 m)，1MHZ以上用小于5 m。鐵基非晶合金由于噴帶設備原因，帶厚一般為40 25 m，在工頻50HZ至中頻400HZ 20kHZ時(shí)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18 m。以前人有認為：鐵心的填充系數與金屬鐵心材料的帶厚有關(guān)，并且提出一個(gè)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的唯一因數?，F在看來(lái)，這個(gè)計算鐵心填充系數的經(jīng)驗公式并不完全成立。因為，鐵心填充系數并不只由鐵心材料帶厚一個(gè)因數決定，還受涂層厚度、帶材平整度和帶材均勻度等其他因數影響。按照經(jīng)驗公式計算，鐵基非晶合金帶厚25 m時(shí)，填充系數達不到0.80，而現在用25 m厚鐵基非晶合金帶材加工成的干式變壓器鐵心，填充系數一般都大于0.86，甚至還達到0.90。#p#分頁(yè)標題#e#

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

2.4降低成本

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

電源中干式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%，是較重要的部份。材料成本中鐵心材料和導電材料成本又占80%左右。因此鐵心材料和導電材料的市場(chǎng)動(dòng)向，價(jià)格變化情況對電源中干式變壓器成本具有重大影響。降低材料成本，還與設計有關(guān)。在設計電源中干式變壓器時(shí)，應當根據鐵心材料和導電材料的價(jià)格，調整干式變壓器的用鐵心材料量與用導電材料量的比值(銅鐵比)，使材料成本在現有條件下達到較低?，F在采用計算機設計電源中干式變壓器時(shí)，追求成本較低，應當成為一個(gè)主要限制條件。

制造成本也與設計和工藝有關(guān)。設計電源中干式變壓器時(shí)，不單要考慮鐵心材料和導電材料的價(jià)格和用量，還要考慮鐵心和線(xiàn)圈的結構以及干式變壓器總體結構是否便于加工和裝配?需用多少人工工時(shí)?需要多少設備和工模具?需要什么檢測設備和儀器來(lái)控制質(zhì)量?這些都是干式變壓器設計者應當考慮的。

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(shí)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，加快資金流轉等。這些主要由經(jīng)營(yíng)管理人員負責。但是與干式變壓器設計者也有關(guān)系。如果設計的干式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(gè)好的電源中干式變壓器設計者，除了了解干式變壓器理論和設計方法而外，還要了解鐵心材料、導電材料、絕緣材料、結構材料的價(jià)格和市場(chǎng)動(dòng)向，還要了解鐵心、線(xiàn)圈和干式變壓器總體加工和裝配工藝，還要了解實(shí)現質(zhì)量控制的檢測參數和儀器設備，還要了解生產(chǎn)管理知識和干式變壓器市場(chǎng)動(dòng)向等等。只有知識全面的干式變壓器設計者，才能設計出性能好，價(jià)格合式的干式變壓器產(chǎn)品。#p#分頁(yè)標題#e#

3 干式變壓器技術(shù)參數

下面分析干式變壓器主要技術(shù)參數與鐵心材料和導電材料之間的關(guān)系。

3.1干式變壓器容量

干式變壓器輸入容量W1=U1I1，干式變壓器輸出容量W2=U2I2，W2= W1， 是干式變壓器效率。

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，f是工作頻率，N1是初級繞組匝數，△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Kc，是鐵心實(shí)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比來(lái)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是初級繞組導線(xiàn)截面積。

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

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

W1=2Kuf△BJAckc A0kO/(1+ )。

l 鐵心材料重量Gc=kcAclc c，lc是平均磁路長(cháng)度。kcAc=Gc/lc c。

導電材料重量GN=k0AolN N，lN是線(xiàn)圈平均匝長(cháng)。K0AO=GN/lN N。

(1+ )W1=2KufKc△B K0J 。 (1+ )W1是干式變壓器總容量=W1+W2

從這個(gè)公式可以看出，干式變壓器總容量與鐵心材料的關(guān)系連涉到三個(gè)參數：鐵心中磁通變化量△B，鐵心材料重量Gc，平均磁路長(cháng)度lc，干式變壓器總容量與導電材料的關(guān)系也牽涉到三個(gè)參數：電流密度J，導電材料重量GN，線(xiàn)圈平均匝長(cháng)lN。另外，鐵心材料密度 c和導電材料密度 N也有影響。

其中△B是鐵心中磁通變化量，一般對單方向激磁干式變壓器，△B=Bm-Br，對雙方向激磁干式變壓器，△B=2Bm。選取Bm時(shí)，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是導線(xiàn)的電流密度，決定于導電材料外包絕緣耐熱等級，也就是允許溫升，在選取了J時(shí)，還要考慮干式變壓器的散熱條件。

3.2效率和損耗

干式變壓器效率 =P2/P1，P2是輸出功率，P1是輸入功率。

P1=P2+Pk， =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(xiàn)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(jìn)行測試，或者由鐵心材料生產(chǎn)單位提供測試數據。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(wú)關(guān)?？偟蔫F心損耗與鐵心單位重量損耗PC和鐵心重量GC成正比。

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

繞組電阻r1= lN1N1/q1，r2= lN2N2/q2， 是導電材料電阻率，lN1，lN2是初級繞組和次級繞組平均匝長(cháng)，q1 q2是初級繞組和次級繞組導線(xiàn)截面積。

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

PN=I12r1+I22r2=J2q12 lN1N1/q1+ J2q22 lN2N2/q2=J2 (lN1N1q1+lN2N2q2)=J2 GN/ N，GN是線(xiàn)圈導電材料重量， N是導電材料密度。

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

值得注意的是，干式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值的，如果工作磁通密度與測試時(shí)的磁通密度不同，要進(jìn)行調整，或者在工作磁通密度下重新測試。因此，在設計干式變壓器時(shí)要注意，不能只根據鐵心材料的飽和磁通密度，還要考慮鐵心損耗來(lái)選取干式變壓器的工作磁通密度。如果選擇不當，會(huì )造成鐵心損耗過(guò)大，干式變壓器工作時(shí)的溫升會(huì )超過(guò)規定數值。

負載損耗Pk包括空載損耗PO和線(xiàn)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(xiàn)圈損耗。但是在中頻和高頻干式變壓器中，鐵心損耗PC比較大，由它形成的空載損耗PO比較大，有時(shí)甚至超過(guò)載圈損耗PN，就不可以忽略，而必須同時(shí)考慮鐵心損耗和線(xiàn)圈損耗。

4 電感器技術(shù)參數

4.1電感

電感L= 0 Kc N2

電感L與鐵心磁導率 0 ,鐵心填充系數Kc，鐵心截面積Ac成正比，與鐵心平均磁路長(cháng)度lc成反比，與線(xiàn)圈匝數平方成正比。為了討論電感L與鐵心之間的關(guān)系，一般用電感系數AL=L/N2。

AL= 0 KcAc/lc= 0 KcAclc/lc2= 0 KcGc/lc2 c

電感系數與鐵心磁導率 0 ，鐵心填充系數Kc，鐵心重量Gc成正比，與鐵心平均磁路長(cháng)度lc的平方、鐵心材料密度 c成反比。

4.2電感能量

WL= LIM2，IM是電感線(xiàn)圈中電流的較大值，IM=Jq，J是線(xiàn)圈電流密度，q是導線(xiàn)截面積。

WL= 0 kc N2J2q2= 0 J2 ，GN是導電材料重量，GN=NqlN N。

從公式看出，電感能量與鐵心材料磁導率 0 ，鐵心重量Gc成正比，與鐵心平均磁路長(cháng)度lC的平方和鐵心材料密度 c成反比;與導電材料的電流密度J的平方，導電材料重量GN的平方成正比，與線(xiàn)圈的平均匝長(cháng)lN和導電材料密度 N的平方成反比。

5 結語(yǔ)

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

(1) 鐵心材料作為干式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率。

導電材料的主要性能指標是允許電流密度和電阻率。

(2) 鐵心材料和導電材料用量對干式變壓器和電感器的主要技術(shù)參數都有影響，同時(shí)也會(huì )影響成本等經(jīng)濟指標。#p#分頁(yè)標題#e#

(3) 電源中干式變壓器的一般要求是選用鐵心材料和導電材料的主要出發(fā)點(diǎn)。在具體設計中應當統籌兼顧技術(shù)經(jīng)濟指標，千萬(wàn)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(jià)格比較高。