变压器铁芯

 

铁芯是变压器中磁路的主要部分。通常由含硅量较高的热轧或冷轧硅钢片组成，表面涂有绝缘漆。铁芯及其周围的线圈构成了完整的电磁感应系统。电源变压器传输的功率大小取决于铁芯的材料和横截面积。

 

 

2.1 卷绕铁心和叠片铁心

2.1.1 绕线铁芯

绕线铁芯常用于中小型变压器（1000kVA以下）、互感器、磁放大器和漏电保护器的零序电流互感器。

 

卷铁心所用材料为超薄高磁导率冷轧硅钢片和坡莫合金等软磁带。硅钢片厚度为0.18~0.30；坡莫合金带材厚度为0.03~0.10mm。以中小型变压器为例，采用卷铁心有以下优点：

1）同等条件下，卷绕铁心的空载损耗比叠片铁心降低7%～10%；空载电流可降低50%~75%。

2）卷铁心可以采用很薄的高导磁率冷轧硅钢片，可以生产损耗较低的变压器。

3）卷铁心加工性能好，无剪切废料，利用率几乎100%。还可采用机械化操作，省去堆放工序，生产效率比叠片铁芯高5～10倍。

4）卷铁心本身是一个整体，不需要用夹紧支撑件固定，也没有接头，因此在与叠片铁心相同的条件下，变压器噪声可降低5~10dB。

5）卷铁心单相变压器的工艺系数约为1.1；三相1.15以下；对于叠片铁芯，小容量的工艺系数约为1.45，大容量的工艺系数约为1.15。因此，卷铁心特别适用于中小型变压器。

 

 

2.1.2叠片铁芯

定义

叠片铁芯是电力变压器、电感器、互感器等电力设备中使用的关键部件。由多片片材组成，导磁率高，磁滞损耗低，可有效提高设备的工作效率和性能稳定性。

 

叠片铁芯结构

叠片铁芯由多个片材组成，每个片材均由高导磁材料（例如硅钢）制成。这些片材由绝缘材料分隔以形成单一结构。叠片铁芯的形状通常为矩形或圆形，以适应不同设备的要求。在叠片铁芯的制造过程中，还需要考虑片材的厚度、绝缘材料的选择以及加工工艺等因素，以保证其性能和可靠性。铁芯在变压器中构成闭合磁路，也是安装线圈的骨架，对于变压器的电磁性能和机械强度来说是非常重要的部件。铁芯是变压器的磁路部分，由铁芯柱（柱上设置绕组）和铁轭（连接铁芯形成闭合磁路）组成。为了减少涡流和磁滞损耗，提高磁路导磁率，铁芯采用{{0}}.35mm～0.5mm厚硅钢片涂绝缘漆制成。小变压器铁芯截面呈长方形或正方形，大变压器铁芯截面呈阶梯状，这是为了充分利用空间。

 

叠片铁芯特点

由于叠片铁心变压器的铁心和绕组是分开制造的，所以先将铁心叠放，然后拆掉上磁轭，然后装上铁心绝缘和线圈，并用撑条支撑线圈和铁心柱，最后插入铁轭，完成本体的组装。

 

叠片铁芯变压器的结构具有以下特点：

1、铁芯的夹紧方向为铁芯片的厚度方向，可以很好的夹紧铁芯；

2、对于双层圆筒线圈，线圈内层没有线圈骨架；

3、由于安装时去掉了上铁轭，所以可以用撑杆轻松将铁芯柱与线圈紧固；

4、线圈单独绕制，线圈绕制后可单独浸漆。

 

 

2.1.3 三维三角形卷铁心、叠片铁心、扁平卷铁心的比较

1）三维三角形绕铁芯

三维绕铁芯：由三个几何尺寸相同的单框绕铁芯组成的三角形三维排列的铁芯。

三维卷铁心变压器：以三维卷铁心作为磁路的配电变压器。

工艺特点：整个铁芯由三个相同的单框组成，铁芯的三个芯柱呈等边三角形排列。每个单架由多条梯形材料带依次缠绕而成。单框缠绕后的截面接近于半圆形，劈开后的截面则非常接近整圆的准多边形。单框不同尺寸的梯形料带由专用折线切割机缠绕。此类切割加工无需材料加工即可完成，即切割时，材料利用率为100%。

 

2）叠片铁芯

叠片铁芯：由纵剪生产线和横剪生产线组成，将硅钢带加工成一定形状的硅钢片，然后将硅钢片按照一定的方式堆叠起来。

叠片铁芯有以下三个缺点：

磁路中存在许多接头形成的气隙，增加了磁路的磁阻，从而增加了损耗和空载电流。

有些地方的磁路方向与硅钢带高磁导率的方向不一致。

片间不紧密不仅降低了叠片系数，更重要的是增加了噪音。

过程对损失的影响

纵向剪切和横向剪切产生增加的机械应力损失

拐角处磁路方向与导磁方向不一致，损耗大大增加

接头增加损耗，特别是空载电流增加

工艺系数1.15～1.3

 

3）结构对磁路的影响

传统气隙叠片铁芯中，AC相之间的耦合磁路明显比AB相、BC相磁路长1/2，因此磁路不平衡，AC相磁阻较大。相较大。当变压器施加三相电压时，铁芯产生三相平衡磁通φA、φB、φC。

当三相平衡的磁通通过不平衡磁路时，A、C相磁压降较大，影响三相电压平衡。这种磁路不平衡对于平面变压器来说是一个难以克服的结构缺陷。

 

4) 扁绕铁芯

扁平绕铁芯：由一个或多个带有绕线铁芯的单框架组成的扁平排列的铁芯。

工艺特点：扁绕铁芯先绕制两个较小的内框，将已绕制好的两个内框组合后，再绕制一个较大的外框，在其外部构成中，扁绕铁芯的三个铁芯柱排列在一起在飞机上。

扁平卷铁芯结构缺陷

与扁绕铁芯、叠片铁芯相同，三个铁芯柱排列在一个平面内，使得三个铁芯柱的磁路长度不一致：中间柱的磁路长度短，磁路两侧磁柱长度较长，平均磁路长度约为20%，导致三个磁芯柱空载损耗差异较大，中间磁柱空载损耗较低，两侧立柱空载损耗较大，导致三相不平衡。

 

 

2.2 单相和三相铁芯

单相铁芯具有单个两柱叠片铁芯。有单相单柱侧轭式四柱铁心、单相双柱式叠片铁心和单相辐射式叠片铁心五种。三相铁芯有三相柱式叠片铁芯、三相侧轭五柱叠片铁芯、三相双框叠片铁芯和三相电抗器叠片铁芯四种。

铁芯由铁芯柱和铁轭两部分组成。铁芯柱上布满绕组，铁轭连接铁芯柱形成闭合磁路。变压器的铁芯平面图如图1所示，图1a是单相变压器，图1b是三相变压器，铁芯结构可分为两部分，C为线圈部分，称为核心柱。 Y用于闭合磁路的部分，称为磁轭。单相变压器有两个芯柱，三相变压器有三个芯柱。

 

 

由于变压器铁芯中的磁通是交变磁通，为了减少涡流损耗，变压器铁芯一般采用电阻率较大的硅钢片制成一定尺寸的铁片，硅钢片由将铁芯切割成所需的形状和尺寸，然后将冲片以重叠方式组合在一起。图2a所示为单相变压器的铁芯，每层由4个冲片组成。图2b所示为三相变压器的铁芯，每层由6片组成，每两层芯片的组合采用不同的排列方式，错开每层磁路的接缝。这种装配方式称为重叠装配，这种装配可以避免钢板与钢板之间产生涡流。并且由于每层冲孔都是相互交织的，所以在压制铁芯时可以使用较少的紧固件，使结构简单。组装时，先将冲孔板叠放形成整体铁芯，然后将下铁轭夹紧，将上铁轭冲孔板拆下，露出铁芯柱，将预制绕组放置在铁芯柱上，最后将取出的上铁轭冲孔板插入。

 

 

2.3 壳与核芯

铁芯中包层绕组的部分称为“铁芯柱”，非包层绕组中仅起磁路作用的部分称为“铁轭”。铁芯包围绕组的称为壳式；绕组围绕铁芯柱的称为铁芯型。壳式和铁芯式各有特点，但由铁芯决定的变压器制造工艺有很大不同，一旦选定某种结构就很难转向某种结构。我国变压器铁芯大部分采用叠铁芯型式。

根据绕组在铁芯内的排列方式，变压器分为铁芯式和壳式。区别主要在于磁路的分布，壳式变压器铁芯的磁轭包围着线圈，铁芯式变压器铁芯大部分在线圈内，只有部分铁轭在线圈外，用于形成磁力。电路。

 

 

 

变压器正常运行时，铁芯因铁损的存在而会发热，且铁芯的重量和体积越大，产生的热量越多。变压器油温在95度以上容易老化，因此铁芯表面温度应尽量控制在该温度以下，这就要求铁芯的散热结构能够快速散发铁芯的热量。散热结构主要是增加铁芯的散热面。铁芯的散热主要包括铁芯油道的散热和铁芯气道的散热。

 

在大容量的油浸式变压器中，常在铁芯叠片之间设置油槽，以增强散热效果。油箱分为两种，一种与硅钢片平行布置，另一种与钢片垂直布置，如图4所示。后一种布置方式散热效果较好，但结构较复杂。

 

在干式变压器铁心采用空气冷却时，为了保证铁心温度不超过允许值，常在铁心柱和铁轭处安装风道。

 

 

 

变压器在运行过程中会产生噪声。变压器本体噪声的来源是铁芯硅钢片的磁致伸缩，或者说变压器铁芯的噪声基本上是由磁致伸缩引起的。所谓磁致伸缩是指铁芯受激磁时，硅钢片沿磁感应线方向尺寸增大；硅钢片的尺寸沿垂直于磁感线的方向减小，这种尺寸变化称为磁致伸缩。另外，铁芯的结构和几何尺寸、铁芯加工制造的工艺也会对其噪声水平产生一定程度的影响。

 

降低铁芯噪声水平可采取以下技术措施：(1)采用磁致伸缩比ε值较小的优质硅钢片。 (2)降低铁芯的磁通密度。 (3)改进铁芯结构。 (4)选择合理的磁芯尺寸。 (5)采用先进的加工工艺。

 

 

变压器正常工作时，带电绕组与引出线和油箱之间形成的电场是不均匀电场，铁芯及其金属部件处于电场中。由于静电感应的电位不同，铁芯及其金属部件的悬浮电位也不一样，当两点之间的电位差能够击穿它们之间的绝缘时，就会产生火花放电。这种放电会分解变压器的油并损坏固体绝缘。为了避免这种情况，铁芯及其金属部件都必须可靠接地。

 

铁芯必须轻微接地。当铁芯或其他金属元件两点或多点接地时，接地点之间会形成闭合回路，形成环流，电流有时可高达数十安培，会引起局部过热，导致油分解，还可能使接地条熔断，烧毁磁芯，这些都是不允许的。所以，铁芯一定要接地，而且一定要稍微接地。

 

 

纳米晶和非晶铁芯的出现为中高频变压器提供了理想的材料。随着工业的发展，电源的工作频率已提高到20kHz，输出功率已超过30kW。传统的硅钢片等铁芯材料损耗较大，不能满足电源的新要求。

 

非晶、铁基纳米晶磁芯具有高饱和磁感、高磁导率、低损耗、温度稳定性好、环保等特点，在大功率高频变压器中具有重要的应用价值。

 

 

 

6.1 纳米晶磁芯

纳米晶材料主要由铁、铬、铜、硅、硼等元素组成，通过快速淬火技术将这些特定合金成分制成非晶态，然后进行热处理形成纳米级晶粒。

纳米晶磁芯表现出优异的磁性能和温度稳定性，特别适合替代20kHz至50kHz频率范围的变压器中的铁氧体。

该纳米晶材料的电阻率为90μΩ.cm（热处理后），并且由于其纳米结构，结合了硅钢、坡莫合金和铁氧体的优点。

 

 

 

常见的铁纳米晶软磁材料的厚度约为30μm。由于其脆性大、对应力敏感，在加工和使用过程中受到外力作用时，磁性能会明显下降。因此，通常将纳米晶核制成环形或马蹄形并置于保护壳内。保护壳材料会影响纳米晶核心的散热性能。

新型纳米晶铁芯已应用于变压器，纳米晶材料厚度仅为24μm，热处理固化后的铁芯较传统变压器铁芯具有显着优势：

新型纳米晶铁心涂有绝缘膜，达到了绕线所需的强度，可直接绕制成变压器。

固化后的纳米晶铁芯取消了保护壳，提供了更多的散热空间，提高了变压器的运行安全性。

这种设计减少了保护壳材料对纳米晶核的影响，节省了保护壳的结构设计和成型时间。

纳米晶磁芯设计可以更加灵活，提供环形、矩形和C形磁芯等多种形状，为变压器设计和后续绕制工艺提供更多选择。

 

6.2 非晶磁芯

非晶材料采用超快淬火技术生产，冷却速度约为每秒一百万度。该技术通过一次淬火将钢水凝固成厚度为30微米的合金带材。由于冷却速度快，金属来不及结晶，导致合金中没有晶粒或晶界，从而形成所谓的非晶态合金。

非晶金属具有不同于常规金属的独特微观结构，其成分和无序结构赋予其许多独特的性能，如优异的磁性、耐腐蚀、耐磨性、高强度、硬度、韧性、高电阻率、高机电耦合系数等。 ， ETC。

 

 

 

铁基非晶磁芯的主要成分是铁、硅和硼，其中硅含量高达5.3%，加上非晶态的独特结构，其电阻率为130μΩ.cm，是其两倍硅钢片（47μΩ.cm）。

非晶磁芯采用的铁基非晶材料厚度约为30nm，比硅钢片的厚度薄很多，因此高频工作时涡流损耗较小。在400Hz~10kHz频率范围内，损耗仅为硅钢片的1/3~1/7。同时，铁基非晶铁芯的磁导率远高于传统铁芯。

由于这些优点，非晶铁心可使变压器重量减轻50%以上，温升降低50%。

经过多年的发展，非晶和纳米晶铁芯已广泛应用于高频变压器、电流互感器、开关电源、电磁兼容设备等领域。