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磁性器件中磁芯的选用及设计


  脉冲变压器的漏电感Ls=4βπ N21 lm/h

  脉冲变压器的初级励磁电感Lm=4μπp Sc N2/l×10-9

  涡流损耗Pe=Um d2td lF/12 N21 Sc

  β为与绕组结构型式有关的系数,lm为绕组线圈的平均匝长,h为绕组线圈的宽度,N1为初级绕组匝数,l为铁芯的平均磁路长度,Sc为铁芯的截面积,μp为铁芯的脉冲磁导率,ρ为铁芯材料的电阻率,d为铁芯材料的厚度,F为脉冲重复频率。

  从以上公式可以看出,在给定的匝数和铁芯截面积时,脉冲宽度愈大,要求铁芯材料的磁感应强度的变化量ΔB也越大;在脉冲宽度给定时,提高铁芯材料的磁感应强度变化量ΔB,可以大大减少脉冲变压器铁芯的截面积和磁化绕组的匝数,即可缩小脉冲变压器的体积。要减小脉冲波形前沿的失真,应尽量减小脉冲变压器的漏电感和分布电容,为此需使脉冲变压器的绕组匝数尽可能的少,这就要求使用具有较高脉冲磁导率的材料。为减小顶降,要尽可能的提高初级励磁电感量Lm,这就要求铁芯材料具有较高的脉冲磁导率μp。为减小涡流损耗,应选用电阻率高、厚度尽量薄的软磁带材作为铁芯材料,尤其是对重复频率高、脉冲宽度大的脉冲变压器更是如此。

  脉冲变压器对铁芯材料的要求为:

  ①高饱和磁感应强度Bs值

  ②高的脉冲磁导率,能用较小的铁芯尺寸获得足够大的励磁电感

  ③大功率单极性脉冲变压器要求铁芯具有大的磁感应强度增量ΔB,使用低剩磁感应材料;当采用附加直流偏磁时,要求铁芯具有高矩形比,小矫顽力Hc。

  ④小功率脉冲变压器要求铁芯的起始脉冲磁导率高

  ⑤损耗小。

  铁氧体磁芯的电阻率高、频率范围宽、成本低,在小功率脉冲变压器中应用较多,但其ΔB和μp均较低,温度稳定性差,一般用于对顶降和后沿要求不高的场合。

  近年来发展起来的新型逆变弧焊电源单端脉冲变压器,具有高频大功率的特点,因此要求变压器铁芯材料具有低的高频损耗、高的饱和磁感Bs和低的Br以获得大的工作磁感B,使焊机体积和重量减小。常用的用于高频弧焊电源的铁芯材料为铁氧体,虽然其电阻率高而具有低的高频损耗,但其温度稳定性较差,工作磁感较低,变压器体积和重量较大,已不能满足新型弧焊机的要求。由于纳米晶环形铁芯其具有高的Bs值(Bs>1.2T),高的ΔB值(ΔB>0.7T),很高的脉冲磁导率和低的损耗,频率可达100kHz,采用它可使铁芯的体积和重量大为减小。近年来逆变焊机已应用纳米晶铁芯达几万只,用户反映用纳米晶变压器铁芯再配以非晶高频电感制成的焊机,不仅体积小、重量轻、便于携带,而且具有电弧稳定、飞溅小、动态特性好、效率高及可靠性高等优点。这种环形纳米晶铁芯还可用于中高频加热电源、脉冲变压器、不停电电源、功率变压器、开关电源变压器和高能加速器等装置中。可根据开关电源的频率选用磁芯材料。

  环形纳米晶铁芯具有很多优点,但它也有绕线困难的不利因素。为了在匝数较多时绕线方便,可选用高频大功率C型非晶纳米晶铁芯。采用低应力粘结剂固化及新的切割工艺制成的非晶纳米晶合金C型铁芯的性能明显优于硅钢C型铁芯。目前这种铁芯已批量用于逆变焊机和切割机等。逆变焊机主变压器铁芯和电抗器铁芯系列有:120A、160A、200A、250A、315A、400A、500A、630A。