三相立柱形变压器及其铁心材料

摘要:

介绍一种新型航空电源变压器——三相立柱形变压器。说明了这种变压器对铁心材料的要求。讨论了FeCoV合金的性能及热处理对合金性能的影响。同时总结了三相立柱形变压器的制作过程。

关键词:三相立柱形变压器FeCoV合金航空电源变压器

Three－phaseColumniformTransformerandItsCoreMaterial

Abstract:Inthispaperanewkindofaviationpowertransformer－three－phasecolumniformtransformerisintroduced.Itisillustratedthatwhichmaterialisrequiredforthetransformercore.TheperformanceofFeCoValloyandtheinfluenceofcoolingmethodofheatingtreatmentontheperformancearediscussed.Theprocesstoproducethree－phasescolumniformtransformerissummarizedaswell.

Keywords:Three－phasecolumniformtransformerFeCoValloyAviationpowertransformer

1引言

在当今航空工业的发展中,对航空元器件的重量、体积的要求愈来愈严格。特别是航空军事领域，为了保证整机的机动、灵活性，尽量要求元器件体积小、重量轻。尤其是航空电源部分，占据了电子设备整体体积重量的相当大的部分。当前航空电源普遍采用开关电源形式。开关电源本身具有体积小、重量轻、线路效率高的特点。但因开关电源的工作频率高，对周边设备会产生较强的电磁干扰，所以为改善整机电磁兼容性，提高可靠性，需加屏蔽及电磁滤波器。这样开关电源连同配套部分也具有相当的体积重量。

本着航空电源应体积小、重量轻的设计原则，现有一种新的设计思路，即线性电压变压器模式。使用高饱和磁密的坡莫合金制作变压器铁心，并采取一系列措施降低变压器的体积、重量，使电源结构紧凑。以高压三相电源变压器为例，采用独特的立柱形结构，称之为三相立柱形变压器。用FeCoV作为铁心材料，在铁心成形等方面采取了特殊工艺措施。变压器在较高磁感应下工作，输入功率重量比可达1kW/kg以上。从而使电源的体积重量与开关电源及配套部件的体积重量相近，而且不存在电磁兼容性问题。

2三相立柱形变压器的结构

　　高压三相立柱形变压器的外形如图1所示。变压器铁心一改以往的平面形设计，采用了立体型铁心，形状如图2所示。由上下两个卷绕成形的环形磁轭和三个叠片成型的近似圆截面的磁柱组成。初次级线圈套在三个磁柱上。三相立柱形变压器技术的关键是FeCoV合金材料制作变压器铁心。

图1三相立柱形变压器

图2三相立柱形铁心

3铁心材料的选择

　　在三相立柱形变压器铁心的设计制造中，首先是铁心材料的选择。为了降低铁心的体积重量，必须选择高饱和磁密的软磁合金。根据感应电压与变压器铁心磁密的关系

　　U=4.44fNBmSc（1）

式中U为感应电压，f为频率，N为线圈匝数，Bm为工作磁感，Sc为铁心有效截面积。在要求得到相同端电压的情况下，铁心的工作磁密与铁心有效截面积及线圈匝数成反比。采用饱和磁密高的软磁材料制作铁心，就可以将铁心的截面积或线圈匝数设计得较小，从而降低整个变压器的体积重量。

在软磁合金中，铁钴合金是迄今所发现的饱和磁密和居里温度最高的一类合金。饱和磁密Bs可达2.4T，居里温度Tc=980℃。国外有两种铁钴合金，称为Permendur和Supermendur[1]。其成分为Fe49％、Co49％、V2％。Supermendur与Permendur的区别在于极仔细地控制纯度和在最后处理时加磁场。两种合金的性能如表1所示。

表1两种铁钴磁性合金的性能

Permendur和Supermendur合金具有较高的饱和磁密、高的磁导率和低的矫顽力。使用于要求高磁密的变压器铁心、大功率磁放大器铁心、超导磁铁、电磁铁的磁极头、接收机线圈、开关和存储磁心、高温元件、耳膜震动片、电机的转子和定子等。

我国Fe－Co系软磁合金现有1J20、1J21、1J22三个牌号。1J20不常用，1J21、1J22相当于国外的Permendur合金。以1J22为例（1J21的V含量比1J22略低，其它成分性能与1J22相同），其性能见表2[2]。1J21、1J22合金目前广泛应用于要求重量轻、体积小的航空元器件。

　　表21J22合金的磁性

4试验方法

4.11J22的热处理

选用0.1mm厚1J22冷轧薄带作为铁心材料，在氢气保护下900℃保温5小时，以60℃/h的速度冷却到750℃，再以200℃/h的速度冷却到200℃以下出炉。然后测量材料的静态磁感应强