电源中电磁元件的铁心结构

1引言

铁心是电源中电磁元件的重要部件，对它的性能起着重要的作用。设计电磁元件的铁心，包括以下几个主要内容：

（1）根据电源的电路和工作频率，转换成铁心对软磁材料的要求，选取适用的软磁材料；

（2）根据电源要求的性能指标，选取适用的铁心结构形式；

（3）根据传送功率和输入阻抗（输入电感），计算和选取铁心尺寸；

（4）根据电磁元件电磁场数学模型，进行铁心和线圈参数计算；

（5）根据使用要求，换算铁心散热面积和工作温度。

如果工作频率在10Hz至20kHz的声频范围内，还要考虑周围环境对可闻噪声的要求。在强调环境保护的今天，可闻噪声污染，对人的身心都会造成相当的危害。因此，降低可闻噪声，使它限制在一定范围内，是相当重要的。如果达不到指标，在设计铁心结构时要采取降低噪声的措施。

对有铁心的电源变压器，第（1）、第（2）项是决定性的，文献1中已作介绍，不再赘述。关于第（3）项，比较通用的是从下面三个公式来设计和选取铁心尺寸。

ACAO=P2(1＋η)/KUJfΔBm(1)

ACLC=P2(1＋η)/KUμOμfΔBm(2)

L1=μOμACN12/lC(3)

式中：AC是铁心实际截面积（包括铁心占空系数KC）；

AO是铁心窗口实际面积（包括窗口占空系数KO），ACAO是铁心的特征参数；

P2是电源变压器的输出功率；

η是电源变压器的效率，P2(1＋η)相当于电源变压器的视在功率；

KU是波形系数，对矩形波为2，对正弦波为222；

J是电流密度；

f是工作频率；

ΔBm是工作磁通密度变化范围，对磁通密度双向变化的电源变压器为2Bm，对磁通密度单向变化的电源变压器为Bm－Br；

lC是铁心的平均磁路长度，ACLC是铁心的有效体积；

L1是输入电感；

μO是真空磁导率；

μ是铁心在工作频率下的有效磁导率；

N1是输入（初级）线圈匝数。

关于第（4）项，在超过一定工作频率的高频条件下，电源变压器的设计应当考虑电磁场的一维、二维或三维数学模型，否则会造成相当大的误差。原电子工业部的指导性技术文件SJ/Z292188《开关电源变压器设计方法》已不再适用。应当根据现在已经比较普及的计算机辅助设计，制定新的指导性技术文件。

关于第（5）项，一般不怎么受设计者重视，而是根据试制样品温升试验的结果再作修改。但是对功率较大（例如100W以上），工作频率较高（例如100kHz以上），还是先进行铁心工作温度核算，以便在设计中采取措施，防止铁心温升超过规定值。

以上简单地介绍电源变压器铁心的设计程序，不但是为了强调软磁材料和铁心结构对电源变压器的重要性，同时也是为了澄清现在设计中流行的一些方向误导的作法，供同行们参考。由于收集资料还不完备，这里只介绍高度为厘米级以上的立体式铁心结构，包括复合铁心结构和多功能（磁集成）铁心结构。至于高度为1mm～10mm级的平面式铁心结构和高度为1mm级以下的薄膜式铁心结构，以后再作介绍。

图1硅钢铁心的片形

(a)I形(b)CI形(c)EI形(d)EE形

图2硅钢叠片式铁心结构截面

(a)方形(b)三阶梯形(c)多阶梯形

2硅钢铁心

50Hz～60Hz工频电磁元件和400Hz～1000Hz中频电磁元件，多数选用硅钢铁心。硅钢铁心结构分为叠片式铁心和卷绕式铁心两种。

叠片式铁心是把硅钢带材通过剪切或冲压成铁心片，然后叠装成一定结构形式的铁心。从铁心片形状发展来看（图1），最早是单I形，后来是CI形、EI形和EE形，其目的是便于叠装，减少工时。如果材料是取向硅钢带，要注意使磁路中磁力线方向与硅钢取向一致，不要与硅钢取向垂直，否则会增加铁心激磁能量和铁心损耗。为了解决转角处磁力线方向不与硅钢取向垂直，后来又发展成45°斜切角形片形。从叠装成的铁心截面发展来看（图2），最早是方形，后来发展成三阶梯形、多阶梯形，使铁心截面逐步趋向圆形。这一方面是为了减少线圈平均匝长，降低阻抗和铜损；另一方面也是为了便于线圈绕制。从叠装成的铁心柱数发展来看（图3），最早是用于单相变压器和电抗器的两柱式，后来发展成用于三相变压器的三柱式，用于带平衡电抗器的整流变压器的五柱式。

卷绕式铁心是把硅钢带材剪切成需要的宽度后，卷绕成一定结构形式的铁心。从卷绕成的铁心形状发展来看（图4），最早为环形，后来为了便于绝缘结构设计和线圈绕制，发展成方框形。方框形包括：用于单相电源变压器的单框式和双框式，用于三相电源变压器的三框式和四框式。三框式又分为两种：一种是合成的，由两个小框外套一个大框组成；一种是独立的，由互相成120°角布置的三个方框组成。为了使铁心截面逐渐趋向圆形，