小型电压变压器的设计与制作

1、小型电源变压器的设计与制作这里介绍的是适用于50Hz、容量在500VA以下的单相电源变压器的简易设计方法。设计电源变压器前，应了解所设计的电源的技术参数要求，如初级、次级电压、电流、整流电路类型、性质等等。小型电源变压器的主要制作材料是硅钢片和漆包线。常用硅钢片的品种和电磁性能见表1。硅钢片是在铁中加入0.84.5%硅而形成的一种磁性材料，掺入硅以后，可以提高电阻率，并有利于奋力有害杂质、提高磁导率、降低铁损，但硬度和脆性增高，导热系数降低，对机械加工和散热不利。电源变压器适用的硅钢片厚度为0.35mm和0.5mm两种，厚度越薄，铁损越小，变压器发热越少，效率越高，若遇工作频率较高的场合，应选

2、用0.050.20mm的规格。表1常用硅钢片的品种及其电磁性能硅钢品种厚度(mm)铁损（W/kg）不大于磁感应强度不小于叠装密度(g/cm5)弯曲次数代号BioB25B50B100系数P10/50P15/50P17/502、(Wb/m)(%)D210.502.56.11.481.591.78927.70一D220.502.25.31.511.611.74927.70一D230.502.15.11.541.641.76927.70一热轧硅D320.501.84.01.501.611.74917.654D320.351.43.21.501.611.74907.655D420.501.353.151

3、.451.561.68917.551D430.501.202.901.441.551.67917.551D420.351.152.801.451.561.68907.551.5D430.351.052.501.431.541.66907.551.5W210.502.35.31.541.64967.75一无取向W220.502.04.71.521.62967.75一冷轧硅钢片W320.501.63.61.501.60957.655W330.501.43.31.501.60957.655W320.351.253.11.481.58947.655W330.351.052.71.481.58947.6

4、55单取向Q30.350.71.62.31.671.801.86957.653Q40.350.61.42.01.721.851.90957.653Q50.350.551.21.71.761.881.92957.653Q60.350.441.11.511.771.921.96957.653表1中各参数的解释如下：1 .铁损当电感元件通有交流电流时，线圈铁芯中会出现两种损耗：其一是铁磁材料会被交流电流产生的磁场反复磁化，引起铁芯内部分子之间的摩擦和碰撞，产生热量，由此引起的铁心损耗叫做“磁滞损耗”；再则，铁心是导体，在交变磁场中会感应出交变的漩涡状感生电流，称为“涡流”，涡流在铁芯中流动，使铁芯发

5、热，消耗电能，形成涡流损耗。涡流损耗和磁滞损耗统称为铁损。铁损与交流电的频率有关，频率越高，损耗越大；铁损还与磁感应强度有关，磁感应强度越高，铁损越大。硅钢片的铁损是在温度为200C、磁感应强度随时间按正弦规律变化的条件下测定的，在工程中铁损用P10/50、P15/50、P17/50表示，其中下脚标表示测定条件为交流频率50Hz、磁感应强度分别为1.0T（特斯拉）、1.5T、1.7T,其数值为每千克硅钢片的消耗功率（瓦特）。另外，变压器还存在铜损，因为大多数变压器的线圈是用漆包线绕制的，电流通过导线电阻会产生热效应，消耗能量，形成铜损（由于变压器导线一般为铜导线，故将导线电阻形成的损耗一概叫做

6、铜损），铜损与铁心材料无关。铜损也使变压器温度升高，效率降低。2 .不同磁场强度下的磁感应强度铁心温度为20C,将铁心试样设置在退磁状态，在标定频率（50Hz）下磁感应强度按正弦规律变化，当交流磁场（即磁动势，单位为A/m）的峰值达到某一标定值时，铁芯试样磁感强度的峰值为标准磁感强度（简称磁感应强度或磁感），单位为To例如B10为交变磁场的峰值但到10安培/米时，硅钢片中磁感应强度的值（特斯拉），它反映了电流激励硅钢片磁场的能力。3 .叠装系数硅钢片的表面涂有薄薄的一层绝缘漆，当紧密地叠装成变压器铁芯时，彼此之间保持绝缘，这样可以减小铁芯中的涡流，提高变压器的工作效率。但绝缘漆和片间间隙的存在

7、，必然减小铁心的有效截面积。变压器铁芯的有效截面积和实际截面积之比叫做碟片系数。4 .弯曲次数弯曲次数是用肉眼观察到硅钢片上第一次出现裂纹前反复弯曲的次数，它代表了硅钢片的延展性。绕制变压器绕组的漆包线参数参见本书之“机电元件”一章中有关导线的相关内容。除漆包线和硅钢片以外，制作小型电源变压器的材料还有线圈骨架、绝缘纸、引出线以及引出线作法中需要的锡焊材料、绝缘材料等等。GE型铁心单相电源变压器的设计硅钢片是利用冲床冲制而成的，一般硅钢片的冲片规格都符合国家的统一标准，为标准件。按照所选用硅钢片形状区分，常见的电源变压器一般采用E形铁芯和环形铁心，本文首先介绍E型铁心电源变压器的设计与制作。图

8、2为E型铁心尺寸规格图，其厚度按照表1所列钢材规格而定（有0.5mm和0.35mm等规格），表2列出了部分常用硅钢片几何参数值，其中A叫做硅钢片的舌宽，l为平均磁路长度，S0为窗口面积。表2中除S0的单位为平方厘米外，其余均为毫米。一些功率较大的小型电源变压器的骨架需要用布胶版或硬纸板制作，但常用的100W以下小型电源变压器的骨架已经用塑料制成成品，连同冲制好的硅钢片一道出售，可以在市场上直接采购。绝缘纸是用来增强线圈的层间绝缘和绕组之间绝缘用的，常用的绝缘纸有电话纸、电缆纸、电容器纸和黄蜡绸等。使用了绝缘纸以后，线圈的体积将增大，所用漆包线长度增加，会增加制作成本。当采用的漆包线直径较粗、表

9、面绝缘器较厚的情况下，绕线整齐时可以不在层间使用绝缘纸，但引出线与绕组之间，以及各绕组之间都必须使用绝缘纸，以增强绝缘性能。有些市场上出售的骨架结构合理，绕组之间已经用骨架间隔分离，完全可以省略绝缘纸，但在绕制线圈初始仍然加垫少量绝缘纸，当作线圈的软衬垫使用。无论采用什么骨架，引出线与漆包线的连接点必须作恢复绝缘的技术处理，引出线与线圈之间必须用绝缘纸隔离。自制骨架时，往往要将各绕组重叠绕制在骨架上，此时，各绕组之间除了要用足够的绝缘纸实现绝缘处理之外，还需要使用铜箔、铝箔或者漆包线等导电材料间隔开来，作为绕组之间的电屏蔽层。图2GE型铁心叠积示意图表2部分常用E型硅钢片参数型号ABCDEFG

10、nbcdlS0GEI106.5186.56.5313629.53.2524.53.25一5.661.17GEI12822883844364304一6.811.76GEI14925994350414.5344.5-7.862.25GEI16824884048404324-8.931.92GEI16102810104856465385-9.032.8GEI191233.5121257.56755645.56-10.734.02GEI20103010105060505405-11.143.00GEIB22143914146778647537512.445.46GEIB2512.537.512.512

11、.562.57562.56.25506.255.513.944.69GEIB26174717178194778.5648.55.514.77.99GEIB281442141470847075675.515.65.88GEIB30154515157590757.5607.55.516.76.75GEIB301953191991106879.5729.55.516.910.07GEIB32164816168096808648617.87.68GEIB32328016161121281128968627.425.6GEIB35195417.51992108918.5739.5620.115.26GE

12、IB352261.52222105.51231011183.511619.7513.53GEIB38226019221041201019.58211622.413.20GEIB402672262612414411813981327.9618.72GEIB40401002020140160140101201034.2840.00设计、制作E型铁心电源变压器需要按照如下步骤进行。1 .核算变压器输出总功率P2根据负载电路的要求，电源变压器的输出电压往往有多个等级，变压器的输出功率P2是各个输出绕组输出功率的总合。在设计变压器时，通常已经知道负载电路所要求的直流电压U2n和直流电流12n（这里用下角

13、标n标注第n个次级绕组的输出参数），设变压器次级绕组中电压最高的绕组功率为P21,在核算P21时应注意，P21不仅与该绕组白输出电压U21、输出电流I21有关，而且还与整流电路和变压器结构的类型相关，参见表3表3变压器次级主绕组输出功率的核算公式电路型式单相半波单相全波单相桥式三相半波二相桥式三相双星P21计算公式3.49U211211.49U21I211.23U21I211.51U21I21：1.05U21I211.28U21121变压器输出总功率式中P2s=U2s12s.2 .计算变压器车入功率P1利用变压器的效率公式可计算出变压器的初级绕组输入功P1P2式中刀为变压器的效率，一般来说变压

14、器的容量S1越大（变压器的次级视在功率，单位为伏安，当变压器负载为电阻时，实在功率等于P2）,效率越高；容量越低，效率越低。刀值的选取可利用图3,根据容量近似读取。图3小型电源变压器视在功率与效率的经验曲线视在功率小于10VA时，图3所示曲线误差较大；视在功率大于100VA时变压器效率较高,取值应超过90%。3,确定铁心截面积SFe,选择铁心根据经验公式，铁心截面积SFe=KS1.式中K由硅钢片质量确定，硅钢片质量越好，K取值越小。对于D41、D42硅钢片，K=1.25;功率大于100VA的变压器，K的取值可在11.25之间；质量不好的铁心，K=1.5左右。上2式中，Si的单位为伏安（VA）,

15、SFe的单位为平万厘米（cm）。上式中SFe为铁心的净截面积，制作变压器时的实际截面积S还要考虑硅钢片叠装系数入的影响：SFeS=AH.入的取值可参见表1。A为硅钢片的舌宽，H为硅钢片迭厚（即变压器铁芯厚度）。通常取H=1-2A.这样制作的变压器外形较为合适。选择A、H以后，再根据表2确定铁芯规格。4 .确定绕组匝数绕组匝数与绕组电压有关，铁芯材料确定以后可以根据下式计算每伏特电压需要绕制的线圈匝数No:45Fe这里，B为变压器铁芯的磁感应强度，单位为特斯拉（T）;SFe的单位仍然取平方厘米。B的取值略小于表1提供的数据，通常，优质硅钢片取11.5T,一般硅钢片取0.70.8T,普通铁片取0.

16、50.7T,常用的冷轧硅钢片取值可达1.21.6T。确定了硅钢片以后，B的取值越小，变压器工作温升越小，效率越高，但制作成本越高。绕组电阻会使变压器的绕组输出电压降低，确定绕组匝数时应考虑压降系数8的影响，对于初级绕组（设电压为Ui,匝数为Ni）,实际匝数应小于理论值UiNo:Ni=1-UiNo.而对于次级各绕组，实际匝数应略大于理论值：N2i=iU2iN0N22=iU22NoN2n=iU筋N一般取法0.020.05,容量小的变压器所使用的导线细，阻抗大，压降大，8的取值较大。5 .确定各绕组漆包线直径确定漆包线直径的参数是绕组电流，次级绕组的电流已经由负载电路确定，初级绕组的电流Ii可以用初

17、级绕组电压Ui和变压器输入功率Pi计算出来:PiIi=i.ii.2一.Ui系数是由于变压器空载时初级绕组仍然需要维持一定激磁电流所造成的。确定漆包线直径的另一个参数是导线的电流密度Jo变压器的允许温升、散热条件以及绕组允许电压将决定了电流密度的取值，一般E型铁芯小型电源变压器的电流密度的取值范围为24A/mm2。如果取值太大，变压器铜损增大，温升增加，线圈容易烧毁；若取值过小，不仅会增大变压器的体积、重量，而且浪费资源，必然大大增加变压器成本，不经济。导线直径d的计算公式为式中I为绕组电流，单位为安培（A）;J的单位为安培/平方毫米（A/mm2）,d的单位为毫米（mm）。导线直径的选取也可以直接查表获得，已知绕组电流以后，可以查阅“机电元件”中有关导线载流量参数，确定漆包线直径参数。6 .核算变压器窗口面积在图2中由参数B和C决定的硅钢片窗口面积S0是一定的,S0必须能够容纳绕组，同时又不可以留有过大的剩余空间（剩余空间过大必然增大变压器体积和重量，浪费自然资源，使成本升高）。如果剩余空间不合适，就需要重新调整设计参数，或者重新选择铁芯规格。由于漆包线圆形截面占正方形面积，线圈层间、组间绝缘材料均需占用一部分窗口面积，每个绕组所占用的窗口空间Sr不能够直接用漆包线截面积简