电源中电磁元件的铁心结构

(a)CD形(b)XD形

卷绕式铁心和叠片式铁心比较，卷绕式铁心可以使磁路中的磁力线完全与硅钢取向一致，而且不存在气隙，因此激磁能量和铁心损耗将减小10％～25％，噪声也低一些。其铁心加工工艺比较简单，便于用机械加工代替手工叠装。但是线圈绕制比叠片式铁心难度大，必须用专门的绕线设备，如果线圈损伤则整体报废，不能返修。为了补偿这些缺点，把卷绕式铁心切开成两半，变成CD形和XD形铁心（图5）。这种结构虽然有两个或三个气隙，但仍然保持卷绕式铁心的优点，激磁能量和铁心损耗增加不多，噪声也增加不大。铁心加工除增加铁心切割加工和气隙磨光工序而外，加工工艺也不复杂，仍能采用机械加工。同时又象叠片式铁心那样线圈绕制比较容易。线圈损伤也便于拆卸更换。还有，CD形和XD形铁心对于必须有气隙的电抗器来说，更是一种比较理想的铁心结构。

图6铁基非晶合金单I形叠片式铁心结构

图7铁基非晶合金搭接式铁心结构

3非晶和微晶合金铁心

铁基非晶合金可以用在50Hz～60Hz工频和400Hz～20kHz中频电源中作为电磁元件的铁心材料。20世纪80年代末，日本大阪变压器厂的研究结论认为：铁基非晶合金铁心在150Hz以上的综合性能，比硅钢铁心好。经过十多年的研究，铁基非晶合金铁心正在向50Hz～60Hz工频领域扩展，和硅钢铁心进行竞争。

铁基非晶合金铁心结构也分为叠片式和卷绕式两种。叠片式铁心是比较早期的结构，是把铁基非晶合金带材剪切成一定的铁心片后，再叠装成一定结构形状的铁心。铁基非晶合金带材厚度一般为20μm～40μm，叠装起来既费时又不容易叠好。为了缩短工时和增加铁心强度，把几片和十几片薄铁心片粘接在一起，成为0.1mm～0.25mm厚的铁心片，但是损耗也有所增加。铁基非晶合金磁性不存在取向问题，但是剪切加工困难，一般铁心片形状都为单I形（图6），叠装后的铁心截面都为矩形。铁心柱数也分为单相电磁元件用的两柱式和三相电磁元件用的三柱式两种。由于需要大量的工时，叠装式铁基非晶合金铁心结构现在已很少使用。但是在150μm铁基非晶合金带材工艺成熟之后，仍然有可能采用叠装式铁心结构。

卷绕式铁心是把铁基非晶带材剪切或喷制成一定宽度后，再卷绕成一定结构形式的铁心。最早是环形，后来为了绕线方便，发展成方框形，包括单框形、双框形、三框形和四框形。再后来为了简化绕线和装卸工艺，便于更换线圈，发展成CD形和XD形。和硅钢卷绕式铁心结构不同，铁基非晶合金铁心在20世纪90年代初，出现一种新型的搭接式方框形铁心结构（图7）。在铁心的接缝部分，铁心带互相搭接在一起，而且接缝部分不在一条直线上，因此气隙比CD形铁心小。激磁能量和铁心损耗与卷绕式方框形铁心基本相同。但是它可以逐层打开，在装入线圈后，再逐层合上。线圈绕制、装卸和更换都比较容易。现在普遍认为，这种搭接式方框形铁心结构是综合了卷绕式方框形和CD形铁心结构优点的、比较好的铁心结构。不但可以用于低频，而且可以用于中高频电磁元件。在配电变压器中已经大量使用，既缩短了铁心加工和装配工时，又可以发挥非晶合金材料的优良性能。

钴基非晶合金和铁基微晶合金用于20kHz～500kHz中高频电源中的电磁元件，主要是卷绕式环形铁心结构，个别的采用CD形铁心结构。CD形铁心结构主要用于20kHz～50kHz的电磁元件，在超过100kHz时，由于线圈匝数少，主要用环形铁心结构。在大容量的电源中，20kHz～50kHz的电磁元件将来有可能采用搭接式铁心结构。

4高导磁合金（坡莫合金）铁心

为了充分发挥高导磁合金的高导磁特性，一般都采用卷绕式环形铁心结构。由于高导磁合金对应力敏感，在热处理后，要把环形铁心装在保护盒内，而且在绕线和绝缘处理工艺过程中，一定要轻拿轻放，避免冲击和应力对高导磁合金性能的影响。以前，在1kHz以下，也有个别情况采用叠片式铁心结构，铁心冲片为EE形或者EI形。现在比较少见了。坡莫合金由于环境适应性强，又扩展了使用频率范围，现在在电源中的用量有所增加。但是铁心结构仍然是卷绕式环形铁心结构。

5软磁铁氧体铁心

图8软磁铁氧体铁心结构

(a)EI形(b)EE形(c)EER形(d)EP形(e)UF形(f)UYF形(g)RM形

(h)PM形(i)PQ形(j)Q形（罐形）(k)T形（环形）(l)LP形

软磁铁氧体的铁心结构比较多，这是由于采用热压工艺，比较容易加工成各种形状。有EI、EE、EER、EP、UF、UYF、RM、PM、PQ、Q（罐形）、T（环形）和LP形等等（图8）。EI形以尺寸A（E形铁心宽度）为标志，EE形以尺寸A（E形铁心宽度）和2×B（E形铁心长度）为标志，已形成EI10～50，EE8.3/8.0～110/80系列，品种多，制造工艺简单成熟，散热好，便于引出接线，成本较低。缺点是铁心中间柱截面为方形，给线圈绕制带来麻烦。同时，无屏蔽，容易产生杂散磁场干扰。EER形也是以尺寸A（E形铁心宽度）和2×B（E形铁心长度）为标志，已形成EER25/33～54/50系列，铁心中间柱截面为圆形，绕线比较方便，同时绕线长度比方形截面缩短11％，从而降低铜损。但是仍无屏蔽。EP形铁心以铁心高度尺寸E为标志，已形成7至30系列，中间铁心柱为圆形，而且一边有屏蔽，另一边有缺口，便于引出接线。UF形铁心以U形铁心宽度A为标志，形成9.8～25系列，可以两个柱绕线，散热好，引出接线也方便，但是铁心截面为矩形，也无屏蔽。UYF形铁心以U形铁心厚度C（有时包括U形铁心高度2×B）为标志，已形成10～18系列，有的两个铁心柱面为圆形，有的一个铁心柱面为圆形（单边绕线），一个铁心柱截面为方形。RM形铁心以中间铁心柱的直径C为标志，已形成4～14系列，有中心孔和无中心孔（用G作标志）两种，中间铁心柱为圆形，两侧有屏蔽，有两边缺口，便于引出接线。PM形铁心以最大外径A为标志，已形成PM50～114系列，其两侧屏蔽比RM形铁心更宽，效果更好。Q形（罐形）铁心以最大外径A和高度C为标志，已形成Q7/4～Q40/29系列，屏蔽效果最好，单位空间电感值高，但缺口小，引出接线不便，有中心孔，以便安装。PQ形铁心以最大外径A和高度F为标志，已形成PQ20/16～50/50系列，比Q形铁心开的缺口大，引出接线方便，而且背面散热面积大，是高频电源变压器用的铁心结构中，综合性能最佳的一种。LP形铁心以铁心高度2D和一边较小的缺口长度E为标志，已形成LP23/8～LP32/13系列，也适用于高频电源变压器。T形（环形）铁心以外径×内径×高尺寸为标志，已形成6×3×2～124×62×40系列，截面为矩形，磁路无空气隙，电感值大，漏磁小。如果把截面改成圆形，变成类似硅钢O形铁心那样的结构，其绕线工艺和性能都有所改善。

6复合铁心和磁粉芯

复合铁心是指采用两种以上软磁材料组成的铁心结构。如果为了使铁心性能一致性好，而把一个铁心分成两个（或三个）铁心，进行性能搭配，这不能算成是复合铁心结构，因为它们使用的是同一种软磁材料，而不是两种以上软磁材料。复合铁心结构的典型例子是脉冲变压器用铁心，为了保证上升时间短和顶降小，使用坡莫合金和软磁铁氧体两种软磁材料组成的铁心，有环形的，也有叠片式的。

但是最常用的复合铁心结构是磁粉芯，它是用软磁材料和非磁性材料复合而成。虽然磁粉芯不用于电源变压器，而用于电感器，但是为了使铁心结构介绍比较全面一些，在本文中也把它介绍给读者。

磁粉芯是由金属软磁材料粉末与绝缘材料混合以后压制而成的，一般都是环形铁心。为了表明软磁材料的种类和性能，还涂有颜色（红、黄、绿、蓝）作为标记。由于金属软磁材料粉末被软磁材料所包围，形成分散气隙，从而大大降低高频涡流损耗，并具有抗饱和性能。

国家标准GBn25185《镍铁磁粉芯》只针对高导磁铁镍合金材料制成的磁粉芯，现在已发展了铁磁粉芯、铁硅铝磁粉芯、非晶和微晶磁粉芯，故国标需要加以扩展和修订。

对磁粉芯提出的指标有饱和磁通密度Bs、有效磁导率μe、有效品质因数Qe、有效磁导率温度系αμe及居里点、比重等。主要的磁粉芯的性能参数如表1所示。铁镍钼磁粉芯国家标准型号为FN81，上海钢铁研究所型号为SN，美国阿诺德公司型号为MPP，磁导率高，工作环境适应范围广，损耗低，但价格贵。铁镍高磁通磁粉芯国家标准型号为FN50，美国阿诺德公司型号为HF，饱和磁通密度高，磁导率中等，损耗也较低，价格较便宜，国内外最近比较重视研究和使用。铁硅铝磁粉芯上海钢铁研究所型号为SA，美国阿诺德公司型号为MS，是一种价格较低，综合性能指标较好的磁粉芯。铁磁粉芯上海钢铁研究所型号SF，国外一般型号为IP，磁导率和饱和磁通密度高，但在高频下损耗大，只适用于低频和20kHz以下的中频使用。由于价格便宜，可以把它加工成大型磁粉芯，代替硅钢，作为大容量直流电源的滤波电抗器。

除了表1所列性能而外，一般还给出有效磁导率μe与频率f的关系曲线。与软磁铁氧体类似，在超过一定极限工作频率以后，有效磁导率会迅速下降。同时，还给出在有效磁导率μe下降50％的外加磁场强度，也就是恒磁范围。表2是铁镍钼磁粉芯和高磁通铁镍磁粉芯的恒磁范围。还有，对用于输出滤波器的磁粉芯，必须给出交直流同时磁化曲线，表示在大的直流磁化条件下，磁粉芯有效磁导率的变化情况。

表1磁粉芯的主要性能

图9平面布置的多功能铁心结构

(a)一个变压器和一个电抗器(b)一个变压器和两个电抗器

图10两种软磁材料组成的多功能铁心结构